Z jakiego powodu pioruny uderzają częściej na lądach niż na morzach, zabijając przy tym dzwonników? W jaki sposób matematyka kształtuje embrion świerszczy? Jak można hodować ludzkie embriony, po co to robić i czy w ogóle powinno się pozwalać na to nauce? Przy mikrofonie Arkadiusz Polak, zapraszam na sobotni odcinek podkastu Naukowo, w którym sprawdzimy również czy kawa polepsza psychiczne samopoczucie oraz jak bezsenność je drastycznie pogarsza. Jeśli audycja Wam się spodoba to jak zwykle proszę o lajka, komentarz i udostępnienie odcinka znajomym, zajrzyjcie również na mój profil w serwisie patronite.pl/naukowo, gdzie najprościej wesprzeć podkast finansowo, a jego archiwalne odcinki najłatwiej odsłuchać na stronie Naukowo.net gdzie publikuję również inne ciekawe artykuły z różnych dziedzin nauki. Wszystkie linki znajdziecie w opisie odcinka, który zaczynamy pochylając się nad ciężką pracą dzwonników.

Do końca XVIII wieku, gdy tylko rozpoczynała się burza kościelni dzwonnicy pędzili na wieżę, aby bić w dzwony. Wierzono wówczas, że dźwięk ten odpycha pioruny i to dlatego na wielu dzwonach wyryto łaciński napis "vivos voco, mortuos plango, fulgura frango" czyli "żywych wzywam, zmarłych opłakuję, gromy kruszę". Oczywiście wysoka wieża, z metalowym czubkiem w postaci dzwonu była najgorszym wówczas miejscem w jakim można się znaleźć podczas burzy. Co więcej magiczna moc dzwonu najwyraźniej nie działała i to pioruny kruszyły - dzwonników. Tylko w latach 1753 - 1786 we Francji życie utraciło w ten sposób 103 dzwonników co było bezpośrednią przyczyną zakazania tego zwyczaju. I nic dziwnego, temperatura błyskawicy osiąga nawet 30 000°C, piorun potrafi rozszczepić drzewo, a gdy uderzy w piaszczystą plażę topi piasek kwarcowy tworząc fulguryt, rurkowaty kształt wypełniony szkliwem, który przez dawnych Słowian uważany był za perunowe strzałki, czyli broń boga gromowładcy Peruna. A do tego jest jednym z najbardziej powszechnych i powtarzalnych przejawów natury, codziennie na świecie dochodzi do ponad 3 milionów błysków, 44 każdej sekundy. Jak podaje brytyjskie biuro meteorologiczne najbardziej porażone piorunami miejsce na świecie to Jezioro Maracaibo w Wenezueli, masywne burze występują tam podczas 140-160 nocy w roku, ze średnią 28 uderzeń piorunów każdej minuty. Elektryzowanie się chmur konwekcyjnych ma miejsce, gdy kryształki lodu zderzają się z krupami śnieżnymi, czyli opadem atmosferycznym, który tworzy się, gdy przechłodzone w powietrzu kropelki wody są zbierane i zamarzają na spadających płatkach śniegu. Kryształki lodu mają tendencję do gromadzenia dodatniego ładunku i unoszą się wraz z prądem wznoszącym. Natomiast śnieżne krupy, które gromadzą ładunek ujemny - opadają grawitacyjnie. To w taki sposób budowane jest pole elektryczne, które prowadzi do wyładowań atmosferycznych. Ale znajomość tego mechanizmu nie zdołała przez lata odpowiedzieć na inne pytanie: dlaczego błyskawice nad lądem są częstsze i często silniejsze niż te nad morzem? Znane efekty termodynamiki i aerozoli mogą dobrze wyjaśniać aktywność burzową nad lądem, ale zawodzą nad oceanami. Jak sugerowano, część tej rozbieżności ma związek ze wzrostem ilości drobnych kropel wody, ale według badaczy nie jest to wystarczające wyjaśnienie tak znacznej różnicy. Grupa naukowców twierdzi, że znalazła inne wyjaśnienie. Zespół badawczy przeanalizował dane o uderzeniach piorunów w Afryce i sąsiadujących z nią oceanach od 2013 do 2017 roku. Łącznie uzyskano 76 665 przypadków błyskawic, przy czym niemal 55 000 nad lądem i ponad 22 000 nad oceanem. Analiza tej ogromnej puli danych przeprowadzona przez zespół zdaje się potwierdzać ich hipotezę - to gruboziarnista sól z aerozolu morskiego powoduje, że więcej kropel deszczu tworzy się na niższej wysokości, okradając wyższe chmury z paliwa potrzebnego do tworzenia potężnych piorunów. Naukowcy wskazują, że gruboziarnisty aerozol soli morskiej może zmniejszyć częstotliwość uderzeń piorunów nawet o 90%. Aerozole mają też duże znaczenie w występowaniu różnych efektów klimatycznych, a prace nad piorunami mogą przyczynić się do lepszego zrozumienia interakcji między aerozolami a chmurami, co napędza system cyrkulacji atmosferycznej. A jeśli chcesz sprawdzić, jak daleko znajduje się burza, wystarczy policzyć liczbę sekund pomiędzy błyskawicą, a następującym po niej grzmotem i podzielić ją przez trzy - uzyskasz w ten sposób odległość mierzoną w kilometrach.

