Chemik Jan Storch z Ústavu chemických procesů Akademie věd České republiky se zaměřuje na hybridní organicko-anorganické materiály. Jeho výzkum usnadňuje detekci chirálních molekul, které jsou klíčové v mnoha biologických a chemických procesech, kde různé zrcadlové formy mohou mít odlišné vlastnosti a účinky. Výsledky také přispívají k rozvoji pokročilých technologií v optice a elektronice. Jeho výzkum podpořila Grantová agentura České republiky (GA ČR).
Důležitým směrem výzkumu v oblasti chemie a materiálových věd je využití nanostruktur a kovových povrchů, které dokáží vytvářet plazmony. Plazmony si můžeme představit jako vlny na hladině vody, které vznikají, když do ní hodíte kámen. Voda se při tvorbě vln pohybuje jako celek, jednotlivé molekuly neputují s vlnou, ale předávají si energii. A stejně tak oscilují i elektrony v kovu a společně vytvářejí plazmony.
Plazmony mohou být vybuzeny fotony (světlem), a naopak mohou fotony samy generovat. Podobně mohou být vlny na vodě vybuzeny větrem nebo vhozením kamene, a naopak mohou interagovat s dalším prostředím na hladině. Hlavní rozdíl mezi těmito jevy je, že plazmony jsou kvazičástice v pevné látce, zatímco vlny na vodě představují mechanické vlnění na povrchu kapaliny. Přesto mají oba jevy společné rysy v kolektivním chování a interakci s okolím.
Obr. 1 – Ilustrativní znázornění helicenu a jeho zrcadlových forem
Jedním z hlavních cílů projektu bylo navrhnout a připravit hybridní plazmonické nanostruktury (tj. složené z organických i anorganických materiálů) s výraznými chirálními vlastnostmi. Chiralita molekuly, jak je znázorněno na obrázku 1, znamená absenci roviny, osy nebo středu symetrie. Chirální molekuly si můžeme představit jako dvě ruce, které nejde vzájemně překrýt. Tyto struktury jsou důležité, protože umožňují zesílit interakci mezi světlem a chirálními molekulami, což zlepšuje citlivost detekčních metod a může být využito při vývoji nových technologií v optice, elektronice a senzorice.
V rámci projektu se výzkumníci zaměřili na studium interakce mezi chirálními organickými molekulami, konkrétně heliceny, a plazmony v kovových a 2D-anorganických nanostrukturách. Tyto interakce vedly k unikátním optickým efektům, které umožňují detekci velmi nízkých koncentrací chirálních molekul. Tento výzkum může mít zásadní význam pro různé aplikace, například v chemii při vývoji citlivých senzorů pro identifikaci chirálních látek či v biologii a medicíně při diagnostice onemocnění, kde přítomnost chirálních biomolekul může naznačovat specifické zdravotní stavy.
Vědeckým týmům se podařilo syntetizovat nové deriváty helicenů, které sloužily jako chirální modifikátory plazmonických nanostruktur. Heliceny, díky svým unikátním optoelektronickým vlastnostem a výrazné optické aktivitě, představují ideální komponenty pro kombinaci s plazmonickými materiály. U takto vytvořených hybridních struktur byla testována schopnost interagovat s chirálními molekulami pomocí povrchově zesílené Ramanovy spektroskopie (SERS). Výsledky ukázaly, že tyto struktury jsou schopny detekovat chirální molekuly s vysokou citlivostí a specificitou.
Plazmonicky aktivní 2D materiály: Potenciál pro nové aplikace
Další klíčovou oblastí výzkumu byla příprava plazmonicky aktivních 2D materiálů, konkrétně MXenů. Tyto materiály, které jsou tvořeny tenkými vrstvami karbidů a jejichž tloušťka se tak pohybuje na atomárním měřítku, vykazují výjimečné mechanické a optické vlastnosti. Výzkumníci na tyto tenké vrstvy připojili modifikátory v podobě helicenových derivátů a připravili tak MXenové vločky (Ti3C2Tx), aby mohli studovat jejich chirální optickou odezvu.
Nová třída materiálů byla testována na schopnost polarizačně citlivé přeměny světla na teplo, což znamená, že teplo lze generovat cíleně pomocí kruhově polarizovaného světla (pravotočivého nebo levotočivého). Tento jev může být využit například v řízených chemických reakcích nebo v zařízeních, která přeměňují světlo na energii. Vědci rovněž prokázali jejich potenciál v polarizačně citlivé fotokatalýze za asistence plazmonů. Tyto výsledky představují první demonstraci tohoto typu plazmonicky aktivního 2D materiálu s chirální odezvou, což otevírá nové možnosti v oblastech senzoriky, optoelektroniky a nanofotoniky.
Spolupráce a budoucí směřování
Projekt přinesl odezvu ve špičkových vědeckých časopisech. Publikace posouvají hranice lidského poznání v oblasti chirálních plazmonických nanostruktur, ale také demonstrují vysokou úroveň mezinárodní spolupráce a vědecké excelence. Spolupráce mezi Ústavem chemických procesů AV ČR a Ústavem inženýrství pevných látek (Fakulta chemické technologie VŠCHT Praha) bude nadále pokračovat s cílem rozvíjet získané poznatky a transformovat je do prakticky využitelných technologií.
Michal Zajaček z Ústavu teoretické fyziky a astrofyziky Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity se v rámci projektu JUNIOR STAR zabývá výzkumem supermasivních černých děr v galaktických jádrech. Jeho tým zkoumá vzájemné působení mezi hvězdami a černými dírami – jak hvězdy ovlivňují aktivitu černých děr a jak černé díry působí na své okolní hvězdy. Jeho výzkum by mohl mít klíčový význam pro pochopení fungování a vývoje galaxií.
Dalekohled jako odrazový můstek
Zájem o vesmír a neznámo, které se s ním pojí, vzbudily v doktoru Zajačekovi poprvé snímky planet a měsíců Sluneční soustavy, které jako dítě objevil v encyklopedii. „Zlom nastal, když jsem dostal svůj první malý dalekohled. Ten mi otevřel nový svět a umožnil zkoumat noční oblohu podrobněji,“ vzpomíná řešitel projektu JUNIOR STAR. Tento zájem ho přivedl ke studiu astrofyziky, v rámci něhož se nejprve zaměřil na pozdní velké bombardování Sluneční soustavy a později na střed Mléčné dráhy. Během doktorského studia na univerzitě v Kolíně nad Rýnem se pak ponořil do studia černých děr. Dnes působí na Ústavu teoretické fyziky a astrofyziky Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity, kde se zaměřuje právě na výzkum těchto záhadných objektů.
Černé díry v srdcích galaxií
V rámci projektu JUNIOR STAR se vědecký tým doktora Zajačeka zaměřuje na interakci hvězd s okolím supermasivních černých děr v galaktických jádrech. Tyto černé díry, které mají hmotnost od milionů až po miliardy Sluncí, nejsou osamocené. Obklopuje je oblast plná hvězd, tzv. nukleární hvězdokupa. Stejný fenomén pozorujeme i v centru naší Mléčné dráhy, kde mezi miliony hvězd můžeme příležitostně zaznamenat aktivitu černé díry, která se projevuje erupcemi energie. „Cílem našeho výzkumu je pochopit, jakým způsobem hvězdy ovlivňují aktivitu černých děr a jak černé díry naopak působí na hvězdy ve svém okolí. Tento proces je zásadní pro pochopení vývoje galaxií, neboť černé díry a hvězdy spolu tvoří vzájemně propojený systém, který může ovlivnit i vznik nových hvězd,“ vysvětluje doktor Zajaček.
