Jeseteři žijí na naší planetě již od dob dinosaurů a zachovali si některé archaické a dnes již mezi ostatními obratlovci unikátní znaky. Přestože jsou jeseteři evolučně velmi úspěšní, čelí dnes vyhynutí. V tzv. červené knize ohrožených zvířat je 16 z 27 druhů jeseterů klasifikováno jako kriticky ohrožení.
„Evidentně je na vině člověk, který při honbě za kaviárem vydrancoval většinu jeseteřích populací. Nemalou měrou je na vině rovněž znečištění vodních toků a výstavba přehrad, které brání jeseterům při jejich migracích za reprodukcí. Proto jsme se začali zabývat vývojem metod, které mají za cíl ochranu a genetickou konzervaci jeseterů,“ říká doc. Ing. Martin Pšenička, Ph. D., z Fakulty rybářství a ochrany vod Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích, který vedl projekt podpořený Grantovou agenturou České republiky s názvem „Jaderný transfer u ryb: šance pro obnovení mizejících druhů jeseterů.”
Oplození somatickou buňkou
Vědci se vydali dvěma směry. Prvním byl klasický jaderný transfer. Podstata metody je jednoduchá. Vezme se buňka ohroženého druhu jesetera, například z ploutve, a injikuje se do vajíčka náhradního blízkého druhu. Vajíčko je tedy „oplozeno“ nikoliv spermií, ale somatickou buňkou. Vajíčko z nějakého důvodu pozná, že je přítomná buňka diploidní (obsahuje kompletní informaci ke vzniku jedince) a genetickou informaci vajíčka vyloučí. Výsledný organismus je klon, který má jadernou genetickou informaci pouze somatické buňky donora. Druhým směrem bylo využití unikátního fenoménu polyspermie u jeseterů, tedy oplození jednoho vajíčka více spermiemi.
Rýhování embya jesetera malého
„Tato vlastnost by mohla být využita k obnově druhu pouze ze spermie a vajíčka náhradního druhu. Zde je nutné si uvědomit, že vajíčka ryb nepřežívají zamražení. Uchování genetického materiálu ve zmraženém stavu lze tedy pouze v podobě spermií či buněk,“ vysvětluje doc Pšenička.
Hlavní výzvou při řešení projektu bylo zvýšení životaschopnosti výsledných klonů. Na jednu stranu je totiž tato metoda u ryb velmi zvýhodněna externím oplozením a vývojem, ovšem na druhou stranu mají klonované ryby obecně velmi malé přežití, a to včetně modelových druhů, jako jsou dánio pruhované, karas obecný nebo medaka japonská. U těchto druhů lze získat okolo 20 % embryí, přičemž nejlepšího výsledku bylo dosaženo při získání cca 2 % dospělců. „V naší práci se nám po řadě optimalizací podařilo získat přes 60 % embryí u různých druhů jeseterů. Bohužel po stadiu blastuly přicházely další velké ztráty,“ říká Martin Pšenička.
Životaschopné hybridy
Velkým překvapením pro vědecký tým bylo zjištění, že po vniknutí více spermií do vajíčka se embrya normálně vyvíjela. Po analýze vzniklých polyspermních embryí vědci zjistili, že jedna spermie splyne s prvojádrem vajíčka a vytvoří zygotu, jedna až tři spermie vytvoří blastomery (embryonální buňky), které se vyvíjí samostatně s genetickou informací pouze od otce a další spermie (až desítky) zanikají. Část buněk nesoucí pouze otcovskou jadernou genetickou informaci se diferencuje do zárodečných buněk, a předává tak (zatím jen teoreticky) genetickou informaci do další generace. „Pokud víme, tak se jedná o unikátní mechanismus oplození. Tento objev nám dal možnost vytvořit první životaschopné hybridy, vzniklé ze tří rodičů různých druhů: jesetera ruského, jesetera sibiřského a jesetera malého. Jeden potomek tak měl jednu matku a dva otce, kde spermie jednoho druhu fúzovala s prvojádrem vajíčka druhého druhu (diploidní linie) a spermie třetího druhu vytvořila samostatnou klonální haploidní linii,“ vysvětluje docent Pšenička.
Jeseter malý
Jesetery lze klonovat
Nejdůležitějším závěrem projektu je, že jesetery lze klonovat, tedy obnovit genomovou informaci jedince z neinvazivně odebrané somatické buňky. Tyto buňky lze bez problémů dlouhodobě uchovávat zamražené v tekutém dusíku.
Rozhodujícím krokem optimalizace jaderného transferu byla zdánlivá maličkost, množství buněk potažmo jader somatických buněk, které byly injikovány do vajíčka. Se zvyšujícím se počtem buněk se zvyšovalo i přežití klonů.
Tuto schopnost vajíčka akceptovat více jader lze přirovnat ke schopnosti akceptovat více spermií – polyspermii.
Centrum výzkumu jeseterů
Ve Francii a Německu vědci pracují na ochraně a obnově jesetera velkého, který byl mimochodem i původním druhem v České republice. Nyní je tento druh, jako řada dalších, na pokraji vyhynutí. Zahraniční vědci dlouhodobě podněcovali myšlenku aplikace jaderného transferu na jesetery. „Kolegové ve Francii mají již dlouholeté zkušenosti s jaderným transferem u karasa obecného, ale na práci s jesetery nemají zázemí. Naše laboratoř s nimi na toto téma navázala spolupráci a domluvili jsme se, že metodu přeneseme na jesetery. Máme ve Vodňanech unikátní sbírku jedenácti druhů jeseterů a mezi nimi i jesetera malého, kterého jsme si zvolili jako modelový druh,“ uvádí doc. Pšenička. Tato ryba dospívá relativně brzy (4-5 let) a jak jeho druhový název napovídá, tak má relativně nízké nároky na prostor. Na Fakultě rybářství a ochrany vod zvládají výtěr této ryby od ledna až do června, což otevřelo možnosti širokého výzkumu. Díky tomu se tým vědců pod vedením doc. Martina Pšeničky dostal do povědomí řady výborných vývojových biologů z celého světa, kteří s ním nyní navazují spolupráci. Fakulta rybářství a ochrany vod se tak stala jakýmsi celosvětovým centrem výzkumu jeseterů.
doc. Ing. Martin Pšenička, Ph.D. se narodil 17. ledna 1981 v Karlových Varech. Vystudoval Střední rybářskou školu v Třeboni a následně Jihočeskou univerzitu v Českých Budějovicích, obor všeobecné zemědělství se specializací rybářství. Studium prohluboval dále na Univerzitě Hokkaido v Japonsku. Od roku 2010 působí jako akademický pracovník na Fakultě rybářství a ochrany vod na Jihočeské univerzitě v Českých Budějovicích a je zde vedoucím Laboratoře zárodečných buněk. Je hlavním pořadatelem významných mezinárodních konferencí a také hostujícím editorem v časopise Journal of Applied Ichthyology, Fish Physiology and Biochemistry a International Journal of Molecular Sciences.
Převrat ve vývoji flexibilních materiálů pro použití v elektronice a uchovávání energie si vědci slibují od nových originálních materiálů na bázi polymerů. Ty jsou dnes díky přípravě z dostupnějších surovin, smíšené elektronové a iontové vodivosti a možnosti modifikace vodivosti a stability považovány za kandidáty na efektivnější elektrody pro baterie a kondenzátory.
Rozvíjející se elektronika a požadavky na ekologičtější energetické aplikace stimulují vývoj nových materiálů pro baterie, superkondenzátory, palivové a solární články. Vědcům z Ústavu makromolekulární chemie AV ČR (ÚMCH AV ČR) se nyní v rámci tříletého projektu podařilo připravit nové vodivé materiály na bázi polymerů ve formě prášků, tenkých vrstev, kryogelů a hybridních kompozitů s funkcemi vhodnými hlavně pro elektrodové materiály pro přeměnu a skladování energie a katalýzu. „Během řešení projektu se ukázalo, že získané porézní materiály můžou být také využité jako adsorbenty nebo antibakteriální materiály,“ říká Dr. Patrycja Bober, vedoucí Oddělení vodivých polymerů v ÚMCH AV ČR. Výsledky výzkumu byly publikovány v renomovaných impaktovaných vědeckých časopisech: Journal of Materials Chemistry C, Journal of Colloid and Interface Science, Macromolecular Rapid Communications, Polymer apod. Celkem bylo publikováno 12 článků.
