ПРИМЕНЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ В БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

А.С.Куниский

Несмотря на относительное совершенство достигнутых в традиционной микроскопии методов исследования, в ряде случаев возникают затруднения, связанные с необходимостью исследовать очень тонкие механизмы весьма сложно организованных систем. В частности, такая естественная для микроскопии операция, как визуализация микрообъектов, может натолкнуться на существенные трудности при введении некоторых ограничивающих условий. К таким ограничивающим условиям может быть отнесена необходимость минимальных повреждений структуры, что очень важно в случае прижизненных исследований биообъектов. Интенсивные лучевые нагрузки могут вызвать необратимые изменения в структуре и поэтому недопустимы. Голография в этом случае, например, позволяет ограничить воздействие лучевой энергии на препарат лишь временем, необходимым для экспозиции голограммы. Все последующие исследования могут производиться с волновым фронтом, восстановленным с голограммы. Сохранение амплитудных и фазовых соотношений позволяет исследовать восстановленный волновой фронт всеми доступны-

ми микроскопии методами (тёмное поле, фазовый контраст, интерференционные методы) /1/.

Принципы голографической микроскопии достаточно просты. Объект помещается в расходящийся лазерный пучок. Полученная дифракционная картинка на некотором расстоянии от объекта фиксируется вместе с когерентным фоном на фотопластинке (рис. ). Увеличение восстановленного изображения определяется выражением /2/:

Существенным ограниченнем традиционных микроскопических методов является чрезвычайно ограниченная глубина фокусировки и относительно короткое рабочее расстояние объектива. Голография позволяет регистрировать весьма большой объём пространства без потери в разрешении. Любая точка этого объема может быть сфокусирована с помощью обычного микроскопа, рассматривающего действительное изобретение, восстановленное с голограммы. Такого рода возможности особенно полезны в биологии при исследовании динамичных, изменчивых во времени систем. Используя импульсные лазеры, можно фиксировать отдельные фазы процессов, протекающих в таких системах. В частности, голографические методы могут быть использованы для анализа различных микробиологических систем, распределённых

Схема голографического микроскопа:

а) схема регистрации;

б) схема восстановления.

Пл.1 - плоскость фотопластинки;

Пл.2. - плоскость объекта;

Пл.З - плоскость голограммы;

Пл.4 - плоскость восстановл. изображения;

в объёме, дисперсных клеточных структур, суспензий, мелкомасштабных гидродинамических эффектов, отложения осадков и т.д. Известна работа по изучению морского планктона с помощью голографии /3/. Статистическая обработка изображений, полученных при восстановлении, позволяет судить о плотности популяций, распределении видов, пространственных взаимиотношениях микроорганизмов и т.д.

Динамика биологических систем может исследоваться также с помощью приёмов голографической интерферометрии, основным преимуществом которых является возможность наблюдения интерференции разновременно существующих волновых фронтов произвольной формы. Одним из возможных приложений таких методов может явиться визуализация распространения волны возбуждения в культуре мышечной ткани. Но особенно существенны преимущества голографической микроскопии в спектральных диапазонах, где использование обычных, линзовых мик-

роскопических систем затруднено. Это в первую очередь области дальнего ультрафиолета и рентгена. Когерентное ультрафиолетовое освещение может быть получено умножением частоты лазеров большой мощности, работающих в видимой и инфракрасной областях. Например, двухступенчатое удвоение частоты лазера на неодимовом стекле (длина волны 1,06 мк) с помощью кристалла ниобата бария даёт излучение с длиной волны в 265 нм, очень близкое к полосе поглощения нуклеиновых кислот. Таким образом, помимо повышения разрешающей способности, ультрафиолетовая голография может дать и повышение контраста за счёт специфического поглощения. Высокая монохроматичность лазерного излечения позволяет с высокой эффективностью исследовать топографию распределения поглощающего материала в клетке, известно, что многие биологические соединения весьма избирательны к поглощению определённых длин волн излучения. С этой точки зрения очень полезным здесь было бы использование параметрических генераторов света, позволяющих плавной перестройкой по частоте исследовать зоны расположения поглощающего материала.

В рентгеновской микроскопии желательно достижение максимального увеличения на первой стадии (при фиксации голограммы), так как это понижает пространственные частоты регистрируемых полос. Это выгодно по двум причинам: во-первых, из-за ограниченного разрешения регистрирующей среды и, во-вторых, из-за того, что реконструирующее излучение обладает большой длиной волны и может не разрешить тонкую интерференционную структуру, даже если плёнка её воспроизведёт. Рентгеновская голографическая микроскопия сулит чрезвычайно высокое разрешение (порядка нескольких ангстрем), приближающееся к разрешению электронного микроскопа, но, в отличие от последнего, она не требует для своей работы вакуума и не нагревает образец. Развитие рентгеновской голографической микроскопии тормозится в настоящее время отсутствием когерентных излучателей в эгом диапазоне.

При необходимости количественной оценки интересные возможности может представить использование вычислительной техники на стадии восстановлении. Цифровое восстановление изображений с по-

лученних оптический путей голограмм позволяет получить количественную информацию о динамических объёмных микроструктурах /4/.

При анализе микроскопических изображений весьма полезными могут быть методы Фурье-голографии. В частности, обнаружение некоторых форм биообъектов может вестись с использованием методов двумерной согласованной фильтрации. Оптимальное построение такой системы обнаружения должно учитывать статистическую природу биологических микроизображений. Целесообразно рассмотрение ограничивающих условий, при которых взаимодействие изображений объекта и фона может считаться аддитивным, а сам фон рассматриваться как двумерный стационарный случайный процесс /5/. Широкая изменчивость признаков биологических микрообъектов делает также необходимым установление соответствия между информационной ёмкостью голограммы Фурье и диапазоном изменения признаков объекта, используемых при обнаружении, с учётом чувствительности подобных методов к случайным изменениям признаков.

Использование принципов Фурье-голографии полезно при синтезе двумерных Винеровских фильтров, используемых для выделения изображения объекта с максимально возможным подобием (например, при анализе электронномикроскопических изображений).

Помимо прикладных применений, идеи голографии могут быть использованы в некоторых модельных исследованиях. Речь идёт о возможных аналогиях между работой мозга и принципами ассоциативной голографической памяти /6/. Сходство здесь, по мнению Д.Габора, может иметь чисто абстрактный математический характер. Некоторые специалисты по нейрофизиологии считают, кроме того, что в основе механизма запоминания лежат процессы, близкие к интерференционным явлениям. Об этом, в частности, может говорить отсутствие чёткий локализации мест, где хранится информация о тех или иных запоминаемых навыках.

Л и т е р а т у р а

dynamic microscopic subjects". science, 153, 3739, 989, 1966.