«Μία εικόνα ισοδυναμεί με χίλιες λέξεις» λέει συχνά ο θυμόσοφος λαός, καθώς μπορεί να απεικονίσει με εύληπτο τρόπο δύσκολες έννοιες, ακόμα και συναισθήματα. Πόσο μάλλον αν μια τέτοια εικόνα αποτυπώνει όλη την ουσία μιας επιστημονικής ανακάλυψης και μας δίνει στοιχεία για την αλληλεπίδρασή μας με την επιστήμη. Στο άρθρο αυτό (που αποτελείται από δύο μέρη) θα δούμε την ιστορία και το παρασκήνιο πίσω από μερικές διάσημες φωτογραφίες στο χώρο της επιστήμης, ξεκινώντας από το πολύ «μικρό» μέχρι τελικά να φτάσουμε στις τεράστιες κλίμακες του γνωστού σύμπαντος.
Η πρώτη ραδιογραφία
Ανέκαθεν, ένα από τα μεγαλύτερα ζητήματα στην ιατρική αποτελούσε η απεικόνιση του ανθρώπινου σώματος - και μάλιστα του εσωτερικού του για να είμαστε πιο ακριβείς - καθώς δεν υπήρχε τρόπος να «δούμε» τι συνέβαινε στο εσωτερικό του ασθενούς όσο αυτός παρέμενε εν ζωή. Η λύση σε αυτό το πρόβλημα δόθηκε το 1895 από τον γερμανό φυσικό Wilhelm Conrad Röntgen, ο οποίος μελετούσε φαινόμενα που σχετίζονταν με τις λεγόμενες «καθοδικές ακτίνες» (πρόκειται ουσιαστικά για δέσμες ηλεκτρονίων, κάτι όμως που οι επιστήμονες αναγνώρισαν μετέπειτα).
Η πειραματική διαδικασία αφορούσε τη διέλευση των ακτίνων αυτών μέσα από γυάλινους σωλήνες κενού, στους οποίους υπήρχαν προσαρτημένα ένα θετικό και ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο. Οι σωλήνες εμφάνιζαν μία φθορίζουσα λάμψη όταν εφαρμοζόταν σε αυτούς ρεύμα υψηλής τάσης. Σε ένα από τα πειράματα αυτά, αφού ο Röntgen θωράκισε τον σωλήνα με ένα αδιαφανές μαύρο χαρτόνι, παρατήρησε ότι το φθορίζον φως έκανε μία πλάκα πλατινοβαρίου (ένα υλικό που χρησιμοποιούνταν ευρέως στις φωτογραφικές πλάκες), που βρισκόταν σχεδόν τρία μέτρα πιο μακριά, να λάμψει. Αποδείχτηκε ότι οι ακτίνες αυτές ήταν σε θέση να διεισδύσουν σε διάφορα υλικά, ακόμα και στα μαλακά μέρη του ανθρώπινου σώματος, αφήνοντας σκιάσεις από συμπαγή αντικείμενα, όπως μέταλλα και οστά.
O Röntgen ονομάζει αυτές τις ακτίνες «Χ» - άγνωστες δηλαδή - καθώς δεν γνωρίζει τι ακριβώς είναι. Μία από τις πρώτες φωτογραφικές πλάκες απεικονίζει το χέρι της συζύγου του Anna Bertha στα τέλη του 1895, όπου διακρίνονται ευκρινώς τα οστά της καθώς και το δαχτυλίδι της. Βλέποντάς το αυτό, η Bertha λέγεται ότι αναφώνησε “Είδα το θάνατό μου!” και έφυγε από το εργαστήριο. Ο Röntgen όμως δεν πτοήθηκε από την αντίδρασή της, το αντίθετο μάλιστα, έστειλε τις ακτινογραφίες αυτές σε συναδέλφους του σε όλη την Ευρώπη. Αντιλαμβανόμενος τη μεγάλη σημασία της ανακάλυψης αυτής, δεν την πατένταρε ποτέ.
Η ιατρική κοινότητα κατάλαβε πολύ γρήγορα τη σημασία των ακτίνων Χ, κι έτσι η κλινική χρήση της ακτινογραφίας γνώρισε μεγάλη άνθηση κατά τις πρώτες δεκαετίες του 20ου αιώνα, χωρίς, όμως, να λαμβάνονται τα κατάλληλα μέτρα για την προστασία από τις πιθανές παρενέργειες από την έκθεση στην ακτινοβολία. Σήμερα πλέον έχουμε πολύ καλύτερη κατανόηση όλων των κινδύνων που εγκυμονούν οι ακτίνες Χ και έχουν αναπτυχθεί κατάλληλα πρωτόκολλα ώστε να ελαχιστοποιείται η έκθεση μας σε αυτές. Έτσι, η ραδιογραφία άνοιξε το δρόμο της τεχνολογίας στην ιατρική απεικόνιση και για το λόγο αυτό, αυτή η εντελώς τυχαία ανακάλυψη τιμήθηκε με το πρώτο βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1901.
