Znajdź zawartość

Badacze z sześciu ośrodków naukowych w Polsce w ramach konsorcjum BIOG-NET przyglądają się mikroskopijnym glonom – okrzemkom i ich fenomenalnej zdolności do syntezy krzemionki o trójwymiarowej, ażurowej nanostrukturze, aby na bazie tych obserwacji stworzyć innowacyjne biokompozyty do zastosowań m.in. w medycynie i kosmetologii. Na badania 21 mln zł przekazała Fundacja na rzecz Nauki Polskiej w ramach programu TEAM-NET. Nie od dziś wiadomo, że największą i najlepszą bazą pomysłów i rozwiązań na wszelkie kłopoty trapiące ludzkość jest natura. Wśród produktów, które zrodziły się z naśladowania natury są m.in. aerodynamiczne kombinezony imitujące skórę rekina, samooczyszczające się farby elewacyjne o budowie zbliżonej do liści lotosu, budynki wentylowane podobnie jak termitiery czy sztuczne sieci neuronowe wykorzystywane we współczesnej informatyce. W poszukiwaniu rozwiązań dla nowoczesnych technologii bogatym źródłem inspiracji są także mikroorganizmy, a wśród nich okrzemki, budujące pancerzyki z krzemionki o niezwykle złożonej, porowatej nanostrukturze – mówi prof. Bogusław Buszewski z Wydziału Chemii Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu, który jest kierownikiem projektu naukowego BIOG-NET. Okrzemki to jednokomórkowe algi, występujące na całej kuli ziemskiej, we wszystkich środowiskach wodnych, także na lodzie i śniegu. Ich krzemionkowe pancerzyki mają średnicę około 10 mikrometrów czyli jednej setnej milimetra. Chociaż są tak mikroskopijne, mają bardzo ciekawą, porowatą strukturę, a ich powierzchnia jest pofałdowana i pocięta licznymi szczelinami. Ta ażurowość jest cechą, która najbardziej fascynuje naukowców i inżynierów. Dzięki niej, szkielety okrzemek można potraktować jako doskonały punkt wyjścia do opracowania nowej generacji nanomateriałów krzemionkowych, biokompatybilnych z organizmami żywymi. Ponadto, mogą one spełniać rolę „pudełka” lub „magazynu” dla biologicznie aktywnych substancji, uwalnianych w zależności od potrzeb i przeznaczenia. Kilka ośrodków naukowych na świecie próbowało już wykorzystać okrzemki jako nośniki leków. Lecznicze opatrunki jutra Naszym nadrzędnym celem jest stworzenie innowacyjnych kompozytów nanokrzemionkowych. Chcemy wykorzystać szkielety określonych gatunków okrzemek i modyfikować je za pomocą różnych metali – np. rutenu czy srebra – aby nadać im zupełnie nowe, unikalne właściwości. Jednym z przewidywanych przez nas zastosowań tych biokompozytów są nowoczesne opatrunki, posiadające zdolności chłonne bądź też uwalniające określone substancje lecznicze. Opatrunki takie mogą być wykorzystywane w leczeniu trudno gojących się ran, odleżyn lub infekcji skórnych – tłumaczy prof. Bogusław Buszewski. Aby jednak doszło do stworzenia takich opatrunków, najpierw konieczne jest opracowanie warunków do wydajnej hodowli okrzemek, zaawansowane, precyzyjne obrazowanie i modelowanie ich struktur powierzchniowych, i dopiero funkcjonalizowanie, czyli modyfikowanie pozyskanych od mikroorganizmów nanostruktur krzemionkowych. Dlatego w projekt BIOG-NET zaangażowanych jest aż sześć ośrodków naukowych. Oprócz Wydziału Chemii UMK w Toruniu są to: Wydział Nauk o Ziemi Uniwersytetu Szczecińskiego, Wydział Mechaniczny Politechniki Białostockiej, Wydział