Polypyrol cryogel připravený s želatinou (vlevo) a ilustrace makroporézního morfologie odpovídajícího aerogelu (vpravo).
Hlavní komplikací úspěšného projektu bylo nalezení optimální doby kryopolymerace pro získání maximálního výtěžku připraveného polymeru v kryogelech a optimalizaci technologie čištění. „Kryopolymerace je velmi pomalý proces.Nyní již víme, že nám na ni stačí jeden týden, ale čištění materiálů trvá přibližně 3 měsíce. Bohužel, další komplikace nastala během pandemie, kdy jsme si museli zvyknout na komunikaci na dálku a na online schůzky namísto osobního jednaní a diskuzí nad výsledky,“ objasňuje Dr. Patrycja Bober.
Na vývoji nových vodivých materiálů spolupracovali vědci z ÚMCH se zahraničními kolegy z rakouského Wood KPlus – Kompetenzzentrum Holz GmbH, ze slovenského Ústavu polymérov SAV a ze srbské University of Belgrade. „Také jsme úzce spolupracovali se skupinou prof. Ing. Petra Humpolíčka, Ph.D., z Centra polymerních systémů Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně. Během zkoumání biologických vlastností makroporézních a vodivých kryogelů jsme společně zjistili, že polypyrrolové kryogely stabilizované želatinou vykazují významný antibakteriální účinek bez dalších antibakteriálních látek, což je velmi slibné pro jejich potenciální využití také v biomedicínských aplikacích,“ popisuje Dr. Patrycja Bober.
Nově získané poznatky včetně jednokrokového kryopolymerizačního postupu nyní vědci využijí v rámci řešení dalšího projektu, podpořeného Grantovou agenturou ČR, který se věnuje přípravě a charakterizaci inovativních vysoce porézních vodivých polymerních materiálů a jejich kompozitů pro degradaci organických barviv, léčiv nebo těžkých kovů z odpadních vod.
Ing. Patrycja Bober, Ph.D., je vedoucí Oddělení vodivých polymerů v Ústavu makromolekulární chemie Akademie věd České republiky. Po absolvování doktorského studia v oboru makromolekulární chemie na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy strávila šest měsíců na finské Åbo Akademi University. Se svou skupinou se věnujepřípravě vodivých polymerů a kompozitu chemickou oxidací nebo elektrochemickou polymerací s ohledem na řízení polymerní morfologie s vysokou elektrickou vodivostí. Její tým spolupracuje s řadou pracovišť v České republice a zahraničí (Rakousko, Srbsko, Finsko, Slovensko, Singapur apod.) v oblasti aplikací připravených materiálů.
Autor: Ústavu makromolekulární chemie AV ČR, na úvodní fotce vědecký tým Dr. Patrycje Bober v ÚMCH AV ČR
V letech 2007–2009 prozkoumali archeologové z Archeologického ústavu AV ČR, Praha, v. v. i., a Východočeského muzea v Pardubicích v lokalitě Mikulovice u Pardubic několik skupin kostrových hrobů z počátků doby bronzové, z období ca 2200–1700 před Kristem. Záhy se ukázalo, že zdejší pohřebiště je pravým zlatým dolem, a to nejen bohatstvím pohřebních výbav místních nebožtíků, ale zejména nepřeberným množstvím zcela unikátních informací o tomto období.
Staletí kolem a po roce 2000 před Kristem jsou v celoevropském kontextu spojována s počátky bronzové metalurgie a rozvojem dálkového obchodu a nadregionálních kontaktů všeho druhu. Jak znalost poměrně vyspělé metalurgie, tak široké spektrum jejích produktů v podobě stovek typů bronzových předmětů, se během několika desetiletí rozšířily téměř do všech koutů tehdy známého světa. V této klíčové době patřilo území dnešních Čech, spojované s tzv. Únětickou archeologickou kulturou, spolu s oblastmi jižní Anglie (kultura Wessex) a jihovýchodního Španělska (kultura El Argar) k nejvyspělejším oblastem evropského kontinentu a jeho tehdejší obyvatelé udávali po několik staletí tón společenskému, hospodářskému a politickému vývoji celé širší střední Evropy.
Mikulovice u Pardubic, dokumentace jednoho z hrobů
Na rozsáhlém území mezi německým Harzem, polským Slezskem a jihozápadním Slovenskem, kde se s památkami Únětické kultury setkáváme, jsou dnešní Čechy množstvím i kvalitou nálezů nepochybně regionem nejbohatším. To se týká i charakteristických kostrových pohřebišť té doby. Naši předkové na nich pohřbívali své mrtvé ve skrčené poloze, na pravém boku, hlavou k jihu a obličejem k východu. Někdy je ukládali do jednoduchých obdélných hrobových jam, často ale najdeme i opravdové kamenné hrobky se složitou konstrukcí, dlážděným dnem, zděnými stěnami a stropem z rozměrných kamenných bloků. Právě dvě taková bohatá kostrová pohřebiště, prozkoumaná již v roce 1879 poblíž Únětic nedaleko Prahy lékařem z blízkých Roztok, Čeňkem Ryznerem, dala také ještě v 19. století jméno celé archeologické kultuře – Únětická. I když se regionální skupiny Únětické kultury na obrovském území jejího rozšíření navzájem v lecčems liší, společný habitus jim dává mimo jiné právě shodný pohřební ritus i velmi typické formy společně se vyskytujících předmětů, nádob, šperků atd.
Jednou z významných odlišností území dnešních Čech od všech sousedních oblastí je masový výskyt jantaru v hrobech zdejších obyvatel. Zejména v těch ženských často nacházíme nádherné jantarové náhrdelníky. Jantar je na našem území jednoznačně cizího (baltského) původu a je proto významným dokladem nadregionálních kontaktů příslušníků zdejších “starobronzových“ populací. Zatímco ze sousedních oblastí (střední Německo, polské Slezsko, Morava) známe nanejvýš několik málo desítek pohřbů s jantarem, přítomném nejčastěji jen v jediném hrobě na celém pohřebišti, máme dnes z území Čech k dispozici více než 320 hrobů obsahujících jantarové šperky – výjimkou není ani deset a více na jednom pohřebišti – s desítkami i stovkami jantarových šperků.
Mikulovice u Pardubic, repliky honosných jantarových náhrdelníků z ženských hrobů č. 2 (vpravo) a 36 (vlevo).
Z celkového obrazu svým bohatstvím vyčnívá právě pohřebiště v Mikulovicích. S téměř 900 jantarovými předměty identifikovanými ve 27 zdejších hrobech jsou Mikulovice na jantar nejbohatší lokalitou v celém únětickém světě a jednou z nejbohatších v soudobé Evropě vůbec. Jantarové náhrdelníky, které patří na našem území k typickým ženským šperkům, se tu našly ve více než 40 % všech ženských hrobů, což je extrémní množství. Hrob ca 35 let staré ženy č. 2 je se svým nádherným náhrdelníkem složeným z více než 400 jantarových perel dokonce vůbec nejbohatším hrobem obsahujícím jantar známým z celé tehdejší Evropy. Právě toto extrémní bohatství bylo významným impulzem k vědecké analýze a publikaci této nekropole v rámci mezinárodního interdisciplinárního projektu finančně podpořeného grantem GA ČR.
Archeologie stále intenzivněji spolupracuje s nejrůznějšími přírodními vědami. Zdaleka už nejde jenom o radiokarbonové datování nebo chemické složení kovových předmětů. V poslední době jsou to zejména analýzy tzv. mobilitních (Sr a O) a výživových (C a N) izotopů, pomáhající mapovat možné oblasti původu a stravovací návyky našich předků, a samozřejmě analýzy aDNA. S rozšiřujícím spektrem využívaných metod se vyvíjí i metodika a “filosofie“ jejich využívání. Výzkum rychle směřuje od analýz jednotlivých případů k multidisciplinárním projektům zkoumajícím a interpretujícím celé komplexy dat – v našem případě celá pohřebiště, celé pravěké komunity. To je i případ projektu vědeckého vyhodnocení pohřebiště v Mikulovicích.
Mikulovice u Pardubic, hrob ca 35ti leté žerny č. 2 s honosnými šperky – jantarovým náhrdelníkem, bronzovými náramky, jehlicemi a zlatými ozdobami vlasů. Jde o nejbohatší známý hrob s jantarovými šperky z celé tehdejší Evropy.
