打一針就能看見紅外線,中國科學家打造超能力鼠
2019年03月05日10:04
圖片: Namita Nayyar (WF Team)
圖片: Namita Nayyar (WF Team)

  來源:環球科學

  一直以來,科學界都認為只有極少數的動物能感知到近紅外光,比如某些蛇, 昆蟲和蝙蝠。而人類則必須通過特殊設備才能觀測到近紅外光。如今,科學家通過注射人造的的納米顆粒,讓小鼠也獲得了感知近紅外光的能力。這項突破性的進展於2月28日發表在國際期刊Cell上,作者是來自中國科學技術大學的薛天教授與美國馬薩諸塞大學醫學院的韓綱教授,他們將這些經實驗改造的囓齒類動物稱為“超級鼠”。

  金屬改變眼睛光譜

  同為哺乳動物,小鼠和人的眼球在自然狀態下都只能感知電磁波譜中極小的一段,準確的說就是波長在400納米至700納米之間的光。像紫外、紅外這一類光波,不論小鼠還是人都看不到。薛天教授表示:“這主要是因為我們可見光譜範圍不包括紫外和紅外光,”由於我們眼球的特殊構造,角膜和晶狀體會將光線中絕大部分的紫外光過濾掉,而紅外光又太弱,無法激發眼內的感受器產生信號,“韓綱教授表示,他們一直在研究特殊的材料來打破這一限製。 ”

  Chris Murray是賓夕法尼亞大學的材料學家,他解釋稱,實驗里所指的是一種稱為“(光子)上轉換”的納米材料,其具有將低能量轉換為高能量的特性。也就是說,這種納米顆粒可以將低能量的不可見光(包括遠紅外光)激發成高能量的可見光。之所以這種納米材料能實現特殊的作用,也是因為其是由一種特殊的元素——稀土金屬構成,而稀土金屬的一大特點就是能長期維持在激發態。

  在經典的激發模型中,原子吸收到來自光子碰撞產生的能量,原子核周圍規律旋轉的電子會被激發進入高能態,但這種高能激發態只能維持很短的一瞬間。接著這個電子則再次回落到之前的軌道中,並釋放另一個攜帶能量的光子。對於絕大多數元素來說,這個激發態維持過程只有數十億分之一秒。

  但是對稀土金屬而言,這個激發態可以持續百萬分之一秒甚或千分之一秒。這個時間看似也很短,但是已經足以讓下一個光子進入原子之中並激發更多能量,這樣能讓激發態持續下去。Murray說:“這就好像爬波浪狀的滑梯一樣,稀土金屬有更強的牽引力,因此你有足夠的時間呆在第二級台階上等待下一波能量的到來。”也就是說,稀土金屬強大的牽引力,可以讓同一階梯上同時停留更多的光子,這些光子聚在一起,等到能量足夠時將再產生一次激發。這使得稀土金屬可以攝取多個遠紅外這樣的低能態光子,然後以單個高能態的可見光子釋放出來。

  構建“超能力”顆粒

  當韓綱把稀土金屬的這一特性告訴薛天時,兩人一下就意識到這種金屬能解決一項大問題:假如這些稀土金屬能夠以納米材料的方式整合到動物的眼球中,那豈不是有可能讓原本不可見的紅外光變成可見光嗎?如果真能實現,紅外視覺信號就能直接投射到視網膜上,並且還可以依此原理生產實用機械眼。他們當初也懷疑過這個想法的可行性,但是都堅持開展了下一步研究計劃。

  他們首先使用了鉺和鐿這兩種稀土金屬元素和ConA蛋白(刀豆蛋白A)一同製備成納米顆粒。韓綱表示:在這個組合中,鐿原子負責吸收紅外光,然後將能量傳遞給附近的鉺原子,鉺原子再以綠光的形式釋放出來。確切地說,當納米顆粒進入眼內時,ConA蛋白吸附這些納米顆粒並導向眼內光敏細胞或感光處,形成藤壺樣的表面殼。之後,納米材料吸收波長在980納米附近的紅外光線後(光譜上位於紅色可見光附近),然後就能夠通過可見光的形式釋放出來。

  韓綱認為,理論上這應該能讓眼睛將紅外光視為綠光,因為納米材料會發射出一個綠光子,這些綠光子有一半的概率會被眼內的感受器捕捉到。納米材料構造好後,他們決定用小鼠驗證這一理論是否可行。首先,他們將納米顆粒注射進小鼠的眼部,之後用紅外光照射改造眼並觀察小鼠瞳孔是否收縮。小鼠作出的反應非常驚人,它們的改造眼能對紅外光有縮瞳反應,而對照組,未改造的小鼠在紅外光刺激下則不會產生反應。美國西北大學生物醫學工程系的研究員John Rogers也表示:“這實在太妙了,一系列的表型實驗都證明了他們的猜想”。

  此外,他們也對“超級鼠”開展了一項行為學實驗。他們將改造過的小鼠放到一個池子中,在這個池子裡有一個隱藏的平台,除非小鼠能找到這個隱藏平台,否則就會沉入水中。這些小鼠已經被訓練得可以識別LED信號,而這些信號將會從隱藏的平台發出。小鼠想要活命,就得朝有信號的平台處移動。接著他們將可見的LED換成不可見的近紅外燈,沒有接受納米顆粒注射的小鼠會在水池中漫無目的地亂撲騰,而“超級鼠”則能很快找到平台。實驗結果非常好,薛天表示:“紅外信號就連人都無法識別,“超級鼠”卻可以依此找到正確方向,這看上去會有點奇怪。”

  超能力改造剛起步

  這項實驗意味著,小鼠可以利用他們的近紅外視覺來識別周圍環境信號的形狀和模式。納米顆粒帶來的這些增強能力未來可以應用於很多方面。因為我們周圍無時無刻都會有紅外光的存在,尤其是在夜晚,擁有“超級鼠”的能力可以幫助我們看見更多平時見不到的東西。“這就是人們發明夜視儀的原理”。夜視儀可以將周圍的紅外光轉化成可見光並呈現出來,這樣可以達到在黑暗中可視的效果。韓綱認為團隊的新技術也可能也有相似的應用前景。他說到:“這些納米顆粒是放置在眼內的,別人並不知道你用了什麼設備,他們只會認為你是超人。”

  Murray也強調,要實現“超人夢”還有很長的路要走。這種納米顆粒可能會賦予生物體超凡的能力,就像科幻電影一樣。但是目前要應用起來還有些勉強,最重要的原因就是材料還不夠高效。以目前夜間物體周圍的紅外光的強度來說,還並不足以激發這些納米顆粒產生連續清晰的圖像。並且,他們的納米顆粒如果想要商業化,還需要通過漫長的美國食藥監局批準流程。而這個流程必須經過非人靈長動物的實驗,以及一系列安全實驗才符合標準,不是一兩年能完成的。

  但是Murray 同樣也看到了潛在的應用方向。紅外光可以穿透人體到達更深的地方發揮效用,因此他認為這些納米顆粒可以被用來幫助激發光敏藥物,並對可見光無法輕易到達的地方產生治療效應。或者,還可以被用來研究可見光是如何與我們體內的器官發生相互作用的。“我們還不太清楚光在人體內發揮的作用,因為體內並沒有通常意義上的光敏感受器。這種由紅外光產生的深層穿透也是目前研究的熱點。”

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