Vai cilvēks var nospiest mikrobus, tiem uzkāpjot?  (1)

Kad tu uzkāp, piemēram, banānam, tas tiek saspiests un saplacināts. Taču, kad uzkāp akmenim, tas savu formu saglabā un nekādi netiek izmainīts. Tas ir skaidrs. Bet kas notiek tad, kad uzkāpjam baktērijām? Vai tās varam saspiest kā banānu?

Mēs esam ķīmijas un bioloģijas inženieri un regulāri strādājam ar mikroorganismiem un šūnām. Taču neviens no mums nav laboratorijā pamēģinājis tos saspiest. Tā kā viens no mums ir ar fiziķa izglītību un pēta mehānisko spēku iedarbību uz bioloģiskiem organismiem, bet otrs nodarbojas ar mikroorganismu gēnu inženieriju, lai radītu jauna veida biodegvielu un citas noderīgas ķimikālijas, nospriedām – par abiem spēsim atbildēt uz šo Raiena jautājumu.

Kas notiek, kad tu kaut kam uzmin ar kāju? Katru reizi, kad objektu spied vai stiep, tu uz šo objektu iedarbojies ar noteiktu spēku. Kāds būs rezultāts – tas ir atkarīgs gan no pieliktā spēka, gan no objekta īpašībām.

Uzminot kaut kam ar kāju, galvenokārt spēku rada tava ķermeņa svars. Būtisks ir arī laukums, uz kādu tiek pielikts spēks. Fizikā spēku uz noteiktu laukuma vienību sauc par spiedienu. Laukums ir ļoti svarīgs faktors – tieši tāpēc mēs pa sniega virsu varam staigāt ar speciālajām sniega kurpēm, bet ar parastajām kurpēm grimtu iekšā.

Spiedienu var aprēķināt, dalot objekta masu ar tā laukumu. Ja pēda ir aptuveni 18 centimetrus gara un 10 centimetrus plata, tad tās virsmas laukums ir 180 kvadrātcentimetri. Ja tu sver 50 kilogramus, tad spiediena spēks (stāvot uz vienas pēdas) būs apmēram 0,28 kilogrami uz kvadrātcentimetru.
Salīdzinājumam – gaisa spiediens jūras līmenī jeb vienas atmosfēras spiediens ir nedaudz vairāk nekā kilograms uz kvadrātcentimetru (1,03 kilogrami uz kvadrātcentimetru). Tātad atmosfēra spiež daudz spēcīgāk nekā tava pēda, liekot soli. Tikai tu šo atmosfēras spiedienu nejūti, jo to palīdz izlīdzināt iekšējais spiediens, ko nodrošina gaiss mūsu organismā.

Tātad. Kas notiek ar baktērijām, kad mēs uzminam tām ar kāju?

Baktērijām ir dažādas formas – sākot no lodveida, līdz pat nūjiņām un spirālēm. Baktēriju šūnām ir sieniņas, kas pasargā želejveidīgo iekšpusi no apkārtējās vides. Cik stipras ir baktērijas šūnu sieniņas un vai tā var izturēt spiediena spēku, kāds rodas, ja tai uzkāpj cilvēks?

Zinātnieki ir pētījuši, cik izturīgas ir baktēriju šūnu sieniņas. Tas darīts vairāku iemeslu dēļ. Piemēram, lai noskaidrotu, vai pakļaušana augstam spiedienam var būt efektīvs veids, kā likvidēt baktērijas. Spiediens tiek izmantots pārtikas ražošanā, lai likvidētu nevēlamās baktērijas tādos produktos kā piens, padarot tos drošus lietošanai uzturā.

Lai izvērtētu, cik stipras ir baktēriju šūnu sieniņas, pētnieki izmantojuši dažādas metodes tā dēvētās izturības robežas noteikšanai. Tā ir viena no materiālu mehāniskajām īpašībām – maksimālais mehāniskais spriegums, kuru materiāls var izturēt, nesabrūkot. Viena no šādām metodēm ir ievietot baktērijas noslēgtā tvertnē un tad tajā strauji pazemināt spiedienu, līdz baktērijas burtiski eksplodē. 1985. gadā veikts pētījums pierādīja, ka salmonellas var izturēt apmēram 105 kilogramus uz vienu kvadrātcentimetru lielu spiedienu. Citā eksperimentā pierādīts, ka augsnē plaši sastopamās Bacillus subtilis šādi spēj izturēt pat 133 kilogramus uz kvadrātcentimetru. Tas ir 400 līdz 500 reižu lielāks spiediens par to, kas rastos, tev ar kāju uzminot zemē esošai baktērijai.

