Czy można wyprodukować sztuczną ropę i sztuczne przeciwdziała? Dlaczego sztuczne światło szkodzi roślinom, a głód naszym mózgom? Między innymi o tym opowiem w dzisiejszym odcinku podkastu Naukowo, Arkadiusz Polak, witajcie! Tradycyjnie proszę Was o udostępnienie tego odcinka w social-mediach, aby naukowe nowości dotarły do jak największej ilości słuchaczy i zapraszam do dyskusji na naszym naukowym serwerze Discord - wszystkie linki znajdziecie w opisie tego odcinka.

W podkaście Naukowo często poruszam tematykę ekologii i wpływu różnej działalności człowieka na stan naszej planety. I zwykle są to informacje smutne, negatywne i pokazujące, że starania o odwrócenie szkodliwych procesów i przywrócenie równowagi ekologicznej są niewystarczające lub po prostu ich brak. Dziś spojrzymy na temat bardziej optymistycznie i przyjrzymy się rozwiązaniom proekologicznym, które mogą stać się niezłym biznesem, a przez to być w przyszłości szansą na zeroemisyjną energię.

Temat dotyczy paliw płynnych, które stanowią nie tylko napęd naszych samochodów. To paliwo dla całej gospodarki, produkty petrochemiczne są wykorzystywane do produkcji mnóstwa wyrobów od tekstyliów po nawozy, co odpowiada za 12% światowego zapotrzebowania na ropę naftową. Poszukiwanie zamienników dla paliw płynnych ma długą tradycję i o ile samochody mogą być już napędzane przy użyciu prądu, to trudno sobie wyobrazić samoloty czy statki napędzane za pomocą energii zgromadzonej w bateriach. Także biopaliwa pochodzące z upraw kukurydzy lub trzciny cukrowej nie stanowią alternatywy, ze względu na rosnąca presję na produkcję żywności raczej niemożliwe jest zwiększanie obszarów uprawy roślin z przeznaczeniem na paliwo zamiast na jedzenie. A gdyby tak wyprodukować sztuczną ropę?

Co ważne wyraźnie widać zainteresowanie wielu firm w przekształceniu tego procesu na produkt komercyjny. Amerykańska firma Fulcrum BioEnergy uruchomiła w północnej Nevadzie pierwszą w swoim rodzaju rafinerię, która będzie produkować rocznie 50 mln litrów syntetycznego paliwa wykorzystując do tego 175 tys. ton śmieci.

Opracowany przez chemików, wiele lat temu proces, jest także poddawany modyfikacjom i ulepszeniom. Firma Genifuels, która komercjalizuje hydrotermalne przetwarzanie korzysta z metody opracowanej przez jednostkę Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych. W skrócie, proces działa w ten sam sposób, w jaki powstawały paliwa kopalne, wykorzystując gorący materiał organiczny zazwyczaj odpadowy, do produkcji ropy naftowej i gazu ziemnego.

Podczas gdy naturalny proces chemicznego przekształcania materii organicznej w paliwa kopalne trwa nawet 600 milionów lat, Genifuels może to zrobić w pół godziny. Niezależnie od rodzaju materiału organicznego, jest on przekształcany w zawiesinę składającą się z około 20% suchej masy stałej i 80% wody, która następnie jest poddawana działaniu temperatury wynoszącej zwykle 350°C i ciśnienia 200 barów w szeregu zbiorników i wymienników ciepła. Ogólnie przyjmuje się, że olej uzyskany w procesie hydrotermalnego upłynniania jest najbardziej zbliżony do ropy naftowej spośród wszystkich tego typu procesów.

Kolejna firma LanzaTech, posiadająca już kilka instalacji komercyjnych w Chinach, wykorzystuje zmodyfikowane bakterie beztlenowe produkujące etanol, który jest następnie odwadniany do etylenu, a następnie nasycany w celu wytworzenia paliwa lotniczego. Kolejne projekty są równie obiecujące, powstać ma instalacja w stanie Illinois produkująca paliwo lotnicze w ilości 450 mln litrów rocznie, wykorzystując energię odnawialną i węgiel wychwytywany z atmosfery.

