Podcast o Rezonans Magnetyczny: Zasady i Zastosowania

Přepis

Tereza: Wyobraźcie sobie studentkę Klarę. Siedzi przy stole, patrzy na swoją rękę i zastanawia się... z czego właściwie jest? No tak, skóra, kości, komórki. Ale co jest jeszcze pod tym? Z czego składają się te najmniejsze, zupełnie podstawowe cegiełki?

Lukáš: Właśnie to pytanie dzisiaj sobie rozłożymy na czynniki pierwsze. A odpowiedź jest fascynująca. Słuchacie Studyfi Podcast.

Tereza: No więc, Łukaszu, co byś odpowiedział Klarze? Z czego składa się jej ręka... i właściwie wszystko wokół nas?

Lukáš: W zasadzie wszystko we wszechświecie, czy to materia ożywiona, czy nieożywiona, składa się tylko z dwóch rzeczy: z materii i z pola. Materia to te najmniejsze cząstki, a pole to coś, co pośredniczy w siłach między nimi.

Tereza: Czyli taki niewidzialny klej, który to wszystko trzyma w całości?

Lukáš: Dokładnie tak! I mamy cztery podstawowe rodzaje takiego kleju, fachowo nazywamy to oddziaływaniami. Silne, słabe, elektromagnetyczne i grawitacyjne.

Tereza: Dobrze, to brzmi ważnie. Do czego służą?

Lukáš: Oddziaływanie silne to jak superklej, który trzyma razem jądra atomów. Bez niego wszystko natychmiast by się rozpadło. Potem jest elektromagnetyczne, które utrzymuje elektrony przy jądrze i właściwie odpowiada za całą chemię.

Tereza: A te pozostałe dwa?

Lukáš: Oddziaływanie słabe występuje przy niektórych typach rozpadu promieniotwórczego, na przykład przy przemianie protonu w neutron. A grawitacja? Tę znamy wszyscy, ale na poziomie cząstek jest niewiarygodnie słabiutka.

Tereza: A co te same cegiełki? Te cząstki?

Lukáš: Te zupełnie podstawowe, o których wiemy, że nie da się ich dalej podzielić, to kwarki i leptony. Na przykład elektron, który znamy z powłoki atomowej, jest leptonem.

Tereza: A co z protonami i neutronami w jądrze?

Lukáš: One już nie są elementarne! Składają się właśnie z kwarków. Proton tworzą dwa kwarki typu 'góra' i jeden 'dół'. To taka mała układanka.

Tereza: Wow. Czyli cały świat to właściwie tylko kilka rodzajów kwarków, leptonów i cztery siły? Brzmi to prawie prosto.

Lukáš: W zasadzie tak. Chociaż ich zachowanie, które opisuje mechanika kwantowa, już takie proste nie jest. Ale o tym opowiemy sobie innym razem.

Tereza: Więc ostatnio rozmawialiśmy o tym, jak elektrony przeskakują między poziomami energetycznymi. Ale... co się dzieje, kiedy wracają z powrotem w dół?

Lukáš: Świetne nawiązanie, Terezo. Kiedy elektron spada na niższy poziom, musi pozbyć się nadmiaru energii. I robi to w ten sposób, że emituje foton. Czyli cząstkę światła.

Tereza: I ten foton ma zawsze taką samą energię?

Lukáš: Dokładnie tak! Ponieważ poziomy energetyczne są ściśle określone, energia wyemitowanego fotonu również jest ściśle określona. To prowadzi do powstania tak zwanych widm emisyjnych.

Tereza: Widma emisyjne... Brzmi to jak jakiś kod kreskowy, prawda?

Lukáš: W zasadzie tak! Każdy pierwiastek ma swój unikalny kod kreskowy – swoje widmo liniowe. Dlatego na przykład fajerwerki płoną różnymi kolorami. Każdy kolor to odcisk palca innego pierwiastka.

Tereza: Aha! Czyli sód świeci na żółto, a miedź na zielono właśnie z powodu tych przeskoków.

Lukáš: Dokładnie. A światło widzialne to tylko malutki kawałek całego widma elektromagnetycznego. To widmo jest ogromne... zaczyna się od fal radiowych, których słuchamy w samochodzie.

Tereza: Kontynuuje przez mikrofale, którymi podgrzewam obiad...

Lukáš: Tak, potem podczerwone, które czujemy jako ciepło, nasze światło widzialne, ultrafioletowe, przed którym chronimy się kremem do opalania, i kończy się na wysokoenergetycznym promieniowaniu rentgenowskim i gamma.

Tereza: Czekaj, jaka jest właściwie różnica między promieniowaniem rentgenowskim a gamma? Wydają mi się dość podobne.

Lukáš: Dobre pytanie. Ich energie mogą się pokrywać. Kluczowa różnica tkwi w ich pochodzeniu. Upraszczając: promieniowanie gamma powstaje w jądrze atomu, podczas gdy promieniowanie rentgenowskie powstaje w powłoce elektronowej.

Tereza: Rozumiem. Czyli nie zależy od siły, ale od tego, skąd to "wylatuje".

Lukáš: Dokładnie tak. To tak, jakby rozróżniać krzyk w zależności od tego, czy ktoś uderzył się w palec, czy wygrał na loterii. Pochodzenie jest kluczowe.

Tereza: To świetne porównanie! Więc teraz wiemy, że każdy pierwiastek ma swój świetlny podpis. Co gdybyśmy teraz przyjrzeli się bliżej właśnie promieniowaniu rentgenowskiemu? Jak właściwie powstaje w tym aparacie rentgenowskim?

Tereza: Więc rozumiemy, czym jest promieniotwórczość. Ale jak szybko te atomy właściwie się przekształcają? Czy to jakiś chaos, czy ma to swoje zasady?

Lukáš: Dobre pytanie! To nie chaos, ma to swoje zasady. Szybkość przemiany jest wprost proporcjonalna do liczby jąder, które jeszcze czekają na swoją przemianę. Im więcej ich jest, tym więcej się rozpada.

Tereza: To ma sens. I to jest ten słynny okres półrozpadu, prawda? Czas, po którym rozpada się połowa.

Lukáš: Dokładnie tak. To jest fizyczny okres półrozpadu. Ale w ciele mamy też biologiczny okres półrozpadu – jak szybko wydalamy substancję. Kombinacją obu uzyskujemy efektywny okres półrozpadu.