Ludzki mózg ma około 86 miliardów neuronów. Mózg muszki owocowej zbudowany jest z zaledwie 100 000 neuronów. Pomimo tak gigantycznej dysproporcji muszki te są cenionymi pomocnikami naukowców pomagając im przyglądać się działaniu mózgu, ponieważ wykazują złożone zachowania takie jak uczenie się czy pamięć. Mimo to porównywanie mózgów ludzi i muszek wydaje się być absurdalne, ale warto zauważyć, że w działaniu mózgu nie chodzi wyłącznie o jego budowę. Już wcześniej naukowcy zaobserwowali tworzenie się śladu wspomnienia w mózgu muszki, rozpraszanie uwagi, a następnie znikanie takiego śladu. Bez względu na wielkość zwierząt ich mózgi funkcjonują w podobny sposób, a ponieważ wszystkie mózgi pochodzą od wspólnego przodka, nauka dostrzega podobieństwa pomiędzy obszarami mózgu muszek i ssaków w oparciu o cechy molekularne oraz to, w jaki sposób przechowujemy nasze wspomnienia. Także inne owady są przydatne nauce w odkrywaniu wiedzy o nich samych, ale także wpływając na poznanie ssaków takich jak człowiek. Jednym z nich są świerszcze śródziemnomorskie, które służyć mogą nie tylko jako pokarm, ale też jako obiekty badawcze w takich zagadnieniach jak regeneracja kończyn czy badania nad cyklem dobowym. Nowe badanie, przeprowadzone dzięki połączonym siłom wielu ekspertów, zaczęło się od prostego pytania: jak działają embriony. Proces rozmnażania wyróżnia się w końcu wielokrotnym podziałem komórek, pytanie skąd komórki wiedzą, gdzie iść i co robić? Procesy chemiczne, magnetyczne, jaki mechanizm stoi za prawidłowym podziałem komórek w odpowiednim miejscu i czasie tak, aby na końcu powstał prawidłowy organizm? Człowiek zaczyna się od pojedynczej komórki, która dzieli się mnóstwo razy. U świerszczy i większości innych owadów, początkowo dzieli się tylko jądro komórkowe, tworząc wiele jąder, które podróżują po wspólnej cytoplazmie i dopiero później tworzą własne błony komórkowe. Naukowcy spędzili mnóstwo czasu starając się rozwikłać wzór tych podróży, wydawało się, że nie były one przypadkowe, ale trudno było dostrzec jakąś uporządkowaną prawidłowość. Aby to sprawdzić biolodzy wyhodowali specjalną odmianę świerszcza, ich jądra komórkowe świeciły fluorescencyjnie na zielono. Następnie badacze nakręcili film przy użyciu mikroskopu z laserowym arkuszem światła, na którym uchwycili pierwsze osiem godzin rozwoju embrionu świerszcza, który jest wielkości około jednej trzeciej ziarnka ryżu. Pokazał on taniec jaki wykonuje około 500 jąder komórkowych, które wytworzyły się w tym czasie, co zostało skrupulatnie poddane pomiarom ich położenia, prędkości i kierunku. Na tym etapie prac zaangażowano matematyków i nowoczesną technologię, co pozwoliło na stworzenie modelu obliczeniowego, który testował i porównywał hipotezy mogące wyjaśnić ruchy i położenie jąder. Dzięki temu udało się wykluczyć przypadkowy ruch oraz odpychanie się jąder od siebie, a także przepływy cytoplazmatyczne występujące u innych owadów. Zamiast tego zespół zaproponował inne wyjaśnienie, według którego za ruch jąder komórkowych w embrionie świerszczy odpowiadają miniaturowe silniki molekularne w cytoplazmie, które rozciągają skupiska mikrotubul pełniących rolę szkieletu komórki i nadając jej kształt. I to właśnie kształt komórki pomógł przewidzieć kierunek, w którym jądro komórkowe będzie się poruszać dążąc do ruchów w otwartej przestrzeni nie zajętej przez inne jądro. Dowodzić tego może pomysłowe urządzenie, dzięki któremu embrion świerszcza został podzielony na dwie części przy pomocy ludzkiego włosa oplecionego dookoła. W jego większej części jądra komórkowe zwolniły, gdy tylko osiągnęły gęstość stłoczenia. Ale kiedy kilka jąder przemknęło przez tunel w zwężeniu, cały proces znów nabrał rozpędu. Według