Zajimave projekty a projekty ga cr v mediich Archivy - Strana 12 z 24

Požáry a kalamity ovlivňují horské smrkové lesy již po tisíciletí

18. 08. 2021

Různé disturbance neboli narušení lesů jsou v současném světě považovány za ožehavý ekologický problém. Jsou však kalamity pro lesy opravdu devastujícím prvkem? Co se děje s ekosystémy po deseti, dvaceti letech a co po několika staletích?

V posledních letech postihují disturbance zejména smrkové porosty polopřirozených a hospodářských lesů po celém území České republiky. Na Šumavě proběhla hlavní kalamita kůrovce již před více než deseti lety, kdy k jejímu velkému rozšíření přispěl i orkán Kyrill, který se prohnal územím v zimě roku 2007. Další známou disturbancí byla vichřice ve Vysokých Tatrách, která v roce 2004 zcela změnila jejich vzhled rozsáhlými polomy, což následně vedlo i k přemnožení dřevokazného hmyzu.

„Od té doby jsme však i přes vyhrocenou diskusi ohledně managementu takto zasažených míst svědky obrovské schopnosti regenerace lesa. Můžeme pozorovat ekologické procesy obnovy, změny biodiverzity nebo změny chemismu půd,“ říká doc. RNDr. Petr Kuneš, Ph.D., z Katedry botaniky Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy. Podle něho časový odstup zhruba 15 let od takové kalamity již nabízí určitý dlouhodobější pohled na to, co se s ekosystémy v takových případech děje. Avšak lesní ekosystém se vyvíjí v daleko delším časovém období, než jsme schopni během lidského života postřehnout. Proto se tým Petra Kuneše v projektu podpořeném Grantovou agenturou České republiky zabýval disturbancí lesních porostů v řádech tisíců let, a to od doby ledové až po současnost. „Jedině tak můžeme pozorovat nejen přirozenou skladbu lesů, ale i režim přirozených disturbancí. V našem současném pozorování nám totiž chyběla jedna zcela zásadní disturbance, a tou je oheň,“ vysvětluje Petr Kuneš.

Odebrání sedimentu ze dna Popradského plesa

Vědci si pro projekt vybrali jako modelová území právě zmiňovanou Šumavu a Vysoké Tatry. Cílem bylo rekonstruovat způsob šíření smrkových lesů v obou těchto oblastech a v návaznosti na to získat představu o frekvenci různých disturbancí v těchto ekosystémech, odpovědi ekosystémů na ně a také rychlost obnovy.

Oheň postihoval lesy daleko více, než se předpokládalo

Projekt vědců pod vedením Petra Kuneše prokázal, že hlavním a velmi častým typem disturbancí byly v minulých staletích požáry. „Ani nás tak nepřekvapila jejich častá frekvence v minulosti, což jsme již předpokládali na základě předešlých analýz z jiných oblastí. Překvapivé ale bylo zjištění, že časté požáry zachvacovaly i dominantně smrkové porosty. My jsme totiž očekávali, zejména pak na základě výsledků ze Skandinávie, že smrk požáry netoleruje a bude působit spíše jako jejich inhibitor. Na našem území tak zjevně působily odlišné podmínky formující dynamiku lesních jehličnatých porostů, než tomu bylo na severu Evropy, což je zajímavé zjištění i pro ochranu přírody,“ říká Petr Kuneš.

Vědci analýzami zjistili, že dominantní smrkové porosty se v obou oblastech ustavily již před mnoha tisíci lety – na Šumavě před 8 tisíci a v Tatrách již před 9,5 tisíci lety, a od té doby tvořily v obou oblastech stabilní lesní porosty. Zatímco v posledních 150 letech byly lesní požáry v těchto oblastech člověkem eliminovány, v minulých staletích byly součástí přirozeného fungování lesních ekosystémů, udržovaly biodiverzitu a je možné, že pomáhaly zabraňovat acidifikaci, tedy okyselování půdního prostředí.

Práce týmu doc. Kuneše na Prášilském jezeře na Šumavě

„Naše zjištění možná představují nové paradigma pro samotnou ochranu přírody, jejich aplikace ovšem bude vzhledem k legislativním podmínkám během na dlouhou trať,“ obává se doc. Kuneš. Podle něho lze z výsledků projektu usoudit, že změny klimatu mohou mít v budoucnu negativní vliv na více se rozšiřující listnaté dřeviny, jako je například buk.

Co odhalily sedimenty v rašeliništích a jezerech?

Vědci pro řešení projektu potřebovali posbírat co nejvíce dat – sedimentární záznamy, které by umožnily podívat se na přírodu i tisíce let nazpět. Požadované uloženiny poskytovala v již zmiňovaných oblastech Šumavy a Vysokých Tater horská rašeliniště a ledovcová jezera. Ze sedimentů pak vědci extrahovali nejrůznější uchované zbytky pylu, rostlin nebo hmyzu. „Vše jsme následně museli pod mikroskopem určit, přičemž mnohdy jsme pracovali ve vysokém časovém rozlišení. Pro příklad, získaný třímetrový profil jsme zpracovávali po půl centimetrových vrstvičkách. Ale i díky tomu jsme objevili řadu nečekaných věcí,“ říká doc. RNDr. Petr Kuneš.

Jednou z pozoruhodností bylo nalezení ojedinělé vrstvy v sedimentech Prášilského jezera na Šumavě. Datováním vědci zjistili, že náleží do období přechodu mezi časným a středním holocénem poledové doby, v odborných kruzích pojmenované jako události 8.2 (to označuje dobu cca 8200 let před současností). „V jezeře a ekosystémech kolem se v té době vlivem klimatického výkyvu dělo něco výrazného, co zanechalo silný erozní záznam a zároveň značné změny vodního a suchozemského ekosystému,“ vysvětluje Petr Kuneš. Prášilské jezero odhalilo i další překvapení, například doklady o relativně nedávném vymizení vodní výtrusné rostliny šídlatky, která je dnes na našem území kriticky ohrožena, nebo o výskytu dnes vymizelých druhů chrostíků.

Dřevokazný hmyz byl součástí ekosystémů i v minulosti

Podle Petra Kuneše jsou z paleoekologického hlediska současné české lesy produktem zásahů člověka v 19. století. „Dalo by se tak říct, že jeho plody sklízíme právě dnes, a to i s průvodní kůrovcovou kalamitou. Z ekologie ale i paleoekologických záznamů víme, že dřevokazný hmyz byl součástí přirozenějších ekosystémů neustále. Les se nachází v neustálém vývoji, jehož cyklus trvá několik set let, a součástí tohoto vývoje jsou i disturbance. Samozřejmě přirozené lesy, které dnes už na našem území nemáme, mají větší odolnost a schopnost regenerace díky větší druhové rozmanitosti a také odlišné věkové struktuře. Pokud tedy chceme docílit těchto vlastností lesa, měli bychom jít tímto směrem. Nakonec již ze Šumavy je zřejmé, že les je schopen se obnovit sám bez nutných zásahů člověka,“ míní doc. Petr Kuneš z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy.

doc. RNDr. Petr Kuneš, Ph.D., vystudoval biologii na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy v Praze. Doktorát se zaměřením na paleoekologii vegetace v pozdním glaciálu a časném holocénu obhájil v roce 2008 na katedře botaniky. Od 2009 do 2011 se jako postdoktorand na Department for Geoscience, Aarhus University zabýval minulými interglaciály. Na katedře botaniky PřF UK se nyní zabývá výzkumem a výukou v oblasti kvartérní paleoekologie a historie krajiny.

SOUVISEJÍCÍ ČLÁNKY

Vylepšení transparentní keramiky: Kombinace experimentu a teorie odhaluje nové možnosti

VÍCE INFORMACÍ

Podivný chromozom se vymyká zákonům dědičnosti

VÍCE INFORMACÍ

Může mít deset minut pohybu navíc vliv na zdraví?

VÍCE INFORMACÍ

Co dokáže spermie, zvládne i robot

11. 08. 2021

Grantová agentura České republiky ve spolupráci s Lidovými novinami připravila sérii článků o základním výzkumu. První se zaměřil na výzkum mikrobotů, na kterém se významně podílejí za podpory GA ČR i čeští vědci.

Ponorka o velikosti bakterie, která řízeně proplouvá lidským tělem a je schopna tam uskutečnit lékařské zákroky, zůstává zatím jenom snem. Ale výzkumníci jsou stále blíž k jeho uskutečnění. I díky české vědě.

Bylo to v roce 1966, když ve Spojených státech natočili dvěma Oscary oceněný film Fantastická cesta. Nejen historikové sci-fi, ale i seriózní výzkumníci v oboru robotiky jej dodnes považují za vizionářský počin.

Film se odehrává v době studené války, kdy se západní i východní experti snaží zmenšit předměty, ale také miniaturizovat lidi (jasně, to je úlet, ale je to jen film…). Velkých úspěchů v této oblasti dosáhl československý vědec Jan Beneš. Se svými poznatky utíká na Západ, východní špioni se jej pokusí zabít (to je bohužel realistické i dnes) a doktor Beneš zůstává ležet v kómatu.

Do mozku se mu dostala nebezpečná krevní sraženina, která se nedá běžnými medicínskými postupy odstranit. A tak mu na pomoc vyráží ponorka, vhodně zmenšená včetně pětičlenné lidské posádky uvnitř, takže zabírá velikost mikrobu a dá se do těla vpravit injekční stříkačkou. Z jakéhosi důvodu však v tomto stavu vydrží jen hodinu, pak se zase zvětší. Jak miniaturizaci zajistit trvale, ví jenom doktor Beneš, ale ten to říct nemůže, když je v kómatu a teprve se ho pokoušejí zachránit. Ponorka proplouvá lidským tělem, překonává jeho nástrahy, posádka bojuje i se špionem mezi sebou. Nakonec správní chlapci odstraní sraženinu pomocí laseru a uniknou z vědcova těla slzným kanálkem přes oko dřív, než se stačí zase zvětšit, zato ponorku i se zrádcem spolkne a zničí bílá krvinka.

