Dzieńdoberek, witam Was ciepło w okrągłym, bo dziesiątym i świątecznym odcinku podkastu Naukowo, w którym opowiem o ruchliwych plemnikach i zdalnym sterowaniu mózgami. Zajrzymy do świata wirusów oraz do grobów królów angielskich. Przyjrzymy się też chaotycznym kroplom wody spływającym po szybie i gigantycznym drzewom. Pamiętajcie, że wszystkie źródła z dodatkową wiedzą znajdziecie w opisie, podobnie jak odnośnik do serwisu Patronite, w którym możecie wesprzeć mnie finansowo abym mógł dalej rozwijać ten projekt. A zaczynamy od wroga publicznego ostatnich czasów.

Wirusy to paskudne cząstki znajdują się wszędzie - w wodzie, powietrzu czy glebie. Nie są uważane za organizmy ożywione, mogą się rozmnażać tylko z pomocą żywiciela, ale równocześnie zainfekować mogą niemal dowolny żywy organizm. I jest ich cała masa, szacuje się, że na Ziemi istnieje około 10 kwintylionów pojedynczych wirusów, to 10 do potęgi 31 i tyle wystarczy, aby 100 milionów razy przypisać jednego wirusa do każdej gwiazdy we wszechświecie. Na szczęście dla ludzi są też bardzo wybredne i bardzo mała ich część stanowi jakiekolwiek zagrożenie dla ludzi. Większość nowych chorób wywołanych przez wirusy to choroby pochodzące od zwierząt. Uważa się, że same ssaki i ptaki są nosicielami około 1 700 000 nieodkrytych typów wirusów. Oczywiście wirusy nie mają łatwo, muszą spełnić wiele warunków, aby namnażając się wyjść poza pierwszy zainfekowany organizm, wiele czynników musi być też spełnionych, aby przenieść się z jednego gatunku na inny. Ważne są tu nie tylko częstotliwości kontaktów zwierząt z ludźmi, sposoby rozprzestrzeniania się wirusa, czas, przez jaki wirus może przetrwać poza organizmem gospodarza czy skuteczność, z jaką wirus może pokonać układ odpornościowy, ale także pogoda czy lokalne niedobory żywności. Trudno szacować dokładne liczby, ale zdecydowana większość przypadków przeniesienia wirusa ze zwierzęcia na człowieka prawdopodobnie kończy się zakażeniem, które nie przechodzi dalej niż poza pierwszego zakażonego osobnika. Gdy wirus przedostanie się do organizmu przyczepia się do cząsteczki, która jest przymocowana do zewnętrznej części komórki człowieka - trochę jak klucz w zamku. Im lepsze dopasowanie, tym większe prawdopodobieństwo, że patogen będzie miał dostęp do wnętrza komórki, a przez to będzie się mógł powielać. Znamy ponad 200 wirusów wywołujących choroby u ludzi i wszystkie one są zdolne do przedostania się do ludzkich komórek. Wirusy o dużej elastyczności to zwłaszcza te, które kodują swoje genomy jako RNA, a nie DNA. Są one dużo lepiej przystosowane do skakania między gatunkami, mają tendencję do niechlujnego kopiowania swojego kodu genetycznego, wprowadzając mutacje dużo częściej, szybciej dostosowują się też do nowych środowisk - w tym do nowych gatunków gospodarzy. Wirusy RNA potrafią tez wymieniać część swoich cech w taki sposób, że powstają wirusy hybrydowe różniące się od swoich rodziców. Ostatnie badania nad wirusami RNA okazały się spektakularne i ujawniły niespodziewaną różnorodność. Analiza materiału genetycznego w oceanie pozwoliła zidentyfikować tysiące nieznanych wcześniej wirusów RNA i podwoiła liczbę grup biologicznych wirusów, o których istnieniu sądzono. Przeanalizowano globalną bazę danych sekwencji RNA pochodzących z planktonu, ponieważ stanowi on istotną część oceanicznego łańcucha pokarmowego i jest częstym żywicielem wirusów RNA. Zidentyfikowano w sumie ponad 5 500 nowych morskich wirusów RNA, a dwie z nowych grup wirusów występowały szczególnie obficie w wodach umiarkowanych i tropikalnych oraz w Oceanie Arktycznym. Dodatkowo badanie ujawniło, że wirusy z nowych rodzajów Taraviricota, to brakujące ogniwa we wczesnej ewolucji wirusów RNA. Te nowe wirusy pomagają naukowcom lepiej zrozumieć nie tylko ewolucję wirusów, ale także ewolucję wczesnego życia na Ziemi oraz to jak wirusy wpływają na środowisko i sieć pokarmową na poziomie chemicznym.

