Widzieć wszystko jak Superman

Nanotechnologia jest jednym z najbardziej obiecujących działów nauki. Pozwala dokonywać w organizmach zmian na poziomie pojedynczych atomów lub cząsteczek. W Europie za nanocząstki uznaje się materiały w wymiarze wielkości od 1 do 100 nm. Nanometr jest jednostką długości jednej miliardowej metra, czyli jednej milionowej milimetra.

Nanotechnologia kojarzy nam się zazwyczaj z najnowszą techniką, ale w rzeczywistości jest mechanizmem stosowanym przez naturę od początku istnienia życia na naszej planecie. Wszystkie komórki, które są wielkości od 0,5 µm do 10 µm (µm – mikrometr jest jedną milionową metra), są złożonymi mikromechanizmami, na które można oddziaływać przy zastosowaniu bionanotechnologii.

Multidyscyplinarna grupa naukowców chińskich, kierowana przez prof. Xue i prof. Jin Bao z University of Science and Technology w Hongkongu oraz Gang Han z University of Massachusetts Medical School, opracowała nanocząstki do pracy z istniejącymi strukturami oka.

Jesteśmy prawie ślepi

Siatkówka oka człowieka, podobnie jak i innych ssaków, reaguje w procesie widzenia wyłącznie na tę część promieniowania elektromagnetycznego, która jest nazywana światłem widzialnym. Jest to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 10 nm do 400 nm.

– Światło widzialne obejmuje zaledwie niewielką część widma elektromagnetycznego – podkreśla Tian Xue, jeden z chińskich autorów projektu. – Tymczasem to fale elektromagnetyczne dłuższe lub krótsze niż światło widzialne niosą tak naprawdę znacznie więcej informacji. Choć wydaje nam się, że bez problemu widzimy dookoła niemal wszystko, to w rzeczywistości nasz wzrok jest niezwykle ograniczony.

Trafne porównanie pod tym względem zastosował w jednym ze swoich programów popularnonaukowych brytyjski dziennikarz Richard Hammond. Porównał cały zakres cały światła, czyli promieniowania elektromagnetycznego do klawiatury fortepianu. Jeżeli zatem człowiek i inne ssaki widzą częstotliwości porównywalne do jednej oktawy, to rzeczywisty pełen zakres wszystkich częstotliwości światła można przedstawić jako klawiaturę fortepianu ciągnącą się 150 mln kilometrów, czyli odległość z Ziemi do Słońca.

Kruk jest kolorowy

Natura wyposażyła niektóre zwierzęta w lepsze lub gorsze widzenie. Szczególnie ważna jest percepcja kolorów. Dzięki długościom i częstotliwości światła widzialnego mamy zdolność widzenia ośmiu grup barw: fioletowej, niebieskiej, niebiesko-zielonej, zielonej, zielonożółtej, żółtej, pomarańczowej i czerwonej. W przeciwieństwie do niektórych gatunków owadów i ptaków ssaki nie widzą nadfioletu, ultrafioletu i podczerwieni, a więc tych fal, które drgają z większą częstotliwością niż fiolet i wolniej niż czerwień.

Kiedy na przykład spoglądamy na kruka, widzimy, że ptak ten ma czarne pióra. Ale inne ptaki widzą, że mienią się one w wielu pięknych barwach. Czasami, kiedy spojrzymy na tego ptaka pod odpowiednim kątem przy silnym oświetleniu słonecznym, jesteśmy w stanie ulotnie dostrzec pewne barwy przemykające po powierzchni skrzydeł. W przeciwieństwie do ssaków owady i niektóre ptaki są tetrachromatykami.

Oznacza to, że mają cztery grupy fotoreceptorów wzrokowych, nazywanych także czopkami. U ssaków występują zaledwie trzy czopki, przez co są one czułe na bardzo ograniczone długości i częstotliwości. Chińskim naukowcom udało się to jednak zmienić.

– Gdy światło wpada do oka i uderza w siatkówkę, pręciki i stożki lub komórki fotoreceptorów absorbują fotony światła widzialnego i wysyłają odpowiednie sygnały elektryczne do mózgu – tłumaczy Gang Han z University of Massachusetts Medical School. Promieniowanie podczerwone, które ma dłuższą falę, jest wszędzie wokół nas. Ludzie, zwierzęta i przedmioty emitują światło podczerwone, emitując ciepło. W dodatku niemal wszystkie obiekty mogą odbijać światło podczerwone. Nie dostrzegamy go jednak, ponieważ fale podczerwone są zbyt długie, aby zostać pochłonięte przez fotoreceptory.

Supergryzonie

Myszy z widzeniem wzmocnionym przez nanotechnologię mogą zobaczyć światło podczerwone oraz światło widzialne – informują chińscy naukowcy.

Pojedyncze wstrzyknięcie nanocząstek w oczy myszy dało widzenie w podczerwieni przez okres do 10 tygodni przy minimalnych efektach ubocznych, pozwalając gryzoniom widzieć światło podczerwone nawet w ciągu dnia i wystarczająco specyficznie, aby rozróżnić poszczególne kształty.

Badacze postanowili temu zaradzić, tworząc nanocząsteczki, które mogą się łączyć z komórkami fotoreceptorów i działać jak małe przetworniki światła podczerwonego.

Dzięki nim, kiedy światło podczerwone uderza w siatkówkę, nanocząstki wychwytują dłuższe fale podczerwone i emitują krótsze fale w zakresie widzialnego światła. Pobliski pręcik lub stożek absorbuje krótszą długość fali i wysyła normalny sygnał do mózgu, tak jakby to światło widzialne, a nie podczerwone trafiło w siatkówkę.

Walka z daltonizmem

– W naszym eksperymencie nanocząsteczki absorbowały światło podczerwone o długości fali ok. 980 nm i przekształciły je w światło o szczytowej wartości 535 nm, co sprawiło, że światło podczerwone pojawiło się jako kolor zielony – tłumaczy prof. Bao.

Eksperyment ten jest wstępem do rozwoju technologii pozwalającej ludziom na widzenia w podczerwieni. Niestety już wiadomo, że ta technologia będzie najprawdopodobniej wykorzystywana głównie do operacji wojskowych.

Najważniejsze jest jednak wykorzystanie tej technologii do leczenia uwarunkowanej ślepoty barw nazywanej daltonizmem.