Lepší pochopení vesmíru
Projekt může přinést zásadní vhled do procesů, které probíhají v galaktických jádrech – tedy v nejhlubších částech galaxií. Některé galaxie vykazují vysokou aktivitu – jejich černé díry pohlcují velké množství hmoty a intenzivně září, zatímco jiné, jako naše Mléčná dráha, mají klidnější jádra. Rozdíly v aktivitě těchto černých děr a jejich vliv na růst a vývoj galaxií jsou jednou z hlavních záhad, které vědci zkoumají. „Z minulých studií víme, že zvýšená aktivita supermasivních černých děr může utlumit tvorbu hvězd v dané galaxii, což významně ovlivňuje její celkový vývoj,“ říká Zajaček. Výzkumný tým se nyní zaměřuje na teorii, že hvězdy mohou nejen zpomalit aktivitu černých děr, především v důsledku výbuchů supernov, ale také ji znovu nastartovat. „Zjistili jsme, že hvězdy, které obíhají velmi blízko černé díry, mohou část své hmoty přenášet do okolí černé díry, a tím zásadně ovlivňovat její aktivitu,“ dodává Michal Zajaček, který za svou práci v letošním roce obdržel cenu MUNI Scientist Grantové agentury Masarykovy univerzity.
Spolupráce napříč kontinenty a vývoj nového dalekohledu
Výzkum supermasivních černých děr vyžaduje sledování těchto často extrémně vzdálených objektů pomocí různých druhů pokročilých teleskopů, které operují na rozdílných vlnových délkách. Spolu s kolegy z Masarykovy univerzity a Výzkumného a zkušebního leteckého ústavu pracuje doktor Zajaček na vývoji prvního českého vesmírného dalekohledu QUVIK, který bude vesmír zkoumat v ultrafialových vlnových délkách. V případě úspěchu by se jednalo o průlomovou technologii českého kosmického výzkumu.
Na řešení projektu JUNIOR STAR se kromě českých a slovenských výzkumníků podílejí také přední světoví odborníci. Mezi nejvýznamnějšími partnery jsou experti z Německa, USA, Velké Británie nebo Číny. Společným úsilím odhalují záhady vesmíru, který se stále ukazuje jako fascinující a plný neprobádaných tajemství.
RNDr. Michal Zajaček, Ph.D., (třetí zleva) se svým týmem
JUNIOR STAR
Granty JUNIOR STAR jsou určeny pro excelentní začínající vědce, kteří získali titul Ph.D. před méně než 8 lety a kteří již publikovali v prestižních mezinárodních časopisech a mají významnou zahraniční zkušenost. Díky pětiletému financování s možností čerpat až 25 milionů Kč umožňují granty JUNIOR STAR vědecké osamostatnění a případné založení vlastní výzkumné skupiny. Na podporu dosáhne pouze zlomek podaných projektů. Pro rok 2024 bylo podpořeno pouze 17 z celkových 175 návrhů projektů.
Vědci z Botanického ústavu AV ČR, ve spolupráci s dalšími výzkumnými institucemi, odhalili původ mimořádné druhové bohatosti luk v rumunské Transylvánii, které patří mezi nejbohatší na světě. Výzkum, který byl publikovaný v časopise The Holocene a podpořený Grantovou agenturou ČR (GA ČR), ukázal, že zdrojem této rozmanitosti jsou světlé lesy z doby ledové, ve kterých se mohla vyskytovat řada druhů dnešních luk.
Druhově nejbohatší louky na světě jsou známy ze tří oblastí, které jsou ve více ohledech podobné: z našich Bílých Karpat, z podhůří Východních Karpat na západní Ukrajině a z rumunské Transylvánie. Transylvánie je lesostepní pánev obklopená ze všech stran karpatskými pohořími. Dosavadní výzkumy naznačovaly, že jedním z důvodů, proč jsou zdejší stepní louky tak druhově pestré, je jejich velké stáří – díky působení ohně, člověka a dalších zdrojů narušení, totiž nikdy nezarostly lesem.
Nejnovější výzkum vědců z Botanického ústavu AV ČR nejen podpořil tuto představu, ale ukázal i možný zdroj tohoto mimořádného druhového bohatství: světlé lesy konce doby ledové, ve kterých se mohla vyskytovat řada druhů dnešních luk.
„Příčinami mimořádné druhové bohatosti stepních luk v karpatské oblasti se zabýváme dlouhodobě. Dosavadní výsledky naznačují, že významným faktorem ovlivňujícím jejich druhové bohatství je dostupnost dostatečného množství druhů v okolní krajině. Druhově chudší jsou proto louky v nedávno odlesněných oblastech a bohatší jsou louky v územích, kde mají odlesněná stanoviště dlouhou kontinuitu nebo tam byly světlé lesy. Ty byly tvořeny druhy jako borovice nebo bříza, které propouštěly korunami dostatek světla pro světlomilný podrost,“ říká Jan Roleček z Botanického ústavu AV ČR.
Vědci se namísto klasického paleoekologického výzkumu, který se často spoléhá na zkoumání rašeliny a dalších sedimentů, zaměřili na tzv. půdní paměť. Analýzou půdních vzorků odhalili důležité informace o historii prostředí. Klíčovou roli sehrály půdní uhlíky, tedy zbytky spáleného dřeva, které poskytly důkazy o přítomnosti světlomilných dřevin a bezlesí.
Výsledky ukázaly zásadní rozdíly mezi loukami v centrální lesostepní části Transylvánie a druhově chudšími loukami na jejích periferiích. „Zatímco v centrální části převažují šedozemě s malým množstvím uhlíků a převahou světlomilných druhů, jako je jalovec, periferní louky vykazují větší zastoupení stínomilných listnatých dřevin a jsou tedy mladšího původu, vznikly po odlesnění,“ dodává Jan Roleček.
Radiouhlíkové datování uhlíků z hlubších vrstev půdy, pocházejících především z jehličnatých dřevin, dokládá, že půdy vznikly nejpozději na konci doby ledové. Dnešní stepní louky tak mohou být dědictvím světlých lesů, které kdysi pokrývaly střední Evropu.
Tento výzkum přináší cenné poznatky pro ochranu přírody. Zjištění o významu ohně při formování druhově bohatých luk naznačují, že moderní ochranářské postupy by měly zahrnovat i řízené vypalování, které může napomoci k udržení biodiverzity těchto unikátních ekosystémů.
Na výzkumu se podíleli vědci z Botanického ústavu AV ČR, Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy a Výzkumného ústavu pro krajinu a okrasné zahradnictví.
Obr.: Změny složení půdních uhlíků na zkoumaných loukách v Transylvánii od konce doby ledové. Původní světlé lesy se v lesnatých oblastech měnily v moderní stinné lesy s hajními dřevinami, zatímco v lesostepních oblastech se působením ohně, člověka a dalších zdrojů narušení měnily v moderní druhově bohaté stepní louky.
Milan Heczko z Ústavu fyziky materiálů AV ČR v rámci svého JUNIOR STAR projektu navazuje na své předešlé úspěchy a pokračuje v inovativním výzkumu v oblasti vývoje slitin za pomoci 3D tisku, a to i ve spolupráci s americkou NASA. Projekt má potenciál nejen zaplnit mezery v dosavadních znalostech, ale také vyvinout novou slitinu s unikátními vlastnostmi.
Fascinace okolím a americká mise
„Vždy mě fascinovalo, jak věci kolem nás fungují, a toužil jsem tyto děje pochopit,“ vzpomíná řešitel Milan Heczko na počátky svého zájmu o fyziku. V rámci doktorského studia se pak začal specializovat na pochopení dějů ve strukturních materiálech, jako jsou například slitiny používané v tryskových motorech. Tyto jevy probíhají na škále od subnanometrových vzdáleností až po jevy pozorovatelné v rozsahu centimetrů. „Pochopení těchto dějů je klíčové, jelikož mají přímou souvislost s chováním a vlastnostmi materiálů v našem prostředí,“ říká Milan Heczko.
Jeho vědeckou kariéru nejvíce ovlivnilo Fulbrightovo stipendium, díky němuž v rámci doktorských studií strávil necelý rok na The Ohio State University v USA. Tam se později rozhodl vrátit a několik dalších let působil v prestižní vědecké skupině profesora Michaela J. Millse. „Během let strávených v USA jsem poznal mnoho úžasných lidí, přátele na celý život. V USA se také narodila má dcerka. Vždy budu mít na tuto část života nezapomenutelné vzpomínky,“ konstatuje řešitel.
