Dzieńdoberek, zapraszam Was na dwunasty odcinek podkastu Naukowo, nazywam się Arkadiusz Polak i opowiem Wam o tym, dlaczego kaczki śpią z jednym okiem otwartym, dlaczego czas istnieje, jakie było największe trzęsienie ziemi i co siedzi we wnętrzu naszych ust. A jeśli audycja Wam się podoba i chcielibyście wesprzeć mnie finansowo abym mógł dalej prowadzić i rozwijać podkast to zapraszam do serwisu Patronite - www.patronite.pl/naukowo, za każdą cegiełkę bardzo dziękuję, podobnie jak za udostępnianie i lajkowanie podkastu w mediach społecznościowych - to dla mnie ogromna pomoc! Zaczynamy!

Sen podobnie jak oddychanie czy odpowiednie nawodnienie, jest nam niezbędny do życia. Ale sam sen jest bardzo skomplikowaną czynnością, przynosi rożne efekty fizjologiczne. Jednym z nich jest paraliż całego ciała za wyjątkiem mięśni oddechowych i gałek ocznych - stan taki występuje fizjologicznie podczas snu i zapobiega wykonywaniu przypadkowych ruchów ciała. Pojawia się zwykle, gdy nasz sen wejdzie w fazę REM, śnimy wtedy najintensywniej, a paraliżując mięśnie organizm zapobiega naszej odruchowej ucieczce przed senną marą, ogranicza nasze ruchy dla naszego własnego bezpieczeństwa. Ale również dla naszego bezpieczeństwa nasz mózg wcale nie śpi całkowicie. Tryb czuwania podczas snu widać mocno u niektórych gatunków kaczek. Otóż śpią one w połowie, mając jedno oko otwarte i śpiąc tylko połową mózgu. Taki sen nazywany jest jednopółkulowym snem wolnofalowym i występuje u wielu zwierząt. Ssaki morskie potrafią jednocześnie spać i wynurzać się na powierzchnię, aby zaczerpnąć powietrza. Istnieją poszlakowe dowody na to, że niektóre ptaki śpią w ten sposób w locie podczas migracji, aby jak najrzadziej lądować, a kaczki krzyżówki grupując się w stadzie wypatrują tak zagrożeń w postaci drapieżników. Postępy w nauce o śnie pokazują, że ludzki mózg również monitoruje otoczenie podczas snu. Ponieważ nasze oczy są wtedy zamknięte, takie czuwanie musi opierać się głównie na słuchu. Nasz mózg nie ma wówczas łatwo, ponieważ musi ignorować niektóre dźwięki otoczenia. Nie chcemy, aby budził nas odgłos cykającego zegara, deszcz uderzający o szyby lub ruchy osoby, która śpi obok. Równocześnie mózg musi być na tyle czujny, aby usłyszeć i zidentyfikować dźwięki, które mogą stanowić dla nas zagrożenie i natychmiast nas obudzić. Nowe badanie, sugeruje, że jednym ze sposobów, w jaki mózg rozróżnia dźwięki bezpieczne od potencjalnie niebezpiecznych, jest odmienna reakcja na znajome i nieznane głosy. 17 ochotników spędziło noc z elektrodami elektroencefalografu na głowie, a badacze przez całą noc odtwarzali im nagrania dźwiękowe, na tyle cicho, by ich nie obudzić. W nagraniach głos czytał głośno imiona, w tym imię ochotnika i innych osób. Czasami głosem tym była osoba znana ochotnikom, np. ich rodzic lub partner, a czasami był to głos obcy. Badacze wykryli mocne fale w zapisie EEG, które pojawiają się, aby powstrzymać człowieka przed obudzeniem się, jeśli zakłócenie snu jest prawdopodobnie nieszkodliwe. Nieznane głosy wywoływały więcej takich reakcji niż głosy znane. A zatem mózg musi wykazać większą aktywność, aby tłumić te bodźce, które uważa za bardziej niebezpieczne. Co ciekawe, różnica w reakcji między znajomymi i nieznanymi głosami zniknęła w drugiej połowie nocy. Może to świadczyć o tym, że mózg uczy się, że nieznany wcześniej głos nie jest zagrożeniem. Nieznane głosy wywoływały również więcej mikrowybudzeń niż głosy znajome. Mikrowybudzenia są normalną częścią snu i pojawiają się w zapisie EEG jako krótkie połączenie aktywności mózgu przypominającej zarówno sen jak i czuwanie. Mogą trwać kilka sekund, ale zazwyczaj nie prowadzą do całkowitego przebudzenia. Wcześniejsze badania wskazywały, że mikrowybudzenia mogą odgrywać rolę w przetwarzaniu informacji z otoczenia w celu określenia, czy stanowią one zagrożenie, czy nie. To bądź co bądź niewielkie badanie, wskazuje, że mózg podczas naszego snu ciągle analizuje nasze otoczenie nawet gdy głęboko śpimy i jest w stanie podjąć natychmiastową decyzję czy nas obudzić czy pozwolić nam dalej słodko spać. A odgłosy, które na stałe występują w otoczeniu, w którym śpimy są segregowane i używane do podjęcia takiej decyzji. Badanie może również tłumaczyć, dlaczego niektórym z nas ciężko się śpi w nowym środowisku, poza własnym łóżkiem. I pokazuje, że nasz mózg jest naszym wartownikiem nawet wtedy, gdy podaje nam marzenia senne.