Osoby zaangażowane w rozwój paliw syntetycznych wskazują na potrzebę współpracy nie tylko w zakresie technologii i biznesu, ale także polityki, odpowiednie regulacje mogą przynieść większą ilość inwestycji w ten obiecujący sektor energetyki.

Zmieniając temat przypatrzymy się teraz naszym oczom, które są często nazywane oknami do duszy, a kontakt wzrokowy wpływa na interakcje społeczne, choć w tym temacie więcej jest pytań niż odpowiedzi. Dla jednych kontakt wzrokowy może być oznaką szczerości, dla kogoś innego utrzymywanie takiego kontaktu jest niezręczne, zbyt intymne i niewłaściwe.

Badania ruszyły do przodu, gdy kilka lat temu technologia pozwoliła na skonstruowanie przenośnego rezonansu magnetycznego dzięki czemu można go było użyć do badania naturalnych interakcji między dwoma osobami. Dzięki temu odkryto, że oczy mają uprzywilejowany dostęp do dużych części naszego mózgu. Przede wszystkim bezpośredni kontakt wzrokowy jest połączony z częścią mózgu odpowiedzialną za posługiwanie się językiem i jego odbiór. Widoczne są także oddziaływania na korę somatosensoryczną, która przetwarza dotyk fizyczny, ból i odczucia temperatury.

Inną fascynującą właściwością kontaktu wzrokowego jest synchronizacja źrenic w oczach, a ta z kolei wpływa na nasze poczucie czy rozmowa z drugą osobą jest dla nas ciekawa i nie nudzi nas. Synchronizacja źrenic nie jest stała, lecz zmienia się dynamicznie podczas rozmowy i kontaktu wzrokowego. Rozmawiający ze sobą ludzie nawiązują kontakt wzrokowy, gdy synchronizacja źrenic jest największa. Następnie natychmiast spada i wzrasta ponownie dopiero po przerwaniu kontaktu wzrokowego. Wyniki te sugerują, że kontakt wzrokowy może być kluczowym mechanizmem umożliwiającym koordynację wspólnych i niezależnych sposobów myślenia, dzięki czemu rozmowa może się rozwijać i nabierać spójności, a my możemy wymieniać się pomysłami, doskonalić normy i tworzyć więzi.

Odkrycia takie mogą stanowić obiecujący potencjał w lepszym poznaniu autyzmu, który może wpływać na kontakt wzrokowy i inne zachowania społeczne, także w innych badaniach z zakresu psychologii behawioralnej. Ale stawiają równocześnie kolejne pytania dotyczące tego, jak zmienia się i od czego zależy nasza uwaga podczas rozmowy oraz w jaki sposób umysły angażują się w rozmowę.

A teraz rzucimy nieco światła na światło, które może mieć różne oblicza. Lubimy naturalne oświetlenie, zmieniające barwy w ciągu dnia i w zależności od pogody, próbujemy przenieść je do naszych domów stosując sztuczne oświetlenie o ulubionych dla nas barwach. Urbanizacja, elektryfikacja, wzrost liczby ludności i rozwój społeczno-gospodarczy spowodowały, że po zapadnięciu zmroku sztuczne światło jest niemalże wszędzie, szacunki dotyczące Stanów Zjednoczonych mówią, że około 50% powierzchni kraju jest w nocy oświetlone, nawet w tych miejscach, które są chronionymi siedliskami.

Nowe badanie pokazuje, że nocne oświetlenie jest niekorzystne dla roślin, które wykorzystują światło jako wskazówkę środowiskową dotyczącą lokalizacji, pory dnia i roku oraz otaczającego je środowiska. A to właśnie długość dnia określona przez naturalne cykle światła i ciemności, stanowi dla roślin stały i niezawodny sygnał do rozpoczęcia sezonowych etapów życia, takich jak wypuszczanie liści i kwitnienie.