Ale dość o paskudztwach, teraz zajmiemy się przyjemnymi kroplami wody malowniczo spływającymi po szybie. Pamiętam, że jako dziecko często bawiłem się w łapanie takich kropel, albo w przewidywanie ich ruchu. Wydaje się, że zachowują się one w sposób chaotyczny i nieprzewidywalny, spływając pod wpływem grawitacji po gładkiej tafli szkła. Zgodnie z dotychczasowym rozumowaniem, ruch kropel jest podyktowany lepkością i zjawiskami występującymi na linii styku, ale te dwa efekty nie są w stanie w pełni wyjaśnić złożonych ścieżek ślizgających, uderzających się wzajemnie i łączących się kropel. Problem wydaje się być dziecinnym wymysłem, ale nauka i technologia zaadaptowały modyfikacje powierzchni tak, aby zapobiec przywieraniu kropel do tekstyliów, utrzymać przejrzystość szyb okiennych i okularów podczas deszczu, ma to również zasadnicze znaczenie w powlekaniu, malowaniu czy rozpylaniu środków owadobójczych i chwastobójczych. To od powierzchni zależy, czy powstanie kropla o kształcie kulistym czy płaskim, a podczas ruchu kropli także w jej wnętrzu występuje tarcie pomiędzy poszczególnymi cząsteczkami wody, co również wpływa na sposób w jaki się porusza. Wątpliwości naukowców budził przede wszystkim fakt, że krople poruszają się z różną prędkością po powierzchni - nawet jeśli podłoża te mają identyczną powłokę, na której nie należałoby się spodziewać żadnych różnic. Nowe badanie dowodzi, że na ruch kropel na podłożach zasadniczy wpływ mają siły elektrostatyczne. Elektrostatyka musi być brana pod uwagę przy opisie ruchu wody, ponieważ gdy neutralne kropelki przesuwają się po izolatorze, mogą zostać naładowane elektrycznie i odwrotnie - na podłożu przewodzącym prąd elektryczny, kropla natychmiast oddaje swój ładunek z powrotem do podłoża. Ładunek taki wpływa bezpośrednio na zachowanie się kropli wody i jej ścieżkę na powierzchni. Wyniki te mogą poprawić kontrolę nad ruchem kropel w wielu zastosowaniach - od drukowania do mikroprzepływów. Co ciekawe, opracowywane są też projekty mające na celu generowanie energii elektrycznej z ruchu kropli wody. Taka forma pozyskiwania energii hydrowoltanicznej bez ruchomych części może być stosowana przez małe urządzenia w odległych rejonach, poza siecią energetyczną lub jako generatory awaryjne. Sprawność takiego rozwiązania jest jednak nadal zbyt niska, aby mówić o komercyjnych zastosowaniach, ale takie badania pomagają poznać lepiej fizykę wody i mogą wpływać na rozwój technologii.

Technologii, która często pojawia się w odcinkach podkastu. W poprzednich audycjach opowiadałem Wam między innymi o tym jak pozwala ona przekształcać fale mózgowe na przykład na pismo. Ale czy da się zrobić coś odwrotnego, czy za pomocą technologii można sterować mózgiem i bezpośrednio wpływać na jego działanie? Nauka o kontroli umysłu rozwija się w zawrotnym tempie. W 2011 r. naukowcy zmodyfikowali neurony u myszy tak, aby były wrażliwe na światło, a następnie za pomocą światłowodów i implantów wszczepionych do mózgu byli w stanie neurony szybko włączać i wyłączać, natychmiast zmieniając zachowanie zwierząt. Ale już 10 lat później takie eksperymenty znacznie uproszczono. Wystarczyła niebieska dioda wszczepiona w przednią część mózgu każdego zwierzęcia, sterowana bezprzewodowo i aktywująca niewielki fragment kory mózgowej. Pobudzając znajdujące się tam neurony do działania, badacze mogli spowodować, że myszy w ciągu dwóch