Znajdź zawartość

Wzrost częstości złamań poroża hiszpańskich jeleni w 2005 r. naprowadził naukowców z Uniwersytetu Kastylii-La Manczy na trop nowej hipotezy dotyczącej osteoporozy. Głosi ona, że niedobór manganu nie pozwala na wchłanianie wapnia, by wysycić nim kości (Frontiers of Bioscience). Zespół z Instytutu Badawczego Zasobów Łowieckich - w którego pracach uczestniczą m.in. biolodzy z Uniwersytetu Kastylii-La Manczy - sugeruje, że powodem osteoporozy jest nie tyle niedobór wapnia, co brak pierwiastka istotnego dla jego wchłaniania, zwłaszcza manganu. W takim ujęciu braki wapniowe są skutkiem, nie przyczyną choroby. Na podstawie analiz stanu poroża wysnuliśmy hipotezę, że gdy ludzki organizm absorbuje za mało manganu lub gdy trafia on z kośćca do potrzebujących go narządów, np. do mózgu, ekstrahowany w tym czasie [z pokarmu] wapń nie jest prawidłowo wchłaniany i ulega usunięciu wraz z moczem - tłumaczy Tomás Landete. "Porożopochodna" teoria przejdzie jeszcze niezbędne testy, ale już teraz trzeba przyznać, że brzmi rozsądnie. Kiedy przed 7 laty jelenie zaczęły częściej łamać rogi, okazało się, że uległy one osłabieniu przez niedobory manganu w diecie zwierząt. Zima była wtedy wyjątkowo chłodna, przez co zestresowane rośliny, którymi żywią się jelenie, włączyły do swoich tkanek mniej manganu. Rogi rosną w wyniku przetransferowania do nich 20% wapnia z kości. Jest zatem jasne, że to nie niedobór Ca, ale deficyt manganu osłabił poroże. Landete porównuje mangan do kleju przechwytującego wapń. Hiszpanie założyli, że gdy człowiekowi chorującemu na osteoporozę brakuje manganu, mogą się rozwijać choroby neurodegeneracyjne, np. parkinsonizm i alzheimeryzm (mózg nie ma skąd czerpać Mn). By mieć pewność, że tak się właśnie dzieje, zbadali 113 pacjentów, operowanych w latach 2008-2009 w Hospital de Hellín z powodu osteoporozy (45) i zwyrodnienia stawów (68). Okazało się, że wśród operowanych z powodu osteoporozy u 45% nastąpiła degeneracja mózgu. Nie stwierdzono jej u nikogo z chorobą zwyrodnieniową stawów. Odsetek nieprawidłowości rósł z wiekiem, ale znowu wyłącznie u osób z pierwszej grupy. Wg Hiszpanów, deficyt manganu można połączyć również z parkinsonizmem, ponieważ astrocyty, których wypustki stanowią zrąb dla układu nerwowego, wykorzystują enzymy zawierające właśnie mangan.

Zdaniem Rafała Oszwaldowskiego i Igora Zutica z University of Bufallo oraz Andre Petukhowa z South Dakota School of Mines and Technology, magnetyzm w najmniejszej skali podlega nieco innym zasadom niż nam się wydaje. Uczeni opublikowali w Physical Review Letters artykuł, w którym prezentują wyliczenia dowodzące, że możliwe jest stworzenie kropki kwantowej o zaskakujących właściwościach. Magnetyzm materiału jest określany przez spin elektronów. Jeśli w materiale spin większości z nich zwrócony jest w tę samą stronę, materiał posiada właściwości magnetyczne. Elektrony mogą też działać jak „magnetyczni posłańcy", którzy za pomocą własnego spinu wpływają na spin pobliskich atomów. Według obecnego stanu wiedzy, jeśli spotkają się dwa elektrony o przeciwnych spinach, to ich wpływ na otoczenie będzie się znosił. Wspomniani powyżej naukowcy twierdzą jednak, że nie wygląda to tak prosto. Ich zdaniem w kwantowych kropkach można zaobserwować pewien szczególny rodzaj magnetyzmu pojawiający się w obecności elektronów o przeciwnym spinie. W swoim artykule opisali oni teoretyczną kropkę kwantową zawierającą dwa elektrony o przeciwnych spinach oraz atomy manganu umieszczone w ściśle określonych miejscach kropki. Elektrony będą tam działały jak „magnetyczni posłańcy", wpływając na spin pobliskich atomów. Z wyliczeń Oszwaldowskiego, Zutica i Petukhova wynika, ze oba elektrony będą w odmienny sposób działały na atomy. Jeden z nich będzie bowiem preferował lokalizację na środku kropki, a drugi na jej obrzeżach. To spowoduje, że atomy manganu znajdujące się w różnych częściach kropki będą podlegały różnemu wpływowi. Ten elektron, który będzie na atomy wpływał silniej „wygra" i dostosuje ich spin do swojego, dzięki czemu kropka nabierze właściwości magnetycznych. Igor Zutic zauważa, że jeśli obliczenia się potwierdzą, to całkowicie zmienią naszą wiedzę o interakcjach magnetycznych. Uczony dodaje: gdy mamy dwa elektrony o przeciwnych spinach, założenie jest takie, że pomiędzy nimi będzie istniała równowaga, a zatem żadna magnetyczna wiadomość czyli żadne siły nie wpłyną na spin pobliskich atomów manganu. Ale naszym zdaniem tam zachodzi walka. Podstawowe zasady magnetyzmu są dla nas wciąż tajemnicą i skrywają wiele niespodzianek. Wyliczeniami już zainteresowali się fizycy z University of Bufallo, którzy chcieliby przeprowadzić odpowiednie eksperymenty. Twierdzenia Oszwaldowskiego, Zutica i Petukhova, o ile się potwierdzą, mogą mieć olbrzymi wpływ na spintronikę oraz te działy nauki i gospodarki, które wykorzystują właściwości magnetyczne - z więc na obrazowanie medyczne, elektronikę czy budowę laserów.