Sztuczne, nocne światło może wpływać na rośliny poprzez zmianę postrzegania przez nie długości dnia i zakłócanie rytmów okołodobowych. Wyniki doświadczeń laboratoryjnych wykazały, że nawet niewielka ilość sztucznego światła powoduje szeroki zakres reakcji na nie w tym pobudzenie kwitnienia i przyspieszenie wzrostu wegetatywnego. Wykorzystując obserwacje satelitarne naukowcy zaobserwowali przyspieszone o tydzień wiosenne zawiązywanie pąków i opóźnione o 13 do 22 dni jesienne starzenie się roślin narażonych na nocne oświetlenie. I chodzi tu nie tylko o bezpośredni wpływ światła pochodzący z oświetlenia domowego, architektonicznego, reklam czy latarni miejskich. Na zachowanie roślin może potencjalnie wpływać także rozproszone światło o niskiej intensywności, pochodzące z poświaty nieba lub świateł pojazdów.

W nowej analizie naukowcy skupili się na dwóch etapach życia roślin: pękaniu pąków liściowych wiosną i wybarwianiu się liści jesienią. Badanie wykazało, że ekspozycja na nocne sztuczne światło może dostarczać roślinom mylnych wskazówek i powodować fałszywe wrażenie wydłużenia dnia, przesuwając w ten sposób początek i czas trwania faz życia roślin. Stwierdzono, że jesienne starzenie się liści jest bardziej wrażliwe na długość dnia niż wiosenne. Taka wrażliwość zmienia się także w zależności od szerokości geograficznej - gatunki żyjące na niższych szerokościach są prawdopodobnie mniej zależne od długości dnia niż gatunki żyjące na wyższych szerokościach, ze względu na małą sezonową zmienność oświetlenia.

Badanie wskazuje, że konsekwencje tego procesu mogą odczuć bezpośrednio ludzie, bowiem rosnący poziom nocnego oświetlenia wraz z rosnącą temperaturą może stać się przyczyną wydłużenia sezonu wegetacyjnego na całym świecie, a to może zwiększyć ryzyko przymrozków dla roślin i spowodować niedopasowanie do czasu pojawienia się innych organizmów na przykład zapylaczy.

Zmiany w sezonie wegetacyjnym mogą również wpłynąć na czas trwania i nasilenie sezonu pylenia, bo wcześniejszy początek wiosny wydłuża sezon pylenia, podczas gdy późniejszy początek zwiększa stężenie pyłku ze względu na jednoczesne kwitnienie. Te zmiany w sezonie pylenia prawdopodobnie zwiększą ryzyko alergii pyłkowych u ludzi.

Jednak zmiany w cyklach życia roślin, zwłaszcza w pobliżu lub na obszarach miejskich, mogą również zapewnić także korzyści ekosystemowe. Dłuższy okres wegetacyjny może przyczynić się do zwiększonego usuwania dwutlenku węgla z atmosfery, trwałego tworzenia chłodniejszych mikroklimatów, które mogą pomóc w łagodzeniu efektu miejskiej wyspy ciepła, a także zacienienia budynków i zmniejszenia obciążenia związanego z zużyciem energii na chłodzenie. Dochodzić może także do spowolnienia odpływu wody deszczowej i poprawy jakości powietrza. Ponadto, jeśli rośliny rolnicze są pod wpływem sztucznego oświetlenia w nocy uprawy mogą mieć wyższą produktywność, zwłaszcza w miastach, gdzie rolnictwo jest powiązane ze środowiskiem zabudowanym.

Stale rosnący poziom sztucznego, nocnego światła może mieć znaczące i dalekosiężne konsekwencje w postaci zakłócenia kluczowych funkcji ekosystemu i procesów ekologicznych, a to z kolei ma istotny wpływ na zdrowie i dobrostan ludzi. Temat ten wymaga interdyscyplinarnego podejścia ekologów, którzy muszą współpracować z urbanistami, inżynierami i architektami w celu wdrożenia polityki i praktyk uwzględniających wpływ sztucznego światła na rośliny i zwierzęta.

O tym jaki wpływ na mózg ma głód powie nam kolejne badanie. Mimo że mózg człowieka stanowi mniej niż 2% masy ciała, zużywa on około 20% całkowitej ilości spożywanych kalorii, z czego 50% energii zużywa kora mózgowa. Pobór energii nie jest stały, ale może się znacznie różnić w zależności od osoby, środowiska i czasu. Ale co dzieje się w mózgach ludzi, którzy cierpią na niedobór żywności, czy ograniczają one swoje działanie i wyłączają jakieś funkcje, tak jak w laptopie, który pozbawiony zasilania z sieci, ogranicza swoją wydajność, aby oszczędzać energię zgromadzoną w baterii?

