Fantastisk vetenskap by Orage

BOKASIN FAKTA

MÄNNISKANS UTVECKLING – VETENSKAPLIGA FRAMSTEG – FRAMTIDENS FORSKNING

VETENSKAP FÄRSK P KUNSKdAen

FANTASTISK VETENSKAP

om värl r i vi leve

Hur gamla kan vi bli?

Måste vi leva med smärta? Att leva med ångest

Så klonar vi djur

Så här ska vi bota cancer

Den osynliga nanovetenskapen Fakta om känslor Utvecklas vi fortfarande?

E V O L U T I O N • O B S E R VAT I O N • I N N O VAT I O N Untitled-3 1

11.10.201913:24 11:21 19.09.2019

FANTASTISK VETENSKAP 2019 © Orage AS

Utgiven av Orage AS Jarlsøveien 50 3124 Tønsberg, Norge +47 47 46 60 00 post@orage.no www.orage.no

Svensk redaktion Ansvarig utgivare: Rebecca Englund Redaktör: Åsa Larsson Översättare: Jenny Weitner Korrektur: Eva Sahlström Formgivare: Bens Aarø

Orage AS äger alla rättigheter till innehållet i denna bok. Det är inte tillåtet att reproducera eller kopiera innehållet. Det är inte tillåtet att lägga ut hela, eller delar av, boken på internet eller att på annat sätt reproducera innehållet elektroniskt. Tillstånd kan endast ges via redaktionen på Orage AS.

Försäljningsansvarig Øystein Berg +47 909 61 959 berg@orage.no

Tryck Tryckt i Lettland, Artko AS Alla Orages produkter trycks av Svanenmärkta tryckerier.

Utgiven på licens från Future Plc. This publication is published under licence from Future Publishing Limited. All rights in the licensed material belong to Future Publishing Limited and it may not be reproduced, whether in whole or in part, without the prior written consent of Future Publishing Limited. ©2019 Future Publishing Limited. www.futureplc.com

Untitled-3 2 vitenskap_cover SE.indd 2 Fantastisk

11.10.2019 11:21

VETENSKAP Det råder inget tvivel om att vi människor har kommit långt sedan vi för cirka 130 000 år sedan reste oss upp på två ben och lämnade våra apliknande släktingar bakom oss. Vi vet en hel del om vår egen utveckling, men många frågor kvarstår. Vilka är vi egentligen? Hur fungerar hjärnan? Hur kom vi dit vi är utan forskning, och vad är nästa steg? I det här magasinet får du vara med på en resa som börjar med vår arts ursprung, hur vi blev dem vi är, hur immunsystemet och våra känslor, inklusive rädsla och ångest, utvecklades. Du kommer att få möta några av vetenskapens ledande forskare och lära dig om hur vi har utvecklat vaccin och hur fenomen som vampyrer och utomkroppsliga upplevelser uppstår. Slutligen kan du utforska krafterna bakom kärnfusion och de oändliga möjligheter som kvantfysiken ger oss. Vi tar ett språng in i framtiden där många sjukdomar tillhör det förflutna och du kan klona dig själv om du vill. I framtiden är det inte fiktion utan verklighet. En värld av fantastisk vetenskap ligger framför dig just nu.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 3

17.09.2019 08:16

INNEHÅLL MÄNNISKANS UTVECKLING

VI AVSLÖJAR EVOLUTIONSMYTERNA

ATT LEVA MED ÅNGEST

DITT FÖRSTA ÅR

IMMUNFÖRSVARET

MÄNNISKANS HJÄRNA

VETENSKAPEN BAKOM KÄNSLOR

SMÄRTFORSKNING

EVIGT UNG

UTVECKLAS VI FORTFARANDE?

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 4

17.09.2019 08:17

FRAMTIDENS VETENSKAP

MEDICINSKA FRAMSTEG

XPERIMENT SOM FÖRÄNDRADE E VÄRLDEN

EXTREM VETENSKAP

SKRÄMMANDE VETENSKAP

126 MIRAKELVETENSKAP

ODÖDA CELLER

134 DEN GENETISKA REVOLUTIONEN

MIKROFORSKNING

140 SÅ KLONAS DJUR

VARDAGSVETENSKAP

100 NATUREN INSPIRERAR VETENSKAPEN 106 SÅ FUNKAR ELEKTROMAGNETISM

112

KÄRNKRAFT

118

KVANTFYSIKENS KRAFT

144 HUR KAN VI BOTA CANCER? 158 MEDICINSKA VETENSKAPENS FRAMTID

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 5

17.09.2019 08:18

MÄNNISKANS UTVECKLING

08 VI AVSLÖJAR EVOLUTIONSMYTERNA Från våra apförfäder till tron att evolutionen inte kan förklaras. Här avslöjar vi några av de största myterna kring Charles Darwins mest berömda teori. 14 ATT LEVA MED ÅNGEST Orolig för jordnötssmör? Rädd för färgen gul? Vi förklarar biologin bakom en del av våra grundläggande (och ibland konstiga) rädslor. 22 DITT FÖRSTA ÅR Det är inte bara gråt och sömn. Människans första levnadsår är avgörande för tillväxt och utveckling.

28 IMMUNFÖRSVARET Vi går på djupet av det komplexa nätverket som bildar ditt skydd mot virus, sjukdomar och parasiter. 36 MÄNNISKANS HJÄRNA Den lovordas med all rätt som den mest avancerade datorn i universum. Organet i ditt huvud är en fantastisk maskin som arbetar outtröttligt för att du tryggt ska kunna orientera dig i din omvärld. 42

ETENSKAPEN BAKOM KÄNSLOR V De bestämmer varje aspekt av din vardag. Men varifrån kommer många av våra känslor?

48 SMÄRTFORSKNING Vi har alla upplevt den i mer eller mindre utsträckning. Men smärtan är mer än bara en plågsam del av livet. Utan den skulle vår art ha dött ut för länge sedan. 54 EVIGT UNG Kan de snabba framstegen inom modern medicin ge människan ett hälsosamt och lyckligt liv som är längre än hundra år? 60 UTVECKLAS VI FORTFARANDE? Nya vetenskapliga studier visar människans utveckling inte är ett avslutat scenario från det förflutna. Evolutionen har egentligen aldrig upphört.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 6

17.09.2019 08:19

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 7

17.09.2019 08:19

EVOLUTIONSMYTER Vi går igenom nio av de största myterna kring Darwins berömda evolutionsteori.

volutionen är en av de mest berömda vetenskapliga lärorna genom alla tider. Den beskriver hur arter förändras över tid, eller avviker från sitt ursprung för att bli en helt ny art. Evolutionen förklarar hur männi skan utvecklade hjärnan, varför giraffen är så hög och hur bakterier kan utveckla antibiotika resistens på bara några dagar. Kapplöpningen om att förklara det enorma nätverket av liv tog fart på 1800-talet. Under många årtionden hade naturhistorikerna fascinerats av likheterna mellan olika djur och under 1800-talet hittades allt fler fossiler i marken. Forskarna började inse att planeten var mycket äldre än vad man tidigare trott. Det visade sig att människan inte hade existerat särskilt länge och att det tidigare levt enorma djur på planeten. En naturhistoriker som hette Jean-Baptiste Lamarck upptäckte att olika arter tycktes passa in i sin miljö. Han antog att det berodde på att de långsamt anpassade sig under sin levnadstid och sedan förde vidare dessa förändringar till sin avkomma. Han blev berömd när han

hävdade att giraffen utvecklat sin långa hals för att den hela tiden sträckte sig mot de högsta träden efter mat. De som sträckte sig längst, fick avkomma med längre halsar. Även om Lamarcks teori hade brister (den förklarade inte hur förändringarna skedde) gjorde han två viktiga observationer: Arterna kunde ändra sig gradvis för att passa in i miljön och dessa ändringar överfördes till nästa generation. Charles Darwin byggde vidare på dessa observationer i sina omfattande studier av växter och djur. Under 1859 publicerade han sitt verk om det som idag heter evolution genom naturligt urval. Han hävdade att alla organismer har drag som skiljer sig från sina släktingar. Vissa egenskaper gör att de lever längre och får fler avkommor. Istället för att anpassa sig till miljön är det istället de bäst lämpade som har störst chans att överleva och föra vidare sina gener till nästa generation. Detta resulterar i att arten förändras över tid. Då visste inte Darwin exakt hur

egenskaperna fördes vidare från föräldrarna till avkomman och teorin skapade en del kontrovers. Under årtiondena som följde upptäckte forskare att det var generna som förde vidare information från en generat ion till nästa. Pyttesmå ändringar i den genetiska koden är det som för evolutionen vidare. Idag har forskarna spårat genetiska kartor, hittat otaliga fossiler och sett evolutionen i både realtid i naturen och i laboratoriet. Idag har läran om evolution förklarats och utvecklats till att bli en av biologins grundstenar. Den har blivit en accepterad sanning. Trots det är den omstridd och är ett av de mest missförstådda områdena inom vetenskapen. Hur kan forskare vara säkra på vad som hänt, om det finns brister i fossilernas utveckling? Varför klassas det som en teori som forskare vet att det är sant? Varför har inte alla apor utvecklats till människor? På de följande sidorna kommer vi gå igenom de vanligaste myterna kring Darwins banbrytande teori.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 8

17.09.2019 08:19

EVOLUTIONSMY TER AVSLÖJAS

VI HÄRSTAMMAR FRÅN APORNA

Varför har då inte alla apor utvecklats till människor?

Närmaste släktingar

Människor

Schimpanser

Vi är närmast besläktade med schimpanser och dvärg schimpanser.

Östapor

Inte ensamma

Vi framställs ofta som ensamma på vår gren av trädet, men det har funnits andra människo liknande arter som är utdöda idag.

Människan tillhör östaporna, stora primater, med stor hjärna, som saknar svans.

Geografiskt isolerade

Lemurer

Lemurer, lorier och pottor skilde sig från de andra primaterna för omkring 60 miljoner år sedan och fortsatt att utveckla sig sedan dess.

”Alla östapor har utvecklat sig oberoende av varandra från en gemensam förfader.”

Gorillor

Det fanns spökdjur i hela världen, men idag finns det bara några få arter kvar. Alla lever i Asien.

går ännu längre tillbaka kommer du till slut hitta en gemensam förfader till östapor och västapor, till alla primater, till alla djur och så vidare. Alla grenar i evolutionsträdet fortsätter att utvecklas och producera nya arter i alla storlekar, former och färger.

Orangutanger

Apor på den amerikanska kontinenten

Spökdjur

Lemurer, lorier och makier

Miljoner år sedan

Vi härstammar varken från schimpanser eller människoapor, men de är våra närmaste släktingar som lever idag.

Utrotade

Gibboner

Primaternas släktträd

de är inte våra förfäder. Alla östapor har utvecklat sig oberoende av varandra från en gemensam förfader. Om du spårar människofossiler långt tillbaka blir de gradvis mer och mer apliknande. De har större tänder, mindre hjärna och kraftigare armar och ben. Om du spårar schimpanserna längre tillbaka blir de också mer lika den gemensamma förfadern. Om du går miljontals år tillbaka,kommer du se att människans och schimpansens utvecklingshistoria till sist närmar sig varandra. Du kommer upptäcka att vi har en gemensam släkting, som var en helt annan art: vår förfader. Alla förgreningar i ett evolutionsträd, som det du ser under, har en gemensam förfader. Om du

Apor på den euroasiska och afrikanska kontinenten

Att människan har utvecklat sig stegvis från aporna är kanske en av evolutionens största missförstånd. Det kan vara så att den välkända bilden av människans utveckling, som visar en rad apor som blir allt mer uppresta och människoliknande har bidragit till att sprida denna myt. För det första är en apa inte bara en apa. Moderna apor delas in i västapor och östapor, som är två skilda arter. Därefter kan östapor delas in i halvapor, människoapor och människor. Vi har många gemensamma egenskaper med människoaporna (alltså schimpanser, dvärgschimpanser, orangutanger och gorillor). De är våra närmaste levande släktingar, men

Västaporna finns i Central- och Sydamerika, medan östaporna finns i Afrika och Asien.

Gemensam förfader Alla förgreningar i trädet representerar en gemensam förfader, alltså en art som utvecklat sig till två eller fler nya arter.

Vi är släkt med de andra primaterna, men härstammar inte från dem.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 9

17.09.2019 08:20

DU KAN INTE TESTA EVOLUTIONEN Det sker så långsamt att det är omöjligt att bevisa. Evolutionen sker vanligtvis under många miljoner år, så vi kan inte ens drömma om att få se något så dramatiskt som dinosaurer som utvecklar sig till fåglar. Problemet med att spåra evolutionen är att de genetiska ändringarna måste överföras via flera generationer innan de blir tydliga. Det är speciellt svårt att se djurarter utvecklas som lever länge. Det betyder dock inte att vi inte kan följa evolutionens utveckling i realtid. Under den industriella revolutionen gick Storbritannien igenom en period med snabba miljöförändringar. Fabrikerna spottade ut sot

som la sig på träden. Björkmätaren hade tidigare använd björkträden för kamouflage och det var en fördel att ha ljus teckning. Mörka fjärilar smälte inte in i bakgrunden och blev ofta uppätna av fåglar. När sotet la sig blev det istället en fördel att vara mörk. Antalet mörka björk mätare ökade snabbt eftersom att de överlevde och förde denna användbara genetiska egenskap vidare. Du kan även få ett aktuellt exempel, Vi har simulerat hundars evolution i flera hundra år. De hundar som har omtyckta egenskaper föds upp. Spårhundar väljs ut på grund av deras syn och

Evolution i praktiken

Stärkelse

Halva svärmen placeras i en bur med mat stärkelsebaserad.

Insekter och mikrober reproducerar sig så snabbt att det är lätt att se hur de utvecklas i laboratoriet.

Selektiv uppfödning har resulterat i olika hundraser.

luktsinne och bulldoggar föds upp för att få så platta nosar som möjligt. Sådan uppfödning sker än idag, men de för tyvärr med sig många hälsoproblem för vissa raser.

Separation

Flugorna hålls separerade i flera generationer, en efterlikning av geografisk separation i naturen.

Bananflugor

En svärm bananflugor samlas. De är av samma art, men har några genetiska variationer.

Maltos

Den andra halvan placeras i en bur med mat baserad på maltos (maltsocker).

”Evolutionen har inget mål och resultaten är långt ifrån perfekta”

Återförening

När de två svärmarna placeras tillsammans igen, föredrar maltosflugorna att para sig med andra maltosflugor. Samma sak gäller stärkelseflugorna. Detta är ett tidigt stadium på flugornas utveckling mot två olika arter.

ALLT ÄR EN ANPASSNING

Alla egenskaper har ett utvecklingsmässigt mål. Många tror att det finns en historia bakom alla egenskaper, men alla förändringar är inte en evolutionsanpassning. Mycket av det du ser idag har skett av en slump eller som ett resultat av något annat som visade sig vara användbart. Övrigt är bara rester av egenskaper som inte längre behövs. Evolutionen kompromissas och begränsas ofta av de anpassningar organismen redan genomgått.

Slumpmässiga mutationer

Många egenskaper saknar ett uppenbart syfte eller fördel. Dessa är inte en anpassning. Omkring 25 procent av oss är till exempel ”supersmakare” och har många fler smaklökar än andra.

Biverkningar

Vissa egenskaper är en följd av andra. Färgen på blod är inte en anpassning. Den beror på att hemoglobin (molekylerna som transporterar syre) är rött.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 10

17.09.2019 08:20

EVOLUTIONSMY TER AVSLÖJAS

EVOLUTIONEN FÖRKLARAR LIVETS URSPRUNG Om evolutionen förklarar hur livet har förändrats, kan den väl också förklara hur det började? på livsträdet (arkeér och bakterier) tror forskare att LUCA levde för omkring 3,8 miljarder år sedan och hade minst 100 gener. Forskning om evolutionen kan ge oss ledtrådar om vad som krävdes för att liv skulle börja. Denna gåta är ännu inte löst, men forskare inom samtliga naturvetenskapliga grenar arbetar för att lösa den. Under tiden förklarar evolutionen bara vad som hände därefter.

Primitivt liv

ALLT SKER AV EN ANLEDNING

En av de mest erkända idéerna är att livet började i det varma, mineralrika vattnet i hydrotermiska källor.

Evolutionen har mål och försöker lösa problem.

Hydrotermiska källor

De varma källorna på havsbotten bildas vanligtvis där de tektoniska plattorna delas och havsvattnet värms upp av magma som strömmar genom jordskorpan.

Extremt liv

Livet hittar en väg

Upptäckten av bakterier och andra livsformer runt hydrotermiska källor har gjort att forskare måste omdefiniera vad som krävs för att liv ska uppstå.

Gener med flera funktioner

Många gener har mer än en funktion (pleiotropi). Dessa hönor med speciella fjädrar har till exempel en gen förändring som förutom fjädrarna påverkar matspjälk ningen, kroppstemperaturen och äggläggningen.

Vissa organismer verkar trivas runt de hydro termiska källorna. Dessa extremofila organismer överlever i högt tryck, höga temperaturer och utan solljus.

Rudimentära egenskaper

Vi har ärvt några egenskaper från våra förfäder som inte är användbara för oss längre. Visdomständerna var till exempel användbara när käken var större och kosten mer svårtuggad.

Sättet som många pratar om evolutionen på får det att verka som att alla organismer försöker utveckla sig för att bli bättre, snabbare eller starkare än alla andra. Sanningen är att evolutionen inte har något mål och resultatet är långt ifrån perfekt. Evolutionen drivs egentligen av genetiska mutationer som sker ganska slumpmässigt. Vissa av dessa slumpmässiga variationer gör att organismerna överlever lite längre eller får mer avkomma. Dessa nyttiga egenskaper förs vidare till nästa generation. Andra egenskaper gör livet lite svårare. Det är miljön som organismerna befinner sig i som bestämmer vilka av dessa slumpmässiga mutationer som blir användbara och vilka som inte blir det. Detta kan påverkas av klimat, rovdjur, tillgång till mat eller hur attraktiva de är för en partner. Oavsett hur egenskaperna väljs ut sker förändringen över tid och utan ett slutmål i sikte. Evolutionen försöker och misslyckas, och slutresultatet är inte alltid så perfekt som det hade kunnat vara. Människoögat har till exempel en liten defekt. Blodådrorna och nerverna ligger faktiskt framför de ljuskänsliga cellerna och måste genom ögat för att komma till hjärnan. Därför har vi fått en blind fläck. Det är en process i flera steg som utvecklat våra ögon, men saker och ting är inte ordnade på bästa möjliga sätt. Organismerna vill inte, försöker inte eller behöver inte utvecklas. De bara gör det ändå – och resultaten är både fantastiska och oförutsägbara.

Evolutionen kan berätta mycket för oss om varför livet är som det är, hur det har ändrats och anpassats över tid. Den kan dock inte förklara hur livets ursprung. Evolutionen har redan tagit oss tillbaka till LUCA: the Last Universal Common Ancestor (den sista gemensamma förfadern). Detta är den organism som allt liv på jorden utvecklats från. Med hjälp av genspårning och jämförelse av gener från organismer i de två äldsta grenarna

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 11

17.09.2019 08:20

ÖGAT ÄR SÅ KOMPLICERAT ATT DET INTE KAN HA UTVECKLATS Hur kan komplicerade synorgan ha utvecklats? Även Darwin hade svårt att förstå att ögonen var ett resultat av evolutionen, men om vi går igenom det steg för steg låter det troligt. I sin enklaste form är ögon pigmentfläckar som reagerar på solljus. Om dessa pigment finns på en platt yta kan de bara fånga upp ljus och mörker. Om de får små fördjupningar kan de användas för att se vilken riktning ljuset kommer ifrån. Om dessa fördjupningar blir ännu lite djupare och öppningen börjar stängas bildas något som liknar en hålkamera. Det kommer in mindre ljus och det bildas fantastiska bilder. Om detta hål sedan täcks av ett lager genomskinliga celler kan fördjupningen fyllas med vätska. Då börjar linsen bilda kristaller på insidan. Denna lins hjälper ögat att fokusera och bilderna blir ännu skarpare. Alla dessa små anpassningar kan ge en organism små fördelar i sin miljö, till exempel effektivare jakt eller förmågan att upptäcka rovdjur tidigare. Anpassningen har förts vidare genom många generationer och ögat har förändrats gradvis.

Människoögat

Lins

Den flexibla skivan samlar ljuset på näthinnan.

Många djur har ögon med enkellinser, precis som människor.

Synnerv

All information som samlas av näthinnan (retina) skickas via synnerven till hjärnan.

Hornhinna

Denna genomskinliga hinna bryter inkom mande ljus.

Längst bak i ögat finns många ljuskänsliga celler.

”Alla dessa små anpassningar kan ge en organism små fördelar i sin miljö.”

Om du tittar noga finns det enkla versioner av det mänskliga ögat i naturen.

Iris

Lins

Ljuskänsliga celler

Nervfiber

1 Fläck

Encelliga organismer som heter euglena har ”ögon fläckar” med ljuskänsliga pigment. Dessa hjälper dem att upptäcka ljus och mörker.

2 Fördjupningar

Plattmaskar har fläckar med pigment som är begravda i fördjupningar. Dessa hjälper dem att bestämma varifrån ljuset kommer.

Vätska

3 Hålkamera

Större fördjupningar som nästan är stängda bildar något som liknar en hålkamera. Det gör att djur som pärlbåten (en slags bläckfisk) kan se bilder.

4 Lins

Genomskinliga celler täcker öppningen framför ögat och en enkel linsstruktur bildas. Sniglar har sådana ögon.

5 Komplex kamera

Över tid har förbättringarna gradvis utvecklats till de komplicerade kameraögonen som organismer som bläckfiskar och människor har idag.

Ökande komplexitet

Näthinna (retina)

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 12

17.09.2019 08:20

EVOLUTIONSMY TER AVSLÖJAS

NATURLIGT URVAL DRIVER ALL EVOLUTION FRAMÅT BRISTER I KART LÄGGNING? Brister i kartläggningen av fossiler kan motbevisa evolutionen. Det hade varit bekvämt om det fanns tydliga, historiska linjer som följer moderna arters utveckling steg för steg, men fossiler är oerhört sällsynta. Det finns fossiler från nio procent av alla däggdjursarter som för tillfället är utrotningshotade. När människan i framtiden blickar tillbaka, kommer det verka som att resten av djuren aldrig har existerat. Det händer faktiskt inte så ofta att fossiler bildas. Oavsett vilken kroppstyp djuren har beror fossilbildningen på hur och var djuren dör. I djungeln äter till exempel djur eller andra organismer snabbt upp de döda, eller så ruttnar de och blir till jord. På så sätt försvinner alla spår och det är omöjligt att undvika brister i den fossila kartläggningen. Det hittas dock ständigt nya fossiler och många ”övergångsarter” har identifierats. Dessa stöttar evolutionsteorin. Ett exempel är hästen. Dagens hästar har en tå, men de utvecklades från förfäder som var lika stora som en hund och hade många tår på varje fot. Fossilerna visar många mellanliggande steg som visar hur tårna försvunnit och vuxit samman till de hovar dagens hästar har.

Fungerar evolutionen så att det alltid är den starkaste som överlever? Slumpmässiga genmutationer kan leda till att vissa individer blir en aning annorlunda än andra och det resulterar i genetisk variation. Rovdjur, konkurrens och andra miljöfaktorer kan innebära en press för organismerna. De som anpassar sig bäst har bättre chanser att överleva och föröka sig. På det sättet för de vidare sina

gener till sin efterkomma. Denna process heter naturligt urval och Darwins beskrivning av den gjorde honom berömd. Det är dock inte det enda sättet evolution sker på. En annan viktigt mekanism heter genetisk drift. Egenskaper som vanligtvis skulle väljas kan försvinna eller bli ännu mer vanliga om det sker en oväntad händelse. Detta kan ske om befolkningar skiljs från varandra eller om några individer dödas. Det märks som tydligast om befolkningen är liten.

Genetisk drift Denna illustration visar hur flaskhalseffekten kan förändra riktningen på evolutionen utan naturligt urval.

1. Ursprungsbefolkning

I början är befolkningen blandad, med omkring lika många orange och gröna individer.

2. Händelse

En slumpmässig händelse, till exempel en naturkatastrof, inträffar och befolkningens storlek minskar drastiskt.

3. Återstående befolkning

Nu finns det fler gröna individer än orange. Genurvalet har förändrats på grund av oväntade händelser.

4. Ny befolkning

Allt eftersom den återstående befolkningen växer, förs generna vidare och bildar en ny befolkning där grönt är vanligare. Över tid kan de orange försvinna helt och hållet.

EVOLUTION ÄR BARA EN TEORI Det går inte att vara säker på evolutionen.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 13

Urfåglarna visar sambandet mellan dinosaurer och fåglar, med huvuddrag från båda.

Detta påstående är inte lätt att diskutera, (cellära). De förklarar ganska grundligt vad vi eftersom ”teori” är en del av ordet evolutions ser och kan användas för att förutse vad som teori. Huvudproblemet är ändå ordet ”bara” då kommer att ske i framtiden. Bevisen för det inte finns något som heter ”bara en teori”. evolutionen är överväldigande och teorin har Vardagligt brukar ordet teori användas bekräftats många gånger på olika synonymt med ord som antagande, sätt. Den fossila kartläggningen spekulation och tro. Det är ett sätt visar utvecklingen av att antyda att du tror att något organismer över tid, även är sant, men att du inte har om den är ofullständig. alla bevis för att underbygga Detta stöttas av de det. Det är inte så fysiska, kemiska och vetenskapen fungerar. genetiska likheterna Bevis på evolution En vetenskaplig teori är mellan levande varelser. finns i vårt dna. baserad på mängder av bevis Det finns tillräckligt med och det är inte bara en tes. Det levande exempel på finns många väletablerade organismer som förändrar sig principer inom vetenskapen och alla märkbart över flera generationer. kretsar runt teorier, till exempel att jorden går Ju fler bevis forskarna hittar, desto mer i en bana runt solen (heliocentrisk världsbild) underbygger det Darwins teorier. Evolutionen och att levande saker är gjorda av celler är inte ”bara” en teori.

17.09.2019 08:20

ATT LEVA MED Känslor som fruktan och ångest tillhör naturens grundkänslor och hjälper oss att överleva. 14

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 14

17.09.2019 08:21

EVOLUTIONSMY TER AVSLÖJAS

öreställ dig att du är ensam hemma en natt. Plötsligt hör du en kraftig duns från ett annat rum. Hjärtat börjar omedelbart bulta hårdare. Och fortare. Musklerna spänns och du andas snabbare och snabbare. Alla sinnen är på helspänn och du är redo att gå till attack eller fly från vad det nu var som orsakade ljudet. Men snart visar det sig att det bara var en tung bok som föll ner från bokhyllan. Ändå reagerade din hjärna och kropp som om du svävade i livsfara. Så är det att leva med ångest. Känslan av att sväva i livsfara kan komma utan förvarning och utan att du kan göra något åt den. Ångest är en av våra starkaste och mest grund läggande känslor. Världen är en farlig plats och rädsla för otäcka saker skyddar oss från faror och håller oss vid liv. Enskilda evolutionära ångest reaktioner är medfödda, men vi kan även lära oss att vara rädda för specifika saker. Som barn lär vi oss vad som gör våra föräldrar rädda och vi blir själva rädda för saker som vi har haft negativa erfarenheter av. Som tur är klarar de flesta av oss av att ignorera kroppens ångestreaktioner när vi förstår att vi egentligen inte svävar i fara. De flesta kan njuta av utsikten från en bergstopp utan att konstant oroa sig för att ramla ner och kan släcka lampan på kvällen utan att oroa sig för monster under sängen. Den som kämpar mot panikångest kan däremot ligga i sängen, förlamad av ångest, utan att veta vad som har utlöst kroppens skräckreaktion. Människor med panikångest har en extrem skräckreaktion som medför både fysiskt och psykiskt obehag. Ångest och rädsla kan delas upp i tre kategorier: agorafobi, social fobi och specifik fobi. Agorafobi beskrivs ofta som rädsla för öppna landskap, men handlar egentligen om ångest för ett flertal situationer som är svåra att undfly eller där hjälp inte finns tillgänglig om något skulle gå snett. Social fobi är intensiv ångest inför sociala situationer eller situationer där man förväntas prestera inför andra. Specifik fobi är extrem rädsla för konkreta situationer, aktiviteter eller objekt. Sådana former av irrationell ångest kan vara mycket hämmande i vardagen. Personer med akrofobi, eller höjdskräck, kan få total panik av att bara gå över en gångbro. Allt möjligt kan utlösa en skräckreaktion hos människor med ångest, och deras liv präglas ofta av omfattande strategier som går ut på att undvika allt som kan trigga ångest. Det är inte klargjort vad som orsakar ångest, men en viktig faktor är tidiga traumatiska upplevelser. Man kan till exempel utveckla cynofobi (rädsla för hundar) efter att ha blivit hundbiten som barn. Oberoende av hur rationell ångesten är, är de underliggande processerna blixtsnabba. Hjärnan vädrar en fruktad situation, aktiverar kamp–flyktreaktionen och gör kroppen redo att agera.

”Ångest är en av våra starkaste och mest grundläggande känslor.”

Frekvent aktivering av kamp–flyktreaktionen på grund av ångest eller stress kan få allvarliga konsekvenser.

Kan man dö av ångest? Det är inte bara ett uttryck, indirekt kan man faktiskt dö av ångest. Adrenalinet som frisätts vid kamp– flyktreaktionen kan vara skadligt i stora mängder. Krishormonet gör att hjärtmuskeln dras samman, men om reaktionen blir alltför kraftig klarar inte hjärtat av att slappna av igen. Adrenalin kan även störa cellerna som styr hjärtrytmen så att det slår på fel sätt, vilket också kan vara livsfar ligt. Även om långvarig ångest inte kan sägas vara direkt dödlig, påverkar den hälsan mycket negativt. kamp–flykt reaktionen försvagar immunförsvaret så att du lättare kan bli sjuk. Om

kroppen går in i krisläge varje dag kan du även få problem med matsmält ningssystemet eftersom det inte prioriteras när adrenalinet pumpas ut. Långvarig stress påverkar även förbränningen, bland annat på grund av att höga kortisolnivåer gör att insulinet fungerar sämre. Muskler som hela tiden är spända och redo att tackla nästa kris kan få huvudvärk, stelhet och nackproblem. Det finns även ett bevisat samband mellan kronisk ångest och hjärt- och kärl sjukdomar, astma och sömnstörnin gar. Alla dessa faktorer kan vara mycket skadliga, både för din psykiska och fysiska hälsa.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 15

17.09.2019 08:21

Kamp–flyktreaktionen När hjärnan aktiverar sin överlevnadsmekanism! Sinnesintryck skickas normalt från kroppen till den del av hjärnan som kallas talamus. Därifrån skickas signalerna till hippocampus för fortsatt analys – för att infoga intrycket i ett större sammanhang och tolka det på ett begripligt sätt. Analysen skickas till amygdala, som eventuellt aktiverar en relevant känsloreaktion. När hjärnan mottar signaler som kan tyda på att det är fara å färde, fungerar analysen på ett annat sätt. Den ovan beskrivna processen går sin gilla gång, men en sådan grundlig analys tar farligt lång tid. Det kanske kan ta någon bråkdels sekund att tolka vad som egentligen händer, men så lång tid har vi inte alltid på oss. För att kroppen ska kunna reagera blixtsnabbt på fara, skickar talamus rådata, alltså obearbe tade signaler, direkt till amygdala via en genväg. Så snart amygdala mottar signalen skickar den ett meddelande till hypofysen. Hypofysen

är det området i hjärnan som aktiverar en del av hormonsystemet. Det släpper ut en cocktail av runt 30 olika hormoner i blodomloppet. Ett av hormonerna är extra viktigt, adrenalin, som aktiverar en lång rad fysiologiska reaktioner på olika ställen i kroppen. I lungorna får adrenali net den glatta muskulaturen att slappna av så att luftpassagerna utvidgas och mer syre transpor teras till blodet. Adrenalinet stimulerar även celler i hjärtat, så att pulsen stiger, och får musklerna i ögonen att dras samman så att pupillerna utvidgas. Det är de fysiska ändringar na som de här hormonerna startar som går under beteckn ingen kamp–flyktreaktionen. Den förbereder dig på att slåss eller fly för livet. Få av oss upplever farliga situationer i vardagen, så kamp–flyktreaktionen är ofta falskt alarm. Ögonblicket av panik som du upplever efter en kraftig smäll beror alltså på att nervsig

Ångest och hjärnan

Flygskräck är relativt vanligt och beror förmodligen på vår rädsla för höga höjder.

nalerna når amygdala innan de har hunnit analyseras på en högre nivå i hjärnan. För att vara på den säkra sidan aktiveras kamp–flykt reaktionen automatiskt, innan situationen har hunnit utvärderas. Når amygdala får ytterligare information och drar slutsatsen att du trots allt inte är i fara, skickar den signaler tillbaka till talamus att kamp–flyktreaktionen kan avbrytas – och kroppen återgår till normal funktion. Vissa av oss behöver ganska lång tid på oss att återställa kroppen. Det kan ta några timmar – eller i värsta fall flera dagar. Människohjärnan är alltså specialutvecklad för att vara förberedd för det värsta. Det kan verka dumt att alla höga ljud betraktas som farliga, men om faran någon gång är reell kan överreaktionen rädda ditt liv.