minut, zaczęły się zachowywać jak najlepsi przyjaciele, dbając o siebie i trzymając się razem. Ma to przełożenie na ludzi: gdy dwie osoby wchodzą ze sobą w kontakt, wzorce ich mózgów dopasowują się w intrygujący sposób. Przykładowo nieznajomi i pary wydają się mieć różny poziom synchronizacji mózgu. Inne badanie wykazało większą synchronizację między liderem a naśladowcą niż między dwoma naśladowcami. Nie ma w tym żadnej parapsychologii czy telepatii, a jedynie pokazuje to jak bardzo skomplikowane są nasze codzienne interakcje z innymi osobami, wymagające ciągłego sprzężenia zwrotnego, uwagi, przewidywania i reakcji. To zrozumiałe, że mózg może w jakiś sposób mapować obie strony takich kontaktów jednocześnie, zarówno nasze zachowania, jak i zachowania drugiej osoby, choć naukowcy wciąż niewiele wiedzą o tym, jak to się dzieje. Trzeba tu podkreślić, że niemal wszystkie dane dotyczące ludzi są niejednoznaczne: synchronizacja neuronów wydaje się ściśle powiązana z zachowaniem, ale nie oznacza to, że jest jego pierwotną przyczyną. W eksperymentach na myszach zarejestrowano aktywność w części mózgu zwanej przyśrodkową korą przedczołową, która została powiązana z szeregiem zachowań społecznych. Niektóre neurony zwierzęcia zdawały się odpowiadać za jego własne zachowanie, podczas gdy aktywność innych komórek powiązana była z zachowaniem drugiego zwierzęcia. Aktywność neuronów w obu grupach w pewnym stopniu pokrywała się, co sugeruje, że pewne komórki reagowały na zachowanie obu zwierząt. Ale badania takie nadal nie były proste - mózg jest dość nieprzezroczysty dla światła widzialnego, więc doprowadzenie światła do komórek, które mają być stymulowane, wymagało operacyjnie wszczepianych implantów optycznych, które mogą powodować uszkodzenia tkanek czy infekcje, a przez to ograniczać naturalne zachowania badanego zwierzęcia. Nowa technika wykorzystuje pewne właściwości tkanki biologicznej - jest ona zasadniczo przezroczysta dla światła podczerwonego, co mogłoby umożliwić dostarczenie światła znacznie głębiej do mózgu. Zespół naukowców wykorzystał cząsteczkę, która wykrywa inną formę podczerwieni: ciepło. To ta sama cząsteczka, która odpowiada u ludzi za odczuwanie ostrego pieczenia papryczek chili, a grzechotnikom pozwala na widzenie ciepła ciała ofiary. Sztucznie wyposażając określone neurony w mózgu myszy w czułą na ciepło cząsteczkę, zespół odkrył, że możliwe jest stymulowanie zmodyfikowanych komórek poprzez świecenie światłem podczerwonym przez czaszkę i skórę głowy z odległości nawet metra. Można po prostu świecić niewidzialnym światłem podczerwonym nad pomieszczeniem, w którym przebywają myszy, aby wpływać na zachowanie zwierzęcia, na przykład wymuszać na nich, aby kręciły się w kółko albo ingerować w zachowania społeczne zwierząt. Co więcej, naukowcy sądzą, że takie modyfikacje genetyczne można przeprowadzić za pomocą zwykłego zastrzyku lub podawanej doustnie pigułki z nanoskopowymi kulkami, które potrafią przekształcać skupione wiązki ultradźwięków w światło. Choć eksperymenty są przeprowadzane z sukcesami, a rozwój technologii przyspiesza, to naukowcy są dalecy od sprawdzania ich na ludziach. Testy kliniczne nie będą przeprowadzane do czasu, aż badacze nie uzyskają większej wiedzy na temat tego, co się dzieje podczas takich prób i dlaczego. Zatem póki co nie musimy się martwić, że ktoś na odległość zacznie bezpośrednio sterować naszym mózgiem.