Vývoj slitin s více hlavními prvky
V rámci pobytu na americké univerzitě se doktor Heczko věnoval primárně vývoji takzvaných slitin s více hlavními prvky. Na rozdíl od klasické metalurgie, kde převažuje jeden hlavní prvek a další prvky jsou zastoupeny v menším množství, tento relativně nový koncept pracuje se třemi a více rovnoměrně zastoupenými prvky – například chromem, kobaltem a niklem.
Jeho výzkum ho přivedl až ke spolupráci s NASA. „Podařilo se nám vyvinout novou slitinu NASA GRX-810 a ukázat potenciální cestu k objevení dalších nových materiálů s cíleně ‚naladěnými‘ vlastnostmi,“ říká řešitel projektu a upřesňuje: „Abychom vyvinuli tuto novou slitinu, použili jsme technologii 3D tisku kovů, díky které bylo možné vnést nanočástice oxidu yttria do vnitřní mikrostruktury materiálu, čímž došlo k jeho ‚zpevnění‘.“
V levé části kus materiálu, který byl vytištěn pomocí technologie 3D tisku kovů. V pravé části je detail mikrostruktury tohoto materiálu zobrazen elektronovým mikroskopem až na atomární strukturu jedné ze zpevňujících nanočástic.
Ambiciózní cíle projektu
Podpořený projekt JUNIOR STAR, který přímo navazuje na vyvinutou slitinu NASA GRX-810, má tři primární cíle. Prvním z nich je snaha o nahrazení kobaltu, který je významně zastoupen v původních slitinách. „Kobalt je strategická surovina, s jejíž těžbou a zpracováním je spojeno mnoho problémů, mimo jiné geopolitických, ekonomických, environmentálních a také etických. Chceme prozkoumat, do jaké míry a jakým způsobem jsme schopni tento prvek nahradit, aniž by to vedlo ke kritické ztrátě potřebných vlastností těchto materiálů,“ říká Milan Heczko.
Druhým z cílů projektu je pochopit chování nových materiálů při periodickém zatěžování neboli „únavě“ materiálu. To řešitel považuje za klíčové pro potenciální transfer svých výsledků do průmyslových aplikací.
Třetím z cílů je pak objasnění celé řady „knowledge gaps“, které se s 3D vytištěnými slitinami s více hlavními prvky a zpevněnými nanočásticemi pojí. „Naším cílem je identifikace a popis souvislostí mezi výrobními parametry, výslednou mikrostrukturou a makroskopickými vlastnostmi takto vyrobených materiálů,“ říká doktor Heczko.
Špičkové zázemí v Brně a mezinárodní spolupráce
Výzkum probíhá na Ústavu fyziky materiálů AV ČR v Brně, který vědcům poskytuje zázemí pro materiálovou charakterizaci. „Díky špičkové infrastruktuře máme možnost zkoumat jevy odehrávající se v materiálech na mnoha různých prostorových škálách a sdílet tyto poznatky s celosvětovou odbornou komunitou. Tímto způsobem přispíváme k vývoji nových materiálů s vlastnostmi cíleně laděnými pro konkrétní aplikace,“ vysvětluje doktor Heczko důležitost kvalitního zázemí. Zdůrazňuje také, že špičkový výzkum nelze provádět bez mezinárodní spolupráce. V rámci svého projektu tak kromě odborníků z USA spolupracuje také s kolegy z Německa a Francie.
I když se jedná o výzkum základní, má projekt vysoký potenciál pro průmyslové aplikace. To dokazuje i úspěch slitiny NASA GRX-810. „Jako malý kluk jsem si hrával s malým modelem raketoplánu s logem NASA. V té době by mě ani náhodou nenapadlo, že se jednou budu podílet právě s NASA na vývoji materiálu, který představíme v časopise Nature a který se jednou dostane do vesmíru,“ dodává o slitině, která se dočkala i komerčního využití, doktor Heczko.
Zleva: Dr. Timothy M. Smith (NASA), prof. Michael J. Mills (The Ohio State University), prof. Jean-Philippe Couzinié (University Paris Est Creteil, CNRS, ICMPE, UMR 7182) a Dr. Milan Heczko (ÚFM AVČR)
JUNIOR STAR
Granty JUNIOR STAR jsou určeny pro excelentní začínající vědce, kteří získali titul Ph.D. před méně než 8 lety a kteří již publikovali v prestižních mezinárodních časopisech a mají významnou zahraniční zkušenost. Díky pětiletému financování s možností čerpat až 25 milionů Kč umožňují granty JUNIOR STAR vědecké osamostatnění a případné založení vlastní výzkumné skupiny. Na podporu dosáhne pouze zlomek podaných projektů. Pro rok 2024 bylo podpořeno pouze 17 z celkových 175 návrhů projektů.
Výzkumný tým Lukáše Sekaniny se v projektu podpořeném Grantovou agenturou ČR (GA ČR) zaměřil na studium neuronových sítí. Výsledky výzkumu otevřely nové cesty k návrhu jejich vysoce optimalizovaných akcelerátorů, které by se v budoucnu mohly objevit v mobilních telefonech a jiných zařízeních s omezenými výpočetními zdroji.
Výpočetně náročné metody umělé inteligence a zejména hluboké neuronové sítě jsou dnes klíčové pro zpracování obrazu, řeči, přirozeného jazyka nebo medicínských dat. Pro rozpoznání psa, auta, stromu či jiného objektu na obrázku musí například středně složitá neuronová síť typu ResNet-50, která má 25 milionů parametrů, provést 3,9 miliardy operací „vynásob a sečti“. V dnešní době pronikají tyto metody z výkonných serverových klastrů do mobilních telefonů a jiných malých zařízení napájených bateriemi, a proto je nutné vyřešit jejich efektivní implementaci s ohledem na velmi omezené výpočetní zdroje (jako je místo na čipu nebo kapacita baterie).
Software, který umožňuje automatizovaně navrhovat neuronové sítě, a také hardwarové akcelerátory, ve kterých výpočet neuronových sítí probíhá, je intenzivně zkoumán a aplikován jak v technologických IT společnostech (včetně těch gigantických), tak i v univerzitním prostředí.
Inspirace v evoluci
Cílem plně automatizovaného návrhu neuronové sítě je na základě zadaných dat (např. v podobě databáze, která obsahuje desetitisíce obrázků a informaci o jejich třídě) a dalších požadavků (např. maximální povolená doba klasifikace a maximálních chybovost klasifikace) vygenerovat neuronovou síť a její softwarovou implementaci, která dokáže obrázky spolehlivě klasifikovat.
Tým prof. Sekaniny z Fakulty informačních technologií Vysokého učení technického v Brně nahlížel na metody, které automatizovaný návrh neuronových sítí realizují, jako na metody pro vícekriteriální optimalizaci. Konkrétně se zabýval neuroevolučními algoritmy, které s využitím metafory biologické evoluce prochází prostor možnéh neuronové sítí a hledají ty, jež nejlépe splňují zadané požadavky. Ty jsou však často protichůdné. Neuroevoluční algoritmus v prvním kroku generuje náhodné kandidátní implementace neuronových sítí a zjišťuje jejich schopnost řešit zadaný problém. Ve druhém kroku pak pomocí selekce vybírá rodičovské neuronové sítě, ze kterých za pomoci algoritmů „křížení“ a „mutace“ vytváří nové kandidátní neuronové sítě. Tento postup se opakuje, dokud není nalezena vhodná neuronová síť.
„Očekáváme, že neuroevoluční přístup nám umožní pro danou úlohu nalézt nejvhodnější architekturu neuronové sítě, kterou by člověk-expert nevymyslel,“ říká o motivaci pro tento výzkum prof. Sekanina. „Zadání následně děláme těžší tím, že hledáme nejen dobře fungující neuronovou síť, ale také vysoce optimalizovaný hardwarový akcelerátor, který zajistí, aby klasifikace trvala co nejkratší dobu a byla energeticky co nejméně náročná,“ doplňuje.