Naukowcy z australijskiego Monash University we współpracy z uczonymi z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis wpadli na trop odkrycia, które może pozwolić na opracowanie taniego i prostego sposobu rozkładu wody na tlen i wodór. To pozwoliłoby na pozyskiwanie wodoru i wykorzystywanie go jako paliwa. Profesor Leone Spiccia z Monash mówi, że celem badań było znalezienie sposobu na tani rozkład wody na tlen i wodór przy użyciu energii słonecznej. Uczeni zaczęli szczegółowo badać różne techniki katalizy, chcąc jak najlepiej naśladować procesy wykorzystywane przez rośliny. Wówczas zauważyli, że być może istnieje prostszy sposób. Najtrudniejszym elementem pozyskiwania paliwa z wody jest rozbicie jej na wodór i tlen. Nasz zespół opracował ogniwo korzystające z katalizatora bazującego na manganie i, jak się wydaje, odkrył w ten sposób odpowiednią metodę. Okazało się, że całą pracę wykonuje birnezyt [jeden z tlenków manganu - red.]. Podobnie jak inne elementy ze środka tablicy okresowej, mangan może istnieć w wielu stopniach utlenienia. W tym przypadku odpowiadają one liczbie atomów tlenu, z którymi może być połączony atom metalu - mówi Spiccia. Gdy do ogniwa podłączyliśmy napięcie elektryczne, doszło do rozbicia wody na tlen i wodór, a gdy naukowcy przyjrzeli się całemu procesowi za pomocą zaawansowanych metod spektroskopowych okazało się, że mangan rozłożył się na znacznie prostszy materiał zwany birnezytem. Jest on dobrze znany geologom jako czarny nalot na wielu skałach - dodaje uczony. Podczas całego cyklu mangan przechodzi na zmianę w dwa stopnie utlenienia. Najpierw za pomocą prądu elektrycznego zmienia się z manganu(II) w mangan(IV) w birnezycie. Następnie pod wpływem promieni słonecznych powraca do manganu(II). Dzięki tej przemianie manganu dochodzi do utlenienia wody oraz produkcji gazowego tlenu, protonów i elektronów. Doktor Rosalie Hocking, która brała udział w badaniach, mówi, że tak może wyglądać naturalny biogeologiczny cykl obiegu manganu w oceanach, a to z kolei może pomóc nam zrozumieć procesy zachodzące w roślinach, które wykorzystują właśnie mangan. Naukowcy czynili olbrzymie wysiłki w kierunku stworzenia bardzo skomplikowanych molekuł zawierających mangan, by naśladować rośliny. Tymczasem okazało się, że chodzi o powszechnie występujący materiał, który jest na tyle trwały, że wytrzymuje intensywne użytkowanie - mówi Hocking. Cała reakcja przebiega w dwóch etapach. Najpierw dwie molekuły wody są utleniane, tworząc molekułę tlenu (O2), cztery protony i cztery elektrony. Następnie protony i elektrony łączą się tworząc dwie molekuły wodoru (H2). Uczeni mają nadzieję, że z czasem ich odkrycie doprowadzi do powstania taniej metody pozyskiwania wodoru.

Hitachi opracowało technologię, która dwukrotnie wydłuża żywotność firmowych akumulatorów litowo-jonowych. Dzięki niej urządzenia będą mogły pracować ponad 10 lat. Okres pracy akumulatorów wydłużono dzięki zastąpieniu części manganu w elektrodzie dodatniej innym - nieujawnionym jeszcze - elementem stabilizującym strukturę krystaliczną elektrody. Ponadto wzbogacono ją też o odporny na działanie kwasu tlenek, który zapobiega przenikaniu manganu do elektrolitu. Japończycy zastrzegają, że na razie nowe akumulatory nie trafią do naszych telefonów komórkowych czy laptopów. Znajdą one zastosowanie przede wszystkim w przemyśle, np. w turbinach wiatrowych czy pojazdach hybrydowych. Hitachi nie kończy na tym pracy nad ulepszaniem akumulatorów. Firma chce ulepszyć ich wydajność poprzez dalsze udoskonalanie konstrukcji elektrody dodatniej oraz zmianę składu elektrolitu.