Tereza: Czyli kiedy zjem... powiedzmy... radioaktywnego banana, muszę liczyć się z oboma?

Lukáš: Dokładnie! Wynikiem jest efektywny okres półrozpadu, który jest zawsze krótszy. To tak, jakby próbować napełnić dziurawe wiadro. Woda ubywa sama, a ty ją jeszcze wylewasz.

Tereza: Dobrze, to rozumiem. A co się stanie, gdy to promieniowanie uderzy w jakąś substancję? Na przykład w ludzką tkankę?

Lukáš: Tutaj zaczyna się robić ciekawie. Oddziaływanie tworzy promieniowanie wtórne i co najważniejsze... jonizuje środowisko. Powstają wolne rodniki, które są chemicznie bardzo reaktywnymi cząstkami.

Tereza: I to jest ten problem, prawda?

Lukáš: To jest ten główny problem. Miara tego oddziaływania jest opisywana przez tak zwany przekrój czynny. Wyobraź sobie to jako prawdopodobieństwo, że trafisz w cel. Im większy cel, tym łatwiej trafić.

Tereza: Czyli różne promieniowania mają różne prawdopodobieństwo oddziaływania? Jak na przykład alfa w porównaniu do gamma?

Lukáš: Dokładnie tak. I zależy też od gęstości materiału. Właśnie dlatego do ekranowania używa się ołowiu. Jego atomy mają duży przekrój czynny i efektywnie pochłaniają lub rozpraszają promieniowanie.

Tereza: Rozumiem. Czyli promieniowanie w materiale słabnie. A o tym, jak dokładnie różne rodzaje promieniowania zachowują się podczas przechodzenia przez substancję, opowiemy sobie innym razem.

Tereza: Więc kiedy mówiliśmy o oddziaływaniach, mówiliśmy, że promieniowania nie widzimy. To trochę przerażające. Jak więc w ogóle możemy je wykryć?

Lukáš: Świetne pytanie. To tak, jak ze śledzeniem zwierząt w lesie. Nawet jeśli nie widzisz samego zwierzęcia, widzisz jego ślady. A promieniowanie jonizujące zostawia w materiałach bardzo specyficzne "ślady".

Tereza: Ślady? Jak odciski palców?

Lukáš: Można tak powiedzieć. Te najstarsze metody działały dosłownie jak fotografia. Promieniowanie po prostu zaczerniało kliszę fotograficzną. Na podstawie tego, jak bardzo zaczerniała, szacowano dawkę. Stare osobiste dozymetry tak właśnie działały.

Tereza: Aha, czyli im więcej promieniowania, tym ciemniejsze "zdjęcie". A co z nowocześniejszymi metodami?

Lukáš: Dokładnie tak. Dzisiaj polegamy głównie na detektorach elektronicznych, które są znacznie czulsze i szybsze.

Tereza: Masz na myśli to klasyczne klikanie, które znamy z filmów o Czarnobylu?

Lukáš: To właśnie to! To jest licznik Geigera-Müllera. Wyobraź sobie to jako rząd kostek domina. Jedna cząstka promieniowania jonizuje atom gazu w rurce – to jak pstryknięcie w pierwszą kostkę.

Tereza: A wysokie napięcie potem wywołuje lawinę i wszystkie kostki się przewracają!

Lukáš: Dokładnie! I ta "lawina" jonów rejestruje się jako jedno kliknięcie. Problem polega na tym, że każde kliknięcie jest takie samo. Nie wiemy, jak silne było to pierwotne pstryknięcie.

Tereza: Czyli tylko liczymy cząstki, ale nie ich energię?

Lukáš: Tak. Do pomiaru energii mamy coś lepszego – detektory scyntylacyjne. Tam promieniowanie w krysztale tworzy malutki błysk światła. A im silniejsze promieniowanie, tym jaśniejszy błysk.

Tereza: Rozumiem. Czyli jeden detektor tylko "klika", że coś przeleciało, a drugi mierzy też "jasność", czyli energię. To ma sens. Teraz, kiedy wiemy, jak to mierzyć, spójrzmy na jednostki, w których to właściwie się podaje.

Tereza: Więc systemy wymieniają nie tylko energię i masę, ale też... coś jeszcze, prawda?

Lukáš: Dokładnie tak. A to "coś" to informacja. W zasadzie to dowolna dana o tym, co dzieje się w systemie lub wokół niego.

Tereza: A jak w ogóle mierzy się taką informację? Przecież to nie to samo, co ważyć jabłka na targu.

Lukáš: Zdecydowanie nie. Kluczem jest teoria prawdopodobieństwa. Oto główna myśl... im mniej prawdopodobne jest jakieś zjawisko, tym więcej informacji niesie jego wystąpienie.

Tereza: Czekaj, czyli kiedy powiem ci, że jutro wzejdzie słońce, co jest prawie stuprocentowe, to właściwie nie daję ci prawie żadnej informacji?

Lukáš: Dokładnie! Ale gdybyś mi powiedziała, że wczoraj widziałaś latającego różowego słonia... to byłaby ogromna bomba informacyjna!

Tereza: Rozumiem. I z tym wiąże się pojęcie entropii informacyjnej, prawda? Brzmi to trochę przerażająco.

Lukáš: Nie jest tak źle. To tylko miara niepewności. Wyobraź sobie rzut monetą. Masz dwa równie prawdopodobne wyniki, prawda? A ilość informacji potrzebna do usunięcia tej niepewności to właśnie jeden bit. Binary digit.

Tereza: Aha! Czyli informacja właściwie zmniejsza niepewność i wprowadza do systemu porządek. Jak ją jednak przesyłamy?

Lukáš: Za pomocą sygnałów w tak zwanym kanale informacyjnym. Ten zawsze ma źródło, sam kanał i odbiorcę.

Tereza: Jak teraz? My jesteśmy źródłem, mikrofony i internet kanałem, a słuchacze odbiorcami?

Lukáš: Dokładnie tak. Tyle że każdy kanał ma w sobie też jakiś szum. Zakłócenia, które mogą uszkodzić sygnał.

Tereza: Dlatego czasem wypada mi słowo podczas rozmowy online?

Lukáš: Na przykład. I dlatego istnieje redundancja. Nadmiarowość informacji. Mowa ludzka ma ją ogromną, około 70%. Dzięki temu rozumiesz zdanie, nawet jeśli przeoczysz jakieś słowo.