Chemii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Wydział Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej oraz Wydział Biologii i Biotechnologii Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie. Zadania badawcze wszystkich placówek pozostają w ścisłej synergii, a tak szeroka współpraca jest ponadto gwarantem otrzymania wiarygodnych i powtarzalnych rezultatów o najwyższej jakości. Naukowcy mają nadzieję na szybką komercjalizację opracowanych przez nich funkcjonalizowanych nanomateriałów krzemionkowych, gdyż partnerem strategicznym projektu BIOG-NET są Toruńskie Zakłady Materiałów Opatrunkowych. Zainteresowanie naszymi badaniami przejawiają też firmy farmaceutyczne, producenci suplementów diet i chemii gospodarczej. Inną możliwością jest zastosowanie wyników naszych prac w szeroko pojętej kosmetologii – podkreśla prof. Buszewski. Stąd partnerami przemysłowymi są również firmy Sygnis czy AdvaChemLab. « powrót do artykułu

"Ptaki" Hitchcocka dawno już stały się klasyką kina, ale dopiero teraz udało się wyjaśnić, czemu w 1961 r. mewy dokonywały samobójczych lotów na okna domów w kalifornijskiej zatoce Monterey (podobno te właśnie zdarzenia w dużej mierze zainspirowały reżysera). Osiemnastego sierpnia 1961 r. w jednej z kalifornijskich gazet alarmowano, że tysiące oszalałych burzyków szarych bombardują brzegi północnej części zatoki Monterey, zwracając przy tym sardele. Hitchcock widział jeden z takich incydentów, który zadziałał na jego żywą wyobraźnię. Wg biologów z Uniwersytetu Stanowego Luizjany, ptaki uległy zatruciu. Naukowcy, których artykuł ukazał się w piśmie Nature Geoscience, przeprowadzili sekcje padłych przed półwieczem mew, burzyków i żółwi. Badali zawartość żołądków tych zwierząt. Stwierdzono duże ilości kwasu domoikowego - neurotoksyny uszkadzającej struktury ośrodkowego układu nerwowego. Ponieważ aminokwas ten jest produkowany przez morskie mięczaki i okrzemki, kumuluje się w organizmach m.in. sardeli i kałamarnic, którymi żywią się ptaki morskie. Uszkadzając mózg (a zwłaszcza hipokampa), kwas domoikowy może w skrajnych przypadkach doprowadzać do dezorientacji. Niekiedy zatrucie kończy się też śmiercią. Jak wylicza Sibel Bargu, kwas domoikowy wykryto w 79% planktonu zjedzonego przez sardele i kałamarnice. W krótkim czasie neurotoksyna mogła zostać na tyle skoncentrowana, by uśmiercić stworzenia z kolejnych szczebli łańcucha pokarmowego. Pani Bargu podkreśla, że choć już wcześniej wspominano o zatruciu ptaków, dotąd nie udawało się zdobyć na to dowodów. My pokazaliśmy próbki planktonu z zatrucia z 1961 r. [na co dzień są one przechowywane w Scripps Institution of Oceanography], w których znalazły się wytwarzające neurotoksynę okrzemki Pseudo-nitzschia [...]. W 1991 r. na tym samym obszarze podobnemu zatruciu uległy pelikany brunatne. W żołądkach stanowiących podstawę ich diety ryb odkryto duże ilości okrzemek Pseudo-nitzschia i kwasu domoikowego. Uprawdopodobniało to hipotezę, że ten sam los spotkał 30 lat wcześniej burzyki, mewy i innych nieszczęśników. Poszukując bezpośredniej przyczyny zakwitów, naukowcy dywagują, że może chodzić o pestycydy, niewykluczone też, że na przeżywającym budowlany boom terenie doszło (i dochodzi) do wycieku z szamb.