autorów pracy to najsilniejszy dowód na to, że ruch jąder jest regulowany przez geometrię, a nie przez sygnały chemiczne lub przepływy wewnątrz komórki. I co z tego, ktoś powie? Co wynika z wiedzy o ruchach jądra komórkowego w embrionach świerszczy? Powstały dzięki tej pracy geometryczny model obliczeniowy może być użyty do badania innych owadów, a to z kolei może prowadzić do lepszego zbadania historii ewolucji czy różnic między gatunkami. Ale ważnym efektem tego badania jest pokazanie współpracy między biologami, matematykami i informatykami. Dzięki temu nad problemem pochyliło się wiele osób, a każda z nich rzuciła świeże światło na pracę umożliwiając jej powstanie. Optymistyczny z tego wniosek, że współpraca w tworzeniu ciągle jest skuteczna i prowadzi do dobrych efektów, o czym często w dzisiejszych czasach zdajemy się zapominać.

Pozostaniemy w temacie embrionów, ale skoczymy do nieco bardziej zaawansowanych zwierząt, których wkład w naukę również jest nieoceniony. Chodzi o myszy i badanie będące przełomową pracą, mogąca dotknąć człowieka nie tylko od strony biologicznej, ale stawiające również ważne pytania etyczne. Naukowcy z Instytutu Weizmanna w Izraelu wyhodowali pierwsze na świecie sztuczne embriony myszy, które powstały bez użycia wydawałoby się niezbędnych plemników, komórek jajowych i procesu zapładniania. Użyto do tego mechanicznej macicy, w której przez tydzień pielęgnowano mysie komórki macierzyste będące głównym bohaterem tych wydarzeń. W trakcie tego eksperymentu naukowcy odkryli, że są w stanie zmusić mysie komórki macierzyste do zamiany w strukturę przypominającą wczesny embrion. Ten ośmiodniowy model embrionu myszy ma bijące serce, worek płodowy, łożysko, jelito, powstający układ krwionośny i zalążki mózgu. Pod względem ich wewnętrznej struktury i profili genetycznych komórek, embriony te były w 95% takie same jak naturalne embriony myszy, a organy które się wytworzyły działały poprawnie. Oczywiście nadal pozostając syntetycznymi embrionami, z których nie mogły rozwinąć się żywe myszy. Syntetyczny embrion nie jest repliką prawdziwego, nie odtwarza w pełni architektury komórkowej i potencjału rozwojowego zarodków powstałych po zapłodnieniu komórki jajowej przez plemniki. I to z powodu tych różnic naukowcy nie byli w stanie zapewnić syntetycznemu embrionowi rozwoju dłuższego niż ośmiodniowy, pomimo, że ciąża u myszy trwa 20 dni. Być może nasunęło się Wam niepokojące pytanie: skoro z myszami się udało to czy można będzie produkować takie syntetyczne embriony, ale ludzkie? W 2021 roku kilku zespołom badawczym udało się zmusić ludzkie komórki macierzyste do zamiany w blastocystę, balonik zawierający węzeł zarodkowy, z którego po transferze do macicy wytworzy się płód oraz części, które zostaną użyte do produkcji na przykład łożyska. Ale to co dzieje się dalej jest znacznie bardziej skomplikowanym procesem u ludzi niż u myszy. Trzeba tu podkreślić, że wyhodowanie ludzkich syntetycznych embrionów o takiej samej złożoności, jaką udało się osiągnąć u myszy, pozostaje bardzo odległą perspektywą, istnieją też różnice pomiędzy zakazem stosowania tej technologii oraz technologii takich jak klonowanie ludzi w celach reprodukcyjnych. Po co w ogóle podejmować próby wytworzenia syntetycznych ludzkich embrionów? Oczywiście sama obserwacja procesu umożliwia pogłębienie naszej wiedzy na temat rozwoju człowieka, ale może to być także znakomite źródło komódek i tkanek do przeszczepów. Badanie na myszach pokazuje proces, który także u ludzi jest najbardziej narażony na zakłócenia, a mianowicie wczesny etap ciąży. U ludzi wiele ciąż jest traconych właśnie na tym etapie, a my tak naprawdę nie wiemy, dlaczego. Badanie embrionów to w istocie badanie