Ne všechny potřebné analýzy je možné nebo účelné provádět na pracovištích v ČR. Spolupracujeme proto i s řadou renomovaných zahraničních institucí a kolegů, často nositelů ERC gratů. Za jiné stojí za zmínku univerzity v Bristolu či Helsinkách (prof. V. Heyd, analýzy tzv. mobilitních izotopů stroncia a kyslíku), Curt-Engelhorn-Zentrum Archäometrie v Mannheimu (prof. E. Pernicka, prof. R. Schwab a další, materiálové analýzy, radiokarbonové datování), tým Dr. W. Haaka na Max Planck Institute for the Science of Human History v Jeně nebo tým prof. D. Reicha na Harvardu (analýzy aDNA, paleopatologie atd.). Nicméně na našem výzkumu se samozřejmě podílela i řada pracovišť z ČR, v čele s kolegyněmi a kolegy z několika ústavů AV ČR (ÚJF v Řeži, Geologický ústav), Antropologického oddělení NM v Praze, České geologické služby, Přírodovědné fakulty UK v Praze, Anatomického ústavu Fakultní nemocnice v Brně-Bohunicích, Přírodovědecké fakulty UP v Olomouci nebo Ústavu archeologie a muzeologie FF MU v Brně.
Díky nadprůměrnému bohatství hrobů mikulovické starobronzové komunity, zejména výskytu importů, tedy předmětů, surovin či technologií prokazatelně cizího původu (např. zmíněný jantar), a také díky strategické geografické poloze, jsme už od počátku připisovali zdejší aglomeraci možnou roli klíčového uzlového bodu na významné dálkové komunikaci. Poloha na ní umožňovala přísun těchto komodit ve výrazně nadprůměrném množství. To dává tušit, že se zdejší komunita na provozu na této komunikaci patrně nějakým způsobem podílela – někteří její příslušníci z její existence významně profitovali. Opět bych tu připomněl ženu z hrobu č. 2, pohřbenou kromě pěti bronzových náramků, tří bronzových jehlic a dvou zlatých vlasových ozdob také s již výše zmíněným nádherným jantarovým náhrdelníkem složeným z více než 400 jantarových perel a několika tzv. rozřaďovačů, vzácných jantarových kamenů s vícenásobným paralelním vrtáním, které sloužily nejen jako ozdoba, ale také k udržování odstupu mezi celkem třemi řadami jantarových korálů.
Mikulovice u Pardubic, zlaté vlasové šperky z bohatého ženského hrobu č. 2.
Zejména dvojité a trojité rozřaďovače činkovitého tvaru jsou svým tvarem zcela výjimečné a nezaměnitelné, svědčící o mimořádné zručnosti a invenci svého výrobce/designera. Tyto svým tvarem nezaměnitelné artefakty známe jen ze čtyř soudobých bohatých ženských hrobů, tří na území Čech a čtvrtého, prozkoumaného nedaleko naší severní hranice. Všechny byly součástí nádherných jantarových náhrdelníků s velmi podobným designem – jeden ústřední, obdélný či okrouhlý kámen s vícenásobným paralelním vrtáním byl doplněn několika činkovitými rozřaďovači s vícenásobným paralelním vrtáním a dvěma nebo třemi šňůrami drobných jantarových perel. Šlo o záměrně vyrobené a sestavené honosné jantarové šperky, složené ze standardizovaných setů rozřaďovačů doplněných dvěma či třemi šňůrami jednoduchých perel. Náhrdelníky vznikly mezi léty 2000–1800 před Kristem ve specializované šperkařské dílně působící někde na území středních Čech a byly určeny pro významné zákazníky/zákaznice, ženy, stojící na vyšších stupíncích tehdejší únětické sociální hierarchie.
A jak se poloha aglomerace na významné dálkové komunikaci a příliv exotického zboží odrazily v životě mikulovické komunity? Zdejší populaci můžeme charakterizovat, pro někoho možná překvapivě, jako typicky zemědělskou, s homogenním signálem stravovacích návyků odpovídajících konzumaci běžného spektra plodin (zejména pšenic – dvouzrnky, jednozrnky a špaldy) i domácích zvířat (tura, prasat, ovcí/koz) své doby. Doloženo je komplexní využívání okolního přírodního prostředí, které v blízkosti aglomerace charakterizujeme jako suché, spíše otevřené stanoviště, patrně bez výskytu zapojeného lesa, s podmínkami vhodnými k provozování zemědělské činnosti. Zdejší sídelní aglomeraci, jejíž rozsah odhadujeme na ca 60 ha, měla patrně zcela odlesněnou a intenzivně multifunkčně využívanou a částečně zastavěnou centrální plochu, lemovanou zemědělsky obhospodařovanou půdou postupně přecházející v místy řidší lesní porosty. Antropologické a paleopatologické analýzy nás poněkud překvapivě informují o daleko horším zdravotním stavu a větších zdravotních problémech zdejších obyvatel, než by se mohlo zdát na základě výsledků dosavadního výzkumu. Pomineme-li některá běžnější, často zhojená zranění i výjimečné případy s fatálními následky, překvapuje na první pohled zejména vysoký podíl jedinců s možnými stopami TBC na kostech, ale i poměrně vysoký podíl kloubních či zánětlivých onemocnění, vrozené skoliózy nebo potravinové nedostatečnosti. Také stopy intenzivní, opakující se pracovní činnosti na zubech několika skeletů patří mezi výjimečná zjištění. Již zmíněné analýzy tzv. výživových izotopů uhlíku a dusíku neindikují téměř žádnou sociální stratifikaci. Pouze dva skelety (dvojhrob muže a ženy) vykazují výrazně odlehlé hodnoty naznačující častější konzumaci masa. Zatímco muž byl patrně původem z regonu, žena byla pomocí analýzy tzv. mobilitních izotopů stroncia a kyslíku jednoznačně identifikována jako “cizinka“. Jejich obecně vyššímu sociálnímu postavení v rámci komunity však na druhé straně neodpovídá množství ani kvalita milodarů z jejich hrobu. Tím se dostáváme k relativně nízkému podílu tzv. imigrantů, jedinců cizího původu, pochovaných společně s “místními“ příslušníky zdejší populace, kterou prof. Heyd charakterizuje jako převážně lokální, usedlou společnost bez výraznějších signálů běžnější mobility, přičemž i většina jedinců pohřbených s importovanými artefakty jsou místní. Zatímco jedinců pocházejících z výrazně větších vzdáleností (mimo území dnešních Čech) nebylo v Mikulovicích pohřbeno více než ca 10 %, najdeme ve zdejším vzorku statisticky významný signál větší regionální mobility žen, nežli mužů a zejména dětí, která je doložena i z dalších oblastí Evropy a bývá běžně interpretována jako jeden z dokladů ženská exogamie.
Mikulovice u Pardubic, hrob ca 35ti leté žerny č. 2 s honosnými šperky – jantarovým náhrdelníkem, bronzovými náramky, jehlicemi a zlatými ozdobami vlasů. Jde o nejbohatší známý hrob s jantarovými šperky z celé tehdejší evropy.
Na pohřebišti v Mikulovicích byli tedy pohřbíváni převážně příslušníci běžné, usedlé, lokální zemědělské komunity, žijící v centru relativně izolované, rozsáhlými neosídlenými oblastmi obklopené menší regionální skupiny únětické kultury, patrně běžně praktikující regionální ženskou exogamii. Základem její existence bylo zemědělství, pěstování běžných kulturních plodin a chov domácích zvířat. Analyzované hroby, zejména pak ženské, jsou ale plné importů všeho druhu, pocházejících z různých směrů a kulturních prostředí, ze vzdáleností až mnoha set km, a to v jinde nevídaném množství a kvalitě. To bylo s největší pravděpodobností způsobeno jednak polohou lokality na významné dálkové komunikaci, z části pak také přímou participací některých příslušníků zdejší komunity na provozu na této komunikaci.
Sedmisetstránkovou vědeckou publikací z per více než třicítky autorů ze čtyř zemí ale náš výzkum nekončí. V současné době probíhají komplexní analýzy aDNA celé zdejší populace a nové vyhodnocení všech získaných informací a dat v tomto zcela unikátním kontextu. Takto komplexně a detailně prozkoumaná a analyzovaná komunita nemá totiž ve výzkumu evropské doby bronzové v současné době obdoby.
Autor textu: Michal Ernée, Archeologický ústav AV ČR, Praha, v. v. i.