Το πρώτο αντισωματίδιο
To 1897, o Joseph John Thomson ανακαλύπτει ένα ηλεκτρικά φορτισμένο σωματίδιο το οποίο βρίσκεται στο εσωτερικό του ατόμου. Δεν είναι άλλο από το ηλεκτρόνιο, το οποίο πήρε το όνομά του λίγα χρόνια αργότερα, το 1897 από τους George Johnstone Stoney και George Francis Fitzgerald. Μερικές δεκαετίες αργότερα, ο Βρετανός θεωρητικός φυσικός Paul Adrien Maurice Dirac καταλήγει σε μία εξίσωση που συνδυάζει την κβαντική μηχανική και τη θεωρία της ειδικής σχετικότητας προκειμένου να περιγράψει την συμπεριφορά ενός ηλεκτρονίου που κινείται με ρελατιβιστική ταχύτητα, δηλαδή με ταχύτητα που προσεγγίζει αυτή του φωτός.
Η εξίσωση αυτή μπορούσε να έχει δύο λύσεις, μία για ηλεκτρόνια με θετική ενέργεια και μία για ηλεκτρόνια με αρνητική ενέργεια. Καθώς όμως η κλασική φυσική υπαγορεύει πως τα σωματίδια μπορούν να έχουν μόνο θετική ενέργεια, ο Dirac έδωσε μια διαφορετική ερμηνεία. Αντί λοιπόν για σωματίδια με θετική ή αρνητική ενέργεια, θεώρησε ότι για κάθε σωματίδιο που υπάρχει, θα πρέπει να υπάρχει και το αντίστοιχο αντισωματίδιό του, το οποίο έχει ακριβώς την ίδια μάζα αλλά αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Αυτό σημαίνει ότι θα έπρεπε να υπάρχει ένα “αντι-ηλεκτρόνιο”, το ποζιτρόνια, το οποίο να έχει ίδια μάζα με το ηλεκτρόνιο αλλά θετικό φορτίο. Έτσι γεννήθηκε η ιδέα της αντιύλης, η οποία δεν αντιμετωπίστηκε αρχικά πολύ θερμά από την επιστημονική κοινότητα.
Η πειραματική επιβεβαίωση της ύπαρξης της αντιύλης, και συγκεκριμένα του ποζιτρονίου, δεν άργησε να έρθει από τον Carl Anderson στις ΗΠΑ, ο οποίος μελετούσε τα κοσμικά σωματίδια που φτάνουν στην επιφάνεια της γης, χρησιμοποιώντας θαλάμους ιονισμού. Η κοιλότητα ενός θαλάμου ιονισμού περιέχει υπερκορεσμένους ατμούς από μία αλκοόλη, σχηματίζοντας έτσι στο εσωτερικό του κάτι που θυμίζει σύννεφο. Καθώς τα σωματίδια διέρχονται μέσα στο θάλαμο αφήνουν ίχνη, σαν τις λευκές γραμμές που αφήνουν τα αεροπλάνα. Ανάλογα με το είδος του σωματιδίου, διαγράφεται και ένα διαφορετικό ίχνος, ενώ αν ο θάλαμος τοποθετηθεί εντός ενός μαγνητικού πεδίου, η καμπύλωση της τροχιάς υποδεικνύει το φορτίο του διερχόμενου σωματιδίου.
Έτσι, το 1932, ο Anderson φωτογράφισε το ίχνος από ένα σωματίδιο, το οποίο είχε την ίδια μάζα περίπου με το ηλεκτρόνιο, αλλά θετικό φορτίο. Μόλις ένα χρόνο μετά, ο Dirac βραβεύτηκε με Nobel, ενώ για την ανακάλυψη του ποζιτρονίου, ο Anderson τιμήθηκε με το βραβείο Nobel το 1936.