Jak ušetřit energii díky drobným chybám
V projektu byly intenzivně využívány principy aproximativního počítání. „Pokud se drobné chyby, které vzniknou například kvůli zjednodušenému (aproximativnímu) násobení, téměř neprojeví na kvalitě výstupu neuronové sítě, tak není třeba provádět miliardy přesných a energeticky náročných násobení. Takto můžeme při používání neuronové sítě v závislosti na řešené úloze uspořit až nižší desítky procent energie,“ popisuje výsledky projektu prof. Sekanina.
Jedním z výstupů projektu je unikátní metoda založená na neuroevolučních algoritmech, která umožňuje automatizovaně vytvářet klasifikátory obrázků a současně optimalizovat typ použitého násobení ve zvolených vrstvách sítě, a tím redukovat spotřebu energie.
Kromě automatizovaného návrhu neuronových sítí výzkumníci také rozvíjeli metody, díky nimž budou moci automatizovat proces navrhování zjednodušených (aproximativních) elektronických obvodů, které jsou stavebními bloky energeticky úsporných hardwarových akcelerátorů neuronových sítí. Principy automatizovaného návrhu využili i v dalších úlohách, např. při klasifikaci signálů z elektroencefalografie nebo příznaků indukované dyskineze, která se projevuje mimovolnými pohyby po podání léku např. u pacientů s Parkinsonovou chorobou.
Výsledky projektu otevřely nové cesty k návrhu vysoce optimalizovaných akcelerátorů neuronových sítí, které by se v budoucnu mohly objevit v komerčních zařízeních. Vznikla také řada technik, jako je např. rychlý výpočet konvoluční vrstvy s aproximativním násobením na grafické kartě, umožňujících zredukovat vysokou výpočetní náročnost použitých algoritmů.
Kromě prof. Sekaniny k výsledkům zásadně přispěli doc. Ing. Zdeněk Vašíček, Ph.D., a Ing. Vojtěch Mrázek, Ph.D. Na projektu se dále podíleli 2 postdoktorandi a 12 studentů, převážně doktorandů. Metody návrhu aproximativních komponent byly vytvářeny ve spolupráci s New York University (Abu Dhabi). Případová studie v oblasti klasifikace příznaků indukované dyskineze vznikla ve spolupráci s University of York, UK.
Jádro výzkumného týmu – zleva Vojtěch Mrázek, Zdeněk Vašíček, Lukáš Sekanina
Profesor Lukáš Sekanina působí na Fakultě informačních technologií Vysokého učení technického v Brně (FIT VUT), kde absolvoval inženýrské (1999) i doktorské studium (2002) a aktuálně zde vede Ústav počítačových systémů. Jeho výzkum je zaměřen na genetické programování, aproximativní výpočty a metody automatizovaného návrhu hardwaru pro strojové učení. V roce 2004 v rámci Fulbrightova stipendia pro vědce a přednášející působil v NASA Jet Propulsion Laboratory, California University of Technology. V roce 2001 byl lektorem na Pennsylvania State University. Část doktorského studia strávil na Department of Informatics, University of Oslo. Profesor Sekanina získal Cenu předsedkyně GA ČR 2017 za mimořádné výsledky při řešení projektu Pokročilé metody evolučního návrhu složitých číslicových obvodů.
Zárodek budoucího života nebo počátek onemocnění mají jedno společné: začínají na úrovni chemických reakcí jednotlivých molekul. Týmu Jana Preislera z Ústavu chemie Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity se v rámci výzkumu podpořeného Grantovou agenturou ČR (GA ČR) podařilo vyvinout metodu, díky které můžeme v tkáni současně lokalizovat jednotlivé biologicky důležité molekuly a přispět tak k porozumění biologickým procesům.
Detekce molekul nebo atomů lákala vědce od nepaměti. V současnosti existuje řada metod, které mají citlivost potřebnou pro jejich detekci, ovšem lokalizace těchto částic ve vzorku, například v tkáních organismů, a současné potvrzení jejich identity stále představuje jeden z nejnáročnějších úkolů chemické analýzy.
Metody používané pro zobrazení biologicky významných molekul v tkáních často využívají speciální značky, jako jsou například kvantové tečky nebo foton-upkonverzní či jiné nanočástice, které se nejprve navážou na cílové molekuly a poté jsou zobrazeny pomocí fluorescenční nebo elektronové mikroskopie. Tyto značky se obvykle vážou na specifické biomolekuly prostřednictvím specifických protilátek. Nevýhodou existujících zobrazovacích technik ovšem je, že mohou být použity pouze k zobrazení jednoho nebo několika málo typů biomolekul, protože dokáží rozlišit pouze omezený počet značek, a jejich citlivost také není vždy dostačující.
Hmotnostní spektrometrie a značení nanočásticemi
Pro mapování biomolekul v tkáních se často využívá hmotnostní spektrometrie. Jde o metodu, která dokáže velmi přesně změřit hmotnost atomových nebo molekulových iontů a na základě zjištěné hmotnosti je identifikovat. Přestože je hmotnostní spektrometrie velmi citlivá, její citlivost není dostatečná pro detekci jednotlivých atomů a molekul. Přímo je proto možné zobrazit pouze rozložení molekul, které jsou v zobrazované tkáni přítomny v dostatečném množství – například některých lipidů, proteinů, metabolitů a léčiv.
I hmotnostní spektrometrii je však možné využít k detekci biomolekul, které jsou v tkáni obsažené pouze v nepatrném množství, pokud biomolekuly označíme nanočásticemi. Například zlatá nanočástice o průměru 20 nm obsahuje zhruba 250 tisíc atomů zlata a nanočástice o průměru 100 nm dokonce přes 30 miliónů atomů zlata. Počet iontů zlata vytvořených z jediné nanočásticové značky tak může být o několik řádů vyšší než počet výchozích biomolekul.
Nanočásticové značky obsahující jeden nebo více kovových atomů mohou být detekovány pomocí hmotnostního spektrometru, který využívá k ionizaci indukčně vázané plazma o teplotě přes 6 000 °C. V prvním kroku dochází k tomu, že se pixel po pixelu pomocí ultrafialového pulzního laseru odpařují nanočástice specificky navázané na dané biomolekuly v tkáních. Z nanočástic tak vznikají obláčky atomů kovu, které jsou vedeny do plazmatu, kde se ionizují, a posléze jsou detekovány pomocí hmotnostního spektrometru. Výsledkem je mapa rozložení biomolekul ve studované tkáni.
Zobrazení jednotlivých molekul pomocí nanočástic
Tým Jana Preislera z Ústavu chemie Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity se zabývá tím, jak využit lasery k odpaření a ionizaci vzorků ve spojení s hmotnostní spektrometrií. Na pracovišti vyvinuli ablační systém, který namísto obvyklého ultrafialového laseru využívá laser infračervený, pomocí něhož dochází k šetrnému uvolňování neporušených 20nm zlatých nanočástic z tkáně a jejich transportu do plazmatu. Do plazmatu tak není přiveden difúzní obláček atomů zlata, ale neporušené zlaté nanočástice, které jsou atomizovány a ionizovány během velmi krátké doby až v samotném plazmatu.
Výsledkem jsou submilisekundové píky – krátké pulzy signálu iontů zlata. Není tak detekován pouze celkový signál kovu z daného pixelu, ale je možné jednotlivé nanočástice – a potažmo biomarkery na daném pixelu – přesně spočítat. Rozdíl v citlivosti oproti klasické laserové ablaci je proto podobný jako v případě měření intenzity světla v režimu počítání jednotlivých fotonů oproti obvyklému proporčnímu režimu.
Ve spolupráci s kolegy z Ústavu experimentální biologie Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity a z Výzkumného centra automatické manipulace Fakulty strojního inženýrství Vysokého učení technického v Brně výzkumníci demonstrovali přednosti nové metody při monitorování bujících buněk v 3D agregátech buněk lidského kolorektálního karcinomu.
