Manoma, kad ilgiausiai pasaulyje gyveno prancūzė Jeanne Calment. Ji mirė, sulaukusi 122 metų. Iki pat mirties buvo šviesaus proto, o rūkyti metė tik devyniasdešimties. Be abejo, mokslininkams knieti sužinoti, kur slypi tokio kokybiško ilgaamžiškumo paslaptis, nes dauguma mūsų norėtų gyventi ne tik ilgai, bet ir laimingai. Kaip pasakose parašyta. Mokslininkai mano, kad pirmasis žingsnis šia kryptimi – ilgaamžių ir kitų asmenų genomų lyginamoji analizė. Galbūt ji leis atrasti lemtingus genus?

„Labai svarbu ne tik ilginti gyvenimo trukmę, bet ilginti ją kokybiškai. Kuo kokybiško gyvenimo trukmė bus ilgesnė, tuo žmogus atneš daugiau naudos visuomenei“, – teigia medikas ir biochemikas dr. Augustas Pivoriūnas.

Lietuvoje po penkiolikos metų trečdalį gyventojų sudarys pagyvenę žmonės. Todėl jau dabar reikia galvoti, kaip užtikrinsime tokių žmonių gyvenimo kokybę. Ypač daug nerimo kelia pasaulyje sparčiai augantis neurodegeneracinių ligų skaIčius.

„Šių ligų daugėja todėl, kad ilgėja gyvenimo trukmė.  Anksčiau žmonės nesulaukdavo amžiaus, kai ligos pasireikšdavo kliniškai. Dabar žmonės gyvena vis ilgiau ir tos ligos pradeda reikštis. Tai didelė socialinė ir ekonominė problema“, – tikina A. Pivoriūnas.

Lietuvoje pradedama vykdyti nacionalinė mokslo programa „Sveikas senėjimas“, kurioje dalyvauja keliolika tyrėjų grupių iš įvairių mokslo institucijų. Ji finansuojama Lietuvos mokslo tarybos lėšomis. Programos vadovas, LMA tikrasis narys Juozas Kulys teigia, kad šitaip mokslininkai skatinami kompleksiškai analizuoti ir spręsti Lietuvos visuomenės sveiko senėjimo biomedicinos ir socialinės medicinos klausimus, pasitelkiant fundamentinių ir taikomųjų tyrimų rezultatus.

Valstybinio mokslinių tyrimų instituto Inovatyvios medicinos centre naujus genų analizės metodus taiko ir dr. Ramūno Janavičiaus grupė, ieškanti genų, kurių defektai sukelia krūties arba kiaušidžių vėžį.

„Tęsiame darbus, kuriuos esame pradėję ankstesnėje programoje. Per pastaruosius ketverius metus įsisavinome kitokio lygio genominę analizę. Galime vienu metu tirti įvairių genų grupes“, – pasakoja medikas genetikas dr. Ramūnas Janavičius.

Apie 10 procentų šių onkologinių ligų yra paveldimos. Norint kuo tiksliau ir kuo anksčiau nustatyti, kurios pacientės turi išankstinę didesnę riziką susirgti šiomis ligomis, naudojamos naujos kartos genominės technologijos. Todėl specialistai gali tiksliau diagnozuoti didelės rizikos grupes, pritaikyti tolesnę priežiūrą bei gydymą.

„Prieš 20 metų nustatyti BRCA1 ir BRCA2 genai, kurie padidina riziką susirgti šitomis ligomis. Per tą laiką sukaupta daug patirties diagnozuojant pacientes. Viena iš rizikos mažinimo priemonių moterims, kurioms nustatomos tų genų mutacijos, yra chirurginės priemonės“, – teigia  R. Janavičius.

Daugelis jūsų girdėjote, kad dėl tokios vėžio rizikos išankstinei krūtų šalinimo operacijai ryžosi aktorė Angelina Jolie. Lietuvoje tokios operacijos kasmet atliekamos šimtams pacienčių. Deja, net ir šios priemonės gali nepadėti.

„Šiuo metu žinomi genai paaiškina tik apie 25 proc. visos genetinės rizikos. Todėl net po operacijos rizika nėra visiškai pašalinama, tik sumažinama“, – teigia R. Janavičius.

Savo juodą darbą atlieka ne tik šie du mutavę genai. Svarbus ir kitų genų variacijų bei aplinkos poveikis. Kiek tokių genų yra ir kaip jų defektai sustiprina vienas kitą, nulemdami didesnę riziką sirgti vėžiu, dar neaišku. Lietuvos mokslininkai, naudodami itin sparčią sekoskaitos technologiją, tirs tuos ligų atvejus, kai mutacijų žinomuose genuose nebuvo aptikta.

„Naujos kartos sekoskaitos technologija leidžia analizuoti kelis šimtų genų. Mes tirsime apie šimtą įvairių genų, kurie gali būti susiję su padidinta rizika tokioms ligoms“, – sako R. Janavičius.

Iki šiol tyrėjai analizavo 25 genus, susijusius su padidėjusia krūties ir kiaušidžių vėžio rizika. Naujame projekte jie aprėps beveik šimtą genų. Vadinasi, bus galima geriau ir anksčiau numatyti padidėjusią riziką ir ją mažinti.

‚Matome, kad dažnai pasitaiko įvairių klinikinių fenotipų persidengimas. Tyrinėdami vieną sindromą, neretai aptinkame mutacijų kituose genuose. Pavyzdžiui, analizuodami kiaušidžių vėžio sindromą, mes atrandame paveldimas mutacijas storosios žarnos vėžio sindromo genuose“, – tikina R. Janavičius.

Nors daugiausia kalbama apie BRCA1 ir BRCA2 genus, šiuo metu žinomi bent šeši krūties vėžio didelės rizikos ir daugiau kaip dvidešimt vidutinės rizikos genų.

Neretai paveldimą krūties ar kiaušidžių vėžį sukelia kelių genų defektai. Mutacijų nustatymas juose keičia gydymą bei priežiūrą. Pavyzdžiui, tiriant kiaušidžių ar krūties vėžiu sergančių pacienčių genomą, randamos mutacijos genuose, lemiančiuose didėjusią storosios žarnos vėžio riziką. Tuomet gydymas parenkamas pagal paciento genetinį profilį.

„DNR analizės metodai ypač išpopuliarėjo per pastaruosius penkerius metus, kuomet atsirado naujos technologijos, pagrįstos masyviai paralele kompleksine DNR sekų analize. Tai naujos kartos sekoskaita. Šiuo atveju įmanoma vienu metu įvertinti kelis šimtus genų grupių arba tūkstančius grupių. Atlikti žinomų ir nežinomų genų tyrimus“, – sako R. Janavičius.

Egzomas – koduojanti žmogaus genomo dalis sudaro tik apie 1,5 procento viso genomo. Kliniškai tai svarbiausia dalis. Pingant analizės technologijoms, šiuo metu vis dažniau analizuojamas visas genomas. Beveik kas mėnesį pasaulyje atrandama naujų vėžio riziką sukeliančių genų.

„Šiuo metu kuriamos greitesnės analizės technologijos. Daug tyrėjų orientuojasi į tiesioginę genų analizę, kuri vyksta naudojant nanoporų technologiją“, – teigia R. Janavičius.

Vykdydamas projektą „Precizinė naujos kartos egzomo sekoskaitos technologija krūties ir kiaušidžių vėžio predispoziciją turinčių pacienčių sveikam senėjimui“, Inovatyvios medicinos centras bendradarbiauja su VU Santariškių klinikų Hematologijos, onkologijos ir transfuziologijos centru. Taip pat su Anglijos, Vokietijos, Australijos mokslininkais. Apibendrinus genų mutacijų duomenis, atrandamus įvairiose pasaulio laboratorijose, galima detaliau įvertinti riziką ir pasiūlyti, kaip ją sumažinti.

„Pradėsime nuo kiaušidžių vėžio grupės genų detalesnio ištyrimo. Kitais metais detaliau vertinsime krūties vėžio grupę. Esame numatę atlikti egzomo (koduojančios genomo dalies) tyrimus tiems, kurie neturės mutacijų prieš tai tirtuose genuose“, – LRT TELEVIZIJOS laidai „Mokslo ekspresas“ teigia R. Janavičius.

Ne tik genai lemia mūsų sveikatos būklę. Labai svarbi aplinkos ir gyvenimo būdo įtaka, taip pat amžius. Tuo remiantis sudaromos profilaktinės programos, kuriami ir taikomi ankstyvos diagnostikos metodai. Lietuvoje kas dveji metai atliekama mamografija visoms moterims, sulaukusioms 50 metų. Tačiau moterys, kurioms patvirtinamas genetinis polinkis, specifines patikras turi pradėti nuo dvidešimt penkerių–trisdešimties metų.

Šiuo metu Lietuvoje patvirtintos indikacijos, kai pacientai gali būti siunčiami  detalesnei gydytojo genetiko konsultacijai. Pavyzdžiui, visais kiaušidžių vėžio, „trigubai neigiamo“ krūties vėžio, ankstyvo storosios žarnos vėžio atvejais.

„Mes esame nustatę Lietuvoje dažniausių mutacijų profilį BRCA1 ir BRCA2 genuose. Turime bent devynių tokių mutacijų sąrašą, kurios dažniausios mūsų regione.  Ir sugebėjome įvertinti archaišką kilmę tų mutacijų iki V a.“, – priduria R. Janavičius.

Tai labai palengvina onkogentinius tyrimus. Tikimasi, kad darbų rezultatai leis Lietuvoje įdiegti naujausius personalizuotos genominės medicinos metodus.

Persikelkime į ką tik atidarytą Jungtinį inovatyvios medicinos centrą. Tai sudėtinė „Santaros“ slėnio dalis. Kamieninių ląstelių biologijos laboratorijoje A. Pivoriūno grupė vykdo Nacionalinės mokslo programos „Sveikas senėjimas“ finansuojamą projektą „Žmogaus kamieninių ląstelių egzosomų panaudojimas kuriant naujus lėtinių neurodegeneracinių ligų terapijos metodus“.

„Dirbame su žmogaus dantų pulpos kamieninėmis ląstelėmis. Mes ketiname panaudoti jų sintetinamas molekules įvairioms ligoms gydyti. Tikime, kad šis metodas turi daug privalumų. Naudoti ląstelių sintetinamus faktorius yra  ir saugiau, ir labiau kontroliuojamas procesas“, – sako A. Pivoriūnas.

Ląstelės išskiria ne tik tirpias molekules: baltymus, hormonus ar augimo faktorius, bet ir nanodaleles, vadinamas egzosomomis. Tai 30–100 nm dydžio pūslelės, kurių viduje yra įvairių baltymų, mikroRNR, lipidų molekulių. Neseniai paaiškėjo, kad šios nanodalelės gali būti naudojamos kaip vaistai.

„Mūsų pirminiai tyrimai parodė, kad žmogaus dantų pulpos kamieninių ląstelių egzosomos gali susilpninti žmogaus dopaminerginių neuronų žūtį“, – aiškina A. Pivoriūnas.

Paprastai kalbant, egzosomos yra kapsulės, pripildytos įvairių biologiškai aktyvių medžiagų. Negana to, jas gamina įvairiausios mūsų organizmo ląstelės.

„Žinoma, kad netgi vėžinės ląstelės produkuoja egzosomas. Ten, kur jos  pasklinda organizme, susiformuoja vėžio metastazės. Tai labai sensacingi rezultatai. Taip pat žinoma, kad kamieninių ląstelių egzosomos pasižymi terapiniu poveikiu“, – sako A. Pivoriūnas.

Lietuvos tyrėjai nusprendė išsiaiškinti, kaip žmogaus dantų pulpos kamieninių ląstelių gaminamos egzosomos veikia lėtines neurodegeneracines ligas lydintį uždegimą. Kiekvieną tokią ligą centrinėje nervų sistemoje lydi uždegimo procesas.

A. Pivoriūno žodžiais, audinio pažeidimą visada lydi uždegimas. Pavyzdžiui, Parkinsono ligos metu pažeidimas vyksta ekstrapiramidinėje sistemoje ir tą sritį supa uždegimas. Jeigu būtų galima tą uždegimą paveikti, naudojant terapines strategijas, jį slopinti, tai galėtų būti efektyvus gydymas.