Sinnesområden

Vad händer när hjärnan går in i överlevnadsläge?

Särskilda områden i hjärnan analyserar signaler från olika sinnesorgan. De jämför den information som skickas från talamus med tidigare erfarenheter och kunskaper.

Talamus

Talamus är den första mottagaren av de flesta sinnessignaler som kroppen skickar. Talamus vidare befordrar informationen till relevanta områden i hjärnan, ungefär som en telefonväxel.

Hypotalamus

Hypotalamus huvuduppgift är att upprätthålla homeostas, kroppens naturliga tillstånd. Den reglerar utsläpp av hormoner och aktiverar kamp–flyktreaktionen.

Amygdala

Amygdala kontrollerar de känslomässiga reaktionerna, och spelar därför en roll i beslutsfattandet och skapandet av minnen. Amygdala fyller också en central funktion genom att aktivera en snabb reaktion när det är fara å färde.

1Stimulus

När ett potentiellt hot upptäcks skickar talamus signaler till amygdala via två vägar: en snabb och direkt och en långsammare, där situationen analyseras i sin helhet.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 16

1 4 2

2Handlingskraft 3Analys Den första vägen utgår automatiskt från att det är kris. Det är tryggast att vara på sin vakt. Den går direkt till amygdala, som skickar signalen vidare till hypotalamus som aktiverar kamp eller flykt-reaktioner.

Samma information skickas längs den mycket längre vägen. Signaler från talamus skickas till hjärnans olika sinnesområden. Här tolkas informat ionen. Informat ionen skickas även till hippoc ampus där situationen bedöms.

Hippocampus

Hippocampus spelar en viktig roll för långtidsminnet. Här jämförs inkommande information från sinnena med tidigare erfarenheter och situationen sätts in i ett större sammanhang.

4Kamp eller flykt? 5Bedömning Hypotalamus aktiverar både det sympatiska nervsystemet och binjure barken för att starta kamp– flyktreaktionen. Impulserna och hormonerna som triggas gör kroppen redo för handling.

När situationen har analyserats via den längre vägen skickar hippocam pus signaler till amygdala. Då avslutas eller bibehålls kamp–flyktreaktionen, beroende på om faran var reell eller inte.

17.09.2019 08:21

EVOLUTIONSMY TER AVSLÖJAS

Ångest i kroppen Extrema reaktioner aktiveras när kroppen är i krisläge.

Vaksam blick

Pupillerna vidgas för att släppa in mer ljus så att du kan se bättre och uppfatta potentiella hot.

Hormoner

Det aktiverade sympatiska nervsystemet och binjurebarken utsöndrar dussintals hormoner i blodomloppet som aktiverar olika förändringar i kroppen.

Snabb andning

Hög puls

När du andas snabbare får du mer syre till musklerna och förbereder dem för handling.

Hormonerna adrenalin och noradrenalin frisätts för att öka pulsen och skicka mer blod till musklerna och hjärnan.

Gåshud

Sammandragningen av muskler får de små hårstråna på huden att resa sig. Denna evolutionära reflex bidrog förmodligen till att få våra förfäder att se större och mer skräckinjagande ut.

Kallsvett

Kroppen är redo för omedelbar handling och svettas för att hålla ner temperaturen innan det hettar till på allvar.

Fjärilar

Blodet omdirigeras från mindre viktiga system som matsmältnings systemet. Det är därför du får ”fjärilar i magen” när du är nervös.

Energiökning

Din lever bryter ner glykogen till glukos för att ge kroppen snabb tillgång till extra energi.

Kalla kårar

Blodkärl i huden dras samman för att ge mer blod till musklerna och reducera blodförlust vid eventuell skada. Detta gör att du känner dig kall.

Mer blod pumpas till musklerna så att du kan försvara dig eller fly. Det kan kännas som armar och ben skakar.

”Om faran någon gång är reell kan överreaktionen rädda ditt liv.”

Skälver

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 17

17.09.2019 08:21

Är ångest ärftligt?

Din ångest kan beror på dna-material som du har ärvt av dina förfäder. Förr trodde man att all irrationell rädsla berodde på personliga upplevelser eller att man hade lärt sig av andra. Det stämmer nog när man utvecklar ångest eller en specifik fobi efter en traumatisk upplevelse. Till exempel skulle det inte vara så överraskande om en person som nästan dör av drunkning utve cklar hydrofobi, vattenskräck. Hjärnan gör då en koppling mellan situationen och känslan av smärta och panik, och lagrar den i minnet. Det finns dock enskilda typer av ångest som förmodligen har en genetisk komponent. Det är till exempel mer sannolikt att enäggstvil lingar delar samma irrationella rädsla än tvåäggstvillingar, även om de växer upp i olika miljöer, och det finns ofta flera personer i en och samma familj som har besvär med ångest. Experiment med möss har visat att inlärd

rädsla för olika saker kan överföras till barn och till och med barnbarn. Mössen lärde sig att vara rädda för lukten av acetofenon, ett kemiskt ämne som har en stark och söt lukt. Forskarna upptäckte sedan att två senare generationer skrämdes av samma lukt. En möjlig förklaring kan vara att de vuxna mössen kommunicerade till sina ungar att lukten är farlig. Andra studier har visat att skrämda möss varnar andra möss i närheten genom att utsöndra ett feromon som fungerar som ett larm. Men i den förstnämnda studien blev faktiskt ungarna rädda för doften redan allra första gången de upplevde den. Dessu tom uppfostrades vissa av ungarna till generationen med skrämda möss av föräldrar som inte hade blivit skrämda. Dessa ungar blev ändå rädda för lukten, till skillnad från de vuxna mössen i deras närhet. Allt detta

Att ärva rädsla

tyder på att ångest inte bara lärs in socialt, utan kan lagras i generna. Vi vet inte helt hur inlärd ångest ärvs i flera generationer, men nya teorier pekar mot det vi kallar epigenetiskt arv: att den ursprungliga, skrämmande upplevelsen satte igång kemiska förändringar i genuttrycket (vilka gener som slås av och på) utan att ändra generna i sig. Forskare upptäckte att de skrämda mössen och deras avkomma utvecklade fler luktreceptorer i hjärnan jämfört med vanliga möss. Med fler sådana receptorer kunde de upptäcka acetofenon ännu bättre och därmed bli varnade tidigare. Epigenetik är ett relativt ungt forsknings fält, men det är långt ifrån omöjligt att rädsla och andra starka minnen och erfarenheter kan gå i arv även hos människor.

LUKT

Forskning på möss tyder på att rädsla sitter i generna.

Elstöt

Genetisk förändring

Varje gång lukten kom fick mössen en liten elstöt.

Den traumatiska upplevelsen orsakade en liten förändring i föräldrarnas dna som ärvdes av ungarna.

”Det är mer sannolikt att enäggstvillingar delar samma irrationella rädsla än tvåäggstvillingar.”

Lukt

Icke-skrämda möss

Mössen känner lukten av acetofenon, en doft som påminner om körsbärs blommor.

Betingad rädsla

Fosterföräldrarna fick aldrig lära sig att vara rädda för lukten av acetofenon.

Mössen lärde sig att associera lukten med smärta och blev efter hand rädda för lukten även utan elstöten.

Ungar

De skrämda mössen fick ungar. Vissa placerades hos fosterföräldrar som inte hade blivit skrämda.

Framtida generationer

Fosterföräldrar

Experimentet visar att musungar i flera generationer var extra känsliga för lukten.

Fosterföräldrarna reagerade inte på lukten, så det är inte så sannolikt att ungarna lärde sig rädslan av dem.

LUKT

Rädda ungar

Alla ungarna var rädda för lukten, även om de aldrig hade upplevt den tidigare.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 18

17.09.2019 08:21

EVOLUTIONSMY TER AVSLÖJAS

Ibland är det själva spänningen som sporrar folk att söka upp faran.

Att leva utan ångest Självhjälpsguruer och motivationsböcker uppmanar oss ofta att leva utan ångest och rädsla, men en tillvaro utan rädsla skulle vara livsfarlig. Studier har visat att man tar större risker när amygdala inte fungerar som den ska. En allvarlig skada i denna del av hjärnan kan göra att personer inte känner rädsla över huvud taget. Då är det lätt att hamna i riktigt farliga situationer! I mer än 25 år har forskare studerat en patient som kallas SM (av hänsyn till hennes anonymitet har man inte avslöjat namnet) som saknar amygdala. SM har genomlevt många traumatiska upplevelser. Hon har blivit hotad med kniv, pistol och nästan mist livet i en våldsam incident i hemmet. Hon reagerade dock aldrig med rädsla eller desperation, påminner om det förelåg akut fara för hennes liv. Eftersom SM hävdat att hon avskyr spindlar och ormar tog forskarna med henne till en reptilpark. Men SM blev helt hänförd av dem. Forskarna fascinerades av hennes nyfikenhet och lade märke till att hon gärna ville ta på de farligaste ormarna och spindlarna trots många varningar från de anställda. Forskarna drog slutsatsen att SM:s bristande förmåga att uppfatta och reagera på farliga situationer har bidragit till hennes många traumatiska upplevelser. Genom att studera patienter som SM hoppas forskare kunna lära sig mer om rädsla och hitta nya sätt att hjälpa dem som plågas av ångest. Behandlingar riktade mot amygdala kan till exempel hjälpa personer som lider av posttraumatiska stressjukdomar.

”Studier har visat att man tar större risker när amygdala inte fungerar som den ska.”

Människor med skadad amygdala hamnar oftare i farliga situationer.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 19

17.09.2019 08:21

Att hantera ångesten Kan man lära hjärnan att inte vara rädd? Några former av ångest är lättare att leva med än andra. Fobi för fladdermöss (kiroptofobi) plågar dig inte nämnvärt i vardagen. Men om du kämpar med social fobi har du däremot stora problem eftersom det är normalt att försöka undvika situationer som kan utlösa din ångest. Det finns flera behandlingsmetoder för både fobi och ångest. Det allra vanligaste är samtalsterapi som kognitiv beteendeterapi och exponerings terapi. Målet här är att lära hjärnan andra sätt att svara på det stimulus fobin gäller. Terapin går ut på att lära patienten att associera det ångestladdade objektet till mer positiva, rationella tankar så att ångesten gradvis dämpas. En annan strategi är att lura hjärnan att behand la sig själv. Illusionisten och hypnotisören Derren Brown genomförde ett experiment i tv-programmet Fear and Faith, där deltagare med olika fobier fick testa en ny mirakelkur som kallades Rumyodin. En av deltagarna var livrädd för höjder, men klarade att sitta på räcket på en hög bro. En annan person med social fobi gick på audition. Så avslöjades det att Rumyodin (ett anagram för ”your mind”) inte fanns och att deltagarna i själva verket hade injicerats med en saltlösning och fått sockerpiller. Dessa otroliga resultat demonstrerar placebo effekten. En falsk behandling kan ge mycket bra effekt. Forskare arbetar nu på att hitta nya sätt som den här effekten kan användas på, både när det gäller psykiska och fysiska behandlingar.

Forskning tyder på att KBT leder till fysiska förändringar i hjärnan.

Behandling av ångest Exponeringsterapi Målet med exponeringsterapi är att gradvis exponera patienten för hens fobi. Patienten får ranka situationer från minst till mest skrämmande. En person med araknofobi rankar kanske tanken på spindlar som minst skrämmande och att hålla en spindel i handen som allra värst. Patienten samarbetar med en psykolog för att gradvis jobba sig uppåt i listan och får använda andningsövningar och liknande tills det känns bekvämt att gå vidare. Patientens hjärna lär sig att associera de

otäcka situationerna med avslappning, vilket minskar ångesten.

Kognitiv beteendeterapi Målet med kognitiv beteendeterapi (KBT) är att ändra hur vi tänker i olika situationer. Teorin är att ångest beror på patientens negativa tolkning av tidigare händelser, inte händelserna i sig. KBT är en slags samtalsterapi som hjälper patienterna att få inblick i hur de tänker i speciella situationer så att de kan ersätta oro och ångest med mer konstruktiva och realistiska tankar. Hjärnskanning av

Exponeringsterapi går ut på att gradvis utsätta sig för det man är rädd för.

patienter indikerar att KBT reducerar överaktivitet i amygdala och hippocampus, som spelar viktiga roller när ångesten sätter in. Studier har även visat att KBT är minst lika effektivt som läkemedel mot flera ångestsjukdomar.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 20

17.09.2019 08:21

EVOLUTIONSMY TER AVSLÖJAS

De tio märkligaste fobierna De vanligaste fobierna har sitt ursprung i rationella faror, medan andra är helt bisarra.

Papafobi

En irrationell rädsla för påven.

Heliofobi

Rädsla för solen, solljus och stark belysning.

Trypofobi

En intensiv rädsla för små hål.

Fobofobi

Xantofobi

Rädsla för att utveckla en fobi.

Rädsla för färgen och ordet gul.

Somnifobi

Socerafobi

En intensiv rädsla för svärföräldrar.

Lutrafobi

En irrationell rädsla för uttrar.

Arakibutyrofobi

Rädsla för att jordnötssmör ska fastna i gommen.

Rädsla för att sova.

Omfalofobi

Rädsla för navlar.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 21

17.09.2019 08:22

DITT

FÖRSTA ÅR

VAD HÄNDER I MÄNNISKOKROPPEN UNDER LIVETS FÖRSTA TOLV MÅNADER

i föds långt innan vi är redo att klara oss själva, men vår inlärning går fortare under våra tre första år än under resten av våra liv. Så hur förvandlas vi från sårbara spädbarn, som inte ens klarar att lyfta våra egna huvuden, till små barn som kan gå och prata?

FÖDELSEN Från det att en bebis kommer till världen kommer den att växa under många år. I omkring 35:e veckan av graviditeten börjar bebisen få det trångt. När fostret växer behöver det alltmer energi och det finns gränser för hur mycket mamman kan tillhandahålla. Innan den föds börjar dess tillväxt därför saktas ned. Att göra entré i denna värld för första gången är en chock för barnets system och de första dagarna i livet är kritiska. Fram till det ögonblick

barnet lämnar livmodern har mammans kropp tillgodosett alla dess behov. Hon håller en konstant temperatur, spjälkar den mat som ger näringsämnen och andas för att överföra syre. Hon tar hand om avfall och avvärjer infektioner. Plötsligt ska barnet klara allt detta själv. När barnet hamnar i den kalla luften i förlossningsrummet öppnar en kraftfull inandning lungorna och fyller dem med luft. I den trygga livmodern fick barnet allt syre det behövde från navelsträngen. Lungorna var fyllda av fostervatten och hjärtat ledde blodet förbi dem genom ett hål kallat botalliska hålet. Nu måste barnet plötsligt andas. Hålet i hjärtat stängs och blod strömmar in i lungorna. Ett par timmar eller dagar efter födelsen stängs röret, samtidigt med ett annat (ductus venosus) som förde blod från navelsträngen till hjärtat.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 22

17.09.2019 08:22

DIT T FÖRSTA ÅR

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 23

17.09.2019 08:22

Samtidigt aktiveras andra organsystem. Barnet har övat på att andas och att svälja inne i livmodern och njurarna har redan börjat arbeta. Inom 24 timmar börjar mag-tarmkanalen röra sig och en mörkt grön eller svart, seg substans kallad barnbeck kommer ut. Det innehåller galla, slem, fostervatten och allt annat fostret har fått i sig i livmodern. När denna vätska är ute kan barnet börja smälta mjölk. Det nyfödda barnets mage är så liten – inte större än en stenkula – att barnet behöver vakna ungefär varannan timme och matas. Barnet kan bara inta små klunkar åt gången. Mamman producerar en tjock, gyllengul bröstmjölk som kallas råmjölk. Den är full av energi, men innehåller mindre fett än normal bröstmjölk, eftersom fett kan vara svårt att smälta för nyfödda. I stället är den full av protein – vilket är perfekt för en växande bebis. Råmjölken har en lätt laxerande effekt, vilket hjälper till att sätta barnets tarmkanal i rörelse, och den för med sig ett hemligt vapen: anti kroppar. De neutraliserar bakterier och virus, klistrar ihop dem och startar deras nedbrytning. Under graviditeten överförs de från mamma till barnet via moderkakan, men denna immunitet är bara tillfällig. Barnet kommer att kunna skapa sina egna antikroppar, men det dröjer ett par månader. Under tiden ger råmjölken ett lyft och hjälper till att avvärja infektioner. Det nyfödda barnet har ett par egna knep som hjälper det att överleva under denna känsliga tid. Trots att de har mycket att lära föds bebisar med vissa inbygga vitala reflexer, till exempel enkla saker som att blinka, svälja och gäspa, samt några mer komplicerade reaktioner. Sökreflexen får barnet att vrida sitt huvud eller

öppna sin mun när dess kind eller läpp vidrörs, och sugreflexen får barnet att suga när någonting vidrör gommen. Dessa instinkter underlättar amningen. Vidare finns Mororeflexen och grip reflexen. Den förstnämnda aktiveras om barnet får en känsla av att det faller. Barnet slår ut med armar och ben och kröker ryggen innan det återgår till utgångsläget. Den sistnämnda får fingrar och tår att dra ihop sig när du rör vid handflata eller fotsulor. Tillsammans hjälper de barnet att överleva.

DE FÖRSTA VECKORNA Nyfödda barn kan höra och besvara ljud och är födda med en grundläggande kommunikations förmåga. De vrider huvudet mot ljus och ljud, ser ansiktet på den person som håller dem och gråter när de behöver något. På bara ett par veckor börjar dessa färdigheter att förbättras. De känner snart igen sin mammas röst, och inom kort börjar de göra olika ljud, de jollrar, gurglar och gråter. Under de första veckorna kan barn bara fokusera på föremål precis framför deras ansikten och ögonen går ofta i kors. Vid det stadiet har de en dålig öga-handkoordination. Nyfödda bebisar undersöker sina händer och fingrar, men de kan inte använda dem rätt och de knyter ofta sina händer. På insidan genomgår deras kroppar snabba förändringar som pådrivs av mjölken. Om barnet ammas har råmjölken nu ersatts av vanlig bröstmjölk. Den är fetare och innehåller enzymer som hjälper matsmältningssystemet att få tillgång till näringsämnena. Den inne håller dessutom mycket socker. Det ger inte bara energi, utan hjälper dessutom snälla bakterier att kolonisera tjocktarmen.

”Barn föds med inbyggda vitala reflexer”

Bebisar är redo att prova sin första måltid vid cirka sex månaders ålder.

VARFÖR SOVER BEBISAR SÅ MYCKET? Nyfödda spädbarn tillbringar ungefär 16 timmar om dagen under John Blunds paraply. I början vaknar de ofta för att matas, men när de är tolv veckor gamla och väger i genomsnitt 5,7 kilo börjar de sova i lite längre perioder. Precis som vuxna har bebisar sömncykler med fyra stadier. De börjar med den lättaste slummern innan de gradvis sjunker ned i den djupaste sömnen, och denna rytm börjar redan när de ligger i mammans mage. Mellan dessa cykler går de igenom faser med REM-sömn, eller drömsömn, och tillbringar upp till halva sovtiden med att drömma. Tidiga studier tyder på att sömn är viktigt för att stärka inlärningen och för hjärnans plasticitet. Med andra ord hjälper sömn till att förstärka och rensa förbindelser mellan olika nervbanor i hjärnan. En del studier visar att för lite sömn kan orsaka problem med korri geringen av nervförbindelserna. Dessa fynd behöver dock utforskas vidare vidare för att bekräfta det misstänkta sambandet.

TVÅ MÅNADERS ÅLDER Barn ägnar större delen av sin tid åt att äta och sova och deras kroppar börjar växa snabbt. I livmodern delar sig celler konstant för att bilda vävnad och organ, men efter födelsen förändras tillväxtsättet. I stället för att skapa nya celler växer de celler som barnet redan har. Vävnader hos nyfödda barn skiljer sig mycket från vävnaderna hos barn och vuxna. Det finns mer vätska kring deras muskler och nervceller, och de har mindre cytoplasma på insidan. I takt med att bebisen utvecklas förändras den här balansen. Muskelcellerna expanderar och fylls med cytoplasma och molekyler som är inblandade i sammandragningar. Nervcellerna förlängs, de stärker kopplingarna och bildar nya, och mängden vätska utanför cellerna minskar. Med sin nyfunna styrka lär sig barnet att lyfta sig upp med händerna när det läggs på mage, det håller sitt huvud lite stadigare och dess rörelser blir mindre ryckiga och mer koordinerade. Fett fortsätter att snabbt byggas upp under huden och hjälper till att hålla barnet varmt. Vid

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 24

17.09.2019 08:22

DIT T FÖRSTA ÅR FRÄMRE FONTANELLEN

BEBISAR ÄR INTE VUXNA I MINIATYR — DE HAR EN EGEN UNIK ANATOMI

BEBISENS ANATOMI

Barn föds med ett mjukt område mellan kraniets ben. Det stängs efter cirka 18 månader.

HUD Nyfödd hud kan vara täckt med en vaxliknande substans kallad fostertalg och mjuka, fina hår som kallas lanugo (vanligare hos för tidigt födda barn).

BRUNT FETT En särskild sorts fett runt halsen, övre bröstet och njurarna genererar värme, som bibehåller barnets temperatur.

LUNGOR Den nyföddas lungor är fulla av vätska tills barnet tar sitt första andetag.

MATSMÄLTNINGSSYSTEM Nyfödda har svårt att bryta ned fett och komplexa kolhydrater. Den första bröstmjölken är rik på lättsmälta proteiner.

LEVER Levern hinner inte alltid med nedbrytningen av gamla röda blodceller och nyfödda kan därför ibland drabbas av gulsot.

BLÅSA Njurarna börjar arbeta medan barnet ligger i magen och är redo direkt vid födseln.

Barnets immunsystem behöver lite hjälp i början. Bröstmjölken innehåller antikroppar som förser barnet med extra skydd.

”Den nyfödda magen är liten, knappt större än en stenkula”

IMMUNCELLER

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 25

17.09.2019 08:22

två månaders ålder börjar bebisar redan utveckla sociala färdigheter. De börjar följa med i vad som händer med ögonen och kan känna igen personer på håll, och de börjar skratta och le.

HALVVÄGS FRAMME En bebis kan hålla sitt huvud stadigt vid 16 veckors ålder. Den börjar också att trycka sina ben nedåt om den hålls över ett hårt underlag och vid sex månaders ålder kan de rulla runt, lyfta upp sig i krypposition och till och med stå med stöd. Ungefär vid den här tiden klarar bebisar också att använda sina händer och ögon tillsammans. De sträcker sig efter föremål och krafsar med sina fingrar för att greppa dem, och de börjar använda sin mun för att utforska föremål närmare. Med all denna extra styrka och koordination, så behövs grip- och Moro reflexerna inte längre. De tidigare säkerhets anordningarna försvinner så småningom. Bebisar lär sig att flytta leksaker från ena handen till den andra. Deras syn förbättras också. Vid det här laget blir de mer uppmmäksamma på nyanserna hos olika färger och de börjar imitera ansiktsuttryck. De känner igen och ger uttryck för känslor och börjar hitta sin röst. De gör pruttljud och börjar skapa konsonantljud som ”ba”, ”da” och ”ga”, och använder oljud för att få uppmärksamhet och för att uttrycka sig. De känner även igen ord, särskilt sina egna namn. För att få bränsle till alla framsteg går många sex månader gamla bebisar över till fast föda. I takt med att barnet växer har fetthalten i

bröstmjölken ökat från cirka 2 gram/deciliter av råmjölk till 4–9 gram/deciliter. Det ger energi och bidrar till ett växande fettlager under huden. Men nu är matsmältningssytemet redo för mer. En nyfödds matsmältningsorgan är inte bara mindre än en vuxens, utan fungerar dessutom annorlunda. De bildar olika mängder enzymer och galla och de fungerar på en annan pH-nivå. Men vid sex månaders ålder börjar saker och ting förändras. De första tänderna bryter igenom, först de nedre framtänderna och sedan övertänderna. Sväljförmågan förbättras och matsmältningssystemet producerar enzymer för att bryta ned mer komplexa måltider.

FÖRSTA FÖDELSEDAGEN Vid den första födelsedagen har barnet börjat utveckla komplexa beteenden. De har favoritmänniskor och favoritsaker. De börjar förstå “objektpermanens” – det faktum att personer och föremål existerar även om du inte alltid kan se dem. De letar efter gömda föremål och börjar förstå effekten av gravitation genom att släppa saker och se hur de faller till marken. De börjar också reagera när de blir ombedda att göra något och ställa egna krav. De imiterar och använder gester som att vinka, peka och att skaka på huvudet. Nu förstår de också bekanta ord och följer enkla förhållnings regler och kan hjälpa till med uppgifter som påklädning. Viktigast av allt är att de börjar kommunicera med hjälp av “babbel”. Deras koordinationsförmåga har också förbättrats vid det här laget. Gripreflexen har försvunnit sedan länge och de kan lätt flytta föremål från den ena handen till den andra. De

kan plocka upp små saker mellan tumme och pekfinger och de vill testa nya föremål genom att skaka och banka med dem. De börjar ta sig runt på två ben genom att hålla sig fast vid möbler och andra föremål. En del tar till och med sina första egna steg. Hålet som ledde blod genom hjärtat när de kom till världen har nu läkt helt. Kindtänderna har börjat komma fram och matsmältningssystemet bearbetar hela måltider. Lungorna har fler luftsäckar, ökad ytareal för gasutbyte och hjärnan har utvecklat miljardtals nya kopplingar. Under de kommande månaderna förvandlas bebisar till småbarn. I takt med att de utvecklar sin förståelse av omvärlden vill de vara alltmer självständiga. De lär sig att gå, de börjar prata och de leker till och med lekar. Människans barn föds små och sårbara, men efter bara ett par korta månader är de redan på god väg att växa upp.

Bebisars skelett innehåller mycket brosk som på röntgenbilder ser ut som mellanrum mellan benen.

”För att få bränsle till alla framsteg byter barn ofta till fast föda vid sex månader”

Bebisar börjar krypa mellan sex och tio månaders ålder. En del hoppar över det här steget och börjar gå direkt.

Bebisar föds med en gripreflex. Deras händer sluts när någonting vidrör deras handflata.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 26

17.09.2019 08:22

DIT T FÖRSTA ÅR

PRIMÄRT OSSIFIK ATIONS CENTRUM BROSK Skelettets benmönster får sin form i brosk någon gång under graviditetens åttonde vecka.

Innan ett barn föds har större delen av brosket ersatts av ben, med början i centrum.

SEKUNDÄRT OSSIFIK ATIONSC ENTRUM Efter att barnet har fötts börjar det mesta av det kvarvarande brosket vid båda ändarna att ersättas av ben.

SPONGIÖST BEN Benändarna är svamp aktiga i sin struktur, med benplattor och hål.

SENSORISK (GUL) FÖDELSE Från det att barnet föds börjar hjärnan bilda miljontals nya kopplingar varje minut.

Barn måste förstå sin omvärld. Kopplingar förknippade med syn och hörsel är de två första som utvecklas.

SPRÅK (BLÅ) Det tar barnet sex månader att utveckla de kopplingar det behöver för att börja känna igen ord och försöka prata.

Neurala kopplingar för olika funktioner

HÖGRE KOGNITIV FUNKTION (RÖD) Komplexa tanke processer som arbetsminne, fantasi och medvetenhet tar flera år att utveckla.

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Födelse

Månader

År

SKELETT BÖRJAR SOM BROSK OCH OMVANDLAS GRADVIS TILL BEN NYFÖDDA HJÄRNOR VÄXER FRÅN 25 TILL 90 PROCENT AV VUXEN VOLYM PÅ BARA FEM ÅR

Brosk fortsätter att formas vid tillväxtplattorna, och förlänger gradvis benen fram till mogen ålder (vilket inträffar omkring 18 års ålder).

Ett rör av kompakt ben formas runt mitten och brosket inuti bryts ned.

Kalciumsalter deponeras i brosket, vilket får det att stelna och blodkärl tränger igenom brosket.

HJÄRNANS UTVECKLING / HUR BEN VÄXER

TILLVÄ XTPLATTOR

KOMPAKT BEN

K ALCIFIERAT BROSK

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 27

17.09.2019 08:22

IMMUNFÖRSVARET Vet du hur din kropp fungerar när den är under attack? Såhär skyddar immunförsvaret dig mot virus och bakterier.

MÖT EXPERTEN Dr Catherine Carver är akademiker och var tidigare läkarassistent. Idag arbetar hon som skribent och författ are. Hon har en magisterexamen från Harvard och var nominerad till The Guardians Science Writing Prize 2012. Hennes första bok, Immune, tar med läsaren på en spännande resa genom immunsystemet.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 28

17.09.2019 08:23

u angrips av bakterier varje dag. Oavsett om du åker buss, diskar eller har sex finns det små smittsamma organismer runt dig hela tiden, men ändå är du mestadels frisk. Det beror på att kroppen fungerar som en välbevakad fästning. Den skyddas av miljarder små soldater som aldrig sover. Följ med på en resa i immunförsvarets fascinerande värld och lär dig mer om det fantastiska arbetet som utförs här.