Foto: Jarmila Koutová
Před deseti lety získal ve fotovoltaice nejčastěji užívaný polovodič křemík silného konkurenta – organicko-anorganické halogenidové perovskity. Od roku 2012 dokázali vědci zvýšit jejich fotovoltaickou účinnost na hodnotu přesahující 25 procent, zatímco u křemíku trval nárůst na stejnou hodnotu více než 60 let. Jak je možné, že tyto materiály dosáhly takto vysokých účinností za tak krátký čas? Martinu Ledinskému z Fyzikálního ústavu Akademie věd se díky Juniorskému grantovému projektu GA ČR podařilo dokázat, že defekty ve struktuře těchto materiálů nemají zásadní dopad na jejich optoelektronické vlastnosti, a tedy ani na účinnost fotovoltaické přeměny energie.
V čem spočívá výhoda perovskitů oproti křemíku?
Nedokonalosti krystalové mříže, takzvané defekty, jsou jedním z největších problémů fotovoltaiky, protože omezují účinnost fotovoltaického článku. U polovodičů, jako jsou křemík, arsenid gallia nebo germanium, je pro výrobu účinných solárních článků nutné připravit téměř dokonalý monokrystal. Monokrystal je obvykle velmi pomalu tažen z roztaveného materiálu při teplotách převyšujících 1000 °C. Jeho příprava je tedy energeticky velmi náročná.
Když se před deseti lety objevila pro fotovoltaiku úplně nová skupina polovodičů, halogenidových perovskitů, vědci z tohoto oboru velmi rychle poznali, že tyto materiály v sobě ukrývají obrovský potenciál. Důvod byl možná trochu překvapivý, ukázalo se totiž, že velmi dobře svítí, například v LED struktuře. To je znak vysoké kvality polovodiče a dobrý předpoklad pro excelentní výsledky ve fotovoltaice.
Halogenidové perovskity jsou připravovány za relativně velmi nízkých teplot 60 až 90 °C, což je velmi výhodné z hlediska energetických nákladů. Navíc je potřeba jen necelý mikrometr tenká vrstva a to je téměř tisíckrát méně materiálu než v případě křemíku. Ale právě nízká teplota vede k materiálům s velmi vysokou hustotou defektů, která je u perovskitů o několik řádů vyšší v porovnání s křemíkovým monokrystalem. Přesto všechna měření ukazují na velmi kvalitní materiál, který defekty významně neomezují.
Martin Ledinský, řešitel projektu
Čím to je, že u perovskitů nevadí defekty, a jsou vhodné pro fotovoltaiku?
Zásadní pro pochopení defektů v halidových perovskitech je pojem elektricky aktivní defekt, který jsme v našich pracích zavedli. Foton slunečního světla pohlcený v polovodiči v solárním článku vygeneruje elektron ve vodivostním pásu a zanechá ve valenčním pásu odpovídající díru, která se chová jako kladný náboj. Velká většina defektů v halidových perovskitech s těmito volnými nosiči náboje vůbec neinteraguje a především neumožňuje jejich zpětnou rekombinaci. V důsledku toho se elektrony a díry mohou v perovskitech volně pohybovat na vzdálenosti několika stovek nanometrů, což jsou vzdálenosti zcela dostačující pro efektivní fotovoltaickou přeměnu. Takovéto defekty potom nazýváme elektricky neaktivními defekty. Důsledkem jejich neaktivity je vysoká účinnost luminiscence. Při osvětlení tyto defekty dokonce migrují materiálem a zastavují se až na hranicích zrn, což je jeden z čisticích mechanismů snižující hustotu defektů. Halidové perovskity se tedy chovají jako velmi kvalitní polovodiče, ačkoli ve skutečnosti mají defektů požehnaně.
Organicko-anorganické halogenidové perovskity, které se využívají pro fotovoltaiku, zkoumají desetitisíce vědců. Jak se vám podařilo objasnit jednu z jejich zásadních vlastností?
Nosiče náboje v polovodičích interagují jak s defekty, tak s kmity mříže – fonony. Rozlišení mezi těmito dvěma efekty je netriviální, ale zásadní. Zatímco interakce s fonony je nevyhnutelná materiálová vlastnost, defektní interakci se dá předcházet, například přípravou kvalitnějšího materiálu – jako je tomu u krystalického křemíku.
Prvotní nápad na experiment, který by oba vlivy odlišil, vznikl během debaty s izraelským kolegou Davidem Cahenem o možném významu výsledků pocházejících ze studia teplotní závislosti absorpčních spekter těchto materiálů. Pro studium defektů jsme si vybrali materiály připravované kolegy ze Solárního centra Technické a vědecké univerzity krále Abdalláha (KAUST). Tato spolupráce nám zajistila nejkvalitnější dostupné vzorky, které mají po implementaci do solárních článků vysoké účinnosti. Na těchto vzorcích jsme měřili fotoluminiscenci halidových perovskitů při různých teplotách. Jak se materiál chladil, ubývalo interakcí nosičů náboje s mřížkou, resp. s fonony, ale příspěvek defektů v materiálu zůstával beze změny. Následkem toho se výrazně měnilo fotoluminiscenční spektrum a z jeho závislosti na teplotě jsme určili, nakolik elektron interaguje s kmity krystalické mříže a nakolik s defekty. Zjistili jsme, že elektrony mnohem více interagují s kmity mříže než se strukturními defekty, a v porovnání s krystalickým křemíkem je interakce s defekty dokonce výrazně nižší, ačkoli na samotný počet defektů halogenové perovskity jednoznačně vedou.
Z našich výsledků vyplývá, že nemá význam pokoušet se o výrobu solárních článků z monokrystalů, ale důležitější je kontrolovat povrch a hranice zrn halidových perovskitů.
Prosadí se perovskity v konkurenci krystalického křemíku?
Porovnání s krystalickým křemíkem je samozřejmě nutné, důležité a do jisté míry jej lze vnímat jako konkurenci. Ale zdá se, že křemík bude v blízké budoucnosti spíše partnerem halidových perovskitů v takzvaných tandemových solárních článcích. Pokud umístíme dva solární články s vhodnými vlastnostmi nad sebe, mohou využívat sluneční záření efektivněji, než když jsou použity jednotlivě. Již dnes jsou dvojčlánky perovskitu a křemíku výhodnější než jejich jednotlivé komponenty. Rekordní účinnost těchto dvojčlánků dosahuje již téměř 30 procent. Proto se tato kombinace zkoumá nejen v laboratořích, ale i ve výzkumných centrech fotovoltaických firem po celém světě. Budoucnost je tedy zřejmě v kombinaci těchto dvou materiálů, i když z pozice halidových perovskitů je nutný ještě velký skok kupředu. Nestačí jen vyrobit účinný perovskitový článek, je také nutné, aby takto vydržel po dobu alespoň 30 let stejně jako křemíková fotovoltaika. To je jedna z navazujících fotovoltaických výzev a téma pro další výzkum.
I ve třetím dílu seriálu se můžete seznámit s řešitel projektů JUNIOR STAR. Tuto grantovou soutěž vypsala Grantové agentura České republiky (GA ČR) poprvé v loňském roce. Celkem podpořila 30 projektů z více než tří stovek. Na projekty, které prošly výběrovým procesem výhradně zahraničních odborníků, získají začínající vědci až 25 milionů korun.
Díky soutěži JUNIOR STAR získávají vědci nejdéle do 8 let od ukončení doktorského studia možnost se vědecky osamostatnit a případně i vybudovat novou vědeckou skupinu s moderním vybavením. Soutěž je určena pro zkušené začínající mladé vědce s významnou zahraniční zkušeností. Tu mohou uchazeči v dalších letech získat například i díky letos nově vyhlášené soutěži POSTDOC INDIVIDUAL FELLOWSHIP.
Další podpořené projekty naleznete v prvním a druhém dílu seriálu. Jeho pokračování můžete očekávat v dalších týdnech.
POKROČILÉ STRUKTURY PRO TEPELNOU IZOLACI V EXTRÉMNÍCH PODMÍNKÁCH
Ing. Mohanapriya Venkataraman, Ph.D., Fakulta textilní Technické univerzity v Liberci
„Pocházím z Indie, kde je oproti Česku teplé podnebí, a proto mi bývá občas chladno. Díky tomu jsem si uvědomila, jak důležitý je náš výzkum, jehož zásluhou vzniknou materiály, které ochrání lidi před extrémními klimatickými podmínkami.“
Mohanapriya Venkataraman si v rámci projektu JUNIOR STAR klade za cíl popsat mechanismus přenosu tepla a vytvořit systém pro konstrukci tepelně izolačních vrstev.