Pirmieji rezultatai rodo, kad egzosomos sugeba prasiskverbti į uždegimo židinį smegenyse. Įveikti struktūras, kurios it griežti pasieniečiai, nepraleidžia daugelio biologiškai aktyvių medžiagų – t.y. vaistų, į Centrinę nervų sistemą. Tai viena iš pagrindinių šiuolaikinės neurofarmakologijos problemų – vaistai paprastai negali įveikti šio barjero.

„Egzosomos gali. Kaip tai vyksta, niekas kol kas nežino. Bet  parodyta, kad suleidus egzosomų, jos patenka ir į Centrinę nervų sistemą. Ir ne tik suleidus į kraujagysles, bet netgi antai įpurškus per nosį“, – teigia A. Pivoriūnas.

Pirmąkart pastebėta, kad egzosomos egzistuoja, tik XX amžiaus devintojo dešimtmečio pradžioje. Iš pradžių buvo manyta, jog tai biologinis artefaktas. Dabar pripažinta, kad tai yra vienas iš daugelio universalių tarpląstelinio komunikavimo mechanizmų. Ląstelės bendrauja ne tik išskirdamos signalines molekules, bet ir nanokapsules, kurios organizme gali nukeliauti labai didelius atstumus.

Netgi kai kurių tipų vėžinės ląstelės sugeba pasigaminti egzosomų. Taigi ši sritis labai perspektyvi. Lietuvos mokslininkai tikisi panaudoti egzosomas kaip naują  priemonę lėtInėms neurodegeneracinėms ligoms gydyti.

„Naudosime dviejų tipų ląsteles. Žmogaus dopaminerginius neuronus ir žmogaus mikroglijos ląsteles. Dopaminerginiai neuronai yra pažeidžiami Parkinsono ligos atveju. O mikroglijos ląstelės yra imunokompetentinės CNS ląstelės“, – aiškina A. Pivoriūnas.

Pirmoje fazėje bus modeliuojama, kaip kamieninių ląstelių išskiriamos egzosomos  veikia mikroglijos ląsteles mėgintuvėlyje. Taip norima suprasti, ar uždegiminis procesas, lydintis neurodegeneracines ligas, slopinamas ir kaip.

„Antrame etape ketiname naudoti laboratorinių gyvūnus kartu su partneriais iš Latvijos universiteto. Neurofarmakologais, kurie turi labai didelę patirtį, dirbant su laboratoriniais gyvūnais, modeliuojant Parkinsono ir Alzhaimerio ligas. Naudosime egzosomas, jas įvesime į eksperimentines žiurkes per nosį“, – „Mokslo ekspresui“ pasakoja A. Pivoriūnas.

Parodyta, kad į Centrinę nervų sistemą patekusios egzosomos kaupiasi mikroglijos ląstelėse, kurios skatina neurodegeneracines ligas lydintį uždegimą. Tikimasi, kad gautI rezultatai suteiks naujų žinių apie gydomąjį egzosomų poveikį ir leis sukurti naujus lėtinių neurodegeneracinių ligų gydymo metodus.

Pažvelgus, į kokias mokslo kryptis pasaulyje daugiausia investuojama, matyti, kad dominuoja biomedicininės temos: gyvų ląstelių perprogramavimas; nanochirurgija naudojant femtosekundinius lazerius; ląstelių inžinerija; farmakogenomika ir personalizuota medicina.

Tai, kad Lietuvos mokslininkai neatsilieka nuo šių tendencijų, liudija naujausias pavyzdys. Kompanija „Thermofisher Scientific“ gruodžio 7 dieną pakvietė į naujų aukščiausios klasės, sterilios gamybos laboratorijų atidarymą Vilniuje. Lietuvoje gaminami produktai bus naudojami tobulinant naujas onkologinių ligų gydymo technologijas, kurios remiasi paciento organizmo ląstelių perprogramavimu. Šie produktai bus naudojami kuriant naujus autoimuninių ligų bei ŽIV gydymo būdus.

Aistros dėl klimato pokyčių kaista, kadangi žmonija patiria vis stipresnių kataklizmų. Tokius kaip uraganas Sandy, gerokai aptalžęs Niujorką. Arba potvynius, ilgalaikę sausrą Kalifornijoje, miškų gaisrus prie Baikalo. Auga nuostoliai, žūsta žmonės.

Visas  naujausias žurnalo „National geographic“ numeris skirtas klimato kaitai. Ignoruoti arba neigti aštrėjančią globalią problemą tampa pavojinga ir kvaila. Tad kokie procesai vyksta atmosferoje, kokios jų priežastys ir ką klimatologai prognozuoja Žemei?

„Kiekvienas mėnuo atneša po naują siurprizą. Jau yra pirmųjų dešimties šių metų mėnesių rezultatai. Jie patys šilčiausi nuo XIX a. pabaigos. Tai naujas rekordas. 2014 metų pabaigoje kalbėjome, kad tie metai buvo šilčiausi. Taip pat iš Antarktidos yra ne visai gerų signalų. Ozono skylė spalio mėnesį vėl labai išsiplėtė, pasiekė net 28 mln. kvadratinių kilometrų. Tai rodo, kad ta problema nesumenkėjo. Įdomūs procesai vyksta Arktyje ir Grenlandijoje“, – pasakoja klimatologas prof. Arūnas Bukantis.

Šiemet Grenlandijoje iškrito labai mažai kritulių. Tai dar labiau paspartino ledyno tirpimą. Arkties ledynai vasarą sumažėjo dar maždaug vienu milijonu kvadratinių kilometrų. Apie šiuos ir kitus nerimą keliančius procesus bus kalbama Paryžiuje, kur lapkričio 30 dieną prasideda Jungtinių Tautų (JT) bendrosios klimato kaitos konvencijos šalių konferencija. Joje numatoma patvirtinti naują teisiškai privalomą tarptautinį susitarimą dėl klimato kaitos.

„Kartu vyksta ir El Nino reiškinys. Jis šių metų pabaigoje pasiekė maksimumą ir pradės silpnėti tik 2016 vasario mėnesį. Šis reiškinys labai pakeičia Šiaurės Amerikos ir Australijos klimatą. Būtent ten pastebimos stipriausios anomalijos. Šių veiksnių suma ir sukelia chaosą klimato sistemoje“, – laidai „Mokslo ekspresas“ pasakoja A. Bukantis.

El Nino prasideda Ramiajame vandenyne. Jis pasireiškia, kai nuslopsta pasatai, įprastai pučiantys iš rytų. Jiems nurimus, nurimsta ir Humboldto srovė, tekanti nuo pietų Amerikos Australijos link. Šiltas vanduo ima plūsti Pietų Amerikos link. Ten susiformuoja žemo slėgio sritis. Prasideda gausios liūtys, o Australiją apima sausra.

„Bet svarbiausia, kad šito proceso metu į atmosferą išspinduliuojama daug šilumos iš vandenyno. Šiluma pasiekia net 25 km aukštį. Ji yra tarsi šiluminė bomba, kuri sprogsta ir pakeičia visą situaciją kituose rajonuose, vidutinėse platumose. Netgi poliarinėse srityse“, – teigia A. Bukantis.

Klimatas mūsų planetoje keitėsi nuolat. Žemė yra išgyvenusi ir ledynmečių, ir ekstremalių šiltėjimo periodų. Pavyzdžiui, prieš 14–15 tūkstančių metų baigėsi Wiurmo ledynmetis ir prasidėjo spartus atšilimas. Per kelis tūkstančius metų oro temperatūra Šiaurės pusrutulyje pakilo penkiais laipsniais. Tirpstant ledynams kilo ir vandenyno lygis. Tačiau faktai vis aiškiau rodo, jog žmonių veikla spartina kai kuriuos procesus. Anglies dioksido koncentracija atmosferoje dabar pasiekė keturiasdešimt tūkstantųjų procento. Tai didžiausia koncentracija per pastaruosius 800 tūkst. metų. Dar XVIII amžiaus viduryje ji buvo kur kas mažesnė – dvidešimt aštuonios tūkstantosios procento.

„Dabartinė technika, palydoviniai matavimai, automatinės meteostotys, išdygusios visuose vandenynuose ir sausumoje leidžia daryti patikimas išvadas. Jos yra pagrindas politikų sprendimams“, – teigia A. Bukantis.

Pastaraisiais metais aplink Žemę skrieja vis daugiau palydovų, stebinčių Žemėje vykstančius procesus. Juos leidžia ne tik NASA arba Europos kosmoso agentūra, bet ir tokios šalys, kaip Indija, Japonija, Kinija.

„Turbūt abiausiai naudojama palydovinė technika, kadangi jai prieinami visi regionai – ir poliariniai, ir tropiniai. Visas žemės rutulys. Palydovai teikia informaciją apie įvairius atmosferos sluoksnius, vandenyno būklę. Gali išmatuoti biologinius, cheminius, fizinius parametrus. Taigi informacija daug tikslesnė, negu prieš septynis dešimtmečius“, – LRT TELEVIZJOS laidai „Mokslo ekspresas“ sako A. Bukantis.

Šiuo metu Prancūzijos, pietuose, Kanuose, Europos kosmoso agentūra rengia startui naują Žemės stebėsenos palydovą „Sentinel 3A“. Beveik keturių metrų aukščio ir daugiau kaip toną sveriantis palydovas taps esminiu didžiausios pasaulyje aplinkos stebėsenos programos „Kopernikas“ elementu.

Programą vykdo Europos Komisija (EK). Aparatas, aprūpintas moderniausia aparatūra, registruos pokyčius Žemės vandenynuose, sausumoje, ledynuose ir atmosferoje.

Pasiekęs orbitą, „Sentinel“ prisijungs prie kitų šios sistemos palydovų grupės ir pradės rinkti Žemės stebėjimo duomenis, kuriuos perdavinės vartotojams įvairiose šalyse.

Vienas projekto kūrėjų, Bruno Berruti iš Europos kosmoso agentūros sako: „Šis palydovas turi specifinę užduotį, kurią mes vadiname „carpet mapping“. Tai globali misija – kuo operatyviau nuskenuoti visus planetos paviršius – sausumą, vandenį, ledą. Surinkti duomenys bus panaudoti klimatui modeliuoti ir prognozuoti jo pokyčius. Taip pat modeliuoti ir įvertinti žmogaus sąveikos su gamta, su sausuma ir vandenynais pasekmes.

Palydove sumontuoti optiniai ir mikrobangų instrumentai, kuriais itin tiksliai bus matuojama vandens ir sausumos topografija, sausumos ir vandenynų temperatūra bei jų spalvos pokyčiai. Šie nemokami įvairiems vartotojams duomenys papildys esamas vandenynų, taip pat aplinkos ir klimato stebėsenos sistemas. Tokie duomenys suteiks mums žinių, kaip keičiasi klimatas ir leis geriau suprasti pokyčius.“

„Turėsime puikų instrumentą, kurio kiaurą parą renkami duomenys mus pasieks per tris valandas. Planuojama, kad jis skries aplink Žemę ne mažiau kaip penkiolika metų. Tai kokybinis šuolis, padėsiantis klimato tyrėjams pamatyti bendresnį pokyčių vaizdą“, – priduria misijos mokslininkas Craigas Donlonas.

„Sentinel 3“ misiją sudaro dviejų identiškų palydovų sistema – „3a“ ir „3b“. Jie skries ta pačia orbita, nutolę vienas nuo kito 180 laipsnių kampu. Tai optimalus būdas surinkti duomenis. Po aštuonerių pasirengimo ir bandymų metų, dalyvaujant daugiau kaip šimtui kompanijų, „Sentinel 3“ netrukus suteiks vertingos informacijos jūrinėms, klimato pokyčių, atmosferos ir sausumos stebėjimo tarnyboms.