VÅRT MAGISKA, MEDFÖDDA IMMUNFÖRSVAR Låt oss börja med ett tankeexperiment. Föreställ dig 100 personer i ett klassrum. Du ger dem varsitt stort papper och färgpennor, och ber dem rita ett försvarssystem. Vad tror du att de ritar? Förmodligen gissar du på fort med ogenom trängliga murar omgivna av vallgravar (kanske med hajar i vattnet om konstnären har bra fantasi). En person som inte är så intresserad av historia ritar kanske laservapen, raketer och maskingevär. Anledningen till att experimentet är relativt förutsägbart är att vi har ett begränsat antal valmöjligheter. Detsamma gäller för ditt medfödda immunförsvar. Försvarsmekanism erna du föds med är i princip de mekanismer du måste välja mellan under hela livet. Ditt medfödda immunförsvar är kroppens första försvarslinje och det skyddar dig mot infektioner redan från födseln. För att virus och bakterier ska kunna infektera oss måste de tränga in i kroppen på något sätt. Det spelar ingen roll om det är ett litet virus, en stor bakterie eller en massiv mask – om kroppen lyckas stänga ute inkräktaren kan den inte göra någon skada. En av immunförsvarets viktigaste uppgifter är därför att säkerställa att inget ovälkommet smyger sig in genom kroppens öppningar.

Kan du gissa vilket organ som är kroppens viktigaste, medfödda immunförsvar? Det är faktiskt din hud. Huden är människans största organ. Om du kunde ta av dig den skulle du tappa hela 12 kilo i vikt! Hudlagret under fotsulorna är cirka 12 gånger tjockare än huden på ögonlocken, men varje millimeter hud bildar en effektiv barriär som håller oönskade inkräktare ute. Ormar byter hela sin hud på en gång, men vi människor gör oss ständigt av med gamla hudceller. Vi tappar faktiskt cirka 50 000 celler per minut! Ungefär en miljard ton damm i luften på jorden består av döda hudceller (det är nästan lite obehagligt att tänka på). Det positiva är att kroppens barriär mot omvärlden ständigt förnyas, så att huden håller sig hälsosam och frisk. Men tyvärr är vi inte 100 procent ogenom trängliga. Vi måste äta, dricka och andas. Dessutom måste vi göra oss av med avfall. Kroppen är därför full med små hål, vilket är ganska besvärligt ur ett säkerhetsperspektiv. Men kroppen har löst problemen på smarta sätt. Din mun är ett exempel. Varje gång du andas följer cirka 10 000 bakterier med ner i lungorna. Som tur är innehåller våra luftvägar ett antal fällor fulla med ”cellätare”. Detta är vita blod kroppar som kallas makrofager och granulo cyter. Cellätare utsöndrar en fin vätska som bakterier och smuts fastnar i. Det smutsiga slemmet transporteras sedan ut ur kroppen med hjälp av mikroskopiska hår som kallas cilier. Cilierna rör sig 1 000–1 500 gånger i minuten och tvingar ut slem ur lungorna med en hastighet av cirka två till tre centimeter per minut Medan lungorna lugnt leder ut inkräktarna ur kroppen använder tarmarna en mer gammal dags metod, nämligen syra. Det är syran som gör att en normal magsäck har ett lågt pH-värde på 2. Det innebär att många mikroorganismer som

”Vårt medfödda immunförsvar är kroppens första försvarslinje.” Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 29

IMMUNFÖRSVARET

17.09.2019 08:23

Immunologi, sex och död

Magsyra har ett pH-värde på 2 och är en viktig del av vårt medfödda immunförsvar.

Stackars pungspetsekorren. När parnings tiden närmar sig för hanen i den australiska arten slutar han producera spermier och hans testiklar bryts ner. Spermielagren i kroppen ger honom ändå en oemotståndlig lust att para sig, något han kan göra i upp till 14 timmar om dygnet. Men allt har sitt pris och den våldsamma ansträngningen leder till en markant ökning av kortisolnivåerna i blodet. Kortisol är ett stresshormon som försvagar immunförsvaret. Resultatet är att vår potenta väns pungspetsekorren dör när den intensiva parningstiden är över.

Den bruna pungspetsekorrehanens parnings frenesi leder till döden.

hamnar i magsäcken dör och löses upp direkt. Historien om hur syran i magsäcken upptäcktes är faktiskt ganska obehaglig. Allt började i juni 1822, på ön Michilimackinac i Michigans vildmark. På den tiden var den frodiga ön, som ottawa- och chippewa stammen kallade ”jättesköldpaddan”, den viktigaste handelsplatsen för pälsföretaget American Fur Company (grundat av USA:s första mångmiljonär, John Jacob Astor). Den 20-årige pälsjägaren Alexis St. Martin blev skjuten av misstag när han stod i kö i Fur Companys butik. Synen som öns enda läkare mötte var som tagen ur en skräckfilm: ”En bit av lungorna, stor som ett kalkonägg, stack ut från kulhålet.” Dessutom hade St. Martin fått ett hål i magen och genom det rann hans frukost ut på tröjan. Läkaren, som hette Beaumont och tidigare hade arbetat som militärläkare, var säker på att St. Martin skulle dö. Ändå gjorde Beaumont allt i sin makt för att rädda hans liv. Han lyckades lappa ihop St. Martin och göra honom frisk, nästan i alla fall. Hålet i magsäcken läkte aldrig helt och St. Martin tackade nej till Beamonts erbjudande om att sy igen det. Med tiden förändrade inte bara denna fysiska skavank deras förhållande, det påverkade också forskningen. Under de kommande åren utförde Beaumont 238 experiment där han tog ut

magsyra och gav St. Martins olika slags livsmedel och medicin genom det öppna hålet. Senare skrev Beaumont ett verk som hade stort inflytande på medicinsk veten skap. Här drar han bland annat slutsatsen att saltsyra (HCl) är magsäckens viktigaste syra.

ANPASSNINGSBARA SOLDATER Låt oss göra ett nytt tankeexperiment. Vi ber 100 personer att rita ett försvarssystem mot ett specifikt hot. Resultatet kommer att se annorlunda ut jämfört med den första uppgiften. Om vi ber våra försökspersoner rita ett försvar mot Dracula kommer troligen många rita vitlök och heligt vatten, men om fienden är Darth Vader är dessa lösningar värdelösa. Denna typ av vapen, som bara kan användas för att angripa en viss fiende, är en viktig del av det vi kallar för vårt specifika immunförsvar. Det angriper fiender som lyckas tränga in i det medfödda (eller ospecifika) immunförsvaret. Det specifika immunförsvaret kan upptäcka och besegra smittoämnen som har angripit oss tidigare.

Det specifika immunförsvaret består till stor del av antikroppar – Y-formade proteiner som kan fästa vid bakterier, parasiter och virus och upptäcka dem så att vita blod kroppar känner igen och förstör dem. Vår förmåga att bilda ett brett spektrum av antikroppar är helt fantastiskt. Faktum är att vi kan producera över en miljard olika antik roppar. Det är fler antikroppar än vad det är stjärnor i vår galax. Det innebär att om kroppen bara får tillräckligt med tid på sig kan den utveckla antikroppar mot allt från förkylning till dödlig pest. Ibland blir vi dock anfallna av en bakterie eller ett virus som är så effektivt att vi avlider innan immunförsvaret lyckas producera tillräckligt med specifika antikroppar. Alla typer av bakterier och virus kan ändra sig så snabbt att immunförsvaret inte hänger med. Hiv är ett välkänt exempel på ett virus som ändrar sin struktur så snabbt att kroppen inte kan bekämpa det.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 30

17.09.2019 08:23

IMMUNFÖRSVARET

”Det närmaste han kom att leka i trädgården var de sex gånger han hann använda sin specialanpassade dräkt från NASA.”

TRANSPLANTATIONER Immunförsvaret har fler uppgifter än att försvara oss från farorna i vår omgivning. Det har också en viktig roll i ett antal livshändelser, som graviditet och organ transplantationer. Forskning tyder på att immunförsvaret spelar en viktig roll när ett befruktat ägg ska fästa vid livmodern. Det kan därför vara immunförsvaret som bär ansvaret för missfall. Om du behöver en organtransplantation kan ditt immunsystem uppleva det nya organet som främmande och skada det så allvarligt att det inte längre fungerar. Vi säger att kroppen avvisar den främmande kroppen. Detta problem kan undvikas om det är möjligt att transplantera celler från en plats till en annan i patientens egen kropp (autolog transplantation). I dessa fall kommer patientens immunförsvar inte att angripa de transplanterade cellerna. Människor som till exempel förlorar sin tumme har förståeligt nog svårt att använda handen normalt. Därför väljer vissa att transplantera sin stortå till handen och använda den som tumme. Det låter kanske konstigt, men en sådan transplantation ger mycket bättre rörlighet och påverkar inte foten särskilt mycket. Läkare från Mexiko och USA använde år 2014 patienters egna celler på ett ännu mer imponerande och intimt sätt. De behandlade fyra unga kvinnor som led av Mayer-Rokitansky-Küster-Hauser syndrom (MRKHS), ett syndrom där kvinnor föds helt eller delvis utan vagina. Läkarna tog celler från patienterna och odlade vaginor av biologisk nedbrytbart material. Efter i genomsnitt 6,75 år hade varje patient genomgått en lyckad transplantation, så att de kunde fungera sexuellt.

FÖDD HELT FÖRSVARSLÖS I vissa fall, som vid transplantationer, kan det tyckas att immunsystemet motarbetar oss mer än vad det hjälper oss. Men historien om David Vetter, en pojke född utan immunförsvar, påminner oss om hur beroende vi är av detta försvarssystem. Redan 20 sekunder efter att David föddes placerades han i en steril bubbla. Här var han tvungen att tillbringa resten av sitt liv, annars hade mikroberna runt honom förmodligen dödat honom inom några dagar. David dog bara tolv år gammal på grund av en infektion han fick efter en misslyckad benmärgstransplantation.

En av hans högsta önskningar, som tyvärr aldrig uppfylldes, var att dricka cocacola. Det närmaste han kom att leka i trädgården var de sex gånger han hann använda sin specialanpassade dräkt från NASA (som kostade cirka 500 000 kronor) innan han växte ur den. Davids historia är en sorglig påminnelse om att vi är helt beroende av vårt immun försvar för att hålla oss vid liv. Det är bara tack vare våra försvarsmekanismer som vi inte bara överlever, utan växer och frodas på den här smutsiga, vackra, mikrobfyllda planeten.

David Vetter föddes utan immunförsvar och var tvungen att leva i en steril bubbla.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 31

17.09.2019 08:23

Allergiepidemi Är du allergisk mot något? Då är du inte ensam. Engelsk forskning visar att fler än 150 miljoner européer lider av kronisk allergi. Om denna utveckling fortsätter kommer hälften av EU:s befolkning ha någon typ av allergi år 2025. I Sverige finns ingen landsomfattande statistik över antalet personer med astma och allergi. Baserat på olika uppskattningar lider ungefär 30 procent av befolkningen av allergiska sjukdomar och antalet fall tycks ha ökat under de senaste 20–30 åren. Så många som 1 av 4 barn i skolåldern har hösnuva, 30 procent av unga i puberteten och 23 procent av alla vuxna. Det visar sig att många av dem som har astma och allergi ofta lider av båda. I en norsk studie hade hela 87 procent av tioåriga barn med hösnuva även astma, atopisk dermatit eller konjunktivit (kliande/rinnande ögon), medan 12 procent av barnen hade alla dessa sjukdomar. Då mycket fokus ligger på matallergi idag kan man förvänta sig att många lider av matrelaterade sjukdomar. Europeiska och amerikanska studier visar dock att endast 6–8 procent av barn och 3–4 procent av vuxna har symptom på matallergi. 90 procent av all matallergi utlöses av följande ämnen: mjölk, ägg, nötter, fisk, skaldjur, soja och vete. Allergi beror på att immunförsvaret reagerar på ett ofarligt ämne och sätter igång en immunreaktion som ger symptom av olika svårighetsgrad – från kliande utslag till livshotande svullnad av luftvägarna. Vi vet inte varför vårt immunsystem reagerar så här. Det vi vet är att vissa människor löper större risk att bli allergiska på grund av sin genetik, eftersom plågorna ofta drabbar flera i samma familj.

”Det har visat sig att många som har astma och allergier ofta har båda två.”

Källa: Folkhälsoinstitutet i Norge

Nysningar är ett vanligt symptom när man har pollenallergi eller hösnuva.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 32

17.09.2019 08:23

IMMUNFÖRSVARET

Autoimmuna sjukdomar Ibland attackerar immunförsvaret kroppen istället för att försvara det. Vi vet för närvarande inte varför detta händer, men ibland känner inte de vita blodkropparna igen kroppens egna celler. Ett klassiskt exempel på en sådan sjukdom är diabetes typ 1 där immunsystemet angriper bukspottskörteln. De vita blodkropparna förstör betacellerna i bukspottskörteln och hindrar kroppen från att producera insulin, ett hormon som är nödvändigt för att reglera blodsockernivåerna. En diabetiker måste regelbundet ta blodprov och syntetiskt insulin för att hålla blodsockret på normal nivå. Om sjukdomen inte behandlas kan den få allvarliga följder, som synförlust eller amputation av armar eller ben. Eftersom sjukdomen är både vanlig och mycket allvarlig arbetar många forskare med att hitta en bra behandling. I USA försöker man till exempel utveckla en artificiell bukspottskörtel.

En diabetiker måste regelbundet ta blodprov och syntetiskt insulin för att hålla blodsockret på rätt nivå.

Ny insats mot autoimmuna sjukdomar Hösten 2017 öppnades K.G. Jebsen Center för autoimmuna sjukdomar vid universitetet i Bergen. Här kommer man att forska om sjukdomar som påverkar allt fler, särskilt kvinnor. Eystein Huseby är verksamhetsledare för K.B. Jebsen-centret.

Foto: Ingvild Festervoll Melien

K.B. Jebsen Center bedriver forskning om flera ärftliga autoimmuna sjukdomar. Gemensamt för dessa sjukdomar är att immunförsvaret attackerar kroppens egna celler och organ. Detta kan leda till sjukdomar som låg metabolism, diabetes typ 1 och att klimakteriet inträffar tidigt hos kvinnor. 1 av 20 personer drabbas av autoimmuna sjukdomar. Vi vet ännu inte varför, men en hypotes är att vår kropp är för ren och att immunsystemet har för lite att göra. Andra hypoteser pekar ut tarm bakterier och stress. Det är just detta forskare på det nya centret ska undersöka. Om de finner orsakerna till autoimmuna sjukdomar är det lättare att hitta en fungerande behand ling med minsta möjliga biverkningar. Centret öppnade på Klinisk institutt 2, i samarbete med Medisinsk avdelning vid Haukeland universitetssjukhus, Karolinska institutet och Weizmann Institute of Science. Källa: Det medisinske fakultet vid UiB.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 33

17.09.2019 08:23

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 34

Immunförsvaret har en viktig roll vid organtransplantationer. Om immuncellerna avvisar det nya organet misslyckas transplantationen.

Lymfkörtlarna innehåller stora mängder speciali serade vita blodkroppar. Dessa celler dödar bakterier och virus i blodet. Vid infektioner, till exempel förkylningar, kan lymfkört larna ibland svullna upp.

Lymfkörtlar

Lär dig mer om de olika organen och komponenterna som tillsammans utgör kroppens försvar.

Ditt immun försvar

Denna körtel är störst under puberteten och krymper sedan. Här mognar T-cellerna (en typ av vita blod kroppar).

Brässen

Mjälten avlägsnar gamla röda blodkroppar från blodet. I mjälten finns en stor mängd vita blodkroppar som kallas för neutrofila granulocyter, eller neutrofiler. Dessa kan ”äta” oönskade celler, bakterierester och andra oönskade partiklar.

Mjälten

Öronvax är en del av vårt medfödda immunförsvar och transporterar oönskade partiklar ut ur örat. Öronen innehåller också antimikrobiella kemikalier.

Öronvax

Våra tårar innehåller antimikrobiella kemikalier, inklusive lysozym, laktoferrin och lipokalin, som skyddar ögonen mot mikroorganismer i vår miljö.

Tårar

KROPPEN I ARBEID

17.09.2019 08:23

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 35

”Kroppen producerar fler antikroppar än antalet stjärnor som finns i vår galax.”

Huden hindrar potentiellt farliga mikrober från att tränga in i kroppen.

Huden

Innehåller Peyers plack – samlingar av små lymfocyter i tunntarmens tarmvägg. Dessa celler är en viktig del av immunförsvaret och ser till att antikroppar produceras här.

Tarmen

Huden är en viktig del av immunsystemet. Det stänger ute många mikrober.

Detta enkelriktade transportsystem säkerställer att vita blodkroppar kan röra sig runt kroppen.

Lymfkärl

IMMUN- FÖRSVARET

17.09.2019 08:24

Människans

HJÄRNA Den mänskliga hjärnan beskrivs som det mest komplicerade i hela universum – och den är verkligen förbluffande.

järnan utgör endast två procent av din totala kroppsvikt. Ändå inne håller den cirka 86 miljarder nervceller, som är omgivna av 18 000 mil isolerade fibrer, som i sin tur är samman kopplade på 100 triljoner (1 triljon = 1 miljon biljoner) olika kontaktställen (synapser). Hjärnan är en enorm biologisk superdator. Cellerna i hjärnan kommunicerar med hjälp av elektriska signaler. När ett meddelande skickas öppnas tusentals mikroskopiska kanaler och positivt laddade joner flödar över membranet. Efteråt flyttar över en miljon små pumpar i

varje cell tillbaka jonerna och förbereder dem för nästa impuls. Cellkroppen i nervcellerna och deras förbindelser finns i det vi kallar för grå hjärnsubstans, och den använder 94 procent av syret som når hjärnan. Olika områden i hjärnan ansvarar för olika funktioner och kopplas ihop av ett fett lager som kallas för vit hjärnsubstans. När en signal når slutet av en nervcell skickas pyttesmå knippen med kemiska signalämnen till de omkringliggande nervcellerna. Varje nervcell kan ta emot tusentals signalämnen och de koordinerar

dem efter tid, rum och kemisk typ för att bestämma vad som ska hända. Forskare har stimulerat hjärnan både elektriskt och kemiskt för att se hur den reagerar på olika signaler. Man kartlägger tankar med hjälp av elektrisk aktivitet och använder bildbehandling som MR för att se hur blodflödet ökar när nervcellerna tänds. Hjärncellerna kan även studeras i laboratorier. Tack vare olika experiment vet vi idag mer om denna otroliga kroppsdel än någonsin förr, men detta är bara början. Det finns så mycket mer att lära.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 36

17.09.2019 08:24

MÄNNISK ANS HJÄRNA

Hjärnans utveckling Från en enda cell till ett otroligt komplicerat nätverk på bara nio månader.

Progenitorceller börjar bildas redan några veckor efter befruktningen. Dessa stamceller kommer att utvecklas till alla celler i det centrala nervsystemet. De samlas i ett neuralrör när fostret är lika litet som udden på en penna. Sedan börjar arbetet med att organisera

Mitthjärna

hjärnans och ryggmärgens struktur. Som mest kan en växande hjärna producera 250 000 nya nervceller varje minut. Hjärnan är inte färdig utvecklad när barnet föds, men innan barnet fyller två år har hjärnan vuxit till ungefär 80 procent av sin vuxna storlek.

Framhjärna

Pyramidceller som dessa finns i hippocampus, cortex och amygdala.

Mitthjärna

Bakhjärna Bakhjärna

Ryggmärg

Ryggmärg 4 veckor

Hjärnan börjar utvecklas redan tre veckor efter befruktningen. Det första som bildas är en neuralplatta. Den blir sedan till ett neuralrör, som senare utvecklas till olika delar (som framhjärnan, mitthjärnan, bakhjärnan och ryggmärgen).

Mitthjärna

Framhjärna

6 veckor

Hjärnans och ryggmärgens form är nu fastställt och utvecklas gradvis. De kontrolleras av ett ökat antal signalmolekyler som delar ut olika uppgifter till olika områden.

Framhjärna

Bakhjärna

Ryggmärg 11 veckor

Allteftersom fostret växer blir hjärnan större, nervcellerna flyttar på sig och organiserar sig. Hjärnan börjar gradvis att vecka sig. Vid denna tidpunkt är fostret bara fem centimeter långt.

Ryggmärg

Mitthjärna Födsel

Innan barnet föds hinner omkring hälften av nervcellerna i hjärnan försvinna och förbindelserna beskärs. Bara de mest användbara blir kvar. Denna process fortsätter efter födseln.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 37

17.09.2019 08:25

Varför är hjärnan skrynklig?

Mus

Makak

Hjärnan veckar sig för att få plats med mer handlingskraft. Vecken och fickorna i hjärnan är en biologisk egenhet som vi bara delar med några andra arter, som delfiner, vissa primater och elefanter. Det är en smart anpassning som gör att intelligenta arter får plats med stora mängder hjärnbark på ett litet område. Det ger oss stor hjärnkapacitet i förhållande till våra relativt små skallar. Vecken börjar utvecklas under graviditetens andra trimester när hjärnvindlingar (gyri) och fåror (sulci) bildas, men biologin bakom de karakteristiska rynkorna är konstigare än du kanske tror. Hjärnans uppbyggnad bestäms av en mängd kemiska signaler, men den slutliga formen är förmodligen resultatet av enkel fysik. Grå hjärnsubstans finns på hjärnans utsida och under utvecklingen växer den snabbare än vit hjärnsubstans. Detta gör att hjärnan utsätts för tryck, och utsidan tvingas vrida och skrynkla sig. Många rynkor på hjärnan förknippas med högre intelligens (dessa hjärnor är inte en helt korrekt måttstock).

Katt

Elefant

Schimpans Delfin

Människa

20 watt

Din hjärna är otroligt effektiv och använder mindre energi än en glödlampa.

Så skapas minnen Hjärnan kan lagra cirka en miljon gigabyte data. En grupp på Salk Institute i Kalifornien har beräknat att hjärnan kan lagra omkring 1 petabyte av information bland förbindelserna mellan nervcellerna. Det är lika mycket som 2 000 år mp3-musik eller 223 000 dvd-skivor. Och otroligt nog går det att se minnen skapas. Vid Weizmann Institute of Science i Israel och UCLA i USA har forskare fångat minnen under utveckling. Patienter tittade på videoklipp och blev ombedda att återge vad

de såg. Nervcellerna som tändes när patienterna såg klippen tändes igen när de återupplevde händelsen i huvudet, nästan som ett eko. Ny forskning från USA och Japan indikerar att dessa ekon sparas två gånger, först i hippocampus, sedan i hjärnbarken. Hippo campus hanterar korttidsminnet och glömmer gradvis. Det bidrar även till att stärka minnet i hjärnbarken, som gör långtidsminnen möjliga.

Hjärnan förnyar sig Forskning visar att vissa delar av en vuxen människas hjärna kan fortsätta producera nya nervceller. Processen kallas neurogenes.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 38

17.09.2019 08:25

MÄNNISK ANS HJÄRNA

Tankeläsning Tankar är elektricitet. Det betyder att de kan spåras och tolkas. Om man ansluter elektroder till huvudet kan man lyssna på signaler från hjärnans arbetande nervceller. Forskarna utvecklar sätt att tolka dessa signaler på. Det här fungerar bara med en dator som kan lära sig de mönster som hjärnan gör när en person koncentrerar sig på en enda sak, som en rörelse eller ett ord. Signalerna kan användas för att styra en protes eller en dator. De kan även skickas till en annan människas hjärna genom magneter fästa på hela huvudet. Det kan låta som science fiction och detta område har utvecklats så snabbt att även stora företag som Facebook vill vara med på det roliga. År 2017 meddelade Mark Zuckerberg att företaget ”arbetar med ett system som gör att man kan skriva direkt från hjärnan, cirka fem gånger snabbare än på telefoner”. De arbetar också med en hudsensor som översätter beröring till tankar, precis som örat översätter ljud.

Skanning med magnetkamera avslöjar vad som pågår i hjärnan. Elektroder kan fånga upp elektriska signaler som hjärnan producerar.

Hjärngympa

Hjärnan behöver lika mycket träning som kroppen för att hålla sig i form. Det är inte bara kroppen som behöver träna för att hålla sig i form. Hjärnan kan tränas till att minnas bättre, bli snabbare och arbeta mer effektivt. Hjärnan bör tränas regelbundet, för nervcellerna i den kan bli över 100 år gamla. Det finns många spel som sägs hålla vår hjärna i form, men fungerar de? Även om du blir bättre på de uppgifter du löser i spelet blir ditt IQ nödvändigtvis inte högre. Neurologer anser att det är bättre att lära sig ett nytt språk, lösa korsord och sudoku – eller spela World of Warcraft. Dataspel har visat sig förbättra förmågan att lösa problem. Mindfulness och meditation kan också förändra hjärnans fysiska strukturer. Den kan växa på områden som styr våra tankar om oss själva och vårt beteende. För drygt tio år sedan skannade neuroforskaren Richard Davidson vid University of Wisconsin hjärnan på en grupp buddistiska munkar som praktiserar mindfulness. Aktivitets mönstren i deras hjärnor såg helt annorlunda ut än studenternas i kontrollgruppen. Även om meditation kan påverka hjärnans struktur och funktion vet vi inte riktigt om dessa neurologiska effekter har några fördelar i vardagen.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 39

17.09.2019 08:25

Hjärntvättad i sömnen? Har vi ett inbyggt system som på natten avlägsnar farligt avfall mellan hjärncellerna? Sömn är ett av hjärnans stora mysterier, men forskning på möss har lett Maiken Nedergaard och hennes forskarlag vid University of Rochester i USA in på ett spår som de kallar för ”tvättmaskinshypotesen”. De menar att vissa celler arbetar med ett fascinerande rengöringssystem på natten. Dessa celler kallas astrocyter, eller stjärnceller. Astrocyterna är också viktiga för att skydda hjärnans nervceller från skadliga ämnen. De omger nervcellerna och kontrollerar vad som är in och ut. Dessa celler spelar en avgörande roll i att hålla hjärnan ren. Cellerna har små vattenkanaler och på natten skickar astrocyterna ut avfallet från hjärnans nervceller i form av en genomskinlig vätska som kallas cerebrospinalvätska (CSV). Denna vätska förflyttas av blodkärlens rörelse och sveper in mellan hjärncellerna. Vätskan tar med sig avfall och transporterar partiklarna tillbaka till blodet, så att de avlägsnas från hjärnan. Forskarna vet ännu inte om det är blodkärl, vener eller både och som avlägsnar avfallet från hjärnan. Nedergaard och hennes teori är emellertid kontroversiella. Andra hjärnforskare tror att det är för trångt mellan hjärncellerna för att CSV ska kunna ta sig igenom, och att skadliga ämnen måste transporteras till närmaste blodkärl via diffusion.

Rengöringsprocessen CSV är en vätska som finns runt hela hjärnan. Enligt ”tvättmaskinshypotesen” städar vätskan bort dagens smuts medan vi sover.

Cerebrospinalvätska (CSV) Hjärnan är omgiven av en genomskinlig vätska (CSV) som skyddar mot slag och reglerar trycket i skallen.

Flöde

När du sover blir utrymmet mellan hjärncellerna större och CSV kan svepa genom hjärnan.

Astrocyter

Stjärnformade stödceller omger blodkärlen och nervcellerna i hjärnan.

Fötter

Astrocyterna har långa utväxter som kallas fötter och som bildar kanaler runt blodkärlen. Vattenkanalerna är små porer i fötternas cellmembran. Dessa är de vita porerna på bilden.

Avfall

Hjärncellerna skapar hela tiden avfall som kan vara skadligt om det inte avlägsnas.

Avfall avlägsnas

När cerebrospinalvätskan (CSV) flyter genom hjärnan transport eras avfallet till blodkärlen där de avlägsnas via blodflödet.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 40

17.09.2019 08:25

MÄNNISK ANS HJÄRNA

Placebo Tankekraft driver läkande i form av placeboeffekten. Placeboprodukter är viktiga när man testar nya behandlingsmetoder. Innan nya läkemedel eller metoder får användas på sjukhus eller kan säljas på apoteket jämförs de med ett piller, ett plåster eller en injektion som inte innehåller några aktiva substanser. Varken forskaren, läkaren eller patienten vet vad som är äkta och vad som är placebo. Detta garanterar legitima studier och att de inblandade inte påverkar resultatet. Men hjärnan är en kraftfull maskin – bara tron om att du får

Placeboeffekten fungerar även om du vet att det är placebo.

behandling kan göra dig friskare och tron om att du får vissa biverkningar kan ge dig samma biverkningar. Jon Levine ledde 1978 en av de mest kända studierna inom placebo. Forskar gruppen försökte ta reda på vad som händer när friska och sjuka personer inbillar sig vissa saker. Livine och hans grupp gav ”smärtstillande” placebo till patienter som hade fått visdomständerna utdragna. Studien visade att smärtl ind ringen som patienterna upplevde faktiskt

Det sitter i huvudet Tankekraft kan åstadkomma otroliga saker.

Gröna och blå piller associeras med en lugnande effekt.

kom från att kroppens egen naturliga smärtlindring – endorfiner – frigjordes. Denna konstiga effekt kan inte bota cancer eller astma, men med hjälp av sockerpiller och saltlösningsinjektioner kan hjärnan påverka hur du mår.

”Bara tron om att du får behandling kan göra dig friskare.” En placeboprodukt kan lindra smärta genom att stimu lera frigörelse av endorfiner.

10 %

Placeboinjektioner är mer effektiva än placebo piller.

av oss tror att orangefärgade piller smakar äckligt.

