2O72–, еще одной формы Cr (VI), сменяется менее интенсивным зеленым цветом хрома (III), когда Cr (VI) вступает в реакцию с парами этанола в выдыхаемом воздухе, в результате чего образуется уксусная кислота и ионы Cr (III).
20 Актриса и МРТ
Мы узнаем о ядерном магнитном резонансе (ЯМР), при помощи которого химики предпочитают идентифицировать молекулы для новых лекарств, а врачи – диагностировать опухоли мозга. А еще познакомимся с редким элементом, который в конце концов окажется не таким уж исключительным.
Эту историю можно было бы начать с вымышленной лошади по имени Пай[258] или, может быть, с фортепианных клавиш в прокуренном баре в Хельмстаде[259], и у нее был бы совсем другой конец, если бы не маловероятная экскурсия нескольких специалистов в области медицинской химии в экзотическую южную часть периодической таблицы – царство лантаноидов.
Одно-два поколения страстных поклонников кино и любителей следить за жизнью знаменитостей были расстроены, заинтригованы или просто радовались возможности сунуть свой нос в чужие дела, когда в феврале 1997 года была обнародована еще одна глава казавшейся бесконечной истории Элизабет Тейлор, последней из великих див Голливуда. У кавалерственной дамы Элизабет незадолго до ее 65-го дня рождения диагностировали опухоль мозга, и через несколько недель ей предстояла операция[260]. Доброкачественная опухоль, которую легко удалили хирурги, оказалась для Тейлор наименьшей из проблем со здоровьем; когда же в 2002 году певица Мари Фредрикссон потеряла сознание у себя дома и стало известно, что причина тому – потенциально смертельная раковая опухоль, ситуация была совершенно иной. Судьба 44-летней участницы пользовавшегося огромной популярностью дуэта Roxette взволновала поколение, отличное от того, которое с 40-х годов следило за карьерой Элизабет Тейлор, и вызвала у людей глубокую тревогу еще и потому, что жертвой болезни стала женщина в расцвете сил, у которой было двое маленьких детей[261].
Опухоль мозга – сложное заболевание. Нельзя просто вскрыть череп и найти ее там на ощупь, так как в мозге слишком много чувствительных связей и механизмов, которые легко нарушить. Главная проблема здесь – это определение точного местонахождения опухоли, и для этого нужно иметь возможность заглянуть внутрь мозга, не трогая череп. Самым действенным способом для этого можно считать то, что ученые называют магнитно-резонансной томографией, известной большинству людей просто как МРТ (слово «ядерная», иногда включаемое в полное название этого метода, может вызвать неприятные ассоциации, совершенно ненужные в ситуации, когда от пациента и его родных требуется спокойствие и самообладание).
Возможность заглянуть внутрь человеческого тела всегда имела огромную важность для медицины, но она также подразумевала коммерческие возможности – причем как для порядочных, так и для беспринципных людей. Бёрк и Хэр[262] продавали тела убитых ими жертв для использования в качестве образцов, которые демонстрировали студентам медицинской школы Эдинбургского университета; этот бизнес был более рискованным, чем то, чем занимался Суини Тодд[263], так как рано или поздно кто-нибудь обязательно узнал бы одно из тел. В противоположность им на стороне закона находятся нобелевские лауреаты в области медицины Пол Лотербур и сэр Питер Мэнсфилд, которые внесли важнейший вклад в разработку метода МРТ.
Многие из тех, у кого есть дети, видели ультразвуковое изображение своих еще не рожденных малышей; это трогательный момент, однако, если быть честным, разрешение изображения не очень хорошее. Я помню, как увидел видеосъемку живого бьющегося сердца какого-то животного (не помню, какого именно) на конференции по ядерному магнитному резонансу в Швейцарии в 1991 году; разрешение было таким высоким, что по сравнению с ним ультразвуковое изображение выглядело как монитор компьютера 80-х годов рядом с экраном ноутбука 2013 года выпуска.
В этой главе я больше углубляюсь в технические детали, чем в предыдущих, – в некоторой степени потому, что я провел большую часть тех пяти лет, которые были отведены мне на аспирантуру, рядом с ЯМР-спектрометром; отчасти же потому, что это очень важный инструмент диагностики. Любой человек, часто смотрящий какой-нибудь из вездесущих больничных телесериалов, наверняка видел, как в одной из серий пациента укладывают в аппарат МРТ размером с человеческий рост. Могу вас уверить, что вы точно выйдете из такого аппарата живым, хотя он очень похож на объект из научно-фантастического фильма; однако тех, кто нервничает при виде электроники и сложных машин, особенно после того как я употребил слово «ядерный», возможно, успокоит знание принципов работы этого аппарата.