W przeciwieństwie do nas Ziemia nie śpi nigdy, choć czasem i w jej historii budzą się demony. Jednym z nich są na pewno trzęsienia ziemi i tsunami, które należą do najbardziej katastrofalnych wydarzeń, jakie dotykają społeczności ludzkie. To w takich chwilach cywilizacja ludzka jest wystawiana na próbę, a natura sprawdza nasze przystosowanie do środowiska i zdolności do obrony. Szczególnie społeczności nadmorskie i wyspiarskie są narażone na takie naturalne zagrożenia, dotykając nie tylko ludzi, ale także infrastrukturę i zasoby, z których ludzie korzystają. Nauka pomaga w ocenie ryzyka sejsmicznego i ostrzega przed tsunami, badania nad tymi zjawiskami mają krytyczne znaczenie dla rosnącej liczby ludności na świecie, która jest coraz bardziej narażona na działanie aktywnych granic tektonicznych. Szacuje się, że od początku tego tysiąclecia życie w największych trzęsieniach ziemi straciło około 700 000 osób. Takie kataklizmy zachodzą na skutek ocierania się o siebie i pękania dwóch płyt tektonicznych, czyli fundamentów, na których opierają się lądy i morza. Najsilniejszy wstrząs tektoniczny odnotowany w dotychczasowej historii pomiarów sejsmicznych to trzęsienie ziemi, które nawiedziło południowe Chile 22 maja 1960 roku i miało magnitudę 9,5. Tak olbrzymi wstrząs wywołał falę tsunami, która pokonując cały Pacyfik dotarła, aż na Hawaje oddalone od epicentrum o 10 000 km. Łącznie zginęło wówczas 1655 osób, a ponad 2 mln osób zostało bez dachu nad głową. Nowe badania wykazały, że w północnym Chile miało miejsce jeszcze jedno gigantyczne trzęsienie ziemi. Kataklizm miał miejsce 3800 lat temu, magnitudę około 9,5, a powstałe w jego wyniku tsunami uderzyło w kraje tak odległe jak Nowa Zelandia, gdzie głazy wielkości samochodów zostały przeniesione przez fale prawie kilometr w głąb lądu. Dowody wskazujące na tak ogromne trzęsienie ziemi znaleziono nawet na pustyni Atacama w Chile w postaci osadów morskich i śladów wielu stworzeń, które mogły żyć w morzu, zanim zostały wyrzucone daleko w głąb lądu przez gigantyczne fale. Wiadomo, że ze względu na stabilność, bogactwo i przewidywalność zasobów morskich, społeczności ludzi zamieszkują tamte rejony nieprzerwanie od ponad 12 tys. lat, skutecznie przystosowując się do tego ekstremalnego środowiska, pomimo zmian środowiskowych i skutków epizodycznych katastrof, powszechnych na pacyficznym wybrzeżu Ameryki Południowej. Niestety ówczesne społeczności nie były przygotowane na tak ogromną katastrofę, głównie dlatego, że potężne trzęsienia ziemi i tsunami występują stosunkowo rzadko z ludzkiej perspektywy czasu. Co więcej, współczesne badania wykazują, że społeczności dotknięte katastrofami społeczno-naturalnymi chcę szybko zamazać wspomnienia dotyczące tych wydarzeń, co zwiększa ich podatność na przyszłe zagrożenia. A skutki tego starożytnego kataklizmu były potężne, podczas wykopalisk na stanowiskach archeologicznych znaleziono kamienne budowle zniszczone przez fale, leżące pod osadami naniesionymi przez tsunami. Niektóre ze ścian przewróciły się w kierunku morza, najprawdopodobniej pod wpływem silnych prądów wstecznych tsunami. Miejscowa ludność została bez niczego, nastąpił ogromny przewrót społeczny i pomimo, że podstawą pożywienia były wówczas dary morza to społeczności przeniosły się w głąb lądu. Upłynęło ponad 1 000 lat, zanim ludzie powrócili do życia na wybrzeżu, jest prawdopodobne, że tradycje przekazywane z pokolenia na pokolenie wzmacniały strach przed niszczycielskimi tsunami i zniechęcały do powrotu bliżej wody. Jakie korzyści z takich badań odnotowujemy dziś? Przyczyniają się one do polepszenia zasad oceny zagrożenia, sugerują potrzebę zwiększenia ilości naukowych badań w celu poprawy i wspierania zarządzania zagrożeniami i klęskami żywiołowymi w przyszłości. Trzeba tu podkreślić fakt, że wyspy południowego Pacyfiku były niezamieszkane, gdy 3800 lat temu ucierpiały w wyniku gigantycznego tsunami. Obecnie są one dobrze zaludnione, a wiele z nich jest popularnymi miejscami turystycznymi, więc jeśli następnym razem dojdzie do podobnego zdarzenia, konsekwencje mogą być katastrofalne. Warto więc wyciągać wnioski z przeszłości, nawet odległej, zwłaszcza, że rozwój nauki bardzo w tym pomaga.