Kolejne urządzenie, o którym opowiem jest proste, bardzo tanie i może znacząco wpłynąć na leczenie niepłodności u mężczyzn. Niepłodność określana jest przez Światową Organizację Zdrowia jako choroba cywilizacyjna, a według statystyk na całym świecie problem ten dotyczy od 10 do 18 proc. populacji. Zdrowa sperma jest jednym z elementów warunkujących poczęcie zdrowego dziecka. Jednak około 10% mężczyzn jest niepłodnych, a winę za to często ponosi ich sperma, a konkretnie te małe komórki w niej pływające - plemniki. Niepłodni mężczyźni często produkują zdrowe plemniki, jednak nie jest ich wystarczająco dużo, aby skutecznie zapłodnić partnerkę. Często są też mało ruchliwe co powoduje, że mają one problem z dotarciem do komórki jajowej i ciężko im przeniknąć przez warstwy otaczające taką komórkę. Wpływ na jakość nasienia ma bardzo wiele czynników. Męskie jądra nie będą działać prawidłowo, jeśli nie pozostaną chłodniejsze niż reszta ciała. Zbyt wielka ilość tłuszczu w organizmie mężczyzny powoduje produkcję żeńskich hormonów, co wpływa na nieprawidłową pracę jąder. Palenie papierosów czy marihuany oraz picie alkoholu to po prostu zwykłe zatruwanie plemników, trzeba tu jeszcze wspomnieć o stresie, chorobach przenoszonych drogą płciową i nieprawidłowej diecie jako czynnikach niekorzystnych. Technologie zapłodnienia in vitro pomagają przezwyciężyć te problemy, ale wymagają one odseparowania zdrowych komórek plemników od plemników wadliwych. Konwencjonalne metody izolacji plemników obejmują wielokrotne wirowanie, które uszkadza morfologię plemników i DNA zdrowych komórek nasienia. Dla procedur zapłodnienia in vitro prawidłowa budowa plemnika jest niezbędna. W jednym z badań stwierdzono, że stosowanie wyłącznie plemników o idealnej morfologii zwiększyło prawdopodobieństwo zapłodnienia z 40% do 97%. Aby doszło do zapłodnienia, plemniki kierują się różnymi mechanizmami naprowadzającymi w kierunku komórki jajowej. Spośród tych mechanizmów, reotaksja odgrywa znaczącą rolę w prowadzeniu plemników na dużą odległość. W procesie tym chodzi o to, aby zdrowe plemniki płynęły w kierunku przeciwnym do przepływu śluzu, niejako "pod prąd" i to właśnie na tym etapie naturalnie eliminowane są plemniki uszkodzone lub zbyt słabe. Wykorzystując to naturalne zachowanie plemników naukowcy opracowali układ mikroprzepływowy, który naturalnie i nieinwazyjnie izoluje zdrowe plemniki. Opracowany układ składa się z komór oddzielonych mikrokanałami, w których płynie ciecz. Plemniki poddawane są działaniu różnych prędkości tej cieczy w różnych częściach urządzenia, a sprawne plemniki płynąc "pod prąd" wpływają ostatecznie do komory zbiorczej, skąd są później pobierane. Wyniki działania tego urządzenia wykazały prawie 100% ruchliwość zebranych plemników, znacząco wyższy odsetek morfologicznie prawidłowych plemników oraz mniejszą fragmentację DNA plemników niż w przypadku innych metod i próbki surowego nasienia. Co więcej jak mówi jeden z autorów tego urządzenia "Montaż mikroprzepływowego układu scalonego jest tani, a odczynniki używane w układzie do separacji plemników mają objętość zaledwie kilku mililitrów, dlatego komercyjny koszt układu wyniósłby mniej niż 5 dolarów. Co więcej, technologia ta znacznie zmniejszy obciążenie ekonomiczne związane z wdrażaniem metod leczenia niepłodności, a zarówno chip, jak i wyizolowane z niego plemniki mają ogromne znaczenie kliniczne i możliwości zastosowania."

Posiadanie potomka było szczególnie ważne w dawnych czasach, a w rodzinach królewskich często stanowiło o być albo nie być dla całej dynastii. Nowe badania przeprowadzone w Wielkiej Brytanii ponownie analizują dowody archeologiczne z mało zrozumiałego okresu w historii tego kraju, między końcem panowania rzymskiego, a późnymi królestwami anglosaskimi, czyli czasu tradycyjnie opisywanego przez legendy o Królu Arturze. Artur rzekomo był Brytyjczykiem i chrześcijaninem i choć większość historyków uważa, że Król Artur w rzeczywistości nie istniał to historie o nim mogą być zlepkiem z opowieści o wielu innych królach i królowych panujących w tamtym czasie. A były to czasy, w których Wielka Brytania była domem dla mnóstwa królestw o różnej sile i wielkości. Rdzenni, celtyccy władcy kontrolowali zachodnią i północną część wyspy, podczas gdy germańscy lub anglosascy najeźdźcy zajęli tereny na południu i wschodzie. I tu pojawiła się archeologiczna zagadka: skoro wiadomo, że w tym okresie żyło wielu brytyjskich królów to, dlaczego prawie żaden z ich grobów nie został odnaleziony? Ówcześni anglosascy władcy chowani byli z honorami, w zarezerwowanych dla rodzin królewskich ozdobnych grobowcach z bogatym wyposażeniem grobowym, od złotej biżuterii po broń i zbroję - symbolizowało to wysoki status społeczny i religijny. Natomiast chrześcijańscy Brytyjczycy mogli postrzegać to jako praktykę pogańską i dla swoich władców urządzali pochówki skromniejsze, bez wyposażenia grobowego, w prostych grobach bez kamiennych inskrypcji i na wspólnych cmentarzach. Ale takie groby można odróżnić po specyficznym umiejscowieniu, większość z nich jest położona w centrum prostokątnych lub kwadratowych zagród, które dawniej mogły być odseparowane i ogrodzone, płotami lub bramami, które nie przetrwały do naszych czasów. Nowa analiza grobów w około 20 miejscach pochówku w zachodniej Anglii i Walii, w tym we współczesnych hrabstwach Somerset i Kornwalii, pozwoli być może ujawnić nawet 65 grobów królów brytyjskich z okresu między V a VI wiekiem. Dalsze prace archeologiczne mogą bardzo przyczynić się do pogłębienia wiedzy o tamtych czasach.