Pasaulyje nutinka keistų meteorologinių reiškinių: katastrofiško stiprumo liūčių, spalvotų dulkių audrų, viesulų, neįprastose vietose susidariusių taifūnų ir pan. Tai galima paaiškinti tuo, jog palydovų kosmose bei stočių Žemėje ne pirmus metus registruojami temperatūros pokyčiai veikia planetos slėgio lauką. Dėl to keičiasi ir atmosferos cirkuliacija.

„Kiekvienas regionas yra pajutęs, kad nuolatos įsiveržia neįprastai daug tropinių arba šaltų oro masių. Pavyzdžiui, jau nestebina, kai kur nors Vietname, Izraelyje arba Portugalijoje prisninga. Tai rodo tokių meridianinių procesų sustiprėjimą. Jie yra neišvengiamas klimato atšilimo atributas. Nes tai paveikia globalią cirkuliaciją“, – sako A. Bukantis.

Klimatologai, stebėdami globalias atšilimo tendencijas, įvertino, kad per pastarąjį šimtmetį vidutinė temperatūra Žemėje pakilo devyniomis dešimtosiomis laipsnio Celsijaus. Tačiau labiausiai šyla vidutinės platumos Šiaurės pusrutulyje ir arktinis rajonas. Sibire ir kai kuriuose vidurio Europos rajonuose temperatūra išaugo 2–3 laipsniais. Kai kuriuose Pietų ir Šiaurės Amerikos rajonuose temperatūros pokyčiai siekia net 3–4 laipsnius. Kokia situacija Lietuvoje?

„Lietuva atsiduria vidutinių platumų šiaurinėje dalyje, kur atšilimo tempai dideli. Per 120 metų temperatūra jau pakilo maždaug vienu laipsniu. Galima sakyti, lenkiame vidutinius pasaulio tempus. Labiausiai pasikeitė žiemos mėnesiai ir vasaros mėnesiai. Temperatūra pakilo dviem–trimis laipsniais. Turiu omenyje sausį, vasarį, kovą ir liepą bei rugpjūtį. Negana to, ir kritulių kai kuriais mėnesiais sumažėjo. Vasaros pabaigoje kritulių iškrenta mažiau, o žiemos tapo šiek tiek drėgnesnės“, – teigia A. Bukantis.

Šiuolaikiniai klimato modeliai ir jų prognozės kuriamos, remiantis pasaulio šalyse išskiriamų šiltnamio dujų kiekiais. Kadangi nėra tiksliai žinoma, kaip vystysis socialiniai ekonominiai procesai, kaip juos gali paveikti ekonominis nuosmukis arba pagyvėjimas, paprastai kuriami keli scenarijai.

„Vienas iš jų sako, kad temperatūra Žemės rutulyje iki XXI a. gali pakilti net 7–8 laipsniais. Bet tai labiausiai drastiška prognozė. Dabar linkstama prie nuomonės, kad temperatūra iki amžiaus pabaigos pakils dar keturiais laipsniais. Tokios yra prognozės. Jos ir Lietuvai numatomos“, – tikina A. Bukantis.

Jeigu dabar vidutinė temperatūra pasaulyje siekia 5–6 laipsnius, XXI amžiaus pabaigoje ji priartės prie 9–10 laipsnių. Kai kas teigia, jog greitai Lietuvoje galėsime auginti vynuoges. Tačiau mokslininkai tam nepritaria.

„Išliks šaltos žiemos, nes geografinė padėtis nepasikeis.  Arkties regionas juk čia pat. Ir tas arktinių oro masių „kvėpavimas“ bus juntamas. Staigūs šaltų oro masių įsiveržimai neleis Lietuvoje auginti subtropinių kultūrų. Tai neįmanoma dėl išliekančių šaltų periodų. Žiemos gal nebus tokios ilgos. Jos truks trumpiau, tačiau šalčiai išliks“, – pasakoja A. Bukantis.

Žmogus gyvena konkrečioje vietovėje ir jam labiausiai rūpi, kaip toje teritorijoje keičiasi aplinkos sąlygos, vadinamos mikroklimatu. Jis gali gan sparčiai keistis dėl neatsakingos žmogaus veiklos. Taip nuganytose ir suartose stepėse formuojasi dulkių audros, o miestuose – fotocheminis smogas. Norint išvengti tokių klaidų, ypač svarbūs miestų mikroklimato tyrimai, nes juose stebimi didžiausi pokyčiai.

„Miestai auga, išskiriami į aplinką didžiulius antropogeninius šilumos kiekius, o tai kelia temperatūrą. Kuriamos automatinės meteorologijos stotys, atliekančios visų parametrų – saulės spinduliuotės, kritulių drėgmės ir matomumo ir vėjo stebėseną“, – aiškina A. Bukantis.

Automatinė meteorologijos stotis įrengta Vilniaus universiteto Gamtos mokslų fakulteto kieme. Tai sena Vilniaus meteorologijos stočių vieta, kurioje stotis veikė jau prieš du šimtus metų. Ji tęsia visų matavimų programą, atnaujintą prieš trejus metus.

„Ten yra kaupiami duomenys apie Vilniaus naujamiesčio vidutiniško tankio užstatytą teritoriją. Lygindami tuos duomenis su oro uosto, Trakų Vokės stočių informacija, darome išvadas apie Vilniaus mikroklimato ypatumus“, – tikina A. Bukantis.

Mikroklimatą veikia įvairūs faktoriai. Pavyzdžiui, šiuo metu madingi veidrodiniai biurų fasadai itin sustiprina apšviestumą ir jis tampa dirginančiu pastate dirbantiems arba greta gyvenantiems žmonėms. Kita vertus, tarp aukštų pastatų susiformuoja gūsingi neįprastos krypties vėjai. Svarbiausias mikroklimato tyrėjų uždavinys – nustatyti, kokie neigiami pokyčiai atsiranda miesto teritorijoje ir kaip jų išvengti. Tam naudojamos ne tik stacionarios stotys.

„Dar ir mobilios stotys naudojamos, kurios gali būti įrengiamos ekstremalaus mikroklimato taškuose. Tai gali būti visą dieną egzistuojančio pavėsio mikroklimatas, stiprių vėjų mikroklimatas, ypač stipraus dirbtinio apšvietimo mikroklimatas, aukštuminių pastatų stogų mikroklimatas ir pan.“, – teigia A. Bukantis.

Su mobiliąja meteorologijos stotimi galima išmatuoti visus pagrindinius meteorologinius parametrus: oro temperatūrą, oro drėgnį, atmosferos slėgį, saulės spinduliuotę, kritulių kiekį. Pavyzdžiui, statant namą, patartina prieš statybas įvertinti mikroklimato sąlygas.

„Atsinešus tokią stotį, išmatavus temperatūrą, galima užfiksuoti, kad teritorija yra labai vėjuota. Todėl vieną namo sieną galima įrengti taip, kad užstotų vėją ir susiformuotų maloni oazė poilsiui vidiniame namo kieme. Yra daug praktinių taikymų“, – tikina meteorologas dr. Justas Kažys.

VU Gamtos fakulteto mokslininkai prieš kelerius metus pirmieji pradėjo rengti ekspedicijas ir vertinti mikroklimato ypatumus įvairiuose miesto rajonuose. Gerų pavyzdžių jau galima rasti kitose šalyse, pavyzdžiui Vokietijoje. Atnaujinant Berlyno infrastruktūrą, buvo išsamiai tiriamas mikroklimatas.

„Rytų Berlyno dalis ir jos atnaujinimas buvo visiškai panaudotas žmonių reikmėms. Steigiant ne tik biurus, bet ir parkus, žalias oazes. Berlynas – vienas geriausių pavyzdžių, kaip palyginti senas miestas sugebėjo įsisavinti mikroklimatinius duomenis. Dabar jie turi Berlyno mikroklimatinį žemėlapį, kuris prieinamas kiekvienam vartotojui, norinčiam sužinoti apie savo gyvenamą erdvę“, – „Mokslo ekspresui“ teigia J. Kažys.

Kartu su meteorologine informacija, teršalų matavimo stotimis atliekamas modeliavimas, prognozuojama teršalų sklaida. Ši informacija reikalinga tirti žmogaus savijautai, biometeorologinei aplinkai. Tiriama, koks mikroklimatas mieste karščio bangų ar ilgalaikių sausrų metu.

„Daugiausia tokie tyrimai naudojami mokslo įstaigose. Tačiau ji jau dabar prieinama ir vilniečiams. Kiekvienas gyventojas gali matyti interneto svetainėje būklę orų, kurie matuojami dešimties sekundžių intervalais“, – priduria A. Bukantis.

Belieka tikėtis, kad klimatologų pastangos, tiriant ir mikroklimatą, ir globalius klimato pokyčius mūsų planetoje privers pasaulio valstybes ir visuomenę imtis ryžtingesnių veiksmų, kadangi ant kortos pastatytas mūsų palikuonių likimas.

Pavydžiai stebėdami skrendančius paukščius, žmonės nuo seno stengėsi juos pamėgdžioti ir patys pakilti į orą. Itin rimtai beveik prieš penkis šimtus metų tuo domėjosi genialusis Leonardo da Vinci, nuodugniai analizavęs sparnuočių skrydžio mechaniką.

Jis taip pat mėgino suprasti, kaip veikia žmogaus raumenys ir sąnariai, kaip perduodamas judesys ir ar įmanoma sukurti įrenginį, kuriuo naudodamas savo raumenų jėgą žmogus sugebėtų pakilti į orą ir prilygti paukščiams. L. da Vinci tapo bene pirmuoju biomechaniku, besimokiusiu iš gamtos.

Jo stebėjimų rezultatas – sukurti keli originalios konstrukcijos aparatų brėžiniai. Pradedant mechaniniu laumžirgiu ir baigiant ornitopteriu su plasnojančiais sparnais bei helikopteriu, kurį teisingiau būtų vadinti oro grąžtu.

XXI amžiuje jo idėjas realaus dydžio maketais, eksponuojamais parodose, pavertė Italijos mokslininkai.

Šiuolaikiniai biomechanikos specialistai irgi analizuoja įvairius gyvus organizmus, jų struktūras ir funkcijas, mokydamiesi iš gamtos. Svarbiausias mokslininkų uždavinys – kuo geriau suprasti žmogaus raumenų, skeleto judėjimo ypatumus, jų patologijas, kad būtų galima kuo efektyviau padėti neįgaliesiems, sukurti tobulesnius implantus, dirbtines galūnes, taip pat efektyvesnius tokių klastingų susirgimų kaip Parkinsono liga, ankstyvosios diagnostikos metodus. Šiuolaikinė biomechanika irgi yra personalizuotos medicinos dalis, kurios pažangą lemia sparti informacinių technologijų plėtra.

Tiksliai pritaikomi implantai

Laidai „Mokslo ekspresas“ biomechanikas dr. Julius Griškevičius sako, kad kiekvienas žmogus yra individualus. Todėl vienas iš mūsų naudojamų įrankių yra matematinis modeliavimas.

Biomechanika glaudžiai susijusi su inžinerija, kadangi ji, analizuodama biologines sistemas, dažnai naudoja šių tradicinių mokslų metodus. Vis plačiau bioinžinieriai taiko ir kitą modernų įrankį – 3D spausdinimą. Kai dėl ligos ar traumos sutrinka žmogaus sąnarių funkcija, jie keičiamI endoprotezais arba implantais. Iki šiol dažniausiai būdavo naudojami standartiniai implantai. Tačiau būtų kur kas geriau kiekvienam pacientui sukurti unikalų protezą, įvertinus jo kūno sandaros ir netgi eIgsenos ypatumus.

„Kai dirbame su endoprotezais, tai yra junginys gyvo audinio su negyvu audiniu. Kaulas keičia savo savybes, veikiant mechaninei apkrovai. Jeigu mes pakeičiame jo natūralią būseną, įdedame svetimkūnį, jis perima dalį apkrovos ir laikui bėgant kaulas keičiasi. Mokslinė problema – kaip įdėti arba sukurti tokį protezą, kurio nereiktų išimti po penkiolikos metų“, – teigia J. Griškevičius.