Tereza: Ciekawe. A jaką właściwie człowiek ma pojemność na odbiór informacji?

Lukáš: Zaskakująco małą. Jesteśmy w stanie przetworzyć tylko około 35 bitów na sekundę. To znacznie mniej niż dzisiejsze komputery, ale my nadrabiamy to czymś zupełnie innym...

Tereza: Więc ostatnio rozmawialiśmy o różnych procesach – izotermicznym, izobarycznym... Ale co to wszystko łączy? Jakie są te zupełnie podstawowe prawa gry?

Lukáš: Doskonałe pytanie! Teraz przechodzimy do sedna sprawy. Do tak zwanych trzech praw termodynamiki. To właściwie zasady, którymi rządzi się cała energia we wszechświecie.

Tereza: Dobrze, to przejdźmy do pierwszego. Brzmi to ważnie.

Lukáš: I tak jest. Pierwsze prawo to w zasadzie prawo zachowania energii. Mówi, że zmiana energii wewnętrznej systemu, ΔU, równa się sumie pracy W i ciepła Q, które system przyjmuje. Po prostu: ΔU = W + Q.

Tereza: Czekaj, tutaj często bywa zamieszanie ze znakami. Co jest dodatnie, a co ujemne?

Lukáš: Dokładnie. Konwencja jest taka: cokolwiek, co dostarczamy do systemu – czy to praca, czy ciepło – jest dodatnie. Zwiększa to jego energię wewnętrzną. Cokolwiek system oddaje, jest ujemne.

Tereza: Fajnie, to ma sens. A co z drugim prawem? Ono jest podobno o jakimś nieporządku.

Lukáš: Dokładnie tak! Drugie prawo przedstawia nam królową termodynamiki – entropię. Entropia to miara nieuporządkowania systemu. I to prawo mówi, że w izolowanym systemie entropia nigdy nie maleje, może tylko rosnąć.

Tereza: Czyli wszechświat staje się coraz bardziej nieuporządkowany? Mój pokój jest więc tylko zgodny z prawami fizyki?

Lukáš: Absolutnie, możesz to powiedzieć rodzicom. To naturalny kierunek wszystkich procesów. Nie da się zbudować maszyny, która ot tak zamieniłaby ciepło na pracę, bez przeniesienia części ciepła w chłodniejsze miejsce. To jest perpetuum mobile drugiego rodzaju.

Tereza: A czy istnieje jakaś granica? Jakiś maksymalny porządek, który możemy osiągnąć?

Lukáš: To świetne pytanie, które prowadzi nas do trzeciego prawa. Ono mówi, że niemożliwe jest osiągnięcie temperatury zera absolutnego, czyli zera Kelwinów, w skończonej liczbie kroków.

Tereza: Właściwie dlaczego? Co by się stało przy zerze absolutnym?

Lukáš: Przy zerze absolutnym ustałby wszelki ruch cieplny cząstek. Byłoby to doskonałe uporządkowanie, czyli zerowa entropia. Ale natura nigdy nie pozwoli nam całkowicie osiągnąć tego stanu.

Tereza: Więc mamy trzy prawa... zachowania energii, nieunikniony wzrost nieporządku i nieosiągalne zero absolutne. To brzmi prawie jak filozofia.

Lukáš: W pewnym sensie tak jest. Te zasady nie rządzą tylko gazami w naczyniu, ale mają ogromny zasięg. I właśnie o tym, jak przejawiają się w żywych systemach, opowiemy sobie innym razem.

Tereza: Więc wszystko wewnątrz komórki jest doskonale zorganizowane. Ale co właściwie trzyma ją w całości i oddziela od otoczenia? Przecież to nie może być tylko jakaś zwykła ściana, prawda?

Lukáš: To świetne pytanie, Terezo. I masz rację, to nie jest ściana. To raczej taki sprytny, żywy portier. Nazywamy to błoną plazmatyczną, a najlepszym wyobrażeniem jest tak zwany „model płynnej mozaiki”.

Tereza: Płynna mozaika? Brzmi to, jakby komórka miała artystyczne skłonności.

Lukáš: Dokładnie tak! Wyobraź sobie morze utworzone przez podwójną warstwę fosfolipidów. Każda taka cząsteczka ma hydrofilową główkę, która kocha wodę, i hydrofobowy ogonek, który jej nie znosi. Te ogonki chowają się do środka, do siebie, a główki skierowane są na zewnątrz i do wnętrza komórki.

Tereza: Rozumiem. Powstaje taka elastyczna, oleista bariera. A co z tą „mozaiką” w nazwie?

Lukáš: To są właśnie białka. Są jak duże, funkcjonalne elementy pływające w tym fosfolipidowym morzu. Niektóre przechodzą na wskroś – to są białka integralne – i często funkcjonują jako kanały lub pompy.

Tereza: Aha, jak małe tunele, które przepuszczają rzeczy do środka i na zewnątrz?

Lukáš: Dokładnie. A potem mamy białka peryferyjne, które są tylko luźno przyłączone na powierzchni. One pomagają na przykład w sygnalizacji lub jako enzymy. Cała ta struktura jest nieustannie w ruchu, wcale nie jest statyczna.

Tereza: Czyli to właściwie dynamiczna granica, która wszystkim zarządza. Jak dokładnie więc substancje przechodzą przez tę granicę?

Lukáš: Doskonale! W ten sposób dochodzimy do absolutnie kluczowego procesu, a jest nim transport pasywny. A jego najprostszą formą jest coś, co wszyscy znamy... dyfuzja.

Tereza: Więc teraz wiemy, jak neuron odpoczywa. Ale co się dzieje, kiedy dostaje impuls? Jak z tego spokoju staje się... no, akcja?

Lukáš: Dokładnie tak, Terezo. Powstaje potencjał czynnościowy. To właściwie taka elektryczna fala.

Tereza: Fala? Co masz na myśli?

Lukáš: Wyobraź sobie, że na błonie otwierają się wrota dla jonów sodu. One napływają do środka, a napięcie w komórce gwałtownie wzrasta z minus 70 miliwoltów aż do plusa. To jest szczyt fali, depolaryzacja.

Tereza: A co dzieje się potem? Fala znowu opada?

