Přestože je běžné považovat dnes každého, kdo chce místo ekonomie nebo práv studovat raději fyziku či matematiku, za člověka rozumu mdlého nebo za výstředního pošetilce, je nepochybné, že je fyzika všudypřítomná a stále se v ní něco děje. Dnes se znovu podíváme na nový zázračný materiál, kterým je grafen. Tentokrát se zaměříme na jeho roli v boji proti bakteriím. Pak se přesuneme do ptačí říše, kde fyzikální zákony platí také. Jak myslíte, že ptáci poznají, kam mají letět přezimovat a kam se na jaře vrátit? Fyzikální zákony, jak se ukázalo, ovlivňují i vývoj člověka, a to ještě před tím, než spatří světlo světa, což si přiblížíme v posledním příspěvku.
Antibakteriální schopnosti grafenu. Je opravdu tím zázračným materiálem?
Podle italských fyziků a biofyziků má oxid grafenu antibakteriální a protiplísňové vlastnosti a působí proti čtyřem důležitým lidským patogenům. Pokud se lékařské nástroje a přístroje tímto materiálem pokryjí, může se tím významně ulehčit boji s infekcemi, snížit potřeba užívání antibiotik nebo dokonce zamezit vzniku antibiotické rezistence.
Grafen je pouhý jeden atom silná vrstva uhlíkových atomů a má řadu unikátních vlastností. Je mimořádně elektricky i tepelně vodivý, elektrony se v něm šíří vysokou rychlostí a je to i nejpevnější známý materiál. Oxid grafenu je tvořen vrstvami okysličeného grafenu s molekulami, jako jsou epoxid, karboxyl a hydroxylové skupiny, na jeho povrchu. Výroba takového materiálu je snadná a levná. Jde o okysličení grafitu a jeho smíchání s různými polymery podle požadovaných vlastností.
I když se o antimikrobiálních vlastnostech grafenu nehovoří úplně poprvé, fyzici z Říma nyní tvrdí, že předcházející výsledky byly rozporuplné. Nově se snaží zjistit, jak antimikrobiální vlastnosti ovlivňuje tvar a koncentrace vrstev oxidu grafenu. Došli totiž k závěru, že antimikrobiální účinnost grafenu závisí právě na jeho rozměrech, dále na tom, jakým způsobem je vystaven působení bakterií, a na jiných experimentálních podmínkách.
Italský tým studoval vliv oxidu grafenu na tři druhy bakterií: Staphylococcus aureus, Enterococcus faecalis, které způsobují různé infekce vyskytující se například v nemocnicích, a Escherichia coli, která má za následek nebezpečné otravy z jídla. Vědci zjistili, že 200 nm silné plátky oxidu grafenu ve vodním roztoku zneškodní 90 % prvních dvou jmenovaných bakterií a nejméně 50 % bakterie E. Coli, a to za méně než dvě hodiny. Oxid grafenu likvidoval tyto bakterie i v koncentracích menších než 10 mikrogramů v jednom mililitru. V zásadě existují tři mechanismy antibakteriálního působení oxidu grafenu. Vrstvy oxidu grafenu mohou působit jako nanonůž a rozříznout buněčnou membránu, obalit bakterii a zabránit jejímu růstu, a nebo zoxidovat buněčné komponenty bakterie. Tým také zjistil, že oxid grafenu působí proti plísni Candida albicans, která způsobuje například afty v ústech, a jeho účinnost je stejná jako u bakterie E. coli.
Rezistence bakterií vůči antibiotikům se stává velkým problémem. Ročně v Evropě umírá kolem 25 000 lidí na banální infekce, na něž antibiotika nezabírají. Bez nějakého nového antibakteriálního činidla se proto může brzy stát, že řada rutinních chirurgických zákroků nebude proveditelná. Situaci by mohl vyřešit právě antibakteriální mechanismus oxidu grafenu, který je založen na mechanickém ničení a chemické oxidaci, a způsobuje, že se resistence bakterií nemůže rozvíjet. Podle fyzikálního týmu je možné oxid grafenu smíchat s biokompatibilními polymery, a vytvořit tak antibakteriální pokrytí lékařských zařízení, jako jsou například katetry, jež jsou běžně náchylné k hromadění bakterií. Směs aplikovaná na chirurgické nástroje by pak bakterie mohla doslova zabíjet. S pomocí oxidu grafenu by se mohlo zabránit pooperačním infekcím a pacientům zkrátit doba rekonvalescence.