Deja, net geriausi implantai, metams bėgant, išklimba. Pakinta ir jų veikiamo kaulo savybės. Atliekant pakartotinę operaciją  neretai paaiškėja, kad naujo implanto nebegalima pritvirtinti. Tuomet paciento kūno dalis skenuojama ir gauto kompiuterinio modelio pagrindu atspausdinamas tiksliai jam pritaikytas implantas.

„Lietuvoje atliekama daug sąnarių keitimo operacijų, bet tokių individualizuotų yra tik vienetai. Prieš pora metų buvo atvejis Klaipėdoje, kai pacientui kūrė visą dubens protezą“, – sako J. Griškevičius.

Norint gauti trūkstamą arba susidėvėjusį jūsų kūno fragmentą, iš pradžių reiktų sukurti jo erdvinį modelį. Jeigu keičiamas sąnarys, kompiuteriniu tomografu nuskenuoti keitimo vietą. Norint kuo tiksliau įvertinti kaulų būseną, geriausia naudoti rentgeno spindulius, kadangi jie kaulinį audinį labai gerai atskiria nuo minkštųjų audinių.

2011 metais Gento universitete Belgijoje buvo sėkmingai atlikta visiška veido transplantacija. Persodinti donoro raumenys su oda, o trūkstamus veido kaulų fragmentus mokslininkai atkūrė, naudodami minėtas skenavimo technologijas ir 3D spausdintuvą. Ši transplantacija tapo pačia sudėtingiausia iš devyniolikos tokio tipo operacijų visame pasaulyje. JAV gydytojai sukūrė ir implantavo trachėjos įtvarą kūdikiui, atspausdintą iš biopolimero, vadinamo polikaprolaktonu. Šis karkasas padeda atkurti plaučių funkciją, o pats laikui bėgant ištirpsta. Visais atvejais naudojamas tas pats principas.

„Nuėjus į ligoninę, padaroma nuotrauka. Su ja ateinama į firmą, kuri gamina implantą. Jie su programine įranga atskiria minkštuosius audinius, lieka tik jūsų skeletas ir ta vieta, kurią reikia padaryti. Kompiuterinio projektavimo programa  suprojektuojama reikalinga geometrija ir duomenys siunčiami į 3D spausdintuvą“, – tikina J. Griškevičius.

Kadangi dabar tokius protezus galima atspausdinti iš pačių įvairiausių medžiagų, taip pat iš titano, chromo, molibdeno miltelių, jie nedelsiant implantuojami pacientui.

Pagalba sergantiems Parkinsono liga

Vilniaus Gedimino technikos universiteto biomechanikos katedros mokslininkai pastaruoju metu tyrinėja žmogaus kūno arba jo dalių motoriką – t.y. kojų, rankų judesius. Jie bendradarbiauja su Vilniaus universiteto ligoninės Santariškių klinikų neurologijos centro gydytojais neurologais ir Reabilitacijos, fizinės ir sporto medicinos centro gydytojais. Pasitelkiant biomechaninį žmogaus raumens-skeleto modelį, kuriamos neuromotorinių ligų diagnostikos ir reabilitacijos efektyvumo vertinimo sistemos.

„Dirbdami su reabilitologais bandome sukurti diagnostines sistemas, kurios leistų vertinti žmogaus kūno motoriką. Kalbant apie Parkinsono ir esencialinio tremoro problemą, kraujo tyrimas neparodys, kuria liga žmogus serga“, – aiškina J. Griškevičius.

Gydytojai stebi, kaip žmogus elgiasi, vertina paciento mąstymą, jo psichofiziologines savybes. Tačiau būtent nežymūs galūnių judesių pokyčiai gali pasakyti kur kas daugiau. Todėl motorikos tyrėjai stebi, kaip tiriamas žmogus atlieka įvairius judesius, tradicinius veiksmus. Kaip jis paima puodelį, geria, kaip pirštais liečia nosies galiuką.

„Gydytojai dažniausiai vertina paciento būseną kokybiniais rodikliais. Tarkime, nulis balų, jei nėra susirgimo. Keturi balai – jeigu pacientas nieko negali atlikti. Ir tai priklausys tik nuo gydytojo patirties. Mes norime tiksliau tą padaryti. Turime įrangą, kuria galima tiksliai išmatuot judesį. Ieškome parametrų, kuriais mes galėtume suteiki kiekybinį įvertinimą“, – teigia J. Griškevičius.

„Prašėme Parkinsono ir tremoru sergančius ligonius atlikti judesius ir juos matavome. Bandėme atrasti parametrus, kurie atskirtų tas dvi ligas. Nes simptomai yra labai panašūs, o ligos visiškai skirtingos“, – „Mokslo ekspresui“ pasakoja mokslininkas.

Kol kas mokslininkams dar nepavyko atrasti vieno parametro, kuris leistų tiksliai atskirti šias dvi ligas. Tačiau jie įsitikinę, kad tai – tik laiko klausimas. Taip pat jie dirba su reabilitologais, siekdami sukurti efektyvesnes reabilitacijos programas insultą patyrusiems žmonėms.

„Mūsų uždavinys – padėti įvertinti taikomos reabilitacijos programos efektyvumą ir sukurti modeliu grįstą reabilitacijos programą. T.y. individualizuoti žmogų, įvertinti procedūrą, matuojamo žmogaus būseną“, – LRT TELEVIZIJOS laidai „Mokslo ekspresas“ sako biomechanikas.

Kol pacientą po traumos ar insulto prižiūri specialistai, jo fiziniai gebėjimai atkuriami efektyviai. Deja, pasibaigus reabilitacijos programai ligoninėje, ją tenka tęsti namuose. O tam reikia disciplinos ir įgūdžių. Biomechanikos specialistai siekia sukurti sprendimus, kaip reabilitaciją vykdyti paciento namuose, naudojant išmanius įrenginius – telemetriją, nuotolines konsultacijas. Vienas iš galimų produktų – kompiuterinio žaidimo forma atliekami pratimai namie, o specialus TV priedėlis stebi kūno judesius, juos įrašo ir perduoda įvertinti gydytojui.

„Tvirtiname ant žmogaus kūno jutiklius, kurie matuoja to kūno dalies judėjimą erdvėje. Naudodami matematinį žmogaus modelį, įvertiname raumenų darbą“, – teigia J. Griškevičius.

Tokius virtualius žmogaus skeleto modelius lengvai galima pritaikyti kiekvienam žmogui, atsižvelgiant į jo kūno arba kūno dalių parametrus. Stebint judesius galima pamatyti, kurie raumenys dirba, o kurie ne.

„Galutinis produktas – jutiklių rinkinys, kurį gydytojas galėtų naudoti. Klinikinė ekspertinė sistema padėtų jam priimti sprendimą“, – tikina J. Griškevičius.

Mintimis valdomi protezai?

Dar viena sritis, kurioje praverčia biomechanikos specialistų žinios, yra audinių inžinerija. Taikydami žinias apie įvairias žmogaus kūno ląsteles, inžinerijos metodus ir medžiagų mokslo pasiekimus, mokslininkai mėgina atkurti įvairius audinius arba  pagerinti jų biologines, funkcines savybes. Pavyzdžiui, atkurti kaulinį bei kitus audinius. Pastaroji sritis labai paklausi odontologijoje. Tyrėjai odontologų pageidavimu kuria naujus kaulinių defektų korekcijos metodus.

„Jeigu žmogus ilgą laiką neįsidėjo danties implanto, kaulinis audinys keičiasi. Jeigu jis negauna apkrovos, retėja kaulas, kaulo mažėja. Tada kyla problema odontologui, kad to kaulo į kurį sukti varžtą, yra nedaug“, – aiškina J. Griškevičius.

Nors žmogaus organizmas, kaip yra žinoma, sugeba užsigydyti įvairias traumas bei žaizdas, kartais ir jis bejėgis. Pavyzdžiui, jeigu lūžo koja, pakanka sujungti kaulus ir jie vėl suauga. Kaulinės ląstelės atliks savo darbą. Tačiau jeigu kaulų fragmentus skiria daugiau nei 5 milimetrai, to tarpo kaulinis audinys savaime neužaugins. Tada jam reikia padėti.

„Naudojame specialų plastiką, kuris organizme ištirpsta. Iš to plastiko atspausdinamas karkasas, į kurį biochemikai įsodina kaulines ląsteles bei tam tikrus katalizatorius, kurie „kviestų“ tas ląsteles apsigyventi. Toks „sumuštinis“ implantuojamas ir tada kaulinės ląstelės turi tiltą, terpę, kurią jos gali užpildyt lengviau. Tada užauga naujas kaulinis audinys, o pats plastikas suyra“, – sako J. Griškevičius.

Audinių inžinerijoje pagrindinė statybinė medžiaga – gyvos ląstelės. Pavyzdžiui, odos ląstelės fibroblastai naudojami odai atkurti, o chondrocitai atkuria kremzlinį audinį.

Vilniaus universiteto Kvantinės elektronikos katedroje gaminami 3D karkasai, o VGTU specialistai tiria jų savybes. Stebi, kaip kinta polimero savybės, keičiant jo struktūrą. Tokia analizė leis pasirinkti labiausiai audinių inžinerijai tinkantį darinį.

Šios srities pažangą lemia itin platus ir kūrybingas įvairių metodų naudojimas. Taip gimė tarpdisciplininė sritis – biomechatronika. Joje sujungiami mechanikos elementai, elektronika ir gyvų organizmų dalys arba fragmentai. Taip pat robotikos ir neuromokslo laimėjimai. Tuo siekiama sukurti prietaisus, galinčius sąveikauti su žmogaus raumenimis, skeletu ir nervų sistema. Tokie įrenginiai leis atkurti judrumą žmonėms, netekusiems galūnių, paralyžiuotiems dėl traumos arba sunkios ligos.

Klaudijai Mitchell „mioelektrinę“ ranką sukūrė Čikagos Reabilitacijos Institutas. Ji priima elektrinius signalus, nervais sklindančius iš jos smegenų. Elektrodai padeda signalams peršokti iš kūno į protezą, kuris naudoja kompiuterį, kad suprastų, apie kokį judesį K. Mitchell galvoja. Nervai,  valdę prarastą ranką, buvo perorientuoti į krūtinę, arti odos. Nedideli elektrodai, esantys ant odos, fiksuoja šių nervų elektrinius signalus ir siunčia juos į rankoje esančius motorus. Todėl moteris gali mintimis valdyti rankos protezą. Kol kas ši ranka nėra visiškai biomechatroninė. Signalai siunčiami tik viena kryptimi – į ranką. Tačiau ketinama sukurti grįžtamąjį ryšį, kad ranka perduotų tokius pojūčius į smegenis kaip skausmas arba lytėjimas. Tokių fantastiškai skambančių pavyzdžių ir sprendimų metams bėgant sulauksime vis daugiau.

Skriedama kosminėje erdvėje kartu su Žeme tarsi erdvėlaiviu, žmonija stengiasi kuo geriau suprasti kosmoso aplinką, įvairių dangaus kūnų susidarymo procesus ir jų sandarą. Įgimto smalsumo vedami, kurdami išradingus instrumentus: teleskopus ir kosmines observatorijas, vis geriau įsivaizduojame mūsų planetos ir Visatos evoliucijos ypatumus bei ateitį.

Tikimės įminti ir gyvybės atsiradimo Žemėje paslaptį. Šioje didingoje pažinimo kelionėje dalyvauja ne tik astronomai, bet ir daugybės kitų sričių mokslininkai. Pavyzdžiui, geologai, analizuojantys planetų, jų palydovų, asteroidų ar kometų sandarą.

„Sudaromi geologiniai žemėlapiai, kurie rodo tų planetų sandarą, raidą, jų sudėtį. Tyrimai vyksta geologiniais metodais. Iš Mėnulio atvežti uolienų pavydžiai yra geologų rankose. Meteoritai irgi tiriami geologiniais metodais. Šiuo metu yra nustatyta maždaug 170 meteoritų gabalų iš Mėnulio, apie 70 iš Marso, vienas iš jo palydovo Fobo. Neseniai surastas meteoritas, kuris, kaip manoma atskriejo iš Merkurijaus“, – pasakoja geologas prof. Gediminas Motuza.

Ką reiškia vanduo Marse?