Lukáš: Dokładnie. Od razu otwierają się wrota dla potasu, który wypływa na zewnątrz, a napięcie spada z powrotem w dół. Spada nawet trochę poniżej pierwotnego poziomu – nazywamy to hiperpolaryzacją.

Tereza: Czy silniejszy bodziec oznacza też silniejszą falę? Czyli wyższe napięcie?

Lukáš: Dobre pytanie! A odpowiedź brzmi nie. Tutaj obowiązuje zasada „wszystko albo nic”. Potencjał czynnościowy ma zawsze taką samą wielkość. Silniejszy bodziec oznacza tylko, że wyślemy więcej tych fal na sekundę.

Tereza: Jakbym zamiast jednego pukania zaczął bębnić w drzwi.

Lukáš: Idealne porównanie! Zwiększasz częstotliwość, nie siłę pojedynczych uderzeń.

Tereza: A jak ta fala podróżuje dalej? Na przykład po długim włóknie nerwowym?

Lukáš: W przypadku włókien z osłonką mielinową jest to genialne. Ta osłonka działa jak izolacja. Impuls nie musi więc przebiegać po całej długości, ale przeskakuje między odsłoniętymi odcinkami, tak zwanymi węzłami Ranviera.

Tereza: Czyli jest szybciej i oszczędniej?

Lukáš: Dokładnie! Nazywa się to przewodnictwem skokowym. Dzięki temu osiąga prędkość do 120 metrów na sekundę. To nerwowa autostrada.

Tereza: Dobrze, fala dotarła do końca neuronu. Co dalej? Jak przekaże pałeczkę kolejnej komórce?

Lukáš: To dzieje się w synapsie. Istnieją dwa główne typy. Elektryczne, gdzie komórki są połączone bezpośrednio i sygnał przechodzi natychmiast. A potem znacznie częstsze synapsy chemiczne.

Tereza: Aha, a tam już do gry wkracza chemia. O tym opowiemy sobie więcej już za chwilę.

Tereza: Więc omówiliśmy roztwory właściwe, gdzie wszystko jest doskonale rozpuszczone. Ale co jeśli te cząstki są... tak jakoś pomiędzy? Ani całkowicie rozpuszczone, ani widoczne gołym okiem?

Lukáš: Dokładnie tak, Terezo! W ten sposób dochodzimy do układów koloidalnych. To tacy nastolatkowie wśród dyspersji. Cząstki są większe niż molekuły, ale wciąż wystarczająco małe, żeby nie opadać na dno. Mówimy o rozmiarach od jednego nanometra do jednego mikrometra.

Tereza: To wciąż niewyobrażalnie małe. Jak więc poznamy, że to nie jest roztwór właściwy? Nie da się tego przefiltrować zwykłym papierem, prawda?

Lukáš: Dokładnie, zwykłym filtrem nie. Ale w przypadku koloidów kluczowe jest światło. Kiedy prześwietlisz roztwór koloidalny laserem, zobaczysz wyraźnie cały stożek światła. Cząstki bowiem aktywnie rozpraszają światło we wszystkich kierunkach. Nazywa się to efektem Tyndalla.

Tereza: Aha, to tak, jakby słońce świeciło do zakurzonego pokoju i nagle widzisz ten promień pełen latających kropek?

Lukáš: Dokładnie ta zasada! Kurz w powietrzu to aerozol, czyli typ koloidu. Nasze ciało jest też pełne koloidów, głównie roztworów biopolimerów, takich jak białka.

Tereza: I wszystkie koloidy są płynne? Jak na przykład mleko, które jest emulsją... czyli też koloidem?

Lukáš: Dobra uwaga! Mamy dwie podstawowe formy. Płynną formę nazywamy zolem. Ale kiedy cząstki połączą się w sieć, na przykład za pomocą słabych wiązań, powstaje forma stała... i tę nazywamy żelem.

Tereza: Jak żelatyna! Czyli kiedy robię deser, właściwie przeprowadzam eksperyment chemiczny zwany żelatynizacją?

Lukáš: W zasadzie tak! A niektóre żele mają niesamowitą właściwość zwaną tiksotropią. Kiedy nimi potrząśniesz lub na nie naciśniesz, tymczasowo upłynniają się. Znasz to z keczupu.

Tereza: Jasne, najpierw nie chce wyjść z butelki, a potem nagle jest wszędzie! Fascynujące! Kluczowe jest więc rozpraszanie światła i zdolność do tworzenia zoli i żeli. Ale jak możemy je od siebie oddzielić, skoro są tak małe? W ten sposób przejdziemy do wirowania i elektroforezy.

Tereza: Więc ta fala tętna, o której mówiliśmy, pcha krew dalej do ciała. Ale co dzieje się w tych najmniejszych naczyniach, w kapilarach?

Lukáš: Dokładnie tak. Wyobraź sobie kapilary jako takie miniaturowe targowisko. Tutaj odbywa się ta najważniejsza wymiana. Składniki odżywcze i tlen idą z krwi na zewnątrz do tkanek...

Tereza: A substancje odpadowe i dwutlenek węgla z powrotem do krwi?

Lukáš: Bingo! A wszystko to działa na zasadzie gradientu ciśnienia. Na początku kapilary ciśnienie jest wyższe, co wypycha substancje na zewnątrz. Na końcu jest niższe, więc odpady są z powrotem wchłaniane.

Tereza: Nazywa się to filtracją i resorpcją, prawda?

Lukáš: Dokładnie. A kiedy ta równowaga zostaje zaburzona, powstają obrzęki, czyli edemy. Ciało po prostu nie nadąża „sprzątać” płynu z tkanek.

Tereza: Super, to ma sens. A ten system wymiany gazów, czyli tlenu i CO2, ściśle wiąże się z oddychaniem, prawda?

Lukáš: Absolutnie. Bez oddychania serce nie miałoby czego pompować. Płuca to właściwie taki ogromny elastyczny worek, gdzie krew się natlenia.

Tereza: Wiem, że wdech to aktywny proces, ale jak to działa, że płuca same się rozszerzają?

Lukáš: To świetne pytanie. Nie jest tak, że płuca rozszerzają się same. Między płucami a ścianą klatki piersiowej jest podciśnienie, tak zwane ujemne ciśnienie opłucnowe. Dzięki niemu płuca naśladują ruch klatki piersiowej.

Tereza: Czyli kiedy ruszają się mięśnie klatki piersiowej, płuca muszą ruszać się razem z nimi? Jak przyklejone?