Biorąc pod uwagę, że mózg jest ograniczony energetycznie, jedna z hipotez głosi, że w czasach niedoboru pożywienia sieci neuronalne powinny oszczędzać energię poprzez ograniczenie przetwarzania informacji. Istnieją pewne dowody sugerujące, że tak właśnie jest u bezkręgowców na przykład u muszek owocowych pozbawienie pokarmu skutkuje wyłączeniem pamięci długotrwałej, a gdy badacze sztucznie zmusili ten proces do aktywacji i tworzenia wspomnień, głodujące muszki umierały znacznie szybciej - co sugeruje, że wyłączenie tego procesu oszczędzało energię i chroniło ich życie.

U ludzi komórki mózgowe są uzależnione przede wszystkim od stałych dostaw glukozy, którą przekształcają w adenozynotrójfosforan w skrócie ATP, który napędza mózg. Nasuwa się zatem pytanie czy mózg może mieć swój własny rodzaj trybu niskiego poboru energii w sytuacjach awaryjnych, gdy dostawy energii są ograniczane lub brak ich w ogóle.

W nowym badaniu naukowcy wykorzystali myszy i ich układ wzrokowy do zbadania, w jaki sposób ograniczenie pożywienia wpływa na kodowanie informacji i zużycie energii w sieciach korowych mózgu. Odkryto, że kiedy myszy były pozbawione wystarczającej ilości pożywienia przez kilka tygodni tak, by straciły 15%-20% swojej typowej zdrowej wagi, neurony w korze wzrokowej zmniejszały ilość ATP zużywanego w synapsach aż o 29%.

Takie ograniczenie w zużyciu energii miało swoje konsekwencje, bowiem upośledzało on sposób, w jaki myszy postrzegały szczegóły świata. Ponieważ neurony pracujące w trybie niskiego poboru mocy mniej precyzyjnie przetwarzały sygnały wizualne, myszy z ograniczeniami ilości jedzenia gorzej radziły sobie z trudnym zadaniem wizualnym.

Jeśli przy wykonywaniu jakiegoś zadania poczuliście głód to wasza uwaga rozpraszała się, motywując do szybszego znalezienia czegoś do jedzenia. I ma to potwierdzenie w badaniach, obrazy jedzenia wywołują silniejsze reakcje w niektórych obszarach mózgu, gdy badani są głodni, niż po zjedzeniu posiłku. Ale co się dzieje po więcej niż tylko kilku godzinach głodu? Naukowcy starali się odpowiedzieć na pytanie czy mózg może mieć sposoby na oszczędzanie energii poprzez ograniczanie najbardziej energochłonnych procesów.

Neurony mogą wysłać impuls dopiero wtedy, gdy ich wewnętrzne napięcie osiągnie próg krytyczny, co uzyskują poprzez wpompowanie dodatnio naładowanych jonów sodu do wnętrza komórki. Jednak po wystąpieniu impulsu neurony muszą wypompować wszystkie jony sodu z powrotem. Neurobiolodzy uważają ten mechanizm za jeden z najbardziej energochłonnych procesów zachodzących w mózgu. Neurony myszy pozbawionych pożywienia zmniejszyły natężenie prądu elektrycznego przepływającego przez ich błony oraz liczbę jonów sodu wchodzących do nich, dzięki czemu nie musiały poświęcać tyle energii na wypompowywanie jonów sodu z powrotem po aktywności. Ale każde działanie niesie za sobą jakiś koszt w tym przypadku reakcje neuronów kory wzrokowej u myszy były mniej precyzyjne, konsekwencją oszczędzania energii był obraz świata o nieco niższej rozdzielczości.