Podivnosti mikrosvěta

„Co tehdy bylo naprostou fikcí, se dnes stává jasnou vizí pro medicínskou terapii, při níž se mikroroboti budou využívat pro dodání léku do organismu, pro zobrazování vnitřku těla i pro malé chirurgické operace,“ soudí v komentáři pro odborný časopis Science Robotics profesor Holger Stark z Technické univerzity v Berlíně. Jeho komentář hodnotí výzkumnou práci publikovanou v témže uznávaném odborném periodiku a věnovanou možnostem řízení pohybu titěrných objektů – tedy vlastně i potenciálních budoucích mikrorobotů.

Jedním z autorů zmíněné studie je také český vědec. Na rozdíl od filmového doktora Beneše však naštěstí neleží v kómatu a jeho úkolem není zmenšovat předměty z makrosvěta, nýbrž matematicky popsat, co se v mikrosvětě děje.

Tímto vědcem je teoretický fyzik Viktor Holubec, spolupracující s výzkumníky z Lipské univerzity, kde působil po získání doktorátu tři a půl roku jako držitel prestižního německého Humboldtova stipendia. Nyní šestatřicetiletý doktor Holubec pracuje na Matematicko-fyzikální fakultě UK v Praze a jeho práci z velké míry financuje Grantová agentura ČR.

„Zkoumáním pohybu malých částic jsem se zabýval už v rámci bakalářské, pak magisterské práce a také doktorské práce,“ říká. Pochopitelně nešlo o „opravdové“ miniaturní ponorky se strojovnou a posádkou uvnitř. Viktor Holubec se podílí na výzkumu mikroskopických částeček o průměru asi třicetiny tloušťky lidského vlasu plovoucích ve vodě. Mohou být předobrazem budoucích mikroskopických ponorek, ale také třeba současných bakterií – o možnostech jejich pohybu by vědci také rádi věděli víc.

Takto malé objekty, měřené v mikrometrech, tedy tisícinách milimetru, totiž patří do takzvaného brownovského světa. Pojmenování vychází ze jména skotského přírodovědce Roberta Browna, který před dvěma stoletími popsal, jak se hýbou pylová zrnka nebo částice prachu ve vodě. Říká se tomu Brownův pohyb a je odlišný od pohybu větších objektů v makrosvětě (a dnes víme, že se liší i od pohybu subatomárních částic ve světě kvantové fyziky).

Malá částice, třeba bakterie ve vodě, je součástí brownovského světa. V něm do ní a do sebe navzájem stále narážejí molekuly vody, které se pohybují chaoticky. Pokud bakterie aktivně neplave, je v důsledku těchto nárazů náhodně vláčena prostorem. „Totéž platí pro částice, které zkoumáme. Když ji zvenčí,popoženeme‘, pohybuje se požadovaným směrem, ale hned jak působení vnější síly skončí, částice směr ztratí a přejde na náhodný pohyb ovlivňovaný nárazy molekul vody,“ popisuje doktor Holubec.

Doháněná fantazie. Americký film Fantastická cesta (Fantastic Voyage) režiséra Richarda Fleischera z roku 1966 vzbudil zájem myšlenkou titěrné ponorky, která proplouvá lidským tělem – na tomto snímku mozkem. Vědci věří, že něčeho takového opravdu dosáhnou.

Bůh Janus se špatně řídí

Řídit mikroskopické částice tak, aby cíleně proplouvaly kapalinou, se snaží vědci po celém světě. Skupinu, s níž spolupracuje Viktor Holubec, vede profesor Frank Cichos z Lipské univerzity. Výzkumníci zde používají pracovní plošinu o velikosti zhruba čtyř psacích stolů, na níž je umístěn optický mikroskop, laser a zrcadla usměrňující jeho paprsky. Pokusná plocha má velikost pouhého sklíčka do mikroskopu. Pod ním je trocha vody, v níž plavou zmíněné mikročástice. Energii pro pohyb jim dodávají laserové impulzy. Počítač vyhodnocuje snímky pořizované v mikroskopu jednou za 180 milisekund a zjišťuje, kam se částice pohybují. Podle toho řídí následující záblesk laseru.

Částice jsou zpravidla z polystyrenu a pokryté zlatem. To je důležité, protože právě zlato se laserovým impulzem rozehřeje, a tím způsobí pohyb vody od zahřátého místa, čímž se částice posouvá. Tým profesora Cichose v minulosti používal a některé jiné výzkumné skupiny dosud používají polystyrenové částice, které jsou na jedné své polovině pokryty nepatrnou vrstvičkou zlata. Podle římského boha Januse, jenž býval zobrazován se dvěma tvářemi, se jim říká Janusovy částice. Mají ovšem nevýhodu – impulzy energie vedou k pohybu částice v požadovaném směru, jen pokud náhodný pohyb částici tímto směrem natočí.

„Naše skupina začala asi před třemi lety jako první používat částice pokryté malinkými, ale navzájem nepropojenými částečkami zlata,“ vysvětluje Viktor Holubec. „Laser tak může kdykoli zamířit na tu nejvýhodnější zlatou plošku a řídit pohyb částice mnohem efektivněji.“

Jenomže ani tak se zpočátku laserem poháněné částice nepohybovaly podle očekávání. Po impulzu energie mířily trochu jiným směrem, než měly. Výzkumníci se tedy snažili pochopit, jak je to možné, což byla do velké míry práce teoretického fyzika Holubce.

„Nakonec jsme na to přišli. Počítač totiž vyhodnotil mikroskopický snímek, který ukazoval umístění částice, a podle toho určil, kam poslat laserový impulz, aby částici dále posunul. To trvalo 180 milisekund. Takto kratičký časový úsek kolegové považovali za zanedbatelný, ale ukázalo se, že není,“ objasňuje doktor Holubec. „Když jsme všechno znovu propočítali, zjistili jsme, že i tak nepatrné zpoždění hraje v brownovském světě roli. Okolní prostředí stačí za tu chvilku s částicí pohnout a ona pak po impulzu energie zamíří pozměněným směrem.“

Viktor Holubec zdůrazňuje, že právě poznatek o roli zpoždění mezi počítačovým zpracováním informace o poloze částice a spuštěním laseru je významným výsledkem jejich výzkumu publikovaného v časopise Science Robotics. „Zjistili jsme, že k tomu, aby se částice dostala nejrychleji z bodu A do bodu B, není nejlepší ta nejvyšší rychlost, nýbrž rychlost nižší, ale přizpůsobená velikosti zpoždění při zpracování dat. Tento poznatek je významný i pro další objekty, které se v brownovském světě pohybují,“ objasňuje Viktor Holubec.

To však není zdaleka jediný přínos jejich výzkumu. „Částice, s nimiž pracujeme, nedokážou samy přijímat a zpracovávat informace ze svého okolí. Jejich pohyb řídíme zvenčí, ale využíváme k tomu metod umělé inteligence,“ konstatuje vedoucí týmu Frank Cichos. V tomto případě je to takzvané zpětnovazební učení (reinforcement learning). Při něm jde o to, že počítač, který řídí laser, a tedy pohyb částic, se díky algoritmu strojového učení sám učí, jak úkol nejlépe zvládat. Je to celosvětově poprvé, kdy výzkumníci použili tuto metodu umělé inteligence právě pro ovládání mikroskopických částeček v brownovském světě.

Pochopit chování bakterií

Výsledkem by mělo být, že člověk pouze zadá úkol dopravit částice do určitého místa, a propojený systém počítače, mikroskopu a laseru už zařídí, aby se tam skutečně dostaly za nejkratší dobu. Jde tedy o další krok k budoucím mikrorobotům plovoucím lidským tělem?

„Ano i ne,“ říká Viktor Holubec. „Vývoj tím směrem určitě jde, jenom je otázka, jak dlouho to ještě bude trvat. Třeba náš pohon částic pomocí laseru určitě nepůjde v lidském těle použít, nedokážu si představit, jak bychom do něj laserem svítili. Naše poznatky o pohybu mikroskopických částic však mohou být použitelné pro roboty s jiným pohonem. Ale také pro poznání mikrosvěta.“

To je podstata takzvaného základního výzkumu, jehož cílem není okamžitě přijít s vynálezem bezprostředně využitelným v praxi, nýbrž odhalovat zákonitosti fungování našeho světa. O získaných poznatcích doktor Holubec říká, že za nejvýznamnější považuje to, že pomáhá pochopit, co jsou klíčové ingredience prostředí, s nimiž se v lidském těle musejí vypořádat třeba bakterie – obdobně velké jako částice, které vědci zkoumali.

„Naše experimenty nám pomáhají lépe pochopit, proč bakterie dělají to, co dělají. Ony také musejí nějak optimalizovat svůj pohyb v mikrosvětě. Vždycky chvilku plavou, pak se zastaví a náhodně otáčejí, pak zase chvilku plavou. Anebo spermie: ty mají obdobnou velikost a ve stejném brownovském prostředí dokážou, poháněny svým bičíkem, velmi přesně mířit ke svému cíli – vajíčku,“ líčí doktor Holubec.

Takovéto výzkumy však nefinancují soukromé firmy, protože není předem jasné, k čemu při nich vědci dospějí a jak získané poznatky nakonec využijí. V Česku tedy základní výzkum financuje zejména Grantová agentura ČR. „Měli jsme štěstí, zatím jsme dostali všechny granty, o které jsme žádali, s jedinou výjimkou, ale i ten grant jsme pak získali o rok později,“ vzpomíná Viktor Holubec. „Pro financování výzkumu na univerzitě jsou granty klíčové, bez nich bychom nemohli dělat to, co děláme.“

Jeho nynější grant má hodnotu pět milionů korun na tři roky. Z něj dostává svůj plat, platí technické pomůcky i cestování do Německa či zvaní německých vědců do Prahy. „Tyto přímé kontakty se kvůli covidu hodně zkomplikovaly, snad se to brzy zlepší. Bez osobního setkávání je ve výzkumu všechno mnohem složitější,“ povzdechne si.

Dokážeme to

Přestože je při hodnocení dosavadních výsledků opatrný, myšlenka na mikroponorky cíleně putující lidským tělem doktora Holubce neopouští. Vidina, že se takto dopraví lék přesně na místo v těle, kde je zapotřebí, anebo že mikrorobot provede v těle požadovaný chirurgický zákrok, je podle něj zcela realistická, i když ještě nevíme, jak ji naplnit.