„Hledám nové způsoby, jak zajistit lidem komfort v chladných podmínkách. Zkoumám nové typy materiálů a technik, které poskytnou zvýšenou ochranu v extrémních podmínkách,“ říká vědkyně, která původně pracovala pro známou oděvní společnost Victoria´s Secret. Po několika letech si však uvědomila, že by ji více naplňovalo věnovat se výzkumu, který ji přivedl z rodné Indie až do České republiky na Fakultu textilní Technické univerzity v Liberci, kde působí dodnes.
Vědkyně se s týmem zabývá tepelným chováním vysoce výkonných textilií. V rámci projektu vyvine nové materiály, metodiku vytváření tepelně izolačních vrstev a také vybuduje speciální měřicí tunel pro měření celkových tepelných ztrát textilií v oblastech pod 0°C. Tento přístroj bude důležitým nástrojem pro další vědce, protože současná zařízení jsou založena na měření za standardních klimatických podmínek, a proto nejsou použitelná pro extrémní teploty.
Výsledky projektu přispějí k vývoji lehčího a méně objemného oblečení, které poskytne lepší ochranu v extrémním počasí – zejména vojákům a sportovcům ve vysokých nadmořských výškách.
LOGICKÁ STRUKTURA INFORMAČNÍCH KANÁLŮ
Mgr. Vít Punčochář, Ph.D., Filosofický ústav Akademie věd České republiky
„Projekt přispěje k lepšímu porozumění pojmu informace, který podstatně ovlivňuje charakter současné informační společnosti.“
Projekt JUNIOR STAR propojuje základní filosofické otázky se zajímavými matematickými problémy. Matematika a filosofie jsou vnímány jako velmi odlišné disciplíny, avšak pro tento projekt je matematický přístup stejně nezbytný jako filosofický. Na jedné straně stojí pozoruhodné abstraktní matematické modely informace v podobě tzv. systémů substrukturálních logik. Na druhé straně vyvstává otázka, jak přesně se tyto matematické modely vztahují k realitě mimo obor matematiky a jaká je jejich sféra aplikovatelnosti. Tato otázka představuje složitý filosofický problém, který zatím není vyřešen. Ambiciózní projekt si klade za cíl k tomuto řešení výraznou měrou přispět a pokusit se tak objasnit pojem informace.
„Zkoumám velmi abstraktní téma, které prostupuje všemi aspekty našeho života, jelikož se týká všudypřítomného pojmu informace. Informace je něco, co nám umožňuje překračovat naši bezprostřední zkušenost. Například z pohledu na stopu v písku získáme informaci o předchozí přítomnosti člověka, z pohledu na inkoust na novinovém papíře získáme informaci o událostech odehrávajících se tisíce kilometrů daleko. Schopnost těžit z charakteru bezprostředně dané situace informace o tom, co se odehrává mimo rámec této situace, je zcela klíčová pro naše přežití,“ říká Vít Punčochář z Filosofického ústavu Akademie věd České republiky.
V dnešní době člověk využívá velké množství technologických nástrojů pro práci s informacemi, aniž by měl hluboký vhled do podstaty informace. Podpořený projekt přinese důležité poznatky, díky kterým lépe porozumíme tomuto základnímu pojmu, na kterých současná globální informační společnost stojí.
OBJASNĚNÍ INTERAKCE MEZI NITRIFIKACÍ A OXIDACÍ METANU A NÁSLEDNÉ EKOLOGICKÉ DOPADY
Dr. Anne Daebeler, Biologické centrum Akademie věd České republiky
„Zkoumáme dvě skupiny interagujících všudypřítomných mikrobů, které jsou přímo spojeny s globální změnou. Hlubší poznání této interakce nám pomůže lépe chránit naši planetu před změnami klimatu.“
Podpořený projekt se zaměřuje na dvě skupiny mikrobů – metanotrofy a nitrifikátory. Ty jsou odpovědné za přeměnu reaktivního dusíku a oxidaci metanu, a jsou tak přímo spojeny s globální změnou klimatu. Metanotrofy mohou zabránit emisím skleníkových plynů „požíráním“ metanu, zatímco nitrifikátory obvykle způsobují globální změnu tím, že produkují skleníkové plyny a znečišťují prostředí (např. půdu, vodu a sediment) reaktivním dusíkem.
Řešitelka projektu předpokládá, že vzájemné interakce mezi těmito dvěma skupinami významně ovlivňují rychlost těchto procesů.
„Vždy mě fascinoval obrovský dopad malých forem života, které nelze spatřit pouhým okem. Mikrobi jsou nesmírně rozmanití a vyskytují se všude kolem nás, avšak my toho o jejich interakcích víme prozatím velmi málo. Proto chci zkoumat jejich povahu a zjistit, jaký mají ekologický dopad na planetu Zemi,“ popisuje svůj výzkum Anne Daebeler z Výzkumné infrastruktury SoWa Biologického centra AV ČR.
Projekt přinese důležité poznatky, které lze využít k lepšímu modelování procesů globálních změn a také k vývoji ekologičtějších zařízení a postupů v zemědělství nebo při úpravě vody. Tento projekt se zaměří na prozkoumané vzájemné souvislosti mezi cykly uhlíku a dusíku, což pomůže předvídat i zmírňovat změny klimatu, a chránit tak ekosystémy Země.
Grantová agentura České republiky ve spolupráci s Lidovými novinami připravila sérii článků o základním výzkumu. Druhý díl představí výzkum českých vědců zaměřující se na dlouhověkost hmyzu. Přečíst si můžete také první díl o mikrobotech.
Před čtyřmi desetiletími vědci objevili enzym, který odsouvá dobu smrti buněk. Zdálo se, že s jeho využitím dokážou prodloužit život. I ten lidský. Dnes víme, že je to trochu složitější, ale naděje zdaleka nevymizela. I díky českým vědcům, kteří k poznání „enzymu mládnutí“ – možná překvapivě – přispívají výzkumem dlouhověkého hmyzu.
Radmila Čapková Frydrychová z Biologického centra Akademie věd ČR v Českých Budějovicích nachází předmět svého bádání na zahradě svého výzkumného ústavu – je to čtyřicet včelích úlů. Robert Hanus z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd v Praze má zase své zkoumané živočichy v laboratoři, v uměle vyrobených termitištích, pravidelně ale také vyráží na výzkum termitů po světě. Oba vědci zkoumají dlouhověkost hmyzu. Jejich společnou studii na toto téma publikoval v dubnu uznávaný mezinárodní odborný časopis Proceedings of the Royal Society B.
„Včelí dělnice i běžný samotářský hmyz žijí v dospělém věku několik týdnů či měsíců. Zato délka života včelí královny (včelaři jí říkají matka) je mnohonásobně delší. Včelí královny se mohou dožít i šesti až osmi let, i když v běžném včelstvu tomu tak nebývá. Včelaři totiž včelí matky vyměňují po dvou či třech letech za mladé, protože je známo, že výkonnost včelstev, a tedy i produkce medu, se stářím královny klesá,“ popisuje doktorka Čapková Frydrychová. „Protože v našem ústavu nechováme včely kvůli produkci medu, ale pro výzkumy, můžeme si dopřávat matky i mnohem starší než ty, které jsou k vidění v běžných produkčních včelstvech. U nich pak můžeme hledat, v čem je tajemství jejich dlouhověkosti.“
Král a královna termita druhu Prorhinotermes simplex, původem z Kuby, v doprovodu dvou dělníků (světlejší barva), vojáka (tmavší barva, velká kusadla) a larvy (bílá barva). Tento královský pár vede svou kolonii v pražské laboratoři již déle než dvacet let.
Foto: Robert Hanus
V porovnání se včelími královnami žijí králové a královny termitů ještě podstatně déle. Na rozdíl od včelích trubců, kteří jsou po oplození královny vyhnáni z úlu a odsouzeni k smrti, žije termití král spolu s královnou dlouhodobě v komůrce termitiště, z níž ostatně nedokážou vylézt, protože vyrostou a vstupní chodbičky se pro ně stanou příliš malými.
Zázračně omládnout
„Před dvaceti lety jsem souběžně studoval sociologii na filozofické fakultě a zoologii na fakultě přírodovědecké v Praze,“ líčí doktor Hanus. „Můj učitel mi říkal: To je nějaké schizofrenní, co kdybys to spojil a zkoumal společenské systémy v přírodě? Třeba společenský hmyz?“ Stalo se.