Placebopiller har visat sig hjälpa mot sömnproblem.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 41

17.09.2019 08:26

VETENSK APEN BAKOM

KÄNSLOR HUR VÅRA PRIMITIVA HJÄRNOR UTVECKLADE ETT PERFEKT SÄTT ATT SKYDDA OSS GENOM ATT SE TILL ATT KEMIKALIER I VÅRA SYSTEM REGLERAR VÅRT BETEENDE Words by Charlie Evans

ur känner du dig just nu? Ligger du av slappnad i din soffa och lyssnar på de ljuva tonerna från gryningskören utanför ditt fönster? Eller är du kanske spänd, med axlarna uppdragna till öronen och försöker få fem minuters lugn på ett stressigt kontor? Man skulle kunna tro att det är lätt att lista ut om vi är glada eller ledsna, arga eller lugna, men vi människor rör oss igenom ett så brett spektrum av känslor i våra liv att de kan vara svåra att urskilja från varandra. Känslor är inte bara förnimmelser. Varje gång du känner någonting påbörjar din kropp en fysiologisk förändring, en kemisk frisättning och en beteenderespons. Förloppet medför ett flertal processer som samarbetar, inklusive dina stora organ, signalsubstanser och ditt limbiska system. Det limbiska systemet är den

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 42

www.howitworksdaily.com

17.09.2019 08:26

VETENSK APEN BAKOM K Ã&#x201E;NSLOR

www.howitworksdaily.com

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 43

17.09.2019 08:26

mest primitiva delen av din hjärna, som anses ha utvecklats först hos tidiga däggdjur. Den är full av gamla nervbanor som aktiverar våra känslor som svar på stimuli och som styr vår flykt- och kamprespons genom vårt autonoma nervsystem. Denna respons utvecklades från ett behov att fatta beslut grundade på känslor. Medan vår kropp fylls med adrenalin och vårt hjärta börjar slå häftigt förbereder vi oss för hur vi ska reagera. Ska vi stanna och slåss med björnen som har kommit för att söka efter föda, eller ska vi fly till en säker plats? Vi kan än i dag känna effekterna av denna respons. Om någon konfronterar oss för att vi inte har diskat kan vi känna samma flykt- och kamprespons när vårt adrenalin flödar över vårt system. Vår hjärt frekvens och andning ökar, de små håren på armarna kanske reser sig, och våra händer känns fuktiga medan vi bestämmer om vi ska stanna och gräla eller om vi ska gömma oss i sovrummet. De biologiska förnimmelserna i våra kroppar i respons till känslor kan vara mycket lika varandra. Föreställ dig att du svettas i handflatorna, känner att du blir varm om kinderna när de blir blossande röda och ditt hjärta slår i ditt bröst. Detta skulle kunna vara något du känner när du sitter och är nervös i tandläkarens väntrum, eller för att du är upphetsad medan du väntar på att träffa dina nära och kära när de återvänder från en resa – den fysiologiska reaktionen är densamma. Tolkningen av känslorna i vår logiska hjärna rationaliserar dessa responser och beskriver dem som känslor. Vi tar med sammanhanget i beräkningen och definierar våra känslor efter det. Den här processen fungerar emellertid inte likadant hos alla. Eftersom våra kroppar utlöser olika kemikalieflöden i respons till olika yttre faktorer, reagerar vi olika på varje situation. Har du någonsin sett någon som blir utskälld på ett möte, men som bemöter påhoppet med bara ett lätt höjt ögonbryn? Eller sett på medan någon får dåliga nyheter men bibehåller sitt lugn? Du är säker på att du skulle ha höjt rösten eller börjat gråta, men våra reaktioner definieras av hur våra nervceller samarbetar i nätverk. Våra tidigare erfarenheter och genetiska anlag påverkar vår hjärnkemi och

”Våra känslor bor inte bara i huvud och hjärta – hela kroppen förändras för att reagera på den kemiska stormen i våra system”

VÅRA KÄNSLORS KEMI Där två nervceller möts finns ett mycket litet mellanrum (en synaps). Den elektriska nervimpulsen som löper längs nervcellens axon måste omvandlas till en kemisk signal för att överbrygga luckan. Kemikalierna som ombesörjer detta kallas signalsubstanser. Dessa kemiska budbärare är inblandade i våra olika reaktioner på olika situationer. Dina känslor beror på fluktuerande nivåer av signalsubstanser, vilka initierar aktiveringen av olika delar av hjärnan som ansvarar för olika humör, eller aktiverar delar av hjärnan som utlöser en stimulering av det autonoma nervsystemet. O

ADRENALIN Ämnet utsöndras av binjurarna som sitter högst upp på varje njure. Det ökar blodflödet till musklerna, höjer hjärtfrekvensen och utvidgar pupillerna. Det är avgörande i vår kamp- och flyktreaktion för överlevnad.

NORADRENALIN

DOPAMIN

Likt adrenalin kan utsöndringen av denna kemikalie resultera i ökad vaksamhetsnivå, vilket gör oss redo att handla om behovet uppstår. Den ökar även blodtrycket och vidgar andningspassagerna.

Hjärnan älskar detta vanebildande belöningsämne. Det motiverar dig att söka upp det du behöver för din överlevnad. Vi kan komma att bli förslavade under denna urgamla belöningsmekanism.

OH O H2N S S O O H2N

H N O

N H

N H OO O

N H HN H HN N

O NH2

NH2

OXYTOCIN Oxytocin är även känt som ”kärlekshormonet”, vilket frisätts när du är nära en annan person. Det är avgörande när vi skapar starka sociala band och spelar dessutom en viktig roll när vi väljer att lita på någon.

N O

ACETYLKOLIN

GABA Gammaamino-smörsyra (GABA) ansvarar för att reglera muskeltonus, samt att reglera kommunikationen mellan hjärnceller. Den kan lugna oss genom att verka hämmande på avfyrandet av nervceller.

Det här är den huvudsakliga signalsubstansen i det parasympatiska nervsystemet, som dämpar hjärtfrekvensen, drar ihop glatt muskulatur, utvidgar blodkärl och ökar kroppsliga sekretioner.

O N

N O

O O

GLUTAMAT

ENFDORFINER

SEROTONIN

Den vanligast förekommande signalsubstansen i ryggradsdjurens nervsystem är glutamat, som används för att överföra signaler till andra celler. För mycket av ämnet kan orsaka kognitiva handikapp.

Utlösta av smärtupplevelser arbetar endorfiner med att hämma överföringen av smärtsignaler. Studier har tytt på att endorfiner, som kan framkalla en känsla av eufori, även kan stimuleras av skratt.

Serotonin är kopplat till vårt välbefinnande och vår glädje, och nivån påverkas av motion och exponering för sol. Det hjälper också till att reglera våra stämningslägen, sömncykler och matsmältning.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 44

17.09.2019 08:26

VETENSK APEN BAKOM K ÄNSLOR BAKRE GÖRDELVINDLINGEN Denna region sköter erinran av känslominnen, och den stimuleras när vi dagdrömmer eller minns tidigare erfarenheter.

FRÄMRE GÖRDELVINDLINGEN Detta område tilldelar känslor från interna och externa stimuli och ansvarar för kommunikation förknippad med våra känslotillstånd.

KÄNSLORNAS ANATOMI OLIKA OMRÅDEN AV DIN HJÄRNA OCH KROPP STIMULERAS AV OLIKA KÄNSLOR

ANTERIOR CINGULATE CORTEX This area is involved in assigning emotions to internal and external stimuli and is responsible for the vocalisations associated with our emotional states. Detta område är involverat i att tilldela känslor till interna och externa stimuli och är ansvarig för de vocaliseringar som är förknippade med våra känslomässiga tillstånd.

HYPOTALAMUS Den här regionen reglerar hormoner och kontrollerar det autonoma nervsystemet i respons till stimuli. Den kan bland annat utlösa insulin frisättning, öka hjärtfrekvensen eller omdirigera blodflödet.

AMYGDALA Denna lilla kärna ansvarar för att upptäcka rädsla och förbereda våra kroppar för nödläge. Stimulering av detta område orsakar oro och försvarsbeteende.

GYRUS PARAHIPPOCAMPALIS Detta område ansvarar för att lagra känslominnen samt bearbeta syn- och hörselintryck. Det hjälper oss att tolka vad vi känner utifrån ett visst sammanhang.

HIPPOCAMPUS Hippocampus ansvarar för att skapa minnen. Den hjälper oss att reglera våra känslor genom att låta oss jämföra händelser med liknande tidigare erfarenheter.

KÄNSLOCENTRUM Din hjärna känner igen externa stimuli och genererar fysiska och emotionella reaktioner. Detta kan den göra även när vi inte är medvetna om påverkande yttre faktorer.

SEPTALA KÄRNOR (SYNS INTE)

Dessa strukturer (belägna nära hypotalamus) hänger ihop med känslor av social samhörighet. De är speciellt aktiva när vi har positiva känslor för andra, som exempelvis villkorslös tillit eller empati.

FYSISK A REAKTIONER

KOPPLA Signalsubstanserna sprids över det mellanrum som kallas synapsklyftan för att nå nästa nervcell via receptorer (beige).

KEMISK A BUDBÄRARE

När en nervimpuls når en synaps kan den inte hoppa direkt till nästa nervcell. I stället utlöser vesiklar (större rosa kulor) frisättningen av signalsubstanser (små rosa kulor).

Våra känslor kan leda till förändringar i kroppen, som exempelvis ”fjärilar” i magen, att hjärtat slår fortare och så vidare.

ÖVERFÖRING När signalsubstanser binder sig vid receptorerna öppnas nervcellens jonkanal så att joner (små gula kulor) kan strömma in, vilket utlöser nästa nervimpuls.

How It Works 45 45

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 45

17.09.2019 08:27

därmed våra fysiologiska reaktioner, vilka i sin tur avgör hur vi reagerar i olika situationer – som när någon ställer in ett möte i sista minuten eller när en vän överraskar oss och oannonserad dyker upp utanför dörren. Ibland kan våra känslor tyckas vara irrationella reaktioner, men våra hjärnor har omsorgsfullt utvecklat mekanismerna med ett enda syfte – att hålla oss vid liv. Vi tolkar olika känslor som positiva eller negativa, men de utvecklades i de äldsta delarna av människans hjärna enligt principen att vi måste överleva. Vi utvecklade känslor som en kommunikativ funktion och för att hjälpa oss att navigera säkert i sociala interaktioner och våra omgivningar: de är designade för att skydda oss. Våra rädsloreaktioner var ursprungligen

De kemikalier som frisätts när vi är nära vår familj hjälper oss att bygga upp tillit och närhet.

ILSK A

RÄDSLA

ÄCKEL

GLÄDJE

SORG

en överlevnadsteknik som varnade oss för potentiell fara, som exempelvis vårt medfödda obehag inför spindlar och ormar. Sedan finns känslan av äckel, som varnar oss för mat eller andra substanser som kan vara farliga. Våra övriga känslor är reaktioner på sociala interaktioner som hjälper oss bli accepterade i en grupp. Vi är i grunden sociala varelser och har genom vår evolution förlitat oss till vår folkstam för att överleva. Ilska är en reaktion på upplevda sociala hot eller ett tecken på dominans, stolthet kan hjälpa oss att lyfta vår sociala status, medan skam är avsett att degradera vår ställning inom en grupp. Dessa känslor upprätthöll den sociala balansen i vår stam – vilka vi följer, litar på och bryr oss om. De grundläggande känslorna som motiverar FÖRVÅNING

NEUTRALITET

MER AKTIVITET

ORO

KÄRLEK

DEPRESSION

FÖRAKT

STOLTHET

SK AM

AVUND

MINDRE AKTIVITET

HUR VI UPPLEVER KÄNSLOR I KROPPEN Vi upplever inte bara våra känslor i huvud och hjärta – vårt kroppstillstånd förändras när vi reagerar på den kemiska stormen i systemet. Vi kan känna en hård knut i magen när vi bävar för att gå upp på en scen för att hålla ett tal, och vi kan känna hur vi rodnar om kinderna när vi svarar fel på en fråga. Forskare från Aalto-universitetet i Finland undersökte hur människor fysiskt upplever

sina känslor genom att kartlägga deras förnimmelser topografiskt. Resultaten var desamma över västeuropeiska och östasiatiska kulturer, vilket tyder på att människans upplevelse av känslor snarare har en biologisk källa än är kulturellt betingad. Studien betonade också att känslor justerar våra kroppstillstånd antingen för att förbereda oss fysiskt för

flykt eller kamp eller för att motivera oss att söka angenäma sociala reaktioner. Studien omfattade mer än 700 deltagare från Finland, Sverige och Taiwan. Man framkallade olika emotionella tillstånd hos deltagarna innan de ombads att färglägga områden på bilder av människokroppen, för att markera i vilka områden de upplevde ökad eller minskad aktivitet.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 46

17.09.2019 08:27

VETENSK APEN BAKOM K ÄNSLOR oss individuellt är nästan alltid glädje och sorg. Förlust leder till sorg, vilken har det biologiska syftet att motivera en person att återvinna det förlorade, oavsett om det är ett litet barn som letar efter sin mamma på en stormarknaden, eller att kämpa för att få ett nytt jobb efter att ha blivit uppsagd. Men den i särklass mest eftersträvade mänskliga känslan är glädje. När du sitter vid en lägereld, säker ute på landet med några nära vänner och god mat upplever du glädje för att du har hittat de resurser som din primitiva hjärna söker. Att vår art dras till glädje i så hög grad beror på att den triggar vår hjärnas belöningssystem för att ha hittat trygga omgivningar. En frisk mänsklig hjärna hanterar sorg när våra sociala band bryts, kommunicerar med våra nära och kära och kan känna igen och reglera våra känslor även när de inte upplevs särskilt positiva. Titta efter känslor nästa gång du sitter i en avgångshall på en flygplats. Våra kroppar har skapat dessa upplevelser – tårarna när vi tar farväl, leendena när vi återförenas – för ändamålet att hålla oss vid liv. Våra emotioner och känslor är vad som gör oss mänskliga, men de tar också med oss på en rejäl bergochdalbana.

HUR MÅNGA KÄNSLOR HAR VI EGENTLIGEN?

De emotionella mekanismerna i våra kroppar utvecklades för att hålla oss utom fara och för att underlätta våra sociala kontakter.

“Att läsa andras känslor är en viktig kompetens när vi navigerar oss fram i livet”

Man har länge trott att det finns sju grundläggande känslolägen: ilska, äckel, rädsla, glädje, sorg, förvåning och förakt. Hypotesen har varit att andra eventuella känslor helt enkelt är kombinationer av dessa grundkänslor, som att exempelvis förväntan är en blandning av rädsla och glädje. En studie som nyligen publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America av forskare vid UC Berkeley, visar att vi kan ha många fler känslor som avviker markant från varandra, men ändå är besläktade. Studien använde 2 185 korta videoklipp som var framtagna för att väcka känslor i de 853 deltagarna. De innehöll till exempel en söt bebis som lekte med ett par gulliga valpar, en man som håller en tarantel inuti sin mun och ett lyckligt par som gifter sig. Deltagarna ombads notera vilka känslor videoklippen utlöste och hur starka reaktionerna var. Studien visar att det finns 27 väl avgränsade känslor, bland annat fruktan, genans, lugn, förvirring, äckel, nostalgi, nedstämdhet, sympati, skräck och segerglädje.

UNIVERSELLA UTTRYCK

Uttryck av glädje och sorg ser generellt sett likadana ut över hela världen, men förvåning och rädsla tolkas olika mellan olika kulturer.

Förmågan att avläsa andras känslor är avgörande när vi navigerar oss fram genom livet – det skulle lätt uppstå en obekväm situation om du feltolkar din vän som glad när hen egentligen är arg på dig. Den förhärskande teorin har länge varit att vårt sätt att visa känslor med hjälp av ansikts uttryck är universellt, innefattar alla kulturer och omfattar sju grundläggande känslor: ilska, äckel, rädsla, glädje, sorg, förvåning och förakt. Under mer än ett århundrade har man i studier utforskat teorin om universella ansiktsuttryck genom att be människor tolka fotografier som uppvisar olika känslor, trots att det finns en del kulturer i världen som inte uppfattar alla känslouttryck på samma sätt. En studie upptäckte att personer boende på Trobriandöarna utanför Papua Nya Guinea inte tolkade bilder av människor med uppspärrade ögon och lätt öppna munnar som ett uttryck av rädsla. I stället identifierade trobrianderna känslan som ilska. Denna forskning är den första i sitt slag som har hittat belägg för att våra känslouttryck inte är universella utan kan variera samhällen emellan. Vi kan ha fler känslor än vi ens har ord att ge uttryck för i våra språk.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 47

17.09.2019 08:27

VETENSKAPEN BAKOM SMÄRTA VÅRT INRE LARMSYSTEM JOBBAR DYGNET RUNT FÖR ATT HÅLLA OSS I SÄKERHET

iljontals känsliga nerver skyddar vår vävnad genom att vara på vakt mot fysiska hot. Sensorerna, eller smärt receptorerna, har utvecklats för att upptäcka förändringar i temperatur, tryck och kemi. De har hög aktiveringströskel och skickar bara smärtsignaler om kroppen riskerar skada. Stiger hudtemperaturen över 40 grader Celcius eller dyker under 15 grader, sätter värmereceptorerna i gång brandvarnaren. Om trycket överskrider tre kilo per kvadrat centimeter, eller om huden sträcks ut eller

spricker, aktiveras mekanoreceptorerna. Skadas celler och deras innehåll börjar läcka ut slås kemoreceptorerna på. En snabb reaktion när smärtreceptorer aktiveras är avgörande. Med handen i en eldslåga måste kroppen reagera på nolltid. Smärtreceptorerna skickar signaler till ryggmärgen, som utför det första steget i responsen. Den bearbetar en del av informationen utan hjärnan och utlöser reflexen att dra tillbaka handen. Det är den enklaste formen av skadekontroll och

primitiva djur känner och reagerar likadant på skada. Smärta är dock inte bara en reflex. När handen dras tillbaka från elden färdas signalen från smärtreceptorerna genom ryggmärgen mot hjärnstammen. Den fort sätter till hjärnbarken, som ombesörjer kognition och medvetande. Där kopplar inkommande sensoriska signaler ihop minne och känsla, vilket producerar den komplexa känslan av smärta. Den obehagliga upp levelsen efteråt hjälper oss att minnas farliga aktiviteter och att undvika dem i framtiden.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 48

17.09.2019 08:27

VETENSK APEN BAKOM SMÄRTA BEARBETNING Hjärnan bearbetar inkommande signaler och lagrar information om fara och sammanhang för att undvika dem i framtiden.

ÖVERFÖRING

SMÄRTRECEPTOR Nerver i huden upptäcker fara, som extrem temperatur eller tryck.

KÄNNA FARA

Elektriska signaler passerar längs nerverna till ryggmärgen.

SMÄRTNERVERNA ÄR KROPPENS INBYGGDA LARMSYSTEM

BÖJREFLEX

Nervceller i ryggmärgen aktiverar motoriska nerver i armarna, så att musklerna snabbt dras ihop och drar undan handen.

DISK

RYGGMÄRG

REFLEX Innan signalerna ens når hjärnan utlöser nervceller i ryggmärgen en böjreflex.

NERVROT

KOTKROPP KRONISK SMÄRTA Skada på smärtbanan kan orsaka att delar aktiveras vid fel tidpunkt, vilket kan ge svårbehandlad, långvarig smärta.

DISK

”Kroppen måste reagera på nolltid” 49

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 49

17.09.2019 08:27

OLIKA SORTERS SMÄRTA Smärta kan vara kortvarig (akut) eller långvarig (kronisk). Den kan vara lindrig, obehaglig, plågsam eller handikappande. Den kan vara dov, hård, skarp, den kan värka, hugga, bulta eller bränna. Den kan komma och gå eller vara konstant. Smärtupplevelser hamnar i en av två huvudkategorier: nociceptiv respektive neuropatisk smärta. Nociceptiv smärta är den normala reaktionen på vävnadsskada. Smärtnerver känner av extrem temperatur, extremt tryck eller skadliga kemikalier och skickar signaler till hjärnan. De gör oss uppmärksamma på fara, uppmanar oss att vila det skadade området och påminner oss om att undvika samma situation i framtiden. Neuropatisk smärta har däremot inget praktiskt syfte. Skador, sjukdomar och infektioner kan skada de nervceller som upplever smärta, och är skadan irreparabel, kan de skicka felsignaler. Nerverna skickar smärtsignaler utan att det finns någon smärta och hjärnan kan inte avgöra skillnaden. Den här smärttypen är speciellt svår att behandla. Inflammerade leder i handen till höger orsakar nociceptiv smärta.

KAN VI MÄTA SMÄRTA? Hur konverterar man den subjektiva upplevelsen av smärta till hårda siffror? I ett av de första försöken användes en dolorimeter, ett instrument som brände eller tryckte på huden tills patienten sade ”aj”. Detta skulle avslöja deras smärttröskel, det vill säga den grad av tryck eller värme de kunde tolerera. I dag är det vanligaste sättet att mäta smärta att helt enkelt fråga någon hur de mår och hur ont de har på en skala från ett till tio. Forskare vid Colorados universitet har testat datortomografi för att hitta ett mer vetenskapligt sätt. 0

Mycket lindrig

Ingen smärta

Lindrig

Mycket plågsam

Uthärdlig

Obehaglig

Forskarna använde, som med dolorimetern, hög värme mot hud, men i stället för att vänta på ett ”Aj!”, studerades patienternas hjärnor. Totalt deltog 114 personer i studien, som även inkluderade forskare från tre andra universitet i USA. Varje person utsattes för ett spektrum av olika temperaturer, vilket avslöjade individuella mönster av hjärnaktivitet som förutspådde den fysiska smärtnivån. Mönstren avvek från emotionell smärta och minskade med smärtstillande läkemedel, vilket gav ett objektivt sätt att uppskatta reell smärta.

Måttlig

Outhärdlig

Mycket intensiv Intensiv

Plågsam

Fasansfull

Obeskrivlig

Allvarlig

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 50

17.09.2019 08:27

VETENSK APEN BAKOM SMÄRTA

AKUT KONTRA KRONISK SMÄRTA KÄNN IGEN SKILLNADEN MELLAN DE TVÅ ÖVERORDNADE SMÄRTTYPERNA

En del studier har visat att kvinnor upplever smärta mer intensivt.

KRONISK

Går över efter att sjukdomen eller skadan har blivit bättre.

TID

Fortsätter långt efter att skadan har läkt.

Nervaktivering som respons på verklig vävnadsskada.

ORSAK

Inte alltid möjlig att hitta.

Får systemet att undvika skada och ta sig tid att läka.

SYFTE

Inget märkbart biologiskt syfte.

Fokus på att behandla den underliggande orsaken.

BEHANDLING

Fokus på att hantera smärtan och minska konsekvenserna.

BEHANDLING AV KRONISK SMÄRTA

AKUT

Forskare utvecklar smärtbehandlingar som är inriktade på nervtillväxtfaktorer.

Många receptfria smärtstillande medel motverkar inflammation, vilket innebär att de inte alltid är effektiva mot kronisk smärta. Opiater, som kodein och morfin, hindrar att smärtsignalerna når fram till hjärnan. Eftersom de är beroendeframkallande och effekten avtar med tiden är de inte att rekommendera för långvariga behandlingar. Det finns alternativ som exempelvis antidepressiva och anti konvulsiva medel. De förändrar hjärnans kemi, men hjälper inte alla. Läkemedelsindustrin har börjat undersöka nervtillväxtfaktorer (NGF), en typ av proteiner som bildas i hjärnan. De förändrar smärtkänslig heten hos nerverna och när NGF har blockerats i djur har det visat sig hjälpa till att reducera smärta. Försök som genomfördes på människor år 2010 hade dessvärre skadliga bieffekter, som till exempel minskad blodtillförsel till skelettet. Därför lär det dröja lång tid innan de är säkra att använda. Fysisk och psykologisk terapi kan hjälpa genom distraktion, men många lider dagligen av kronisk smärta. Utan någon orsak som läkarna kan behandla blir det extremt svårhanterligt.

”Nervtillväxtfaktorer förändrar nervernas smärtkänslighet och minskar smärta” 51

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 51

17.09.2019 08:28

DÖDA SMÄRTAN Skadad vävnad orsakar mekaniska och kemiska förändringar som aktiverar smärtneuroner. Dessa nervceller skickar signaler till ryggmärgen som vidareförmedlar dem till hjärnan. Smärttabletter går in och försöker blockera processen genom att ingripa vid olika stadier. De vanligaste receptfria smärt tabletterna verkar vid starten av smärtförloppet. Icke-steroida antiinflammatoriska läkemedel (NSAID) – som ibuprofen – hämmar de kemiska signaler som aktiverar smärtneuronerna. Det gör de genom att påverka ett enzym kallat cyklooxygenas (COX). COX-enzymet skapar kemiska signaler kallade prostaglandiner, som främjar inflammation. När enzymet blockeras dämpas den inflammatoriska reaktionen och smärtan lindras. Nästa steg i smärtbanan är över föringen av smärtsignaler till rygg

märgen. Där fungerar lokalbedövnings medel. För att nervceller ska signalera måste de transportera natriumjoner över sina membran. De har en laddning och skapar en elektrisk signal. Lokal bedövning blockerar de kanaler som transporterar jonerna och sätter helt stopp för smärtsignalerna. De mest kraftfulla läkemedlen, opioider, ingriper vid nästa del av smärtbanan: de hindrar att signalerna når hjärnan. Gruppen omfattar kodein, morfin och den olagliga drogen heroin. Verkningsområden är ryggmärg och hjärnstam och de förhindrar att smärtsignalerna passerar. Narkosmedel verkar i kedjans sista länk. De leder till att hjärnan är omedveten om smärta genom att påverka hur nervceller skickar signaler till varandra. Alla former av smärt lindring har fördelar och nackdelar beroende på situation.

Smärttabletter påverkar hur vår kropp upplever och reagerar på skada.

PERSONER SOM INTE KÄNNER SMÄRTA Det är ytterst sällsynt, men det händer att människor föds utan att kunna känna smärta. En defekt i en gen kallad SCN9A medför att deras smärtneuroner inte kan överföra signaler. Det innebär att de inte kan tala om när varmt blir brännande, när kallt hamnar under fryspunkten eller tryck blir krossande. Genen SCN9A kodar för ett protein som utgör en del av en struktur kallad en natrium

kanal. De elektriska signalerna färdas med natriumjoner längs nerverna och kanalerna styr deras rörelse. Med mutationen i genen passar kanalerna inte ihop med varandra och smärtneuronerna förlorar förmågan att signalera. Det kanske låter som en super kraft, men att inte kunna känna smärta leder till att personer med dessa genetiska fel är mycket mer benägna att skada sig själva.

Fel i SCN9A-genen stänger av smärtneuronerna genom att avsluta translationen av proteiner.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 52

17.09.2019 08:28

VETENSK APEN BAKOM SMÄRTA

PORTTEORIN

Att gnida eller hålla en skadad kroppsdel kan slå ut en del av smärtsignalerna innan de når din hjärna.

Har du någonsin slagit foten och genast sträckt dig ned för att hålla om den? Eller har du bränt ett finger och instinktivt stoppat in det i munnen? Det är exempel på portteorin. Smärtsignaler färdas från det skadade området till din hjärna längs tunna nerver. Inne i ryggmägen konkurrerar de om bandbredd med andra nerver som också försöker skicka signaler till hjärnan. Det omfattar även större nerver som bär andra sorters signaler, såsom tryck och beröring. Både smärtsignaler och andra signaler försöker nå projektions neuronerna i ryggmärgen, men det står en portvakt i vägen. Portvakten är en hämmande neuron. Den lyssnar på signaler från både smärtnerver och sensoriska fibrer och avgör vilka som får skicka sina signaler till projektions neuronen. När en smärtsignal anländer ensam släpper interneuronen in den genom porten, men när en sensorisk signal passerar porten stängs smärtsignalen av. Så om du applicerar tryck på den tå du har stött i kan det förhindra att en del smärtsignaler når din hjärna, så att du på ett naturligt sätt blockerar den obehagliga känslan.

SMÄRTPORTARNA STÄNGS KAN ANDRA UPPLEVELSER STOPPA SMÄRTSIGNALERNA INNAN DE NÅR HJÄRNAN?

A-BETA-FIBER När huden förnimmer beröring, tryck och vibration, färdas signaler längs stora, långsamma, isolerade nerver.

HUDMASSAGE

THALAMUS

C-FIBER När huden upptäcker skada färdas signaler längs tunna, snabba, oisolerade nervfibrer.

INTENSITET HOS SMÄRTSTIMULI BAKHORN

ANALGETIKA

SMÄRTLINDRING

SENSORISK ÖVERBELASTNING

När de beröringskänsliga nervfibrerna är aktiva släpps färre smärt signaler igenom porten.

Porten ger företräde till större A-betafibrer och släpper igenom signaler om icke-smärtsam beröring. GELATINÖSA SUBSTANSEN

PORTKONTROLL

MINSKADE SMÄRTSTIMULI

HÄMMANDE INTERNEURON

SMÄRTPORT De två signaltyperna tävlar om att passera genom ”porten” in till ryggmärgen.

”All smärtlindring har fördelar och nackdelar beroende på situation”

En nervcell sitter mellan de två fibrerna, lyssnar efter signaler och avgör vilka som får passera.

TILL DE SPINOTALAMISKA BANORNA

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 53

17.09.2019 08:28

LIVET

EFTER

ÅLDRANDEFORSKARE GÖR SIG REDO ATT FLYTTA GRÄNSERNA. HUR GAMLA KAN VI BLI?

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 54

17.09.2019 08:28

LIVET EF TER 100

Varför åldras vi?

Skador Med tiden ansamlas det allt fler fel i vårt dna. Detta beror dels på skador från den Kalorier Stamceller omgivande miljön, dels Detta är en av Stamceller kan på fel vid de mest reproduceras för att celldelningen. etablerade teorierna ersätta skadade eller inom åldrandeutslitna celler. När vi åldras forskningen. Råttor, möss blir de mindre funktionella, och primater som äter mindre vilket gör att reparationslever som regel längre. processerna går långsammare.

Vad gör att vår kropp åldras? Det finns flera olika faktorer som bidrar till åldrandeprocessen.

Inflammation

Glykering

Kronisk inflammation spelar en viktig Med tiden bildas molekyler som roll i många åldersrelaterade kallas avancerade glykolyserade sjukdomar, även när det inte slutprodukter (AGE) i föreligger någon infektion kroppen. De har betydelse som ska bekämpas. Telomerer för flera åldersFörhållandet till I ändarna på relaterade åldrande vet vi kromosomerna finns sjukdomar. dock inte det skyddande dna som mycket kallas telomerer. När en cell om. delas förlorar den en liten del.

”Ur ett evolutionärt perspektiv är det inte viktigt att ha gener som ger ett långt liv.”

i föds, vi lever och vi dör. Detta är den mänskliga existensens naturliga cykel, men vissa lever längre än andra. Den äldsta människan vi känner till var fran syskan Jeanne Louise Calment som blev imponerande 122 år och 164 dagar. Det finns även en indonesisk man som ska vara 145 år och en boliviansk man på 123 år, men för dem finns det inga säkra uppgifter om födelseda tum. Vad är hemligheten bakom så långa liv? Människor är otroligt komplexa varelser och lever ovanligt länge, något som gör forskning på åldrandeprocesser till en stor utmaning. Den största delen av åldrande forskningen har därför utförts på djur. De flesta forskare föredrar Caenorhabditis elegans, en liten rundmask som är ungefär

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 55

lika stor som ett kommatecken, och Mus musculus, husmusen – den gamla hederliga labbmusen. Maskarna lever i ungefär tre veckor medan mössen har en förväntad livslängd på runt tre år. Båda arterna har många gener som liknar våra egna. Med hjälp av de här djurmo dellerna har forskarna hittat flera faktorer som de tror kan bromsa åldrandeprocessen, bland annat stamceller, kalorirestriktion och mediciner. Forskare världen över har i flera år försökt knäcka koden, och efter ett decennium av genomgripande forskning har de nu en rad teorier som dock hittills inte har testats på människor. Vi hörde av oss till Brian Kennedy, chef för Buck Institute for Research on Aging,

för ett samtal. ”Vi är en ideell forsknings organisation som arbetar med människans förståelse av åldrande. När vi bildades 1999 insåg vi snabbt att åldrande är den viktigaste riskfaktorn för alla sjukdomar vi forskar på”, förklarar han. ”Jag tycker det är jättespännande att vi nu ser att det faktiskt är möjligt att bromsa åldrandeprocessen hos möss, och till och med hos primater. Utmaningen ligger nu i att testa detta på människor. Vi pratar inte bara om ökad livslängd, utan även fler friska år. Man har kommit fram till flera olika lösningar på det här forskningsområdet och nu är det dags att testa dem i praktiken!”

Det finns inget enkelt svar på den frågan. Som med nästan allt annat inom biologin har förklaringen att göra med genetik och miljö. En av de mest renommerade teorierna om varför vi åldras går ut på att det är ett evolutionärt misstag. Enligt Charles Darwins berömda teori fortplantar sig de bäst anpassade djuren mer än de mindre välutvecklade och har större chanser att föra sina gener vidare till nästa generation. För att kunna föröka sig måste en individ överleva uppväxten, hitta en partner och se till att avkomman överlever sin uppväxt. Med tiden får kroppen skador och börjar brytas ned, och när en individ har fortplantat sig spelar det inte längre någon roll hur länge den lever. Ur ett evolutionärt perspektiv är det därför inte viktigt att ha gener som ger ett långt liv. Tvärtom kan det vara positivt att leva intensivt och dö ung, om det betyder att individen har större chans att föra sina gener vidare.