Pastaruoju metu įspūdingi pasiekimai pilasi tarsi iš gausybės rago. Europos kosminės agentūros misijos „Rosetta““ zondas „Philae“ nusileido ant Čiuriumovo-Gerasimenko kometos, o kosminės agentūros NASA zondas „New Horizons“ praskriejo visiškai arti Plutono.

Viena iš naujausių sensacijų – NASA mokslininkų pranešimas apie skystą vandenį Marse. Ką tai iš tiesų reiškia?

„Nustatyti tam tikri dryžiai, kurie yra kelių šimtų metrų pločio, gana ilgi. Jie atsiranda sezoniškai, t.y. vasarą. Dryžiuose randama hidratuotų druskų, kurių sudėtyje yra vandens. Toms druskoms susidaryti reikia skysto vandens. Tai yra netiesioginis įrodymas, kad ten gali būti skysto vandens. Nors temperatūra ten yra žemesnė negu Žemėje. Ji svyruoja nuo plius 20 iki minus 140. Bet druskos, ištirpusios vandenyje, mažina jo stingimo temperatūrą“, – LRT TELEVIZIJOS laidai „Mokslo ekspresas“ pasakoja G. Motuza.

Štai kodėl net palyginti žemoje temperatūroje vanduo gali būti skystas. Tai gana tvirti įrodymai, tačiau jie visgi nėra tiesioginiai. Dar teks palaukti, kol kuri nors aplink Marsą skriejanti arba jame nusileidusi kosminė laboratorija pastebės skystą vandenį, kaip kad buvo nufotografuotas ledas, glūdintis krateryje netoli Šiaurės poliaus. Jeigu ašigalių kepurėse susikaupęs ledas ištirptų, Marsą padengtų 6 m storio vandens sluoksnis. Beje, vandens buvimas numanomas ir pagal kitus, anksčiau pastebėtus požymius.

„Netgi meteorituose, kurie atskrieja iš Marso, randama vandens terpėje susidariusių druskų. Nachlos meteorite, nukritusiame 1911 metais, irgi randama tų druskų. Be to, Marso meteorituose, kurių vienas surastas Alan Hills rajone Antarktidoje, surasti anglingi dariniai, labai primenantys bakterijas.

Šie dariniai beveik dešimt kartų mažesni už žemiškas bakterijas. Įdomu, kad panašių struktūrų prieš kelerius metus rasta ir Žemėje. Jos pavadintos nanobais, kadangi yra kur kas mažesnės už įprastinius mikrobus. Uolienose rasti maždaug 20 nanometrų dydžio angliniai dariniai gali būti Itin primityvios gyvybės formos, iš kurių išsivystė ląstelės. Beje, vieni mažiausių virusų – parvovirusai irgi tėra 30 nanometrų dydžio. Mažiausių bakterijų – mikoplazmų skersmuo – apie 150 nm.

Žmonės tyrinėja Marsą jau beveik keturis šimtus metų. Pirmuosius geologinius planetos žemėlapius pavyko sukurti, naudojantis „Mariner 9“ ir „Viking Orbiter“ misijų gauta informacija. Pastaraisiais metais šią planetą savo jutikliais analizavo net kelios skriejančios observatorijos: Marso Globalusis topografas („Surveyor“), Marso „Odyssey“, Marso Ekspresas ir Marso žvalgybinis orbiteris. Jų užduotis – paviršiaus mineralų sudėties, vandens garų kiekio atmosferoje nustatymas.

„Aparatai, kurie nusileidžia Mėnulio ar Marso paviršiuje, atlieka uolienų paviršiaus sudėties matavimus, t.y. cheminės sudėties nustatymą. Antra vertus, pagal atspindį šviesos įvairios bangos ilgio nustatomos medžiagos, kurios yra tame paviršiuje. Druskos arba mineralai, kurie sudaro uolienas. Apskritai taikomi tie patys petrografiniai, geocheminiai, izotopiniai tyrimų metodai, taikomi ir žemiškoms uolienoms“, – aiškina G. Motuza.

Geologams tai puiki proga su kitų sričių mokslininkais tyrinėti unikalius objektus. Tokius, kaip Marse atrastą didžiausią Saulės sistemos Olimpo ugnikalnį. Arba veikiančius ugnikalnius Jupiterio palydove Ijo. Lygindami šių geologinių darinių formą, sudėtį, mokslininkai atkuria Saulės sistemos kūnų evoliuciją. Geologinių struktūrų amžius nustatomas įvairiais būdais.

„Mėnulio uolienos datuojamos įprastiniais metodais. Jeigu nėra pavyzdžių, skaičiuojamas kosminių smūgių, asteroidų smūgių tankis. Kadangi jie visą laiką krenta ant planetų. Jų tankis leidžia nustatyti amžių apytikriai. Atkuriama geologinė istorija planetų raidos. Išskiriami netgi geologiniai laikotarpiai, kaip žemėje. Panašūs laikotarpiai išskiriami ir kitų planetų raidoje“, – sako geologas.

Žmonės gali būti ir marsiečiai

Paaiškėjo, kad Marsas dar palyginti neseniai buvo geologiškai aktyvus, o jo paviršiuje būta vandens. Manoma, kad maždaug prieš 4 mlrd. metų Marsas turėjo tiek vandens, kad jo būtų pakakę padengti visą paviršių 137 metrų sluoksniu. Nors labiau tikėtina, kad šioje planetoje, jos šiauriniame pusrutulyje plytėjo vandenynas, siekęs net pusantro kilometro gylio.

Tačiau dėl nedidelės masės ir silpnos gravitacinės traukos Marsas negali išlaikyti lakių junginių. Jo atmosferos slėgis sudaro tik šešias tūkstantąsias Žemės atmosferos slėgio. Todėl Marsas prarado didelę dalį turėto vandens ir pavirto tuo, kas yra dabar.

„Manoma, kad prieš milijardą metų Marsas buvo vadinamoje priežvaigždinėje gyvybės juostoje. Ten buvo sąlygos tokios, kad paviršiuje galėjo išsilaikyti skystas vanduo ir organinė medžiaga. Kitaip sakant, ten galėjo atsirasti gyvybė. Yra hipotezių, kad iš Marso gyvybė atkeliavo į Žemę ir dėl to mes esame marsiečiai. Gyvybės raida Žemėje gali būti susijusi su kosminiais veiksniais. Nes meteorituose randama sudėtingų organinių junginių ir aminorūgščių“, – teigia G. Motuza.

Tokie junginiai yra tarsi pusfabrikačiai, iš kurių per milijonus metų susidarė gyvų organizmų ląstelės. Vadinamosios prebiotinės molekulės į Žemę galėjo atkeliauti iš kosmoso. Iš kometų arba kitų planetų.

„Yra dar vienas praktinis tikslas. Kosminėje erdvėje, Mėnulyje, asteroiduose yra labai daug išteklių. Mėnulyje yra He izotopo, kuris yra energetinė žaliava. Asteroiduose glūdi didžiuliai kiekiai metalų, nes dalis asteroidų, apie 6–7 proc., yra geležiniai. Geležiniame vieno kilometro skersmens asteroide yra apie 10 mlrd. tonų geležies, šimtai milijonų tonų nikelio, aukso platinos ir kitų cheminių elementų. Tokio asteroido atsigabenimas į Žemę gali ilgam patenkinti žmonijos poreikius. Marso paviršiaus tyrimas reikalingas, norint įrengti tarpinę stotelę į asteroidų žiedą, kuris yra tarp Marso ir Jupiterio“, – pasakoja mokslininkas.

Žmoniją sužavėjęs Plutonas

2015 metais žmoniją sužavėjo itin ryškios ir spalvotos Plutono, tolimiausio Saulės sistemos kūno, praradusio planetos vardą, nuotraukos. Po dešimt metų trukusios kelionės „New Horizons“ kosminis aparatas praskriejo visiškai greta mažosios planetos, vos už keliolikos kilometrų nuo jos paviršiaus.

Nuostabiausia, kad ji turi beveik 100 km storio miglotą atmosferą, kurioje, kaip ir Žemės atmosferoje, dominuoja azotas! Kita stulbinanti naujiena – Plutono geologinis aktyvumas. Dėl to jo paviršius labai įvairus. Greta trijų kilometrų aukščio ledo kalnų plyti didžiulė lyguma, pavadinta Sputniko vardu. Jame slenka ledynai, o dėl cheminių priemaišų paviršius įvairiaspalvis. Ko gero, mokslininkų dar laukia daug staigmenų ir atradimų.

„Plutonas gan toli, planetinio disko pakraštyje. Apie jos sudėtį, sandarą, geologinį aktyvumą buvo labai mažai žinoma. Dabar, pamačius kalnus, tiesa, sudarytus iš ledo, paaiškėjo, kad tai – geologiškai gan aktyvi planeta“, – teigia G. Motuza.

Geologinis aktyvumas, kurį sukelia vidiniai procesai arba didžiųjų planetų – Saturno bei Jupiterio – gravitacija – intriguojantis procesas, galintis lemti gyvybės egzistavimą tokiuose palydovuose, kaip Europa arba Enceladas. Būtent dėl to juose po ledo paviršiumi turėtų tyvuliuoti vandenynai. O kur vanduo – ten ir gyvybė. Spalio mėnesio pradžioje „Cassini“ praskriejo už beveik 2000 km nuo Encelado. Spalio 28 d. observatorija priartėjo prie Encelado iki 49 kilometrų, kad paimtų iš jo ugnikalnių išmetamų vandens garų mėginį ir atliktų jo cheminę analizę.

Kita 2015 metų sėkmės istorija, tiriant Saulės sistemos kūnų geologinę sandarą ir cheminę sudėtį, yra Europos kosmoso agentūros vykdomas „Rosetta“ projektas, kuris baigsis 2016 metų rugsėjį.

Išanalizavus Čiuriumovo-Gerasimenkos kometos medžiagos daleles nustatyta, kad joje apstu anglies turtingų molekulių iš ankstyvojo Saulės sistemos formavimosi periodo. Kometa labai porėta, joje atrasta šešiolikos rūšių organinių junginių: alkoholių, aldehidų, amidų, aminų ir izocianatų. Kometos uodegoje, vadinamoje koma, aptikta vandens, anglies dioksido, anglies monoksido ir formaldehido garų. Kai kurios šios medžiagos yra būtini cheminiai gyvybės elementai. Tad nors kometa skrieja už milijonų kilometrų nuo Žemės, jas abi sieja bendra istorija.

„Anksčiau buvo atliktas eksperimentas „Tempel 1“, kai iš kometos branduolio buvo išmuštas ir analizuojamas dulkių arba medžiagos debesis. Buvo kosmoso aparatai, praskrieję per kometos uodegą. Jų tikslas – nustatyti kometų sudėtį. Nes manoma, kad dauguma jų turi ledinį branduolį. Be to, kometų sudėtyje yra daug organinės medžiagos, netgi aminorūgščių“, – pasakoja G. Motuza.

Saulės sistemos priešistorė – Lietuvoje rastuose meteorituose

Kometose aptinkamas vanduo liudija, kad jos galėjo būti vienas iš vandens šaltinių Žemėje. Dulkių debesyje, iš kurio formavosi Žemė, vandens buvo labai mažai. Todėl vanduo turėjo iš kažkur atkeliauti.

Viena iš hipotezių – tai galėjo būti kometos, sunešusios vandenį kartu su prebiotinėmis molekulėmis. Kita dalis vandens atkeliavo iš toliau – iš Orto debesies, Koiperio debesies, t.y. Saulės sistemos pakraščių. Beje, rekonstruoti Saulės sistemos priešistorę padeda ir Lietuvoje rasti meteoritai.

„Iš jų įdomiausias – Andrioniškio meteoritas, nukritęs 1929 metais netoli Anykščių. Jis ypatingas tuo, kad yra bazaltinis achondritas. Tai – reta meteoritų rūšis. Jie yra gabaliukas plutos kažkokios planetos, kuri buvo susiformavusi, bet neišgyveno. Plutos nuolaužos labai retos, nes pati pluta, pvz., Žemės, sudaro apie 0,5 proc. planetos tūrio. Tokie meteoritai leidžia įvertinti, kada ir kaip pradėjo susidarinėti planetos Saulės sistemos aplinkoje“, – teigia G. Motuza.