Czemu żywiące się fokami orki (typ B) odbywają błyskawiczne podróże z Antarktyki do wód tropikalnych? Naukowcy z NOAA uważają, że cieplejsze wody pozwalają na szybszą regenerację skóry i oczyszczenie jej z powłoki różnych organizmów, w tym glonów. Walenie przemieszczają się tak szybko [z prędkością ponad 12 km/h, czyli 6,5 węzła] i bezpośrednio do celu, że jest mało prawdopodobne, by chodziło o żerowanie czy poród. Sądzimy, że wędrówki mają na celu regenerację tkanki skórnej w gorętszych środowiskach z mniejszą utratą ciepłoty ciała - wyjaśnia John Durban. Co więcej, tego typu ruchy są asezonowe i rozpoczynają się zwykle między lutym a kwietniem. Biolodzy zwracają uwagę, że w wodach antarktycznych orki są pokryte żółtawym nalotem z okrzemek. Po powrocie z tropików go nie ma, co świadczy o tym, że ssaki pozbyły się wierzchniej warstwy naskórka. Telemetria satelitarna pozwoliła udokumentować pierwszą znaną długodystansową wyprawę orek (lepiej znane są migracje humbaków czy płetwali błękitnych). Biolodzy otagowali podczas żerowania w pobliżu Półwyspu Antarktycznego aż 12 orek, ale w podróż wybrała się tylko połowa. Pięć nadajników odnotowało konsekwentne przemieszczanie się ku wodom tropikalnym u wybrzeży Brazylii i Urugwaju (30–37°S). Temperatura wód powierzchniowych zmieniała się w zakresie od -1,9 do 24,2°C. Naukowcy podają przykład jednego osobnika, który trasę Antarktyka-Brazylia-Antarktyka pokonał w zaledwie 42 dni. Amerykanie uważają, że zgromadzili dowody na istnienie migracji w celu podtrzymania dobrego stanu fizjologicznego, a więc do czegoś na kształt ludzkiego SPA. Orki dopływały ze sporą prędkością do granicy tropików i zawracały, kierując się prosto do Antarktyki - podsumowuje Robert Pitman, drugi z autorów studium opublikowanego w piśmie Biology Letters.

Zmiany klimatyczne zagrażają Bajkałowi, który jest największym i najbardziej zróżnicowanym biologicznie jeziorem świata. Analizy rosyjsko-amerykańskiego zespołu wskazują, że skrócenie okresu, kiedy tafla syberyjskiego niby-morza pokrywa się lodem, negatywnie wpływa na duże endemiczne okrzemki, a te stanowią początek łańcucha pokarmowego (BioScience). Marianne V. Moore z Wellesley College w Massachusetts i pozostali autorzy raportu podkreślają, że klimat jeziora stał się w ciągu ostatnich dekad łagodniejszy. Grubość lodu na Bajkale zmalała, a okres, gdy wód nie skuwa mróz, się wydłużył. Oczekuje się, że roczne opady wzrosną. Naukowcy wskazują też, że zmienił się skład łańcucha troficznego. Skrócenie okresu zamarzania ograniczy najprawdopodobniej wzrost jeziornych okrzemek, ponieważ w odróżnieniu od swoich "pobratymców", zakwitają one wiosną pod lodem. Okrzemki są głównym źródłem pożywienia niewielkich skorupiaków, a te z kolei padają łupem bajkalskich ryb. Poza tym na losy skorupiaków mogą, wg międzynarodowego zespołu, wpłynąć zmiany wzorców opadów rocznych, dynamiki wiatrów oraz dotyczące przezroczystości lodu. Foka bajkalska, jedyna na świecie słodkowodna foka, kopuluje i rodzi na lodzie. Przedwczesne jego topnienie spowoduje, że ssaki te trafią do wody przed linieniem, co znacznie ograniczy ich płodność. Jezioru wpisanemu na Listę Światowego Dziedzictwa Kulturowego i Przyrodniczego UNESCO bezpośrednio zagraża ocieplenie i zwiększenie wilgotności klimatu. Nie mniej niebezpieczny jest jednak nasilony dopływ składników odżywczych i zanieczyszczeń z rozpuszczającej się wiecznej zmarzliny.