V Ústavu organické chemie a biochemie mají už téměř šedesát let kolonie termitů přivezené z Kuby. „Jako student připravující diplomku jsem tam jednoho dne přišel a vidím – termiti se nám rojí. To se stává jen jednou za několik let. Pochytali jsme tedy královny a krále, dali je v párech vždy jedna královna a jeden král do skleněné lékovky a přidali nějaké dřevo, aby měli co jíst,“ vzpomíná Robert Hanus. „Postupně jsme jim připravili jejich vlastní domečky a zvětšovali je podle potřeby. Péči o termity přebírali noví studenti. Až jednou jsem si uvědomil, že tu máme kolonie, které žijí deset, dvanáct nebo čtrnáct let – a pořád je v nich stejný král s královnou. Z nepřímých pozorování v terénu se o jejich dlouhověkosti ví. Ale my to tady máme doloženo přesnými záznamy, které vedeme. Od té doby uplynulo dalších pět let, dnes tu tedy prokazatelně máme i dvacetileté krále a královny,“ zdůrazňuje doktor Hanus.
Termitům se dříve říkalo bílí mravenci nebo také všekazi. I když se svým tělem, životem v koloniích i vytvářením velkých hnízd mravencům podobají, patří mezi šváby. Doktor Hanus nesouhlasí ani s českým pojmenováním všekazi. „Ano, lidé mají s termity někdy starosti. Třeba v jižních oblastech Spojených států, kde jsou nepůvodní a dostali se tam zřejmě s nějakým zbožím. Sežerou dřevěné domy, spořádají pražce železničních tratí a podobně. Ale drtivá většina z více než tří tisíc druhů termitů žije v tropických lesích a jsou to velmi užiteční býložravci, kteří podstatně přispívají k obnově lesních ekosystémů,“ říká.
To Radmila Čapková Frydrychová „své“ včely hájit nemusí, o jejich významu při opylování rostlin a produkci medu nikdo nepochybuje. Kromě dlouhověkosti královen je u včel nesmírně zajímavá schopnost regulovat rychlost stárnutí dělnic s ohledem na potřeby včelstva. „Když hrozí populační exploze a ve včelstvu je hodně vyvíjejících se larviček a kukel, začnou dělnice, aby uvolnily místo nadcházející generaci, stárnout rychleji. Mají tedy kratší život,“ popisuje. Pokud je naopak nastupující generace včel nedostatečná nebo je nedostatek mladých dělnic, starší dělnice mohou žít dvakrát až třikrát déle.
„V některých případech dokonce ,omládnou‘, což vidíme na biochemické či fyziologické úrovni,“ vysvětluje doktorka Čapková Frydrychová.
Avšak skutečně pozoruhodný je z pohledu délky života právě rozdíl mezi královnou (a u termitů i králem), která žije dlouhá léta, a řadovými jedinci v dané kolonii. Přitom genetická informace, tedy DNA, je u královny i krále stejná jako u dělnice nebo vojáka.
Vzrušující otázka tedy zní – jak je možné, že královna (a král) dokážou ze své genetické informace „vytáhnout“ o tolik delší život než ostatní nositelé úplně stejných genů?
Na cestě za věčným mládím
A tím se dostáváme k výzkumům, které ve světě trvají již dlouho a k nimž nyní oba zmínění čeští vědci spolu se svými kolegy přispěli právě díky zkoumání hmyzu. Ve druhé polovině 20. století už vědci dobře věděli, že jednotky dědičné informace neboli geny, v nichž jsou zakódovány všechny vlastnosti živých organismů, jsou v jádru buňky uloženy v jakýchsi „balíčcích“. Říká se jim chromozomy. Například člověk jich má 46, přičemž polovinu získá od otce a druhou polovinu od matky. A když se buňka dělí, chromozomy se musejí „překopírovat“ do nově vzniklé buňky, a to bezchybně, jinak by nastala porucha vývoje.
A pak, v sedmdesátých letech minulého století, vědci z různých koutů světa postupně objevili významný poznatek právě o tomto dělení buněk. Každý chromozom má totiž na svých koncích část zvanou telomera, kterou tvoří DNA a proteiny specifického složení. Jednou z funkcí telomer je být jakýmsi „nárazníkem“ – ochranou chromozomů před jejich zkracováním, které nastává u dělících se buněk v průběhu kopírování DNA. Pokud zkrácení chromozomů dosáhne kritické úrovně, další dělení už není možné, buňka přechází do fáze stárnutí a je také náchylnější k poškození různými chorobami. V osmdesátých letech však vědci prokázali, že zkracování chromozomů není přímočaré. Zjistili, že v některých buňkách vzniká enzym zvaný telomeráza, který se navazuje na konce telomer a délku chromozomů prodlužuje, a podařilo se jim potvrdit, že posílená aktivita telomerázy, která udržuje delší chromozomy v některých typech buněk i v lidském organismu, vede k dlouhověkosti jedince.
Samozřejmě to okamžitě vedlo k následujícímu nápadu: kdybychom dokázali telomerázu, třeba uměle vyrobenou, dodávat do více buněk, lidské tkáně by se lépe regenerovaly, a člověk by tedy byl déle mladší a zdravější! Vypadalo to, že elixír mládí je na dosah ruky.
Má to bohužel háček. Telomeráza hodně usilovně „pracuje“ v buňkách nádorových, čímž přispívá k jejich nekontrolovanému množení, o které samozřejmě nikdo nestojí. Takže se před vědci vynořily dva základní cíle. Jednak využít telomerázu pro regeneraci buněk, aniž by to v nich vyvolalo nádorové bujení. Anebo ji pojmout jako základ léčebného postupu proti rakovině – třeba její tvorbu v rakovinných buňkách narušit, a nádor tím zničit.
Na obojím se pracuje dodnes. Je to stále úkol pro takzvaný základní výzkum. Jeho posláním je v tomto případě nejdříve získat co nejvíce znalostí o telomerách a telomeráze, poznat, jak přesně v buňkách fungují, a pak bude jasnější, jak toho využít v medicíně. Základní výzkum obvykle neplatí soukromé firmy, protože pro ně bývá příliš nejistý a dlouhodobý, proto jej zpravidla financují státní instituce. Vědci své poznatky zveřejňují v odborných publikacích, odkud se o nich dozvídají další odborníci a mohou na ně navázat. Zveřejněné výsledky pak také mohou využít soukromé firmy pro své komerční technologie.
Jak to, že žijí tak dlouho? Termití králové a královny se dožívají mimořádně vysokého věku. Vědci zjišťují proč.
Při výzkumu „enzymu mládnutí“ v různých organismech vědce zajímá i to, jestli telomeráza může být jedním z faktorů dlouhověkosti i u společenského hmyzu. Do piplavé práce se pustili také čeští odborníci. „Sledovali jsme s kolegy aktivitu telomerázy v tělních buňkách včelí královny a tělních buňkách dělnic. A opravdu se ukázalo, že u královny je aktivita telomerázy mnohem větší než u dělnic. To jsme pak později viděli i při podobných pokusech u mravenců. Výsledky jsme publikovali v roce 2016,“ vzpomíná doktorka Čapková Frydrychová.
Pak se na ni obrátil doktor Hanus, že by mohli společně udělat podobný výzkum na termitech. Na projekt získali peníze od Grantové agentury ČR, které jim umožnily tři roky bádání.
Zpočátku projekt probíhal dle očekávání – rovněž v tělních buňkách termitích královen a králů byla telomeráza mnohem aktivnější než v buňkách řadových jedinců. Ale pak přišlo pořádné překvapení. „Vycházeli jsme z všeobecně převládajícího přesvědčení, že když bude telomeráza aktivní, budou se prodlužovat konce chromozomů. Ale k našemu překvapení jsme nic takového neviděli!“ zdůrazňuje doktorka Čapková Frydrychová.
„Abychom byli úplně přesní,“ navazuje doktor Hanus, „my nemůžeme s úplnou jistotou říct, že se některá telomera na konci chromozomu neprodloužila. Ale u žádné se nám to přes veškeré úsilí nepodařilo prokázat – a to je významné.“
Následně tedy vědci sledovali, jestli se buňky s vyšší aktivitou telomerázy u hmyzu více dělí, jak by se dalo čekat a jak je tomu třeba u jiných organismů. Ani to však nepozorovali.