„Doprava molekul léku připevněných na vhodnou částici je určitě proveditelná. Chirurgická operace je složitější. Je obtížné si představit, že mikrorobot bude vybaven nějakými nástroji. Spíše předpokládám, že takový zákrok bude provedený chemicky, nějakou sloučeninou, která ve tkáni záměrně zničí to, co by jinak muselo být odstraněno skalpelem,“ zamýšlí se. Hodně nejasnou otázkou zůstává, zda mikroroboti budou někdy uplatnitelní třeba při řízení chemických reakcí v průmyslových výrobních procesech.

Na rozdíl od filmové mikroponorky zmíněné v úvodu tohoto článku, která měla lodní šroub, uvnitř strojovnu a vůbec všechno potřebné k ovládání vlastního pohybu, jsou částice používané v současných pokusech řízeny zvenčí. Do částice o velikosti třicetiny průměru vlasu lidé nedokážou ještě vložit stroj, který by ji poháněl.

„To platí dnes. Ale víme, že titěrné přirozené organismy, bakterie nebo třeba spermie se dokážou pohybovat samy. Takže to jednou musíme zvládnout i my při konstrukci mikrorobotů,“ tvrdí doktor Holubec. „Možná bude zpočátku nejvhodnější cestou přeprogramovat genetický kód mikroorganismů, aby se daly řídit. Ale nakonec jistě sestrojíme i mikroroboty schopné pohybovat se a plnit úkoly i bez vnějšího zásahu. Když to dokážou spermie, dokáže to i robot.“

Jedním z autorů studie je český vědec, na rozdíl od filmového doktora Beneše neleží v kómatu a jeho úkolem není zmenšovat předměty, ale popsat, co se děje v mikrosvětě „Víme, že titěrné přirozené organismy, bakterie nebo třeba spermie se dokážou pohybovat samy. A co dokáže spermie, musí časem dokázat i mikrorobot.“

Bez posádky. Ve filmové mikroskopické ponorce byla i tajuplně zmenšená lidská posádka – na snímku zrovna provádí výsadek v plicích. Reálně vyvíjené mikroskopické ponorky budou zřejmě také řízené lidmi a počítači, ale zvenčí.

Minirobot se provrtá do nádoru

Česká republika je přímo rájem vědců, kteří vytvářejí titěrné roboty. Některé mají podobu zrnka pylu poháněného jako torpédo, jiné by měly být schopné provrtat se do nádoru jako droboučký vrut a zničit jej.

Pylové zrnko je malinké, lehké, plave na vodě, je snadno dostupné a levné. Dá se tedy použít jako šikovný základ pro vytvoření velké „flotily“ plovoucích mikrorobotů. Vědci na jednu stranu očištěného pylového zrnka přilípnou nepatrnou vrstvičku platiny a zrnka vhodí do vody. Do ní přidají peroxid vodíku. Ten se vlivem platiny rychle rozkládá na vodu a kyslík, vznikají bublinky a zrnko ženou dopředu jako torpédo.

Výzkumníci používají pyl pampelišky, borovice, lotosu, slunečnice či máku. Má přirozenou schopnost do sebe vsakovat rtuť, takže čistí životní prostředí.

Tak vypadá jeden z experimentů vědců, které vede sedmačtyřicetiletý profesor Martin Pumera. Vystudoval Přírodovědeckou fakultu Univerzity Karlovy v Praze a osmnáct let působil na univerzitách v zahraničí – v USA, Singapuru či Japonsku. V roce 2017 se vrátil do Česka, nyní je profesorem na pražské Vysoké škole chemicko-technologické a na Středoevropském technologickém institutu (CEITEC) Vysokého učení technického v Brně.

Jeho týmy, do nichž se mu podařilo získat řadu vědců ze zahraničí, se zabývají využitím nanomateriálů (látek o velikosti nanometrů, tedy miliontin milimetru) a také miniaturními roboty.

Raketový motor pro mikrotrubičku

Mikroroboty z pylového zrnka, jejichž výboj profesor Pumera s kolegy popsal loni v odborném časopise Advanced Functional Materials, jsou už starším pojetím. „Jejich pohyb nemůžete řídit, prostě je nasypete do vody, ony tam rejdí všemi směry, navážou na sebe rtuť a vy je pak naberete a z vody odstraníte,“ popisuje Martin Pumera možnosti jejich využití. Samozřejmě je nutné zvolit nasazení v takovém prostředí, v němž by poněkud žíravý peroxid vodíku nevadil.

Oproti tomu mikroponorka, kterou tým profesora Pumery představil letos na jaře v odborném periodiku Small, už reprezentuje vyšší ligu. Také je zamýšlená třeba na odstraňování toxického odpadu z vody. Má tvar trubičky, která je dlouhá asi deset mikrometrů (setinu milimetru) a obsahuje tři vrstvy.

Ve vnitřní vrstvě je sulfid kademnatý, jenž na světle rozkládá okolní vodu. Výsledek je podobný raketovému motoru – z jednoho konce trubičky proudí protony vzniklé rozkladem vody a trubička se tedy pohybuje v opačném směru rychlostí asi 15 mikrometrů za sekundu. Ve střední vrstvě trubičky jsou pak nanočástice železa. Výzkumníci proto mohou slabým magnetickým polem řízeně otáčet trubičku podobně jako střelku kompasu, takže mikroponorka se natáčí požadovaným směrem a „raketový motor“ ji tam pohání. A vnější vrstva obsahuje oxid titaničitý, který na světle umožňuje reakce rozkládající znečišťující chemikálie.

Tato mikroponorka je tedy už zvenčí řiditelná: světlo spouští „raketový motor“, jehož palivem je okolní voda, a magnetické pole určuje směr pohybu. Když nesvítí světlo, mikroponorka se zastaví.

V květnu proto zahájil profesor Pumera nový, čtyřletý projekt, v němž usiluje o vytvoření titěrných robotů schopných pohybovat se v lidském těle. „Samozřejmě je v této fázi nebudeme používat na lidech,“ zdůrazňuje. „Od lékařů dostaneme opravdové lidské rakovinné nádory vyoperované pacientům a na nich budeme v laboratoři ověřovat možnosti našich mikrorobotů. Bude to větší krok k reálnému prostředí, než jaký se komu zatím podařil,“ dodává.

V tomto případě vědci chtějí využít mikroroboty ve tvaru vrutů. Vzorek tkáně s vloženým mikrorobotem se vsune do tunelu v přístroji, jenž je jakousi zmenšenou verzí magnetické rezonance používané v nemocnicích. Elektromagnetické cívky, které tunel obklopují, vytvoří proměnné magnetické pole.

„V něm jsme schopni velmi citlivě řídit otáčení mikrorobotu tak, aby se provrtal nádorovou tkání na požadované místo. Předpokládáme, že k němu přilípneme lék, a ten se tak dopraví přímo na místo, kde by měl účinkovat,“ popisuje profesor Pumera.

Projekt je teprve v začátcích. Kromě Vysoké školy chemicko-technologické se na něm podílejí také 1. lékařská fakulta Univerzity Karlovy, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity, pražská Fakultní nemocnice v Motole a také Lékařská fakulta Harvardovy univerzity v USA.

Investice se nakonec vrátí

„Když lidé slyší o našem výzkumu, mívají přehnané představy. Určitě víme, že naše poznatky se do nemocnic nedostanou za pět let. Věřím, že dokážeme změnit léčbu různých nemocí, ale i když se všechno bude dařit, lékaři je využijí nejdřív za deset patnáct let,“ upozorňuje profesor Pumera. Vysvětluje, že takto dlouhodobé projekty si málokterá soukromá firma může dovolit. Proto se na nich podílejí vědecké týmy ze světa a získávají na ně peníze od veřejných institucí.

„My teď máme granty, tedy finanční prostředky na výzkum mikrorobotů a nanomateriálů, z fondů Evropské unie, od Grantové agentury ČR a ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy. Jsou to dlouhodobé investice, které se ale lidstvu nakonec mnohonásobně vrátí,“ říká Martin Pumera s jistotou.

Autor: Josef Tuček

Prestižní projekty JUNIOR STAR: Představujeme unikátní výzkumy začínajících excelentních vědců

30. 07. 2021

Grantová agentura České republiky (GA ČR) v loňském roce podpořila 30 projektů, které jako první uspěly v grantové soutěži JUNIOR STAR. Na projekty vědci získali od GA ČR až 25 milionů korun. Cílem JUNIOR STAR je zlepšit začínajícím vědcům podmínky pro výzkum v České republice.

Projekty JUNIOR STAR jsou zaměřeny na podporu excelentního základního výzkumu. Poskytují příležitost začínajícím vědcům dosáhnout vědecké samostatnosti a případně i vybudovat novou vědeckou skupinu s moderním vybavením. Řešitelé a řešitelky byli vybráni výhradně zahraničními odborníky na základě několikakolového výběrového procesu. Granty jsou určeny badatelům, kteří dokončili doktorát maximálně před osmi lety, již publikovali v prestižních mezinárodních časopisech a mají za sebou významnou zahraniční zkušenost.

Pokračujeme v seriálu, v kterém vás pravidelně seznamujeme s podpořeným projekty JUNIOR STAR. V druhém díle můžete nahlédnout pod pokličku dalších unikátních vědeckých projektů.

ÚLOHA AIRE-PRODUKUJÍCÍCH ILC3 BUNĚK V REGULACI TH17 ODPOVĚDI

Mgr. Jan Dobeš, Ph.D., Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy

„Čím více budeme rozumět jednotlivým procesům imunitního systému a tomu, jak do sebe zapadají, tím lépe jsme schopni efektivněji cílit léčbu v případě, že náš imunitní systém z nějakého důvodu funguje špatně nebo reaguje neadekvátně.“

webové stránky projektu

Jan Dobeš zkoumá s týmem tzv. antigen prezentující buňky (APC). Jde o skupinu bílých krvinek imunitního systému, které rozhodují o aktivaci obrany našeho těla při napadení patogeny, jako jsou bakterie, viry nebo kvasinky. Tyto buňky si můžeme představit jako velitele, kteří rozhodují o správném způsobu obrany proti nepříteli. Rozdávají detailní příkazy dalším buňkám imunitního systému, dodají popis nepřítele a rozhodnou, jakým způsobem proti nepříteli bojovat.