Choć metody wytwarzania ogniw słonecznych są coraz lepsze, inżynierowie wciąż nie radzą sobie z wieloma czynnikami utrudniającymi ich produkcję. Aby udoskonalić wytwarzane przez siebie panele, sięgają więc po naprawdę nietypowe sposoby. Najnowszym z nich jest wykorzystanie... okrzemek, czyli bardzo pospolitych glonów. Charakterystyczną cechą budowy okrzemek jest sztywna ściana komórkowa zbudowana z ditlenku krzemu (krzemionki). Mogłoby się więc wydawać, że jest to zwykły zmineralizowany pancerzyk, ale nic bardziej mylnego! Ta niepozorna struktura to w rzeczywistości miniaturowe dzieło biologicznej "inżynierii", posiadające unikalne właściwości optyczne, mogące znacząco ułatwić produkcję ogniw słonecznych. Na pomysł wykorzystania mikroorganizmów do wytwarzania ogniw wpadli naukowcy z Uniwersytetu Stanu Oregon, kierowani przez prof. Grega Rorrera. Planują oni stworzenie ogniw, w których dochodzi do "uwięzienia" fotonów światła i pochłonięcia znacznej ilości energii podczas ich odbić wewnątrz innowacyjnej struktury. Do produkcji paneli wykorzystuje się płyty szklane, które zostają umieszczone w zbiorniku wypełnionym okrzemkami. Po pewnym czasie glony osiadają na gładkiej powierzchni i przylegają do niej. Następnym etapem jest usunięcie materii organicznej (a więc wszelkich struktur komórkowych) bez naruszania krzemionkowych skorupek. Gdy jedyną pozostałością po okrzemkach jest ditlenek krzemu, płyty przenosi się do roztworu z zawieszonymi drobinami tytanu. Za pomocą specjalnego środka utlenia się go do ditlenku tytanu (TiO2), który osiada na porowatej powierzchni krzemionkowych skorupek. Pełni on funkcję półprzewodnika i działa podobnie jak w standardowych ogniwach, lecz dzięki wyjątkowemu ukształtowaniu podłoża fotony światła mogą wielokrotnie odbijać się i przetwarzać większą część własnej energii na energię elektryczną wytwarzaną przez ogniwo. Wydajność ogniwa jest wyższa od większości znanych obecnie rozwiązań. Co więcej, do jego wytwarzania nie jest wymagane stosowanie agresywnych i niebezpiecznych dla środowiska chemikaliów, koniecznych podczas produkcji standardowych ogniw słonecznych. Jak przyznaje prof. Rorrer, przemiany fizyczne zachodzące pod tytanową powierzchnią nie zostały jeszcze dokładnie poznane. Wiele wskazuje jednak na to, że sekretem skuteczności wynalazku jest wnikanie ditlenku tytanu do wnętrza porowatej struktury krzemionki. Pozwala to na przechwytywanie nie tylko tych fotonów, które odbijają się od powierzchni szklanej płyty, lecz także tych, które przeniknęły głębiej. Niestety, autorzy nowoczesnych ogniw nie poinformowali, kiedy mogłyby one trafić na rynek.

Okrzemki, jednokomórkowe glony zamieszkujące wody całej kuli ziemskiej mogą zostać użyte do produkcji ekologicznych, tanich opalizujących kosmetyków, farb oraz holograficznych elementów zabezpieczających. Zespół profesora Andrew Parkera z Oxford University uważa, że możemy wykorzystać sposób, w jaki okrzemki reagują ze światłem. Wyjątkowe, opalizujące właściwości okrzemków wynikają z faktu, iż są one przykryte pancerzykiem z krzemionki. Każdy z takich pancerzyków składa się z całego szeregu otworów, zwanych strukturami fotonicznymi. Fale światła o pewnych określonych długościach wnikają w te otwory, podczas gdy inne odbijają się od pancerzyka. Gdy przyglądamy się okrzemkom pod różnym kątem, wydają się one zmieniać kolor. W przyrodzie występują tysiące gatunków okrzemków, a ich pancerzyki mają różne właściwości. Profesor Parker poinformował, że wystarczyło do specjalnego roztworu z odżywką wprowadzić kilka okrzemków, by w ciągu doby uzyskać... tonę tego typu organizmów. Okrzemki mnożą się przez podział komórkowy, a jest to bardzo szybki proces. Gdy już wyhodowano odpowiednią liczbę organizmów, podnoszono temperaturę roztworu lub wprowadzano doń słaby kwas, który zabijał organizmy. Uzyskiwano w ten sposób opalizujące pancerzyki. Wystarczyło je następnie wymieszać z przezroczystą farbą, by uzyskać farbę opalizującą. Można w ten sposób uzyskać zarówno opalizujący lakier samochodowy, jak i kosmetyki. Za pomocą pancerzyków okrzemków możliwe jest też tworzenie holograficznych kodów zabezpieczających np. karty kredytowe. Jedynym problemem, nad jakim zastanawiają się naukowcy, jest znalezienie takich substancji odżywczych, które spowodują, że okrzemki wytworzą pancerzyki o takich właściwościach, jakie w danej chwili będą potrzebne. Profesor Parker jest jednak dobrej myśli. Uważa, że w ciągu dwóch lat opracowana przez niego technologia będzie gotowa do zastosowania w przemyśle.