Lidským okem viditelné barevné spektrum. Představuje část elektromagnetického spektra o vlnových délkách 380 až 750 nm odpovídající frekvenci 790 – 400 THz.

Za objev IR záření vděčíme britskému fyzikovi Siru Williamu Herschelovi, který hranolem rozložil sluneční světlo a všimnul si, že teploměr umístěný za červenou oblastí optického spektra ukazuje zvýšenou teplotu. Do rozloženého barevného spektra proto vložil sadu rtuťových teploměrů a naměřená teplota v místě jednotlivých barev se směrem k červené zvyšovala. Omylem dal teploměr ještě o kousek dál (za okraj viditelného spektra) a ke svému překvapení zjistil, že právě tam teplota vykázala nejvyšších hodnot. Tak se mu podařilo objevit, že musí existovat jakési neviditelné záření, které přenáší teplo. A protože se toto záření nachází za viditelným červeným pásem, bylo nazváno infračerveným (z latinského infra = pod). T, co Herschel ve skutečnosti objevil, bylo záření, kterému dnes říkáme blízké infračervenému. Práci ale nerozvedl a tak upadla na dlouhou dobu v zapomnění. Infračervené záření bývá často zaměňováno za „tepelné záření“. Měli bychom ale mít na paměti, že povrchy těles zahřívá absorpce libovolného elektromagnetického záření.

Sir William Herschel. Pomocí hranolu a teploměrů odhalil, že za červeným spektrem musí být světlo, které nevidíme. Kredit Wikipedia, volné dílo.

Infračervené záření je elektromagnetické záření s vlnovou délkou větší, než jakou má pro nás to, co označujeme jako viditelné světlo a menší než mikrovlnné záření. IR se dnes dělí na jednotlivá pásma. Ta ale nejsou jednoznačně dána. Pokus, o kterém bude řeč, se netýká celého infra spektra, ale zatím  jen blízkého (near) infračerveného záření neboli NIR, ale v blízké budoucnosti se to má rozšířit.

Hadi svou teplokrevnou oběť díky proteinu TRPA1 vidí asi takhle. Kredit: Julius Lab at UCSF.

Ve spektru NIR svítí i žárovka. Její vlákno má teplotu přibližně 2700°C. Energetická křivka záření žárovky má počátek až na hranici UV a viditelného záření na hodnotě 380 nm a dosahuje svého vrcholu ve vlnových délkách okolo 1100 nm v oblasti infračerveného záření. Viditelná jen asi dvacetina záření, 95 % spadá do oblasti IR (má větší vlnovou délku než 0,8 μm).

Aby člověk viděl v  jiných spektrech, potřebuje k tomu poměrně těžké vybavení (termovize, noktovizory,...). Někteří hadi to ale  dovedou i bez přístrojů. Mají k tomu zvláštní orgán umístěný v dolíčku mezi nozdrou a okem a ten jim dovoluje zaměřit teplokrevnou kořist i potmě. Přišlo se na to u chřestýšů, kteří mají ve zmíněné jamce pod okem hodně proteinu TRPA1. Když na něj dopadne infračervené světlo, vydá ionty do nervů a ty přenesou vzruch do mozku. Díky tomu had vidí podobně, jako my se speciální kamerou. My lidé přitom máme zmíněný „hadí“ protein také. Je součástí naší nosní sliznice. Místo infravidění ho máme asi proto, aby gurmánům dovoloval vychutnat si isothiokynáty japonského křenu wasabi. Ten se vyznačuje  velmi silnou pálivou chutí podobnou pálivým papričkám, ale na rozdíl od kapsaicinu rychle odezní. My, kteří máme k restauracím, kde pravý křen wasabi (ne jeho náhražku "seiyó wasabi " alias západní wasabi) servírují, jistou averzi, nemusíme truchlit. Poznat jak chutná aktivace proteinu TRPA1 lze i tak, že si člověk navleče žlutou vestu a vydá se s davem do míst, kde rozhánějí slzným plynem.  Možná není na škodu také vědět, že i když různá záření nevidíme, jejich energie je v oku absorbována a mění se v teplo. Pokud si necháme na sebe svítit silným IR laserem, může to z nás udělat slepce i tehdy, když budeme mít na nose sluneční brýle, neboť IR záření prochází UV filtrem.

Tian Xue, vedoucí výzkumného kolektivu, University of Science and Technology, Hefei City, Anhui, P.R.China.

Ze studie zveřejněné nyní v časopise Cell vyplývá, že s pomocí nanotechnologie je možné upravit oko tak, že světlo blízké infračervenému začne  vidět podobně, jako světlo viditelné. Prokázal to pokus na myších. Ty po jedné injekci nanočástic viděly objekty v neviditelném spektru po dobu až deseti týdnů. Autoři zprávy uvádějí, že vedlejší účinky byly minimální. Ošetřeným myším to  umožnilo vidět neviditelné světlo nejen potmě, ale i během dne a to s dostatečnou přesností, aby byly schopny rozlišit mezi různými tvary objektů.

Gang Han, biochemik, spoluautor studie. Kredit: University of Massachusetts.