Výsledkem přesného počítání značek na každém pixelu jsou ostré distribuční mapy relevantního biomarkeru v tkáni. Navíc jsou silně potlačeny signály z oblastí mimo tkáň. Tento přístup může být vhodný i pro současné zobrazení desítek různých biomolekul pomocí značek obsahujících různé kovy, případně i směsi kovů, protože hmotnostní spektrometr dokáže ionty těchto kovů snadno identifikovat a kvantifikovat.
Kromě ionizace v indukčně vázaném plazmatu tým studuje i možnost použití přímé laserové desorpce a ionizace nanočástic. V tomto případě se daří účinně detekovat 100nm zlaté nebo stříbrné nanočástice. Vyvinuté technologie jsou výsledkem téměř desetiletého pracovního úsilí týmu podpořeného několika navazujícími projekty GA ČR. Součástí výzkumu byl vývoj speciální instrumentace a softwaru pro záznam, vyhodnocování a zobrazení dat. Výzkum byl publikován v předním časopise oboru a ve schvalovacím řízení je patentová přihláška na vyvinutou metodu.
Petr Zouhar z Fyziologického ústavu AV ČR zkoumal protein, který při delším podávání snižuje tělesnou hmotnost u myší. Snaží se zjistit, proč stejné účinky nemá také u lidí. Jeho výzkum byl podpořen juniorským grantem Grantové agentury ČR (GA ČR).
Aby lék fungoval, nemusíme vždy přesně rozumět mechanismu jeho účinku. To je i případ fibroblastového růstového faktoru 21 (FGF21 z angl. Fibroblast growth factor 21), nedávno odhaleného proteinového hormonu produkovaného v játrech a některých dalších orgánech, který ovlivňuje metabolické procesy po celém těle. Podávání FGF21 obézním laboratorním hlodavcům sice mimo jiné snižovalo jejich tělesnou hmotnost, u lidských dobrovolníků se ovšem slibné výsledky nepodařilo plně reprodukovat ani s použitím několika různých analogů proteinu FGF21. Proto vědci začali zkoumat, jak přesně FGF21 u myší funguje, a snaží se odhalit, proč selhává u lidí. Takový objev může naznačit cesty, jak by FGF21 mohl pomáhat snižovat obezitu i u lidí.
Tradiční představy o fungování FGF21 – výrobou tepla k hubnutí
Obezita je dána nerovnováhou mezi energetickým příjmem a výdejem. Lze proti ní proto bojovat jednak snížením příjmu potravy (ať už s pomocí diet, nebo nových léků ovlivňujících pocit sytosti), jednak zvýšením fyzické aktivity či klidového metabolického obratu. Významná část klidového energetického výdeje je (v závislosti na teplotě okolí) vynaložena na udržování stálé tělesné teploty. K tomu savci využívají celou paletu mechanismů, jako je například svalový třes nebo netřesová termogeneze. Ta probíhá zejména v takzvané hnědé tukové tkáni, která obsahuje speciální mitochondriální protein UCP1 (z angl. Uncoupling protein 1 čili odpřahovací protein 1). Právě tady zasahuje FGF21: jeho podávání zvyšuje u laboratorních zvířat expresi UCP1, energetický výdej i tělesnou teplotu. Může se tedy zdát, že stimulace UCP1 vede k nadbytečné výrobě tepla, což se projeví jednak spalováním tukových zásob, jednak zahřátím organismu a snahou ochladit se (Obr. 1). Jak ale zjistil výzkumný tým vedený Petrem Zouharem, situace je výrazně složitější.
Obr. 1: Schéma shrnující tradiční pohled na fungování FGF21 oproti novým poznatkům získaným v rámci projektu
Skeptický pohled – horečka bez hubnutí
Měření vědeckého týmu ukazují, že cílem FGF21 není zvýšit energetický výdej, ale spíše zvýšit tělesnou teplotu. Některá zvířata se po podání FGF21 nesnaží zbavovat přebytečného tepla, ale naopak snižují tepelné ztráty. FGF21 nepůsobí přímo na hnědou tukovou tkáň, ale ovlivňuje hlavně mozková centra řídící tělesnou teplotu a vyvolává jakousi horečku. Pod vlivem FGF21 se mozek všemi dostupnými cestami pokouší dosáhnout vyšší tělesné teploty. Může k tomu využít tvorbu tepla pomocí UCP1, ale může také snížit tepelné ztráty například omezením průtoku krve periferiemi těla. K tomu druhému dochází u geneticky modifikovaných myší bez UCP1 a může to být i případ lidských pacientů, kteří mají oproti hlodavcům UCP1 o dost méně. Pokud tedy FGF21 zvyšuje energetický výdej, dochází k tomu za účelem zvýšení tělesné teploty, ne naopak. A protože u myší hraje při regulaci tělesné teploty větší roli UCP1, zatímco lidé se spíše zahřívají jinak, myši po podávání FGF21 spalují více tukových zásob než lidé.
Nová naděje – dlouhodobé působení FGF21
Krátkodobé působení FGF21 může snadno vést ke zvýšené tělesné teploty kvůli snižování tepelných ztrát, a nemusí tak docházet k hubnutí. Lze ale tuto strategii uplatňovat dlouhodobě? Výsledky výzkumu ukazují, že už při týdenním podávání přestává tento trik stačit. I myši bez UCP1 začínají při takto prodloužené terapii zvyšovat svůj energetický výdej. Zajímavé ale je, jakým způsobem. UCP1 nemají, takže zbývá zapojit svalový třes nebo alternativní mechanismy netřesové termogeneze.
Existence těchto alternativních cest nezávislých na UCP1 v současnosti vzbuzuje velkou pozornost. Analýza genové exprese naznačuje, že FGF21 v hnědé tukové tkáni stimuluje aktivitu několika protichůdných energeticky náročných procesů včetně cyklu lipolýzy a produkce zásobních lipidů. Jestli lze touto cestou vyrobit dostatek tepla, zatím není zřejmé. Nárůst energetického výdeje je každopádně nižší než v případě zapojení UCP1.
Za povšimnutí stojí také, že navzdory menšímu nárůstu energetického výdeje ztrácí myši bez UCP1 hmotnost podobně jako kontrolní myši s UCP1. Děje se tak kupodivu proto, že FGF21 u těchto zvířat zároveň mírně tlumí příjem potravy. Zdá se tedy, že FGF21 ovlivňuje hned dva regulační mechanismy v centrální nervové soustavě – už při krátkodobém podávání posouvá rovnováhu mezi výrobou a ztrátami tepla s cílem zvýšit tělesnou teplotu. Při dlouhodobějším podávání pak FGF21 navíc ovlivňuje balanc mezi energetickým výdejem a příjmem, což má za následek pokles hmotnosti. Toto zjištění otvírá nové možnosti terapeutického využití FGF21 proti obezitě. Při dlouhodobějším podávání by se mělo dát hubnout i bez UCP1. Jen musíme být trpěliví a soustředit se na takové analogy FGF21, které budou schopné překonat hematoencefalickou bariéru a dostat se k řídicím centrům v mozku. Cílit přímo na hnědý tuk nestačí.
Výše popsaný vhled do problematiky mechanismu působení FGF21 vznikl zejména díky juniorskému grantu GA ČR. Ten umožnil sestavení výzkumného týmu zahrnujícího jak řešitele Petra Zouhara, tak technika a několik postgraduálních studentů. Zejména pro srbskou studentku Saru Stanić se FGF21 stalo hlavní náplní její disertační práce. Nesmírně důležité byly i podmínky zajištěné Fyziologickým ústavem AV ČR, v. v. i. – pro řešitele bylo zásadní inspirativní prostředí v rámci oddělení a špičkové přístrojové vybavení ústavního zvěřince zahrnující i jednotku pro metabolickou fenotypizaci in vivo. Výzkum působení FGF21 navazuje na postdoktorský projekt Petra Zouhara v laboratoři prof. Nedergaarda na Stockholmské univerzitě. Samotnou látku FGF21 poskytla firma Novo Nordisk.
Projekt JUNIOR STAR Martina Langa z Filozofické fakulty Masarykovy univerzity se zaměřuje na kognitivní a neurovědecké aspekty náboženského rozhodování. Jeho snahou je lépe porozumět tomu, jak náboženské praktiky formují morální normy a ovlivňují rozhodování v každodenním životě, a to prostřednictvím inovativních experimentů a matematického modelování.