Jo nuolaužų iš viso rasta apie 4 kg. Manoma, kad visi Žemėje rasti bazaltiniai achondritai yra kilę iš vieno asteroido – Vestos. Meteoritas panašus į žemišką uolieną idiabazą arba gabrą. Jo sudėtyje apie 50 procentų silicio dioksido, geležies, magnio, kalcio.

„Jo amžius yra 4550 mln. metų. Jis rodo laiką, kada Žemės grupės planetos pradėjo diferencijuotis. Kada jų viduje vyko lydimasis ir medžiagos persiskirstymas. Kada prasidėjo tikroji geologinė istorija. Tuo šio meteorito istorija dar nesibaigia. Skriedamas kosmose jis prieš 650 mln. metų susidūrė su kitu meteoritu ir patyrė didžiulį smūgio poveikį. Dalis jo mineralų prarado kristalinę sandarą“, – aiškina G. Motuza.

Tai – labiausiai smūgio paveiktas meteoritas. Lietuvoje nukritęs jo fragmentas atskilo nuo Vestos prieš beveik 14,5 milijonų metų. Meteoritai tiriami, taikant tuos pačius geologinius metodus, kaip ir žemiškoms uolienoms. Atliekant mikroskopinius, cheminius, izotopinius tyrimus.

Kas planuojama toliau? 2016 metais NASA ketina nusiųsti į Marsą nuleidžiamąjį aparatą „InSight“, kuris tirs planetos gelmes. Tai – Marso tyrimo programos tęsinys, kuria siekiama suprasti Marsą kaip dinaminę sistemą, jame vykstančius aplinkos pokyčius, klimato ciklus, geologiją ir biologinį potencialą.

Europos kosmoso agentūra irgi neketina sustoti. Jau beveik parengtas startui erdvėlaivis „ExoMars“ su nuleidžiamuoju aparatu. Jis irgi startuos 2016 metais.

„ExoMars“ rinks informaciją apie Marso atmosferą. Antroji ekspedicijos dalis prasidės 2018 metais, kai roveris atliks dviejų metrų gylio gręžinius. Tikslas – surasti organinių molekulių. Žmonija tęsia ambicingą Saulės sistemos tyrimų programą.

Naujausiame Ridley Scotto filme „Marsietis“ įtemptai stebime, kaip netyčia raudonojoje planetoje paliktas astronautas mėgina išgyventi ir sulaukti pagalbos. Pagrindinė problema – maisto trūkumas, kadangi gelbėjimo operacijos teks laukti daugiau nei metus. Įdomu pasvarstyti, kaip būtų susiklostę įvykiai, jeigu Markas būtų turėjęs 3D spausdintuvą, galintį atspausdinti maisto? Neabejotina, kad planuojamoje tikroje ekspedicijoje į Marsą tokie spausdintuvai  bus Itin svarbūs. Galimybė atsispausdinti įvairius daiktus, atsargines detales arba net pačios bazės elementus žymiai atpigintų ir supaprastintų kelionę.

„Norisi kuo greičiau pamatyti tą fantastiką, ateinančią į realybę. Ateis laikas, kai Mėnulyje arba Marse astronautai, naudodami spausdintuvus, vietoje pasistatys kosminę bazę. Jau yra spausdintuvų, kurie dykumoje sufokusuoja saulės spindulį į smėlį. Spindulys ištirpdo kvarcą ir iš jo suformuoja norimą gaminį ar objektą“, – pasakoja Robotikos mokyklos vadovas Paulius Briedis.

Asortimentas sparčiai auga

Naujausi pranešimai liudija, kaip sparčiai auga šio spausdinimo galimybės ir asortimentas.

Pavyzdžiui, Australijos mokslininkai atsispausdino smegenų modelį neuronų funkcijoms tirti. Vietoj rašalo jie panaudojo pelės embriono smegenų žievės neuronUs, pamerktus specialiame hidrogelyje, taip sukurdami sluoksniuotą, funkcionuojantį smegenų žievės fragmentą. Hidrogelis padeda ląstelėms išgyventi ir susijungti vienai su kita.

O Nyderlandų medikai išgelbėjo 22-ejų metų moters gyvybę, pakeitę dėl retos ligos neįprastai storą kaukolės viršutinę dalį implantu, atspAusdintu 3D spausdintuvu.

Kai kurios technologijos, tokios kaip informacinės ir kompiuterinės, mobilieji įrenginiai taip stipriai keičia visuomenės gyvenimą, tad ne veltui vadinamos griaunančiomis (angliškai – disruptive). Atrodo, kad 3D spausdinimas irgi tampa viena iš jų.

„Šiuo metu naudojama apie 20 skirtingų 3D spausdinimo technologijų. Tikėtina, kad atsiras dar naujų. Dabar galime spausdinti vienu įrenginiu tik metalą, arba tik plastiką arba bet kokią kitą medžiagą. Kuriamos technologijos, kad galėtume spausdinti metalą, plastiką, gumą ir stiklą vienu metu“, – LRT TELEVIZIJOS laidoje „Mokslo ekspresas“ pasakoja UAB „3D pro“ direktorius Karolis Kvietkauskas.

Kaip veikia viena iš šiuo metu plačiai naudojamų technologijų? Naudojami nerūdijančio plieno milteliai, klijais sujungiami į pageidaujamos formos detalę.

Proceso trukmė priklauso nuo spausdinamo objekto dydžio. Per valandą užauginama vieno kubinio centimetro dydžio detalė.

„Pavyzdžiui, keramikinio spausdintuvo medžiaga yra milteliai, suklijuojami specialiais klijais sluoksnis po sluoksnio ir spausdinimo metu jie nudažomi. Galima iš karto atspausdinti spalvotą objektą. Kita technologija yra plastiko spausdinimo technologija, vadinama ekstruziniu spausdinimo metodu. Medžiaga yra siūlo ar vielos pavidalo. Ji išlydoma ir su specialia „galvute“ piešiamas objekto kontūras. Taip užauginama detalė“, – aiškina K. Kvietkauskas.                                                                    

Šiuo metu pati brangiausia, tačiau daugiausia galimybių atverianti technologija vadinama SLS arba SLA. Tai selektyvus sukietinimas lazeriu – stereolitografija. Naudojant šias technologijas, galima sukurti tai, ko nebuvo įmanoma pagaminti tradiciniu būdu.

„Galiu pateikti populiarų „Boeing“ pavyzdį, kai gaminama vis daugiau sudėtingų detalių lėktuvams, ortakių, kurių neįmanoma pagaminti tradiciniais būdais. Konstrukcija išlieka maksimaliai stipri, tačiau yra kur kas lengvesnė“, – sako K. Kvietkauskas.

Kas motyvuoja?

Kas ta pagrindinė varomoji jėga arba ideologija, lėmusi tokią sparčią šios srities pažangą?

„3D spausdinimo technologijos tikslas – praleisti kuo mažiau laiko tarpiniuose etapuose. Tai reiškia, kad kuo labiau pinga spausdintų gaminių gamyba, tuo plačiau tai gali būti taikoma“, – teigia P. Briedis.

Kita vertus, 3D spausdinimui atsirasti ir augti iš esmės padėjo kompiuterių tobulėjimas.

„Būsimo gaminio planas spausdintuvui pateikiamas kaip teksto failas. Jame parašyta, kur reikia varikliui būti po kiekvieno judesio. Jis atrodo kaip Biblija. Milijonų eilučių ir šimtų megabaitų teksto failas.  Anksčiau žmonės rašydavo ranka tuos tekstus. Galimybė automatizuoti procesą kompiuteriais leido paspartinti procesą“, – „Mokslo ekspresui“ pasakoja P. Briedis.

Prieš kelerius metus, net naudojant galingus šiuolaikinius kompiuterius bet kokio modelio pavertimas į spausdintuvui suprantamą kalbą užtrukdavo apie dvi valandas.

Dabar algoritmai taip patobulinti, kad procedūra tetrunka vos penkias minutes. Todėl spausdinimas pradėtas taikyti kaip prototipavimo priemonė. Tai bene greičiausias ir efektyviausias būdas inžinieriams kuo greičiau išbandyti naujas idėjas praktiškai. Susikurti naują detalę ar netgi mikroschemą.

„Spausdinimas leido neapsiriboti gamybos technologija ir padaryti bet kokią formą. Dabar ši sritis plačiai taikoma medicinoje. Ten reikia daug priemonių, kiborgo funkcijas atliekančių prietaisų ir protezų, kurie turi būti pritaikyti individualiam asmeniui“, – priduria P. Briedis.

Ispanijoje sėkmingai atliktas pirmas pasaulyje atspausdintos krūtinės ląstos su šonkauliais persodinimas 54-erių metų vyriškiui.

Vėžys suardė kaulinį audinį, todėl kito būdo padėti pacientui nebebuvo. Protezą pagamino „Anatomics“ kompanijos specialistai. Spausdintuvas lydė titano miltelius ir juos sluoksniavo į formą.

Kiekvienas žmogus unikalus, todėl ši technologija medicinoje ypač praverčia.

Pavyzdžiui, prieš kuriant sąnario ar klubo implantą, svarbu įvertinti žmogaus eiseną, kūno svorio centro pokyčius ir numatyti, kaip svetimkūnis pakeis jo eiseną. Kiekviena kūno dalis, o ypač kaulai, kompiuteriniais modeliais tikrinami ir tada spausdinami.

„Daug žmonių turi susidėvėjusius sąnarius, patiriamos įvairios traumos. Ir dantų visiems reikia. Tam praverstų 3D spausdinimo technologijos. Atsiranda būdai padėti net ir dideles traumas ar rimtas ligas patyrusiems žmonėms. Kuriems reikia, pavyzdžiui, amputuoti visą dubens kaulą ir pakeisti jį spausdintu“, – sako P. Briedis.

Šiuo metu spausdintuvų asortimentas sparčiai auga, jie tampa vis pigesni. Be to, naudojamos pačios įvairiausios medžiagos. Kaip minėjome, netgi gyvos ląstelės. Tereikia nusipirkti tinkamos žaliavos ir išsirinkti patį spausdintuvą. Galite jį susikonstruoti ir patys, atėję į Robotikos mokyklos mokymus.

„Jau dabar Lietuvoje yra daug fabrikų, kurie norėtų 3D spausdintuvų, gaminančių dideles detales. Ir jiems didelio tikslumo nereikia. Jie sutiktų mokėti šimtus tūkstančių eurų už tokį prietaisą“, – tikina P. Briedis.

Panašūs prietaisai gaminami naudojant projektorius – šviesos, kaip medžiagos sustingdymo šaltinį. Ketinama plačiau naudoti ir tokius šviesos šaltinius kaip šviestukai. Siekiama mažinti gamybos kainą, didinti spausdinimo greitį, tikslumą.

„Eksperimentavome keliose srityse. Paties spausdintuvo naudojimo srityje, taip pat apmokėme moksleivius, kad jie išmoktų naujų inžinerijos būdų. Išmoktų sukurti kompiuterinį modelį“, – teigia Robotikos mokyklos vadovas.

Lietuviai stebina pasaulį

Lietuviai jau dabar šioje srityje savo išradingumu stebina pasaulį. Dr. Mangirdas Malinauskas su kolegomis VU Lazerinių tyrimų centre Saulėtekyje naudoja 3D spausdintuvą, kurdami ir tirdami naujus mikrooptikos, nanofotonikos komponentus bei karkasus audinių inžinerijai.

Naudojant tiesioginio lazerinio rašymo technologiją, ultratrumpųjų impulsų femtosekundiniu lazeriu galima selektyviai paveikti bet kokią medžiagą: metalą, stiklą, įvairius polimerus ar net baltymus. Bendradarbiaudami su Lietuvos sveikatos mokslų universitetu, jie lazeriu paveikė hibridinį šviesai jautrų polimerą ir sukūrė trimatę šešiakampių gardelių mikrostruktūrą – karkasą, kuriame galėtų augti chondrocitai – kremzlinio audinio ląstelės. Paskui sėkmingai jį implantavo į triušius. Galbūt kada nors tai taps nauju gydymo metodu nuo kremzlių pažeidimų kenčiantiems žmonėms.