Pamēģināsim citu piemēru. Iedomājies baktēriju, kas ir pietiekami liela, lai cilvēks uz tās varētu uzkāpt un nostāties. Ja tai būtu tikpat izturīgas šūnu sieniņas kā salmonellām, tad uz šīs baktērijas varētu uzkāpt 350 cilvēki, kas katrs sver 50 kilogramus. Kaut ar apstrādi augstā spiedienā ēdiena ražošanā un citās ražošanas nozarēs iespējams nogalināt baktērijas, viens cilvēks tās nevar nospiest.

Nu ir skaidrs, ka baktēriju šūnu sieniņas ir ļoti izturīgas. Taču ir vēl kāds aspekts, kāpēc tās ir tik grūti saspiest. Proti, baktērijas ir ārkārtīgi mazas. Vidējā baktērija ir tikai no viena līdz pieciem mikroniem (metra miljonajām daļām) liela. Salīdzinājumam – kniepadatas asā gala diametrs ir 130 mikroni. Ja ielūkosies, pamanīsi – tavā ādā ir smalkas rieviņas. Katra no tām ir desmitiem mikronu dziļa. Arī tavu apavu zolēm ir rievas, kas ir daudz, daudz dziļākas. Tādējādi, ejot ar basām pēdām vai apaviem kājās, vairums baktēriju netiktu saspiestas arī tāpēc, ka iekļūtu kādā no šīm rievām un netiktu pakļautas visam tavas pēdas spiediena spēkam.

Kā var palielināt spiedienu, lai saspiestu baktēriju?

Viens no veidiem būtu modificēt apavu zoles no plakanām uz ļoti spicām. Iedomāsimies, ka zolei būtu viena spica smaile, tikpat smalka kā kniepadatas asais gals. Protams, ar šādiem apaviem nebūtu iespējams pastaigāt. Taču to šoreiz neņemsim vērā. Šādā gadījumā 50 kilogramus smaga cilvēka radītais spiediens būtu apmēram 394 tonnas uz kvadrātcentimetru. Vairāk nekā pietiekami, lai saspiestu jebkuru mums zināmo baktēriju.

Cilvēki praksē to nevar izdarīt, tomēr dažiem kukaiņiem ir pa spēkam šādi triki. Cikādēm uz spārniem ir sīksīki veidojumi, kas atgādina adatas. Šie veidojumi ir tikai dažus nanometrus lieli – tūkstoti reižu mazāki par vairumu baktēriju. Kad baktērija nosēžas uz cikādes spārna, cikāde izdala lipīgas vielas. Kad baktērijas vairojas daloties, dalīšanās procesā tiek ģenerēts arī zināms spēks. Jaunajai baktērijai spiežoties pret nanometrus lielajiem asumiem uz cikādes spārna, šis spēks tiek būtiski palielināts, radot pietiekami lielu spiedienu, lai baktērijas šūnu sieniņu pārdurtu un baktēriju nogalinātu. Arī daļa citu kukaiņu ir apveltīti ar šādiem veidojumiem uz spārniem, kas dabiski palīdz atbrīvoties no nevēlamām baktērijām. Bioinženieri iedvesmojas no šo kukaiņu dabiskajiem aizsargmehānismiem un mēģina mākslīgi izgatavot līdzīgas virsmas, kas būtu ar antibakteriālām īpašībām.

--

Šis raksts ir pārpublicēts no "The Conversation" saskaņā ar "Creative Commons" licenci un autora atļauju. Visu rakstu oriģinālvalodā var lasīt vietnē "The Conversation".

Raksta autori ir Kolorado Štata universitātes (Colorado State University) asociētais profesors Ašoks Prasads (Ashok Prasad) un profesors Kenets Rierdons (Kenneth F. Reardon) – abi ir ķīmijas un bioloģijas inženierijas eksperti.