Z głębin ziemi przenosimy się teraz w odległe zakątki kosmosu, opowiem o równie gigantycznych zjawiskach, które choć zachodzą w gwiazdach to mają bezpośredni wpływa na otaczający nas świat. Białe karły, bo o nich będzie mowa, to umierające gwiazdy o masach mniejszych niż 2 masy Słońca. Nie są to duże obiekty, rzędu rozmiarów Ziemi, ale o gigantycznej gęstości rzędu 108 gramów na centymetr sześcienny i temperaturze na powierzchni sięgającej nawet do 150 000°K. W białych karłach nie zachodzą już procesy jądrowe, bo paliwo zostało już zużyte, a jedynym źródłem wysyłanej przez nie energii jest proces stygnięcia, który może trwać od kilkuset milionów do kilku miliardów lat. Wiele z nich jest gwiazdami pulsującymi lub składnikami różnych typów układów podwójnych. Zmniejszone ciśnienie po ustaniu reakcji termojądrowych we wnętrzu sprawia, że obiekt zapada się pod własnym ciężarem. Jeśli taki biały karzeł znajduje się w układzie podwójnym, to może kraść materię z sąsiadującej gwiazdy i wówczas wybucha jako nowa rozsiewając po kosmosie masywne pierwiastki. Ale gdy samotny biały karzeł nie ma skąd brać dodatkowej energii jego temperatura zmniejsza się, aż przestaje być widoczny – staje się czarnym karłem. Czas stygnięcia białego karła jest szacowany jako dłuższy niż obecny wiek Wszechświata, forma taka prawdopodobnie jeszcze nie istnieje. Nawet gdyby czarne karły istniały, byłyby bardzo trudne do wykrycia, ponieważ z założenia emitują bardzo mało promieniowania, a jedyna szansa na ich wykrycie to ich oddziaływania grawitacyjne. Nowe badanie odkryło nieznany wcześniej typ eksplozji na powierzchni białych karłów, naukowcy odkryli i zidentyfikowali po raz pierwszy coś, co nazywali mikronową. Niech Was nie zwiedzie jednak słowo mikro użyte tutaj, te eksplozje w ciągu kilku godzin spalają dziesiątki do setek kwintylionów kilogramów materii gwiezdnej. Takie rozbłyski są jednak zbyt małe, aby mogły być uznane za supernowe, które są znacznie potężniejsze i bardziej długotrwałe - mają około jednej milionowej siły wybuchu nowej, stąd nazwa mikronowa. Podczas tych wybuchów jasność gwiazdy wzrasta ponad trzykrotnie w czasie krótszym niż godzina i zanika po około dziesięciu godzinach. Może to tłumaczyć niewyjaśnione dotąd szybkie wybuchy w układach podwójnych obserwowane kilkukrotnie w ciągu ostatnich 40 lat.