Mozaika se teprve skládá
Co se tedy dá z výsledků, které vědci publikovali v Proceedings of the Royal Society B, vyvodit? V první řadě to, že dosavadní poznatky o „enzymu mládnutí“ nejsou univerzální. „Prokázali jsme, že královny a králové nemají nijak delší chromozomy, které by jim umožňovaly déle žít. Ve vztahu k telomeráze bude mechanismus dlouhověkosti u hmyzu zřejmě odlišný, a to, co se o telomeráze píše v učebnicích, nemusí všeobecně platit,“ zamýšlí se Robert Hanus.
„Pokud je telomeráza v buňkách králů a královen spjata s regulací dlouhověkosti, je pravděpodobné, že to bude skrze nějakou jinou její funkci, než je ta, kterou tento enzym zajišťuje obnovu délky telomer,“ navazuje Radmila Čapková Frydrychová. „Máme nějaké hypotézy, snad se nám je podaří ověřit.“
Výzkum tedy skončil prozatím tak, že vědci mají víc otázek než na začátku. V odborné literatuře se objevují vědecké zprávy také z dalších světových laboratoří, které při zkoumání telomerázy třeba u myší, ale i u lidí, dospívají k závěru, že tento enzym má rovněž další funkce, nezávislé na prodlužování telomer. Je možné, že právě tyto funkce se uplatňují při dlouhověkosti společenského hmyzu. Které to jsou?
„O tom si ještě netroufám spekulovat. Děláme základní výzkum, u něho nikdy předem nevíte, k čemu nakonec povede,“ shrnuje doktor Hanus. A doktorka Čapková Frydrychová jen dodává: „Pořád je jasné, že výzkum telomer a telomerázy má obrovský potenciál pro biologii. Základní výzkum je takové skládání mozaiky, do níž světové vědecké týmy přidávají kamínky poznatků, až z nich nakonec vznikne celkový obrázek. Sama jsem moc zvědavá, jaký v tomto případě bude a jestli jej potom dokážeme využít třeba i v medicíně.“
Zkoumání mikrosvěta usnadní vědcům průkopnická technika mikroskopického zobrazení založená na transformaci geometrické fáze světla, která je výsledkem společného projektu Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci a CEITEC Vysokého učení technického v Brně. Metoda transformace geometrické fáze světla rozšířila mikroskopii o nové možnosti kvantitavního fázového zobrazení živých buněk a poskytla měření nanostruktur dříve nedostupná pro optickou mikroskopii.
Metoda zviditelnění objektů mikrosvěta, které jen slabě pohlcují a rozptylují světlo, v minulosti způsobila revoluci v optické mikroskopii a byla oceněna Nobelovou cenou. „Poslední dvě desetiletí přinesla v této oblasti další významný pokrok v podobě kvantitativní fázové mikroskopie, která dává možnost transparentní objekty, jakými jsou například živé buňky a tkáně, výpočetně rekonstruovat a kvantifikovat jejich parametry důležité pro biologii,“ uvedl Zdeněk Bouchal z katedry optiky. Společný projekt PřF UP Olomouc a CEITEC VUT Brno proto cílil na vytvoření nové platformy kvantitativní mikroskopie, později nazvané geometricko-fázová mikroskopie. Metoda využívá nové principy a technologie ovládání světla. „Chtěli jsme tímto způsobem sloučit výhody a překonat omezení dosud užívaných zobrazovacích metod,“ podotkl Zdeněk Bouchal.
Vědci se zaměřili na fázi světla, která přenáší obrazovou informaci a současně hraje zásadní roli při řízení a tvarování světla. Přes živé buňky a jiné transparentní objekty totiž světlo prochází jinou rychlostí než přes okolní prostředí. „Tím je pozměněna optická dráha světla a modulována jeho fáze, obvykle nazývaná dynamická fáze. Stejného efektu je využito u tradičních optických elementů, které díky proměnné tloušťce světlo rozdílným způsobem zpomalují a tím světelné vlny tvarují,“ uvedl Zdeněk Bouchal.
Technologie vyvíjené v posledních letech dávají možnost světelné vlny formovat zcela odlišným způsobem. Slouží k tomu geometrická (Pancharatnam-Berryho) fáze, která nezávisí na optické dráze světla, ale mění se při transformaci jeho polarizačního stavu. „Ovládání světla pomocí geometrické fáze tak nevyžaduje objemovou optiku a je realizováno v tenkých strukturách s řadou dalších výhod. Tato strategie otevřela nové experimentální možnosti a stala se základem vyvinuté geometricko-fázové mikroskopie,“ řekl Zdeněk Bouchal.
Výsledky vědeckého projektu zaměřeného na geometricko-fázovou mikroskopii byly podle Zdeňka Bouchala úspěšně testovány v několika vědeckých oblastech. „V biologickém výzkumu geometricko-fázová mikroskopie prokázala svůj potenciál pokročilým, ale rutinně proveditelným neinvazivním fázovým zobrazením, které bylo realizováno ve snadno dostupném a mimořádně stabilním jednocestném systému,“ uvedl Radim Chmelík, spoluřešitel projektu z VUT v Brně. Experimenty byly zaměřeny na měření suché hmoty buněk, klasifikaci buněk na základě morfologických parametrů a vizualizaci dynamiky živých buněk. „Takové výsledky bylo dříve možné získat jen pomocí dvoucestných systémů, které jsou velmi citlivé na vnější vlivy a mají technicky složité a nákladné provedení,“ upozornil Radim Chmelík.
Provedené experimenty podle Zdeňka Bouchala ukázaly, že princip geometricko-fázové mikroskopie je předurčen pro optickou diagnostiku struktur vytvářených v polymerních kapalných krystalech a plasmonických metapovrších. Tyto struktury totiž disponují prostorově proměnnou anizotropií, která je potřebná pro modulaci geometrické fáze světla. „Za největší přínos pro tuto oblast považujeme měření optické odezvy multifunkčních komponent vytvářených v plasmonických metapovrších, která dosahovala citlivosti až k jednotlivým nanoanténám. To bylo dříve možné jen se skenovací elektronovou mikroskopií,“ řekl Petr Bouchal z VUT, který prováděl experimenty.
Univerzálnost a mezioborový potenciál geometricko-fázové mikroskopie potvrdila její aplikace při studiu přírodních fotonických struktur. V provedeném experimentu se podařilo s vysokým prostorovým rozlišením rekonstruovat kutikulu brouků skarabeů, známých polarizačně selektivním odrazem světla. Experimentální data objasnila prostorovou strukturovanost barev v mikroskopických obrazech těchto brouků. „Nás samotné i odbornou veřejnost překvapilo zjištění, že jednotlivé buňky kutikuly vytvářejí tisíce téměř dokonalých světelných svazků mikrometrových rozměrů, známých jako nedifrakční besselovské svazky. Takové světelné svazky jsou zkoumány v optických laboratořích a náš výzkum dokumentoval jejich první výskyt v přírodě,“ podotkl Petr Bouchal.
Společný výzkumný tým byl tvořen čtyřmi vědeckými pracovníky, třemi postdoktorandy a pěti doktorandy. Výsledky vědecké práce olomouckých a brněnských badatelů byly prezentovány 10 publikacemi v impaktovaných časopisech zahrnujících Nano Letters, Nanoscale, ACS Photonics nebo Scientific Reports. Systém geometricko-fázové mikroskopie vyvinuté v projektu podpořeném GA ČR je patentově chráněn v sedmi zemích světa.
Autor: Přírodovědecká fakulta, Univerzita Palackého v Olomouci
V současnosti je celosvětovou snahou minimalizovat produkci jakéhokoliv odpadu. Nově nastolené trendy se velmi silně dotýkají stavebnictví, které je závislé na omezených zdrojích přírodních a nerostných surovin. Stavebnictví spotřebuje zhruba tolik nerostných zdrojů, kolik veškeré další průmyslové obory dohromady. Přitom v ČR za posledních 30 let nebyl otevřen žádný nový kamenolom, byť experti odhadují, že kapacita těch stávajících bude nejpozději za sedm let z poloviny vyčerpána.
Není tedy překvapením, že se pod drobnohled materiálových inženýrů a expertů na cirkulární ekonomiku již před mnoha lety dostala problematika demolice staveb. Velmi intenzivně se hledají možnosti, jak bezezbytku využít stavební a demoliční odpad, který je z velké části zastoupen betonem. Až donedávna si vědci lámali hlavu nad problémem, jak využít jeho velmi jemné frakce kameniva (menší než 1 mm). Kvůli značně heterogenním vlastnostem totiž nebylo možné tento materiál efektivně recyklovat, a tak končil na skládkách nebo se stal součástí různých zásypů a násypů. Díky podpoře GA ČR se ovšem skupině vědců pod vedením docenta Pavla Tesárka z Fakulty stavební Českého vysokého učení technického v Praze podařilo dokázat, že i tento materiál lze proměnit v hodnotnou surovinu a efektivně ji využít při výrobě nových stavebních materiálů a konstrukcí.