Всех остальных подобные вещи завораживают. К моей свояченице в больнице как-то раз с обеспокоенным видом подошла одна из медсестер и спросила, «не слишком ли много вокруг нее разного оборудования», а та ответила: «Нет, пусть привозят еще, я инженер!» Я хотел бы для начала отдать дань уважения инженерам во всем мире, о которых зачастую забывают. Почему-то считается, что более высокий статус имеют те, кто знаком с теорией, а не те, кто знает, как работает техника. Например, глубокое уважение вызывает способность объяснить, что происходит, когда мы помещаем молекулу воды в магнитное поле и воздействуем на атомы водорода при помощи радиочастоты, а потом «слушаем» сигналы, которые они отправляют нам в ответ. Но как сохранить магнитное поле невероятно устойчивым – настолько, чтобы трамваи, идущие по Университетской улице в Цюрихе, могли создавать помехи для ЯМР-спектрометров в находящемся аж в соседнем квартале ФИТ (Федеральном институте технологии)? Как принять крайне слабый радиосигнал, исходящий от образца, и преобразовать его в красивый сигнал, которого мы ожидаем от этого метода диагностики, зная теоретические основы метода? И как аналогово-цифровой преобразователь делает сигнал пригодным для компьютерной обработки? Вот лишь несколько примеров того, что для многих людей лишь технические детали.
Я скоро тоже наступлю на эти грабли, но должен сказать вот что: порой мне кажется, что умение заставить эти аппараты работать и производство их в больших количествах на заводах так же поразительно, как и лежащая в основе их работы наука. Я согласен, что для многих людей важнее принципы, стоящие за этой технологией. Любому понятно, что здоровенные блоки, окружающие эти аппараты, не пусты, а заполнены «электроникой»; гораздо важнее понимать, что слово «ядерный» в названии «ядерный магнитный резонанс» не подразумевает никакой радиоактивности или наличия ионизирующего излучения. Однако для химика, работающего за пультом управления ЯМР-спектрометром, понимание электротехники может быть важнее, чем знание деталей квантовой механики с применением операторной алгебры и уравнений Блоха, хотя в научном сообществе последнее считается гораздо более престижным.
Так что же на самом деле происходит внутри аппарата МРТ? Примерно в конце 30-х годов физики обнаружили, что ядра некоторых изотопов – например, привычный изотоп водорода 1Н и очень редкий изотоп углерода 13С – ведут себя как крошечные магниты. Они решили измерить силу этих магнитов (их «магнитный момент») при помощи больших электромагнитов, но, поскольку существует фиксированное количество изотопов, вскоре все магнитные моменты ядер были каталогизированы, и к концу 40-х годов эта глава была дописана – по крайней мере, так думали ученые.
А потом кто-то осознал, что магнитное поле вокруг ядра – это не совсем то же самое, что поле, которое вырабатывали электромагниты, использованные для измерений. Его немного видоизменяют расположенные вокруг ядра электроны, которые имеют свои собственные крошечные магнитные моменты, связанные с их спином. Поскольку некоторые из них участвуют в образовании химических связей или даже переходят в другой атом, образуя ион, это еще сильнее модулирует магнитное поле. В результате слегка изменяется энергия, требующаяся для переключения маленьких ядерных магнитов из положения, когда они указывают в направлении внешнего поля (совсем как стрелка компаса указывает направление магнитного поля Земли), в положение, когда они указывают в противоположном направлении. Это изменение влияет лишь на пятый после запятой знак десятичной дроби, выражающей радиочастоту волн, которые мы направляем на вещество (или пациента) и обеспечиваем тем самым необходимую энергию. Однако этого достаточно – при условии хорошей работы инженеров, – чтобы сделать сигналы атомов водорода при атоме кислорода в воде отличными от сигналов атомов водорода, связанных с атомами углерода в белке.
В центре квантовой механики[264] находится идея существования отдельных энергетических уровней, таких как для ядра водорода лишь с двумя доступными ему опциями – теми, что мы, используя не самую удачную аналогию с миром больших твердых тел, называем «положительным спином» и «отрицательным спином». Забудьте принцип неопределенности Гейзенберга и знаменитое возражение Эйнштейна («Бог не играет в кости»), направленное на отдельные части квантовой теории: без квантования уровней энергии мы бы не смогли наблюдать опухоль мозга у Элизабет Тейлор да и вообще что бы то ни было. Существование зеленого, синего и красного цветов – это тоже эффект из области квантовой механики. Мир был бы серым, если бы уровни энергии атомов и молекул не были квантованы, принимая дискретные значения, а не образуя непрерывные полосы: именно эта их структура дает нам возможность видеть отчетливые цвета, а не просто оттенки серого.