Zmíněné komplikace v podobě zakalené rohovky se vyskytly jen výjimečně. Nejspíš jen jako důsledek injekčního zákroku, protože se stejné problémy v obdobné frekvenci vyskytly i u kontrol, jimž aplikovali do oka pouze roztok bez nanočástic. I v případech komplikací se vše upravilo do normálu za méně než týden. Z pohledu budoucích aplikací je nejdůležitějším poznatkem, že žádný z dodatečně provedených testů nenaznačoval, že by subretinální injekce s nanočásticemi strukturu sítnice nějak poškozovala.

Concanavalin A je lektin z rostliny chlebovník. Nanočásticích propůjčuje funkci kotvy, kterou se přichycují k světločivným buňkám sítnice.

Sítnice (latinsky retina) je vnitřní tenká vrstva oka obratlovců. Její hlavní funkcí je snímání a předzpracování světelných signálů přicházejících na sítnici skrze čočku. Působením světelných paprsků pronikajících do oční koule dochází v tyčinkách a čípcích ke vzniku chemické reakce a následnému vzniku nervových impulsů přenášených do centrálního nervového systému. Látka obsažená ve fotoreceptorech, u níž dochází k rozkladu působením světla, se nazývá rodopsin. Aby detekoval i NIR záření, je třeba mu  vlnovou délku zkrátit.

Na řezu sítnicí je vidět, že se nanočástice (zeleně) ochotně navázaly především na buňky zvané tyčinky (na obrázku vlevo), do jisté míry i na kratší buňky zvané čípky (vpravo). Kredit: Yuqian Ma, et al., 2019

V pokusu s myšmi vědci hovoří o implantaci nanoantén. Ve skutečnosti jde o injekci biokompatibilních částeček, které se vážou na světločivné buňky v sítnici a tam fungují jako převaděči elektromagnetického záření.  Záření o dlouhé vlnové délce převedou na kratší. Nanočástice mají rozměr 38 nanometrů a tím nejdůležitějším v nich jsou krystalky NaYF4. Ony jsou schopny luminiscence - excitují při  980 nanometrech a emitují na 535 nanometrech.  Jinak řečeno, převedou pro nás neviditelné „červené“ světlo na zelené.

Že myši skutečně vidí v infraspektru, dokázal pokus, v němž předem vycvičené na pamlsek se po aplikaci nanočástic dokázaly orientovat, i když symboly svítily jen v IR spektru. Kredit: Yuqian Ma, et al., 2019.

Pochopitelně, že krystalky museli vědci vylepšit, aby se na buňkách v oku udržely. Docílili toho jejich obalením  concanavalinem A. Do funkce doručitele přesvědčili nejjednodušší z nenasycených  karboxylových kyselin - kyselinu akrylovou (v polymerované formě). Concanavalin (psán někdy jako konkanavalin) je lektin z rostliny zvané chlebovník. V tomto případě využili jeho ochoty vázat se na glykolipidy. Nanočásticím dělá něco jako kotvu, kterou se přichycují na fotoreceptory buněk odpovědné za nervovou stimulaci po absorpci dopadajících fotonů. Ze školních dob si pamatujeme, že tyto buňky jsou dvojího typu: tyčinky a čípky. Čípky jsou citlivé na světlo různé barvy, čili různé vlnové délky, různé intenzity a různé sytosti barev. Jsou prvními neurony sítnice a jsou zodpovědné za zrakovou ostrost. V nejhojnějším počtu jsou v centrální jamce (fovea centralis), což je malá jamka ve žluté skvrně. Směrem k periferii sítnice jejich hustota postupně klesá. Celkem jich v oku máme asi 6 milionů.

Podle autorů to je předzvěst vylepšování lidských schopností o takové, jaké od přírody nemáme. Budoucnost svého oboru vidí v tom "nejlepším světle a nejlepších barvách“. Spektrum použitých nanočástic hodlají ještě vyladit, aby lépe vyhovovaly buňkám zvaných čípky. Tedy těm, které máme koncentrované ve žluté skvrně, aby i výsledný obraz v NIR světle byl ostřejší. Použitím jiných nanočástic a jejich kombinací, by mělo jít rozšiřovat zviditelňování i dalších energetických spekter, nejen NIR.  Také chtějí techniku vylepšit v tom smyslu, aby se používaly jen materiály, které již byly schváleny FDA k použití ve zdravotnictví.

Uplatnění nanotechnologie v očním lékařství nám možná časem dovolí vidět i věci, jaké jsou na tomto videu.

Závěr

Je těžké nyní odhadnout, zda poznatek v dohledné době najde nějaké rozumné uplatnění. Zcela jistě již zavětřili generálové. Své vojáky už mají ověšené tolika udělátky, že místo hbitých bojovníků začínají připomínat vánoční stromečky neschopné pohybu. Představa, získat za cenu jedné injekce „materiál“, který bude schopen vidět obrysy protivníka v běžně neviditelných spektrech, musí být pro oficíry hodně lákavá. Nový poznatek určitě nenechal klidnými ani pracovníky služeb odkázaných na šifrování. Nadšení západního světa ale musí poněkud kazit skutečnost, že všichni autoři, včetně vedoucího týmu jsou Číňané a že ti rozhodující jsou zaměstnanci čínských univerzit a ústavů.

Video:  Nanotechnologie umožňující vidět v NIR spektru. Kredit: Ma et al. Cell 2019

Literatura

Ma et al.: "Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal Nanoantennae."  Cell, https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30101-1 , DOI: 10.1016/j.cell.2019.01.038