Как развивался сюжет необычного исследования

N+1Наука

Что делают протоны, когда на них никто не смотрит

Евгений Глушков, физик-экспериментатор

Оптический стол с лазерным микроскопом. Evgenii Glushkov

Физики обнаружили, что за движением отдельных протонов можно наблюдать с помощью оптического микроскопа. Правда, для этого потребовались некоторые ухищрения. Евгений Глушков, научный сотрудник лаборатории наноразмерной биологии Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL), рассказывает о том, как развивался сюжет этого необычного исследования.

Оптическая лаборатория чем-то напоминает отсек затерянного в глубинах космоса космического корабля из «Звездных войн». Темнота, нарушаемая лишь светом мониторов и вспышками лазеров, и мерный гул вентиляции и охлаждающих систем. Плотные шторы изолируют этот уголок пространства от остального мира, позволяя проводить множество чувствительных экспериментов. Один из таких экспериментов я и проводил, сидя в темной лаборатории в один из осенних вечеров уже такого далекого 2018-го.

Увидеть невидимое

Случайно заглянувший в комнату наблюдатель скорее всего счел бы происходящее на экране обыкновенным аппаратным шумом — мешаниной светлых и темных пикселей, заполоняющих экран, когда кто-то пытается снимать видео в темном помещении. И он был бы прав, если бы не одно «но». Время от времени в разных частях экрана, передающего изображение с камеры на оптическом столе, вспыхивали явно различимые белые точки.

Каждая такая вспышка регистрируется специальной программой, определяющей ее координаты с точностью до нанометров и яркость с точностью вплоть до отдельных фотонов (яркость измеряют в количестве фотонов, попавших на каждый из пикселей камеры). Накопив достаточное количество вспышек, программа объединяет их в одну невероятно детализированную картинку — финальный результат работы оптического микроскопа сверхвысокого разрешения.

Метод локализационной микроскопии основан на определении местоположения точечного источника света — его локализации. Каждая мерцающая точка на каждом кадре в примере ниже детектируется алгоритмом, который определяет ее координаты с точностью до нанометров. Затем каждая из найденных точек добавляется на общий «холст», где после анализа всех записанных кадров и формируется финальное изображение с высоким разрешением.

Современные локализационные микроскопы позволяют достигнуть разрешения в 10 раз превосходящего дифракционный предел. При этом для правильной работы алгоритма необходимо, чтобы два точечных источника света не перекрывали друг друга — поэтому так важно иметь образец с мерцающими, а не постоянно светящимися флюорофорами.

Такая технология, позволившая оптической микроскопии обойти веками нерушимый дифракционный предел (он зависит от длины волны, для видимого света где-то 300 нанометров), была разработана еще в середине 2000-х. С тех пор она нашла множество применений — особенно в биологии, а ее создатели были заслуженно отмечены в 2014 году Нобелевской премией. Сейчас микроскопы сверхвысокого разрешения — стандартный инструментом в большинстве лабораторий, а сам процесс получения таких снимков перестал кого-либо удивлять и завораживать.

Для стандартной микроскопии сверхвысокого разрешения необходимы специальные молекулы-маячки — флюорофоры, которые добавляются к исследуемому образцу и распределяются по нему так, чтобы плотным ковром покрыть желаемые области. В определенных условиях эти молекулы начинают мерцать, давая нам те самые кадры для последующей обработки и создания изображения сверхвысокого разрешения. Не будь в образце под микроскопом таких молекул — мы бы и впрямь не увидели ничего, кроме шума.

Я же сидел и напряженно всматривался в мерцающий экран потому, что точно знал, что никаких флюорофоров к исследуемому образцу не добавлял. Тем не менее, характерно мерцающие точки упрямо продолжали появляться на экране.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Физики сделали металинзу с четким переменным фокусом Физики сделали металинзу с четким переменным фокусом

Фокусное расстояние зависит от аморфного или кристаллического состояния вещества

N+1
«Родной земли не отдадим ни пяди» — сколько это в сантиметрах? «Родной земли не отдадим ни пяди» — сколько это в сантиметрах?

Сколько неотданных врагу пядей в масштабе Российской Федерации

Maxim
Почему беседу стоит прерывать раньше, чем мы привыкли: мнение ученых Почему беседу стоит прерывать раньше, чем мы привыкли: мнение ученых

Большинство участников любой беседы на самом деле хотят, чтобы диалог закончился

Популярная механика
Дерзкий Дерзкий

На что надо смотреть при выборе спортбайка Kawasaki ZX-10R

Мото
Бумажный антистресс: шесть книг, которые согреют и успокоят Бумажный антистресс: шесть книг, которые согреют и успокоят

Книги, которые помогут дотянуть до весеннего солнца и ободряющего голубого неба

Seasons of life
10 фактов об Альберте Эйнштейне 10 фактов об Альберте Эйнштейне

Подборка интересных деталей из биографии Альберте Эйнштейне

Популярная механика
Ложная беременность: обман разума или обман тела? Ложная беременность: обман разума или обман тела?