17.09.2019 08:29

”Trots en till synes enastående ökning av människans livslängd har de allra äldsta av oss inte blivit speciellt mycket äldre de senaste 2 000 åren.”

Finns det en övre gräns för hur gamla vi kan bli?

80 70

60 År 2010 uppskattade man att runt åtta 50 procent av världens befolkning var över 65 år. År 2050 förväntar man att den här 40 andelen ska ha ökat till 16 procent – det är ungefär 1,5 miljarder människor. Men trots 30 en till synes enastående ökning av människans livslängd har inte de allra äldsta av oss blivit speciellt mycket äldre de senaste 2 000 åren. Brian Kennedy förklarar detta på följande sätt: ”Medianvärdena för den mänskliga livslängden har ökat ganska drastiskt, men det är bara medianen. Frågan om vi kan öka maxåldern förblir obesvarad.”

Den förväntade medellivslängden ökar

60–80

Den genomsnittliga livslängden har förändrats drastiskt under historiens lopp.

Förhistorisk tid Antiken Ett fåtal förhistoriska människor blev gamla, men de flesta dog i 30-årsåldern.

Några få av de gamla grekerna och romarna blev över 70 år.

35– 45 Medeltiden

På den här tiden handlade det inte bara om att överleva födsel och barndom …

Viktoriansk tid Tre av tio spädbarn dog före sin ettårsdag.

Idag

Den förväntade livslängden varierar idag. Högst är den i i-länderna.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 56

17.09.2019 08:29

LIVET EF TER 100 Kliniska studier på människor krävs för att se om medicinerna faktiskt har effekt.

Piller mot ålderdom Ett piller mot ålderdom låter kanske för bra för att vara sant, men forskarna som håller på att utveckla just ett sådant skulle nog inte instämma. Två av de bästa kandidaterna är rapamycin och Metformin. Vi har länge vetat att ett begränsat kaloriintag leder till längre liv hos möss, och forskarna har nu lyckats identifiera specifika gener som påverkar ett nätverk för analys av näringsämnen, kallat TOR (target-of-rapamycin). När celler innehåller mycket näringsämnen ger det här nätverket tillväxt, men när celler innehåller lite näringsämnen, säger det till cellen att åter vinna sina egna molekyler. Den här brytaren är

livsviktig. Rapamycin är ett ämne som redan används för att transplantationspatienters kroppar inte ska stöta bort transplanterade organ. Det sänker aktiviteten i TOR-nätverket så att celler återvinns i högre grad. Rapamycin bromsar åldrandeprocessen hos maskar, flugor och möss, men har ännu inte testats på människor. En annan ”ålderdomsbroms” är Metformin. Det är ett ämne som sänker produktionen av glukos i levern och ökar glukosupptaget från blodet. Ämnet ges redan till diabetespatienter. Forskning på maskar och möss visar att Metformin förutom att minska förekomsten av

åldersrelaterade sjukdomar hos diabetiker även kan förlänga livet. Det är ännu ovisst om ämnet har effekt på i övrigt friska människor, och forskare i USA väntar otåligt på att få göra kliniska tester för att ta reda på detta.

”Forskning på maskar och möss visar att metformin kan förlänga livet.” 57

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 57

17.09.2019 08:29

Kromosom

Telomerteorin

Kan de små, skyddande ändarna på vårt dna innehålla svaret på åldrandets gåta?

I de flesta celler i människo kroppen finns 23 kromosompar. Dessa X-formade strukturer innehåller hela vår genetiska kod i en lång dna-molekyl.

Nukleotid

Telomeras producerar nya telomerer genom att infoga nya dna-bokstäver, så kallade nukleotider.

Telomeras

Vissa celler innehåller ett ämne som heter telomeras som kan reparera skadade telomerer.

Dna-kopia

Varje gång en cell delar sig måste den kopiera alla sina kromosomer så att båda cellerna har en komplett dnauppsättning.

Telomerer Reparerade telomerer

Förmågan att reparera telomererna är inaktiverad i de flesta vuxna celler.

Kortare telomerer

På grund av sättet som dna kopieras på bryts en liten del av telomererna ner varje gång cellen delar sig.

I kromosomändarna sitter dna-sekvenser utan gener som skyddar resten. Den genetiska kodens bokstäver, TTAGGG, upprepas om och om igen.

Celldelning

En cell delar sig för att möjliggöra tillväxt och reparation. Den delar sig i två dotterceller, båda med en fullständig uppsättning kromosomer.

Åldrad cell ,,Celldöd

Om telomererna blir för korta kan de dö, genom en kontrollerad process som kallas apoptos, eller åldras.

En cell med korta telomerer kan också åldras, eller gå i dvala. De här cellerna delar sig inte längre och fungerar inte som vanliga celler.

Uppskjutet åldrande Banbrytande forskning hoppas kunna knäcka åldrandets gåta och ge dig ett bättre och friskare liv. Nästan alla våra celler har 23 kromosompar. Varje kromosom innehåller en lång dnamolekyl som omfamnar en rad proteiner i en slags X-form. I änden av dessa finns det skyddande strukturer som kallas telomerer. Åldrandeforskare har varit uppmärksamma på dessa i flera år eftersom de blir lite kortare varje gång cellen delar sig. Till slut är telomeren så liten att cellen inte längre kan dela sig. Även Brian Kennedy har tittat närmare på dem: ”Om du tar ut en cell ur kroppen och låter den dela sig i ett provrör ser du att cellen till slut inte kan dela sig längre. I 50 år har vi betraktat detta som en viktig faktor för åldrande.” Telomeren kan förlängas med hjälp av ett enzym som kallas telomeras och finns i stamceller, men i de flesta vuxna celler är telomeraset inaktiverat. Utan det här ämnet blir telomererna gradvis allt kortare ju äldre vi blir, och till slut upphör cellerna att fungera. Vissa av de gamla cellerna dör medan andra bara slutar dela sig och blir inaktiva. Forskare vid Buck-institutet är väldigt intresserade av dessa gamla, men levande, celler. ”Judy Campisi, en av våra forskare, utvecklade en strategi för att eliminera åldrade celler”, fortsätter han. ”Problemet har alltid varit att det inte finns så många av dem, inte ens hos mycket gamla människor, kanske bara fem till tio procent av vävnaden. Så ett viktigt motargument har länge varit att om dessa celler utgör en så liten del av vävnaden, hur kan de vara så viktiga för åldrandet? Judy Campisi har upptäckt att de åldrade cellerna släpper ut ett ämne som är skadligt för de andra, friska cellerna.” Judy Campesi studerade först denna effekt hos möss och lyckades döda de åldrade cellerna med hjälp av genteknologi. ”När man gör det håller sig djuret friskt längre”, förklarar Kennedy. Judy Campesi arbetar nu på att utveckla ett ämne som återskapar samma effekter. Åldrade celler bidrar potentiellt till fler åldersrelaterade sjukdomar och det är den egenskapen som gör dem så viktiga för forskarna. ”Vårt mål har alltid varit att se till att människor kan vara friska och pigga längre. De blir förmodligen även äldre, men det viktigaste för oss är att bidra till ökad livskvalitet.”

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 58

17.09.2019 08:29

LIVET EF TER 100

Framtidens ålderdom

Ungdomens källor

Mediciner kan en vacker dag kanske bromsa åldrandet och se till att sjukdomar som alzheimer och parkinsons sjukdom försvinner.

Genteknik

Genom att redigera ungdomsgener i vårt genom kan vi eventuellt förändra hur människor åldras.

Kloning

Vad sägs om att leva sida vid sida med en perfekt klon av dig själv? Kloningsteknik kan kopiera dina celler.

Uppgraderade organ Framsteg inom 3D-utskrifter kan leda till special designade organ.

Ersätta kroppsdelar

Bioniska kropps delar kan bli kraftigare och mer slitstarka än naturliga organ.

Ladda hjärnan Kommer vi en dag kunna kopiera den mest komplexa skapelsen i universum?

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 59

Idag koncentrerar sig åldrandeforskningen mest på hur vi ska kunna hålla människor så friska som möjligt så länge som möjligt. Men vi befinner oss mitt i en vetenskaplig revolution, och ingen vågar förutspå vad vi vet om 100 år. Forskarna har redan lyckats utveckla bioniska kroppsdelar som kan styras av tankekraft, de kan göra 3D-utskrifter av delar som transplanteras in i kroppen på patienten och de börjar förstå den enorma potentialen hos stamcellerna. I framtiden hoppas forskarna kunna bryta mot biologins spelregler och använda sig av dessa framsteg för att människan ska kunna bli ”transhuman” – och få ett gradvis längre, och kanske till och med evigt, liv. Tanken på transhumanism är inte ny och innefattar tekniska kroppsdelar, genmodifiering och kloning. Kanske kommer du till och med att kunna överföra dina tankar till ett usb-minne och leva evigt som maskin? Men tyvärr – eller som tur är, beroende på hur du ser på saken – ligger detta fortfarande långt fram i tiden.

17.09.2019 08:30

UTVECK VI FORTFARANDE?

HAR KULTUR OCH TEKNIK FÃ&#x2026;TT EVOLUTIONEN ATT STANNA UPP?

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 60

17.09.2019 08:30

UTVECKLAS VI FORTFARANDE?

”De genetiska skillnaderna oss emellan är förvånansvärt små” Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 61

KLAS

lla människor som lever i dag kan spåra sin härkomst till Östafrika för ungefär 200 000 år sedan – dna från samma kvinna existerar fortfarande i varenda en av våra celler. På den tiden var den mänskliga populationen mycket liten, och hennes ättlingar är de enda som lever vidare idag. De spred sig över kontinenten för 100 000 år sedan och sedan, vidare över hela världen i flera utvandringsvågor. Forskare kallar mänsklighetens moder den mitokondriska Eva. Vi har spridit oss, men de genetiska skillnaderna mellan oss är överraskande små. Det finns ingen större skillnad mellan människor som bor på olika kontinenter eller tillhör olika folkgrupper. Faktum är att det finns fler genetiska skillnader mellan olika underarter av schimpanser. Denna likhet gör att folk undrar om vi har slutat att utvecklas helt och hållet. Evolutionen grundar sig på ett fåtal huvud ingredienser. I varje generation producerar en organism fler avkommor än vad som kan överleva. Det finns skillnader, så kallad fenotypisk variation, mellan dessa individer. Orsakerna till dessa skillnader, gener eller genotyper, är ärftliga, vilket betyder att de kan föras vidare från en generation till nästa. Vissa särdrag passar den aktuella miljön bättre än andra. Individer med dessa drag har en större chans att överleva, föröka sig och föra generna för sina särdrag vidare till nästa generation. Nya särdrag tar sig in i populationer via tre primära sätt, varav det mest kända är mutation. När vi producerar sperma eller ägg kopierar cellerna i våra reproduktionsorgan sitt dna. Denna process är inte felfri och det smyger sig in misstag. Detta leder till små förändringar i den genetiska koden som förs vidare till nästa generation. För det mesta bidrar inte föränd ringarna med något användbart – eller skadligt. Mutationerna är ofta tysta (de gör ingenting) eller neutrala (de gör något, men medför ingen skillnad). Många mutationer sker inte ens i

Modern medicin minskar det tryck som sjukdomar utövar på vår art.

17.09.2019 08:30

generna, utan återfinns i det dna som sitter mellan generna. Det händer emellanåt att en mutation förändrar hur en gen fungerar. Nya särdrag kan också ta sig in i populationer via genflöde. Detta sker när grupper av människor skiljs åt, sedan återförenas igen och då utbyter ny genetisk information. Slutligen kan särdrag förändras på grund av sex. Bebisar ärver arvsmassa från båda föräldrarna, vilket leder till nya genkombinationer. Under de senaste 100 000 åren har dessa tre mekanismer förändrat de särdrag som gör oss till människor, men evolutionärt är vi fort farande unga. Vi förökar oss långsamt, och det finns en gräns för hur mycket variation som kan ackumuleras på ett par hundra tusen år. Din genetiska information skiljer sig bara från min med cirka 0,1 procent, och de flesta utgörs endast av förändringar i enskilda bokstäver. Trots att vi är olika till det yttre har hela den mänskliga populationen starka familjeband. Våra gener förändras hela tiden, men genetiken är bara en bit av evolutionspusslet. Vår miljö spelar en stor roll när det gäller hur vår art utvecklas. För att nya särdrag ska föras vidare från generation till generation måste de öka våra chanser att överleva. Det är här

TYPER AV URVAL

Darwins naturliga urval kommer in i bilden. Om en genetisk förändring förbättrar en individs chanser att föröka sig ökar även möjligheten att generna förs vidare. Detta kallas för ”de starkaste överlever”, men det handlar inte alltid om att vara störst, starkast eller snabbast. Det gäller att ha särdrag som låter dig dra fördelar av den nuvarande miljön. När miljön förändras kan en annan mutationstyp vara gynnsam. Det är här människans evolution blir komplicerad. Vi kan förändra vår miljö med kultur, vetenskap och teknik, och påverka det naturliga urvalet. Om man blickar långt tillbaka i historien var våra människoliknande förfäder utlämnade åt sin miljö. Lucy, ett berömt fossil av arten Australopithecus afarensis, levde för 3,2 miljoner år sedan. Hon hade apliknande särdrag som stor käke, långa armar och en pälsklädd kropp, men hon gick på två ben. Hon levde i träden som andra apor, men miljön förändrades, träden började försvinna och Lucy tillbringade alltmer tid på marken. Man har hittat ägg nära hennes kvarlevor, vilket tyder på att hon kan ha samlat ihop föda. Mellan Lucy och den mitokondriska Eva tvingade klimatförändringar ut våra förfäder från skogarna och till slätterna. De sprang under

Jordbruket gav oss stabil tillgång till föda och gav tid för vetenskap.

”Din arvsmassa skiljer sig bara från min med cirka 0.1 procent”

DET NATURLIGA URVALET STYRS AV TRE LAGAR, MEN ANDRA SELEKTIVA FAKTORER KAN OCKSÅ SPELA IN

RIKTAT

STABILISERANDE

DIVERGERANDE

Om miljön förändras tvingar den organismer att anpassa sig. Riktat urval pressar särdrag att söka nya lösningar. När en lösning har hittats kan särdragen stabiliseras igen om miljön inte fortsätter att förändras.

Detta uppmuntrar organismer att behålla sina särdrag. Det sker normalt när miljön är stabil och organismen redan är anpassad. Förändringar gör det mindre sannolikt att de för vidare sina gener.

Ibland finns det mer än ett sätt att anpassa sig till miljöförändringar. I sådana situationer utvecklas organismer från mitten och mot ett av två extremfall. Om detta fortgår kan en population splittras.

Selektion mot två extremvarianter

Selektion mot en extrem variant

Selektion från medelvärdet

Population efter selektion Ursprungspopulation

KORT

MEDIUM

LÅNG

KORT

MEDIUM

LÅNG

KORT

MEDIUM

Kort svans hjälper jordekorren att undvika att fångas av rovdjur. Hos katter ger medellånga svansar bättre balans än korta, men utan att vara så långa att de är i vägen.

Vissa ödlor främjas av långa svansar eftersom de liknar ormar och skrämmer bort rovdjur.

LÅNG Lång svans hjälper trädekorren att hålla balansen.

Medellång svans ger ingen särskild fördel.

SEXUELLT

ARTIFICIELL

Naturligt urval gynnar djur som är bäst anpassade till sin miljö, men det är inte det enda sättet. Sexuellt urval främjar särdrag som gör individen attraktiv och ger dem större chans att fortplanta sig, även om det inte ökar chansen till överlevnad.

Artificiellt urval fungerar på samma sätt som naturligt urval, förutom att det är vi som fattar besluten. Genom att välja vilka djur vi avlar på avgör vi vilka särdrag som förs vidare.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 62

17.09.2019 08:30

UTVECKLAS VI FORTFARANDE?

EVOLUTIONÄRA RESTER

VOMERONASALORGAN Detta organ känner av feromoner, vilket hjälper många djurarter att kommunicera med hjälp av kemiska signaler. De flesta vuxna har ett, men man vet inte om det ännu fungerar.

MÄNNISKAN HAR KVAR EN DEL AV VÅRA FÖRFÄDERS ADAPTATIONER

ÖRONMUSKLER De tre musklerna runt örat hjälper katter och hundar att rikta öronen mot ljudkällor. En del människor kan vifta med öronen, men musklerna är inte till någon större nytta för oss.

VISDOMSTÄNDER Fyra extra tänder kan ha varit användbara för våra förfäder, som hade större mun och tuffare dieter, men vi behövde dem egentligen inte mer. Vissa människor har inga.

ARMMUSKLER Handflatans långa muskel hjälper primater att svinga sig mellan träden, men vi behöver den inte längre. De flesta har fortfarande korta senor, men hos en del personer saknas de.

SVANSBEN BLINDTARM

Även om vi inte behöver en blindtarm för att överleva är den troligen inte helt onödig. Den tros spela en roll i bevarandet av en frisk tarmbakterieflora.

Växande embryon bildar en svans i livmodern, som snabbt försvinner igen och lämnar efter sig ett kort svansben som kallas ”koccyx”.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 63

17.09.2019 08:30

den stekande solen för att överleva, och kropps behåringen blev ett hinder. Bar hud och förmågan att släppa ut värme genom att svettas blev en fördel. Selektionstrycket från omgivningen tvingade fram genförändringar. De tidiga människorna utvecklade med tiden större hjärnor, mindre käkar och komplicerade sociala strukturer. Vi bemästrade elden och uppfann verktyg, och i takt med att vi blev mer intelligenta förändrade vi vår miljö mer och mer. Det förändrade allt. Jordbrukets uppkomst för ungefär 10 000 år sedan ledde till ett omvälvande skifte i människans historia. Plötsligt kunde vi producera vår föda efter behov, i anslutning till

PÅGÅENDE EVOLUTION Två nya studier har funnit bevis som tyder på att vi faktiskt fortfarande utvecklas, även om det går mycket långsamt. Det visade sig att rökare med en genvariant vid namn CHRNA3 är benägna att röka mer än genomsnittet. Att vara en storrökare ökar risken för att dö av rökningsrelaterade sjukdomar som exempelvis lungcancer. Forskare konstaterade att genvarianten hade minskat med ungefär en procent från generationen personer i 80-årsåldern till personer i 60-årsåldern. Denna trend kan dock inte bekräftas förrän uppgifter har samlats in från yngre generationer. En liknande nedgång tycks framträda hos dem som har en variant av genen ApoE4, vilken ökar risken att utveckla Alzheimers sjukdom med sen debut samt hjärt-kärlsjukdom. En möjlig förklaring för att båda dessa genvarianter blir mer sällsynta är att allt fler personer skaffar barn senare. Antalet personer som väntar med att bilda familj tills de är i 40- och 50-årsåldern ökar, men det är också vid den åldern risken för personer med dessa genvarianter att dö är högre.

Rökare med en variant av CHRNA3-genen är med stor sannolikhet storrökare.

våra hem. Dna från förhistoriska människor har avslöjat att förändringarna i vår miljö förändrade minst tolv områden i vår genetiska kod. Forskare vid Harvards medicinska fakultet undersökte kvarlevorna av 230 människor som levde för 8 500 och 2 300 år sedan. De hittade skillnader i gener som är inblandade i längd, ämnesomsättning och hudpigmentering. För ungefär 4 000 år sedan uppkom en mutation som gjorde det möjligt för vuxna att fortsätta förtära mjölk. Ljus hud blev vanligare, vilket forskarna tror var en reaktion på att den växtbaserade jordbruksdieten innehöll mindre D-vitamin. Även immunsystemet förändrades, vilket kan ha hjälpt människor att leva närmare varandra. Vi delar beteenden som vi lär oss under vår livstid och för information vidare från generation till generation på samma sätt som gener. Inlärning och kultur förändrar vår miljö och därmed selektionstrycket som driver det naturliga urvalet. Den genetiska och kulturella samevolutionen är inte unik för människan. Valar och delfiner tillhör de mest intelligenta djuren på planeten, och studier tyder på att även de utvecklas till följd av inlärning. Späckhuggare kan ta sig an många olika typer av bytesdjur, men vissa grupper föredrar särskilda måltider. I Nordatlanten tycker exempelv is vissa om lax, en del föredrar däggdjur och andra äter hajar. Dessa kulturella preferenser överförs från mamma till avkomma,

och eftersom grupperna inte brukar beblanda sig förblir de desamma från generation till generation. Forskare har hittat genetiska skillnader mellan valar som äter fisk och valar som äter däggdjur. Vi förändrade våra gener genom att lära oss att bruka jorden, och de har förändrat sina genom att välja vilket byte de äter. Kulturell inlärning hjälper oss att anpassa oss, men människan har kommit längre än någon annan djurart. Vi tillverkade kläder och komplexa boplatser. Vi planterade växter och domesticerade djur för att få stabila födokällor. Vi byggde båtar, bilar och flygplan för att utforska världen. Vi uppfann medicin för att behandla skador och sjukdomar. Vi gjorde det möjligt att välja när – och om – vi skaffar barn. Vi kan till och med överleva i rymden. Vi har gjort vår omgivning säkrare och därmed minskat urvalstrycket som tvingar andra arter att förändras med tiden. Genom minskad press fick vi mer tid för idéer och teknik. Vetenskapen har gjort det möjligt att förändra miljön drastiskt, men betyder det att vi har slutat utvecklas? Vår långa livslängd gör det svårt att iaktta aktiv evolution i människopopulationer, och även när inget naturligt urval pågår fortsätter våra gener att mutera, vilket kallas genetisk drift. Det finns dock ett starkt selektionstryck som vi ännu inte har under kontroll: sjukdom. Tittar du bakåt i tiden ser du hur moderna människor har förändrats på senare år.

Människans och schimpansens käkar reflekterar olikheterna i våra dieter.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 64

17.09.2019 08:31

UTVECKLAS VI FORTFARANDE?

Teknikens utveckling kommer att fortsätta att forma vår arts framtid.

FRAMTIDENS MÄNNISKOR

”Kulturell inlärning hjälpte vår anpassning” Pesten svepte över Europa för ungefär 750 år sedan och dödade ett mycket stort antal människor. När vår art drabbas av sjukdomar som vi ännu inte kan behandla tar det naturliga urvalet över. Forskare tror att det är därför moderna populationer i Nordeuropa har en högre frekvens av en mutation i genen CCR5. Denna gen kodar för en molekyl som används av immunsystemet till skydd mot pestbakterien, Yersinia pestis. Den skyddar också mot hivviruset. Människor med det skyddande särdraget hade större chans att överleva, och deras ättlingar lever vidare än idag. Vår arts överlevnad hänger i dag i stora delar på tekniken. Vi kontrollerar vår miljö för att bibehålla en jämvikt, vilket reducerar den press som tvingar fram genförändringar. För att kunna fortsätta likadant måste vår miljö förbli oföränd rad och den delen har vi inte fått klä på än. Vad händer när klimatet förändras eller när antibiotika inte längre fungerar? Vi har skapat en buffert mot det naturliga urvalet för tillfället, men vi har inte utvecklats bortom evolutionen.

Förändringar i våra gener är bara en del av vår evolutionära historia.

Man arbetar nu på att utöka vår förståelse för evolutionen bortom Darwins idéer. Det är inte bara genetiskt arv som påverkar vår evolution, för vi förändras även av den miljön som våra föräldrar överlämnar åt oss. I nya miljöer blir olika gener mer eller mindre viktiga för vår överlevnad. Genom att förändra vår miljö förändrar vi de selektiva tryck som driver vår arts utveckling framåt. Inom biologin kallas denna process för nischkonstruktion. Forskning tyder på att kulturell evolution redan har förändrat våra geners utveckling genom att påverka den typ av selektion vi utsätts för. Trots detta behöver våra gener inte förändras för att vår art ska kunna anpassa sig. Vi kan förändra vår miljö snabbare än vi kan förändra våra gener, vilket gör det möjligt för oss att skapa gynnsama situationer som biologin inte hade kunnat hantera på egen hand. Datorsimuleringar visar att denna typ av kulturell evolution kan fungera på ett liknande sätt som genetisk evolution, fast snabbare. Vem vet var vi kan hamna när mänsklig kultur fortsätter att förändras och tekniken förbättras?

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 65

17.09.2019 08:31

EXPERIMENT SOM FÖRÄNDRADE

VÄRLDEN UNDERSÖKNINGARNA SOM FORMADE VETENSK APEN OCH TILLHANDAHÖLL DEN KUNSK AP VI I DAG TAR FÖR GIVEN

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 66

17.09.2019 08:32

EXPERIMENT SOM FÖRÄNDRADE VÄRLDEN

CAVENDISH VÄGER VÄRLDEN

FIBRER

ENGLAND, 1700-TALET

en enslige och besynnerlige Henry Cavendish upptäckte inte bara väte, utan lyckades dessutom framgångsrikt mäta jordens vikt. I sitt ambitiösa experiment använde han sig av ett speciellt instrument kallat en torsionsvåg, och 1798 redovisade han sina resultat. Genom att mäta gravitationens dragningskraft mellan två olika stora blykroppar räknade han ut jordens densitet. Instrumentet bestod av en 1,8 meter lång trästav, upphängd i en vajer, med 0,73 kilo tunga blykulor fästa vid varje ände. Ett separat system med två större blyklot på 159 kilo placerades nära de mindre kulorna. Detta

VRIDNING

skapade tillräcklig gravitationskraft för att staven skulle vridas (vilket observerades via ett teleskop) när man drog lite i vikterna. Cavendish utförde sina experiment i ett mörkt och dragfritt rum för att förhindra att vindpustar och temperaturförändringar utifrån påverkade resultatet. Han räknade ut jordens densitet genom att jämföra förhållandet mellan blykulornas gravitationskraft på varandra med jordens gravitationella dragning. Otroligt nog var hans resultat mycket exakta och hans stora experiment ledde till att vi inte bara kunde räkna ut solens och månens massa utan även andra planeters i solsystemet.

SPEGEL

SKALA

LJUSKÄLLA

Cavendishs experiment för att mäta jordens vikt gav ett resultat som låg mycket nära dagens beräkningar.

GALILEO GALILEIS EXPERIMENT I DET LUTANDE TORNET I PISA Tänk dig att du släpper ett bowlingklot med ena handen och en fjäder med den andra. Vad faller snabbast? Självklart är det bowlingklotet, men det återspeglar inte gravitationens natur. Den grekiske filosofen Aristoteles lade fram teorin att objekt faller med olika hastigheter därför att gravitationen har kraftigare inverkan på tyngre föremål, men det enda som får fjädern att falla långsammare är luftmotståndet. Om du kunde utföra samma experiment i ett vakuum skulle fjädern och klotet landa på marken exakt samtidigt. Man vet inte säkert, men enligt historien var det ingen som ifrågasatte Aristoteles gravitationsteori förrän den mångkunnige och allsidige italienaren Galileo Galilei motbevisade den. Trots att han tillbringade sina sista år i livet i fängelse efter att ha utmanat tidens folktro, kom hans studier av hastighet, velocitet, gravitation och fritt fall att utgöra grunden för vår förståelse av hur planeterna och solsystemet rör sig. Hundratals år efter hans död upprepades hans experiment på månen – föga överraskande hade Galileo rätt. www.howitworksdaily.com

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 67

K ANONKULOR Galileo tog två kanonkulor men olika vikt men med samma nivå av luftmotstånd.

LOPPETS BÖRJAN Han släppte både kloten från exakt samma höjd vid exakt samma tidpunkt.

ACCELERATION Trots att de hade olika massor föll kanonkulorna med ungefär samma hastighet.

Kommendör David Scott på Apollo 15 imiterade Galileos experiment på månen 1971

GALILEOS EXPERIMENT MED KANONKULOR ENLIGT LEGENDEN KLÄTTRADE GALILEO UPP I DET LUTANDE TORNET I PISA FÖR ATT TESTA SIN HYPOTES

ITALIEN, 1500-TALET

MÅLLINJEN De båda kloten träffade marken nästan omedelbart. Skillnaden i falltid (till följd av luftmotstånd) var mycket mindre än vad Aristoteles hade förutspått i sin teori.

Under vakuumliknande förhållanden på månen föll hammaren och fjädern med samma hastighet.

How It Works 67 67

17.09.2019 08:32

MENDELS ÄRTER TJECKIEN, 1800-TALET Hur ärver vi våra gener från våra föräldrar? Svaret upptäcktes faktiskt inte genom att studera människor, utan ärter. Gregor Johann Mendel, en augustinsk munk, korsade ärter med olika egenskaper för att utvärdera hur olika särdrag ärvdes av deras avkomma. I sitt arbete fokuserade han på ärtplantor och deras sju observerbara egenskaper: formen hos fröskida och frö, växtens höjd, blommans position, samt färgen på frö, fröskida och blomma. Studien pågick i ungefär åtta år och under den tiden observerade han nära 28 000 ärtplantor. När han iakttog ärtornas färg lade Mendel märke till att olika generationer av plantorna uppvisade olika andelar gröna och gula ärtor, och att gult var den dominanta färgen. Han upptäckte att gener sitter ihop parvis och att det matematiska mönster som framträder under generationerna orsakar deras dominanta och recessiva uttryck. Mönstret som avgör din ögon- och hårfärg ser likadant ut.

ANDRA GENERATIONEN Här visas ett antal ärtor i förhållandet 3:1, där tre har den dominanta genen och en uttrycker den recessiva genen.

Mendel (till höger i bakre raden) fotograferad tillsammans med sina munkbröder.

FÖRÄLDRAR Två ädla växter med motsatta fysiska egenskaper (fenotyper) korsbefruktades.

FÖRSTA GENERATIONEN I den första generationen slog den dominanta genen hos en av föräldrarna igenom.

GENERATIONSSPELET

HUR MENDEL UPPTÄCKTE GENETISKT ARV NÄR HAN LEKTE MED ÄRTER

SJÄLVPOLLINATION Efter korsbefruktningen lämnades ärtorna att självpollinera för att kunna utforska en enkel utvecklingslinje inom genetik.

RHAZES OCH SJUKHUS RÄTTEGÅNGEN IRAK, 900-TALET Abu Bakr Mohammad-e Zakariya-ye Razi, känd som Rhazes i Väst, var en läkare med många talanger. Han tillämpade ett banbrytande sätt att bestämma en plats för ett sjukhus i Bagdad. När han fick i uppdrag av kalif al-Muktafi att bestämma var stadens nästa sjukhus skulle byggas, använde Rhazes kött för att välja ut rätt plats. Han reste genom hela staden och hängde upp kött i tänkbara områden och lämnade det där ett par dagar. Han valde den plats där köttet hade genomgått minst förruttnelse till byggnadsplats för sjukhuset, eftersom han drog slutsatsen att det var det renaste området.

Rhazes var en talangfull polyhistor som skrev om många ämnen.

”Han reste genom staden och hängde upp kött i tänkbara områden” 68

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 68

www.howitworksdaily.com

17.09.2019 08:32

EXPERIMENT SOM FÖRÄNDRADE VÄRLDEN

PASTEUR AVSLÖJAR CELLERNAS URSPRUNG FRANKRIKE, 1800-TALET

FLEMINGS SLUMPARTADE UPPTÄCKT AV PENICILLIN ENGLAND, 1900-TALET

År 1928, vid St Mary’s Hospital i London, var Alexander Fleming upptagen med att undersöka bakterien, Staphylococcus aureus. Bakterien hade vållat stora bekymmer genom att orsaka dödliga infektioner, och vid tiden i fråga fanns det inga läkemedel att behandla dem med. Vid ett tillfälle hade Fleming glömt att placera en av petriskålarna i en inkubator. Medan han var bortrest i två veckor förökade sig bakterien, och när han återvände märkte han något ovanligt i petriskålen som stått framme. I ett område hade bakterien inte vuxit, utan lämnade en möglig vätska omgiven av en klar zon utan bakterier. Han studerade innehållet och fann att möglet Penicillium notatum hade kontaminerat provet och hämmade tillväxten av bakterien. I slutet av 1903-talet lyckades forskarna Howard Florey och Ernst Boris Chain isolera och renodla penicillin, och antibiotikan fanns tillgänglig i form av injektioner 1941. Upptäckten uppskattas ha räddat upp till 200 miljoner liv.