wielu mikroskopijnych komórek, ciężko to robić w macicy podczas naturalnego rozwoju. Posiadanie modeli syntetycznych umożliwiłoby lepsze zrozumienie tego, co może pójść nie tak, a także mogłoby dać wgląd w to, co możemy z tym zrobić. Czy w ogóle hodowla ludzkich embrionów powinna być prawnie dopuszczalna? Różne są podejścia państw, w Australii badania z wykorzystaniem modeli zarodków ludzkich komórek macierzystych wymagałyby uzyskania zezwolenia, podobnego do zezwolenia wymaganego w przypadku wykorzystywania naturalnych zarodków ludzkich, prawo takie funkcjonuje tam od 2002 roku. W Izraelu i wielu innych krajach, takich jak Stany Zjednoczone i Wielka Brytania takie badania są legalne i akceptowalne, ale użycie ich do wywołania ciąży u kobiety byłoby już niezgodne z prawem. Dziś korzystając z rozgłosu jaki dało wyhodowanie mysich syntetycznych embrionów, naukowcy apelują, aby prawo i dyskusja o etyce nadążały za rozwojem nauki, pozwalając na ustalenie co i jak można robić, aby nie przekraczać etycznych granic, umożliwiając przy tym rozwój nauce.

Niektórzy z nas nie wyobrażają sobie rozpoczęcia dnia bez kubka kawy. Inni potrzebują czarnego napoju do pracy czy nauki, ale są i tacy, którzy smakiem kawy dostarczają sobie relaksu i przyjemności. Albo stosują kawę we wszystkich tych przypadkach w ciągu dnia, wyraźnie odczuwając przy tym działanie kawy na ich psychikę. W licznych badaniach wykazano związek między wyższym poziomem spożycia kawy, a niższym ryzykiem samobójstwa i depresji, każde dodatkowe dwie filiżanki kawy dziennie wiązały się z mniejszym o 25% ryzykiem samobójstwa. A przecież coraz więcej dowodów wskazuje na to, że optymizm, szczęście i cel życia wiążą się z mniejszym prawdopodobieństwem pogorszenia stanu zdrowia. Dobre samopoczucie może być związane z wieloma różnymi czynnikami, takimi jak zdrowie także to psychiczne, relacje społeczne i wybory dotyczące stylu życia. Ale w żadnym dotychczasowym badaniu nie oceniano, czy spożywanie kawy może przyczyniać się do zwiększania naszego komfortu psychicznego, wszak wcale nie trzeba mieć depresji, aby nie mieć dobrego samopoczucia. Głównym celem nowego badania było sprawdzenie związku pomiędzy spożyciem kawy, a dwoma powszechnie mierzonymi aspektami komfortu psychicznego - szczęściem i optymizmem. Autorzy pracy wykorzystali dane z dużego amerykańskiego badania pielęgniarek, zostały one pobrane od uczestniczek, które wypełniły kwestionariusze dotyczące szczęścia lub optymizmu, a także zgłosiły spożycie kawy. W przypadku oceny szczęścia, próba obejmowała ponad 44 000 uczestniczek, a w przypadku oceny optymizmu, dane pobrano od ponad 36 000 badanych pielęgniarek. Podawały one ilość spożywanej kawy, poziom samopoczucia psychicznego, szczęścia i optymizmu, swoje zachowania zdrowotne i demograficzne. Całość obejmowała obserwacje trwające 20 lat, więc badano tu długoterminowe efekty jakie mogło by nieść spożycie kawy dla naszego psychicznego samopoczucia. Dla wielbicieli kawy mam dwie wiadomości dobrą i złą. Zła jest taka, że badanie to wykazało bardzo słaby związek między minimalnym spożyciem kawy, a długoterminowym samopoczuciem. Umiarkowane spożycie kawy nie miało znaczącego związku ze szczęściem, natomiast picie czarnego naparu w ilościach przekraczających 4 filiżanki dziennie wiązało się z niższym o 3% poziomem trwałego szczęścia. Umiarkowane picie kawy miało też słaby związek z większym trwałym optymizmem, ale picie kawy rzadko lub bardzo często już takiego związku nie wykazało. Dobra wiadomość jest natomiast taka, że rozsądne spożywanie kawy nie przynosi żadnych widocznych szkód dla naszego psychicznego komfortu, więc czujcie się swobodnie podczas zaparzania kolejnego kubka aromatycznego napoju.