Studium náboženství
Martina Langa uchvátila rozmanitost přístupů ke studiu náboženství již během jeho vysokoškolského studia religionistiky. Během doktorátu se zaměřil na kognitivní a fyziologické procesy spojené s rituálními praktikami tamilských a marathi komunit na Mauriciu. Po dokončení doktorátu pokračoval ve výzkumu, jak víra v moralizující bohy podporuje spolupráci mezi spoluvěrci napříč 15 různými společnostmi. V současnosti se jeho výzkum zaměřuje na kognitivní procesy náboženského rozhodování, přičemž využívá matematické modelování a neurovědecké experimenty.
Jak náboženství formuje morální normy
Na světě jsou miliardy lidí, jejichž životy jsou náboženstvím hluboce ovlivněny. V mnoha zemích hraje náboženství významnou roli i v politice a řízení země. Ve svém JUNIOR STAR projektu, který má pracovní název CREDO (z anglického Computing Religious Devotion), se doktor Lang a jeho tým zabývá tím, jak náboženská víra a praktiky ovlivňují lidské rozhodování a chování, zejména v situacích, kdy hrají roli morální normy.
„Představte si, že najdete v noci na prázdné ulici peněženku. Jak se rozhodnete, co s ní udělat? Z předchozích výzkumů víme, že religiózní lidé mají větší pravděpodobnost, že jejich chování bude následovat morální normy, například vrátí peněženku nebo ji zanesou na policii, ale nás zajímá, jak k těmto rozhodnutím dochází. Je to například tím, že věřící lidé mají morální normy tak silně zakořeněné, že o rozhodnutích v takovýchto situacích nepřemýšlejí a automaticky následují morální normy? Nebo je to naopak tak, že religiozita vede k delšímu zvažování, protože si věřící musí vybavit náboženská pravidla, kterými by se měl nebo měla řídit, a potom teprve zváží, zda je aplikuje v této situaci? Právě tyto typy otázek, tedy jak dochází k rozhodnutí, zda následovat morální normy, či ne, nás v projektu zajímají,“ představuje Martin Lang svůj výzkum.
V něm vytváří matematické modely, které popisují tyto rozhodovací procesy a zohledňují, jak a kdy různé faktory ovlivňují naše volby. Modely jsou následně testovány a porovnávány s daty získanými různými experimenty, což umožnuje určit, který model nejlépe odpovídá realitě.
„Takové modely nám pak pomohou pochopit, jak silná náboženská víra ovlivňuje rozhodování a morální postoje. Dále zkoumáme, jak se tento rozhodovací proces upevňuje skrze pravidelné náboženské aktivity, jako jsou modlitba, čtení posvátných textů nebo účast na kolektivních rituálech. V neposlední řadě se zaměřujeme na to, zda a jak se tento rozhodovací proces liší mezi různými náboženstvími a v různých kulturních kontextech,“ dodává.
Antropologické pozorování rituálu na ostrově Mauricius. (foto: Dimitris Xygalatas)
Za hranice laboratoře
Pro výzkum Martina Langa je typická snaha přenášet laboratorní studie co nejvíce do reálného kontextu, jako například při jeho práci na Mauriciu, kde studoval rituály Sittirai Kavadi a další. „Během tohoto rituálu si věřící propichují kůži stovkami jehel a pak vyráží na několikakilometrové procesí, kde nesou na ramenou těžké oltáře nebo je táhnou pomocí háků zapíchnutých do kůže a u toho všeho tancují a upadají do transu. Možnost účastnit se jako vědec takového rituálu byla opravdu fascinující a domnívám se, že fyziologická data, která jsme během rituálu naměřili, jsou unikátní,“ uvádí řešitel příklad praktické roviny výzkumu.
Ve stejném duchu probíhá i podpořený projekt JUNIOR STAR, kdy kromě terénního výzkumu na již zmíněném Mauriciu budou další data získána díky zapojení spolupracovníků z různých zemí. „Plánujeme testovat a upravovat naše matematické modely rozhodovacího procesu ve 20 různých zemích a naším cílem je najít z každé země spolupracující osobu, která nám jednak pomůže experimentální design adaptovat do místních podmínek a společenských norem, ale také navrhnout, které parametry našich modelů bude potřeba upravit,“ dodává řešitel projektu.
Sběr dat během rituálu chození po mečích na ostrově Mauricius (foto: Dimitris Xygalatas)
JUNIOR STAR
Granty JUNIOR STAR jsou určeny pro excelentní začínající vědce, kteří získali titul Ph.D. před méně než 8 lety a kteří již publikovali v prestižních mezinárodních časopisech a mají významnou zahraniční zkušenost. Díky pětiletému financování s možností čerpat až 25 milionů Kč umožňují granty JUNIOR STAR vědecké osamostatnění a případné založení vlastní výzkumné skupiny. Na podporu dosáhne pouze zlomek podaných projektů. Pro rok 2024 bylo podpořeno pouze 17 z celkových 175 návrhů projektů.
Palivové články, tedy technologie, která se prosadila nejdříve v kosmických lodích a teprve poté zamířila do energetiky, nabízejí uplatnění i v budoucnosti, v níž se bude nutné obejít bez fosilních paliv. Na vývoji palivových článků se podílí profesor Fakulty chemické technologie Vysoké školy chemicko-technologické v Praze Karel Bouzek. Za výzkum v této oblasti byl loni nominován na Cenu předsedy Grantové agentury ČR.
Na princip palivového článku přicházeli vědci už v 19. století. Rozvoj výzkumu nastal až v šedesátých letech 20. století, kdy jimi byly vybaveny kosmické lodi programu Apollo. Palivové články dodávaly elektřinu spolehlivě, ale draze, což v kosmickém programu až tolik nevadilo, na Zemi však ano. Nicméně ceny klesají a dnes palivové články najdeme v průmyslu i v dopravě ve vozidlech na vodík.
„Odpadem“ je čistá voda
Palivový článek je elektrochemické zařízení (vlastně typ galvanického článku), které přímo proměňuje chemickou energii paliva a okysličovadla na elektřinu. Palivo se přivádí k záporné elektrodě, okysličovadlo ke kladné. V důsledku reakcí probíhajících na elektrodách vzniká elektrický proud.
„Nejelegantnější“ palivový článek používá k získání elektřiny jako palivo vodík a jako okysličovadlo kyslík. Při reakci pak kromě elektřiny vzniká jako „odpad“ jen čistá voda a teplo.
Stacionární palivové články již najdeme například v chemických továrnách. Jednotlivé palivové články mívají velikost podobnou krabici od banánů. Skládají se do větších celků společně s nezbytnou infrastrukturou, a vznikají tak jednotky na klíč instalované v nákladním kontejneru.
„Typickým příkladem je průmyslová výroba chlóru a hydroxidu sodného, při které vzniká značné množství vodíku jako vedlejší produkt a často se dnes spaluje. To je však nehospodárné a postupně končí. Narůstá význam palivových článků, které umožní pomocí tohoto vodíku efektivně vyrobit elektrickou energii,“ říká profesor Karel Bouzek, který se palivovými články a vodíkovými technologiemi zabývá už čtvrtstoletí. Takové články se dají také využít pro společnou výrobu elektřiny a tepla pro výrobní závody i pro domácnosti.
Druhou existující variantou jsou mobilní palivové články obvykle v osobních a nákladních automobilech, v autobusech nebo vlacích. Zatímco osobní automobily a vlaky poháněné vodíkovými palivovými články se již komerčně vyrábějí, nákladní automobily se prozatím nacházejí spíše ve fázi demonstrační. Zvnějšku nejsou odlišitelné od klasických vozidel se spalovacími motory. Vozidlo veze tlakovou nádobu se stlačeným vodíkem jako palivem, kyslík si bere přímo ze vzduchu a v palivových článcích vyrábí elektřinu pro pohon motoru.