MIKROBMATERIA BEVÄPNAD MED ETT ANTAL SVANHALSKOLVAR GAV SIG LOUISE PASTEUR I KAST MED ATT UTMANA STATUS QUO

EXPERIMENTET Två svanhalskolvar med vätska full med närings ämnen kokades för att sterilisera vätskan.

KOLV MED RAK HALS Den öppna kolven släpper lätt in luft och bakterier. Kolven blev grumlig av mikrober som växte i vätskan.

S-FORMAD KOLV FRAMGÅNG

Användningen av penicillin under andra världskriget räddade oräkneliga liv.

Pasteur hade bevisat att organismerna inte uppstod genom uralstring, utan att de var resultatet av bakterier som kom in i kolven som orsakade att vätskan bli skämd.

The kolvens svanhals gjorde att kondenserad vätska samlades i kröken, vilket bildade en förslutning så att inga bakterier kom igenom. Vätskan ändrade inte färg eller blev oklar.

Penicillin anses vara ett av världens viktigaste framsteg inom medicinens historia.

På 1800-talet trodde man att skämd mat och sjukdomar orsakades av “dålig luft” eller att liv uppkom av uralstring (uppkomst av levande organismer ur livlös materia). Det gjorde inte Louis Pasteur – han avvisade idén att möss slumpmässigt skulle kunna skapas av ruttet vete och gammalt tyg under ett par veckors tid. Efter att ha upptäckt att hans egna ölfat hade surnat, började Pasteur analysera dem bara för att upptäcka att de var fulla av bakterier. Detta övertygade honom att om att hans hans ölbrygd hade blivit skämd på grund av dessa mikroorganismer. Han utformade ett enkelt experiment för att bevisa sin revolutionerande bakterieteori och motbevisade samtidigt idén att celler kunde uppstå ur ingenting. Hans arbete hade så avgörande betydelse för livsmedels- och läkemedelsindustrin att vi har namngivit en process efter honom: pastörisering – en process som går ut på att kort värmebehandla någonting och sedan snabbt kyla ned det för att slå ut bakerier.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 69

17.09.2019 08:33

MARCONIS TRÅDLÖSA REVOLUTION ENGLAND, 1900-TALET Vi lever i en värld där vi kan kommunicera med vem som helst, var som helst. Otroligt nog behöver vi inte ens en fast uppkoppling för detta. Trådlös kommunikation har förändrat världen. Den italienske fysikern Guglielmo Marconi var en pionjär inom telekommunikations området. Influerad av upptäckten av elektro magnetiska vågor sände han en trådlös signal drygt 2,4 kilometer vid 20 års ålder. Han brann för uppfinnandet och ville göra något praktiskt och kommersiellt framgångrikt av den här tekniken. År 1897 åkte han till Salisbury Plains för att sälja in sitt användbara system till den brittiska regeringen. Systemet innehöll bland annat en antenn som hölls upp av en ballong för att öka den trådlösa överföringens räckvidd. När en morsetangent trycktes ner tändes en gnista som for upp till antennen och skickades ut i rymden i alla riktningen. När den spreds genom luften

rörde sig en andra antenn kopplad till mottagaren över en kohär så att kretsen slöts och fick en klocka att ringa. Han kunde sända den här signalen längre än någonsin tidigare utan ledningar. Han nästa mål var att sända över öppet havet och han valde att utföra detta viktiga experiment på Lavernock Point i Wales. Marconi utvecklade sin teknik och den 12 december 1901 skickade han det första lång distansradiomeddelandet drygt 3 380 kilometer över Atlanten mellan Poldhu, Cornwall, England och St. John’s, Newfoundland, Kanada. Grunden för dagens radiokommunikation var uppfunnen, och även om utrustningen han använde inte var ny så var kombinationen det. ”Sedan mina tidigaste experiment har jag alltid varit övertygad om att människan skulle kunna sända meddelanden utan ledningar mellan de mest avlägsna punkterna på jorden”. Och så rätt han hade, Marconi.

Marconis första translatlantiska radiosignal sänder från Cornwall till Newfoundland.

Mycket av de n teknik vi id ag tar för give n finns tack vare Mar conis arbete .

FERMIS KÄRNREAKTOR USA, 1900-TALET Efter att man lyckats klyva en atom och begreppet ”kärnfission” hade myntats, tillämpade fysikern Enrico Fermi principen på att skapa den första självbärande kedjereaktionen i konstruerad reaktor: Chicago Pile-1. Forskarna var medvetna om att en kärneaktor möjliggjorde en helt ny vapen produktion. Andra världskrigets utbrott innebar att vapenproduktionen fick högsta prioritet vilket ledde till både Manhattan projektets och Fermis reaktor. När uranium-235 träffas av en neutron klyvs atomen i två mindre kärnor och ytterligare neutroner som i sin tur klyver fler uranatomer och därmed utlöser en kedjereaktion. Reaktorn byggdes av travar med grafitblock för att sänka hastigheten hos neutronerna för att öka sannolikheten för en kärnfission. Reaktionen måste ske under kontrollerade former för att vara säker. Kontrollstavar av kadmium absorberade överskottsneutroner som uppstått vid fissionen. Genom att sätta dit eller ta bort stavarna kunde man styra hur länge kärnreaktionen varade. Reaktionen producerade stora mängder energi som kunde användas vid krigföring.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 70

Chicago Pile-1 byggdes på en squashplan vid universitetet i Chicago..

”När uran-235 träffas av en neutron klyvs kärnan i två mindre kärnor och fler neutroner” www.howitworksdaily.com

17.09.2019 08:33

EXPERIMENT SOM FÖRÄNDRADE VÄRLDEN

RUTHERFORDS GULDDRAG ENGLAND, 1900-TALET Tidigare hade man trott att atomens uppbyggnad bestod av ett positivt laddat sfäriskt hölje som innehöll en negativt laddade elektroner, som plommonen i engelsk ” plum pudding”. För att pröva riktigheten i den här ”plum pudding”-modellen utförde Hans Geiger och Ernest Marsden, under Ernest Rutherfords ledning, en serie experiment 1908–1913 för att bevisa Rutherfords atommodellsteori som liknade planeter som kretsade runt en sol. Med hjälp av ett radioaktivt ämne besköt fysikerna en tunn guldfolie med positivt laddade partiklar. Majoriteten av partiklarna passerade genom folien utan att deflekteras, vilket kunde tolkas som att atomerna hade stort öppet utrymme. Dock reflekterades några tillbaka i olika vinklar vilket visade att dessa partiklar hade träffat något med samma laddning. Det innebar att i stället för att elektronerna omgavs av en positiv laddning, så fanns en mindre positiv laddning i atomens tätare centrum, och därmed var atomkärnan upptäckt.

GULDATOMER

ETT HELT NYTT RECEPT EXPERIMENTET SOM MOTBEVISADE THOMSONS MODELL

VAD RUTHERFORD VÄNTADE SIG OM THOMSONS MODELL VAR KORREKT

ALFAPARTIKLAR Alfapartiklar från en radioaktiv källa sköts mot guldfolie.

FOTOGRAFISK FILM ELLER FLUOROSCERANDE SKÄRM

BLYLÅDA

GULDATOMER

VAD RUTHERFORD FAKTISKT OBSERVERADE

DEFLEKTION Alfapartiklar som passerade nära eller träffade den positivt laddade kärnan reflekterades tillbaka i olika vinklar.

TUNN GULDFOLIE

PARTIKELSTRÖM

EN RADIOAKTIV KÄLLA

FLUOROSCERANDE SKÄRMAR

En radioaktiv källa förvarades i en blylåda, partiklarna tog sig genom en springa i boxen till skärmen.

Spridda alfapartikar refklekterades tillbaka från guldfolien och träffade zinksulfidbehandlade plåtar.

LAVOISIER OCH LAGEN OM MASSANS BEVARANDE FRANKRIKE, 1700-TALET så vis bekräftades hans banbrytande teori. Dåtidens kemister utforskade hur metallaska (oxid) bildades utifrån hypotesen att metaller förlorade massa när de brändes. Lavoisier hävdade däremot att metallaska var resultatet av att atmosfäriska gaser interagerade med metallen. Han upptäckte att metallen, i stället för att förlora massa, ökade i vikt när den förenades med syret i luften.

MATERIANS FÖRVANDLING

VÄRMEKÄLLAN

EXPERIMENTET SOM FÖRÄNDRADE VÅR BILD AV MATERIA UTAN ATT FÅ VÅGEN ATT VÄGA ÖVER

Man lät metallaska bildas inne i den förslutna burken, som hettades upp genom att solens strålar koncentrerades med hjälp av ett förstoringsglas.

FÖRSLUTEN BURK Plåt placerades under en försluten burk för att ingen gas skulle ta sig in eller ut.

PLÅT I ETT FÖRSLUTET GLASKÄRL

VIKT När metallaskan bildades visade vågen att burkens vikt/massa varken hade ökat eller minskat.

VITT PULVER I ETT FÖRSLUTET GLASKÄRL © Illustrations: Ed Crooks; Wiki; SPL

Det var den franske kemisten Antoine Lavoisier som formulerade konceptet om massans bevarande – tanken att materia varken kan skapas eller förstöras utan bara omdistribueras. Det gjorde han genom att mäta massan hos reaktanter och produkter under kemiska reaktioner. Ett av Lavoisiers experiment innebar att ett brinnande ljus placerades i en försluten glasburk. När veken brann ner och ljuset smälte förblev burkens vikt densamma. På

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 71

17.09.2019 08:33

Solförmörkelsen lät Eddington observera hur ljuset från stjärnor påverkas av solens gravitation.

SYNBARA POSITIONER

LIND BOTAR SKÖRBJUGG HMS SALISBURY, 1700-TALET Blödande tandkött, tappade tänder, svaga armar och ben, svullna ben och otrevliga blodansamlingar under huden – piratlivet hade nog inte passat många av oss. Skörbjugg var en sjukdom som drabbade pirater och sjömän i sjöfarandets barndom. I dag vet vi att sjukdomen orsakas av allvarlig brist på C-vitamin, som är nödvändigt för att bilda kollagen, en viktig beståndsdel av kroppens bindvävnader. Utan tillräckligt med kollagen bryts blodkärlen och benen ner på personer med skörbjugg tills de slutligen lider en långsam och plåsam död. På den skotske läkaren James Linds tid kände man inte till de här små näringsämnena. Folk trodde att skörbjugg smittade eller orsakades av sinnessjukdom. År 1747 inledde Lind en av världens första kliniska försöksstudier. Han misstänkte att syror kunde hjälpa till att stoppa kroppens förruttnelse och utformade ett försök för att prova olika metoder att införa vissa syror i det människor åt. Han delade in en grupp med tolv skörbjuggsdrabbade sjömän i sex grupper om två personer. Alla skulle äta samma diet men med olika syratillskott. Grupperna fick antingen 9,5 deciliter cider, 25 droppar vitriol, två skedar vinäger, 2,5 deciliter havsvatten, två apelsiner och en citron eller en kryddkräm varje dag. Efter sex dagar hade de flesta sjömännen på fruktdieten återhämtat sig helt. Även om Lind hade fel om sjukdomens uppkomst, hittade han botemedlet.

Skörbjugg är en sjukdom som fortfarande drabbar människor världen över, framför allt i krigs- och svälthärjade områden.

Eddington och hans team tog bilder under förmörkelsen och jämförde dem med stjärnornas positioner under tidigare mätningar.

SOLFÖRMÖRKELSE Under den totala solförmörkelsen 1919 passerade solen den ljusstarka stjärnhopen Hyaderna.

GRAVITATIONLINS Precis som Einsteins teori hade förutspått böjdes ljusets väg från avlägsna stjärnor av vår sols gravitation.

EDDINGTON OCH SOLFÖRMÖRKELSEN AFRIKA, 1900-TALET Vetenskapliga förklaringar i teoretisk fysik förblir ofta just teoretiska – men inte alla. Albert Einstein publicerade relativitetsteorin 1915, och en förutsättning för den var att ljus böjer sig nära en stor gravitationskraft. Men Einstein visste att om den eller någon av de andra förutsättningarna som krävdes för att stötta hans revolutionerande teori motbevisades skulle teorin spricka. Einsteins banbrytande arbete förblev en teori tills astronomen sir Arthur Eddington använde en solförmörkelse för att bevisa att ljus kunde böjas av gravitationskrafter. Om Einsteins teori skulle stämma måste Eddington visa att ljuset hade böjts av en stark gravitationskälla, exempelvis solen. En total solförmörkelse 1919 gav Eddington en unik möjlighet att se natthimlen dagtid. Efter att ha satt segel mot ön Príncipe för att bäst uppleva den förväntade solförmörkelsen och för att pröva Einsteins teori, observerade Eddington stjärnornas placering först nattetid och sedan under solförmörkelsens skennatt. Därmed kunde han observera om solens gravitation hade påverkat stjärnornas positioner, vilket den faktiskt hade. Det bevisade att ljuset hade böjts på sin färd mot jorden av solens gravitation – Einstein hade alltså rätt.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 72

17.09.2019 08:33

EXPERIMENT SOM FÖRÄNDRADE VÄRLDEN

GRAFEN BLIR TILL ENGLAND, 2000-TALET År 2004 experimenterade professorerna Andre Geim och Konstantin Novoselov med en grafitkristall. De avlägsnade några grafitflagor med hjälp av tejp, och vid närmare inspektion insåg de att vissa flagor var tunnare än andra. Därför upprepade de processen och avlägsnade fler lager från flagan de tagit loss. Flagorna blev tunnare för varje gång och till sist lyckades de skapa flagor som bara var en kolatom tjocka. Även om man hade förutspått grafenets existens visste ingen hur det skulle isoleras. Fram tills nu. Det låter enkelt, men grafen har visat sig vara ett mycket viktigt material och precis vad vi behöver i den här digitala åldern för skärmar och elektriska/ fotoniska kretsar. Denna fantastiska värmeledare är tät, lätt, flexibel och transparent och har använts till allt från däck till transistorer.

Grafen kan användas för att göra nanorör av kol.

HUR ETT LAGER GRAFIT SKAPAS

TEJP Forskarna avände tejp för att avlägsna ett lager grafit.

REPETITION OCH TÅLAMOD VAR AVGÖRANDE NÄR MAN SKAPADE DET STARKASTE MATERIALET

GRAFIT Ett grafitblock användes för att studera materialets egenskaper.

ENKELT MEN EFFEKTIVT

EN NY METOD

Gein och Novoselo förde över provet till en silikonyta och lyckades därmed isolera grafen.

Forskarna märkte att flagorna var olika tjocka. De beslöt att undersöka saken och upprepade processen om och om igen.

”Grafen har visat sig vara ett mycket viktigt material i vår digitala ålder”

FRÅN TEORI TILL VERKLIGHET SCHWEIZ, 2000-TALET HIGGSBOSONEN

PROTONKOLLISION

År 1964 lade partikelfysikern Peter Higgs fram en teori om varför partiklar har massa. Han föreslog att tomrummet i rymden fylls av ett fält kallat Higgsfältet. Antingen passerar partiklar genom fältet och förvärvar massa, som elektroner, eller så interagerar de inte alls med det och förblir utan massa, som fotoner. Ungefär som en person som rör sig genom en grupp med främlingar eller med vänner. När man rör sig genom gruppen med främlingar passerar man lätt utan att stanna upp, är man däremot omgiven av vänner kan det hända att man stannar för att prata, och då tar det längre tid att ta sig fram. I det här fallet vore dina vänner Higgsbosoner. Large Hadron Collider skjuter i väg två protonstrålar i motsatta riktningar och accelerar dem till nära ljusets hastighet för att de ska kollidera och frigöra Higgs fick Nobelpriset i fysik 2013 för sin teoretiska upptäckt. bosonen, vilket lyckades första gången den 4 juli 2012.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 73

17.09.2019 08:34

EXTREM VETENSKAP VÄLKOMMEN TILL DEN FARLIGASTE FORSKNINGEN PÅ VÅR PLANETS MEST AVLÄGSNA PLATSER.

”Vulkanerna kan få utbrott när som helst, och vulkanologerna har till uppgift att utforska dem” 74

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 74

17.09.2019 08:34

EXTREM VETENSK AP Vulkanologerna vågar sig nära aktiva vulkaner för att samla in prover och data.

DÄRFÖR GÖR DE DET

FÖR ATT FÖRUTSPÅ UTBROTT Vulkaner är ett hot mot människor, egendom och flyg.

FÖR ATT UTFORSK A HISTORIEN Att kartlägga utbrottens historia kan visa det förflutna.

VULKANOLOGI

FÖR ATT LÄRA MER OM JORDEN

DESSA EXTREMA FORSKARE KOMMER AKTIVA VULKANER INPÅ LIVET ämnen i luft eller vatten. De behöver även förstå de fysiska lagar som styr vår planet och vilka drivkrafter som ligger bakom rörelser långt under markytan. Vulkanologerna reser över hela världen i jakt på aktiva vulkaner, och lever ute på fältet några få månader varje år. Det går inte att förneka att den här typen av jobb är riskfyllt. Lavans temperatur varierar från en vulkan till en annan, men kan nå uppåt 1 000 grader Celsius. Vulkaner producerar även dödliga gaser, inklusive kvävande koldioxid som samlas i

låglänta områden och svavelväte som har en stark lukt av ruttna ägg och kan orsaka skador på luftvägarna eller till och med leda till döden. 1991 fick vulkanen Unzen i Japan utbrott och dödade vulkanologerna Maurice och Katia Kraft samt Harry Glicken. Sådana olyckor är dock ovanliga. Mycket arbete görs vid utdöda eller inaktiva vulkaner, och större delen av året arbetar vulkanologer i trygghet hemma på kontoret, går igenom data, analyserar prover, undervisar och övervakar vulkaner för att söka efter tecken på aktivitet.

ulkaner tillhör de vildaste, mest extrema platserna på vår planet. De är öppningar rakt in till jordens flytande inre, och förbinder marken med den magma som normalt är dold därunder. Vissa av dem kan få utbrott när som helst och vulkanologerna gör det till sin uppgift att utforska dem. Många olika vetenskapsområden samarbetar för att vi ska förstå hur vulkaner fungerar och när de kan få utbrott. Forskare behöver känna till jordskorpans struktur, bergarternas kemi och hur de interagerar med andra kemiska

Vulkaner lär oss om vad som händer under jordskorpan.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 75

17.09.2019 08:35

PÅ DJUPET

MÖT FORSKARLAGEN SOM ARBETAR PÅ EXTREMA DJUP De flesta av världens forskningslabb ligger på marknivå eller en liten bit ovanför, men vissa forskargrupper har grävt sig ned djupt under jordens yta. Vår planet är en livlig plats. Solen överöser oss med kosmisk strålning, kommunikationstorn spottar ur sig en ständig ström av radiovågor, och radioaktiva bergarter och gaser avger en stadig rännil av strålning. För att förstå den partikelfysik som styr vår värld måste forskarna stänga ute detta bakgrundsbrus så att de kan undersöka partiklarnas beteende i lugn och ro. Därför går de ”under jord”.

Myoner är extremt störande partiklar och de dyker konstant upp vid jordytan till följd av den kosmiska strålningen. Ju längre ned under jorden man kommer, desto mer filtreras de bort. Den djupast belägna forskningsanläggningen ligger i Kina, 2 400 meter under bergytan. China Jinping Underground Laboratory ligger gömt inuti ett berg, och för att göra det ännu mer likt någonting ur en serietidning är labbets syfte att söka efter mörk materia. Extremforskningen ligger i vetenskapens framkant, och ger spännande och banbrytande upptäckter inom fysik, om och om igen.

SNO-EXPERIMENTET PÅ SNOLAB SNOLAB (SUDBURY NEUTRINO OBSERVATORY) SPÅRAR NEUTRINER SOM GENERERAS I SOLENS INRE

BERGART: NORIT

DÄRFÖR GÖR DE DET

Experimentet använder 1 000 ton vatten innehållande ”tungt väte” (deuterium).

EXPERIMENT DJUPT UNDER MARKEN YTAN

FÖR ATT UTFORSK A SUBATOMÄRA PARTIKLAR Små partiklar kan undersökas i detalj.

KAMIOKAOBSERVATORIET JAPAN I drift STAWELL UNDERGROUND PHYSICS LABORATORY AUSTRALIA Under construction BOULBY UNDERJORDSLABORATORIUM STORBRITANNIEN I drift

PÅ GRUND AV STÖRNINGAR PÅ YTAN Jordskorpan skyddar utrustning från kosmisk strålning.

TUNGT VATTEN

Observatoriet ligger begravet två kilometer under jord, i Creightongruvan i Ontario, Kanada.

UNDERJORDISKA LABORATORIER

FÖR ATT BRYTA NY MARK Forskning inom detta fält har vunnit Nobelpriser.

SNO+ Nästa version ska använda linjär alkylbensen i stället för tungt vatten.

NEUTRINOOBSERVATORIET I INDIEN INDIEN På förslag LABORATORI NAZIONALI DEL GRAN SASSO ITALIEN I drift

CENTRE FOR UNDERGROUND PHYSICS IN PYHÄSALMI FINLAND I drift

1 100 M

1,200 M

1 300 M

1 400 M

1 500 M

SANFORD UNDERGROUND RESEARCH FACILITY SOUTH DAKOTA, USA Operational

1 600 M

MODANE UNDERJORDSLABORATORIUM FRANKRIKE I drift

1 700 M

BAKSAN NEUTRINOOBSERVATORIET RYSSLAND I drift

Utifrån ser dessa laboratorium ut som alla andra, men under jord befinner de sig i fysikens framkant.

1 000 M

AGUA NEGRA DJUPT BELÄGET EXPERIMENT LABORATORIUM PÅ GRÄNSEN CHILE /ARGENTINA På förslag

1 800 M

1 900 M

2 000 M SNOLAB KANADA I drift 2 100 M

2 200 M

FOTOMULTIPLIK ATORRÖR 9 600 fotomultiplikatorrör monterade runt behållaren för att upptäcka strålning.

VANLIGT VATTEN Det tunga vattnet är omgivet av en sköld av vanligt vatten.

2,300 M

REAKTION Tungt vatten reagerar med neutriner och ger tjerenkovstrålning.

SNOLAB SNO-detektorn använder en sfär av tungt vatten för att observa neutriner.

CHINA JINPING UNDERJORDSLABORATORIUM KINA I drift

2 400 M

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 76

17.09.2019 08:35

The Pyramid Int ernational Laboratory unde rsöker rymden, klimat och biologi.

FORSKNING BLAND MOLNEN Pyramid International Laboratory/Observatory ligger högt uppe bland Himalayas berg, vid foten av Mount Everest. Anläggningen, som ligger långt från civilisationen, använder förnybar energi i form av solcellspaneler, och är i hög grad beroende av matleveranser för att hålla de boende välfödda.

På dryga 5 000 meter över havet erbjuder anläggningen en unik miljö för vetenskapliga studier. På denna höjd är inte bara klimatet och miljön annorlunda, även människans kropp beter sig på märkliga sätt. Man har även bättre sikt mot yttre rymden.

UNDER HAVET

ATT LEVA OCH ARBETA UNDER VATTNET ÄR MYCKET MER ÄN BARA SCIENCE FICTION

Utanför Florida Keys finns Aquarius Reef Base, ett undervattenslaboratorium som drivs av Florida International University, vilket ligger nästan 15 meter under havsytan. På detta djup är trycket runt 2,5 gånger högre än vid ytan. Laboratoriet ligger intill ett av världens största korallrev, vilket erbjuder ett unikt läge för att studera

dessa fantastiska ekosystem på nära håll utan att riskera att störa dem. Basens invånare, som kallas ”aquanauter”, tränar i fem dagar innan de beger sig ned till laboratoriet. Där lever de i undervattenstryck utan att återvända till ytan i upp till två veckor. Ett flytande livsuppehållande system, komplett med elgenerator, luftkompressor och

DEN SJUNKANDE KÄNSLAN AQUANAUTERNA TILLBRINGAR TIO DAGAR ÅT GÅNGEN PÅ AQUARIUS

DÖRR MOT VATTNET Aquanauterna tar sig in och ut genom en ”moon pool” som öppnas mot vattnet.

kommunikationsutrustning håller dem vid liv, och när det är dags att komma tillbaka igen sänker hela basen långsamt trycket så att deras kroppar hinner anpassa sig till normalt lufttryck innan de simmar tillbaka upp. Basen används inte bara av miljöforskare, utan även rymdorganisationer skickar dit astronauter som tränar och simulerar uppdrag.

LIVSUPPEHÅLLANDE SYSTEM En nio meter bred boj som flyter ovanför stationen ger el och tryckluft.

STÅLHUS Labbet och levnads utrymmet är 2,8 meter brett och 13 meter långt.

Teamet NEEMO16, inklusive Tim Peake (högst upp t.v.), förbereder sig för att inleda sitt uppdrag på Aquarius.

BEKVÄMLIGHETER OMBORD © WIKI; SNOLAB_SNO; Illustration av Adrian Mann;

Labbet är komplett med kök, badrum och toalett.

KOMMUNIK ATION Aquanauterna övervakas ständigt från land och har internet ombord.

BOTTENPLATTA Strukturen är förankrad i havsbotten med bottenplattor som väger över 100 ton.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 77

17.09.2019 08:35

SYOWA JAPAN

LIVET PÅ GLID HUNDRATALS FORSKARE TROTSAR DEN ANTARKTISKA ISEN VARJE ÅR FÖR ATT UTFÖRA EXPERIMENT I DENNA OFÖRLÅTANDE MILJÖ Antarktis är den enda kontinenten utan inhemsk befolkning eller permanent mänsklig bosättning, men besökande forskare gör denna isolerade kontinent till sitt tillfälliga hem. Under sommaren kommer några tusen människor för att starta sina experiment, och mitt i vintern stannar några få hundra personer kvar för att hålla byggnaderna och det vetenskapliga arbetet igång tills det blir varmare igen. Med en medeltemperatur på -12 °C på kusten och -60 °C på hög höjd är det inte kontigt att forskarna inte stannar hela året om. Mat och andra förnödenheter levereras under sommaren, men när vintern slår till slutar leveranserna. För vissa anläggningar kan bristen på färskvaror vara i tio månader om året, och de boende får förlita sig på förråd av frysta och konserverade matvaror. När väl dessa grundläggande behov är uppfyllda är anläggningarna relativt säkra platser att bo på. Att ge sig ut för att genomföra experiment utgör den största faran. Forskningslag reser med släde eller flyg till centrala platser och slår upp läger i det vilda tills de har de data de behöver. Vädret i Antarktis är oförlåtande. Dimman kan sjunka ned över isen och göra allt vitt, så att det blir nära nog omöjligt att skilja mellan snö och himmel. Under dessa förhållanden blir klippor, stup och rena hål i isen osynliga. På fältet tar forskarlagen skydd i tält och kåtor speciellt utformade för att stå emot vädret. Luftmadrasser och fårskinn håller dem så långt från den frusna marken som möjligt, och värmeisolerande dunfyllda sovsäckar håller dem varma. Lager av yllekläder med vind- och vattentäta ytterkläder ovanpå används också. Varje forskare har en låda innehållande en matranson motsvarande 3 500 kalorier varje dag, och mänskligt avfall måste ofta föras tillbaka till anläggningen för att skydda miljön. Det vill säga även de mindre trevliga bitarna. Det är tufft att forska på Antarktis.

BASER PÅ ANTARKTIS

TROLL NORWAY Denna station övervakar himlen noga, mäter ultraviolett ljus och undersöker vädret.

RUNT 30 LÄNDER DRIVER FORSKARBASERNA I ANTARKTIS . DET HÄR ÄR BARA NÅGRA FÅ AV DEM.

Från denna forskningsstation har japanska forskare studerat ozonlagret, meteoriter, klimatförändringar och norrsken.

DAVIS AUSTRALIEN Belägen nära Antarktis sjöar ger denna station forskarna möjlighet att studera extrema mikrober.

ROTHERA, STORBRITANNIEN Den största brittiska stationen för Antarktis forskning bedriver biologisk forskning och har ett akvarium.

AMUNDSEN-SCOTT, USA Denna station ligger precis vid den geografiska Sydpolen. Den bedriver främst forskning inom astrofysik och astronomi.

SCOTT, NYA ZEELAND Stationen, placerad vid kanten av Ross shelfis, undersöker huvudsakligen klimatförändringar och miljöpåverkan.

VOSTOK, RYSSLAND Denna forskningsutpost undersöker sjön Vostok, vilken man lyckats nå genom att borra genom den tjocka isen.

CONCORDIA, FRANKRIKE & ITALIEN ”Världens mest avlägsna forskningsbas” används av Europeiska rymdorganisationen för att planera rymdexpeditioner.

En dykare iklädd termisk skyddsdräkt tar ett isigt dopp för undervattensforskningen.

Neutrinobservatoriet IceCube sträcker sig långt ned under isen.

DÄRFÖR GÖR DE DET FÖR ATT STUDERA EN UNIK MILJÖ Antarktis är vilt och ogästvänligt för liv.

FÖR ATT ÖVERVAK A KLIMATFÖRÄNDRINGAR Isen är känslig för temperaturförändringar.

FÖR ATT ÖPPNA EN TIDSK APSEL Dold i isen finns information om jordens historia.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 78

17.09.2019 08:35

EXTREM VETENSK AP KOMMUNIK ATIONER

Den brittiska stationen Halley VI, står på ”skidor”.

Basen, avskuren från omvärlden flera månader åt gången, har tillgång till satellitkommunikation.

BASEN HALLEY VI DEN BRITTISKA FORSKNINGS STATIONEN LIGGER HÖGT UPP PÅ EN SHELFIS SOM RÖR SIG EN HALV METER UT I HAVET VARJE DAG

MODULER Modulerna är samman länkade på rad, med sovrum på ena sidan och laboratorier på andra.

INOMHUSAKTIVITETER Basen har en klättervägg, så att personalen kan träna inomhus.

KLIMATÖVERVAKNING Halley är viktig för att övervaka över gripande väder- och klimatutvecklingar.

NATURLIGT LJUS Ett kraftigt glastak släpper in solljus till basen.

LÄGE, LÄGE, LÄGE De hydrauliska benen är försedda med skidor, så att modulerna kan bogseras när shelfisen rör sig.

UNDERHÅLLNING

Basen är utrustad med bibliotek, tv, datorer och till och med ett biljardbord.

VÄ XTHUS Växter odlas på plats inuti ett hydroponiskt växthus.

”Att ge sig ut för att genomföra experimenten utgör den största faran”

UPPHÖJT LÄGE Trappor är det enda sättet att komma in och ut från basen.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 79

17.09.2019 08:35

CERN-LABORATORIET Anläggningen ligger huvudsakligen ovan jord. Elektroner avlägsnas och accelereras ned under jord.

SUPERPROTONSYNKROTRON Protoner accelereras runt i en sju kilometer lång ring innan de matas in i LHC.