„Snažím se nahlédnout do mysli těchto malých generálů a přijít na to, jakým způsobem instruují své podřízené jednotky a vedou je ke zničení infekce. Dále zjišťuji, co je vede k tomu, že se občas spletou, což může vést k velmi nepříjemným důsledkům,“ přibližuje předmět výzkumu Jan Dobeš z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy.

Projekt JUNIOR STAR by měl přinést zjištění, jak fungují rozhodovací mechanismy buněk imunitního systému v případě obrany proti patogenům a jak mohou stejné procesy vést ke vzniku autoimunitních onemocnění.

Mgr. Jan Dobeš, Ph.D.

KINÁZY V BUNĚČNÉM MEMBRÁNOVÉM TRANSPORTU: KLÍČOVÝ CÍL PRO VÝVOJ ÚČINNÝCH LÉČIV

Ing. Zuzana Kadlecová, Ph.D. – Lékařská fakulta Masarykovy univerzity

„Cílem projektu je objasnit roli enzymů při přijímání potravy buňky, což povede k lepšímu porozumění základních fyziologických procesů v těle.“

Endocytóza je aktivní proces, kterým buňka přijímá materiál ze svého vnějšího prostředí, a to včetně látek, které jsou příliš velké na volné projití membránou.
Přesto, že endocytóza hraje zásadní roli ve fyziologických dějích i proto, že díky ní buňka získává látky potřebné pro její vývoj, základní výzkum doposud přinesl překvapivě jen velmi málo poznatků o její molekulární regulaci. Ta spočívá v řízení buněčných procesů na molekulární úrovni, které závisí na interakci a působení biomakromolekul, jež se takto navzájem ovlivňují. Spolupráce mezi biomakromolekulami rozhoduje o jejich přesném umístění v buňce, funkci a vlastnostech, což vede ke správnému a rychlému vykonání daného úkolu.

„Mojí vizí je porozumět roli kináz neboli enzymů v endocytóze a následkům jejich deaktivace. Zaměřuji se na kinázy NAK, které jsou spojovány s řadou patologických procesů, jako je například jedna z nejhůře léčitelných bolestivých stavů – neuropatická bolest nebo virální infekce. Konkrétní molekuly, které zavádějí zbytky kyseliny fosforečné do NAK, tedy NAK fosforylují a ovlivňují jejich funkci, zůstávají velkou neznámou. Očekávám, že naše výsledky objasní konkrétní mechanismy terapeutického využití těchto kináz,“ říká Zuzana Kadlecová, která se svým týmem na Univerzitě v Cambridge přišla s velmi zajímavým zjištěním, že endocytóza je buňkou regulována. Tím vyvrátila dosavadní hypotézu, že tento proces probíhá spontánně. Díky podpoře GA ČR vědkyně naváže na svůj předchozí úspěšný výzkum.

Výzkumný projekt Zuzany Kadlecové přináší nové poznatky, díky kterým lépe porozumíme základním fyziologickým procesům v těle. Výsledky objasní konkrétní mechanismy terapeutického využití těchto kináz, které umožní vývoj nových léčebných postupů nebo protinádorových látek.

Ing. Zuzana Kadlecová, Ph.D.

MAPOVÁNÍ CHEMODIVERZITY PEPŘOVNÍKOVÝCH ROSTLIN POMOCÍ NOVÉ GENERACE PLATFORMY MZMINE

Mgr. Tomáš Pluskal, Ph.D., Ústav organické chemie a biochemie AV ČR

„Pomocí unikátní softwarové platformy MZmine zmapujeme chemickou rozmanitost produktů látkové přeměny metabolismu pepřovníkových rostlin a zjistíme, jakými mechanismy pepřovníky molekuly produkují na úrovni genů a proteinů.“

Projekt JUNIOR STAR Tomáše Pluskala se zaměřuje na vývoj nových výpočetních analytických metod, zejména vylepšení softwarové platformy MZmine, kterou původně vytvořil během doktorského studia. Tato unikátní platforma je hojně využívána vědci po celém světě pro analýzu dat z hmotnostní spektrometrie.

„Mým cílem je rozšířit MZmine o moduly pro identifikaci přírodních látek pomocí nejnovějších technik v oboru. Tyto nástroje budeme poté aplikovat na rostliny z čeledě pepřovníkovitých, která obsahuje asi 3600 druhů a je známá právě rozmanitostí svých metabolitů, což jsou produkty látkové přeměny metabolismu, z nichž mnoho má popsané léčivé účinky. Mezi pepřovníky patří kromě známého koření také např. psychoaktivní kava – pepřovník opojný nebo pippali – pepřovník dlouhý, který se používá v ajurvédské medicíně v Indii,“ představuje výzkum Tomáš Pluskal z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd České republiky (ÚOCHB), který původně studoval informatiku na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy.

Po ukončení studií se Tomáš Pluskal rozhodl díky své zálibě v bojových uměních vycestovat do Japonska. Zde se mu naskytla příležitost věnovat se molekulární biologii ve výzkumném institutu na Okinawě, která ho natolik zaujala, že se se rozhodl této oblasti i nadále věnovat. Po absolvování postdoktorální stáže na Massachussettském technologickém institutu v Cambridge otevřel vlastní laboratoř na ÚOCHB, kde se nyní snaží propojit nejnovější experimentální a výpočetní přístupy k biochemii přírodních látek. Takto získané znalosti se následně dají využít pro cílenou produkci vzácných molekul pomocí biosyntetických nástrojů.

Očekává se, že softwarové platformy a nástroje, které budou vyvinuty v rámci projektu, budou mít širší přínos pro zkoumání i jiných organismů, a to včetně živočichů.

Mgr. Tomáš Pluskal, Ph.D. (foto: Tomáš Belloň /ÚOCHB)

ROLE INSTITUCIONÁLNÍCH FAKTORŮ A INFORMACÍ NA TRZÍCH VEŘEJNÝCH ZAKÁZEK

Bc. Vítězslav Titl, M.Sc., Ph.D., Právnická fakulta Univerzity Karlovy

„Výzkum se zabývá především empirickou analýzou trhu veřejných zakázek, jehož výsledky povedou k vyšší efektivitě nebo úsporám ve veřejném sektoru.“

Výzkumný projekt Vítězslava Titla se zabývá efektivitou trhu veřejných zakázek. Konkrétně se zaměřuje na tři aspekty efektivity veřejných zakázek, které doposud nebyly detailně akademicky zkoumány: zakázky pouze s jedním soutěžícím, vliv cíleného informování firem o veřejných zakázkách a vliv veřejného dohledu a online monitoringu ve veřejných zakázkách.

„V České republice je obrovský podíl zakázek pouze s jedním uchazečem, který je výrazně vyšší než ve vyspělých západních zemích. Ve výzkumu se pokusím zjistit, jestli a jak moc tato situace snižuje efektivitu a jak mohou zadavatelé změnit svoje chování, aby se tento podíl snížil a zvýšila se konkurence ve veřejných zakázkách. Budu hledat důvody, proč se firmy neúčastní veřejných zakázek a jak to změnit.

Dalším tématem, kterým se zabývám, je role veřejnosti při dohledu nad trhem veřejných zakázek v rozvojových zemích. Zajímá mě, jaké podmínky musí být splněny, aby transparentnost trhu veřejných zakázek umožnila veřejnosti efektivně kontrolovat tento trh veřejných zakázek tak, aby se fungování tohoto trhu zlepšilo,“ doplňuje vědec, který se díky podpoře GA ČR vrátil po sedmi letech působení v Belgii a Holandsku zpět do České republiky.

Cílem projektu JUNIOR STAR je přispět k pochopení rozsahu neefektivity na trzích veřejných zakázek a návrh veřejných politik, které povedou k vyšší efektivitě anebo úsporám pro veřejný sektor.

Bc. Vítězslav Titl, M.Sc., Ph.D.

Vědci popsali nový typ sférické černé díry řešením tzv. kvadratické gravitace

21. 07. 2021

Již sto let fascinuje fyziky i matematiky Einsteinova obecná teorie relativity. Ta je často označována jako nejkrásnější ze všech existujících fyzikálních teorií.

Einsteinova teorie gravitace má významné astrofyzikální důsledky. Například z ní vyplývá existence gravitačních vln, kosmologické expanze vesmíru anebo černých děr ― oblastí prostoru, ve kterých je prostor a čas zakřiven takovým způsobem, že z nich nic nemůže uniknout, dokonce ani světlo. Tato témata jsou již řadu let předmětem zkoumání prof. RNDr. Jiřího Podolského, CSc., DSc., z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy. V poslední době se zabývá i přesným řešením rovnic teorie kvadratické gravitace, která přirozeně zobecňuje Einsteinovu teorii. A to bylo i tématem jeho projektu podpořeného Grantovou agenturou České republiky.

Hledání nerotující černé díry

Rovnice kvadratické gravitace jsou z matematického hlediska ještě mnohem složitější než Einsteinovy rovnice. Je velmi obtížné najít jejich přesná, explicitní řešení. „Dosavadní práce mnoha autorů se téměř vždy omezovaly jenom na přibližná, aproximativní řešení, anebo na jejich numerická řešení pomocí počítačů. My se ale dlouhodobě soustředíme na hledání a fyzikální analýzu exaktních řešení gravitačních rovnic, protože jen ty umožnují činit nezpochybnitelné závěry o fyzikálních důsledcích dané teorie,“ říká profesor Jiří Podolský.

Jeho tým se pustil do hledání nejjednodušší nerotující černé díry, která má dokonale sférickou symetrii. To se mu podařilo. „Našli jsme zobecnění slavného Schwarzschildova řešení z roku 1915, což je unikátní a jediné možné sférické vakuové řešení v Einsteinově teorii gravitace. My jsme ale rigorózně dokázali, že v obecnější teorii kvadratické gravitace je třída sférických černých děr mnohem širší,“ vysvětluje prof. Podolský.

„Schwa-Bachova“ černá díra

Prvním klíčovým krokem týmu profesora Podolského bylo přeformulovat složité rovnice do jednodušší podoby pomocí tzv. Bachova tenzoru. Druhým pak bylo použití úplně nového tvaru sférické metriky, který umožňuje Bachův tenzor snadno vyjádřit. Díky tomu se obecně nesmírně komplikované rovnice kvadratické gravitace zredukovaly na dvě krátké diferenciální rovnice pro dvě neznámé funkce jediné proměnné. Ve třetím kroku pak tým tyto rovnice kompletně vyřešil pomocí řad.

„Při tom se ukázalo, že existuje několik různých typů řešení. Tím jsme objevili nejenom zmíněné zobecnění klasické Schwarzschildovy černé díry (nazvali jsme ji Schwarzschildova−Bachova černá díra, familiárně prostě jen Schwa−Bach), ale také několik úplně nových a dosud neznámých tříd sférických řešení ve zcela obecné teorii kvadratické gravitace,“ uvádí profesor Podolský.

Podle výzkumníků může nově objevený typ černé díry pomoci lepšímu pochopení kvadratických korekcí Einsteinovy teorie nebo k testování teorií kvantové gravitace a sjednocených interakcí.

Od teorie k reálné astrofyzice a fyzice vysokých energií

„Naše výsledky jsou ryze teoretického charakteru, spadají do základního výzkumu gravitace. Existují ale jasné styčné body směrem k reálné astrofyzice a kosmologii, která dnes experimentálně studuje černé díry, jimi generované gravitační vlny i zrychlené rozpínání vesmíru způsobené temnou energií. A také k fyzice vysokých energií, částicové fyzice, kvantové teorii pole a superstrun,“ říká Jiří Podolský. Podle něho se jimi nalezená řešení mohou v budoucnu uplatnit i při testování kvantové gravitace a teorií sjednocených interakcí.

„Kvadratická gravitace totiž je ― na rozdíl od Einsteinovy obecné relativity ― renormalizovatelná, neboli v principu je snazší najít její kvantovou verzi a propojit ji s kvantovými poli hmoty,“ dodává profesor Jiří Podolský.

prof. RNDr. Jiří Podolský, CSc., DSc. (*1963)

Vystudoval Matematicko-fyzikální fakultu Univerzity Karlovy, kde od té doby nepřetržitě působí na Ústavu teoretické fyziky. V letech 1990–91 studoval v USA na University of New Mexico, habilitoval se 2001 a v roce 2011 byl na MFF UK jmenován profesorem. Zabývá se relativistickou fyzikou, zejména studiem přesných prostoročasů v Einsteinově obecné teorii relativity a v kvadratické gravitaci, které popisují gravitační vlny, černé díry nebo kosmologické modely. Je autorem či spoluautorem více než 100 původních prací v mezinárodních odborných časopisech a dvou vědeckých monografií. Získal několik ocenění, mj. Cenu Bolzanovy nadace (1998) a Cenu děkana MFF UK za nejlepší monografii (2009) za knihu Exact Space-Times in Einstein’s General Relativity vydanou Cambridge University Press. Přeložil 16 populárně-naučných knih z oblasti teoretické fyziky a astronomie. Působil také jako odborný poradce desetidílného seriálu Génius: Einstein z produkce National Geographic, který se v letech 2016–17 natáčel v Česku.

Vliv klimatu na živou přírodu dokázali vědci přečíst ze sedimentů starých 10–15 tisíc let

15. 07. 2021

Holocén neboli doba poledová je období, během kterého do přírodních procesů významnou měrou vstoupil také člověk. Na jeho začátku se však příroda dynamicky vyvíjela vlivem klimatických změn, které nastaly po skončení poslední doby ledové.

Výměnu druhů formovalo kromě ústupu chladnomilných prvků zejména šíření těch teplomilných z různě vzdálených refugií, tedy míst, kde přečkaly dobu ledovou. To platí pro podstatnou část druhů našeho klimatického pásu. A právě holocennímu vývoji evropské bioty mírného pásu se věnoval projekt financovaný GA ČR prof. RNDr. Michala Horsáka, Ph.D., z brněnské Masarykovy univerzity, podle kterého studium těchto procesů umožňuje pochopit i současnou podobu naší živé přírody, tedy to, nakolik je ovlivněna přírodními procesy a nakolik lidskými vlivy v průběhu posledních osmi tisíc let.

Hledači pokladů

Velkou výzvou každého paleoekologického výzkumu, tedy studia vztahů mezi organismy a prostředím v minulosti, je nalezení vhodného záznamu vývoje. „Jsme na tom podobně jako Indiana Jones, hledači pokladů. Rosettskou desku pro nás představuje nalezení souvislého sledu sedimentů, který se plynule a pravidelně ukládal po dobu posledních 10–15 tisíc let, tedy právě po odeznění doby ledové,“ vysvětluje profesor Horsák. Podle něho pak lze v takovém záznamu číst jako v Alexandrijské knihovně – slovy jsou zachovalé schránky drobných plžů, semena a pyl rostlin, mikroskopické schránky krytenek (jednobuněčných eukaryot), ale také chemické vlastnosti sedimentu, jako jsou změny zastoupení prvků nebo jejich izotopů.

„Pomocí radiokarbonové metody jsme schopni hloubku sedimentu napojit na absolutní časovou osu. V tom může být někdy problém. Metoda je instrumentálně relativně jednoduchá, ale finančně nákladná a také skýtající mnohá úskalí. V určitém typu prostředí může docházet k výraznému zkreslení stáří, datovaného například pomocí ulit plžů, a na to je třeba dát velký pozor. Takovou komplikaci jsme řešili i v jedné z našich studií. Podařilo se nám ji zdárně překonat a výsledek stál za tu námahu,“ poodhaluje Michal Horsák práci na projektu, do kterého se zapojil tým vysoce motivovaných a schopných výzkumníků nejen z Masarykovy univerzity, ale i Univerzity Karlovy a také vědečtí kolegové ze zahraničí.

„Po vědecké stránce mě osobně překvapilo zjištění, jak moc bylo šíření lesních plžů z glaciálních refugií směrem na západ Evropy řízeno klimatem. Dříve jsem se klonil spíše k hypotéze, že současný úbytek lesní malakofauny [vysv. ed.: fauny měkkýšů] směrem na západ je podmíněn zejména holocenním působením člověka,“ říká profesor Horsák.

Poznání minulosti je klíčem k představě o budoucnosti

Tříletý projekt vědeckého týmu pod vedením profesora Horsáka přinesl okolo 35 vědeckých publikací, mnohé vyšly v prestižních oborových časopisech. Každá z nich má originální a zobecnitelné výsledky. Hlavní praktické uplatnění najdou zejména v ochraně přírody. „Naše výsledky jsou využitelné pro odhady dopadu budoucích klimatických změn i lidské činnosti na biodiverzitu a dynamiku ekosystémů,“ uvádí profesor Michal Horsák.

Jedna ze studií jeho týmu odhalila historický původ reliktních společenstev celoevropsky silně ohrožených travertinových mokřadů. Ty se za posledních tisíc let utvářely pod vlivem lidského hospodaření mnohem víc, než se myslelo. To jim vtisklo určitou paměť.

„Naše výsledky dokládají nutnost pravidelného ochranářského managementu, jako prostředku pro budoucí udržení tohoto přírodního, ale i kulturního dědictví.“

Nedocenitelnou hodnotu má právě ohromný archiv informací ukrytých v sedimentu těchto lokalit. „My jsme do něj sice nahlédli, ale rozvíjející se metody v budoucnu pravděpodobně umožní přečtení kvalitativně nových informací. Zničení takových archivů by byla nevratná ztráta,“ dodává prof. RNDr. Michal Horsák, Ph.D.

Michal Horsák (*1975) vystudoval zoologii na Přírodovědecké fakultě Masarykovy univerzity v Brně. V Ústavu botaniky a zoologie téže fakulty se věnuje zejména výzkumu kontinentálních měkkýšů mírného pásu, ekologii společenstev a kvartérní paleoekologii.

Vědci vyvinuli nové plazmové výbojky založené na tenkých keramických substrátech. Sloužit budou třeba k čištění povrchů nebo ke zvyšování produkce osiv

29. 06. 2021

Jako vynikající Grantová agentura ČR ohodnotila výzkum zabývající se vývojem tenkých ohebných keramických substrátů s optimalizovanými elektrickými vlastnostmi pro plazmové zdroje. Pod vedením profesorů Martina Trunce a Mirko Černáka na něm pracoval tým odborníků ze Středoevropského technologického institutu CEITEC VUT a z Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity. Na základní tříletý výzkum by nyní rádi navázali jeho pokračováním.

Prvotní nápad na projekt vznikl při přátelském posezení mladých vědců na zahrádce u piva. „Spekulovali jsme o novém směřování výzkumu keramických materiálů pro generaci bariérových výbojů. Právě tam vznikl základní impuls, který jsme následně sepsali do podoby projektu. Zabralo nám to zhruba rok,“ popisuje cestu k úspěšnému řešení jeden z vedoucích Martin Trunec z CEITEC VUT.

Konkrétně se jednalo o tříletý projekt pod záštitou Grantové agentury ČR s názvem Ohebné keramické substráty s optimalizovanými elektrickými vlastnostmi řešený v letech 2018–2020. Hlavním cílem projektu byl vývoj tenkých ohebných keramických substrátů s optimalizovanými elektrickými vlastnostmi pro plazmové zdroje. „Připravit takové substráty vyžadovalo vyvinout novou metodu přípravy, která umožní z nanometrových částic vytvořit velmi tenké keramické substráty s požadovanými vlastnostmi,“ upřesňuje Martin Trunec.

Výzkumníci rovněž zkoumali materiálové složení keramických substrátů pro dosažení optimálních podmínek pro zapálení a hoření plazmatu. „Při řešení projektu jsme se snažili připravit takový keramický materiál, kterým by svými fyzikálně-chemickými vlastnostmi usnadnil zapálení a udržovaní nízkoteplotního výboje. Právě to je totiž stěžejním prvkem pro průmyslové aplikace,“ říká Mirko Černák z Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity, který se se svým týmem věnoval především sestavování plazmových výbojek a jejich testování.

Jak ale známe z každodenního života, ohebnost keramických materiálů není jejich typickou vlastností. „Teoretické výpočty v průběhu výzkumu však ukázaly, že keramické substráty mohou být vysoce flexibilní, pokud má materiál vysokou pevnost a substrát je dostatečně tenký. To jsme následně i experimentálně potvrdili,“ objasňuje Martin Trunec. Ten se svým týmem díky dlouholetým zkušenostem v oblasti pokročilých keramických materiálů zaštítil proces přípravy keramických substrátů.

Vyvinuté plazmové výbojky založené na tenkých keramických substrátech mohou sloužit například jako základní jednotky nových pokročilých zařízení využívaných v průmyslu pro plazmové čištění od anorganických nečistot, pro dezinfekci, přípravu ozonu nebo například v zařízeních zvyšujících klíčivost osiv.

K úspěšnému řešení projektu podle obou vedoucích jednoznačně přispěla spolupráce vědců ze dvou významných brněnských institucí i výrazná angažovanost mladých studentů. „Studenti během řešení projektu zvýšili svou kvalifikaci a týmu zároveň poskytli neustálý tok nových myšlenek a přispěli také při řešení komplikací, které jsme nepředvídali,“ vyzdvihuje Mirko Černák.

Výstupem rozsáhlého projektu je mimo jiné i osm odborných publikací. „Posunovali jsme poznání v oblasti dielektrických bariérových výbojů sloužících ke generaci nízkoteplotního atmosférického plazmatu. S dílčími poznatky nyní dále pracujeme,“ uzavírá Martin Trunec. Výzkumníci už proto podali žádost o navazující projekt a doufají, že během něho budou moci ještě efektivněji prozkoumat a navrhovat keramické substráty zvyšující produkci volných radikálů v nízkoteplotním atmosférickém výboji. Ty by se v budoucnu mohly rovněž využívat například pro sterilizaci povrchů či produkci ozonu.

Endokrinní disruptory negativně ovlivňují stavbu i funkci mužských pohlavních orgánů

23. 06. 2021

V posledních letech dochází ke zhoršení mužského reprodukčního zdraví, což se projevuje zejména snížením mužské plodnosti a nárůstem případů nádorů mužských pohlavních orgánů.

Chemické látky v životním prostředí kolem nás, které narušují hormonální rovnováhu v organismu, tzv. endokrinní disruptory, se zdají být jednou z hlavních příčin těchto vážných zdravotních problémů. Proto je důležité ve větším rozsahu hodnotit tzv. reprodukční toxicitu látek a identifikovat látky působící jako endokrinní disruptory, které mohou narušovat hormonální systém. Jak vybrané endokrinní disruptory ovlivňují negativně stavbu i funkce varlat, a jakými mechanismy by toto mohly způsobovat, zkoumal v projektu podpořeném Grantovou agenturou České republiky tým mladé vědkyně RNDr. Ivy Sovadinové, Ph.D., z výzkumného centra RECETOX na Přírodovědecké fakultě Masarykovy univerzity v Brně.

Mezibuněčná komunikace

Aby mnohobuněčný organismus mohl správně fungovat jako celek, musí všechny buňky ve tkáních a v těle mezi sebou navzájem komunikovat, a tím koordinovat a harmonizovat své chování. Existuje řada způsobů mezibuněčné komunikace, jako je komunikace na dálku prostřednictvím hormonů nebo komunikace přímým dotykem dvou sousedících buněk. „My jsme se zabývali dotykovou komunikací, která probíhá přes proteinové kanálky mezi sousedními buňkami, tzv. mezerovými spoji. Tento způsob komunikace a její rychlá kontrola je totiž velice důležitý při vývoji i funkci mužských pohlavních orgánů včetně varlat. Mezi sebou takto komunikují navzájem například Leydigovy buňky, které jsou zodpovědné za produkci důležitých mužských pohlavních hormonů, jako je testosteron, nebo buňky Sertoliho, které zodpovídají za podporu a výživu zárodečných buněk a spermatogenezi,“ vysvětluje Iva Sovadinová. Narušení normální fyziologické mezibuněčné komunikace působením látek nacházejících se v životním prostředí se pak může podle Ivy Sovadinové projevit jako snížená plodnost nebo nádorové onemocnění. Zejména, pokud k tomuto narušení dojde v citlivých obdobích vývoje, jako je prenatální nebo prepubertální vývoj.

Reakce buněk na chemické látky

Výzkum v laboratoři přinesl Sovadinové řadu překvapivých zjištění. „Bylo to například to, že různé typy testikulárních buněk, přestože používají stejné typy proteinových kanálků mezerových spojů, reagovaly na některé typy environmentálních toxikantů diametrálně odlišně. To ukazuje na komplikovanost vnitrobuněčných signálních a regulačních procesů kontrolujících mezibuněčnou komunikaci, které mohou být buněčně specifické. Velmi specifické a cílené pak může být i působení jednotlivých typů látek. I na základě těchto pozorování, prováděných v relativně ještě jednoduchých in vitro 2D buněčných kulturách, si lze představit celou řadu různých scénářů a mechanismů, kterými mohou chemické látky narušovat vývoj komplexních tkání a jejich funkce,“ uvádí Iva Sovadinová. Na jednu stranu to podle ní představuje další velkou výzvu při hodnocení zdravotní nebezpečnosti a rizik, zejména pomocí alternativních metod cílících na minimalizaci používání laboratorních zvířat. Na druhou stranu jsou to právě takovéto poznatky, které by byly v obdobném rozsahu jen obtížně prozkoumatelné in vivo a které upozorňují na zranitelné klíčové procesy a interakce. Na jejich základě pak mohou být navrhovány nové strategie a postupy pro hodnocení bezpečnosti chemických látek s ohledem na mužskou reprodukci, k čemuž se také snaží skupina Ivy Sovadinové aktivně přispět.

Z české laboratoře až k Eskymákům

Zajímavé bylo podle Ivy Sovadinové také pozorovat účinky směsi endokrinních disruptorů, kterou tým připravil na základě toho, v jakých poměrech a koncentracích se tyto látky našly v tuku tuleně kroužkovaného (Pusa hispida), který je jednou z hlavních složek stravy kanadských Eskymáků Inuitů. Látky, které tato směs obsahovala, se do Kanady nebo Grónska dostávají tzv. dálkovým transportem ze znečištěnějších oblastí. Ukázalo se, že působení této směsi na mezibuněčnou komunikaci v testikulárních buňkách bylo významně silnější než účinky jednotlivých látek. „A jsme opět u těch výzev – jakým způsobem taková působení a interakce účinků různých chemikálií zapracovat do postupů hodnocení bezpečnosti chemických látek,“ říká Iva Sovadinová.

Tým projektu

Povzbudivé výsledky projektu vzbudily ohlas v zahraničí

Projekt Ivy Sovadinové potvrdil, že testikulární mezibuněčná komunikace mezerovými spoji a její stavební bloky, proteiny konexiny jsou vysoce relevantním, ale přehlíženým cílem endokrinních disruptorů. Narušení jejich stavby a funkce v průběhu vývoje může vést ke zdravotním problémům později v životě, včetně snížení plodnosti.

Mezibuněčná komunikace mezerovými spoji může být efektivně využita v moderním toxikologickém a farmakologickém výzkumu a její analýza by se mohla stát cennou komponentou každé biologické studie.

„Naše poznatky mohou napomoci zlepšení testovacích metod, buněčných modelů a testovacích strategií tak, aby byly schopny efektivně a spolehlivě identifikovat látky narušující mužský reprodukční systém a došlo k minimalizaci zdlouhavých, nákladných a eticky problematických experimentů na zvířatech. Usilujeme například o to, aby se námi zdokonalená metoda pro testování mezibuněčné komunikace mohla v budoucnu stát mezinárodně uznávanou součástí strategie pro hodnocení tzv. negenotoxických karcinogenů,“ dodala Iva Sovadinová.

Její tým na základě článku v časopise Scientific Report navázal spolupráci s UiT The Arctic, University of Norway, která bude aplikovat tuto jejich metodu ve svém výzkumu. O spolupráci se přihlásil také italský výzkumný ústav CNR ISPA, zaměřený na bioaktivní látky z mořských bezobratlých živočichů. Probíhá i předběžné posuzovací řízení expertním panelem OECD týkající se možného využití metody v regulační toxikologii.

Iva Sovadinová je v současné době zapojena výzkumného projektu programu Horizon 2020 „OBERON“, v rámci kterého se podílí na vývoji integrované strategie pro hodnocení metabolických účinků endokrinních disruptorů, což by umožnilo identifikovat další látky s podobným dopadem a snížit jejich množství v prostředí. Metabolická disrupce způsobená endokrinními disruptory, totiž přispívá k rozvoji metabolických poruch, jako je obezita, cukrovka nebo chronické onemocnění jater.

RNDr. Iva Sovadinová, Ph.D., je absolventkou Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v oboru Ekotoxikologie, kde získala i doktorát v oboru Chemie životního prostředí. Během své postdoktorské stáže strávila tři a půl roku na dvou michiganských univerzitách (USA). Od roku 2010 pracuje v centru RECETOX na Přírodovědecké fakultě Masarykovy univerzity v Brně. Spolupodílí se na vedení skupiny Buněčná a tkáňová toxikologie. Dlouhodobě se zaměřuje na vývoj a praktické využití buněčných a tkáňových modelů jako plnohodnotné náhrady k testům na zvířatech. Aktuálně se věnuje studiu reprodukčního zdraví a reprodukční toxicity látek. Ráda do svého výzkumu zapojuje české i zahraniční vysokoškolské i středoškolské studenty.

Ptačí společenstva – ukazatel kvality životního prostředí ve městech

10. 06. 2021

Urbanizace na celém světě roste a městské oblasti představují jeden z nejrychleji rostoucích typů využití půdy. Důležitost biologické rozmanitosti pro správnou funkci celého ekosystému a dopady urbanizace na snížení jeho odolnosti již zmínila řada studií. Pro pochopení vlivu konkrétních prvků urbanizace je nutné věnovat pozornost různým typům opatření pro podporu biologické rozmanitosti.

Městská zeleň, Marche, Střední Itálie, foto Federico Morelli

Tým vedený doc. Federicem Morellim řešil standardní projekt GAČR “Vliv urbanizace na různé aspekty diverzity ptáků: vztah složení ptačích společenstev k míře znečištění, vegetaci a hustotě zástavby”. Hlavním cílem projektu bylo zhodnotit dopad různých vlastností městského prostředí na biodiverzitu, přičemž ptáci sloužili jako modelové organismy. Terénní sběr dat v 16 evropských velkoměstech, prostorová analýza a statistické modelování probíhaly od roku 2018 do roku 2020. Díky nim byly získány nové poznatky o možnostech identifikace území s vysokou kvalitou prostředí ve městech.

Emberiza citinella v Polsku, foto C. Korkosz

„Zmapovali jsme místní charakteristiky měst z hlediska způsobu využití půdy, struktury zástavby a typu a množství vegetace v městské zeleni a stanovili úroveň znečištění životního prostředí (např. světelné a hlukové znečištění). Zjistili jsme, že se vzrůstajícím zastoupením některých prvků městské zeleně jako je tráva, keře a stromy v krajině, stoupá i počet druhů ptáků, kteří se zde vyskytují. Rovněž byla odhalena souvislost mezi přítomností trávy, stromů a vodních prvků, jako jsou řeky a městské potoky, s fylogenetickou rozmanitostí ptačích komunit, tedy že s vyšší přítomností zmíněných prvků městské zeleně klesá příbuznost ptačích druhů,“ říká doc. Dr. Frederico Morelli, Ph. D. a dodává: „Naproti tomu všechny hlavní ukazatele vysoké úrovně urbanizace krajiny (např. zástavba, hustota chodců, úroveň světelného znečištění) jsou asociovány s vyšší fylogenetickou příbuzností druhů. Z hlediska fylogeneze jsou si dva druhy příbuznější, čím blíže do minulosti mají společného předka. Komunity charakterizované vysokou fylogenetickou příbuzností mají tendenci být homogennější a jsou potenciálně méně odolné, pokud čelí ekologickému stresu. Je zajímavé, že přítomnost keřů v zahradách a na zelených plochách pomohla zmírnit tento účinek.“

Městská zeleň v Praze 6, foto Federico Morelli

Hlavní význam projektu spočívá v jeho zaměření na velkou prostorovou škálu a v zapojení spolupracovníků z mnoha evropských zemí. Zásadní bylo i zhodnocení nejen taxonomické, nýbrž i funkční a fylogenetické diversity ptačích společenstev a průzkum jejich odezvy na rozličné komponenty městského prostředí, jako jsou různé typy zástavby, zeleně, ale i znečištění a hlukové či světelné zátěže. Výsledky projektu (www.urbanbiodiversity.net) mají ambici pomocí vhledu do odezvy ptačích společenstev na tyto faktory získat cenné informace použitelné v praxi, které by vedly k šetrnějšímu a přírodě bližšímu rozvoji městského prostředí. Podle zjištění projektu vede udržení diversity ptáků na jisté úrovni ke zvýšení odolnosti ekosystémů našich měst.

Passer domesticus italiae, foto Fabio Pruscini

„Naše zjištění naznačují, že udržování přiměřené úrovně ptačí rozmanitosti v městských sídlech může zvýšit potenciální odolnost městských ekosystémů vystavených stresu vyvolanému rychlými a nepřetržitými změnami. V neposlední řadě, jak bylo zdůrazněno v několika předchozích studiích, má ochrana městské biologické rozmanitosti také pozitivní dopad na život občanů,“ říká Morelli.

foto Yanina Benedetti

doc. Dr. Federico Morelli, Ph.D.
Skupina pro výzkum ekologie společenstev a ochrany biodiversity
Česká zemědělská univerzita, Praha

Federico Morelli je kvantitativní ekolog, v současné době pracující jako docent na České zemědělské univerzitě v Praze. Podílel se na několika evropských projektech modelování dopadu využívání půdy a změny klimatu na prostorové rozložení biologické rozmanitosti. Těžištěm jeho výzkumného zájmu je makroekologie, modely distribuce druhů, městská a silniční ekologie, prostorové vzory biologické rozmanitosti a bioindikátory jako nástroj plánování ochrany.

Text: ČZU
Úvodní fotka: Městský rozvoj – La Defense, Paříž, Francie, foto Federico Morelli

Elektricky vodivé polymery mají velkou naději prosadit se v biomedicíně

27. 05. 2021

Eukaryotické organismy, mezi něž řadíme i lidi, jsou velmi složitou soustavou tvořenou eukaryotickými buňkami, která je v neustálém dynamickém kontaktu s vnějším prostředím – musí na něj reagovat a zároveň si zachovat svou vnitřní integritu. Existuje řada regulačních a komunikačních mechanismů, které chod celé této soustavy zajišťují, a jedním z těchto mechanismů je působení elektrického pole.

Tento fakt si při svých pokusech s elektřinou uvědomil již v 18. století Luigi Galvani. Od této doby lidé dokázali popsat a pochopit obrovský význam vlivu elektrického pole na jednotlivé buňky a v důsledku toho i na lidskou fyziologii. To dalo vzniknout celé řadě přístrojů a technik, které elektrické pole využívají. Můžeme vzpomenout například kardiostimulátor, elektroencefalograf (EEG) či elektrokardiograf (EKG).

V této oblasti je jednou z klíčových otázek dneška, jak přesně elektrické pole chování buněk ovlivňuje a jaké elektricky vodivé materiály je v biomedicíně možné využít. Klasické elektrické vodiče, tedy kovy, vynikají vysokou vodivostí, ale jejich použití v biomedicíně má své limity, jelikož je jejich vodivost založená výhradně na toku elektronů. Rovněž jejich mechanické vlastnosti jsou značně vzdálené vlastnostem řady tkání. Buňky a tkáně naopak využívají k elektrické komunikaci ionty, což může při kontaktu mezi klasickým vodičem a tkání působit problémy.

„Tyto limity mohou být částečně odstraněny pomocí elektricky vodivých polymerů. I když jsou elektricky vodivé polymery známy již po desetiletí, a jejich potenciálnímu využití v oblasti biomedicíny bylo věnováno hodně úsilí, zůstává v souvislosti s jejich využitím v biomedicíně řada otázek stále nezodpovězených. Odpovědi na tyto otázky by přitom mohly významně přispět k nalezení způsobů efektivní regenerace tkání skrze tkáňové inženýrství či léčby a diagnostiky některých onemocnění,“ vysvětluje prof. Ing. Petr Humpolíček, Ph.D., z Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně, jehož projekt Biomimetické materiály na bázi vodivých polymerů finančně podpořila Grantová agentura České republiky.

Na Univerzitě Tomáše Bati ve Zlíně začal jeho tým vodivé polymery systematicky studovat v roce 2010. „Naši kolegové z Ústavu makromolekulární chemie AV ČR s nimi pracují již mnohem déle. Obě pracoviště tedy měla v době podání projektu řadu zkušeností s tím, jak variabilními materiály elektricky vodivé polymery jsou a jak krásná práce s nimi může být,“ říká profesor Humpolíček.

V rámci přípravy projektu se tým Petra Humpolíčka rozhodl využít dosavadních zkušeností a posunout znalosti dále ve směru přípravy materiálů, které budou kombinovat elektrickou vodivost s vysokou biokompatibilitou, tedy jít cestou přípravy komplexních kompozitů. A právě díky podpoře GA ČR se mohl tým řešení tohoto problému intenzivně věnovat.

Největší výzva: příprava vodivých trojrozměrných materiálů

Výzkum biomateriálů je interdisciplinární vědní obor. Jednou z prvních velkých výzev bylo vytvoření mezioborového týmu, který si bude rozumět nejen profesně, ale i lidsky. Po odborné stránce pak velkou výzvu představovalo nalezení způsobu přípravy elektricky vodivých a zároveň trojrozměrných materiálů. Samotné vodivé polymery je možné připravit v různých podobách, jako jsou tenké filmy o síle několika set nanometrů, prášky se zrny v řádech desítek mikrometrů nebo koloidní disperze. Nejsou však schopny vytvořit robustní materiál, který můžete uchopit do ruky a snadno zpracovávat do potřebných tvarů. „Jednou z věcí, která se díky podpoře GAČR podařila, bylo právě vyřešení tohoto problému, a to skrze přípravu unikátních kryogelů, které jsou nejen vodivé, ale i elastické a porézní a jsou tedy svými vlastnostmi blízké struktuře mnoha tkání,“ uvádí profesor Humpolíček. Příprava elektricky vodivého materiálu, který vyvolává cílenou odezvu buněk, byla pak další výzvou, se kterou se tým potýkal. Při řešení tohoto úkolu vědci využili několika různých přístupů a zapojili do řešení i několik spolupracujících zahraničních pracovišť, například z Finska, Itálie či Slovinska. Z testovaných postupů se pak nejslibněji jevila příprava kompozitů z vodivých koloidních disperzí s komponenty mezibuněčné hmoty využitými jako stabilizátory. Materiály založené na tomto principu totiž vykazují dostatečnou elektrickou vodivost a zároveň užitečné biologické vlastnosti.

Našemu týmu se jako prvnímu podařilo připravit několik nových kompozitních materiálů s unikátními vlastnostmi. Popsali jsme i nové způsoby přípravy biokompatibilních a zároveň elektricky vodivých materiálů na bázi stabilních koloidních disperzí.

Spolupráce vědců na mezinárodní úrovni

Ve vědecké literatuře se po dlouhou dobu tradovalo, že dva často studované elektricky vodivé polymery, polyanilin a polypyrrol, se významně liší z hlediska základních biologických vlastností. V rámci řešení projektu náš tým provedl srovnávací studii, do které se zapojilo několik laboratoří. Jedním z výsledků pak bylo zjištění, že tyto vodivé polymery se z hlediska cytotoxicity, i některých dalších znaků biokompatibility, jako jsou například vybrané znaky embryotoxicity, ve skutečnosti téměř neliší. Ve vztahu k biokompatibilitě je klíčová spíše forma přípravy polymerů a jejich následné úpravy než samotný polymer. Dalším příjemným překvapením pak byla variabilita kompozitů, které lze z vodivých polymerů připravit. Toto zjištění nám ukázalo další cestu do budoucna, která umožní vlastnosti finálních materiálů lépe řídit.

Tým Ústavu makromolekulární chemie AV ČR

„Samotný projekt byl koncipován jako tříletý. Vytvoření znalostní a zkušenostní báze, nezbytné k jeho řešení, je však dlouhodobou záležitostí. Dr. Jaroslav Stejskal, který vedl spoluřešitelský tým na Ústavu makromolekulární chemie, pracuje s vodivými polymery po desetiletí. Právě jeho zkušenosti stály v roce 2010 u zrodu naší spolupráce. Po mnoho let jsme pak schopnost spolupráce, výměny ‚know how‘ a zkušeností rozšiřovali a prohlubovali. Jsem přesvědčený, že v oblasti elektricky vodivých polymerů a jejich biologických vlastností se naše týmy dostaly na vysokou mezinárodní úroveň, což se odráží i v ohlasech na naše publikované práce a v rozrůstajícím počtu spolupracujících týmů po celém světě,“ říká prof. Ing. Petr Humpolíček. Na projektu pracovaly dva týmy, a to výzkumná skupina Biomateriály z Centra polymerních systémů Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně a oddělení Vodivých polymerů z Ústavu makromolekulární chemie AV ČR. Kromě zkušených akademiků a výzkumníků se na řešení podílela také řada studentů.

Výsledky projektu tým publikoval v prestižních a zároveň úzce zaměřených oborových časopisech. Díky tomu si práce našly rychle své čtenáře. Počet citací publikací vzniklých v letech 2017–2019 se již nyní pohybuje ve stovkách. „Z mého pohledu jsou však důležitější ohlasy ve formě nových kontaktů a spoluprací, které se podařilo ustanovit díky prezentaci výsledků na mezinárodních konferencích. Počet zahraničních pracovišť, se kterými aktivně spolupracujeme, např. formou studentských stáží, se i díky řešení tohoto projektu významně rozšířil,“ uvádí Petr Humpolíček.

Naděje pro budoucnost

Pochopení komplexních vztahů mezi materiály a živými organismy je klíčové pro rozvoj společensky významných odvětví, mezi které bezesporu patří i tkáňové inženýrství. Celosvětově se výzkum v této oblasti zaměřuje nejen na možnost přípravy tkáňových náhrad, ale také na jejich schopnost cíleně interagovat s živými subjekty. Cílem těchto snah je umožnit individualizovaný přístup k pacientům. Nezbytným předpokladem pro splnění tohoto cíle je pak pochopení vztahů mezi materiály reagujícími na vnější stimuly a živými organismy. V rámci projektu byly jako možné responsivní složky studovány elektricky vodivé polymery a výsledky projektu prokázaly možnosti využití jejich různých forem. Řešitelský tým například jako první systematicky popsal vzájemné rozdíly mezi vybranými vodivými polymery a definoval oblasti jejich možného využití s ohledem na chování v biologických systémech.
„Projekty GAČR jsou ze své podstaty zaměřeny na základní výzkum, ale věřím, že některé naše výsledky v budoucnu přispějí k praktickým aplikacím v oblasti biomedicíny,“ dodává prof. Humpolíček.

Prof. Ing. Petr Humpolíček, Ph.D., je vedoucím výzkumné skupiny Biomateriály na Centru polymerních systémů Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně. Tým se zabývá výzkumem a vývojem biomateriálů, především pak s ohledem na stanovení jejich interakcí s eukaryotickými organismy. Specializuje se na elektricky vodivé polymery, koloidní systémy a chytré kompozitní materiály. Jeho tým spolupracuje s řadou prestižních pracovišť v zahraničí, a to nejen v oblasti řešení konkrétních problémů, ale také skrze dlouhodobé studentské stáže.

Na úvodní fotce vidíte tým Univerzity Tomáš Bati ve Zlíně.

Chyby v počítačových programech mohou být zákeřné, a přitom těžko odhalitelné

12. 05. 2021

Snaha minimalizovat výskyt chyb v počítačových programech je velmi aktuální téma, jak v komerční, tak v akademické sféře. Chyby, které se nepodaří najít a odstranit před jejich reálným nasazením, přitom mohou způsobit velké ekonomické ztráty, a dokonce i ztráty na lidských životech – příkladem mohou být dvě havárie letadla Boeing 737 MAX v letech 2018 a 2019, kde chyba v počítačovém systému způsobila špatnou ovladatelnost stroje a jeho pád.

Zájem o automatizované techniky odhalování chyb proto roste ve všech sférách průmyslu, což stimuluje intenzivní vývoj nových metod a nástrojů pro hledání chyb. „Verifikace a hledání chyb v pokročilém softwaru“ bylo i tématem projektu vědců pod vedením prof. Ing. Tomáše Vojnara, Ph.D., z Fakulty informačních technologií Vysokého učení technického v Brně a doc. RNDr. Jana Kofroně, Ph.D., z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy. Projekt byl financován Grantovou agenturou České republiky.

„Automatické hledání chyb v programech je velmi těžký problém a v úplné obecnosti lze říci, že víme, že nemůže existovat automatický nástroj, který by v libovolném programu našel všechny chyby. V některých programech je hledat a případně nalézt chyby snazší, v jiných je to velmi těžké, a typicky se to odvíjí od složitosti a velikosti analyzovaného programu. Naším cílem je v tomto směru zejména (i když nejen) první zmíněný aspekt, tedy umožnit analyzování složitějších programů, než jaké bylo možné analyzovat doposud,“ vysvětluje profesor Tomáš Vojnar.

Záhadné chyby v programech

Vědci se ve svém projektu zabývali například analýzou a verifikací paralelních programů, které jsou v současné době velmi populární. Udržet „na uzdě“ řadu současně běžících výpočtů však není snadné a vznikají při tom „záhadné“ chyby, kdy program většinou běží správně a pak neočekávaně selže. „Najít takové chyby, respektive garantovat jejich absenci v reálných programech představuje jeden ze zvláště obtížných problémů pro automatickou verifikaci,“ říká profesor Tomáš Vojnar.

Další oblastí, kterou se vědci zabývali, byly programy s tzv. dynamickými datovými strukturami vázanými ukazateli. „V tomto případě je zapotřebí efektivně pracovat s nekonečnými množinami složitých grafových struktur neomezené velikosti. Pro takové a další podobné problémy, jako např. automatická analýza výkonnosti programů, bylo zapotřebí navrhnout nejen vhodné formální nástroje z oblastí automatů či logik, umožňující modelovat chování analyzovaných programů, ale také efektivní algoritmy pro práci s takovými modely. Tyto algoritmy následně prototypově implementovat a ověřit na vhodných případových studiích,“ uvádí doc. Jan Kofroň.

Při řešení projektu si výzkumníci mimo jiné „vlastnoručně“ ověřili, že velmi jednoduché techniky jsou mnohdy efektivnější než přístupy výrazně složitější. „V našem případě se to projevilo například u použití poměrně jednoduchých úprav formulí jedné z logik používaných při verifikaci před jejich dalším zpracováním,“ vysvětlil Vojnar.

Metody automatizovaného hledání chyb se zdokonalují, ale vyhráno není

V průběhu projektu se vědcům podařilo vyvinout a implementovat metody, které skutečně přispěly k rozšíření skupiny programů, které je možné analyzovat. Tyto metody byly implementovány v prototypech softwarových nástrojů, které je možno experimentálně nasadit i v praxi.

„Některé z našich metod vyvinutých v projektu byly implementovány v dynamickém analyzátoru ANaConDA určeném pro odhalování chyb v paralelních programech. Při experimentálním nasazení v jedné velké nadnárodní společnosti zabývající se vývojem vestavěných zařízení pak pomohly nalézt reálné chyby, o jejichž existenci společnost tušila, ale měla problém je konkrétně identifikovat,“ uvedl jako příklad z praxe profesor Tomáš Vojnar. Podle něj to ovšem neznamená, že by tímto byl problém hledání chyb v programech vyřešen. Výzkum v této oblasti nadále pokračuje a dochází k dalšímu vývoji a vylepšování existujících metod.

Projekt prof. Tomáše Vojnara a doc. Jana Kofroně byl řešen po dobu tří let a podílelo se na něm 12 výzkumných pracovníků ze dvou spolupracujících týmů (FIT VUT a MFF UK) a asi 20 studentů, převážně doktorských studijních programů. „Pro studenty je účast na projektu cennou zkušeností, kdy si mohou vyzkoušet vývoj prakticky použitelných prototypů, stejně jako vývoj nových, prakticky motivovaných metod analýzy programů,“ říká Jan Kofroň.

Publikace výsledků projektu získaly několik ocenění. Například článek o výše zmíněném nástroji ANaConDA, jehož hlavním vývojářem je Ing. Jan Fiedor, Ph.D., z projektového týmu z FIT VUT, získal cenu za nejlepší článek o nástroji na prestižní konferenci ISSTA 2018 (27^th ACM SIGSOFT International Symposium on Software Testing and Analysis). Ocenění za nejlepší článek získali vědci také na významné konferenci CADE 2019 (27^th International Conference on Automated Deduction), na kterém se významně podíleli Ing. Vojtěch Havlena, Ing. Ondřej Lengál, Ph.D. a Mgr. Lukáš Holík, Ph.D. rovněž z projektového týmu z FIT VUT.

Prof. Ing. Tomáš Vojnar, Ph.D.
Profesor Tomáš Vojnar působí na Fakultě informačních technologií Vysokého učení technického v Brně (FIT VUT), kde absolvoval inženýrské i doktorské studium a aktuálně zde působí jako proděkan pro vědu a výzkum. Po dokončení doktorského studia pobýval dva roky v laboratoři LIAFA (nyní IRIF) na Université Paris Diderot v Paříži. Zabývá se metodami automatizované statické i dynamické analýzy a verifikace, formální analýzy a verifikace a také souvisejícími aspekty teorie jazyků, automatů a logik. Na FIT VUT založil skupinu zabývající se automatizovanou analýzou a verifikací, jejíž členové pravidelně publikují na řadě špičkových mezinárodních konferencí a spolupracují s výzkumníky z řady zemí světa (např. Německo, Rakousko, Švédsko, Velká Británie, Tchaj-wan, USA či Francie).

Doc. RNDr. Jan Kofroň, Ph.D.
Docent Jan Kofroň je členem Katedry distribuovaných a spolehlivých systémů na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy. Po absolvování doktorského studia strávil sedm měsíců v Německu ve Forschungzentrum Informatik Karlsruhe. Se svou skupinou se věnuje výzkumu a vývoji v oblasti metod pro symbolickou verifikaci software. Se členy skupiny pravidelně publikuje na mezinárodních konferencích a v impaktovaných časopisech a spolupracuje se zahraničními výzkumnými pracovišti.