Lukáš: Dokładnie tak! A gdyby to podciśnienie zostało naruszone, na przykład przy urazie, płuca zapadną się. Nazywa się to odma opłucnowa.

Tereza: Wow. O tym i o innych objętościach oddechowych musimy powiedzieć więcej.

Tereza: ...i dokładnie tak układ nerwowy przetwarza te podstawowe polecenia. Ale jak właściwie zdobywa informacje o tym, co dzieje się na zewnątrz lub też wewnątrz ciała?

Lukáš: Świetne pytanie, Terezo. Tutaj na scenę wkraczają receptory. Wyobraź sobie je jako takie małe szpiegów lub tłumaczy po całym ciele.

Tereza: Szpiegów? Brzmi to trochę dramatycznie.

Lukáš: Może trochę, ale w zasadzie to pasuje. Ich zadaniem jest przetworzenie jakiegoś bodźca – na przykład światła, ciepła lub ciśnienia – na sygnał elektryczny. Na język, który mózg rozumie.

Tereza: Czyli mamy różnych „tłumaczy” na różne „języki”?

Lukáš: Dokładnie tak. Mamy fotoreceptory do światła, mechanoreceptory do dotyku, chemoreceptory do smaków i zapachów... i oczywiście termoreceptory do ciepła i zimna.

Tereza: A skoro już mówimy o termoreceptorach, jak ciało właściwie reguluje swoją temperaturę? Przecież to nie może być tylko tak przypadkiem.

Lukáš: Wcale nie. Centrum sterowania mamy w mózgu, konkretnie w podwzgórzu. Działa jako super-wyrafinowany termostat.

Tereza: Termostat? Czyli kiedy jest mu zimno, to po prostu „podkręca ogrzewanie”?

Lukáš: W zasadzie tak! Podwzgórze dostaje sygnał z receptorów w skórze, że jest zimno. I co robi? Wysyła sygnał do przysadki, która za pośrednictwem hormonów pobudza tarczycę i nadnercza.

Tereza: A wynikiem jest...

Lukáš: ...że zwężają się nam naczynia krwionośne, żeby ciepło nie uciekało, i uruchamia się na przykład drżenie mięśniowe. Ciało po prostu aktywnie wytwarza ciepło.

Tereza: Co się stanie, kiedy ten system się zepsuje? Na przykład przy gorączce?

Lukáš: Gorączka, czyli obronna hipertermia, to właściwie celowa reakcja. Ciało celowo podnosi temperaturę, aby stworzyć niegościnne środowisko dla bakterii i przyspieszyć produkcję przeciwciał.

Tereza: Czyli gorączka to właściwie nasz przyjaciel?

Lukáš: Do pewnego stopnia tak. Ale uwaga, jeśli temperatura przekroczy 41 stopni, jest to niebezpieczne. Uszkadza to komórki nerwowe i enzymy. Więc tutaj kończą się wszelkie żarty.

Tereza: Rozumiem. Czyli receptory zbierają dane, a podwzgórze jest naszym głównym regulatorem. To ma sens. A teraz, kiedy wiemy, jak odczuwamy ciepło, spójrzmy na kolejny fascynujący zmysł...

Tereza: Więc różne rodzaje promieniowania przenoszą energię... a ta energia może nas porządnie dotknąć. I to dosłownie. Jakie są te główne wpływy fizyczne na nasze ciało?

Lukáš: Dokładnie tak. Zacznijmy od czegoś, co wszyscy znamy – słoneczka. Ono na nas świeci ultrafioletowym, czyli promieniowaniem UV. A to ma konsekwencje, które widzimy od razu.

Tereza: Masz na myśli to klasyczne spalenie na czerwono?

Lukáš: Tak, to rumień. Ale promieniowanie UV nie jest tylko złe. Na przykład pomaga w skórze tworzyć witaminę D, która jest kluczowa dla kości.

Tereza: Czyli trochę słońca jest fajne, ale za dużo szkodzi. A co na przykład z promieniowaniem podczerwonym?

Lukáš: To głównie o cieple. Promieniowanie IR czujemy jako ciepło i powoduje przekrwienie skóry. Na podobnej zasadzie działają też mikrofale – rozdrgają cząsteczki wody i tym samym je ogrzewają. Na przykład... popcorn w mikrofalówce.

Tereza: Aha, czyli moja kolacja doświadcza wpływu fizycznego na pełnych obrotach!

Lukáš: Dokładnie. Ale przejdźmy do czegoś mniej smacznego – urazów prądem elektrycznym. Tutaj jest to bardziej skomplikowane.

Tereza: Dlaczego? Prąd jak prąd, prawda?

Lukáš: Skądże. Najniebezpieczniejszy jest dla nas prąd zmienny o częstotliwości 50 Hz, czyli ten, który mamy w gniazdkach. Jest znacznie bardziej podstępny niż stały.

Tereza: A dlaczego akurat ten?

Lukáš: Ponieważ ta częstotliwość potrafi całkowicie rozregulować sygnały elektryczne w sercu i mięśniach. Przy prądzie już około 20 miliamperów złapie cię skurcz i nie puścisz. Nazywa się to „przymrożeniem”.

Tereza: To brzmi przerażająco. Więc lepiej trzymać się z dala od gniazdek, jeśli nie jesteśmy elektrykami.

Lukáš: Zdecydowanie. Bezpieczeństwo jest tutaj absolutnie kluczowe. I właśnie o środkach bezpieczeństwa i ochronie przed promieniowaniem opowiemy sobie w kolejnej części.

Tereza: Więc już wiemy, czym dokładnie jest promieniowanie jonizujące. Ale przejdźmy do najważniejszego – co to właściwie robi z naszymi komórkami?

Lukáš: Dokładnie tak. Wyobraź sobie to jako bilard na poziomie molekularnym. Promieniowanie w komórce tworzy wysoce reaktywne cząstki, głównie rodniki. A te rodniki atakują potem wszystko wokół, przede wszystkim nasze DNA.

Tereza: Atakuje DNA? To brzmi dość poważnie. Jak dokładnie?

Lukáš: Może to być różnie. Mogą uszkodzić zasady, cukry, a nawet cały szkielet DNA. Ważne jest rozróżnienie dwóch typów pęknięć. Pęknięcie jednoniciowe jest jakby zepsuł ci się jeden ząbek w zamku błyskawicznym. Zazwyczaj komórka łatwo to naprawia.