Bo w końcu jedną z podstawowych cech nauki jest tłumaczenie otaczającego nasz świata czy procesów zachodzących w naszych organizmach. Dlatego holenderscy naukowcy przyjrzeli się naszej jamie ustnej, aby wyjaśnić, dlaczego rany wewnątrz niej goją się zdecydowanie szybciej niż zranienia na skórze. Okazało się, że sprawa jest złożona i zależy od wielu rożnych czynników. Wiemy, że niezależnie od rodzaju tkanek proces gojenia się rany przebiega w kliku podstawowych etapach. Po pierwsze organizm tamuje krew i zapobiega jej wypływaniu z naczyń krwionośnych. Następnie dochodzi do zapalenia tkanek, co ma głownie na celu usunięcie czynnika chorobotwórczego. Następnym etapem jest proliferacja, czyli nic innego jak gwałtowne i bujne mnożenie się i rozprzestrzenianie komórek. Końcowym etapem jest przebudowa, która prowadzi do znacznego zwiększenia wytrzymałości mechanicznej rany. Wytrzymałość rany po 1 tygodniu od zranienia stanowi 3% wytrzymałości zdrowej skóry. Po 3 tygodniach, kiedy faza przebudowy zaczyna dominować, wytrzymałość rany stanowi 20% wytrzymałości skóry, a już po trzech miesiącach rana będzie miała 80% wytrzymałości normalnej skóry. Przebudowa może trwać do 12 miesięcy od urazu, chociaż blizny nigdy nie osiągają poziomu 100% wytrzymałości zdrowej skóry. I wszystkie te procesy zachodzą znacznie szybciej w błonie śluzowej jamy ustnej niż w innych częściach ciała. I to, pomimo że jest ona stale narażona na ruch, napięcie, mechaniczne ścieranie i dużą różnorodność bakterii i wirusów. Dlaczego? Chociaż skóra i błona śluzowa jamy ustnej są zasadniczo podobne pod względem budowy i funkcji, istnieją różnice, na przykład nabłonek jamy ustnej jest generalnie grubszy w porównaniu ze skórą, ponieważ zarówno błona śluzowa podniebienia, jak i policzka składa się ze znacznie większej liczby warstw komórkowych. Uważa się też, że w ustach jest więcej naczyń krwionośnych niż w skórze. Infekcja rany spowodowana przez drobnoustroje patogenne znacznie opóźnia gojenie się rany, ale stwierdzono, że poprawna zawartość drobnoustrojów w ustach ma pozytywny wpływ na gojenie, na przykład niektóre gronkowce mogą hamować stan zapalny. Bardzo ważna jest tu nasza bogata w białka ślina, która nie tylko w naturalny sposób zapewnia wilgotne środowisko w jamie ustnej podczas gojenia się ran, ale także zawiera niezliczoną ilość peptydów i białek, takich jak czynniki wzrostu, Ślina odgrywa też główną rolę w utrzymaniu równowagi mikrobiologicznej w ustach i skraca czas krzepnięcia krwi. W ustach zauważono też szybszy napływ komórek układu odpornościowego do uszkodzonego obszaru, które wnikają do zranionego miejsca i odgrywają kluczową rolę w zwalczaniu inwazji drobnoustrojów. Wcześniej wyszkolony przez mikroby układ odpornościowy może szybciej i skuteczniej pobudzić stan zapalny po zakażeniu patogenem, a przez to poprawić gojenie się rany. Początkowe obkurczanie rany może być skutecznym sposobem na zmniejszenie jej rozmiaru, a tym samym na zmniejszenie ryzyka zakażeń. Ale w ogólnym spojrzeniu obkurczanie jest dużym minusem, ponieważ skutkuje sztywniejszą tkanką blizny, zmniejszoną wytrzymałością na rozciąganie i potencjalnie prowadzi do ograniczenia ruchów co w jamie ustnej służącej do spożywania pokarmów nie jest zbyt pożądane. Ale i tu organizm sobie radzi i ekspresja pewnych genów jest wyższa w ustach w porównaniu z komórkami skóry, co może tłumaczyć szybsze i pozbawione blizn gojenie się ran w jamie ustnej. Dzięki zrozumieniu mechanizmów gojenia się ran w ustach, możliwe będzie uzyskanie wiedzy na temat tego, jak doprowadzić do zmniejszenia blizn na skórze, a nawet do całkowitej regeneracji tkanek po zagojeniu się rany wraz z upływającym czasem.