COMPACT MUON SOLENOID Detektorn delar vissa mål med ATLAS, men observerar på ett annat sätt.

ALICE Denna detektor av tunga joner undersöker en typ av materia som kan ha bildats efter stora smällen.

LHC BEAUTY Detta experiment observerar bottenkvarkar i försök att lära sig mer om antimateria.

ÖVERFÖRINGSTUNNEL Partiklar i hög fart skickas in medsols eller motsols i den primära LHC-ringen.

LARGE HADRON COLLIDER Den 27 kilometer långa huvud sakliga ringen accelererar partiklar till en hastighet nära ljusets.

ATLAS Den multifunktionella detektorn sökte efter Higgsbosonen, men söker nu efter mörk materia.

UNITI CERN

DOLD UNDER JORDEN FINNS ETT OMFATTANDE NÄTVERK AV KOMPLEXA FYSIKEXPERIMENT.

EXTREM FYSIK

DÄRFÖR GÖR DE DET

CERN ÄR VÄRLDENS STÖRSTA OCH MEST BERÖMDA FYSIKLABORATORIUM. Detta underjordiska fysiklabb är en av de mest banbrytande anläggningarna på vår planet. Det ligger på gränsen mellan Frankrike och Schweiz, och drivs gemensamt av 22 medlemsstater, tillsammans kända som Europeiska organisationen för kärnforskning (CERN). Anläggningen är hem till världens största vetenskapliga instrument, den berömda Large Hadron Collider (LHC), som används för att utforska universums grundläggande struktur. LHC är en ringformad partikelaccelerator med en omkrets på 27 kilometer. Partiklar matas in i ringen, och över 1 500 supraledande magneter leder dem runt den underjordiska kapp löpningsbanan i en hastighet som närmar sig ljusets, tills de våldsamt krockar med varandra. CERN försäkrar oss om att det inte finns någon fara med att skapa ett svart hål med kraft att förinta världen; huvudsyftet med dessa experiment är att söka svar. CERN-forskarna vill ta reda på varför det finns mer materia än antimateria i universum när det teoretiskt borde

finnas lika mycket av båda. De experimenterar också fortfarande med Higgsbosonen – en partikel som är viktig för att förklara varför andra partiklar har massa – sedan den upptäcktes. Och de vill lära sig mer om mörk materia och mörk energi.

FÖR ATT FÖRSTÅ UNIVERSUM ATLAS är en av CERN:s mest berömda detektorer. Dess uppgift är att söka efter mörk materia.

Partikelfysik utgör grunden till all annan vetenskap.

? FÖR ATT UTFORSK A ANTIMATERIA För att förstå varför universum mest består av materia.

FÖR ATT ARBETA MED HIGGSBOSONEN Partikeln hjälper oss att förklara varför andra partiklar har massa.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 80

17.09.2019 08:36

EXTREM VETENSK AP

FORSKNING I RYMDEN ISS ÄR ETT AV DE MEST IMPONERANDE LABORATORIERNA SOM BYGGTS Internationerlla rymdstationen (ISS) är en av mänsklighetens största bedrifter. Laboratoriet ligger i omlopp runt jorden på 400 kilometers höjd, med en fast besättning på minst tre astronauter. Långt bort från jordens envisa dragningskraft är besättningen och utrustningen ombord tyngdlösa, och i denna märkliga miljö kan alla möjliga olika experiment utföras.

Mikrogravitation påverkar levande organismers förmåga att skilja upp från ned och förändrar kemiska ämnens beteende. Experi ment på celler, små djur och på astronauterna själva, hjälper forskarna att förstå rymdens inverkan på liv. Det är den perfekta platsen för att testa nya idéer och teknik för framtida uppdrag, och ett perfekt läge för att övervaka vad som händer där nere på jorden.

EXTREMT FARLIG FORSKNING

FORSKARE VID FRONTLINJEN TILL ALLT FRÅN TORNADOR TILL SJUKDOMAR

STORMJÄGARE

Dessa extremväderforskare skyndar till farliga oväder i speciellt anpassade fordon. Utrustade med kameror, kommunikationsanordningar, Dopplerradar och väderballonger tar de dig så nära tornador de kan komma.

DÄRFÖR GÖR DE DET Astronauten Kate Rubins var den första människan att sekvensera dna i rymden.

FÖR ATT FÖRSTÅ YTTRE RYMDEN Den unika miljön ger ständig tillgång till mikrogravitation.

LIVSFARLIGA ROVDJURSSTUDIER Fysiologer och viltvårdare arbetar med några av de farligaste djuren på vår planet. De fångar in krokodiler, lejon, björnar och elefanter för att märka, registrera och ta prover på dem.

Mänskliga celler kan odlas på rymdstationen för experiment, som de här stamcellerna.

FÖR ATT ÖVERVAK A JORDEN De kan observera hur jorden förändras över tid.

INFEKTIONSFORSKARE

FÖR FRAMTIDEN ISS är ett testområde för framtida långvariga rymdexpeditioner.

Mikrogravitation har märkliga effekter på eld. Med den här utrustningen kan astronauterna studera det.

Att förebygga, kontrollera och bota livshotande infektioner kräver åratal av forskning. Forskare som arbetar med sjukdomar som ebola behöver komma nära proverna i sina labb, men inte utan lager av strikt skyddsutrustning.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 81

17.09.2019 08:36

FÖRUNDERLIGA FENOMEN VAR INTE RÄDD – FORSKNING BEVISAR ATT DET PARANORMALA ÄR NORMALT TROTS ALLT

i är mästare på att känna igen mönster, ta in enorma mängder data och söka efter samband som får vår omvärld att verka begriplig. Som människor försöker vi alltid att förklara det oförklarade, och det finns ingenting vi finner mer oroväckande än att inte kunna hitta svaret. I århundraden fick det paranormala förklara det som saknade förklaring, men nu har vetenskapen tagit över. Tror du att du kanske har sett ett spöke? Du är antagligen överansträngd. Säker på att du hörde röster i en låt som spelades baklänges? Det är mer troligt att din hjärna desperat letar efter mönster. Underliga fenomen har nästan alltid en alldaglig förklaring. Ljuset i slutet av tunneln orsakas helt enkelt av försämrat blodflöde till baksidan av ögat.

VI SER ANSIKTEN Har du någonsin vaknat upp mitt i natten och sett en mystisk figur torna upp sig jämte din säng, bara för att inse att det egentligen är en hög med kläder? Eller kanske har du sett ett läskigt ansikte kika genom fönstret, bara för att försvinna när vinden blåste runt löven. Då kanske du har upplevt pareidoli. Ordet betyder bokstavligen ”fel bild” och beror på vår hjärnas sätt att jaga mönster.

Hjärnan slutar skicka signaler till musklerna medan vi drömmer.

Vi processar en ständig ström av information från våra sinnesorgan, och vår hjärna har bråkdelen av en sekund att fatta beslut. Detta innebär att vi måste lagra och minnas enkla mönster, så att vi snabbt kan skanna av virrvarret av intryck. På liknande sätt som din smartphonekamera letar efter mönster för att upptäcka ansikten, siktar din hjärna in sig på vad som helst som verkar ha två ögon och en mun.

SÖMNPARALYS

Vårt ansikts igenkänningssystem letar efter två ögon och en mun.

Att vakna upp till den hemska känslan att ha förlorat kontrollen över sin kropp kan vara skräckinjagande, men sömnparalys är nödvändigt för att hålla dig trygg på natten. Under drömsömnen (så kallad REM-sömn) spelar hjärnan upp livfulla simuleringar och försöker att skicka meddelanden till våra muskler. Men två signalsubstanser, gammaaminosmörsyra (GABA) och glycin, hindrar meddelanden från att nå de neuroner som styr våra rörelser. Detta hindrar oss från leva ut våra drömmar och skada oss själva och andra, men ibland kan det uppstå ett fel i systemet. Den skrämmande upplevelsen av sömnparalys sker när hjärnan går in i detta drömlika tillstånd medan vi fortfarande är vakna. Det är ovanligt men sker oftare om vi är övertrötta, lider av jetlag eller jobbar oregelbundna skift som stör vår dygnsrytm.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 82

17.09.2019 08:36

SKRÄMMANDE VETENSK AP

KROPPENS EGET VATTENPASS

MACULA UTRICULI

VÄLVDA, VÄTSKEFYLLDA RÖR I ÖRONEN TALAR OM VILKET HÅLL SOM ÄR UPPÅT

Under båggångarna finns platta hinnsäckar innehållande lager av hårceller, gelémassa och mineralkristaller.

BALANS- OCH HÖRSELNERVEN Information om balansen färdas till hjärnan genom samma nerv som transporterar information om ljud.

BÅGGÅNGARNA Varje öra innehåller tre rör fyllda med vätska. Då vi lutar på huvudet rör sig vätskan.

CRISTA AMPULLARIS Varje kanal innehåller en konformad struktur täckt med små hår i ett geléliknande hölje.

ACCELERATION Då huvudet accelererar drar gravitationen i gelén och kröker håren.

HUVUDVRIDNINGAR Då vi vrider på huvudet slår vätskan emot crista ampullaris, gelén sätts i gungning och håren kröks.

VETENSKAPEN BAKOM NÄRADÖDENUPPLEVELSER 1 KÄNSLAN AV ATT VARA ÄR DÖD I ovanliga fall kan problem i hjärnan få levande att uppleva att de är döda. Denna ovanliga psykiska sjukdom, känd som Cotards syndrom, kan uppstå när vissa neurologiska rubbningar stör signalerna i hjärnan.

UTANFÖR KROPPEN-UPPLEVELSER Få upplevelser är märkligare än att plötsligt titta ned på sin egen kropp ovanifrån. Dock kan det finnas en faktisk vetenskaplig förklaring till detta. Människor med vissa neurologiska sjukdomar har större chans att vara med om en utanför kroppen-upplevelse, att studera deras hjärnor kan därför ge ledtrådar om varför dessa uppstår. 2002 tillät en patient som utreddes för epilepsi en forskare att skicka in elektriska signaler i hjärnan. Vissa av signalerna framkallade en utanför kroppen-upplevelse. Den del av hjärnan som låg bakom detta kallas höger gyrus

angularis, och kopplar samman information från ögonen och innerörat. Innerörat innehåller en uppsättning vätskefyllda rör som fungerar som kroppens eget vattenpass. Problem i denna del kan få en ur balans, orsaka yrsel, känslor av att flyta och desorientering. En mer omfattande studie 2017 fann att folk med problem i innerörat löpte nästan tre gånger högre risk att få en utanför kroppen-upplevelse. Det verkar som att brist på överensstämmelse mellan vad man ser och vad man känner kan lura hjärnan att man har lämnat kroppen.

2 MAN RÖR SIG MOT LJUSET Det ökända ljuset i slutet av tunneln kanske helt enkelt handlar om bristande blodflöde på grund av rädsla eller sjukdom. När baksidan av ögat inte får tillräckligt med syre kan utkanterna av vårt synfält bli suddigt.

Problem i innerörat kan få dig att känna dig frikopplad från ditt fysiska jag.

3 MAN SER DÖDA MÄNNISKOR Hallucinationer kan få oss att tro att vi ser eller hör nära och kära som gått bort, men de är bara hjärnspöken. De kan uppstå av många olika anledningar, från hjärnskada och psykisk sjukdom till ren trötthet.

Rädsla triggar kroppens flykt- och kamp respons medan hjärnan producerar kraftfulla kemiska substanser som förändrar våra tankar och känslor. Adrenalin och dopamin kan till exempel döva smärta och ge starka känslor av upprymdhet och eufori.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 83

4 KÄNSLOR AV EUFORI

17.09.2019 08:36

VAMPYRMYTEN AVSLÖJAS VETENSKAPEN KAN FÖRKLARA DE FENOMEN SOM FÅR MÅNGA ATT TRO PÅ DE ODÖDA

egender om varelser som trotsar döden och jagar de levande går tillbaka till urminnes tider. I många tidiga civilisationers folktro förekommer vampyrlika varelser, så som den skräckinjagande barnätande demonen Lamia i antik grekisk mytologi och de livssugande edimmuspökena i mesopotamiska legender. Särskilt vanlig blev tron på vampyrer i medeltida europeisk folktro, där den levde

vidare i hundratals år. Ofta väcktes vid skepelserna till liv under utbrott av pest och andra sjukdomar. Men allteftersom vår veten skapliga förståelse förbättrades avslöjades mysterierna som låg bakom dessa upp fattningar. Långa huggtänder, överkänslighet mot solljus och blod runt munnen kan alltihop förklaras av för den tiden okända sjukdomar och naturliga nedbrytningsprocesser efter döden.

t att vistas i Porfyri gör det smärtsam aka blåsor. ors d me och till kan solljus och

HUGGTÄNDER, SOLLJUS OCH VITLÖK Legendens klassiska vampyrer har skarpa huggtänder för att kunna bita sina offer i halsen, kommer bara ut om natten och är bleka på grund av att de inte tål solljus. De kan också jagas bort med vitlök. Tack vare medicinska framsteg känner vi idag till flera tillstånd som faktiskt skulle kunna förklara en del av dessa drag. Porfyri är samlingsnamn för en grupp sjukdomar som kan ha bidragit till vampyrmyten. En av dessa, vid namn kongenital erytropoetisk porfyri (CEP), ger upphov till en skadlig ansamling av ljus aktiverade molekyler i huden. När de drabbade utsätts för solljus kan dessa skadliga ämnen börja bryta ned huden, skada tandköttet och få tänderna att se längre och mer huggtandsliknande ut. Utöver ökad ljuskänslighet kan porfyri även göra folk överkänsliga för livsmedel innehållande höga halter av svavel, såsom vitlök. Liknande symptom kan erfaras av någon som lider av rabies, ett dödligt virus som kan överföras till människor om de blir bitna av ett infekterat djur. Rabiessmittade människor kan utveckla sömn löshet och bli aggressiva – till och med försöka bita människor – och visa en aversion för kraftiga sinnesintryck, såsom starka ljus och lukter som vitlök. Rabiesdiagnosen stämmer också in på den gängse skildringen av manliga vampyrer som förföljer kvinnliga offer. Tillståndet är sju gånger så vanligt hos män och kan orsaka en ökad könsdrift genom att påverka kroppens limbiska system.

Rabiesviruset överförs till människor via djurbett, ofta från smittade hundar.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 84

17.09.2019 08:36

VAMPYRMY TEN AVSLÖJAS

BLODTÖRST

Vittnesmål om rivmärken efter naglar på insidan av kistor som öppnats i efterhand tyder på att det inte var helt ovanligt att folk begravdes i förtid.

I tider då folk var oroliga för vampyrer grävdes lik ibland upp för att kontrollera att de fortfarande var döda. Människors rädslor förvärrades när kroppar upptäcktes med blod rinnande från näsa och mun. I själva verket var det som såg ut som blod bara kroppen som gjorde sig av med vätskor, resultatet av den naturliga förruttnelseprocessens, då de inre organen började brytas ned. Även sjukdomssymtom bidrog till blodsugarmyten. Tuberkulos (TBC) är en bakterieinfektion som huvudsakligen drabbar lungorna och får den smittade att hosta upp blod. Innan sjukdomen var känd skyllde folk dessa mystiska dödsfall på övernaturliga krafter. ”Vampyrepidemin” i New England i början av 1800-talet var till exempel ett utbrott av tuberkulos som drabbade hela familjer. Dödsfallen skylldes på att det första offret i familjen på något sätt drack sina överlevande familjemedlemmar från andra sidan graven. När de grävde upp kropparna för att försöka förhindra vad de förutsatte var vampyraktivitet blev deras farhågor felaktigt bekräftade eftersom tuberkulossmittade ofta brukade upptäckas med munnen full av blod. Den tyska läkaren Robert Koch van 1905 Nobelpriset för sin upptäckt att TBC orsakas av bakterien Mycobacterium tuberculosis-bakterien (se bild)

LEVANDE BEGRAVD Rädslan för att de döda skulle återuppstå innebar att de levande ibland tog till en del tämligen makabra åtgärder för att försäkra sig om att detta inte skulle hända. Att placera en skära runt halsen på den döde i kistan, hugga liket i bröstet eller skära av dess knäsenor var bara några av de metoder som användes vid begravningar för att försäkra sig om att den döda inte skulle kunna fly. Tron på att den döda kanske inte skulle förbli död var troligtvis inspirerad av fasansfulla fall av människor som begravts levande. Brist på medicinsk kunskap innebar att folk kunde förklaras döda av misstag och begravas i förtid, bara för att återfå medvetandet när det var för sent. Till exempel kan människor med katalepsi få anfall där kroppen blir stel och andning och hjärtfrekvens saktar ned avsevärt, vilket lätt kunde leda till felaktiga dödförklaringar.

Ett symtom av TBC är att hosta upp blod, vilket kan ha bidragit till ryktet om blodtörstiga vampyrer.

SKABB OCH FILMFEBER de så kallade chupacabras avslöjade att de var prärievargar, hundar eller till och med tvättbjörnar som led av skabb, vilket ger klåda, håravfall, inflammation och avmagring. Det händer att hundar och andra hunddjur dödar sina byten genom att bita dem i halsen utan att äta dem. Intressant nog kom den första iakttagelsen av en chupacabra inte långt efter skräckfilmen Species kom ut i Puerto Rico. Radford lyckades spåra det första chupacabravittnet och upptäckte att hon tittat på filmen en kort tid innan sin iakttagelse, vilket gjorde det sannolikt att de första rapporterna faktiskt bara var resultatet av livlig fantasi. En rävunge med rävskabb, en sjukdom orsakad av kvalster som angriper huden. Skabbsymtom förklarar de påstådda chupacabras utseende och beteende.

På 1990-talet började historier om en mystisk varelse som drack blod från boskapsdjur dyka upp i Puerto Rico. Lokalinvånarna kallade den skyldige chupacabra (’getsugare’), och beskrev den som ett odjur med långa klor och piggar längs ryggraden. Dess offer brukade hittas med vampyrliknande sticksår på halsen men inga tecken på andra skador. Legenden om chupacabra spred sig snart över Latinamerika och södra USA, men vid 2000-talet hade vittnenas beskrivningar hunnit bli mindre utomjordiska. Varelsen sades vara hårlös och hundliknande. Utredaren Benjamin Radford, en forskarassistent från Kommittén för skeptisk undersökning, beslöt sig för att ta reda på sanningen. Under fem års tid intervjuade han vittnen och samlade bevis, inklusive exemplar av angripna boskapsdjur och påstådda chupacabra-lik. Dna-analys av

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 85

17.09.2019 08:37

Celler delar sig bara ett begränsat antal gånger innan de träder in i ett zombieliknande tillstånd.

ODÖDA CELLER NÄR VI ÅLDRAS SVÄMMAR VÅRA KROPPAR ÖVER MED ZOMBIECELLER SOM VÄGRAR DÖ

eller har en inbyggd säkerhetsbrytare som stänger av dem när de börjar bli för gamla. De slutar att dela sig och går in i en lugn pensionsperiod som forskarna kallar cellåldrande. De gamla cellerna sänder ut signaler till immunförsvaret för att meddela det att de nått slutet av sina liv. Sedan väntar de tålmodigt på att de vita blodkropparna ska komma och stänga av dem. I takt med att vi blir äldre och fler celler åldras kan immunförsvaret inte alltid hålla jämna steg med efterfrågan. När allt fler celler drar sig

tillbaka överväldigas de vita blodkropparna och slutar svara på anrop. Odöda celler ansamlas i vävnaderna, fortfarande levande men oförmögna att göra sina jobb. Zombiecellerna fortsätter att skicka ut nödsignaler i hopp att immunförsvaret

”Zombiecellerna fortsätter att skicka ut nödsignaler”

ska rycka in, men allt detta gör är att inflammera de omgivande vävnaderna. Det skadar när liggande celler, vilket ökar åldrandeprocessen. Man har upptäckt att avlägsnandet av odöda celler hos möss kickstartar vävnadsreparationen och upphäver ålderstecken. Därför tävlar nu läkemedelsföretag om att få immunförsvaret att eliminera odöda celler kroppen. Zombierna har en svaghet, ett inbyggt självförstörande program som kallas apoptos eller programmerad celldöd. Vi behöver bara hitta ett läkemedel som kan trycka på knappen och sätta i gång det.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 86

17.09.2019 08:37

ODÖDA CELLER

ZOMBIEMÖRDARE HUR KAN VI BLIR KVITT DE ODÖDA CELLERNA SOM SVÄMMAR ÖVER I VÅRA KROPPAR?

IMMUNAKTIVERING De odöda cellerna distraherar de vita blodkropparna, vilket orsakar inflammation.

VARFÖR ÅLDRAS CELLER? Cellåldrande är ett förprogrammerat tillstånd som celler kan utlösa om de har börjat spåra ur. Det försätter dem i ett säkert viloläge där de inte längre kan kopiera sig själva, vilket förhindrar att fler defekta celler dyker upp i kroppen. Detta tillåter inte endast organen och vävnaderna att fungera som vanligt, det skyddar också mot cancer. Ett kännetecken för cancerceller är att de ignorerar instruktioner om att sluta dela sig och fortsätter att replikera sig själva utan stopp. Cellåldrande händer även unga, friska celler, och det spelar en viktig roll för växande embryon. Att fördröja celldelning på vissa ställen och tillåta att den samtidigt fortsätter på andra hjälper till att forma den växande kroppen.

CELLSK ADOR Skadade celler slutar dela sig och stoppar spridningen av defekta gener.

DÖDEN Vita blodkroppar försöker att döda de odöda cellerna, men de är i underläge och alltfler odöda celler dyker upp.

SJÄLVFÖRSTÖRELSE Om nya läkemedel utlöser den programmerade celldöden inbyggd i zombiecellerna kan det leda till att avlägsna dem. Senescence hjälper till att stoppa gamla celler från att vidarebefordra felaktigt dna.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 87

17.09.2019 08:37

MIKROFORSKNING HUR HAR MIKROSKOPEN VISAT OSS DEN LILLA VÃ&#x201E;RLDEN SOM OMGER OSS?

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 88

17.09.2019 08:37

MIKROFORSKNING

ad är det minsta du kan se utan några förstorande hjälpmedel? Ett sandkorn? Linjerna i ditt fingeravtryck? Eller kanske, om du tittar riktigt noga, diametern på ett mänskligt hårstrå? Genom större delen av människans historia har vår syn varit en av de största begränsningarna för vetenskaplig forskning. Eftersom man inte kunde se celler, bakterier eller atomer, hade man inte någon uppfattning om dem. Först när mikroskopet uppfanns i mitten av 1600-talet började man förstå den osynliga världen runt omkring oss. Forskare upptäckte ett myller av bakterier i dricksvatten och miniatyrdjur i sjöar, och lärde sig mer om vår egen anatomi när de hittade till exempel smaklökar och blodceller. Under århundradet som följde utvecklades mikroskop tekniken. Forskare utvecklade mikroskop som var tillräckligt kraftfulla för att hjälpa till vid diagnostisering av cancer och söka efter bevis på brottsplatser. Från den ödmjuka början med det enkla mikroskopet till utvecklingen av det första elektronmikroskopet, har vi idag mer avancerad teknik som låter oss se utrymmet mellan atomer. Mikroskop används för att se och fotografera mycket små föremål som annars är osynliga för det mänskliga ögat. Mikroskop kan delas in i två huvudkategorier: optiska och elektroniska. Det är förmodligen det optiska mikroskopet som du tänker på när du tänker på ett mikroskop – de

har en ljuskälla och en uppsättning förstoringsglas så att du kan undersöka ditt prov. Den här typen av mikrosop används ofta inom medicinsk diagnostik och inkluderar fluorescerande mikroskop, där fluorescens utsöndras av prover under specialljus, och lasermikroskopi, vilket använder laserstrålar för att visualisera prover. Elektronmikroskop är mer komplexa och erbjuder högre förstoringsgrad och upplösning. I stället för en ljusstråle används en elektronstråle för att skapa en projicerad bild eller spela in hur elektronerna studsar tillbaka från provet. Det finns också svep elektronmikroskop, vilket även omfattar atomkraftsmikroskop där provernas yta skannas med hjälp av en mycket fin nål, vars rörelser när den rör sig över ytan mäts med en laserstråle. De kan mäta skillnader på ungefär en atoms diameter.

“ FÖRST NÄR MIKROSKOPET UPPFANNS I MITTEN AV1600-TALET BÖRJADE MAN FÖRSTÅ DEN OSYNLIGA VÄRLDEN RUNT OMKRING OSS.”

UNDER MIKROSKOPET 1m 1m

1 dm 10-1 m

VEM UPPFANN MIKROSKOPET? Som med många andra uppfinningar är det inte lätt att konstatera vem som var först med att bygga ett fungerande mikroskop. Historiker är inte ense om ifall det var Hans Lippershey (som patenterade det första teleskopet) eller far och son Hans Martens och Zacharias Janssen som var galsögon tillverkare. Alla tre bodde i samma stad i Middelburg, Nederländerna. De första mikroskopen var ganska enkla; de bestod av en tub med en lins i varje ände, men de kunde förstora upp till 9 gånger. Medan Zacharias Janssen och hans pappa påstod att Lippershey stal idén från dem, något som bekräftades av brev från den nederländske diplomaten Willem Boreel, var Zacharias dock känd för att vara en oärlig gestalt och han gjorde sig en förmögenhet på att förfalska mynt.

VARFÖR BEHÖVER VI ELEKTRONMIKROSKOP? När du tittar på något som är riktigt litet kan dina ögon urskilja två punkter som är ungefär 0,2 millimeter ifrån varandra, under förutsättning att ljuset är tillräckligt bra. Det innebär att upp lösningen på dina ögon är ungefär 0,2 millimeter. Ljusmikroskop har mycket bättre upplösning, och elektronmikroskop ännu bättre. Det här beror på att elektroner har mycket kortare

Hans Martens och hans son Zacharias använder ett tidigt mikroskop.

INTE ENS ATOMER UNDKOMMER DET HÄR VERKTYGETS SKARPA BLICK 1 cm 10-2 m

1 mm 10-3 m

100 um 10-4 m

10 um 10-5 m

1 um 10-6 m

100 nm 10-7 m

10 nm 10-8 m

1 nm 10-9 m

0,1 nm 10-10 m

ÖGAT

LJUSMIKROSKOP

Ett barns längd

En handbredd

En fingerbredd

Ett hårstrås tjocklek

En röd blodkropps storlek

En bakteries storlek

En viruspartikel

En dnamolekyl

En glukosmolekyl

En Atom

ELEKTRONMIKROSKOP

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 89

17.09.2019 08:37

” EN ELEKTRISK HÖGSPÄNNINGS KÄLLA DRIVER KATODEN SOM GENERERAR EN ELEKTRONSTRÅLE” våglängd än vitt ljus, vilket har en våglängd på ungefär 400 till 7 000 nanometer. Elektron strålarna i ett elektronmikroskop är närmare 0,1 nanometer. De kortare våglängderna ger en högre upplösning och innebär att ljuset inte böjs och sprids lika mycket åt olika håll vilket ger en klarare och skarpare bild. Medan forskare lär sig mer om den mikro skopiska världen och vår teknologi blir allt mindre, kan många strukturer som är intressanta att undersöka inte längre observeras med ljusmikroskop. Vi behöver mer förstoring och högre upplösning för att observera saker som de små mikrochipen i våra smarta mobiler, och därför används elektronmikroskop alltmer.

MIKROSKOP INOM DIAGNOSTIK OCH PÅ BROTTSPLATSER Tekniken förlitar sig på elektronmikroskop, men många områden inom biologin kräver optiska mikroskop, särskilt när det gäller att identifiera smittämnen som orsakar sjukdom. Man använder sig av optiska mikroskop inom sjukdomsdiagnostik och patologi för att studera insamlade prover. Man studerar karaktäristiska förändringar i celler och vävnader som orsakas av infektioner och avgör vad patienten drabbats av för att sätta in rätt behandling. Optiska mikroskop används också ofta när man letar efter ledtrådar och bevismaterial som lämnats på en brottsplats. Då måste man kunna förstora olika typer av mikroskopiska bevis som till exempel fingeravtryck eller klädfibrer.

Elektronmikroskop kan inte ta färgfoton, men de kan färgsättas i efterhand, som den här bilden som föreställer röda blodceller.

FEM SAKER SOM FORSKARE HAR UPPTÄCKT TACK VARE MIKROSKOP

MIKROSKOPENS FRAMTID Det finns många idéer och uppfinningar som har skapats under det senaste årtiondet, som fortfarande utvecklas för att användas inom industrin. Vid frontlinjen av det banbrytande arbetet med att förbättra mikroskopteknik ligger universitetet i Manchester. Där har forskare utvecklat ett revolutionerande nytt optiskt mikroskop som har fört biologer ett steg närmare att kunna observera levande virus (som i dag endast kan iakttas i elektronikroskop). Ett annat projekt, lanserat av universitetet i York, satsar på att kombinera tekniken i optiska och elektronmikroskop till ett enda system i ett försök att kringgå problem med båda typerna. Det kan vara svårt att förutspå framtidens teknik, men vi kan vara säkra på att mikroskop inte har nått upp till sin fulla potential. Vem vet vad vi kommer att upptäcka?

1. BAKTERIER Antonie vad Leeuwenhoek upptäckte bakterier och protozoer i vatten under senare delen av 1670-talet. Han skickade vackert detaljerade teckningar av dem till vetenskaps akademien i London.

2. CELLER Växtceller upptäcktes av Robert Hooke år 1665. Han tittade på döda celler från en vinkork och döpte dem till ”celler” eftersom han tyckte att de liknade celler (de små rum som finns i kloster.).

3. ATOMKÄRNOR I Geiger-Marsdenexperimenten upptäckte vetenskapsmännen att atomer innehåller en positivt laddad kärna där det mesta av dess massa finns koncentrerad. De lyckades med detta genom att studera alfapartiklar med ett mikroskop.

Optiska mikroskop används vanligen till biologiska provanalyser.

4. MÄNSKLIGA GENER År 1995 hittade forskarna Edward B. Lewis, Christiane Nüsslein-Volhard och Eric Wieschaus generna som har med mänsklig utveckling att göra.

5. SICKELCELLANEMI År 1910 upptäckte AT-läkaren Ernest E. Irons den smärtsamma och ärftliga sjukdomen sickelcellanemi efter att ha tagit blodprov på en student som hade blodbrist med märkligt halvmåneformade röda blodceller.

STORA MIKROÖGONBLICK MYCKET HAR HÄNT MED MIKROSKOPEN

1619

750–710 F.KR. Nimrudlinsen skapas av en bit bergskristall med konvex form och används för att bränna (genom att koncentrera solens strålar) eller för att förstora.

1200-TALET Att använda linser i glasögon blir vanligt och förstoringsglas med en enda lins blir populära.

Tidigaste beskrivningen av ett binokulärt mikroskop sedan nedeländske ambassadören Boreel ser ett i London som tillhör uppfinnaren Drebbel.

1655 Den första noteringen av att Hans Martens och Zacharias Janssen uppfann det binokulära mikroskopet år 1590.

1665 Robert Hooke publicerar en samling biologiska foton i Micrographia och är den förste att använda ordet ”cell” för formerna han hittar i bark.