Tereza: A ten drugi?

Lukáš: Pęknięcie dwuniciowe... to znacznie gorzej. To tak, jakbyś przecięła zamek błyskawiczny na pół. Naprawa jest bardzo skomplikowana i często powstają przy niej błędy, czyli mutacje.

Tereza: Czy wszystkie komórki w ciele są tak samo wrażliwe na to uszkodzenie?

Lukáš: Wcale nie. Tutaj obowiązuje prawo Bergonié i Tribondeau. Brzmi to skomplikowanie, ale zasada jest prosta. Im szybciej komórka się dzieli i im mniej jest wyspecjalizowana, tym jest wrażliwsza.

Tereza: Aha! Czyli dlatego tak wrażliwe są na przykład komórki w szpiku kostnym lub komórki nowotworowe?

Lukáš: Dokładnie! A na odwrót, wysoce wyspecjalizowane komórki, takie jak neurony, są bardzo odporne. Mózg jest paradoksalnie jedną z najmniej wrażliwych części ciała na promieniowanie.

Tereza: Czyli mój mózg jest bezpieczny, to dobra wiadomość.

Lukáš: Mniej więcej. Ważne jest też rozróżnienie dwóch typów skutków. Deterministyczne i stochastyczne.

Tereza: Co to znaczy?

Lukáš: Deterministyczne mają próg. Musisz otrzymać pewną dawkę, żeby się objawiły. Na przykład zaczerwienienie skóry. Poniżej progu nic się nie stanie.

Tereza: A stochastyczne?

Lukáš: One progu nie mają. Tam to raczej jak loteria. Każda, nawet najmniejsza dawka, zwiększa prawdopodobieństwo, że coś się stanie, na przykład powstanie nowotwór. Ryzyko nigdy nie jest zerowe, tylko wzrasta wraz z dawką.

Tereza: Rozumiem. Czyli u jednego wiemy, że po pewnej dawce coś się stanie, a u drugiego tylko rośnie prawdopodobieństwo. A co jeśli całe ciało zostanie dotknięte dużą dawką naraz?

Tereza: Więc nie wystarczy tylko zwykła żarówka i szkiełko. Co jeśli komórka jest prawie przezroczysta? Jak ją uwidocznimy?

Lukáš: Dokładnie tak! Na to mamy kilka sztuczek. Jednym z nich jest mikroskop fazowo-kontrastowy. On potrafi uwidocznić struktury, które różnią się od otoczenia tylko współczynnikiem załamania światła.

Tereza: Współczynnikiem załamania światła? Czyli nie widzimy samej struktury, ale to, jak ugina światło?

Lukáš: W zasadzie tak. Mikroskop przekształca to przesunięcie fazowe światła na różnicę w jasności. Dzięki temu możemy obserwować żywe komórki bez barwienia, co jest ogromną zaletą.

Tereza: To brzmi świetnie. A co z innymi metodami? Słyszałam o fluorescencji.

Lukáš: Tak, mikroskopia fluorescencyjna to jak magia. Niektóre substancje po naświetleniu jednym światłem, na przykład UV, zaczynają same emitować światło o innym kolorze.

Tereza: Czyli części komórki dosłownie rozświetlamy jak choinkę?

Lukáš: Dokładnie tak! Możemy w ten sposób oznaczyć specyficzne białka i śledzić je na żywo. To niesamowite narzędzie.

Tereza: Dobrze, ale co jeśli chcemy zobaczyć coś naprawdę, ale to naprawdę małego? Coś mniejszego niż długość fali światła?

Lukáš: Wtedy musimy zmienić światło. Zamiast niego użyjemy wiązki przyspieszonych elektronów. Ich długość fali jest znacznie krótsza, więc widzimy też znacznie mniejsze detale.

Tereza: I to jest zasada mikroskopu elektronowego? Jak TEM i SEM?

Lukáš: Dokładnie. W mikroskopie transmisyjnym, czyli TEM, elektrony przechodzą przez ultracienką próbkę. To jak rentgen na poziomie komórkowym.

Tereza: A ten drugi, SEM?

Lukáš: Skaningowy, czyli SEM, na odwrót nie prześwietla. Wiązka elektronów „dotyka” powierzchni próbki i na podstawie odbitych elektronów składa trójwymiarowy obraz.

Tereza: Aha! Czyli to są te niesamowicie szczegółowe zdjęcia 3D owadów i bakterii, które znamy z podręczników.

Lukáš: Dokładnie te. A rozdzielczość jest niesamowita. Ale istnieją też metody, które idą jeszcze dalej i potrafią wyświetlić pojedyncze atomy.

Tereza: Więc to jednowymiarowe obrazowanie A, o którym mówiliśmy, to właściwie tylko linia z wierzchołkami. Ale my znamy ultradźwięki jako obraz. Jak do niego dojdziemy?

Lukáš: Świetne pytanie. To tak zwane obrazowanie B, gdzie B oznacza „brightness”, czyli jasność. Jasność każdego punktu na ekranie odpowiada sile odbitego echa. Powstaje w ten sposób dwuwymiarowy przekrój, właściwie tomogram.

Tereza: I to jest ten obraz, który widzimy u lekarza? Wygląda to skomplikowanie.

Lukáš: Kiedyś było prościej. Obrazy były statyczne i tylko czarno-białe, tak zwane bistabilne. Dzisiaj są już dynamiczne i pracują w czasie rzeczywistym.

Tereza: W czasie rzeczywistym? Brzmi to jak oglądanie filmu z wnętrza ciała.

Lukáš: W zasadzie tak. Sonda szybko skanuje serię obrazów, więc możemy śledzić na przykład ruch serca. A co najważniejsze, mamy szeroką skalę szarości, co daje nam znacznie więcej informacji.

Tereza: Dobrze, a co oznaczają te różne odcienie szarości? Czasem coś jest zupełnie czarne, innym razem prawie białe.

Lukáš: To jest kluczowe dla diagnozy. Opisujemy to jako echogeniczność. Struktury, które dużo odbijają, są jasne – nazywamy je hiperechogenicznymi. Te, które odbijają mało, są ciemne – hipoechogeniczne.

Tereza: A co te zupełnie czarne dziury?