Niejako z przeszłości pochodzą też pewne stare, ogromne rośliny. Sekwoje nadmorskie to niezwykłe drzewa, które naukowcy badają od pokoleń. Wiemy, że są najwyższymi żyjącymi drzewami i przetrwały tysiąclecia, opierając się pożarom i szkodnikom. Ponieważ sekwoje są długowieczne, duże i odporne na rozkład, to lasy, w których dominują, magazynują więcej masy, a więc prawdopodobnie także więcej węgla, niż jakikolwiek inny ekosystem na Ziemi. Okazuje się, że sekwoje mają dwa rodzaje liści, które wyglądają inaczej i wykonują zupełnie inne zadania. Ta nieznana wcześniej cecha pomaga drzewom przystosować się do warunków zarówno wilgotnych, jak i suchych - umiejętność, która może być kluczem do ich przetrwania w zmieniającym się klimacie. Gdziekolwiek rosną drzewa, prędzej czy później ich liście ulegają zamoczeniu. Dla drzew rosnących w wilgotnym środowisku może to stanowić problem, jeśli warstwy wody zakryją ich aparaty szparkowe. Te maleńkie pory umożliwiają przedostawanie się dwutlenku węgla do liści, dzięki czemu drzewo może łączyć go z wodą w celu wytworzenia tkanki roślinnej w procesie fotosyntezy. Drzewa rosnące w suchym środowisku wykorzystują krótkie okresy zwilżenia liści do pobierania cennej wody bezpośrednio przez powierzchnię liści, a także przez aparaty szparkowe. Jednak niektóre drzewa, w tym sekwoje nadmorskie, żyją zarówno w środowisku wilgotnym, jak i suchym, przy czym występują u nich duże różnice sezonowe. W przypadku drzew liściastych, takich jak dąb, to wyzwanie związane z sezonową wilgotnością jest stosunkowo łatwe do pokonania. Ich aparaty szparkowe znajdują się na osłoniętych spodnich stronach liści, dzięki czemu nie przepuszczają one wody, podczas gdy wierzchnie części liści chętnie wchłaniają wodę. Jednak sekwoje to drzewa iglaste o cienkich, płaskich, igiełkowatych liściach, które potrzebują innego sposobu równoważenia konkurencyjnych celów, jakimi są pochłanianie wody i ochrona przed nią. Okazało się, że pędy z osi środkowej mają liście, które wchłaniają wodę trzy razy szybciej niż liście zewnętrzne. Kiedy naukowcy zajrzeli do wnętrza liści pod mikroskopem, ze zdziwieniem odkryli, że są to dwa zupełnie różne rodzaje liści. W przeciwieństwie do liści centralnych, liście zewnętrzne sekwoi mają woskowe powierzchnie z dużą liczbą aparatów szparkowych. Dalsza analiza wykazała, że liście osiowe sekwoi stanowią jedynie około 5% całkowitej powierzchni liści drzew i produkują bardzo niewielką ilość energii w procesie fotosyntezy, ale ich udział w całkowitej zdolności absorpcji wody przez drzewa wynosi około 30%. Te dwa rodzaje liści równoważą sprzeczne wymagania fotosyntezy i absorpcji wody, dzięki czemu sekwoje mogą rozwijać się zarówno w środowisku wilgotnym, jak i suchym. Na podstawie pomiarów drzew na dużą skalę i równań służących do szacowania powierzchni liści sekwoi naukowcy oszacowali, że mogą one wchłonąć aż 48 kilogramów wody w ciągu pierwszej godziny, gdy deszcz zwilży ich liście. To równowartość 101 kufli piwa. Zrozumienie jak rośliny regulują gospodarkę wodną może pomóc nie tylko w ich ochronie, ale także w zrozumieniu jak natura przystosowuje się do zmian klimatycznych.

I to już wszystko na dziś, dziękuję Wam bardzo za uwagę i za wysłuchanie dziesiątego już odcinka podkastu Naukowo. Życzę Wam wspaniałych, ciepłych, rodzinnych i radosnych Świąt Wielkanocnych - do usłyszenia w środę!