„Planuojama spausdinti kaulus, kurie būtų implantuojami žmogaus organizme. Mes ieškome būdų, kaip tai realizuoti. Kiekvienas spausdintuvas turi savo  medžiagą. Reiktų sukurti naują spausdintuvą, naują technologiją“, – sako K. Kvietkauskas.

Tokių pavyzdžių yra ir daugiau. Kompanija „OrthoBaltic“ spausdintuvais gamina protezus, dirbtinius kaulus ir dantis iš metalų bei tvirtų nailono plastikų. Anglijoje gyvenanti daktarė Vaiva Kalnikaitė su kolegomis kompanijoje „Dovetailed“ sukūrė aviečių 3D spausdintuvą.

„Šiuo metu plačiai spausdinamas šokoladas. Yra specialus šokolado spausdintuvas, kuriuo galima atspausdinti įvairių formų suvenyrinius šokoladukus, meno dirbinius. Aš taip pat ketinu įsigyti tokį spausdintuvą. Pasaulyje planuojama spausdinti gatavus maisto produktus. Idėja tokia – į mašiną įdedama tam tikri maisto produktai – pienas, miltai kiaušiniai ir aspaudus vieną mygtuką, aparatas jums iškeps blynų.

Ateitis – jaunosios kartos rankose

Kas mūsų laukia toliau? Šios technologijos tobulinimo entuziastai iš kompanijos „Toize“ bendradarbiauja su įvairiomis įmonėmis, aukštosiomis mokyklomis, užsienio partneriais, ieškodami geresnių medžiagų derinių, tobulindami procesus. Taip pat ir ugdydami jaunąją kartą.

„Parengėme metodiką, kaip moksleiviams projektuoti profesionaliomis priemonėmis ir išbandyti suprojektuotus automobilius virtualiuose oro tuneliuose. Tuos gaminius atspausdinome spausdintuvais. Jie galėjo palyginti, ar jų modeliai sutampa su tikrove“, – tikina P. Briedis.

Jie sukūrė interneto platformą, leidžiančią spausdinti kompiuterinių žaidimų herojus. Na, o Lazerinių ir inžinerinių technologijų branduolyje (LITEK) įsikūrusi kompanija „3D pro” spausdina itin platų dirbinių asortimentą: pradedant įvairiais prototipais ir baigiant galutinio vartojimo medicinos produktais, tokiais kaip klausos aparatai.

„Šiuo metu projektuojame ir ruošiame spausdinti konferencinę vaizdo kamerą. Šiuo metu kuriame darbinius brėžinius, kurie bus spausdinami. Bus surenkamas pirminis prototipas ir vėliau prasidės masinė gamyba. Taip pat dirbame su daugeliu įmonių Lietuvoje ir užsienyje“, – aiškina K. Kvietkauskas.

Ko reikia, kad šis 3D spausdinimo fenomenas toliau sparčiai tobulėtų? Kokios srities mokslininkų indėlio labiausiai laukiama?

„Mano manymu, svarbiausia sritis yra medžiagotyra. Reikia, kad būtų atrandama vis naujesnių medžiagų. Šiandien, pavyzdžiui, spausdintuvai gali spausdinti plastiką, bet ne tą, kuris naudojamas pramonėje. Medžiagotyrininkai turi sukurti naujas medžiagas, kurios būtų dar tvirtesnės, labiau atsparios temperatūros pokyčiams nei dabar naudojamos“, – teigia K. Kvietkauskas.

Vienas svarbiausių šios srities projektų –  Medžiagų genomo iniciatyva, koordinuojamas JAV vyriausybės. Nuo 2011 metų jam skirta 250 mln. dolerių. Naudodami superkompiuterius, mokslininkai modeliuoja naujas medžiagas, prognozuoja įvairias jų savybes. Taip buvo atrasta nauja termoelektrinių junginių grupė.

„Siekiame prisijungti prie revoliucijos, kada žmogui leidžiama pasirinkti, ko jam norisi tuo metu ir tik tuomet pradedama gaminti. Bandome pasinaudoti galimybe spausdinimą naudoti kaip individualios gamybos procesą ir supažindinti žmones su tuo procesu“, – aiškina P. Briedis.

Žurnale „Wired“ teigiama, kad 3D spausdinimą jau ima keisti nanospausdintuvai. Nanovamzdelių, kvantinių taškų ir kitokių nanodalelių naudojimas sukels revoliuciją elektronikoje, biofarmacijoje, energetikoje. JAV sukurta nanomatmenų ofsetinė spausdinimo sistema („NanoOPS“) atspausdina 25 nm dydžio (t.y. tūkstantį kartų plonesnes už žmogaus plauką) struktūras ir grandynus ant įvairių paviršių.

Taip gimsta nanojutikliai ankstyvajai vėžio diagnostikai, lanksti elektronika ir lanksčios baterijos. Atrodo, kad žmonija netrukus įsigis universalią burtų lazdelę, kuri pildys įvairiausius mūsų norus ir Žemėje, ir kosmose.

Viena didžiausių vilčių šiuolaikinėje medicinoje – kamieninės ląstelės, iš kurių jau po kelerių metų tikimasi išauginti įvairius audinius ir netgi organus.

Nuolat pasigirsta kalbų apie šių ląstelių taikymą ir jų tiesiog stebuklingas savybes, gydant pačias sunkiausias patologijas. Pavyzdžiui, Parkinsono arba Alzhaimerio ligas. Kalbama, jog kamieninių embrioninių ląstelių terapija jau taikoma Kinijoje ir kitur. Tačiau kaip yra iš tiesų?

Naudojamės proga pasidalyti su jumis naujausiomis žiniomis apie šių ląstelių gydančiąsias savybes ir jų taikymą klinikoje, kalbėdamiesi su dvidešimt metų šioje srityje dirbančiu italų mokslininku Michele De Luca. Profesorius lankėsi šiųmetiniame mokslo festivalyje „Erdvėlaivis Žemė“, kur skaitė paskaitą apie savo sukurtus gydymo metodus ir kamieninių ląstelių tyrimų tendencijas pasaulyje.

„Dirbame su somatinėmis kamieninėmis ląstelėmis – t.y. ląstelėmis iš suaugusių žmonių. Ypač su epitelio kamieninėmis ląstelėmis. Iš šių kamieninių ląstelių susiformuoja visi audiniai, dengiantys mūsų kūną. Oda, ragena, šlaplė. Mes dirbame su epidermio, arba odos ląstelėmis ir su ragenos kamieninėmis ląstelėmis. Dirbdami su ragena, sukūrėme ląstelių terapijos procedūrą. Jau galime regeneruoti didžiąją ragenos dalį, sunaikintą, pavyzdžiui, dėl cheminio akies nudegimo. Kai neįmanoma panaudoti kito gydymo metodo, atkuriame rageną, naudodami kamienines ląsteles“, – sako biochemikas M. de Luca

Regeneracinės medicinos centro Modenos ir Redžijo Emilijos universitete mokslininkai prieš keliolika metų pradėjo tyrimus, naudodami epidermio kamienines ląsteles odos nudegimams gydyti. Dabar jie žengia dar toliau – kuria genų terapijos metodus.

„Genetiškai modifikuojame epidermio kamienines ląsteles, kad galėtume gydyti itin sunkias Odos ligas – tokias kaip epidermolysis burlosa, kitaip vadinamą vaikų drugelio liga. Vaikai netenka odos dėl įgimto genų defekto. Mes atliekame pirmosios ir antrosios fazės klinikinius tyrimus su genetiškai modifikuotomis epidermio kamieninėmis ląstelėmis, gydydami specifinę minėtos ligos formą“, – tikina M. de Luca.

Prieš gilinantis į šių tyrimų subtilybes svarbu suprasti, kad kamieninės ląstelės gali būti kelių rūšių. Nuo to priklauso, ką iš jų įmanoma išauginti. Nemažai žmonių vis dar mano, kad gamtoje egzistuoja tik vienos rūšies kamieninės ląstelės, išskiriamos iš žmogaus embrionų. Tai netiesa.

„Turime daug įvairių kamieninių ląstelių. Pirmoji kamieninė ląstelė, kuri buvo išskirta ir išsamiai tiriama, buvo kraujo kamieninė ląstelė. Taigi somatinė arba kūno kamieninė ląstelė. Iš šios ląstelės gaminasi kraujo ląstelės. Epidermio kamieninė ląstelė pradėta tirti vėliau. Tik palyginti neseniai žmonės ėmė tyrinėti embrionines ląsteles“, – priduria M. de Luca.

Vienintelė kamieninė ląstelė, galinti virsti bet kuriuo kūno audiniu natūraliomis sąlygomis, yra embrioninė. Kai į moterišką lytinę ląstelę – kiaušiąlastę – patenka spermatozoidas, ji apvaisinama ir ima dalytis. Po kelių dienų susiformuoja blastocista, kurioje yra embrioninių kamieninių ląstelių sankaupa.

Tai – vadinamosios pluripotentinės kamieninės ląstelės. Būtent iš jų formuojasi visi būsimo individo audiniai ir organai. Tokias ląsteles iš principo galima paversti bet kokia kita kūno ląstele. Tačiau embrionui vystantis ląstelės sparčiai specializuojasi ir praranda arba „užmiršta“ unikalią savybę pavirsti bet kuria kita ląstele.

„Kiekvienas audinys, ypač audinys, kuris dažnai atsinaujina, turi somatinių kamieninių ląstelių. Pavyzdžiui, mūsų kraujas atsinaujina, regeneruojasi kas tris mėnesius, oda – kas mėnesį. Mes per mėnesį visiškai pakeičiame savo odą. Ragena atsinaujina per šešis–septynis mėnesius. Embrioninės kamieninės ląstelės gali pavirsti bet kokiu audiniu, o somatinės kamieninės ląstelės atkuria tik tos rūšies ląsteles, kur jos yra“, – sako biochemikas.

Taigi norint išauginti neuronus, tą galima padaryti tik iš embrioninių kamieninių ląstelių. Neįmanoma jų išauginti, tarkime, iš kamieninių kraujo ląstelių. Tiesa, 2015 metų gegužę pranešta, jog Kanados mokslininkų grupei visgi pavyko kraujo ląsteles paversti centrinės ir periferinės nervų sistemos neuronais.

„Klinikinėje praktikoje šiuo metu kol kas naudojamos tik kraujo kamieninės ląstelės. Jos išskiriamos iš kaulų čiulpų ir naudojamos leukemijai gydyti. Ir epitelio ląstelės, ką jau esu minėjęs. Dabar pasaulyje atliekami keli klinikiniai tyrimai, naudojant embrionines kamienines ląsteles. Jos skatinamos diferencijuotis į vieną ar kitą audinį. Taip galima išauginti neuroną, raumenį ar dar ką nors. Ir tuomet jas naudoti gydymui. Tačiau kol kas atliekami tik pirmosios ir antrosios stadijos klinikiniai tyrimai tinklainei ir Parkinsono ligai gydyti“, – pasakoja M. de Luca.

Trečiasis kamieninių ląstelių tipas, kuriuo galime naudotis, vadinamas indukuotomis pluripotentinėmis kamieninėmis ląstelėmis. Jas sukūrė japonų mokslininkas Shinya Yamanaka, už tai kartu su britu Johnu Gurdonu 2012 metais pelnęs Nobelio premiją.

Tai yra perprogramuotos somatinės, arba suaugusios odos ląstelės – fibroblastai, paversti į ląsteles, panašias i embrionines kamienines ląsteles. Jos Japonijoje naudojamos tinklainės atkūrimo gydymo klinikiniuose tyrimuose.