Какие «игры разума» могут настолько повлиять на физиологию?

Psychologies
Планы выпускников университетов 2020 года Планы выпускников университетов 2020 года

Выпускники вузов об учебе, выбранной профессии и желании реализоваться в России

СНОБ
Никола Андреатта (CEO Roger Dubuis): «Мы преодолеваем силу гравитации» Никола Андреатта (CEO Roger Dubuis): «Мы преодолеваем силу гравитации»

Интервью с генеральным директором часового бренда Roger Dubuis

GQ
«Я вижу то, что я слышу»: режиссер Саша Дженкинс рассказывает о роли музыки в своей жизни «Я вижу то, что я слышу»: режиссер Саша Дженкинс рассказывает о роли музыки в своей жизни

Эксклюзивное эссе от режиссера Саши Дженкинса для американского журнала Playboy

Playboy
Недосчитались алмазов в пещерах каменных Недосчитались алмазов в пещерах каменных

Запасы некоторых полезных ископаемых уменьшаются быстрее, чем прирастают

Эксперт
Урожайный гад: чем опасен борщевик и как это ядовитое растение заполонило российские земли Урожайный гад: чем опасен борщевик и как это ядовитое растение заполонило российские земли

Заросли опасного растения занимают до 15% ландшафтов европейской части России

Esquire
Декларация независимости Декларация независимости

Рианна — о новом альбоме, линии косметики, материнстве и свободе

Vogue
Как государство придает собственному курсу на одичание статус основного закона Как государство придает собственному курсу на одичание статус основного закона

Государство давно рвется считать наши тела своей собственностью

СНОБ
Странности гениев Странности гениев

Увлечения, фобии и причуды — раскрываем русских гениев с новой стороны

Культура.РФ
Сергей Кутовой Сергей Кутовой

Блогер пережил страшное ДТП, но вышел из ситуации победителем

Собака.ru
Территориальные животные сгладили кривые распространения инфекционных болезней Территориальные животные сгладили кривые распространения инфекционных болезней

Метки животных могут длительное время распространять возбудителей заболеваний

N+1
Внушительные размеры не помогли самкам горных горилл родить больше детей Внушительные размеры не помогли самкам горных горилл родить больше детей

Что влияет на репродуктивный успех самок горных горилл

N+1
Переизобретатели алфавита Переизобретатели алфавита

Как люди создавали телекоммуникации и что запатентовал Морзе 180 лет назад

N+1
В чашке Петри вырастили человеческую кожу с волосами В чашке Петри вырастили человеческую кожу с волосами

В полученном органоиде сформировались не только основные слои кожи

N+1
Женщина, которую мы любим: Анна Чиповская — о музыке, откровенных сценах в кино и любимых актерах Женщина, которую мы любим: Анна Чиповская — о музыке, откровенных сценах в кино и любимых актерах

Разговор с актрисой Анной Чиповской

Esquire
Раздражение: понять и обезвредить Раздражение: понять и обезвредить

Почему мы не всегда понимаем истинную причину своего раздражения

Psychologies
Мужчина потерял способность воспринимать цифры из-за неврологической травмы Мужчина потерял способность воспринимать цифры из-за неврологической травмы

Пациент утратил способность видеть цифры от 2 до 9

National Geographic
«В моем случае связи не работают» «В моем случае связи не работают»

Ведущая Comedy Women Мария Кравченко вот-вот получит третье высшее образование

OK!
Одна вокруг света на карантине: авария на дороге и индийская медицина Одна вокруг света на карантине: авария на дороге и индийская медицина

75-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко и ее собаки

Forbes
Время лечит Время лечит

Принятое в идеальное время лекарство оказывает максимальный эффект

Лиза
Обида: как не попасть в ее ловушку? Обида: как не попасть в ее ловушку?

Почему возникает обида и как с ней справляться?

Psychologies
Суп как способ выжить Суп как способ выжить

Простая тарелка супа с куском хлеба способна сохранить человеческую жизнь

Bones
Каково это — гастролировать с Queen. Интервью со старшим техником группы Питером Хинсом Каково это — гастролировать с Queen. Интервью со старшим техником группы Питером Хинсом

Воспоминания Питера Хинса — техника Queen, который гастролировал с группой

Esquire
Красота уходит от нелюбви: как обиды влияют на твой внешний вид Красота уходит от нелюбви: как обиды влияют на твой внешний вид

Обиды могут сделать из нас человека, который не соответствует нашему «Я»

Cosmopolitan
Открыть в приложении