Co więcej wydaje się, że naukowcy znaleźli przełącznik uruchamiający ten proces. Jest nim leptyna, czyli hormon sytości, białko zmniejszające apetyt i uczucie głodu. Ponieważ leptyna jest uwalniana przez komórki tłuszczowe, naukowcy uważają, że jej obecność we krwi prawdopodobnie sygnalizuje mózgowi, że zwierzę znajduje się w środowisku, w którym jest pod dostatkiem jedzenia i nie ma potrzeby oszczędzania energii. Badanie sugeruje, że niski poziom leptyny alarmuje mózg o niedożywionym stanie organizmu, przełączając go w tryb niskiego poboru mocy.

Wiemy zatem, że ssaki mogą włączyć mechanizm oszczędzania energii w neuronach kory wzrokowej, ale naukowcy podejrzewają, że mechanizm ten może w różnym stopniu występować również w innych obszarach kory mózgowej, a mózgi nadają priorytety funkcjom, które są najbardziej krytyczne dla przetrwania, dostosowując się na bieżąco.

Pojawiają się zatem nowe pytania, będące obiektem przyszłych badań. Czy głód może powodować, że poszczególne osoby postrzegają świat w nieco inny sposób? Czy różne poziomy hormonów we krwi mogą mieć wpływ na percepcję wzrokową u ludzi? Jak takie procesy wpływają na zdolność do uczenia się i zapamiętywania? I w końcu czy procesy zaobserwowane u myszy i innych zwierząt przenoszą się bezpośrednio na działanie mózgu człowieka?

Tak jak na dziecko przenosi się dobroczynny wpływ mamy. Noworodki zaraz po urodzeniu są bowiem chronione przed bakteriami i wirusami nie przez własne składniki układu odpornościowego, a te które przekazuje im matka. Dopiero z czasem nabywają własną odporność zarówno dzięki ekspozycji na otaczające je patogeny, ale także wspierane przez liczne szczepionki. Zapobieganie śmierci i niepełnosprawności z powodu różnych chorób zakaźnych mogłoby być wzmocnione, gdyby medycyna była w stanie naśladować wzmocnione przeciwciała, które wytwarzają przyszłe matki, aby stworzyć nowe leki i ulepszone szczepionki.

Nowe badanie dostarcza zaskakujących wyjaśnień na temat tego, jak te wczesne dni odporności zapewnianej przez matkę faktycznie działają. Przez wiele lat naukowcy uważali, że przeciwciała nie mogą dostać się do wnętrza komórek, ponieważ nie mają odpowiednich narzędzi by to zrobić. W związku z tym terapie oparte na przeciwciałach były nieskuteczne w przypadku infekcji wywołanych przez patogeny, które żyją wyłącznie wewnątrz komórek.

Ale ciąża zmienia strukturę niektórych cukrów dołączonych do przeciwciał. Zmiana formy kwasu sialowego czyli jednego z cukrów przyłączonych do przeciwciał umożliwia immunoglobulinie G - najbardziej rozpowszechnionemu rodzajowi przeciwciała w organizmie - pełnienie rozszerzonej roli ochronnej poprzez stymulowanie odporności za pośrednictwem receptorów reagujących na tę zmianę.

Proces jest skomplikowany, zmiany subtelne, ale naukowcom udało się ustalić który enzym jest odpowiedzialny za tę zmianę. Dzięki temu wyprodukowano setki przeciwciał monoklonalnych czyli takich, które potrafią precyzyjnie rozpoznawać określone typy komórek, ignorując wszystkie inne. Przeciwciała te mogą służyć jako potencjalne leki na różne schorzenia, w tym raka, astmę, stwardnienie rozsiane, a także trudne do pokonania infekcje bakteryjne i wirusowe na przykład COVID-19.

Co więcej badanie to pokazuje, że ten molekularny przełącznik utrzymuje się u matek karmiących, dzięki czemu przeciwciała o zwiększonym zakresie ochronnym są również przekazywane dzieciom przez mleko matki. Pod jednym warunkiem, że przyszła mama otrzymała wszystkie dostępne szczepionki przeciwko infekcjom, które są szczególnie widoczne u kobiet w czasie ciąży lub u noworodków, ponieważ odporność musi istnieć w matce, aby mogła się przenieść na nowe życie.

A nowy odcinek podkastu Naukowo usłyszycie już w najbliższą sobotę, dziś dziękuję Wam za uwagę i do usłyszenia!