Przypadkowe odkrycie dokonane na Oregon State University (OSU) rozwiązało problem, z którym ludzkość nie potrafiła poradzić sobie od tysięcy lat. Zarówno starożytni Egipcjanie, jak i Chińczycy czy Majowie szukali sposobu na wyprodukowanie trwałego, bezpiecznego niebieskiego barwnika. Jednak wszystko co wynaleziono, miało poważne wady. Błękit kobaltowy ma działanie rakotwórcze, błękit pruski uwalnia trujący cyjanek, a inne barwniki szybko niszczeją, gdy są wystawione na działanie wysokich temperatur lub kwasów. Teraz udało się znaleźć błękit, który wytrzymuje niezwykle wysokie temperatury i nie blaknie po tygodniowej kąpieli w kwasie. To było przypadkowe odkrycie - mówi profesor Mas Subramanian z Wydziału Chemii OSU. Badaliśmy tlenki manganu, gdyż interesowały nas ich pewne właściwości. Mogą być one bowiem jednocześnie ferromagnetykami i ferroelektrykami. Nasze prace nie miały nic wspólnego z badaniem pigmentów. Pewnego dnia jeden ze studentów wyjął z gorącego pieca próbki. Akurat obok przechodziłem i zobaczyłem, że mają piękny błękitny kolor. Od razu zdałem sobie sprawę z tego, że stało się coś zadziwiającego. Dalsze badania wykazały, że podgrzanie tlenków manganu do temperatury 1200 stopni Celsjusza pozwala na uzyskanie trwałego, bezpiecznego dla człowieka i środowiska, błękitnego barwnika, który jest tani, wytrzymuje wysokie temperatury i oddziaływanie kwasów. Wskutek niezwykle wysokiej temperatury jony manganu zorganizowały się w kształty, które dały błękitny kolor. Nowy pigment może być używany dosłownie wszędzie. Od atramentów dla drukarek, poprzez lakiery samochodowe po farby używane w domach.

Mangan obecny w środowisku człowieka może być korzystny dla zdrowia, ale tylko wtedy, gdy jest rozpylony w powietrzu - uważają naukowcy z Wake Forest University. Co ciekawe, ten sam pierwiastek obecny w wodzie może być z kolei szkodliwy. Ludzie potrzebują manganu w śladowych ilościach, lecz jeśli przyjmie się go zbyt wiele, mangan może być szkodliwy, podsumowuje główny autor studium, dr John Spangler. Prowadzone przez niego badania były pierwszą na świecie próbą określenia wpływu ekspozycji na mangan zawarty w środowisku na organizm człowieka. Obszarem badań prowadzonych przez dr. Spanglera była Karolina Północna. Poziom ekspozycji ludności na mangan, obliczony m.in. dzięki analizie danych geologicznych i epidemiologicznych oraz studiowaniu spisu powszechnego, ustalono indywidualnie dla każdego ze stu hrabstw tego stanu. Jak się okazało, dziesięciokrotny wzrost stężenia manganu w powietrzu wiązał się ze spadkiem liczby zgonów z powodu nowotworów o 8,1 przypadków na 100 tys. mieszkańców stanu. Zwiększenie zawartości tego pierwiastka w wodzie miało jednak przeciwne działanie i powodowało zwiększenie liczby śmiertelnych ofiar nowotworów o 12,1 na 100 tys. mieszkańców. Wpływ manganu zaobserwowano w przypadku kilku najczęściej występujących nowotworów, takich jak rak piersi, płuca czy jelita grubego. Co ciekawe jednak, wszystko wskazuje na to, że ekspozycja na ten pierwiastek nie wpływa na umieralność z powodu raka prostaty. O wynikach studium poinformowało czasopismo Biological Trace Element Research.

Z osadów pobranych z dna Oceanu Spokojnego wyizolowano bakterię, która może przydać się do oczyszczania wody z metali ciężkich. Profesor Geijao Wang i jego zespół z Uniwersytetu Rolniczego Huazhong w Wuhan opisali w czasopiśmie Microbiology wyniki swoich prac nad odmianą Mn32 Brachybacterium. Organizm bardzo efektywnie oczyszcza wodę z manganu, zamieniając go w nierozpuszczalne tlenki manganu. Co więcej, tlenki te absorbują dodatkowy mangan z roztworu. Brachybacterium absorbuje też znaczące ilości cynku i aluminium, którymi często zanieczyszczone są wody w pobliżu miejsc występowania przemysłu ciężkiego. Co prawda tlenki manganu mogą być wytwarzane przemysłowo i używane do absorbowania cynku i aluminium, jednak chińscy naukowcy zauważyli, że tlenki wytwarzane przez bakterię są dwu- i trzykrotnie bardziej skuteczne niż te, wytwarzane rzez człowieka. Dzieje się tak dlatego, że mają inną strukturę krystaliczną i większą powierzchnię, dzięki czemu mogą zaabsorbować więcej jonów metali. Profesor Wang rozpoczyna teraz badania nad Brachybacterium Mn32 w bioreaktorze. Ma nadzieję, że organizm będzie w stanie absorbować też inne metale i przyda się w walce z zanieczyszczeniami.