Řízení spektroskopického experimentu v synchrotronu BESSY II v Helmholzově centru v Berlíně. Experiment pro zkoumání složení materiálů se uskutečnil společně s vědci z Helmholzova centra a z Technické univerzity v Bayreuthu, které jsou je partnery projektu (Foto: TU Bayreuth)
200 stupňů už je vysoká teplota
Projekt, za který byl profesor Bouzek nominován na Cenu předsedy Grantové agentury ČR, se týká vysokoteplotních palivových článků s protonově vodivou polymerní membránou. „Je to taková názvoslovná hříčka, protože vysoké teploty si elektrochemici obvykle představují někde nad 500 stupňů Celsia. Teploty v těchto palivových článcích však typicky dosahují 150 až 200 stupňů. Ale tradičně se jim říká vysokoteplotní, protože ty standardní, nízkoteplotní, pracují do teplot 80 stupňů,“ vysvětluje.
Dnes oceňovanou výhodou vysokoteplotních palivových článků je, že díky podstatně vyšší teplotě, než je teplota okolí, se výrazně snáze ochlazují, nebo přesněji, potřebují pro řízení teploty menší chladič. Navíc lze teplo z nich získané dále využít.
Výzkum profesora Bouzka se soustředil na lepší pochopení reakcí, které v takovém článku probíhají na aktivním povrchu elektrod. Výsledek tohoto základního poznání by pak měl vést k lepším provozním režimům, které umožní vyšší intenzitu výkonu palivových článků, jejich delší životnost i efektivnější využití v nich používaných katalyzátorů.
Po městě elektromobilem, do dálek s vodíkovým pohonem
K zajímavým výsledkům vedly i dřívější či jiné současně probíhající výzkumy profesora Bouzka a jeho spolupracovníků, což jsou i studenti, kteří se takto dostávají blíže k poznání moderních technologií. Výzkumníci se podíleli například na vývoji experimentálního nákladního automobilu Tatra Force poháněného vodíkovými palivovými články. S průmyslovými partnery z Česka i ze světa spolupracují na systémech výroby vodíku za využití obnovitelné energie, případně na vývoji palivových článků. Příkladem dalšího typu výzkumu je účast na vypracování analýzy využití vlaků poháněných palivovými články pro regionální železnice.
„Palivové články určitě nabídnou zajímavé alternativní řešení v situací, kdy se potřebujeme zbavit závislosti na fosilních palivech,“ hodnotí Karel Bouzek.
Například v automobilové dopravě se vede diskuse, jestli mají současné spalovací motory ustoupit elektromobilům, nebo raději vozidlům na vodík. „Vypadá to tak, že pro běžnou každodenní dopravu osobními nebo zásobovacími vozy po městě nebo v malém regionu se budou více hodit elektromobily, které se v noci nabijí a pak na baterie následující den jezdí. Zato pro pravidelné cesty na velké vzdálenosti a zejména pro nákladní automobily bude zřejmě výhodnější, pokud vozidlo nepoveze těžké baterie, ale nádrž s vodíkem a palivové články. Dojezdová vzdálenost bude výrazně větší a zároveň se vodík dá načerpat výrazně rychleji, než trvá běžné nabití baterií,“ konstatuje profesor Bouzek.
Stacionární palivové články se zase nabízejí jako důležitá součást systému pro skladování energie. Elektřina vyrobená slunečními, větrnými a také jadernými a ve vzdálenější budoucnosti i fúzními elektrárnami v době, kdy jí není tolik zapotřebí, se dá využít k výrobě ekologického vodíku elektrolytickým rozkladem vody. V době vyšší poptávky se tento vodík v palivovém článku opět promění v požadovanou elektřinu.
Významnou roli mohou hrát palivové články rovněž v dálkové přepravě energie, například mezi kontinenty. Elektrické vedení má na dlouhé vzdálenosti velké ztráty. A tak se nabízí myšlenka, že v místech, kde se dá postavit hodně slunečních nebo větrných elektráren, by se získaná elektřina využila pro výrobu vodíku. Ten by se pak přepravil potrubím nebo nákladními loděmi a na místě určení se v palivových článcích znovu proměnil v elektřinu. Případně by se dal vyrobený vodík hned sloučit se vzdušným dusíkem za vzniku čpavku, který se přepravuje snáze, a z něj by se na místě určení opět vodík uvolnil a použil v palivových článcích.
„Možností dalšího rozvoje energetiky je hodně, potřebujeme však najít technologicky a také ekonomicky nejvhodnější způsoby,“ shrnuje profesor Bouzek. „Osobně mě občas mrzí, že v českém prostředí se často potkávám s lidmi, u nichž se projevuje nejen silný konzervatismus, ale zejména despekt k novým technologiím. To je hodně nešťastné. Energetika a vlastně i průmysl se budou měnit a již ze střednědobého hlediska nezbývá než postupně opouštět fosilní paliva. Na to se musíme připravovat, abychom zajistili dlouhodobé fungování průmyslu, budoucí pracovní místa a tím také sociální smír ve společnosti.“
Uspořádání experimentu pro měření rentgenové spektroskopie na synchrotronu DESY v Hamburku (Foto: TU Bayreuth)
Název projektu, za jehož řešení byl nominován na Cenu předsedy Grantové agentury ČR v roce 2023: Elektrochemie rozhraní platina – oxokyseliny fosforu jako klíč k pochopení výkonnosti vysokoteplotních palivových článků s protonově vodivou membránou.
prof. Dr. Ing. Karel Bouzek (foto: VŠCHT Praha)
Narodil se v roce 1968. Po absolvování Vysoké školy chemicko-technologické v Praze absolvoval několik zahraničních studijních pobytů, zejména v Německu a Norsku.
Po návratu se zapojil do pedagogické i výzkumné činnosti. Nyní je vedoucím Ústavu anorganické technologie Vysoké školy chemicko-technologické a proděkanem tamní Fakulty chemické technologie. Zabývá se zejména technickou elektrochemií a elektrochemickým inženýrstvím se zaměřením na oblasti vodíkových technologií (palivové články a elektrolýza vody) a zpracování vody, včetně matematického modelování. Je členem řady mezinárodních odborných organizací a za svou odbornou činnost byl oceněn například oceněním Carl Wagner Medal of Excellence, které uděluje Evropská federace chemických inženýrů nebo Cenou ministra školství, mládeže a tělovýchovy ČR za vědecké aktivity v oblasti nízkoteplotních palivových článků.
Úzká vazba mezi hostiteli a jejich parazity je důsledkem vzájemných evolučních interakcí. Jak těsnost vztahu ovlivňuje mezidruhové křížení hostitelských ryb zkoumala v rámci projektu podpořeného Grantovou agenturou ČR (GA ČR) Andrea Vetešníková Šimková z Přírodovědecké fakulty Masarykovy Univerzity.
Vzájemné křížení druhů (mezidruhová hybridizace) je běžným fenoménem u obratlovců, zejména u ryb. U hybridního potomstva první generace, tzv. první filiální generace hybridů (F1 hybridi), je častý rychlejší růst, delší přežívání a vyšší tolerance k environmentálním podmínkám nebo rezistence k parazitům v porovnání s rodičovskými druhy. Tento fenomén označujeme jako heterozní efekt (výhodu).
Heterozní výhoda se tedy ve většině případů vyskytuje pouze u F1 hybridů. U potomků, kteří vzniknou v dalších generacích tzv. zpětným křížením (tj. dojde ke křížení potomka F1 generace s jedním z rodičovských druhů), nastává selhání hybridů (hybrid breakdown), které je důsledkem genetické nekompatibility rodičovských genomů. Tito hybridi pak mají redukovanou biologickou zdatnost (fitness), trpí nízkou životaschopností a přežíváním, vykazují reprodukční abnormality nebo sterilitu, limitovanou ekologickou úspěšnost a jsou více postiženi parazity. Odolnost nebo naopak vnímavost vůči různým parazitárním infekcím tedy může být dobrým ukazatelem biologické zdatnosti hybridních ryb.