Snímek z elektronového mikroskopu, na kterém lze vidět strukturu mikromletého betonového recyklátu. Ze snímku je patrná velikost zrn, která jsou sto- až tisíckrát menší než zrna původní frakce s velikostí do 1 mm.
V rámci projektu „Možnosti využití mikromletého recyklovaného betonu jako mikroplniva s pojivovými vlastnostmi“ byly tyto jemné frakce upraveny pomocí progresivní technologie mikromletí. Vznikla tak zrna sto- až tisíckrát menší než 1 milimetr. Popisovanou úpravou došlo nejen ke sjednocení frakce kameniva a zbytků ztvrdlého cementového pojiva, ale i k obnažení nezhydratovaných zrn cementu. Vzniklá moučka vykazovala nejen parametry mikroplniva, ale v určité míře i pojiva. Pojivové schopnosti moučky mohou částečně suplovat funkci portlandského cementu, což s sebou přináší další značný benefit pro životní prostředí, zejména přihlédneme-li k faktu, že výroba cementu za sebou kvůli vysokým teplotám výpalu zanechává značnou ekologickou stopu.
Hledání efektivního využití mikromletého betonu si kvůli své komplexní problematice vyžádalo tříleté zapojení zhruba dvaceti osob včetně doktorandů a studentů z Fakulty stavební ČVUT v Praze. Dva doktorandi na dané téma obhájili své disertační práce, další tři studenti diplomové práce. Výzkum byl veden na Katedře mechaniky, ale zapojeny byly i další součásti katedry. Klíčové role při řešení projektu zastávali mladí vědci Ing. Zdeněk Prošek, Ph.D., Ing. Václav Nežerka, Ph.D., a Ing. Jan Trejbal, Ph.D.
Snímek z elektronového mikroskopu, kde lze vidět zapojení mikromletého betonového recyklátu do struktury vyrobené cementové pasty. Betonový recyklát v tomto případě plní funkci mikroplniva a vyplňuje porézní strukturu.
Řešení projektu si vyžádalo aplikaci nejen standardizovaných experimentálních metod, ale i vývoj zcela nových a specifických postupů. Funkci a parametry materiálu bylo nutné zkoumat v souvislostech přes širokou škálu měřítek od úrovně nano/mikro až po makrostrukturu. Zkoumáno bylo několik typů betonového recyklátu. Za všechny jmenujme železobetonové železniční pražce, části konstrukce betonových krytů dálnic či více než sto let staré konstrukční prvky železobetonové průmyslové stavby. Všechny tyto materiály bylo nejprve nutné velmi přesně charakterizovat, protože vlastnosti recyklátu ovlivňuje jeho materiálové složení, stáří a vystavení povětrnostním vlivům atd.
Během zpracování odpadu je podstatný proces hrubé recyklace a třídění na jednotlivé materiály a frakce podle velikosti zrn a obsahu zatvrdlé cementové pasty a kameniva. V rámci projektu byly zkoušeny i různé způsoby drcení. Kromě jemných frakcí odpadního betonu byly používány i odprašky z těžby hornin (např. mramoru, vápence nebo žuly) a vybrané druhotné suroviny (např. struska nebo popílek). Projekt se zaměřil také na optimální poměry zastoupení jednotlivých složek s ohledem na výsledné sledované užitné vlastnosti, jako jsou mechanické, vlhkostní a tepelně-technické vlastnosti. Zároveň byly nové materiály navržené tak, aby byly po ukončení své životnosti plně recyklovatelné.
Snímky z elektronové mikroskopie, kde lze vidět vliv progresivní technologie mikromletí. Na obrázku A) lze vidět původní beton před recyklací a na obrázku B) lze vidět mikromletý betonový recyklát.
Součástí výstupů je i software, který předpovídá výsledné materiálové vlastnosti směsí na základě složení a naměřených dat. Výsledky projektu byly průběžně publikované na českých i zahraničních odborných konferencích a v impaktovaných časopisech, v současné době mají publikace dohromady již přes 30 citací.
V současné době probíhají snahy převést výsledky ze základního výzkumu z projektu do praxe. Za tímto účelem jsou testovány např. lehčené bloky na bázi cementu, ve kterých je část pojiva nahrazena mikromletým betonovým recyklátem a dalšími vhodnými druhotnými surovinami. Kamenivo je ze 100 % nahrazeno recyklátem. Nové bloky mají srovnatelné materiálové vlastnosti např. s pórobetonovými tvárnicemi.
Ukázka obrazové analýzy pro popis tvaru částic mikromletého betonového recyklátu, která byla použita pro popis vlivu různého způsobu mikromletí. Na snímku lze vidět původní snímek z elektronové mikroskopie (A), následně byla jednotlivá zrna zvýrazněna (B) a pomocí software nahrazena elipsami (C), která nejlépe popisuje tvar zrna. Z parametrů elipsy byl následně stanovený tvarový součinitel pro upravený betonový recyklát.
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.
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.
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.
Rýhování embya jesetera malého
Jeseter malýdoc. Ing. Martin Pšenička, Ph.D. se narodil 17. ledna 1981 v Karlových Varech. Vystudoval Střední rybářskou školu v Třeboni a následně Jihočeskou univerzitu v Českých Budějovicích, obor všeobecné zemědělství se specializací rybářství. Studium prohluboval dále na Univerzitě Hokkaido v Japonsku. Od roku 2010 působí jako akademický pracovník na Fakultě rybářství a ochrany vod na Jihočeské univerzitě v Českých Budějovicích a je zde vedoucím Laboratoře zárodečných buněk. Je hlavním pořadatelem významných mezinárodních konferencí a také hostujícím editorem v časopise Journal of Applied Ichthyology, Fish Physiology and Biochemistry a International Journal of Molecular Sciences.
Polypyrol cryogel připravený s želatinou (vlevo) a ilustrace makroporézního morfologie odpovídajícího aerogelu (vpravo).
Ing. Patrycja Bober, Ph.D., je vedoucí Oddělení vodivých polymerů v Ústavu makromolekulární chemie Akademie věd České republiky. Po absolvování doktorského studia v oboru makromolekulární chemie na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy strávila šest měsíců na finské Åbo Akademi University. Se svou skupinou se věnuje přípravě vodivých polymerů a kompozitu chemickou oxidací nebo elektrochemickou polymerací s ohledem na řízení polymerní morfologie s vysokou elektrickou vodivostí. Její tým spolupracuje s řadou pracovišť v České republice a zahraničí (Rakousko, Srbsko, Finsko, Slovensko, Singapur apod.) v oblasti aplikací připravených materiálů.
Martin Ledinský, řešitel projektu
Jak to, že žijí tak dlouho? Termití králové a královny se dožívají mimořádně vysokého věku. Vědci zjišťují proč.
Snímek z elektronového mikroskopu, na kterém lze vidět strukturu mikromletého betonového recyklátu. Ze snímku je patrná velikost zrn, která jsou sto- až tisíckrát menší než zrna původní frakce s velikostí do 1 mm.
Snímek z elektronového mikroskopu, kde lze vidět zapojení mikromletého betonového recyklátu do struktury vyrobené cementové pasty. Betonový recyklát v tomto případě plní funkci mikroplniva a vyplňuje porézní strukturu.
Snímky z elektronové mikroskopie, kde lze vidět vliv progresivní technologie mikromletí. Na obrázku A) lze vidět původní beton před recyklací a na obrázku B) lze vidět mikromletý betonový recyklát.
Ukázka obrazové analýzy pro popis tvaru částic mikromletého betonového recyklátu, která byla použita pro popis vlivu různého způsobu mikromletí. Na snímku lze vidět původní snímek z elektronové mikroskopie (A), následně byla jednotlivá zrna zvýrazněna (B) a pomocí software nahrazena elipsami (C), která nejlépe popisuje tvar zrna. Z parametrů elipsy byl následně stanovený tvarový součinitel pro upravený betonový recyklát.
Odebrání sedimentu ze dna Popradského plesa
Práce týmu doc. Kuneše na Prášilském jezeře na Šumavě
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.