Výzkum, který oficiální zdravotničtí experti považují za velmi nadějný, je součástí projektu financovaného EU, jenž testuje možnost použití oxidu grafenu při náhradě nebo regeneraci poškozených tkání a orgánů. Byl přednesen na výročním 60. kongresu Biofyzikální společnosti v Los Angeles, kde vzbudil velký rozruch a očekávání.
Magnetický kompas ptáků
Čím to je, že ptáci trefí do svých zimovišť? Jak je možné, že se párek čápů po zimě vrátí na stejný komín v malé české vesničce (a nebo proč se nevrátí)? To je fascinující záhada, jíž se vědci snaží přijít na kloub.
Dosud bylo známo, že ptáci používají magnetický kompas. Nyní ale fyzici přišli na to, že tato orientační schopnost je úzce spojena s polarizací světla. Pro připomenutí, polarizované světlo je takové elektromagnetické vlnění, jehož vektor elektrického pole kmitá v jedné určité kmitové rovině. Švédští fyzici studovali schopnost navigace pěnkav v jednoduchém umělém bludišti a zjistili, že ptáci byli schopni svůj magnetický kompas použít pouze v případě, když polarizace světla, které bludiště osvětlovalo, byla paralelní s aplikovaným magnetickým polem. Pokud byla polarizace světla kolmá k magnetickému poli, byli ptáci zcela dezorientovaní.
I když je už více než půl století známo, že ptáci mohou směr, výšku letu a svou polohu určovat pomocí magnetického pole Země, přesný mechanismus, který ptačí vnímání magnetického pole řídí, není doteď znám. Dosud přijímaná teorie hovoří o tom, že přicházející foton excituje magneticky citlivé molekuly, tzv. „kryptochromy“, které jsou umístěny na sítnici ptáků. Jejich excitace způsobí, že elektron přecházející mezi dvěma sousedními molekulami zanechává molekuly s nespárovaným elektronovým spinem.
V závislosti na orientaci vůči nějakému vnějšímu magnetickému poli míří spin těchto molekul buď ve stejném, nebo opačném směru tak dlouho, dokud jsou molekuly excitované. To způsobuje vytváření buď singletových, nebo tripletových stavů, a to zase vede k různé neuronové odezvě ptáků. Molekuly ležící podél siločar pole mají tendenci preferovat singletové stavy, proto může pták určit orientaci geomagnetického pole porovnáním vlivu pole na molekuly rozmístěné v různých úhlech na sítnici. Je také známo, že kryptochromy absorbují světlo anizotropně, to znamená, že jsou tyto molekuly excitovány pouze světlem určitého směru a polarizace. Určitý směr polarizace aktivuje určitou podskupinu receptorových molekul, kdy jen tyto molekuly tvoří páry a jsou ovlivňovány magnetickým polem. To vše ukazuje, že je magnetický kompas svojí podstatou na polarizaci závislý.
Pro testování interakce ptačího magnetického kompasu a polarizovaného světla si švédští fyzici vybrali pěnkavy, které umístili do jednoduchého pravoúhlého bludiště se čtyřmi rameny. Bludiště, v němž měly pěnkavy hledat svou potravu, se nalézalo uvnitř magnetické cívky, která umožňovala vychylovat horizontální složku magnetického pole.
Experimenty probíhaly tak, že ptáci v bludišti hledali oblíbené pamlsky, které byly umístěny na konci každého ramene. Ptáci k navigaci nejprve využívali jenom magnetické pole. Když vědci bludiště osvětlili nepolarizovaným nebo lineárně polarizovaným světlem, zjistili, že pěnkavy byly schopny používat svůj magnetický kompas pouze tehdy, když byla polarizace světla rovnoběžná s magnetickým polem. Pěnkavy se zcela ztratily, nejen když bylo světlo stoprocentně kolmo polarizováno, ale k jejich dezorientaci stačilo i jen 50 % světla takto polarizovaného. Vědci sice takový vliv očekávali, ale nikdo si nemyslel, že ptáci budou zcela dezorientováni, když bude směr polarizace světla kolmý ke směru magnetického pole.
I když zatím není stále zcela jasné, jak různé směry polarizovaného světla ve vztahu k zemskému magnetickému poli ovlivňují ptáky v přírodě, zjistilo se, že pro ptačí orientaci je magnetické pole nejdůležitější při východu a západu slunce. To jsou denní doby, kdy migrující ptáci určují směr letu a provádějí kalibraci svých kompasů. Během východu a západu slunce, kdy je polarizované světlo v zenitu přibližně ve směru od severu k jihu, mohou ptáci určit magnetické pole poměrně přesně, zatímco během dne se mohou mýlit. Uprostřed dne, kdy je polarizované světlo přibližně kolmé k magnetickému poli, může být výhodou, že je magnetické pole méně „viditelné“, takže neruší ptáky v době, kdy je viditelnost důležitá pro nalezení potravy a zaregistrování predátorů.