Paradiplozoon homoion – adultní jedinec s vajíčky, zástupce taxonu Monogenea
Studium genetické nekompatibility hybridů
Andrea Vetešníková Šimková je profesorkou zoologie na Přírodovědecké fakultě Masarykovy Univerzity. Více než dvacet let se se svým týmem věnuje evoluční biologii, ekologii a evoluční imunologii parazito-hostitelských vztahů v systémech rybích hostitelů a jejich asociovaných parazitů.
V průběhu řešení projektu podpořeného GA ČR se se svým týmem zaměřila na studium mezidruhového křížení u dvou systémů kaprovitých ryb s různou mírou genetické odlišnosti. První systém tvořil kapr obecný (Cyprinus carpio) a karas stříbřitý (Carassius gibelio), kteří vykazují menší míru genetické diferenciace, a druhý fylogeneticky více vzdálené druhy plotice obecná (Rutilus rutilus) a cejn velký (Abramis brama).
Studium patogenu asociovaného s rodičovským druhem
V prvním experimentu se výzkumný tým Andrey Vetešníkové Šimkové zaměřil na odolnost rodičů i hybridních generací v prvním systému (kapr obecný a karas stříbřitý) k viru jarní virémie (SVCV – Spring viraemia of carp virus), která představuje ekologicky i ekonomicky závažné onemocnění kaprovitých ryb.
Výsledky potvrdily vysokou vnímavost kapra obecného k infekci. Hybridi F1 generace byli nízce vnímaví k onemocnění podobně jako druhý z rodičovských druhů – karas stříbřitý. V případě post-F1 generací hybridů ovšem výzkumníci prokázali jejich vysokou vnímavost vůči virovému onemocnění, což lze interpretovat jako důsledek fenoménu hybridního selhání. Významnou roli ve vnímavosti některých skupin zpětných hybridů k virové nákaze sehrála tzv. cyto-nukleární nekompatibilita (tj. neslučitelnost vzniklých kombinací mitochondriálních a jaderních genomů) a rovněž byla důležitá role vnímavého (kapra obecného) nebo rezistentního (karase stříbřitého) rodičovského druhu v procesu křížení. Profily genů, které vyjadřují rozdíly v genové expresi mezi infikovanou a kontrolní skupinou ryb – zejména těch zapojených do důležitých imunitních drah –, vykazovaly podobnosti mezi F1 generací hybridů a rezistentním rodičem – karasem stříbřitým. Naopak k virové infekci vysoce vnímavý kapr obecný a generace post-F1 hybridů vykazovali vzájemnou podobnost i v expresi imunitních genů.
Podíl rodičovských genů a míra parazitace
Důsledkem vzájemných evolučních interakcí mezi parazity a hostiteli (koevoluce) dochází ke genetickým adaptacím na straně parazita i hostitele. Jejich častým důsledkem je, že parazit vykazuje morfologické adaptace, díky kterým se může přichytit pouze ke konkrétnímu druhu hostitele, který je kompatibilní pouze se specifickým parazitem (například z pohledu genetiky, imunity a/nebo morfologie parazitované tkáně).
Zájmovými parazity je skupina Monogenea, do které patří zejména vnější paraziti infikující žábry, ploutve a pokožku ryb. Tito parazité vykazují vysokou druhovou diverzitu, celou řadu specifických morfologických adaptací na úrovni orgánu, který jim umožňuje přichycení k povrchu rybího hostitele, a hostitelskou specifitu, tj. určitý druh parazita je často striktně asociován pouze s jedním druhem hostitele.
Plotice obecná i cejn velký, rodičovské druhy ve druhém studovaném systému, mají každý svoje asociované druhy monogeneí. Výzkumníkům se v případě infekce druhově početnými ektoparazity ze skupiny Monogenea podařilo prokázat hybridní heterozu – hybridi F1 generací vykazovali menší míru parazitární infekce, byli nicméně parazitováni hostitelsky-specifickými parazity obou rodičovských druhů. Překvapivým zjištěním byla asymetrie zastoupení rodičovským druhům asociovaných parazitů u F1 generací hybridů, kterou naznačily již i předešlé studie výzkumného týmu. Mechanismus tohoto jevu je zatím neznámý a vyžaduje další studie na molekulární úrovni.
Míra parazitárního zatížení v této studii byla srovnatelná u obou rodičovských druhů i generací zpětných hybridů. Výzkumníci prokázali, že míra zastoupení genů rodičovských druhů v genomu hybridních potomků je určující pro to, v jakém poměru budou zastoupeni jednotliví hostitelsky specifičtí parazité. Jejich výzkum tedy poukazuje na význam vzájemné adaptace (tzv. koadaptace) mezi hostitelsky specifickým parazitem a jeho asociovaným hostitelem.
Schéma křížení aplikováno v systému kapr obecný a karas stříbřitý. Vnímavost k viru jarní virémie je označena barevně (zeleně – rezistentní generace, červeně – vnímavé generace, žlutě – středně vnímavé generace).
Jak ovlivňuje zdatnost hybridů nespecifický parazit?
V další studii se výzkumníci zaměřili na to, jak hostitelsky nespecifičtí parazité ovlivňují zdatnost hybridů. Kandidátním parazitem byl opět zástupce monogeneí z čeledi Diplozoidae, který se vyznačuje unikátní životní strategií. Larvální stádia tohoto parazita migrují do cílové pozice na žábrách rybího hostitele, dochází k fúzi dvou larev a vzniká jedinec následně dosahující pohlavní zralosti.
Vybraný zástupce Paradiplozoon homoion nevykazuje hostitelské preference, a je tedy schopen infikovat vysoký počet různých hostitelských druhů, zástupců kaprovitých ryb. Studie ukázala nižší míru infekce u experimentálně infikovaných rodičovských druhů plotice obecné a cejna velkého a hybridů F1 generace, a naopak dokumentovala vyšší parazitární infekci u zpětných hybridů, což je v souladu s předpokladem jejich genetického selhání.
Výsledky získané experimentální parazitární infekcí vědci podpořili navazující analýzou rozdílně exprimovaných genů mezi infikovanými a neinfikovanými rybími jedinci (tzv. diferenciálně exprimovaných genů), při které hybridi F1 generace vykazovali nižší počet diferenciálně exprimovaných genů ve srovnání s hybridy zpětného křížení. Studie odhalila důležité dráhy rybího hostitele spojené s jeho imunitou, diferenciací červených krvinek a vazbou složek krevního barviva aktivované parazitem P. homoion, který se živí krví rybího hostitele.
prof. RNDr. Andrea Vetešníková Šimková, Ph.D., prezentující svůj výzkum na mezinárodní konferenci
Abychom poskytli co nejlepší služby, používáme k ukládání a/nebo přístupu k informacím o zařízení, technologie jako jsou soubory cookies. Souhlas s těmito technologiemi nám umožní zpracovávat údaje, jako je chování při procházení nebo jedinečná ID na tomto webu. Nesouhlas nebo odvolání souhlasu může nepříznivě ovlivnit určité vlastnosti a funkce.
Funkční
Vždy aktivní
Technické uložení nebo přístup je nezbytně nutný pro legitimní účel umožnění použití konkrétní služby, kterou si odběratel nebo uživatel výslovně vyžádal, nebo pouze za účelem provedení přenosu sdělení prostřednictvím sítě elektronických komunikací.
Předvolby
Technické uložení nebo přístup je nezbytný pro legitimní účel ukládání preferencí, které nejsou požadovány odběratelem nebo uživatelem.
Statistiky
Technické uložení nebo přístup, který se používá výhradně pro statistické účely.Technické uložení nebo přístup, který se používá výhradně pro anonymní statistické účely. Bez předvolání, dobrovolného plnění ze strany vašeho Poskytovatele internetových služeb nebo dalších záznamů od třetí strany nelze informace, uložené nebo získané pouze pro tento účel, obvykle použít k vaší identifikaci.
Marketing
Technické uložení nebo přístup je nutný k vytvoření uživatelských profilů za účelem zasílání reklamy nebo sledování uživatele na webových stránkách nebo několika webových stránkách pro podobné marketingové účely.
