Физики заставили бактерии фокусировать свет

Пропуская через воду с бактериями луч мощного лазера, ученые вынудили микроорганизмы сформировать подобие волновода, увеличивающего пропускание света. Коллектив исследователей показал феномен самофокусировки для нескольких типов микробов, в том числе морских, которые в естественной среде рассеивают свет, а также для клеток крови. Научившись лучше контролировать этот эффект, можно разработать новые методы визуализации биологических образцов. Статья с результатами опубликована в Physical Review Letters.

Если показатель преломления частиц больше, чем у среды, в которой они находятся, то часто возникает нелинейный оптический эффект самофокусировки излучения. Он заключается в том, что по мере движения луча сквозь среду частицы увлекаются к его центру оптической градиентной силой. Результирующая высокая концентрация частиц вдоль луча выступает в качестве линзы, что может привести к «схлопыванию» луча, после которого свет рассеивается по различным направлениям. Однако биофизики уже научились предотвращать подобное явление и формировать при помощи взвешенных частиц узкий пучок, также называемый «световой иглой».

Считалось, что самофокусировка не будет работать с биологическими клетками, так как их оптические свойства близки к воде, и, следовательно, градиентная сила будет мала. Для ее увеличения можно применять лазеры большей мощности, но это грозит повреждением самих клеток. В новой работе авторы использовали микроорганизмы из рода Synechococcus, не способные на самостоятельное движение. Они пускали зеленый лазер через трубку длиной четыре сантиметра, заполненную либо просто морской водой, либо с добавкой бактерий. Без микробов луч расширялся с 50 микрометров до 650 вследствие дифракции. В среде с бактериями наблюдалось два случая: при мощности луча в 0,1 ватта он расширялся еще сильнее — до 1,25 миллиметра, но трехваттный лазер формировал пятно диаметром 200 микрометров.

Моделирование показало, что в случае бактерий необходимо учитывать не только градиентную силу, но и давление излучения, так как внутренняя структура микробов рассеивает больше света, чем неживые наночастицы. Смертность бактерий оказалась всего на 0,1% больше, чем в контрольной группе, что удивило авторов. Они повторили опыты с клетками E. Coli и красными кровяными тельцами человека и получили похожие результаты. Установленные закономерности также наводят на мысль, что клетки взаимодействуют, влияя на оптические свойства друг друга. В частности, этому явлению будут посвящены будущие исследования.