Lukáš: To są struktury anechogeniczne. Typowo płyny, na przykład torbiele, które dźwięk przechodzi bez odbicia. Na odwrót, na przykład kamień żółciowy zostawia za sobą tak zwany cień akustyczny.

Tereza: Czyli lekarz szuka cieni i jasnych punktów…

Lukáš: Dokładnie. A czasem pojawiają się też artefakty, na przykład przy pęcherzykach powietrza powstaje tak zwany „ogon komety”.

Tereza: Ogon komety? Brzmi to prawie poetycko, jak na to, że to tylko bańka.

Lukáš: Tak jest. Ale właśnie te wszystkie detale pomagają nam rozróżnić, co dzieje się w ciele. Co świetnie prowadzi nas do efektu Dopplera...

Tereza: Więc teraz wiemy, jak lampa rentgenowska „produkuje” fotony. Ale co dzieje się dalej? Ta wiązka promieniowania przecież nie może lecieć ot tak sobie, prawda?

Lukáš: Dokładnie tak, musimy ją okiełznać. Najpierw przechodzi przez filtr aluminiowy, który pochłania te najsłabsze, nieużyteczne fotony.

Tereza: A co potem? Jak skupia się na właściwym miejscu?

Lukáš: O to zadbają ołowiane płyty w kolimatorze. One precyzyjnie ograniczają wiązkę, aby naświetlała tylko tę część ciała, którą musimy zbadać. Reszta ciała jest chroniona.

Tereza: Dobrze, promień więc przeleci przez ciało. Kości pochłaniają go najwięcej, tkanki miękkie mniej. Ale co z tym rozproszonym promieniowaniem, o którym mówiliśmy?

Lukáš: To jest ten problem. Niektóre fotony odbijają się od struktur w ciele i lecą zupełnie gdzie indziej. To stworzyłoby nam na wynikowym zdjęciu nieostrą „mgłę”.

Tereza: A jak pozbędziemy się tej mgły? Czy istnieje jakiś łapacz zbłąkanych fotonów?

Lukáš: W zasadzie tak! Nazywa się to siatka Buckiego. Wyobraź sobie to jako takie miniaturowe żaluzje z ołowiu, które znajdują się między pacjentem a detektorem.

Tereza: Żaluzje dla fotonów? To brzmi dobrze.

Lukáš: Dokładnie. Przepuszcza tylko te fotony, które lecą prosto, a te rozproszone, które lecą ukośnie, pochłania. W ten sposób obraz dramatycznie się wyostrza. To kluczowy element dla jakościowego zdjęcia.

Tereza: Więc mamy ukierunkowaną wiązkę i usunięte rozproszenie. To brzmi jak podstawa do naprawdę dobrego obrazu. Ale co jeśli ten sygnał jest wciąż za słaby? Nie możemy naświetlać pacjenta w nieskończoność.

Lukáš: Słuszna uwaga. I właśnie dlatego powstał kolejny genialny wynalazek, wzmacniacz obrazu. Ale o tym, jak działa ta „elektronka”, opowiemy sobie zaraz potem.

Tereza: Więc rentgenem właściwie oświetliliśmy ciało z zewnątrz. Ale co jeśli źródło promieniowania umieścimy bezpośrednio w środku? Brzmi to trochę jak z filmu science fiction.

Lukáš: Dokładnie tak! I to jest zasada medycyny nuklearnej. Wprowadzamy do ciała radiofarmaceutyk – substancję, która emituje promieniowanie gamma i gromadzi się tam, gdzie jej potrzebujemy. A potem tylko „słuchamy”, skąd się odzywa.

Tereza: A czym słuchamy? Jakimś specjalnym mikrofonem?

Lukáš: Raczej ultra czułym okiem. Nazywa się to kamerą scyntylacyjną. Wyobraź sobie to jako detektor, który wychwytuje każdy pojedynczy foton promieniowania gamma. Ten foton uderza w specjalny kryształ, który błyska – tworzy scyntylację.

Tereza: I ten błysk widzimy?

Lukáš: Nie bezpośrednio. Za kryształem jest fotopowielacz, który ten nieznaczny sygnał świetlny zamienia na impuls elektryczny i ogromnie go wzmacnia. Komputer następnie z tysięcy takich impulsów składa obraz.

Tereza: To rozumiem. Często mówi się o metodach SPECT i PET. Jaka jest między nimi różnica?

Lukáš: Świetne pytanie. Obie metody składają obraz 3D z przekrojów 2D, ale różnią się tym, co wykrywają. SPECT, czyli tomografia jednofotonowa, zbiera pojedyncze fotony gamma wylatujące z ciała.

Tereza: Jakbyś szukał jednej osoby w tłumie.

Lukáš: Dokładnie. Natomiast PET jest sprytniejszy. Tam używamy emiterów pozytonowych. Kiedy pozyton w ciele spotyka się z elektronem, oba anihilują i powstają dwa fotony gamma, które lecą dokładnie w przeciwne strony.

Tereza: Aha! Czyli detektory szukają tych par?

Lukáš: Dokładnie tak! Zapis jest tworzony tylko wtedy, gdy dwa przeciwległe detektory zarejestrują sygnał w tym samym momencie. Jest to znacznie dokładniejsze i daje nam funkcjonalne informacje, na przykład o metabolizmie glukozy w mózgu.

Tereza: Czyli PET gra w taką subatomową „bitwę morską”? Trafienie jest tylko przy zgodności dwóch współrzędnych.

Lukáš: To idealne porównanie! I właśnie ta precyzja jest kluczowa. Ale przejdźmy od promieniotwórczości do czegoś, co wykorzystuje inne fascynujące zjawisko – do magnesów i jądrowego rezonansu magnetycznego.

Tereza: ...więc omówiliśmy diagnostykę. Ale co jeśli już wiemy, co dolega pacjentowi? Jak fizyka może mu pomóc w leczeniu i rehabilitacji?

Lukáš: Świetne pytanie. Jedną z najstarszych metod jest termoterapia, czyli leczenie ciepłem. Brzmi to prosto, prawda? Okłady, kompresy, parafina... Wszystko działa na zasadzie przewodnictwa cieplnego.

Tereza: To znam, kiedy mam gorączkę, przykładam zimny okład.

Lukáš: Dokładnie tak. Ale ciepło może rozchodzić się też przez konwekcję, na przykład podczas hydroterapii w jacuzzi. Albo nawet przez promieniowanie, jak wtedy, gdy nagrzewają was lampą podczerwieni, tak zwanym soluxem.