„Galima padidinti įvairių somatinių perprogramavimo efektyvumą, naudojant epigenetikos metodus, pavyzdžiui, DNR metilinimą ir demetilinimą. Tačiau iš esmės naudojami genetiniai perprogramavimo metodai. Mes žinojome tai anksčiau. Septintame XX a. dešimtmetyje mokslininkas Johnas Gurdonas sugebėjo išauginti varles, perprogramavęs somatinės ląstelės branduolį. Paėmęs suaugusios odos ląstelės branduolį, jis įkėlė jį į moteriškos lytinės ląstelės – ovocito – citoplazmą. Ovocitas visiškai perprogramavo odos ląstelės branduolį ir implantavus tokią ląstelę į varlę, gimė varlės“, – laidai „Mokslo ekspresas“ pasakoja M. de Luca.

Shinya Jamanaka pasielgė kitaip. Jis surado, kurie embrioninės ląstelės genai gali perprogramuoti somatinę ląstelę ir paversti ją pluripotentine – t.y. sugrąžinti į embrioninę būseną. Paaiškėjo, jog pakanka įvesti keturis genus. Tačiau tokios ląstelės gan lengvai gali virsti ir vėžinėmis. Be to, jos greičiau sensta. Gamtą vis dar sunku sutramdyti.

„Perprogramuoti galima beveik visas ląsteles. Epidermio, odos ląsteles. Limfocitus, neuronus. Tačiau reikia būti atsargiam – tai perprogramavimas. Tai ne plastiškumas. Kitais žodžiais tariant, jeigu paimsime kamienines odos ląsteles ir įkelsime jas į smegenis – jos nepavirs smegenų ląstelėmis“, – aiškina mokslininkas.

Tačiau genetiškai modifikavus epidermio kamienines ląsteles, įkėlus perprogramavimo genus, galima gauti panašias į embrionines kamienines ląsteles. Vienoje iš laidų kalbėjome apie naujausią ir labai efektyvų genomų redagavimo metodą CRISPR. Jis irgi turėtų mokslininkams palengvinti somatinių ląstelių transformaciją.

„Tai – metodas, kuriuo galima atlikti genų montažą. Pavyzdžiui, pakoreguoti genų defektus, išmesti kai kuriuos genus. Naudojant genų rekombinacijos metodus, galite įvesti genus į reikiamas genomo vietas. Tai metodas genetiškai modifikuoti genomą, kuris gali būti ateityje naudojamas daugelyje sričių. Ne tik fundamentiniuose tyrimuose, bet ir gydant įvairias genetines ligas“, – aiškina M. de Luca.

Viena yra embrionines kamienines ląsteles paversti neuronais. Antra – tai galimybė panaudoti perprogramuotas kamienines ląsteles, paverčiant jas neuronais. Italijos mokslininkai savo gydymo procedūrose irgi naudoja odos arba ragenos kamienines ląsteles.

„Nusideginus odą arba pažeidus akis, netenkame epidermio dėl fizinio jo suardymo. Netenkame su visomis jame buvusiomis kamieninėmis ląstelėmis. Tačiau netgi tokiu atveju pažeidimo vietoje lieka šiek tiek odos. Taip pat ir akyje. Tokiu atveju galime paimti nedidelę biopsiją iš nesunaikintos odos arba akies zonos, kur dar yra likusių kamieninių ląstelių, ir laboratorijoje padauginti tų ląstelių. Iš jų išauginami odos arba ragenos gabalėliai, kuriuos vėliau galime implantuoti pažeistoje paciento kūno vietoje“, – sako M. de Luca.

Transplantacijai naudojamos tik autologinės – pacientų – ląstelės, kadangi donorų ląsteles organizmas paprastai atmeta. Šis Europoje pripažintas gydymo metodas pavadintas HOLOCLAR terapija. Jis naudojamas jau 15 metų, juo išgydyta beveik 350 pacientų.

„Šį metodą, kurį iš pradžių taikėme vienoje ligoninėje, pavertėme produktu, kuris dabar jau yra visuotinai pripažintas gydymo metodas. Visos šios ląstelių kultūros yra vaistai. Jeigu norite šį vaistą naudoti, reikia jį užregistruoti Europos medicinos agentūroje Londone. Mes tai padarėme ir gavome patvirtinimą. Tai pirmasis formalus kamieninių ląstelių terapija pagrįstas gydymo produktas, aprobuotas Europoje“, – pasakoja M. de Luca.

Lietuvoje klinikiniai darbai su kamieninėmis ląstelėmis prasidėjo 1999 metais, atlikus pirmąsias kaulų čiulpų transplantacijas. Iš vieno paciento paimtos kamieninės ląstelės buvo sėkmingai perkeltos kitam žmogui. Taip pavyko atkurti paciento kraujodaros sistemą.

„Ši sritis plačiai vystosi ir Lietuvoje. Jau yra susikūręs kamieninių ląstelių tyrimų branduolys, į kurį įeina Santariškių ligoninė, Inovatyvios medicinos centras, kompanija „Biotechpharma“ ir Kamieninių ląstelių tyrimų centras, kurie atlieka įvairius tyrimus su kamieninėmis ląstelėmis. Su mezenchiminėmis kamieninėmis ląstelėmis ir su kaulų, riebalinio audinio ląstelėmis ir įvairių kitų ląstelių tipais“, – pasakoja biochemikas dr. Algirdas Žiogas.

Siekiama kamienines ląsteles pritaikyti įvairioms ligoms gydyti. Pavyzdžiui, atkurti infarktą patyrusios širdies funkcijas, kitus organus. Ląstelės išskiriamos iš įvairių žmogaus audinių. Tačiau jeigu iš vienos embrioninės kamieninės ląstelės galima išauginti visus 220 žmogaus ląstelių tipų, iš mezenchiminių įmanoma gauti tik 3–4 tipus: kaulinio, kremzlinio arba riebalinio audinio ląsteles. Yra duomenų, kad iš danties pulpos mezenchiminių ląstelių galima išauginti neuronus ir tie darbai sėkmingai vystomi Inovatyvios medicinos centre.

„Taip pat yra ląstelės, išskiriamos iš riebalinio audinio, arba ląstelės, išskiriamos iš širdies. Šiuo atveju galime paimti ląsteles, kurios galėtų duoti pradžią tiek raumeniniam audiniui, tiek kraujagyslėms. Būtent ši sritis labai svarbi, kadangi pasaulyje kas 30 sekundžių nuo infarkto miršta vienas žmogus. Norint tokiems žmonėms padėti, kuriamos technologijos, kad pasitelkus kamienines ląsteles atstatyti pažeistą audinį“, – „Mokslo ekspresui“ pasakoja A. Žiogas.

Mūsų šalyje, kurioje taip pat atliekamos širdies transplantacijos ir kitos širdies operacijos, tokie darbai išgelbėtų ne vieno paciento gyvybę. Mokslininkai dirba dviem pagrindinėmis kryptimis, naudodami dvi strategijas.

„Mūsų organizme yra tokių kamieninių ląstelių. Tereikia išmokti jas pritraukti į pažeidimo vietą, kad atsistatytų širdies raumuo arba kraujotaka. Kita kryptis – galime išskirti tas kamienines ląsteles, jas padauginti ir tokiu būdu jas įvesti pacientui“, – tikina A. Žiogas.

Neseniai žurnaluose „Science” ir „Nature“ buvo paskelbta, jog kamieninės ląstelės atrastos ir širdyje. Tai buvo įrodyta, išradingai panaudojus radioaktyviosios anglies datavimo metodą. Kaip žinia, jis naudojamas archeologijoje, nustatant iškasenų kilmę. Poligonuose sprogdinant atomines bombas Šaltojo karo metais, į atmosferą išsiskirdavo nemažai radioaktyviojo anglies izotopo.

Tuo metu gimę žmonės šio izotopo turi daugiau nei kiti. Atliekant tyrimus su tokių „pažymėtų” žmonių širdies ląstelėmis paaiškėjo, kad jų širdyje yra ir naujai susiformavusių kardiomiocitų.

„Mūsų širdyje iki 25 metų amžiaus kasmet atsinaujina vienas procentas ląstelių. Senstant tie procesai labai sulėtėja. Todėl atsinaujina tik 0,25 proc. Tai yra tas potencialas, kurį galime panaudoti. Žinodami, kad yra tokios ląstelės, suprasdami jų biologiją ir funkcijas, galime bandyti tas ląsteles pritraukti į širdies pažeistą vietą ir tokiu atveju tos širdies ląstelės galėtų atstatyti pažeistą širdies audinį“, – aiškina A. Žiogas.

Kiekvienas kamieninių ląstelių tyrimų klasterio narys gali naudotis naujojo kamieninių ląstelių tyrimo centro infrastruktūra. Taip pat planuojama sukurti audinių banką. Pavyzdžiui, virkštelės kraujo ar kito audinio ląstelės bus užšaldomos ir naudojamos įvairioms ligoms gydyti. Kamieninės ląstelės bus dauginamos tokiuose bioreaktoriuose. Numatomi ir bendri darbai su užsienio kompanijomis, atliksiančiomis klinikinius tyrimus Lietuvoje.

„Šiuo metu galime bioreaktoriuose jau užauginti daug ląstelių ir jas suleisti žmogui. Tačiau jeigu tos ląstelės nebus aprūpinamos maisto medžiagomis, neturėsim kraujagyslių, audinys neišgyvens. Todėl kai kurie mūsų darbai remsis tyrimais, susijusiais su kraujagyslių veiklos atstatymu ir tų ląstelių, kurios gali formuoti naujas kraujagysles, tyrimais, analize“, – tikina A. Žiogas.

Ši sritis svarbi ne tik regeneratyvinėje medicinoje. Supratus, kaip kamieninės ląstelės formuoja kraujagysles, tikimasi sukurti veiksmingą vėžinių susirgimų gydymo metodą. Mat piktybiniai augliai sugeba susikurti kraujagyslių sistemą, kuri šį svetimkūnį aprūpina krauju. Naujų kraujagyslių formavimo procesus mokslininkai tiria, naudodami viščiuko gemalą.

Prieš tris dienas apvaisinto kiaušinio turinį išleidus į lėkštelę, embrionas vystosi toliau. Maisto medžiagas jis gauna iš trynyje sukauptų medžiagų per besiformuojančias kraujagysles. Jas veikiant įvairiomis biologiškai aktyviomis medžiagomis ar netgi ląstelėmis, mėginama suprasti ir valdyti kraujagyslių formavimosi procesą.

Mokslininkai jau gali išauginti daug audinių. Odą, rageną, kraują. Laboratorijoje išauginami kremzliniai audiniai, kaulai, raumenų fragmentai. Iš embrioninių ląstelių išauginamos įvairios raumenų ląstelės, įskaitant mioblastus, taip pat ir neuronai. Tačiau kol kas sudėtinga atkurti sudėtingo audinio arba organo trimatę struktūrą.

„Pakeisti kraują, atkurti jį palyginti nesunku. Pakeisti odą irgi palyginti paprasta, nes pakanka ją transplantuoti. Deja, kuo audinys labiau sudėtingas, tuo sunkiau jį atkurti. Kraujas yra skystis – tai lengva. Epidermis iš esmės yra dvimatis audinys, laminatas. Mes gana daug žinome apie odos ir kraujo kamienines ląsteles. Tačiau įsivaizduokite, kiek daug ląstelių tipų sudaro širdies raumens audinį. Ten ne tik miocitai, ten yra ir ląstelės, perduodančios elektros impulsą, jungiamasis audinys ir panašiai“, – teigia A. Žiogas.

Tačiau mokslininkams išradingumo netrūksta. Pastaruoju metu, mėgindami išauginti arba atkurti kurį nors organą, jie tam panaudoja sugedusį.

„Antai paima organą, suardo visas jo ląsteles ir taip gauna natūralų organo karkasą. Tuomet jie mėgina iš naujo jį apauginti arba užpildyti naujomis ląstelių rūšimis, kurios sudaro tą organą. Jeigu norite paklausti, ar tai bus naudojama klinikoje kaip būdas atnaujinti, naujai atkurti širdį arba inkstą, sakyčiau, kad ne. Kita vertus, jeigu mes prieš trisdešimt metų būtume pasakę, kad galėsime išauginti odos arba ragenos fragmentus, žmonės būtų iš mūsų pasijuokę. Tačiau mes tą padarėme“, – priduria A. Žiogas.