Η φωτογραφία 51
Μετά την ανακάλυψη των ακτίνων Χ, πληθώρα επιστημόνων τις χρησιμοποίησε για την πραγματοποίηση διαφόρων πειραμάτων. Έτσι, μόλις λίγα χρόνια αργότερα, το 1912, ο γερμανός φυσικός Maxvon Laue “βομβαρδίζει” με αυτές κρυστάλλους στην προσπάθειά του να καταλάβει αν οι ακτίνες αποτελούνται από κύματα ή σωματίδια, απεικονίζοντας τα αποτελέσματά του σε φωτογραφικές πλάκες. Την ίδια χρονιά οι William και Lawrence Bragg, χρησιμοποιώντας τόσο τα αποτελέσματα του von Laue όσο και διάφορα όργανα και μαθηματικές φόρμουλες, ανέπτυξαν μία σειρά φωτογραφικών πλακών που απεικόνιζαν τον τρόπο οργάνωσης των ατόμων σε έναν κρύσταλλο, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα κατασκευής τρισδιάστατων μοντέλων κρυσταλλικών δομών. Με τον τρόπο αυτό, γεννήθηκε η τεχνική της κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ, μία τεχνική που μας έδωσε μερικά χρόνια αργότερα τη δυνατότητα απεικόνισης διαφόρων μορίων, όπως η πενικιλίνη, η ινσουλίνη και η βιταμίνη Β12. Αποτέλεσμα αυτής της τεχνικής ήταν και η περίφημη “Φωτογραφία 51”.
Το όνομα αυτό μπορεί να παραπέμπει σε κάποια μυστική αμερικανική βάση (βλέπε Area 51), στην ουσία όμως πρόκειται για την πρώτη αποτύπωση του γενετικού μας υλικού, η οποία κρύβει και αρκετό παρασκήνιο. Στις αρχές της δεκαετίας του 1950, η νεαρή Rosalind Franklin ξεκινάει την έρευνά της στο King’s College του Λονδίνου, προκειμένου να χρησιμοποιήσει την περίθλαση ακτίνων Χ για να μελετήσει το μόριο του DNA. Εκεί από πολύ νωρίς συγκρούεται με τον συνάδελφό της Maurice Wilkins τόσο σε εργασιακό όσο και προσωπικό επίπεδο, με αποτέλεσμα να εργάζονται μεν και οι δύο στην αποκρυπτογράφηση του DNA, αλλά χωριστά. Για τη μελέτη του μορίου του DNA, εκμεταλλεύτηκαν το γεγονός ότι αυτό σε ένα διάλυμα μπορεί να πάρει δύο μορφές, κρυσταλλική ή παρακρυσταλλική. Η Franklin ήξερε ότι μπορούσε να περάσει από τη μία μορφή στην άλλη αυξάνοντας απλά τη σχετική υγρασία του δείγματος και εστίασε στην κρυσταλλική μορφή, η οποία όταν βομβαρδίζεται με ακτίνες Χ αποδίδει ιδιαίτερα λεπτομερή μοτίβα περίθλασης πάνω σε μία φωτογραφική πλάκα. Μία από τις πλάκες αυτές είναι και η “Φωτογραφία 51”, από την οποία θα μπορούσε να συμπεράνει κανείς πως το DNA έχει τη μορφή διπλής έλικας.
Χωρίς η Franklin να το γνωρίζει, τα δεδομένα που είχε συλλέξει πέφτουν στα χέρια του συναδέλφου της Maurice Wilkins, ο οποίος στη συνέχεια τα δείχνει -χωρίς την άδεια της- στους Francis Crick και James Watson, οι οποίοι εργάζονταν επίσης πάνω στη δομή του DNA. Η φωτογραφία 51, αποτελεί γι’ αυτούς κατάλληλο ερέθισμα και έξι εβδομάδες αργότερα, σε συνδυασμό με τα δικά τους αποτελέσματα προτείνουν το Μοντέλο της Διπλής Έλικας. Η εργασία των Watson και Crick δημοσιεύεται τον Απρίλιο του 1953 στο περιοδικό Nature, μαζί με την εργασία του Wilkins και την εργασία της Franklin και του διδακτορικού φοιτητή της. Το 1962, οι Watson, Crick και Wilkins βραβεύονται με Νόμπελ Ιατρικής. Δυστυχώς η Franklin είχε φύγει λίγο νωρίτερα από τη ζωή από καρκίνο, σε ηλικία μόλις 37 ετών.
Δρ. Αναστασία Τεζάρη
Φυσικός, Διδάκτωρ Ιατρικής Φυσικής
Πηγές
APS. November 8, 1895: Roentgen'sDiscovery of X-Rays, APSNews 10(10), 2001
- Cobb and N. Comfort. WhatRosalindFranklintrulycontributedto the discovery of DNA’sstructure. Nature 616, 2023
https://home.cern/science/physics/antimatter