Tereza: Dobrze, ciepło rozumiem. Ale co z tymi metodami, które brzmią trochę... straszniej? Jak elektrostymulacja? Wpuszczacie w nas prąd?

Lukáš: Brzmi to ostro, wiem! Ale jest to bezpieczne i niewiarygodnie skuteczne. Używamy prądów niskiej częstotliwości, które potrafią stymulować mięśnie i nerwy.

Tereza: Czyli kiedy pielęgniarka mówi mi, że mi da prąd, nie ma złych intencji?

Lukáš: Dokładnie tak! Na przykład defibrylator... to właściwie olbrzymi, kontrolowany elektrowstrząs, który restartuje serce. Albo kardiostymulator, ten z kolei nadaje sercu właściwy rytm małymi, regularnymi impulsami.

Tereza: I czy wszystkie te "elektryczne" metody są takie same?

Lukáš: Wcale nie. Mamy na przykład prądy diadynamiczne, które świetnie tłumią ból. Albo prądy interferencyjne, gdzie w ciele krzyżują się dwa sygnały i działają głębiej. To sprytne, ponieważ same nie przedostałyby się tak łatwo przez skórę.

Tereza: Więc podsumowując, fizyka w medycynie to nie tylko duże i skomplikowane urządzenia, ale też sprytne wykorzystanie ciepła i elektryczności. Ale co z tymi prądami wysokiej częstotliwości? To już brzmi jak science fiction.

Tereza: Więc kiedy już wiemy, jak spojrzeć na problem, co jeśli trzeba interweniować... chirurgicznie?

Lukáš: Dokładnie tak. A dzisiejsze narzędzia są fascynujące. Zapomnij o klasycznym skalpelu.

Tereza: Więc czym dzisiaj się tnie? Światłem?

Lukáš: Dosłownie! Używamy na przykład laserów CO2 lub Nd:YAG. Działają jak bezkontaktowy skalpel, który światłem o wysokiej energii odparowuje tkankę.

Tereza: Czyli to w ogóle nie krwawi?

Lukáš: Minimalnie. Wysoka temperatura natychmiast zamyka drobne naczynia krwionośne. To świetnie sprawdza się na przykład w okulistyce, gdzie laserem „przyspawamy” odwarstwioną siatkówkę lub skorygujemy krzywiznę rogówki i pozbawimy pacjenta okularów.

Tereza: Lasery brzmią prawie jak science fiction. Używa się też czegoś... bardziej znanego? Na przykład ultradźwięków?

Lukáš: Jasne, ale nie do oglądania. Chirurgiczne ultradźwięki mają ogromną intensywność. Możemy nimi albo celowo zniszczyć tkankę głęboko w ciele, na przykład w neurochirurgii, bez konieczności cięcia.

Tereza: A co na powierzchni?

Lukáš: Tam z kolei możemy rozdrgać ostrze skalpela. On wtedy tnie znacznie łatwiej i precyzyjniej. Świetnym przykładem jest operacja zaćmy, gdzie zmętniała soczewka jest rozbijana ultradźwiękami i od razu odsysana.

Tereza: Więc mamy światło, dźwięk... co dalej? Lód?

Lukáš: I to! Kriochirurgia używa ciekłego azotu o temperaturze prawie minus dwustu stopni. W komórkach tworzą się kryształki lodu, które je niszczą.

Tereza: A co z tym skalpelem wodnym, o którym słyszałam?

Lukáš: To w zasadzie cienki, ale ekstremalnie silny strumień wody. Tnie niewiarygodnie precyzyjnie i czysto. To fascynujące, jak fizyka zmienia medycynę.

Tereza: To zdecydowanie tak. Od światła po lód. Ale co jeśli nie potrzebujemy ciąć, ale leczyć promieniowaniem w inny sposób? W ten sposób dochodzimy do...

Tereza: Więc kiedy już wiemy, jak działa promieniowanie, przejdźmy do jego praktycznego zastosowania. Najbardziej znane to chyba radioterapia w walce z rakiem.

Lukáš: Dokładnie tak. A zasada jest właściwie genialnie prosta. Promieniowanie najbardziej uszkadza komórki, które szybko się dzielą i nie są zbyt wyspecjalizowane.

Tereza: Ponieważ narusza ich DNA bezpośrednio podczas podziału, prawda?

Lukáš: Dokładnie! A które komórki dzielą się najszybciej i niekontrolowanie? No przecież te nowotworowe! Dlatego są najbardziej wrażliwe na promieniowanie.

Tereza: To ma sens. Ale co ze zdrowymi komórkami? Niektóre przecież też się dzielą.

Lukáš: Tak, i to jest wyzwanie. Na przykład komórki macierzyste lub płciowe są również wrażliwe. Celem jest więc skierowanie maksymalnej dawki na nowotwór, a minimalnej na otoczenie.

Tereza: A jak to się robi? Brzmi to jak praca dla snajpera.

Lukáš: W zasadzie tak. Tworzy się precyzyjny plan napromieniania. Najpierw lokalizujemy nowotwór za pomocą CT lub rezonansu magnetycznego, a potem planujemy atak z różnych kierunków.

Tereza: Czyli wiązki promieniowania przetną się bezpośrednio w nowotworze?

Lukáš: Bingo. Otaczająca tkanka otrzyma tylko małą dawkę, ale w celu efekt się sumuje. Pomagają w tym metody takie jak IMRT, gdzie intensywność wiązki stale się zmienia.

Tereza: A z czego właściwie pochodzi to promieniowanie? Z jakiejś radioaktywnej kostki?

Lukáš: Prawie. Używa się albo źródeł promieniotwórczych, na przykład naświetlaczy kobaltowych, albo nowocześniejszych akceleratorów liniowych, które generują wysokoenergetyczne promieniowanie rentgenowskie.

Tereza: Więc mamy za sobą kolejny ogromny temat. Wielkie dzięki, Łukaszu, za świetne wyjaśnienie.

Lukáš: Ja dziękuję za zaproszenie. A wam, drodzy słuchacze, życzymy dużo szczęścia na maturze. Słuchajcie nas dalej!

Tereza: Trzymajcie się pięknie i do usłyszenia w kolejnym odcinku podcastu Studyfi!