Vědci sice očekávali vliv polarizace světla na činnost magnetického kompasu ptáků, ale to, že stačí 50 % „špatně“ polarizovaného světla k úplné dezorientaci, je pro ně velkým překvapením. Fyzici spolu s biofyziky nyní doufají, že tento výzkum povede k vypracování přesnějšího modelu, do kterého bude polarizace světla zahrnuta jako významný faktor.
Rýhy v mozkové kůře
Charakteristické rýhy na mozku jsou důsledkem mechanického stlačování mozkové kůry, k němuž dochází během vývoje člověka. Tvrdí to mezinárodní vědecký tým. Použitím 3D gelového modelu mozku teď vědci ukázali, že síly generované během roztahování mohou vytvářet rýhovaný tvar mozku. Podobný mechanický model byl už sice publikován v roce 1975, tehdy ho ale nebylo možno ověřit.
Vysoce rýhovaný mozek má jen malý počet živočišných druhů, kromě člověka jsou to někteří primáti, delfíni, sloni a vepři. Z pohledu evoluce je důvod, proč má mozek rýhy, docela jednoduchý. Zvyšuje se totiž počet neuronů, které se do mozku vejdou, a zároveň se snižuje jejich vzdálenost, čímž dochází ke zlepšení různých kognitivních (poznávacích) funkcí mozku. U člověka se vnější vrstva mozkové tkáně – šedá kůra mozková – začíná rýhovat přibližně ve 23. týdnu života embrya. Proces formování šedé kůry mozkové, označovaný jako gyrifikace, pokračuje až do dospělosti, kdy náš mozek přestává růst. Do této doby se objem mozku zvětší dvacetkrát a jeho povrch třicetkrát.
Zatímco důvod gyrifikace je prostudován a znám, mechanismus, kterým k ní dochází, znám podrobně není. Dosud byl publikován velký počet biochemických a mechanických teorií včetně jedné, která uvádí, že rýhování je způsobeno mechanickým pnutím generovaným neurony. Žádná z těchto teorií nebyla ale přesvědčivě prokázána. Finští fyzici s kolegy z Francie a USA teď tvrdí, že nejpravděpodobnější vysvětlení je to nejjednodušší. Spočívá v tom, že se mozková kůra roztahuje rychleji než zbytek mozku, čímž poněkud ztrácí na tloušťce. Respektive mozková kůra zůstává stejná, ale její povrch roste. To vyvolává kompresivní síly, které vedou k mechanickému zvrásnění kůry. Aby vědci mohli tuto teorii otestovat, vytvořili podle zobrazení magnetickou rezonancí 3D model nezvrásněného mozku lidského embrya starého 22 týdnů. Podle něj pak vyrobili gelový model, který následně pokryli tenkou vrstvou absorbujícího elastomerového gelu, jenž měl představovat mozkovou kůru. Když vnější vrstvu gelového modelu ponořili do rozpouštědla, ta se vzhledem k vnitřnímu jádru začala zvětšovat, a když začaly působit kompresivní síly, začala se vrásnit. Vznikající rýhy přitom tvořily obrazce velmi podobné těm na povrchu mozku plodu během počátečních fází gyrifikace.
Po skončení fáze roztahování model připomínal mozek embrya starého 34 týdnů. Klíčovými parametry určujícími rozměry a tvar vznikajících rýh je tuhost šedé hmoty v porovnání s podložkou a tloušťka vrstvy šedé hmoty vzhledem k rozměrům mozku. Další otázkou je, jak se vznikající rýhy orientují. Ukázalo se, že pro převažující orientaci rýh jsou určující geometrické parametry povrchu mozku.
Mechanické vlastnosti modelu, jeho podobnost vyvíjejícímu se lidskému mozku a shoda vypočítaných a experimentálně pozorovaných parametrů podporuje předpoklad, že hnací silou formování mozkové kůry je mechanické stlačování. Shody a rozdíly mezi materiálem modelu a skutečnou mozkovou tkání bude ale potřeba dále zkoumat, protože ty mohou výsledky výzkumu výrazně ovlivnit.
Původní materiály byly uveřejněny v časopisech Nature Physics, PNAS, Physics World a na 60. výroční konferenci Biofyzikální společnosti v Los Angeles.
Další díly: