Kolize dvou proti sobě se pohybujících kontinentálních desek vede k vrásnění (orogenezi) a vzniku pásemných pohoří, jako jsou například Alpy nebo Himaláje. Orogeneze po miliardy let formovala a stále formuje tvář naší planety. Dynamika těchto procesů se pak odráží ve variabilitě prostředí na Zemi, jež je hnacím motorem evoluce, a tedy i biodiverzity. Naše znalosti hluboké stavby kolizních orogénů (tedy právě vznikajících pásových pohoří) však zůstávají omezené. Naštěstí přímou možnost studia povahy hlubší kůry orogénů poskytují starší, hluboce erodovaná horstva. Nepřímo pak o charakteru a složení svých spodně korových a plášťových zdrojů vypovídají i vyvřelé (magmatické) horniny.
Variská horstva – okna do hlubších korových úrovní kolizního orogénu
Velká část střední a západní Evropy byla zformována během variské orogeneze, v devonu–permu, tedy před 390 až 310 milióny let (obr. 1). Zvláštním a přitom ve variském orogénu běžným typem magmatických hornin jsou tmavé, draslíkem bohaté syenity až žuly (granity), označované řadou lokálních jmen, např. durbachity, vaugnerity, appinity nebo redwitzity. Spojuje je duální charakter – složení kombinující charakteristiky typické pro magmata vzniklá tavením kontinentální kůry (např. vysoké obsahy prvků s korovou afinitou, např. alkalických kovů, Th, U a Pb; izotopické složení Sr, Nd, Pb a Li) a zemského pláště (vysoké obsahy prvků Mg, Cr a Ni, nízké obsahy Si, složení izotopů Mg a Cr).
Obr. 2 Zjednodušená geologická mapa jižní části Českého masívu ukazující hlavní typy variských vyvřelých a přeměněných hornin zmiňovaných v textu.
Draselné magmatity a vysokotlaké granulity – unikátní horninová asociace ukazující na mechanismus variské kolize
U nás, v Českém masívu, se horniny tzv. durbachitové série vyskytují ve dvou pásech zhruba jihozápadního až severovýchodního směru (obr. 2). Jsou nápadné tmavou základní hmotou uzavírající velké krystaly draselného živce (obr. 3). Díky svému atraktivnímu vzhledu a pevnosti se durbachity staly ceněným stavebním kamenem již od středověku, a lze je tak vidět třeba na sakrálních stavbách v Třebíči, Velkém Meziříčí, Tasově, Písku nebo Milevsku (obr. 4).
Obr. 3 Horniny durbachitové série z Vogéz (Hora et al. 2021, Lithos). a – Celkový pohled na durbachit ze Sainte-Croix-aux-Mines. b –Detailní pohled na perfektně omezenou, zonální vyrostlici draselného živce.
Obr. 4 Bazilika sv. Prokopa v Třebíči postavená koncem 13. století z třebíčského durbachitu (foto F.V. Holub).
V obou pásech se s horninami durbachitové série vyskytují v úzkém prostorovém a časovém sepětí velká tělesa kontinentálních hornin přeměněných za vysokých teplot a tlaků (vysokotlakých granulitů) (obr. 2). Zajímavé je, že granulity v sobě uzavírají přímé důkazy svého hlubokého zanoření – různorodé a často i velmi velké fragmenty hornin zemského pláště, které při svém výstupu vynesly blíže k povrchu.
Problematikou vzniku draslíkem bohatých magmatitů se zabýval ukončený projekt týmu profesora Vojtěcha Janouška a jeho vědeckého týmu z České geologické služby a Ústavu petrologie a strukturní geologie Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy, který byl podpořen Grantovou agenturou ČR (GA ČR). Kombinované studium minerálního a chemického složení, včetně izotopických systémů Sr–Nd–Pb–Li–O–Mg–Cr, draselných magmatitů z lokalit České republiky a Francie (Vogéz a Centrálního masívu) (obr. 1) přineslo řadu zajímavých poznatků o plášťových i korových zdrojích mateřských magmat a jejich dalším vývoji. Takové údaje představují klíčový vstup jakéhokoli modelu, jenž si klade za cíl vysvětlit geologický vývoj evropské kůry a mělkého pláště.
Ukazuje se, že draslíkem bohatá magmata vznikla z anomálních plášťových domén, které byly krátce před tím silně kontaminovány vodnými fluidy uvolněnými během hlubokého podsouvání (subdukce) oceánské desky a vzniku magmatického oblouku (obr. 5a). Po uzavření oceánu a následné kolizi obou kontinentálních desek, byla jedna z nich zatažena do plášťových hloubek a nadložní litosférický plášť silně znečištěn jejím materiálem (obr. 5b–c). Konečně tyto anomální, silně kontaminované plášťové domény poskytly draslíkem bohaté taveniny s kuriózní kombinací chemických a izotopových charakteristik odvozených ze zemského pláště a kontinentální kůry (obr. 5d).
Obr. 5 Schematický model vzniku draselných magmatických hornin v Českém masívu. a – Subdukce oceánské desky, kontaminace nadložního pláště vodnými fluidy a vznik magmatického oblouku. b – Subdukující oceánská deska zatahuje jednu z kontinentálních desek do plášťových hloubek. c – Odlomení oceánské desky a výstup subdukované kontinentální kůry (přeměněné na vysokotlaké granulity a uzavírající plášťové fragmenty). d – Téměř zároveň vznikají draselná magmata tavením anomálních plášťových domén silně znečištěných granulitovým materiálem.
Hluboká subdukce kontinentální kůry bohaté radioaktivními prvky má dalekosáhlé důsledky pro termální stav a mechanické vlastnosti orogenní litosféry, jakož i procesy plášťového nabohacení korovými komponentami. Ukazuje se, že tradičně používané izotopické poměry prvků s afinitou k zemské kůře (Sr–Nd–Pb–Li) jsou v draselných magmatech dominovány signálem hluboce subdukovaných granulitů a dále přetištěny mísením s taveninami nadložní kontinentální desky horkého kolizního orogénu. V draselných magmatických horninách vzniklých ze silně nabohacených plášťových domén se proto tyto tradiční izotopické systémy jeví nevhodnými pro stopování plášťového příspěvku jednotlivých prvků. Vedou totiž k silnému podcenění role nově z pláště derivovaných magmat, při růstu kontinentální kůry v horkých kolizních orogénech („skrytý krustální růst”). Naproti tomu netradiční izotopické poměry prvků s afinitou k zemskému plášti (Mg–Cr) si převážně zachovávají svou originální plášťovou signaturu a jsou tak pro takový účel mnohem vhodnější.
Výsledky projektu byly publikovány, často ve spolupráci s francouzskými kolegy, v devíti článcích v časopisech s impaktovým faktorem, ve třech kapitolách monografie Londýnské geologické společnosti a byly prezentovány na řadě mezinárodních konferencí. Nově získané poznatky přispívají našemu lepšímu porozumění variability variského orogénu ve střední a západní Evropě. Ale především pochopení vzniku a významu draslíkem bohatých magmatitů s kuriózní smíšenou chemickou signaturou kůry a pláště, jakož i geotektonického vývoje mladých a dosud málo erodovaných horkých kolizních orogénů, např. Himalájí.
Úvodní Obr. 1Schématické zobrazení pozůstatků variského orogénu ve střední a západní Evropě s vyznačenými výskyty draslíkem bohatých magmatických hornin a vysokotlakých granulitů (podle Maierové et al. 2016, Tectonics).
Pro mnoho žáků po celém světě nekončí vzdělávání v běžný školní den posledním zvoněním. Naopak nemalá část z nich pokračuje ve vzdělávání v dalších dodatečných placených kurzech nebo soukromých hodinách. U nás má tato forma vzdělávání dlouhou tradici, její historie se dá vystopovat již do období první republiky, kdy soukromé doučování nabízeli zejména učitelé na gymnáziích.
V posledních několika dekádách se soukromé doučování v zahraničí i u nás nejen značně rozšířilo, ale diverzifikovaly se také jeho podoby, formy a poskytovatelé. Obsah soukromého doučování je zpravidla úzce spjatý se školním kurikulem, s požadavky školy nebo různých přijímacích či závěrečných zkoušek, z toho důvodu se pro něj vžilo označení stínové vzdělávání. Mechanismy a způsoby tohoto propojení mezi formálním a stínovým vzděláváním nicméně dosud nebyly dostatečně prozkoumány. Proto se řešitelský tým projektu financovaného Grantovou agenturou ČR (GA ČR) složený z pracovníků Ústavu výzkumu a rozvoje vzdělávání Pedagogické fakulty Univerzity Karlovy rozhodl tyto vztahy komplexně analyzovat s ohledem na specifika našeho domácího kontextu.
V publikačních výstupech se výzkumníci zaměřili na několik stěžejních aspektů tohoto vzájemného propojení. Odpovídají na otázky, jak struktura našeho vzdělávacího systému ovlivňuje rozsah, podobu a charakter stínového vzdělávání, jak souvisí účast na doučování s vnímanou kvalitou školní výuky, jaká je role učitelů a samotných škol v poskytování stínového vzdělávání nebo jakým způsobem školy a soukromí doučující spolupracují. Svá zjištění výzkumníci opírají o rozsáhlá kvantitativní dotazníková šetření mezi žáky na 2. stupni základních škol a nižších stupních gymnázií a mezi jejich učiteli, ale také o poznatky získané hloubkovými rozhovory s řediteli škol (data byla sbírána ve školním roce 2018/2019).
Žáci na gymnáziích se doučují častěji než žáci na základních školách
Český vzdělávací systém je charakteristický časným rozdělováním žáků a odlivem jejich části na víceletá gymnázia, s čímž se pojí také skládání přijímacích zkoušek. Mezi žáky v jednotlivých vzdělávacích drahách se tak liší nejen rozsah soukromého doučování, ale také doučované předměty, obsah a cíl doučování či faktory, které účast na doučování ovlivňují.
Výzkumníci zjistili, že stínové vzdělávání během svého studia využilo 53 % gymnazistů, oproti 44 % žáků ZŠ. Zatímco gymnazisté využívali častěji stínové vzdělávání v angličtině, aby se v tomto cizím jazyce i více zdokonalili nad rámec školní výuky, u žáků základních škol naopak převládalo doučování v českém jazyce a matematice, což je dáno zejména přípravou na přijímací zkoušky, které si gymnazisté „odbyli“ v 5. (resp. 7.) třídě.
Struktura našeho vzdělávacího systému vede kvůli existenci osmiletých a šestiletých gymnázií k tomu, že se část žáků připravuje během povinné školní docházky až třikrát na přijímací zkoušky, což pro ně může představovat značnou psychickou zátěž a pro rodiče značné ekonomické náklady. Prokázala se také výrazná socioekonomická podmíněnost stínového vzdělávání, tedy že žáci s lepším rodinným zázemím využívají tuto formu vzdělávání častěji.
Ilustrační fotografie: sběr dat v terénu (dotazníkové šetření)
Kvalita výuky hraje roli, ale jen v některých předmětech
Výzkumníci předpokládali, že to, jak žáci (a zprostředkovaně jejich rodiče) vnímají kvalitu výuky ve škole, bude mít významný vliv na jejich rozhodnutí zajistit si soukromé doučování. Jejich hypotéza se potvrdila pouze v případě soukromého doučování v matematice a českém jazyce – využívají je častěji žáci, kteří školní výuku z vlastního pohledu nepovažují za zajímavou, kteří se ve školní výuce moc nenaučí a kteří si myslí, že jejich učitel neumí učivo dobře vysvětlit a nedovede je motivovat. V anglickém jazyce nicméně tato souvislost neplatí. Nejspíš proto, že angličtina je vnímána jako prostředek komunikace v moderní společnosti a nutná podmínka pro dobré budoucí pracovní uplatnění spíše než jako školní předmět. Do jazykových dovedností svých dětí tak investují zejména rodiče s vyšším socioekonomickým statusem bez ohledu na kvalitu výuky ve škole.
Více než třetina učitelů si přivydělává, přibližně třetina z nich soukromým doučováním
Přestože se výdělky učitelů v českých školách v posledních několika letech výrazně zlepšily, výzkumníci zjistili, že další pracovní činností si přivydělává 36 % učitelů (nejčastěji mimo obor vzdělávání). Soukromému doučování se věnuje přibližně třetina z nich. Častěji si přivydělávají muži, učitelé na zkrácený úvazek, učitelé s kratšími pracovními zkušenostmi a učitelé méně spokojení se svojí výplatou. Pro poskytování soukromého doučování je pak určující, jaký předmět učitel ve škole vyučuje (angličtináři, matematikáři a češtináři soukromě doučují častěji než jejich kolegové s jinou předmětovou specializací), nikoli spokojenost s výplatou. Výsledky výzkumu naznačují, že učitelé soukromě doučují i z jiných než finančních důvodů, kterými jsou například profesní rozvoj nebo pocit uspokojení z práce.
Stínové vzdělávání je legitimizováno úzkou spoluprací škol s jeho poskytovateli
Výzkumu se zúčastnila více než čtyřicítka škol z různých koutů republiky a řešitelé v nich zmapovali různé formy spolupráce s poskytovateli soukromého doučování. Část škol s nimi spolupracuje jen velmi volně, například ve svých prostorách zveřejňují informace a inzeráty. Jiné školy nicméně svým žákům, respektive jejich rodičům, aktivně stínové vzdělávání doporučují, někdy již i s tipem na konkrétního doučujícího. Zejména ve větších městech pak školy nabízejí své prostory k pronájmu svým vlastním učitelům, kteří ve škole soukromě doučují, nebo soukromým vzdělávacím společnostem (například jazykovým školám), které zajišťují nejen vzdělávání žáků, ale také další služby pro školu. Uvedené příklady jsou dokladem vysoké míry pronikání privátního sektoru do českého veřejného školství, které s sebou pro ředitele škol přináší mnohá etická dilemata spojená například s placeným doučováním vlastních žáků učiteli na půdě školy nebo legitimizací této služby s nejasnou kvalitou.
Koláž – mediální obraz soukromého doučování
Školy samy poskytují stínové vzdělávání
V mezinárodním měřítku jsou české školy unikátní v tom, že se samy často stávají poskytovateli stínového vzdělávání, a to tím, že organizují placené přípravné kurzy k přijímacím zkouškám. Ředitelům víceletých gymnázií však tímto nejde ani tak o zisk, který z kurzů škola má, jako spíše o snahu zvýšit povědomí o své škole mezi rodiči. V kontextu konkurence škol jde tak o marketingovou strategii, kterou víceletá gymnázia využívají k získání (dobrých) žáků ze základních škol. Pro ředitele ale není vždy snadné vyrovnat se s neochotou či očekáváními učitelů, kteří v kurzech mají vyučovat, s požadavky rodičů žáků nebo se správným nastavením ceny kurzu tak, aby nebyl ztrátový, ale zároveň aby nebyla cena diskriminační pro žáky z hůře finančně zajištěných rodin. Tyto kurzy jsou tak pro školy zbraní v konkurenčním boji, která ale může být dvojsečná podle toho, jak s ní školy zacházejí.
Nové výzkumné výzvy
Výsledky projektu podpořeného GA ČR ukázaly, že formální a stínové vzdělávání nejsou na sobě nezávislé entity. Naopak jejich vztah je v České republice velmi těsný a projevuje se v mnoha různých oblastech a mnoha různými způsoby, mnohdy i velmi kontroverzně.
Práce na výzkumu byla pro členy řešitelského týmu náročná, ale zároveň velmi obohacující už jen v tom, že díky projektu navštívili různé druhy škol ve všech koutech republiky, a mohli hovořit s jejich vedením nejen o otázkách stínového vzdělávání, ale i dalších aktuálních tématech týkajících se vzdělávání. Potvrdila se významná role, kterou stínové vzdělávání v našem vzdělávacím systému hraje. V projektu nicméně nebyly zjišťovány názory a postoje rodičů, tedy těch, kdo o zapojení dítěte do soukromého doučování rozhodují. Právě na ně se proto zaměřuje návazný výzkum, rovněž podpořený Grantovou agenturu České republiky. Brzy snad tedy budeme znát také odpověď na otázku: Proč a jak se rodiče rozhodují pro soukromé doučování svého dítěte?
Řešitelé:
PhDr. Vít Šťastný, Ph.D. (hlavní řešitel)
PhDr. Martin Chvál, Ph.D. (člen řešitelského týmu)
prof. PhDr. Eliška Walterová, CSc. (členka řešitelského týmu)
Poranění mozku a míchy představují v současné době významný problém nejen kvůli stoupající četnosti nových případů, ale především pro svou závažnost a značné socio-ekonomické dopady na společnost. V případě obou typů poranění se jedná o velmi závažné akutní stavy s vysokou úmrtností, které vyžadují bezodkladnou lékařskou péči a v některých případech i dlouhodobou péči následnou. Mezi nejčastější poranění centrálního nervového systému patří cévní mozková příhoda, intrakraniální trauma a míšní léze.
Cévní mozková příhoda, lidově mrtvice, je náhlá porucha krevního oběhu mozku, která vede k nevratnému poškození mozkové tkáně. Celosvětově se jedná o druhou nejčastější příčinu úmrtí. V České republice se každoročně vyskytne přibližně 25 tisíc nových případů. Intrakraniální trauma neboli traumatické poranění mozku představuje poranění způsobené fyzickým traumatem (např. úderem, úrazem, autonehodou apod.), přičemž poničeny bývají různé části mozku dle místa poranění. Posledním typem poranění jsou míšní léze vzniklé v důsledku devastujícího poškození některé části míchy. Při tomto typu poranění dochází k přerušení vedení vzruchů míchou, čímž je ovlivněna nejen hybnost končetin, ale taktéž činnost mnohých tělesných systémů, což vede k vážným a trvalým zdravotním následkům.
I přes obrovský pokrok ve vědě a medicíně, zůstávají metody diagnostiky a léčby poranění mozku a míchy značně omezené. Ačkoliv dnes již zcela neplatí, že „nervové buňky se neobnovují“, obnovení funkce poškozeného nervového systému je stále vzdáleným cílem, na jehož dosažení pracuje mnoho vědeckých týmů po celém světě, mezi které patří také týmy vědců z Ústavu experimentální medicíny AV ČR (ÚEM AV ČR) a Biotechnologického ústavu AV ČR (BTÚ AV ČR) v centru BIOCEV, které se společně rozhodly hledat nové možnosti diagnostiky a léčby těchto závažných stavů. V rámci projektu podpořeného Grantovou agenturou ČR s názvem „MikroRNA v poranění nervové soustavy: potenciální úloha a terapeutický význam“ si oba týmy vytyčily nesnadný cíl, a to odhalení změn v nervové tkáni na úrovni genové exprese po poranění mozku a míchy, se zvláštním důrazem právě na míšní poranění. Na studii se podíleli také vědci z Wroclaw University of Environmental and Life Sciences v Polsku.
Základem spolupráce byla sekvenační analýza molekul mRNA a mikroRNA v experimentálním modelu míšního poranění, díky které vědci získali komplexní informace o změnách exprese mRNA molekul řídících klíčové procesy ovlivňující poranění míchy, ale i jejich regulačních elementů molekul mikroRNA. „Zjistili jsme velmi dramatické změny v expresi genů, které jsme charakterizovali dle biologických funkcí a současných poznatků. Tyto změny byly zároveň doprovázeny i významnými změnami ve složení buněčných typů, což zásadně mění buněčnou strukturu postižené tkáně. Následné spojení těchto informací s detailním popisem změn regulačních molekul mikroRNA nám dovolilo identifikovat klíčové molekuly, které mají ústřední roli v probíhajících patofyziologických procesech, z nichž role některých byla již dříve popsána, některé jsou však zcela nové a potencionálně terapeuticky zajímavé,“ vysvětluje hlavní řešitelka projektu Nataliya Romanyuk, Ph.D., z Oddělení regenerace nervové tkáně ÚEM AV ČR v centru BIOCEV. Ověřování významnosti těchto nových cílů je předmětem probíhajících experimentů a bude základem i dalších projektů.
Dramatické změny v genové expresi po poranění byly provázeny výraznými změnami ve složení buněčných typů, což zásadně ovlivňuje buněčnou strukturu postižené tkáně. Následná kombinace těchto informací s podrobným popisem změn v regulačních molekulách mikroRNA nám umožnila identifikovat klíčové molekuly, které mají ústřední roli v probíhajících patofyziologických procesech a jsou potenciálním terapeutickým zájmem.
Využití molekul mikroRNA pro cílenou manipulaci patofyziologických stavů je v posledních letech velmi aktuální a přitahuje stále více pozornosti vědců z různých oborů. Jejich dalším slibným využitím je jejich diagnostický potenciál. „Vzhledem k tomu, že molekuly miRNA jsou ve srovnání s jinými nukleovými kyselinami relativně malé, snadno se tak vylučují do mezibuněčného prostoru a tělních tekutin, kde mohou být detekovány a sloužit jako biomarkery ukazující závažnost poranění či naznačit jeho nepříznivé následky. Přitom v současné praxi je diagnostika závažnosti poranění z velké části založena na posouzení reflexu, což je u pacientů v bezvědomí nebo pod vlivem léků značně obtížné,“ vysvětluje Lukáš Valihrach, Ph.D., ze spolupracující Laboratoře genové exprese BTÚ AV ČR v centru BIOCEV. Právě využití molekul mikroRNA pro diagnostiku míšního poranění je i cílem dalšího projektu týmů z ÚEM AV ČR a BTÚ AV ČR, s výraznou podporou doc. MUDr. Aleše Hejčla, Ph.D., který koordinuje doktory z jedenácti českých nemocnic spolupracujících na tomto projektu.
Ač jsou obě zmíněné studie omezeného rozsahu, jejich autoři věří, že přinesou důležité poznatky o úloze mikroRNA při opravě a regeneraci poškozené nervové tkáně. Objasnění změn v buněčných funkcích spouštěných mikroRNA za fyziologických a patologických podmínek může otevřít zcela nový pohled na diagnostiku a prognózu poranění centrálního nervového systému a přispět k jeho efektivnější léčbě v blízké budoucnosti.
Mgr. Nataliya Romanyuk, Ph.D., hlavní řešitelka projektu
Ing. Lukáš Valihrach, Ph.D., spoluřešitel projektu
Hlavním vědeckým přínosem projektu podpořeným Grantovou agenturou ČR (GA ČR) bylo stanovení charakteristik proudění v okolí válce a vyšetření aerodynamického a aeroelastické odezvy v turbulentním proudu v kritickém a přechodovém režimu, tedy za rychlostí obvyklých ve stavební aerodynamice. Ty se stanovují parametrem, kterým je tzv. Reynoldsovo číslo. Výsledky projektu kromě teoretického poznání, jak probíhají procesy v mezní vrstvě a v oblasti teorie vzniku samobuzených kmitů, najdou uplatnění taktéž v praktických aplikacích při konstrukčních řešeních nebo kodifikaci zatížení staveb.
Projekt profesora Stanislava Pospíšila z Ústavu teoretické a aplikované mechaniky AV ČR přinesl nové přístupy k vysvětlení chování proudění a podstaty jevů existujících při dvourozměrném proudění vzduchu kolem válce s drsným povrchem, a to v rozsahu Reynoldsova čísla charakteristického pro nízké a středně vysoké turbulence proudu, typické pro reálné situace.
Aerodynamika je širokým vědním oborem, ve kterém je studováno proudění vzduchu kolem různých objektů. Patří mezi obtížné teoretické disciplíny s širokým uplatněním téměř kdekoliv, kde vzduch nebo plyny existují. Je to dáno především tím, že plyny se řadí mezi tekutiny, které tekou s nízkými i vysokými rychlostmi, což znamená, že proudění se odehrává v různých režimech, ve kterých jsou již vlastnosti plynů rozdílné. Aerodynamika je využívána při stanovení sil působících na dopravní prostředky, v oblasti energetiky, ale rovněž i pro návrhy vnitřních účinků proudění v motorech, při výpočtech chlazení, stanovení komfortu v místnostech a prostorách provozů.
Zajímavostí je, že z oblasti aerodynamiky pochází jeden z tzv. nevyřešených problémů techniky. Jedná se o turbulentní proudění, které přivádí vědce k otázce, zda je vůbec možné vytvořit jeho teoretický model k popisu statistik jeho vnitřních struktur. V minulém století se oblast aerodynamiky rozšířila i do oblasti stavebnictví a návrhu inženýrských konstrukcí. Také se vyvinul obor příbuzný – stavební aeroelasticita, kterou lze definovat jako součást mechaniky zabývající se nejen působením vzdušných sil na konstrukci, ale i jejich interakcemi s konstrukcí, která se pohybuje. Tato disciplína zasahuje proto do důležitých oblastí bezpečnosti staveb a infrastruktury, ale také třeba kvality životního prostředí a energetiky, akustiky a optimalizace návrhu vysokých staveb. Jen do roku 1940 se v důsledku silných bouří mnoho konstrukcí a mostů zřítilo, aniž by byly známy přesné příčiny těchto katastrof. Jednou z nich byl například kolaps mostu v Tacomě (USA), který v podstatě nasměroval výzkum v aerodynamice i do stavebnictví, což vedlo k bezpečnějším návrhům a v podstatě zamezilo opakovaní podobných katastrof.
Vítr a jeho statické působení jsou tedy významnými faktory při návrhu konstrukcí a škody, které vítr každoročně způsobí, jsou důvodem mnoha alarmujících titulků v novinách. Méně je známo, že nezanedbatelná část škod vzniká v případech, ve kterých je hlavním příčinou dynamické působení a odezva, ke které nemusí docházet pouze za extrémních rychlostí větru, ale naopak za poměrně běžných, a dokonce nečekaných okolností. Je to dáno také tím, že rychlost (tlak větru) je možné popsat jako kompozici střední hodnoty a fluktuačních složek, které hrají důležitou roli. Fluktuační složka větru je pro běžné rychlosti a pro většinu případů považována za náhodný stacionární a ergodický proces, který má charakteristické frekvenční spektrum. Obecně se účinky větru dělí na statické a dynamické, které pak dělíme podle druhu odezvy a převažujících frekvencí, což situaci značně komplikuje, protože mezi těmito jevy dochází ke kombinacím a ke vzniku nových jevů například v důsledku energetických přechodů a působení fluktuací, zvaných šumy. Ty mohou mít silný vliv na chování konstrukce například v oblasti větvení rovnováhy.
K laboratorní tvorbě větru a ke zkoumání proudění a zatížení staveb jsou vědci využívány aerodynamické tunely s relativně nízkými rychlostmi. Jsou určeny pro stavebnictví a jejich primárním experimentálním požadavkem je, aby byla v modelování fyzikálních jevů zachována důležitá podobnost kritérií, které zajistí spolehlivé a do reality přenositelné výsledky získané na menších modelech. Experimenty v tunelech pochopitelně slouží i k lepšímu pochopení teoreticky stále nedokonale popsaných aerodynamických jevů a náhodnosti. Společně s výpočetními procedurami z oblasti numerické dynamiky tekutin tvoří dnes ucelený vědní nástroj.
Obr. 1. Schéma aerodynamického tunelu ÚTAM AV ČR, v. v. i.
Je zřejmé, že stavební aerodynamika není jen záležitostí větších stavebních celků. Nachází své místo v návrhu konstrukčních detailů a nosných prvků, jako jsou například mostní lana a závěsy s různým tvarem. Průřezové profily těchto stavebních prvků podstatně ovlivňují režimy obtékání. Řešitelé projektu GA ČR nasměrovali své úsilí na výzkum aerodynamiky a aeroelasticity na válce s nominálně kruhovým průřezem a s různou povrchovou drsností, která vzniká v různých klimatických nebo technologických podmínkách a která režim obtékání silně ovlivňuje v negativním i pozitivním smyslu. Příkladem je námraza na laně nebo jeho trvalý defekt vzniklý při výrobě, případně během používání. Při obtékání tělesa na povrchu (v případě necylindrických ostrých průřezu pak na hranách) vznikají poruchy ve stabilitě proudu, tvoří se tzv. smykové vrstvy pokračující do úplavu. Dochází k odtrhávání a tvorbě vírů a k prudkým změnám tlaků, které pak generují odezvu v určitém frekvenčním pásmu. Takto vytvořená odezva může za určitých okolností trvat velmi dlouhou dobu. Frekvenční pásmo, nebo lépe řečeno jeho střední frekvence, je charakterizováno bezrozměrným Strouhalovým číslem, zatímco amplituda závisí na útlumu, vyjádřeného hodnotou čísla Scrutonova.
K zajímavému průběhu kmitání dochází, když při určité rychlosti větru dojde k rezonanci. Pokud výchylka překročí jistou hranici, interakce proudění a tělesa vede ke změně frekvence odtrhávání vírů, a ta se začne přizpůsobovat vlastní frekvenci oscilátoru. Tento jev je znám jako uzamčení a je projevem nelineárních oscilací v tzv. limitním cyklu. Kmity se odehrávají za velkých výchylek vedoucích k poškozením, jak je patrné na fotografii na obrázku 2d).
Obr. 2. Příklady námraz a poškození lana od aeroelastického kmitání.
Obr. 3. Uspořádání experimentu v aerodynamickém tunelu.
Obr. 4. Vrstevnicové mapy pro různé režimy obtékání válce s námrazou
Vznik vírů, rychlostní pole a převažující frekvence změn tlaků je výsledkem režimu obtékání. Ten se zjišťuje nejčastěji měřením rychlostí proudu v jednotlivých bodech úplavu metodou žhaveného drátku, případně integrální metodou zvanou Laserové zobrazení rychlostního pole částic. Schéma uspořádání se znázorněním této metody je uvedeno na obrázku 3. Tři režimy proudění jsou pak vyobrazeny na vrstevnicových mapách na obrázku 4, z kterých lze určit rozměry vírů, jejich vzdálenosti a také například odporové síly, které proud na tělese vytváří. Ty jsou uváděny v hodnotách silových koeficientů jako na obrázku 5, ze kterých je patrné, že se skutečně mohou významně lišit v závislosti na povrchu. Například odpor hladkého tělesa klesá na polovinu, je-li proud více turbulentní. Jinými slovy, turbulence proudu je v dané oblasti Re jistou obdobou drsnosti povrchu. Pokud je na válci námraza, vroste intuitivně také jeho odpor, na druhé straně ale vede přítomnost námrazy k nárůstu síly příčné a někdy i ke změně silového momentu, což může zapříčinit nestabilní kmitání ve větru.
Obr. 5. Hodnoty silových koeficientů na válci s hladkým povrchem a s námrazou
Pro Strouhalovo číslo charakterizující frekvenční režim vírové cesty platí, že je námrazou rovněž silně ovlivněno. V rozsahu měřených rychlostí daných Reynoldsovým číslem St roste, je-li turbulence proudu vysoká, zatímco pro válce s námrazou je vliv turbulence na změnu frekvence vírů potlačen, jak je vidět na pravém spodním grafu.
Obr. 6. Strouhalovo číslo charakterizující možnost vzniku kmitání hladkého válce či válce s námrazou od vznikajících vírů jako funkce rychlosti větru.
V návaznosti na stanovení statických sil a frekvencí tým profesora Pospíšila pokračoval ve studii vzniku kmitání na oscilátorech s různou technologickou drsností a s námrazou. Základem této práce byla analýza „rezonančních“ křivek a amplitud kmitání. Pozornost je nutné obrátit na skutečnost, že při zvyšování rychlosti větru dochází k oscilacím v zásadě ve čtyřech experimentálních režimech, které se vědeckému týmu podařilo identifikovat ve shodě s teoretickými analýzami nelineárního oscilátoru Van der Polova typu.
Obr. 7. Odezva válce při interakci proudění a tělesa, která vede k fyzikálnímu jevu „uzamčení“ a která je výsledkem nelineárních oscilací v tzv. limitním cyklu
V předkritickém režimu znázorněném na obrázku 7a) je odezva determinována náhodně se oddělujícími víry v poměrně širokém frekvenčním pásmu. Při zvýšení rychlosti v oblasti Strouhalova čísla nastává krátký úsek rezonance, kdy je frekvence oddělování vírů velmi blízká vlastní frekvenci táhla (obrázek 7b). Z tohoto stavu přechází oscilátor do tzv. kvaziperiodického režimu vznikajícího při efektu uzamčení, ve kterém dochází k záznějům a synchronizaci mezi frekvencemi výchylky a vírů, které jsou si blízké (obrázek 7c). Při dalším zvýšení rychlosti větru přechází soustava do pokritického režimu.
Projekt rovněž přispěl k problematice laboratorní tvorby námrazy v klimatickém tunelu a jeho zachycení digitální fotogrammetrickou metodou v plném měřítku zkombinovanou s numerickou analýzou obrazu založeného na trojrozměrných modelech prvků, mapujících profily námrazy podobné těm, které byly pozorovány v přírodě.
Lidé obvykle chodí hledat houby do lesa a berou si k tomu nůž a košík. Tomáš Větrovský z Mikrobiologického ústavu Akademie věd ČR hledá houby v laboratoři a potřebuje k tomu sekvenátor pro analýzu DNA. Výsledkem jeho práce je celosvětová databáze hub a také nové poznatky o jejich životním prostředí i o tom, že klimatické změny nepříznivě ovlivňují zejména ty houby, které jsou pro lidi užitečné. Za svůj výzkum byl v roce 2022 nominován na Cenu předsedy Grantové agentury ČR.
„Houby jsem měl vždycky rád a bavilo mě je sbírat už jako malého,“ vypráví Tomáš Větrovský. „A fascinovaly mě i při studiu na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy. Mají netradiční tvary, vyvíjejí se v neobvyklých životních cyklech a způsob jejich rozmnožování je velice komplikovaný,“ popisuje. „Věnoval jsem jim už svou bakalářskou práci a zabývám se jimi dodnes.“
Doktor Větrovský samozřejmě nemyslí jenom houby, které lidé sbírají v lese, tedy ty s nožičkou a kloboukem. Do této široké kategorie totiž patří také třeba mikroskopické organismy, jako například jednobuněčné kvasinky. Naopak se mezi houby neřadí pórovité mořské houby, které patří mezi živočichy.
Databáze pro celý svět
Houby hledá doktor Větrovský se svými kolegy laboratorním rozborem DNA ze vzorků zeminy odebrané na vybraných místech v terénu. Ve veškeré DNA nalezené v půdě zjišťují výzkumníci genetické sekvence (markery) typické právě pro houby. Díky tomu určí, které z hub se na daném místě vyskytují, aniž by je vůbec museli vidět.
Výzkumníci pracovali se vzorky půdy, které zčásti nasbírali sami, většinu údajů však tvoří již publikovaná data od jiných autorů. Těmto datům umožnili něco jako druhý život, protože po publikování článků jsou sekvenační data archivována v úložištích bez možnosti dalšího přímého využití.
Získané údaje porovnali s referenčními databázemi, aby lépe určili, co našli. Souřadnice míst sběru vzorků zaznamenávali díky satelitní navigaci GPS. Takto vznikla mezinárodní databáze společenstev hub, kterou výzkumníci představili vědecké komunitě v odborném periodiku Scientific Data. Nové údaje se do ní stále přidávají, používají ji odborníci z celého světa a je veřejně přístupná na internetu.
Houbařům databáze však při sběru hub nepomůže, neboť zaznamenává pouze místa, kde se určité houby vyskytují, nikoliv kde zrovna rostou. Zato pro vědce představuje cenného pomocníka jako zdroj informací pro další výzkumy.
Databáze zachycuje stav na všech kontinentech kromě Antarktidy, i když třeba Evropa je z praktických důvodů zastoupena více než Afrika, kam výzkumníci zavítají méně často. Data o výskytu hub jsou z dalších zdrojů doplněna údaji o obvyklých dešťových srážkách a teplotách na daném místě, poznatky o kyselosti či zásaditosti tamní půdy, o obsahu fosforu, vápníku, draslíku a dalších živin, i o tom, s jakými jinými rostlinami tam houby souběžně žijí.
Ekonomicky prospěšným houbám změny klimatu nesvědčí
„Z databáze například vidíme, jak jsou houby v oblastech svého výskytu provázány s určitým profilem teplot a srážek,“ popisuje řešitel projektu doktor Větrovský. „Z toho se dá poznat, jestli případná změna klimatických podmínek ovlivní její růst, případně jej úplně znemožní.“
Některé houby, kupříkladu sněti nebo rzi, se označují jako patogenní, protože ničí jiné rostliny. Další houby však naopak žijí se svým okolím v symbióze. Podhoubí takových hub je propojeno s kořenovými systémy stromů, které jim předávají cukry, a houby jim na oplátku dodávají různé anorganické látky, například fosfor nebo dusík.
Data doktora Větrovského bohužel naznačují, že patogenní houby jsou odolnější, dokážou obsadit místa s mnohem širším záběrem vlhkostních a teplotních profilů. Zato symbiotické houby, které jsou ekonomicky přínosnější po lidskou společnost, jsou na změny teploty a vlhkosti mnohem citlivější, a klimatické změny je proto mohou ohrozit.
Výzkum v Ekvádoru, doktor Větrovský první zleva (Mikrobiologický ústav Akademie věd ČR a Česká zemědělská univerzita v Praze)
Přes šest milionů druhů – většinou neznámých
Odborná literatura popisuje asi 50 000 druhů hub, které lze na Zemi nalézt. Další druhy, zejména ty miniaturní, ještě nikdo nepopsal, ale genetické stopy v půdě zanechávají. „Z našich rozborů odhadujeme, že na Zemi může být asi 6,28 milionu druhů hub,“ říká Tomáš Větrovský.
Překvapivé je jejich rozložení. V biologii obecně platí poznatek, že nejvíce rostlinných i živočišných druhů žije v tropech a čím dále od rovníku, tím více se biodiverzita (druhová rozmanitost) snižuje. Kupodivu, u hub se to nepotvrzuje.
„Z našich dat spíše vidíme větší diverzitu hub ve vyšších zeměpisných šířkách, tedy dále od rovníku,“ konstatuje doktor Větrovský. „Tento fenomén stojí za další prozkoumání. Jedno vysvětlení je, že tropické oblasti ještě nejsou dobře prozkoumány, ale to výskyt našich genetických markerů nepotvrzuje. Jiným vysvětlením může být to, že v mírném zeměpisném pásmu jsou houby primárními zpracovateli odumřelé rostlinné hmoty. Kdežto v tropech jsou i další, konkurenční organismy, třeba termiti, takže houby nedostaly tolik příležitostí k rozvoji,“ zamýšlí se.
Své poznatky Tomáš Větrovský spolu s kolegy publikoval v řadě uznávaných vědeckých periodicích včetně Nature Communications.
Mgr. Tomáš Větrovský, Ph.D., pracuje v Mikrobiologickém ústavu Akademie věd ČR v Praze a je předním expertem v oblasti bioinformatiky. Vystudoval Přírodovědeckou fakultu Univerzity Karlovy v Praze. Pracuje pomocí metod masivního paralelního sekvenování DNA a zaměřuje se na ekologii mikroorganismů a jejich interakci s rostlinami a živočichy. Od roku 2017 stojí v čele projektu, jehož výsledkem byla největší globální analýza výskytu hub a analýza klimatických faktorů, které ji ovlivňují. Dvakrát pobýval na stáži na Iowské státní univerzitě v USA. Je autorem nebo spoluautorem 60 publikací v impaktovaných časopisech, z toho čtyřikrát byly jím publikované články označeny za 1 % nejlepších článků z daného oboru za posledních deset let. V roce 2019 získal prestižní Prémii Otto Wichterleho udělovanou Akademií věd ČR.
Název projektu nominovaného na Cenu předsedy Grantové agentury ČR: Společenstva hub v prostředí: využití nových molekulárních markerů a metaanalýz pro výzkum ekologie a biogeografie hub
Výsledkem výzkumů – ať už medicínských, technických či třeba meteorologických – bývá ohromné množství vzájemně propojených dat. Poznat, co významného z nich vyplývá, může být docela dobrodružství, dokazuje Stanislav Nagy z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze. Za nové poznání statistických metod byl v loňském roce nominován na Cenu předsedy Grantové agentury ČR.
Když Stanislav Nagy vysvětluje podstatu své práce laikům, začíná jednoduchým příkladem. Chceme zjistit, jaká je obvyklá výška dětí v určitém věku.
„Základní postup je, že změřím výšku dejme tomu dvaceti stejně starých dětí, z naměřených hodnot vypočítám průměr a mám představu, jak jsou tyto děti obvykle vysoké,“ říká doktor Nagy. „Jenomže co když jsem udělal při jednom měření chybu a zapsal jsem místo 140 centimetrů 1400 centimetrů? Pak mi z počítače vyskočí průměr nesmyslně vysoký a pozorování znehodnotí.“
Statistikové proto používají veličinu zvanou medián. Získané hodnoty seřadí od nejnižší po nejvyšší a mediánem je pak číslo, které leží uprostřed. Neboli před mediánem i za ním je stejné množství pozorování. Medián v tomto případě bude zřejmě kolem 140 cm a „ulétnutý“ záznam výsledek neovlivní.
Mnoharozměrný datový prostor
To je jednoduché. Ale co když jedno pozorování zahrnuje dva údaje? „Dejme tomu u lékaře máme děti stejného věku a u každého změříme výšku a hmotnost,“ říká doktor Nagy. „Získáme ke každému pozorování dvě hodnoty, můžeme je zanést do dvourozměrného grafu a tady už je větší problém najít medián, tedy bod, kolem něhož jsou pozorování rozptýlená, abychom měli představu, jaká kombinace výšky a hmotnosti je v této věkové skupině obvyklá.“
Když se přidají další měření (třeba ještě krevní tlak, srdeční tep, hladina cukru v krvi…), získají pozorovatelé hodnoty, které se dají zanést jako body zobrazitelné v mnoharozměrných prostorech. Ty si sice dokáže představit málokdo, ale matematika s nimi běžně pracuje.
Až na „drobnost“. Neumí v nich dobře najít právě medián. A to je docela problém. V našem hypotetickém případě jej potřebujeme proto, abychom úplně jednoduše určili, že dítě, jehož naměřené hodnoty se nacházejí poblíž mediánu, prochází zřejmě obvyklým vývojem. Zato dítě, jehož hodnoty se zobrazí daleko od mediánu, může mít poruchu vývoje nebo nějakou chorobu, a je proto nutné věnovat mu lékařskou pozornost.
Nečekané souvislosti
Velké vědecké experimenty přinášejí obrovské množství údajů, při jejichž analýze by se medián hodil. Proto matematičtí statistikové navrhli řadu postupů, jak medián v mnoharozměrné sadě dat určit.
Pro potřeby tohoto textu stačí napsat, že statistika při stanovení blízkosti k mediánu používá od roku 1975 termín „hloubka“. Je to funkce, která určuje, jestli má naměřený bod k mediánu blízko, nebo je vzdálený. Bohužel se však postupy určení hloubky od sebe liší, a tak statistici docházejí k různým výsledkům.
Existuje však i jiný obor matematiky, zvaný konvexní geometrie. „Někdy před šesti lety jsem si všiml, že v tomto oboru existuje obdobný problém, jako je ve statistice hledání mediánu a příslušné hloubky. Ale geometrie jej řeší už od roku 1822,“ popisuje doktor Nagy. V tomto případě se studovaný problém nazývá „popis plovoucího tělesa“ a týká se vlastností objektu volně plovoucího v kapalině.
To, čemu statistici říkají „hloubka“, se v konvexní geometrii nazývá „plovoucí těleso“, je jinak definováno, má úplně jiné použití, ale doktor Nagy si všiml, že obě pojetí se sobě velice podobají. Spolu s kolegy se tedy v rámci projektu financovaného Grantovou agenturou ČR pustil do propojování poznatků z obou matematických oborů. To, že si všiml jejich podobnosti, se ukázalo jako výborný tah.
„Mohli jsme použít poznatky osvědčené v konvexní geometrii k tomu, abychom vyřešili některé těžké problémy ze statistiky,“ raduje se Stanislav Nagy. „Vyvrátili jsme při tom spoustu chybných závěrů z minulosti.“ Nové výsledky zaznamenali v šestnácti odborných publikacích.
Happyend jen částečný
Čekal je však ještě největší úkol. Zjistit, jestli se postup používaný v konvexní geometrii při popisu plovoucího tělesa dá využít při řešení úkolů v matematické statistice úplně pokaždé.
„Pokud by se ukázalo, že postupy jsou zcela rovnocenné, bylo by to vynikající. Mohli bychom neomezeně propojit obě disciplíny a přineslo by to užitek matematikům i spoustě odborníků z jiných věd,“ vysvětluje doktor Nagy, proč byl jeho další výzkum tak důležitý.
Ověřování věnoval několik let. Výsledek přinesl určité zklamání. „Obě funkce jsou zcela stejné jen za určitých podmínek. V těch jsme oba matematické obory určitě posunuli dál a z toho mám opravdu radost,“ konstatuje a hned dodává: „Ale pořád je tam co objevovat. Matematika má hodně záhad, tahle je mezi nimi, ale my ji jednou vysvětlíme.“
Mgr. Stanislav Nagy, Ph.D., pracuje na katedře pravděpodobnosti a matematické statistiky Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze. Na téže vzdělávací instituci vystudoval matematiku, doktorát získal v roce 2016 na Katolické univerzitě v Leuvenu v Belgii v oboru matematika a tentýž rok na Univerzitě Karlově v oboru pravděpodobnost a matematická statistika. Je autorem a spoluautorem více než třiceti odborných článků. Ve svém výzkumu kombinuje přístupy ze statistiky a pravděpodobnosti s příbuznými metodami geometrie, analýzy nebo strojového učení. V dubnu 2022 se stal laureátem ceny České matematické společnosti.
Název projektu nominovaného na Cenu předsedy Grantové agentury ČR: Geometrické aspekty matematické statistiky
Významnou součástí imunitního systému je druh bílých krvinek zvaných T-lymfocyty. Pomáhají v organizmu k vytvoření obranné reakce a k ničení cizorodých či nemocných buněk. A „učí“ se to v brzlíku. Tento proces zkoumá Dominik Filipp z Ústavu molekulární genetiky Akademie věd ČR, jehož projekt byl v loňském roce nominován na Cenu předsedy Grantové agentury ČR.
T-lymfocyty mají zvláštní schopnost likvidovat pozměněné buňky vlastního těla, například buňky nádorové nebo napadené viry. Pomáhají také jiným buňkám imunitního systému při obraně našeho těla před patogeny, čímž zastavují a léčí případná onemocnění. Zajímavostí je, že to neumějí od svého vzniku, ale postupně se to „učí“.
Tyto krvinky vznikají v kostní dřeni a odtud putují do brzlíku, kde dozrávají. Od prvního písmena latinského názvu tohoto orgánu, thymus, byl také odvozen jejich název T-lymfocyty. Brzlík je malý orgán mezi hrudní kostí a plícemi. Největší je v dětství; u desetiletého dítěte váží asi 50 gramů. Pak se zmenšuje, až nakonec prakticky splyne s tukovou tkání. V tu dobu už také není tolik potřebný. T-lymfocyty, jež se přímo podílely na odstranění nějakého patogenu, se totiž poté proměnily v tzv. paměťové buňky, které jsou pro případ potřeby skladovány i po léta v různých částech imunitního systému po těle.
Tajemný brzlík
„V devadesátých letech jsem byl na stáži v imunologické laboratoři v kanadském Torontu,“ vzpomíná Dominik Filipp. „Tehdy jsem se zabýval hlavně genetikou. Všimli jsme si tam, že v brzlíku se zapínají do činnosti některé geny, které jinak pracují jen ve střevě a udržují pod kontrolou střevní bakterie. To ale tehdy nedávalo žádný smysl – proč by v brzlíku měly pracovat stejné geny jako ve střevě? Vždyť v brzlíku nebyly k ničemu zapotřebí! Zaujalo mě to. Brzlík mi dodnes připadá jako tajemný orgán, láká mě, takže se od té doby dění v něm věnuji.“
Výzkumy ve světě pokračovaly a ukázalo se, že brzlík není jenom místem, kde dozrávají obranářské T-lymfocyty. Ony tam také, s velkou nadsázkou řečeno, „chodí do školy“ a „učí se“, proti čemu mají bojovat. A doktoru Filippovi se podařilo v rámci grantu od Grantové agentury ČR popsat jeden z principů, jak toto „učení“ probíhá. Poznatky publikovala uznávaná vědecká periodika eLife a Nature Communications.
Zjednodušme složité procesy na prosté vysvětlení. Krvinka T-lymfocyt ničí nechtěné buňky v organizmu poté, co se k nim připojí na specifické místo skrze své povrchové čidlo, kterému říkáme receptor. Na konci receptoru je totiž prohlubeň, do níž musí specifická molekula z části patogenu přesně zapadnout. Receptory na různých T-lymfocytech jsou odlišné, a podobně i molekuly na patogenech. Každá tato bílá krvinka se proto připojí k jinému patogenu.
Mikroskopický obrázek „školícího střediska“ v brzlíku. Školící epitelová buňka (zelená a červená po okrajích, modrá ve středu) je obklopená třemi vyvíjejícími se T-lymfocyty (pouze modré buňky). [Ústav molekulární genetiky Akademie věd ČR]
Problémem je, že receptory na T-lymfocytech jsou tak různorodé, že mohou rozpoznat a připojit se na molekuly vlastního těla, a tak zničit své vlastní buňky, které tyto molekuly produkují. Tento nechtěný proces se nazývá autoimunita, a ta je často spojována s těžkými zdravotními potížemi.
Tomu by měl zabránit právě brzlík. Do něj z kostní dřeně putují nehotové T-lymfocyty, které svůj receptor vytvoří a otestují právě v brzlíku. V brzlíku se pro ně vytvářejí kopie téměř všech molekul vlastního těla, tedy bílkovin, které jsou produkovány i velice specializovanými buňkami a orgány, například v oku, mozku, pokožce nebo i výše zmíněném střevě. V brzlíku pomáhají trénovat T-lymfocyty.
Pokud T-lymfocyt v brzlíku rozezná skrze svůj receptor bílkovinu vlastního těla, je ihned zničen a eliminován, protože imunitní systém takový T-lymfocyt nepotřebuje. Teprve ten T-lymfocyt, který na nic vlastního nezaútočí, je z brzlíku vypuštěn do běžného krevního oběhu, protože tam bude vyhledávat částice cizorodé, kterých se tělo potřebuje zbavit. Doktor Filipp s kolegy popsali, jak konkrétně mechanismus vytváření „školicích“ bílkovin a jejich prezentace T-lymfocytům skrze několik různých typů „školicích“ buněk v brzlíku funguje.
„Mimochodem, to přirovnání brzlíku ke škole je sice odpovídající, ale do takové školy bychom opravdu chodit nechtěli. On totiž brzlík taky připomíná jatka. Asi 95 procent T-lymfocytů, které se do něj dostanou, nesplní požadavky a je okamžitě zničeno,“ popisuje doktor Filipp.
Vliv na autoimunitní onemocnění
Ani v lidském organismu nic nefunguje stoprocentně. Takže i z brzlíku se někdy do těla dostávají T-lymfocyty, které nefungují správně a napadají buňky vlastního těla. V důsledku toho vznikají záněty střev nebo se rozvíjí cukrovka 1. typu, protože „zmatené“ T-lymfocyty zničí buňky produkující inzulin ve slinivce břišní, a mohou se objevit i mnohá další autoimunitní onemocnění. Jejich vznik bývá často důsledkem nějakého zánětu, který přispěje ke špatné aktivitě T-lymfocytů.
Dominik Filipp a jeho kolegové využívají myši, u nichž vyřazují z funkce různé geny, aby poznali, jaký vliv to má na jejich brzlík. Přispívají tak k poznání, jak nemoci vznikají. A přibližují vědu k době, kdy proti autoimunitním onemocněním dokážeme najít vhodné léky.
„Děláme základní výzkum a jsme teprve na začátku. Ale dokážu si teoreticky představit, že jednou půjde využít naše poznatky o brzlíku k léčení lidí,“ zamýšlí se doktor Filipp. „Jednou z možností by mohlo být dopravit – nějakou injekcí, anebo dokonce jen spolknutou tabletou – do brzlíku látky, které v něm zabezpečí fungování těch mechanismů, které kontrolují eliminaci nesprávně fungujících T-lymfocytů, jež tělu škodí. Doufám, že se něco takového i díky našim poznatkům podaří.“
RNDr. Dominik Filipp, CSc., pracuje v Laboratoři imunobiologie v Ústavu molekulární genetiky Akademie věd ČR v Praze a zabývá se molekulárními a buněčnými mechanismy imunitních reakcí. Přednáší na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy. Vystudoval Přírodovědeckou fakultu Univerzity Komenského v Bratislavě. Několik let pracoval v Marseille a v Torontu.
Název projektu nominovaného na Cenu předsedy Grantové agentury ČR: Úloha signalizace receptorů rodiny Toll v mechanizmech centrální tolerance
Dědičná informace uložená v DNA (genom) není u většiny organizmů tvořena pouze geny. Většinu genomu tvoří záhadná „temná hmota“ představovaná opakujícími se úseky DNA neboli repeticemi. Hlavními repeticemi jsou tzv. transpozony (často označované jako skákající geny) a tandemově uspořádané repetice neboli satelity. Repetice nejsou v genomu uspořádány rovnoměrně, ale často se shlukují v oblasti centromer nebo na koncích chromozomů. Bylo otázkou, zda toto hromadění repetic v určitých oblastech genomu je důsledek jejich náhodného včleňování a následného zachování procesem selekce, anebo jsou naopak repetice pouze do určitých míst chromozomů cíleně včleňovány, například do centromer.
V rámci projektu, podpořeného Grantovou agenturou ČR (GA ČR), tým docenta Kejnovského ukázal, že transpozony nejsou včleňovány do genomu náhodně, ale jsou přednostně včleňovány do jiných transpozonů (tzv. „nesting“), a to dokonce do sobě podobných transpozonů. Tato místa přednostního včleňování dokázali v rámci výzkumu nalézt. Příkladem takového místa jsou palindromatické sekvence DNA, místa, která se čtou v obou směrech stejně¹ (příkladem palindromu je například věta „jelenovi pivo nelej“ nebo „kobyla má malý bok“). Přednostní včleňování do již existujících transpozonů dává z evolučního hlediska smysl, neboť právě v těchto místech transpozony genomu nejméně škodí.
V rámci projektu řešitel a jeho tým vytvořili program „TE Greedy Nester“ určený pro hledání LTR retrotranspozonů, tedy transpozonů, které se šíří v genomech duplikativně prostřednictvím molekul RNA.² Jejich program si, na rozdíl od konkurenčních programů, poradí i s obřími genomy zamořenými transpozony, jako je genom kukuřice, tvořený až z 80 % transpozony.
U transpozonů je důležité také správné určení jejich evolučního stáří. Vědecký tým zjistil, že klasická metoda určování věku LTR retrotranspozonů založená na divergenci dlouhých koncových repetic (LTR, jsou při včlenění shodné) není přesná v důsledku genové konverze. Proto navrhl vylepšenou metodu určování stáří těchto transpozonů, která proces genové konverze zohledňuje.³
Řešitelský tým dokázal také zjistit, že transpozony velmi často obsahují motivy, které ochotně tvoří čtyřvláknovou DNA, pro jejíž hledání vytvořili nový software.⁴ DNA se totiž vyskytuje nejen v ikonické podobě známé dvoušroubovice, ale také jako struktura třívláknová (triplex), nebo dokonce čtyřvláknová (kvadruplex). Bylo prokázáno, že kvadruplex má regulační roli a funguje jako přepínač různých molekulárních procesů v buňce. Ve spolupráci se skupinou prof. Kateryny Makove z PennState University v USA vědci zjistili, že kvadruplexové motivy zpomalují, nebo dokonce zastavují prodlužování DNA při sekvenování DNA moderní metodou PacBio.⁵ Navíc odhalili, že v místech kvadruplexových motivů se nachází nejvíce mutací DNA, jak ve zdravých, tak zejména v nádorových buňkách. Rovněž zjistili, že kvadruplexy inhibují skákání Ty1 elementů u kvasinky.⁶
Transpozony patří mezi nejdynamičtější složky genomu. Při řešení projektu se tedy řešitelé zamýšleli nad otázkou, proč jsou některé složky evolučně dynamičtější než jiné. Odpovědí je jejich publikace⁷ prezentující hypotézu, že příčinou vyšší evoluční dynamiky některých genomových elementů je jejich větší náchylnost k migraci či pohybu po buňce i mezi buňkami. Největší mobilitu vykazují právě transpozony, tandemové repetice a promiskuitní DNA (tj. DNA migrující mezi buněčnými organelami chloroplasty/mitochondriemi a jádrem).
Všechny uvedené a během výzkumu zkoumané složky genomu jsou pak významnými hráči fungování genomu a buňky. Poskytují genomům variabilitu, která je předpokladem evoluce a adaptace a kterou člověk také odpradávna využívá při šlechtění kulturních plodin.
Pohyb evolučně nejdynamičtějších složek genomu po buňce. EccDNA – extrachromozomální cirkulární DNA, TE RNA – přepis transpozonu. DNA je modře, RNA je červeně (autor obrázku Pavel Jedlička).
Výstupem projektu je také několik odborných článků:
¹ Jedlička et al 2019, Mobile DNA
² Lexa et al 2020, Bioinformatics
³ Jedlička et al 2020, Front Plant Sci
⁴ Labudová et al 2020, Bioinformatics
⁵ Guiblet et al 2018, Genome Research
⁶ Tokan et al 2018, BMC Genomics; Tokan et al 2021, Biology
Obr. 1 Motivací projektu bylo hledání vírů v proudící kapalině či vzduchu (obrázek je ilustrační a neobsahuje data z projektu).
Detekce vírů, zřídel a dalších singularit v proudící kapalině či plynu je v centru pozornosti inženýrů i matematiků po dlouhá desetiletí. Jejich výskyt může ukazovat na špatné aerodynamické vlastnosti obtékaného objektu nebo na překážky bránící hladkému transportu kapaliny. Prof. Jan Flusser z Ústavu teorie informace a automatizace AV ČR se svým týmem v rámci projektu podpořeném Grantovou agenturou České republiky vyvinul originální metodu detekce těchto jevů.
Proudění kapaliny či vzduchu v nějakém prostředí, obtékání kolem daných objektů, se tradičně studuje pomocí matematického modelu daného tzv. Navier-Stokesovými diferenciálními rovnicemi. Na vstupu modelu definujeme okrajové podmínky (to znamená třeba tvar obtékaného objektu), na výstupu pak dostáváme řešení popisující vektor rychlosti v každém bodě. V něm lze singularity detekovat metodami matematické analýzy. Tento přístup má dva základní nedostatky. Jednak je velmi výpočetně i teoreticky náročný (ne nadarmo je otázka obecné řešitelnosti Navier-Stokesových rovnic jedním ze slavných „Millennium Problems“) a jednak ho nelze použít na reálná data, kde např. studujeme objekt v aerodynamickém tunelu a vektory rychlosti proudění měříme na diskrétní síti bodů přímo.
„Problém mi jako nevyřešený prvně ukázali někdy v roce 2016 kolegové z univerzity z Lipska, kteří pracovali na projektu pro jednu německou automobilku, a přestože šlo o oblast, kterou jsem se nikdy předtím nezabýval, zaujalo mne to. Napadlo mne zcela vynechat jakýkoliv model proudění, vyhnout se Navier-Stokesovým rovnicím a zapojit naopak metody umělé inteligence pro analýzu dat, s kterými máme bohaté zkušenosti,“ vzpomíná profesor Flusser.
Hlavní myšlenka
Zjednodušeně si můžeme ideu prof. Flussera představit takto: máme databázi struktur, které chceme v proudění hledat. Ta bývá manuálně vybrána z nějakých vzorových dat a nemusí být tvořena jen víry, metoda funguje pro jakékoliv regulární i singulární struktury. Na této databázi se metoda „naučí“, jak vypadá to, co hledáme, a následně pak prozkoumává data z aktuálního proudění (viz Obr. 2).
Obr. 2. Znázornění hlavní myšlenky metody. Vzorový objekt z trénovací databáze (nahoře) je srovnáván se všemi lokalitami zkoumaného vektorového pole (dole). Srovnávání probíhá pomocí originálně navrženého matematického popisu. Dosažení vysoké podobnosti se považuje za nalezení výskytu struktury (převzato z hlavní publikace projektu – viz níže).
To vypadá jednoduše, hlavní výzvou ovšem je, jakými charakteristikami data reprezentovat. Trénovací databáze je vždy omezená, nelze očekávat, že v ní budou všechny možné víry. Teprve když se povede najít charakteristiky, které nebudou záviset na konkrétní velikosti a tvaru víru, bude metoda fungovat efektivně. A právě nalezení takových charakteristik pro popis struktur ve vektorových polích bylo hlavním cílem projektu.
Výsledky
Na Obr. 3 a 4 vidíme ukázky detekce vírů v proudění kolem překážky a na satelitním snímku, mapujícím globální světový vítr.
Obr. 3. Detekce vírů v tzv. Kármánově vírové stezce, která vzniká při proudění kolem oblých těles, jako jsou křídla, karoserie nebo komíny (převzato z hlavní publikace projektu – viz níže).
Obr. 4. Detekce vírů na snímku globálního větru z meteorologické družice NOAA (převzato z hlavní publikace projektu – viz níže).
„Jsem velmi rád, že GA ČR tento projekt podpořila. Vzhledem k tomu, že proudění kapalin až dosud leželo mimo oblast našeho hlavního zájmu, je pravděpodobné, že bez grantových financí bychom se tímto výzkumem nezabývali,“ ohlíží se za úspěšným projektem prof. Flusser. „Navíc zde vidíme potenciál pro zobecnění na tenzorová data, která se vyskytují v nových zobrazovacích metodách v medicíně.“
vystudoval Fakultu jadernou a fyzikálně inženýrskou ČVUT v Praze, obor matematické inženýrství (1985). V roce 1990 získal vědeckou hodnost CSc. v oboru výpočetní technika a v roce 2001 vědeckou hodnost DrSc. v oboru technická kybernetika. Profesorem v oboru Aplikovaná matematika na ČVUT byl jmenován v r. 2004. Od roku 1985 pracuje v Ústavu teorie informace a automatizace AV ČR (ÚTIA). Byl vedoucím oddělení Zpracování obrazové informace (1995–2007), ředitelem ÚTIA (2007–2017) a od r. 2017 je zástupcem ředitele pro výzkum. Pedagogicky působí na FJFI ČVUT a na MFF UK.
Prof. Flusser se zabývá digitálním zpracováním obrazu, rozpoznáváním objektů a relevantními oblastmi umělé inteligence a matematiky. Je autorem či spoluautorem více než 200 původních vědeckých prací, mezi něž patří i známé monografie Moments and Moment Invariants in Pattern Recognition (Wiley, 2009; překlad do čínštiny 2014) a 2D and 3D Image Analysis by Moments (Wiley, 2016). Náleží k nejvíce citovaným českým matematikům. Je držitelem řady českých i zahraničních vědeckých ocenění, mimo jiné Ceny předsedy GA ČR (2007), Ceny AV ČR (2007), Elsevier Scopus Award (2010), Felberovy medaile (2015) a Akademické Prémie (2017).
Česká republika je vedle Švýcarska zemí s nejvyšším podílem kremací v Evropě, tímto způsobem jsou pohřbeny čtyři pětiny mrtvých. Ještě výjimečnější jsou ovšem Češi tím, že pohřbívání svých blízkých často nevěnují velkou pozornost. Na otázku, proč tomu tak je, odpověděla Olga Nešporová a její kolegové z Etnologického ústavu Akademie věd ČR.
Přesná čísla týkající se pohřbení jsou známa pouze u způsobu naložení s mrtvým tělem, tedy zda je uloženo do země nebo spáleno. V tomto ohledu byla Československá republika, respektive její česká část, poměrně výjimečná a „pokroková“ již v první polovině 20. století. Tak vysokých podílů kremace na způsobu pohřbívání, jaké již tehdy byly běžné ve Švýcarsku (4 % v roce 1920 a 16 % v roce 1945), sice nedosahovala, ale i tak patřila v zavádění a rozšíření moderní kremace mezi evropskou špičku. To si udržela až dodnes. Významně tomu napomohl vývoj po druhé světové válce.
Rozšiřování kremací a občanských pohřbů
Pohled do minulosti pomáhá rozklíčovat a náležitě interpretovat současné dění. Kremace byla v zemích východního bloku od 50. let 20. století hojně propagována, protože dobře odpovídala tehdejšímu vědecko-ateistickému světonázoru hlásajícímu, že po smrti nic není. Žádné zmrtvýchvstání a pokračování v podobě života věčného či jiné formy posmrtné existence neexistuje. Přeměna lidského těla na hromádku popela to pěkně ilustrovala.
Kremace byla nejen pokroková, ale měla ještě jednu méně zjevnou výhodu. Umožnila zjednodušit pohřby, provádět je na jednom místě, odbourat pohřební průvod. Přenesení místa pohřebního obřadu z domu, kostela a hřbitova do nového sekulárního prostoru umožňovalo lépe určit nová pravidla. Tím byla značně oslabována dosavadní autorita církve nejen v oblasti smrti, ale i obecně.
Místo křesťanských obřadů byly za komunismu cíleně rozšiřovány nové občanské pohřby. Úspěšně se to ovšem povedlo pouze v některých zemích. Ponejvíce právě tam, kde byla kremace už dost myslitelnou a neodmítanou alternativou pohřbení, což se netýkalo zemí se silnou katolickou, a ještě více s pravoslavnou křesťanskou tradicí. Římskokatolická církev povolila kremaci pro své věřící v 60. letech 20. století, pravoslavná ji dodnes odmítá. I v Československu bylo nejvíce kremací i občanských pohřbů v Čechách, méně na Moravě, ale jen velmi málo na Slovensku. V Košicích nebyl o kremace zájem ani tehdy, když byly zdarma.
Vsyp popela se praktikuje od od 70. letech 20 století, zpravidla kolektivně a s občanským obřadem. Obálka knihy publikované v roce 2021 ve Velké Británii.
Že vzestupu kremací u nás pomohl komunistický režim je zřejmé. Proč ale jejich počet ještě dále stoupal i po sametové revoluci? A proč po politickém převratu na sklonku 20. století začali lidé stále častěji od pohřebního obřadu zcela upouštět?
Aby bylo možné na tyto a podobné otázky odpovědět, je nezbytné přesněji znát a pochopit, co se v pohřební oblasti dělo v průběhu 20. století. Právě o to se pokusila sociální antropoložka Olga Nešporová, společně s historičkou a etnoložkou Alexandrou Navrátilovou z Etnologického ústavu Akademie věd ČR. Tématu se věnovaly ve výzkumném projektu Proměny pohřebního ritu v Čechách a na Moravě v průběhu 20. století, finančně podpořeným Grantovou agenturou České republiky. Pro lepší porozumění a komparaci v rámci Evropy tým doplnila historička Heléna Tóth z německé univerzity v Bamberku.
Projekt vedle pohřebního způsobu věnoval velkou pozornost pohřebním obřadům, zejména těm občanským. Poukázal na významnou roli sborů pro občanské záležitosti v utváření a realizaci nových zjednodušených pohřbů.
Krematorium s občanskou smuteční obřadní síní v České Třebové, otevřené v roce 1970, dodnes používané.
Bezobřadové pohřbívání
Do sametové revoluce bylo pohřbení bez jakéhokoliv pohřebního obřadu v době míru a prosperity nevídané, týkalo se pouze zločinců či jiných sociálních vyděděnců. Kremace bez obřadu, tedy takové, kdy je mrtvé tělo člověka spáleno, aniž aby se s ním předtím pozůstalí rozloučili při pohřebním shromáždění, se pozvolna začaly rozšiřovat v 90. letech 20. století. Dnes již je v některých českých lokalitách dokonce většinovou praxí, jinde tímto způsobem končí pětina až čtvrtina zesnulých. V evropském kontextu je to velmi neobvyklé. Náhradní soukromé pohřební obřady se v České republice rozšiřují jen velmi zvolna. „Ze studia pohřební praxe ve druhé polovině 20. století vyplývá, že současné bezobřadové pohřbívání je přímou reakcí na předchozí praxi, tedy to, jak se konaly občanské pohřby, jakou měly formu a obsah,“ vysvětluje doktorka Nešporová. Jejich podoba se s politickým převratem změnila jen málo a pro mnohé pozůstalé ztratilo jejich vykonávání smysl. Návrat k obřadům církevním, které jsou v Evropě stále nejběžnější formou posledního rozloučení, nenastal, a nové formy se tvoří jen velmi pomalu.
Privatizace smutku nahrává i komornějším formám pohřbů. Velmi zvolna se rozšiřuje snaha o přírodní a ekologické pohřbívání spojené s pohřebními obřady, které více zohledňují přání zesnulého i pozůstalých. Tato rozloučení se často konají venku a pozůstalí v nich mají aktivnější roli, než je běžné v obřadních síních. Například ve Velké Británii nebo Nizozemsku se přírodní pohřbívání v posledních desetiletích velmi rozšířilo a dá se očekávat, že se stane hojnějším i v České republice.
Mgr. Olga Nešporová, Ph.D., působí v Etnologickém ústavu Akademie věd ČR v oddělení kulturních dějin a ve Výzkumném ústavu práce a sociálních věcí v Praze. Odborně se věnuje především sociální antropologii a sociologii smrti, rodiny a rodinné politice. K jejím nejvýznamnějším publikacím patří knihy O smrti a pohřbívání (2013, Brno: CDK) a Funerary Practices in the Czech Republic (2021, Bingley: Emerald Publishing). Její odborné studie vyšly v časopisech Český lid, Fórum sociální politiky, Journal of Family Issues, Lidé města, Mortality, Omega, Sociologický časopis a Sociální studia.
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.
Obr. 3 Horniny durbachitové série z Vogéz (Hora et al. 2021, Lithos). a – Celkový pohled na durbachit ze Sainte-Croix-aux-Mines. b –Detailní pohled na perfektně omezenou, zonální vyrostlici draselného živce.
Obr. 4 Bazilika sv. Prokopa v Třebíči postavená koncem 13. století z třebíčského durbachitu (foto F.V. Holub).
Ilustrační fotografie: sběr dat v terénu (dotazníkové šetření)
PhDr. Vít Šťastný, Ph.D., hlavní řešitel projektu
Mgr. Nataliya Romanyuk, Ph.D., hlavní řešitelka projektu
Ing. Lukáš Valihrach, Ph.D., spoluřešitel projektu
Výzkum v Ekvádoru, doktor Větrovský první zleva (Mikrobiologický ústav Akademie věd ČR a Česká zemědělská univerzita v Praze)
Mikroskopický obrázek „školícího střediska“ v brzlíku. Školící epitelová buňka (zelená a červená po okrajích, modrá ve středu) je obklopená třemi vyvíjejícími se T-lymfocyty (pouze modré buňky). [Ústav molekulární genetiky Akademie věd ČR]
Pohyb evolučně nejdynamičtějších složek genomu po buňce. EccDNA – extrachromozomální cirkulární DNA, TE RNA – přepis transpozonu. DNA je modře, RNA je červeně (autor obrázku Pavel Jedlička).
Obr. 2. Znázornění hlavní myšlenky metody. Vzorový objekt z trénovací databáze (nahoře) je srovnáván se všemi lokalitami zkoumaného vektorového pole (dole). Srovnávání probíhá pomocí originálně navrženého matematického popisu. Dosažení vysoké podobnosti se považuje za nalezení výskytu struktury (převzato z hlavní publikace projektu – viz níže).
Obr. 3. Detekce vírů v tzv. Kármánově vírové stezce, která vzniká při proudění kolem oblých těles, jako jsou křídla, karoserie nebo komíny (převzato z hlavní publikace projektu – viz níže).
Obr. 4. Detekce vírů na snímku globálního větru z meteorologické družice NOAA (převzato z hlavní publikace projektu – viz níže).
Vsyp popela se praktikuje od od 70. letech 20 století, zpravidla kolektivně a s občanským obřadem. Obálka knihy publikované v roce 2021 ve Velké Británii.
Krematorium s občanskou smuteční obřadní síní v České Třebové, otevřené v roce 1970, dodnes používané.