Ale co w przypadku, gdy czas nie istnieje? Gdy jest tylko wytworem ludzkiej myśli i odczucia, a w rzeczywistości w ogóle go nie ma? Ostatnie stulecie przyniosło nam wiele odkryć, ale dwa z nich są szczególnie ważne i niosą ze sobą konsekwencje dla postrzegania przez nas czasu. Te dwie teorie fizyczne to ogólna teoria względności i mechanika kwantowa. Dodam tu od razu, że słowo teoria to nie to samo co hipoteza. Te fizyczne teorie to nie hipotetyczne domysły, są one udowodnione eksperymentalnie, a ich prawdziwość dostrzegalna jest przez nas na co dzień. Słowo teoria należy tu raczej traktować jako opis i wyjaśnienie istniejących zjawisk, a nie jako nieudowodnioną jeszcze tezę. Polski język jest tu nieprecyzyjny i może powodować nieporozumienie w przedstawianiu teorii fizycznych. Wracając do tematu - mechanika kwantowa opisuje działanie zjawisk w niewiarygodnie maleńkim świecie cząstek elementarnych, atomów i ich oddziaływań, opisując na przykład czym jest światło, z czego jest zbudowana otaczająca nas materia, a więc także my sami. Wyjaśnia także czym jest przewodnictwo prądu lub magnetyzm. Drugie wielkie osiągnięcie nauki to ogólna teoria względności, która opisuje grawitację i ruch obiektów. Podstawową ideą teorii względności jest to, że wszelki ruch określa się i mierzy względem innych określonych układów odniesienia. Skutkiem tej teorii jest to, że nie ma jednego czasu uniwersalnego dla każdego z nas, że czas rejestrowany przez zegar zależy od jego ruchu podczas przemieszczania się we wszechświecie. Oznacza to również, że czas płynie wolniej, gdy poruszamy się szybko, czyli że bliźniak wyruszający w kosmos będzie starzał się wolniej niż jego rodzeństwo, które pozostało na Ziemi. Co więcej takie postrzeganie czasu musi być brane pod uwagę w codziennych czynnościach i ma znaczenie na przykład, gdy korzystacie z nawigacji w samochodzie. Ponieważ czas płynie inaczej dla Twojego smartfonu tu na Ziemi i inaczej dla satelity GPS krążącego po orbicie to należy te różnice uwzględnić. Każdy satelita jest wyposażony w swój własny zegar atomowy, tak dokładny, że traci mniej niż jedną sekundę co dziesięć miliardów lat. Gdyby zegar na pokładzie satelity GPS był niedokładny nawet o ułamek sekundy, to mógłby pokazać naszą pozycję z ogromnym błędem, a cały system GPS byłby niemożliwy do użycia. Fizycy bardzo by chcieli połączyć te dwie, sprzeczne zarówno ze sobą jak i z intuicją, teorie. Szukają nowych wyjaśnień, świętego Grala fizyki, nowej, bardziej ogólnej teorii kwantowej grawitacji. Miałaby ona wykorzystywać mechanikę kwantową i ogólną teorię względności i wyjaśniać, w jaki sposób grawitacja w skali makro działa w miniaturowej skali cząsteczek. Wiele nowych hipotez wydaje się w ogóle eliminować czas jako podstawowy aspekt rzeczywistości. Ale przecież czas jest rozpoznawany przez naszą świadomość i nasze rozumowanie. Wiemy, że biegnie w jednym kierunku, zawsze dąży do entropii, czyli chaosu. Gdy zbudujesz na plaży zamek z piasku i zostawisz go samemu sobie to czas spowoduje, że rozłoży się on na pojedyncze ziarnka piasku i z budowli nie zostanie nic. Ale choćbyśmy nie wiem jak długo czekali to nie nastąpi taka sytuacja, że z pojedynczych ziaren piasku pod wpływem czasu powstanie zamek. Ta bardzo liniowa koncepcja czasu jest postrzegana jako jedno z najważniejszych praw w całej fizyce. Einstein udowodnił w swojej teorii względności, że czas i przestrzeń łączą się ze sobą w bardzo precyzyjny sposób, tworząc czasoprzestrzeń, która jest miarą absolutną, wykorzystywaną do określenia, jak oddziałują na siebie różne procesy fizyczne w różnych miejscach. Wiemy też, że żadna informacja nie może podróżować szybciej niż z prędkością światła. Każdy punkt czasoprzestrzeni jest ograniczony w sposobie, w jaki może komunikować się z innymi obszarami czasoprzestrzeni. Zatem idea, że czasu nie ma i że wszystko dzieje się jednocześnie, jest sprzeczna z wynikami, które opracował Einstein. Powinniśmy więc traktować czas jako wielkość podstawową i rzeczywistą, a to że fizycy niekoniecznie w pełni rozumieją pojęcie takie jak czas, nie oznacza, że należy twierdzić, iż nie rozumieją oni czasu w ogóle lub że uznali całą koncepcję za nieistniejącą. Z całą pewnością tak nie jest.

Czas jedenastego odcinka właśnie dobiega końca, na kolejny zarezerwujcie sobie czas w najbliższą sobotę. Wszystkie źródła użyte do stworzenia audycji znajdziecie w opisie, a na stronie naukowo.net znajdziecie archiwalne odcinki i transkrypcję do każdego z nich. Dziękuję Wam za uwagę i do usłyszenia!