Byle nie przesadzać z jego ilością, kofeina może wszak zaburzać nasz sen, a przez to cały cykl okołodobowy. Leżąc podczas bezsennej nocy i wpatrując się w sufit dopaść cię może wiele negatywnych myśli potęgowanych przez ciemność i stres. Gdy rozum śpi, budzą się demony, a naukowcy ostrzegają, że ludzki umysł nie powinien być budzony po północy. Wiele dowodów wskazuje na to, że ludzki umysł funkcjonuje inaczej, jeśli jest obudzony w nocy. Zarówno ciało jak i umysł człowieka działa w rytmie 24 godzinnego cyklu aktywności, który z kolei wpływa na nasze emocje i zachowanie. I ma to sens również z ewolucyjnego punktu widzenia. W ciągu dnia nasi przodkowie polowali czy walczyli, światło słoneczne wspomagało aktywność, aby nocą jego brak ją ograniczał zapewniając odpoczynek i bezpieczeństwo od czających się w ciemnościach zagrożeń. W nowym badaniu autorzy stawiają nową hipotezę. W ciągu dnia, poziomy molekularne, aktywność neuronów i reakcje są dostrojone do naszego zwykłego zachowania, czuwania, ruchu, jedzenia, interakcji z innymi ludźmi czy otaczającym nas środowiskiem. Gdy nadchodzi noc te parametry są przestawiane do innego zachowania, jakim powinien być wówczas sen. Jeśli snu nie zapewnimy to w nocy negatywne emocje przyciągają naszą uwagę bardziej niż pozytywne, niebezpieczne pomysły stają się bardziej atrakcyjne, a zahamowania znikają. Tę hipotezę zdają się też potwierdzać inne badania. Nielegalne lub niebezpieczne substancje są w większym stopniu przyjmowane przez ludzi w nocy. W 2020 roku badania w nadzorowanym ośrodku konsumpcji narkotyków w Brazylii wykazały prawie 5-krotnie większe ryzyko przedawkowania opioidów w nocy. Także samobójstwa i samookaleczenia są bardzo powszechne w godzinach nocnych, niektóre badania donoszą o trzykrotnie wyższym ryzyku samobójstwa między północą, a 6:00 rano w porównaniu do każdej innej pory dnia. W badaniu autorzy przywołują przykład studenta, który ma zaburzony dobowy cykl ze względu na bezsenność, powodującą negatywny nastrój. Student czuje się odizolowany i samotny, co prowadzi do niekończącej się nawałnicy obsesyjnych wspomnień i myśli na temat wcześniejszych negatywnych doświadczeń w związkach. Te rozpamiętywane wspomnienia szybko i niewłaściwie, uogólniają się na wszystkie związki, tworząc poczucie beznadziejności i rozpaczy. Wówczas, wcześniej niewyobrażalne samobójstwo, pojawia się jako ucieczka od samotności i bólu, a impulsywna decyzja pomija rozważanie jej skutków. Przykład ten pokazuje, jak negatywny afekt, upośledzony osąd i impulsywność podczas nocnego czuwania mogą zwiększyć częstość występowania i atrakcyjność niebezpiecznych pomysłów oraz promować zachowania, których do końca nie kontrolujemy. Autorzy badania twierdzą, że do tej pory nie przeprowadzono żadnych badań, w których sprawdzono, jak brak snu i rytm okołodobowy wpływają na przetwarzanie nagrody przez daną osobę. W związku z tym nie wiemy, jak pracownicy zmianowi, tacy jak piloci czy lekarze, radzą sobie z nietypową rutyną snu. Powodów jego zaburzeń może być mnóstwo od bezsenności poprzez koszmary czy wpływ używek, a tego typu badania mogą nieść ze sobą nowe ustalenia i wytyczne dla przyszłych terapii pozwalających ludziom zaznać spokojnego, relaksującego snu.

I na tym kończymy dzisiejszą audycję, na kolejny odcinek podkastu zapraszam w najbliższą środę, dziękując za dziś życzę Wam relaksującego weekendu, do usłyszenia.