1673 Antonie van Leeuwenhoek förbättrar mikroskopet för att kunna studera biologiska material. Senare observerar han bakterier.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 90

17.09.2019 08:38

MIKROFORSKNING

OLIKA MIKROSKOP

DESSA MASKINER ANVÄNDER OLIKA TEKNIKER FÖR ATT LÅTA OSS SE NÅGRA AV DE MINSTA FÖREMÅLEN I UNIVERSUM

OPTISK A MIKROSKOP

SVEPELEKTRONMIKROSKOP

TRANSMISSIONSELEKTRONMIKROSKOP

Optiska mikroskop använder ljus och en uppsättning förstorande linser för att se prover som exempelvis blod eller vävnadsceller. Det var förmodligen den sortens mikroskop du använde i skolan. Trots att de är den äldsta sortens mikroskop är de fortfarande mycket viktiga när det gäller biologisk forskning och medicinsk diagnostik.

Svepelektronmikroskop använder sig av en elektronstråle som skannar över provets yta, vilket orsakar produktionen av sekundärelektroner, bakåtstrålade elektroner och karaktäristiska röntgenstrålar. Dessa mikroskop förvaras i vakuumbehållare för att förhindra elektroner att träffa luftmolekyler, och moderna, fullstora SEM kan ge en upplösning på mellan 1–20 nanometer.

Transmissionselektronikroskop är de mest kraftfulla mikroskopen vi har i dag. Elektronerna passerar genom provet och fokuseras för att bilda en bild på exempelvis en skärm. Ju snabbare elektronerna färdas genom elektronerna, desto mindre blir våglängden och desto mer detaljerad blir bilden.

FÖRDELAR

• Forskare kan se provets naturliga färg. • Proverna kan vara levande eller döda. • O ptiska mikroskop påverkas inte av magnetiska fält.

• Det krävs minimalt med förberedelser av prover. • Kan ge detaljerade, tredimensionella och topografiska bilder. • Arbetar snabbt och ger bilder inom några minuter.

• D et mest kraftfulla mikroskopet vi har som kan förstora över en miljon gånger. • G er information om provets beståndsdelar och sammansatta struktur. • K an avgöra form och storlek likväl som struktur och yta.

NACKDELAR • F örberedelserna riskerar att förvanska provet. • Förstoringen är begränsad till cirka 1 500 gånger. • U pplösningsförmåga (avståndet för att urskilja två punkter) för biologiska prover är omkring 1 nanometer.

LJUSKÄLLA

NACKDELAR • P rover måste vara fasta och tåla vakuumtryck (inte lämpligt för biologiska prover). • Risk att utsättas för radioaktiv strålning på grund av elektroner som sprids underifrån provet. • K omplicerat och dyrt, stora och känsliga för elektriska, magnetiska och vibrerande störningar.

• P rover måste vara ”elektrontransparenta” (en tjocklek mindre än 100 nanometer). • Bilder sätts samman i svartvitt. • Förberedelse av proven är svårt och komplext.

K ATODSTRÅLE

ELEKTRONPRODUKTION

VINKLAD SPEGEL

Naturligt ljus från rummet eller från en lampa lyser in i mikroskopet.

NACKDELAR

En elektrisk högspänningskälla driver katoden som genererar en elektronstråle.

Elektroner framställs längst upp och accelererar ner genom mikroskopet.

Strålarna träffar en justerbar vinklad spegel som ändrar ljusets riktning och flyttar det uppåt mot provet.

PROV KONDENSORLINS STRÅLE

Elektronerna stör provet, vilket ger sekundär elektroner, bakåtstrålade elektroner och karaktäristiska röntgenstrålar.

Elektroner passerar genom ett antal linser och öppningar för att framställa en koncentrerad stråle.

OBJEKTIVLINS Ljus från spegeln passerar genom provet på objektglaset, träffar objektiv linsen och lyser upp en förstorad bild.

PROJEKTIONSLINS

OKULARLINS Den här linsen förstorar ytterligare provet från objektivlinsen.

VISUALISERING Elektronsignalerna samlas ihop av en eller flera detektorer. I en dator tolkas signalerna och visas som bilder på en datorskärm.

PROV

1873 Ernst Abbe beskriver matematiskt vilka förutsättningar som krävs av ett linssystem för att skapa skarpa, distortionsfria bilder.

1951 Fältjonmikroskopet upptäcks av Erwin Wilhelm Müller, vilket gjorde att man för första gången i historien kunde se atomer.

1953 Professorn och fysikern Fritz Zernike får Nobelpriset för att ha upptäckt faskontrastmikroskopet.

Denna lins förstorar bilden som blir synlig när elektronstrålen träffar en fluorescerande skärm i maskinens botten.

1967

2008

Erwin Müller fortsätter med sitt fältjonmikroskop och skapar den första atomproben, vilket möjliggör kemisk identifiering av individuella atomer för första gången.

Lawrence Berkeley National Laboratory installerar ett nytt mikroskop värt 27 miljoner dollar, med en upplösning på en halv ångström. Dagens mest kraftfulla mikroskop.

1991 Användandet av sveptunnel mikroskopet publiceras för första gången. Man kan se atomer och molekyler.

PROV

Den första elektromagnetiska spiralen koncen trerar elektronerna till en stråle ned genom mikro skopets mitt.

ELEKTRONINTERAKTION

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 91

17.09.2019 08:38

SUPER STEM I ETT LABORATORIUM I DARESBURY FINNS NÅGRA AV EUROPAS KRAFTFULLASTE MIKROSKOP Några av de mest kraftfulla mikroskopen i Storbritannien finns i den lilla staden Daresbury, Cheshire. Där finns UK National Facility for Advanced Electron Microscopy som finansieras av Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC). Hit kommer forskare från hela världen för att använda de kraftfulla mikroskop som finns i anläggningen. Den nyaste modellen är Nion UltraSTEM 100MC ”HERMES”, även kallat SuperSTEM3, men på institutet finns även de äldre modellerna Nion UltraSTEM 100 (SuperSTEM 2) och VG HB501mikroskopet som är utrustat med ett Mark II Nion Cs corrector (SuperSTEM1). Dessa mikroskop är en specialiserad typ av TEM som kallas svepelektronikmikroskop (STEM), men ”HERMES”-mikroskopet kan även användas som ett vanligt TEM (CTEM) eftersom det kan byta mellan olika användnings områden. STEM-maskinerna framställer bilder genom att använda en fokuserad elektronstråle som skannar över ett tunt prov i ett raster mönster (horisontella, nästan överlappande linjer över en rektangulär form). Maskinerna är så högupplösta att de kräver en oerhört stabil omgivning fri från vibrationer, temperatur växlingar samt elektromagnetiska och akustiska vågor. Den här känsligheten kan påvisas genom att man klappar händerna i närheten av SuperSTEM 2. Störningen registreras omedelbart på datorn och skickar atomerna åt ena sidan. Medan SuperSTEM 1 enbart kräver en grundläggande nivå av stabilitet och atmosfärisk övervakning, täcks SuperSTEM 2 av en tung, tjock gardin för att minska störningar. SuperSTEM 3 är så känsligt att det måste styras från ett separat rum. SuperSTEM-anläggningen är noga med att erbjuda tillgång för den globala forskarkåren. Projekt inkluderar att undersöka termoelektriska oxider för kraftframställning och att studera molybdendisulfid, en katalysator som används i oljeraffinaderier för att ta bort skadliga svavelhaltiga orenheter i fossila bränslen. Forskare från alla vetenskapliga områden får ansöka om att använda mikroskopen gratis för mindre studier samt få recensioner av forskarna på anläggningen.

SuperSTEM1 är den äldsta mikroskopmodellen på anläggningen och är en uppgraderad version av en av maskinerna som byggdes 1970.

MESOLENSMIKROSKOPET Moderna optiska mikroskop måste kompromissa mellan nivån på detaljerna de kan ge och mängden prover de kan visa på samma gång. Det enorma mikroskopet Mesolens byggdes för att överbrygga den här begränsningen eftersom den designades för att ha både hög upplösning och ett brett synfält. Den här kraftfulla mikroskoplinsen kan se både tätt packade celler och helheten hos ett embryo i en enda bild, och den kan förstora prover upp till 4x jämfört med konventionella motsvarigheter som erbjuder samma förstoring. Mesolens har inneburit att forskare kan observera celler på plats komplett med blodkärl och annan omgivande vävnad och kan processa så mycket som 100x fler prover jämfört med ett konventionellt mikroskop.

En odling av råtthjärnceller färgade med fluorescerande färg, däribland neuroner (grönt), gliaceller (rött) och de (blå) astrocytkärnorna.

Linserna inuti SuperSTEM är staplade på varandra för att förtäta strålen.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 92

17.09.2019 08:38

MIKROFORSKNING

INTERVJU MED SUPERSTEMS DEMIE KEPAPTSOGLOU EN AV FORSKARNA BAKOM PROJEKTET HAR INTERVJUATS FÖR ATT AVSLÖJA UNIVERSUMS MÅNGA ATOMHEMLIGHETER Det måste finnas en del otroliga saker du har sett med hjälp av de här mikroskopen. Vad har du för favorit? Det finns så många! Grafen, förstås. Jag minns första gången jag tittade på grafen. Det var så häftigt för den är bara en atom tjock och jag kunde urskilja varenda atom. Men vi har också ett samarbete med kolleger i Tyskland och de tar hit meteoriter som har rest genom universum – en del av dem är 4,5 biljoner år gamla. Jag blev förvånad när jag upptäckte att det finns organiskt material i meteoriter – det finns en teori som säger att det kan vara så det första organiska materialet kom till jorden. Vi har ett ordspråk: ”Vi undersöker universum en atom åt gången, men det kan dröja ett tag innan vi är färdiga.” Varför är det viktigt att förstå materialen runt omkring oss på atomnivå? Minns du mobilbatterierna som exploderade? Det här är batterier som är väldigt, väldigt små men som är lika kraftfulla som en dator var för tio år sedan. Uppenbarligen var det något fel i produktionen, men det kanske inte var stort alls eftersom produkterna är så små nu. Vi inser inte hur mycket arbete och forskning det ligger bakom våra vardagsprodukter. Finns det några framgångar du vill se i framtiden som kräver elektronmikroskop? Jag tror på moderna mediciner som involverar atomer och subatomiska partiklar. Man har forskat på att fästa magnetiska nanopartiklar vid mediciner så att man kan använda en magnet för att leda medicinen dit där den behövs, till en tumör eller liknande. Är nanopartiklar farliga för vår hälsa? Kan man använda elektronmikroskop för att undersöka det här? Ja, jag var inblandad i en atmosfärstudie och de samlade in nanopartiklar vid vägen. De undersökte vilken sorts nanopartiklar som finns i vår luft och de hittade en mängd järnoxid som kom från bilarnas bromsar. Att förstå hur saker ser ut och hur de fungerar är väldigt viktigt för att förstå hur små partiklar inverkar på vår hälsa.

” MESOLENS HAR INNEBURIT ATT FORSKARE KAN OBSERVERA CELLER PÅ PLATS KOMPLETT MED BLODKÄRL OCH ANNAN OMGIVANDE VÄVNAD” 93

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 93

17.09.2019 08:38

VARDAGSVETENSKAP FRÅN DET HÄPNADSVÄCKANDE TILL DET TRIVIALA – VETENSKAPEN BAKOM LIVETS SMÅ MYSTERIER

LÅNGSAMMA DROPPAR I en helt vanlig tekanna stannar lite av vätskan kvar på pipens utsida när hällandet avtar, och droppar sedan från den.

VÄTSKEMOTSTÅND

HÄLL SNABBT När teet hälls snabbt lämnar det pipen i en samlad och jämn ström.

Nya tekannor kan ha vattenavstötande ytbehandlingar som gör det lättare att hälla utan att droppa.

VARFÖR DROPPAR TEKANNOR? PIPVIDDEN Smalare pipar kan leda till mindre droppande, eftersom vätskan då inte kan göra den tvära sväng som krävs för att det ska avvika från huvudflödet.

Forskare i flödesdynamik vid Lyons universitet i Frankrike har arbetat hårt med att ta reda på varför pipen på tekannor så gärna droppar. De kom fram till att dropparna som faller när man hällt klart beror på “hydrokapilläreffekten”. När man häller upp sitt te rinner lite av vätskan längs utsidan av pipen. Det här påverkas av pipens form, hur fort teet hälls och hur vattenavstötande tekannan är. Tekannor av metall med raka pipar är mycket mindre benägna att spilla än deras svängda porslinsmotsvarigheter.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 94

17.09.2019 08:38

VARDAGSVETENSK AP

VARFÖR SKVALPAR KAFFET ÖVER?

KAN MAN LITA PÅ FEMSEKUNDERSREGELN?

säker att Om tappad mat är och äta beror på typen ener mängden av patog t. som finns på golve

Forskare rekommenderar att man går långsamt och inte fyller koppen till brädden.

VARFÖR VANDRAR TANKARNA? Hjärnans ”standardläge” är benäget åt introspektion och dagdrömmeri, men med lite ansträngning kan vi slå om till ”fokusläget” och utföra komplexa uppgifter. Men om de här uppgifterna är enformiga kan tankarna börja vandra och vi kan göra misstag. Dessa korta avbrott är ett slags kortvarig koncentrationsförlust, men vi kallar dem i dagligt tal bara för ”hjärnsläpp”. Forskare vid New Mexicos universitet upptäckte att man kan se de här ”hjärnsläppen” dryga 30 sekunder innan en person gör ett misstag med funktionell magnetresonans tomografi (fMRI) som mäter Vid magnetresonans- blodflötet mellan olika delar tomografi ”lyser” hjärnans aktiva delar upp. av hjärnan.

PRISBELÖNT ORIMLIG FORSKNING Du undrar kanske varför forskare lägger tid på att undersöka spillt kaffe, droppande tekannor och fem sekundersregeln, men dessa udda forskningsprojekt väcker folks intresse för vetenskapen och borde hyllas. Varje år i september delas tio Ig Nobel-pris ut för forskning som får folk ”att skratta och sen att tänka”. Tidigare vinnare har visat hur man gör ett kokt ägg okokt, mätt bananskalets friktion och till och med visat att astmasymptom kan botas genom att åka berg-och-dalbana.

Forskare vid Kaliforniens universitet i Santa Barbara filmade frivilliga medan de bar kaffekoppar för att avslöja hemligheten bakom kaffeskvalpet. De upptäckte att allt handlar om koppstorlek, kaffets flödes dynamiska egenskaper och hur vi går. Vätska som skvalpar runt i en behållare har en tendens att falla in i en naturlig frekvens, lite som en vätskependel. Detta varierar med koppstorleken och vätskans egenskaper, men med kaffe i en vanlig mugg hamnar den naturliga frekvensen nära gångtakten. När man går börjar kaffet svänga och små ojämnheter i stegen förhöjer effekten. Ju fortare man accelererar, desto större är sannolikheten att man spiller. Ett lock på koppen kan faktiskt förvärra saken. När kaffet skvalpar, glider lite längs lockets undersida och lite kryper upp på koppens insida. När de två flödena kolliderar sprutar de ut ur drickhålet, som en kaffevulkan.

Alla skolbarn har hört att om man plockar upp mat inom fem sekunder från det att man tappade den, så är den säker att äta, men är det bara en vandringssägen? För att pröva idén tappade forskare vid Aston University i Storbritannien rostat bröd, pasta, kex och godis på ett antal olika golvunderlag och testade sedan antalet vanliga bakterier efter mellan tre och 30 sekunder. Bakterier överförs innan de magiska fem sekunderna är till ända, men oftast är maten fortfarande ätbar. Det var bättre att tappa maten på mattor än på hårda och platta ytor som laminatgolv, och torr mat klarade sig bättre än våt.

Bedriften att få en groda att sväva i ett magnetfält belönades med Ig Nobel-priset i fysik år 2000.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 95

17.09.2019 08:38

VARFÖR BRÄNNS ROSTAT BRÖD? Rostat bröd kan gå från saftigt och vitt till bränt och svart på några få sekunder, men varför bränns bröd så lätt? Svaret finns i brödets kemiska sammansättning. Bröd i sin enklaste form består av vetemjöl, jäst och vatten. Mjölet innehåller kolhydrater (långa sockerkedjor) och proteiner (långa aminosyrekedjor), och dessa utgör huvud ingredienserna i en kemisk reaktion som kallas Maillard-reaktionen. Sockret i brödet (här ingår glukos, fruktos, maltos och laktos) innehåller kemiska grupper som kallas aldehyder (de betecknas -CHO). Vid temperaturer över cirka 140 °C börjar de här grupperna att reagera med amino grupperna (-NH2) som är baserade på aminosyror i väteproteinerna. Det här är det första steget på vägen till rostat bröd. Produkterna av de här reaktionerna är instabila och sönderfaller snabbt till kemiska ämnen som kallas ketosaminer. De reagerar i sin tur vidare och skapar en mängd färgstarka föreningar med distinkta aromer och smaker. Hur snabbt ens bröd rostas och sedan bränns beror på dess sammansättning. Olika sockerarter och aminosyror producerar dessutom olika smak- och doftmolekyler när de genomgår Maillardreaktionen. Generellt sett kan man säga att ju torrare brödet är, desto snabbare uppstår de här reaktionerna och desto tidigare blir det rostat och därefter bränt. Basiska bröd (till exempel bröd bakat med bakpulver) borde få färg snabbare än sura bröd, och bullar och bröd penslade med mjölk eller ägg får fortare färg tack vare det extra proteinet på ytan. Var extra försiktiga om ni rostar fruktbröd, sockret karamelliseras och omvandlas till kol om det lämnas kvar för länge i brödrosten.

SMAKEN AV ROSTAT BRÖD

STEG 1 Under Maillardreaktionens första fas förenas en sockerart och en aminosyra.

2 R

Socker (glukos)

Aminogrupp

1 BRÖD

Glykosylamin (+ vatten)

Bröd innehåller protein (av aminosyror) och kolhydrater (sockerarter).

STEG 2 Strukturen som skapas vid steg 1 sönderfaller och bildar en ketosamin.

2 VÄRME O

Vid temperaturer över 140˚C förenas amino syrorna och sockerarterna.

1, 2-Enaminol

Ketosamin

C O

Fissionsprodukter

C O

Reduktioner

3 SOCKER

Det finns 20 aminosyror, alla med lite olika kemiska strukturer.

5 GLYKOSYLAMIN

O C

4 AMINOSYROR

Föreningen från steg två kan genomgå ytterligare reaktioner som producerar ett antal olika molekyler. O

Bröd kan innehålla sockerarterna glukos, fruktos, maltos och laktos.

STEG 3

KOMPLEX KEMI LIGGER BAKOM DET ROSTADE BRÖDETS DISTINKTA DOFT OCH SMAK

C C O

Hydroroxymetylfurfural

ROSTAT ELLER BRÄNT? Olika sorters bröd genomgår Maillardreaktionen olika fort.

När socker och aminosyror förenas bildas instabila föreningar som kallas glykosylaminer.

6 KETOSAMIN Glykosylaminerna sönderfaller till ketosaminer, även kallade Amadori-omkastningar.

7 PRODUKTER Ett antal olika ämnen kan bildas när ketosaminerna fortsätter att reagera.

GLÖDTRÅDAR När elektrisk ström flödar genom de här tunna ledningarna, hettas de upp och börjar glöda.

FÄRDIGT

STRÅLNING

En termostat eller timer reglerar när brödrosten stängs av. En fjäder får brödet att hoppa upp.

Glödtrådarna sitter jämnt fördelade och strålar värme från två sidor, så att brödet rostas snabbt och jämnt.

ÄR DET LÖNT ATT TRYCKA PÅ SNOOZEKNAPPEN? Snoozeknappen kan kännas som en räddare i nöden, men du gör nog klokt i att ställa klockan lite senare och stiga upp direkt. Sömnen består av cykler och börjar med att man slumrar till i några minuter. Sedan följer 10–20 minuter lätt sömn innan man sjunker ner i längre perioder med djupare sömn. En sådan cykel varar i cirka 90 minuter och under nattens lopp ersätts den lätta sömnen av drömmar. Det kan kännas skönt att trycka på snoozeknappen på morgonen, men då är sömncykeln redan bruten och de små stunderna med lätt sömn därefter gör inte att man mår bättre när man till sist hoppar upp ur sängen. Glöm snoozeknappen och njut av oavbrutensömn.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 96

17.09.2019 08:38

VARDAGSVETENSK AP

VARFÖR FÅR FUKTIGT TYG EN MÖRKARE FÄRG? VÅTT OCH TORRT INKOMMANDE LJUS Inkommande ljus träffar de torra fibrerna och sprider sig.

HUR VATTENMÄTTAT TYG FÖRÄNDRAR DET INKOMMANDE LJUSETS VÄG

TORRT

MINDRE REFLEKTION

VÅTT

När mindre ljus kan lämna tyget verkar fibrerna mörkare.

FIBRER Tygets fibrer innehåller färger och pigment som absorberar vissa av ljusets våglängder.

VATTENMÄTTAT Mellanrummen mellan tygfibrerna har fyllts med vatten.

BÖJT LJUS

REFLEKTERAT LJUS En del av ljuset reflekteras av tyget och studsar tillbaka mot ögat.

ÄR DET VERKLIGEN SÅ JAG SER UT OCH LÅTER? När man ser sig själv i spegeln är den reflekterade bilden spegelvänd, och så ser man sig själv varje dag. Om ansiktet vore symmetriskt skulle det inte spela någon roll, men eftersom det finns små asymmetrier innebär det att hjärnan lagrar en spegelvänd bild av hur man ser ut. När man sedan ser en rättvänd bild kan den se märklig ut. Ljudet av ens egen röst kan vara ännu konstigare. När man hör någon annan tala färdas ljudet genom luften i form av vibrationer. Dessa vibrationer träffar trumhinnan som börjar vibrera. Då påverkas vätskan i innerörat som pressas mot flimmerhår, varpå signaler skickas till hjärnan. När man själv talar tar ljudet en annan väg till örat. Inte nog med att man uppfattar vibrationerna i luften, man uppfattar även vibrationer inne i huvudet. När ljuden alstras med hjälp av stämbanden och tungan vibrerar huvudets och halsens mjukdelar, liksom skelettet i ansiktet. Dessa extra vibrationer får din röst att låta mörkare. När du hör en inspelning av din röst uppfattar du inte de här undertonerna och den ljusare versionen av din egen röst kan verka mycket märklig.

FÅNGAT LJUS

Ljus som går från luft till vatten eller från vatten till luft får ändrad hastighet och bana.

Ljus som reflekteras av fibrerna böjs när det försöker lämna tyget.

Vi är så vana vid att se vår spegelbild att ett foto kan se mycket märkligt ut. © Thinkstock; Dreamstime

Det är nog inte många som reflekterar över det, men den markanta färgförändringen hos vått tyg beror faktiskt på intressant vetenskap. Hur mycket ljus som reflekteras av ett material beror på något som kallas ”brytningsindex”, vilket avgör hur ljuset rör sig genom materialet. När ett tyg blir vått måste ljuset färdas genom vatten i stället för ljus och då förändras dess väg. Ljus rör sig mycket långsammare i vatten och när det träffar vått tyg böjs det. I stället för att reflekteras tillbaka mot ögat breds mer ljus ut inne i tyget, vilket får färgen att verka mörkare.

HUR VI HÖR

LJUDET AV ENS EGEN RÖST SITTER I SKALLEN

TRUMHINNAN Ändringar i lufttrycket får trum hinnan att vibrera.

HÖRSELGÅNGEN Ljud utifrån, som en inspelning av ens egen röst, når in i örat i form av tryckvågor i luften.

ANSIKTSBENEN Vibrationer från strup huvudet fortplantas även genom ben och mjukvävnad i huvudet och halsen.

ÖRONSNÄCK AN Trumhinnans vibrationer överförs till en vätska inuti en vriden struktur kallad öronsnäckan.

LÄGRE TONHÖJD

FLIMMERHÅR Vibrationerna i vätskan uppfattas av små flimmerhår som utlöser nervsignaler till hjärnan.

De inre vibrationerna får våra röster att låta lägre inne i våra egna huvuden.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 97

17.09.2019 08:39

VARFÖR SER VI ANSIKTEN ÖVERALLT?

ATT SE ANSIKTEN DIN HJÄRNA BORDE AUTOMATISKT UPPFATTA ANSIKTENA PÅ DE HÄR BILDERNA

Från religiösa figurer på den rostade mackan till rymdvarelser på Mars – vi ser ansikten på de märkligaste ställen. Detta är ett fenomen som kallas pareidoli och som uppstår i en del av hjärnan som heter fusiform gyrus där ansiktsigenkänning äger rum. Om vi ser något som ens vagt påminner om ett människoansikte aktiveras denna del. Forskare vid Torontos universitet har upptäckt att den snabba bearbetningen sker i frontalloben (som hanterar vad vi förväntar oss att se) och syncentrum (som bearbetar det vi faktiskt ser). När vi förväntar oss att se ett ansikte sköter hjärnan resten.

LJUSA BILDSKÄRMAR Ett bländskyddsfilter på skärmen kan lindra ansträng ningen för ögonen.

BLINKNINGSFREKVENS Vi har en tendens att blinka mer sällan när vi använder skärmar. Det kan ge torra och trötta ögon.

ÖGONVILA Att titta på en skärm under längre perioder tröttar ut ögonmusklerna. Ge dem därför regelbunden vila genom att fokusera på föremål längre bort.

VARFÖR BLIR ÖGONEN TRÖTTA AV ATT STIRRA PÅ EN SKÄRM? Ju mer vi förlitar oss på elektronisk utrustning för arbete, studier och underhållning, desto mer påverkas vår syn. På samma sätt som enformiga rörelser kan vålla handledsskador, kan långa perioder då vi tittar på skärmar tillfälligt anstränga ögats muskler. Ögonlinsen gör konstant små justeringar när den fokuserar på skärmen, och blänk, flimmer, färger och ljusstyrka komplicerar situationen ytterligare. Ögats muskler tvingas att jobba hårdare för att bibehålla skärpan. När både avstånd och betraktningsv inkel dessutom ofta är onaturliga får ögonen jobba desto hårdare för att hålla fokus.

Enformiga rörelser kan anstränga musklerna i och runt ögat.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 98

17.09.2019 08:39

VARDAGSVETENSK AP

changed sink

VARFÖR FÅR VI LÅTAR PÅ HJÄRNAN? Det här irriterande fenomenet har många namn i den vetenskapliga litteraturen: ofrivilliga musikbilder, ofrivilliga semantiska minnen, kognitiv klåda eller det inte helt angenäma ”öronmask” Det är inte ovanligt att man hör en låt gå på repeat inne i huvudet, många råkar ut för det minst en gång i veckan. Om man spelar musik, lyssnar på låtar och sjunger kan det hända oftare, och även om de flesta pratar om det först när det blir irriterande behöver det inte vara obehagligt. Öronmaskar hör till samma kategori som spontana minnen och vandrande tankar, och de verkar vara påträngande tankar som vi inte kan styra med vårt medvetande. Att reda ut vetenskapen bakom dem är svårt eftersom forskarna måste förlita sig på studiedeltagarnas subjektiva redogörelser, ofta i form av dagböcker och enkäter som mäter hur ofta öronmaskar uppstår och hur effektiva olika strategier kan vara för att bli kvitt dem.

out

song stuck in head

BLI KVITT ÖRONMASKAR DE HÄR POPULÄRA STRATEGIERNA KAN HJÄLPA HJÄRNAN ATT SLÄPPA EN ENERVERANDE LÅT

music

1 GÖR ETT ANAGRAM Studier utförda vid Western Washington University visade att lösa anagram kan vara ett sätt att få lite lindring från öronmaskar. Enklare anagram visade sig ha bättre effekt än att ge sig på mer komplicerade uppgifter.

2 TUGGA TUGGUMMI

THE EARWORMS ANOTHER SONG

Forskare vid Readings universitet delade ut tuggummi till frivilliga efter att de hade lyssnat på medryckande låtar. Käkrörelser tros påverka både korttidsminnet och förmågan att föreställa sig ljud i huvudet.

3 LYSSNA PÅ EN ANNAN LÅT Vid studier i Finland och England uppgav en liten procentandel av deltagarna att de använde sig av ”motlåtar” för att dämpa irritationen över öronmasken. Genom att lyssna på gamla favoriter glömde de den oönskade låten i huvudet.

”DET ÄR VANLIGT ATT HÖRA EN LÅT GÅ PÅ REPEAT INNE I HUVUDET” En av de populäraste metoderna för att handskas med dem verkar vara att inte göra något alls – njuta av låten och, om det går, låta tanken passera. Om inte det hjälper är distraktion en annan populär strategi, vissa personer försöker till och med att lyssna på låten i verkligheten för att bli av med slingan i huvudet. Ett stort problem måste dock fortfarande lösas: ju mer du uppehåller dig vid om dina försök att bli kvitt låten har lyckats eller inte, desto mer benägen blir hjärnan att återgå till att spela upp den igen. Den här tanken har utforskats av psykologen Daniel Wegner i hans avhandling Ironic Processes of Mental Control. Han påpekar att funderingar kring om man framgångsrikt har lyckats bli kvitt en tanke eller inte faktiskt kan få den att återvända.

shuffle

repeat

4 LÖS ETT SUDOKU Forskare vid Western Washington University resonerade att utförandet av komplexa icke-verbala uppgifter också kunde hålla öronmasken stången. Enkla sudoku vara mest effektiva, vid svåra problem började tankarna vandra.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 99

17.09.2019 08:39

Irisering

På dagen skimrar översidan av fjärilens vingar i klarblå och gröna toner.

NATUREN INSPIRERAR VETENSKAPEN Några av människans mest fantastiska uppfinningar är imitationer av växter och djur. Det heter biomimetik.

100

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 100

17.09.2019 08:40

NATUREN INSPIRERAR VETENSK APEN

iologiska organismer på jorden har utvecklats under miljontals år för att bli mästare i sina omgivningar. De har övervunnit hinder på smarta sätt i en värld full av tuff konkurrens. Vissa parasitsteklar använder till exempel sina långa, rörformade organ för att lägga ägg. De borrar sig genom flera centimeter tjockt trä, även om de inte är särskilt starka. De lyckas med detta genom att gnida de

två halvorna av äggläggningsröret fram och tillbaka för att tränga djupare ned i träet, med minimal påverkan på det omgivande trät. Mekanismen är väldigt lik de borrar som används i byggbranschen och inom neuro kirurgi. Forskare har låtit sig inspireras av den naturliga tekniken och sedan utvecklat inno vativa verktyg, som till exempel kontrollerbara medicinska sonder.

Det finns många användbara metoder som denna i naturen och ingenjörer inom många fält har börjat utnyttja fördelarna genom att imitera växter och djur. I allt från byggbranschen till stridsutrustning kan man nu hitta nya lösningar på gamla problem. Biomimetik öppnar dörrarna till en revolutionerande utveckling som tar vår tekniska revolution ett stort steg framåt.

Naturlig färg Så inspirerade fjärilen läsplattan.

Fjärilars vetenskapliga namn är Lepidoptera, vilket betyder fjällvingar. Översidan av vingarna är täckta av många små, överlappande fjäll.

Våg 1

Belägg

Det yttersta lagret är täckt med spår i ett korsande mönster och är gjorda av ett hårt material som heter kitin.

Ljusdiffraktion

Det korsande mönstret gör att ljuset träffar mönstret i olika djup och reflekteras fram och tillbaka flera gånger. Blå våglängder intensifieras och reflekteras, medan de andra skickas ut.

Våg 1

Våg 2

Destruktiv interferens

Våglängder av ljus med motsatta toppar och bottnar neutraliserar varandra.

Konstruktiv interferens

Ljusvågor med toppar och bottnar som matchar varandra ger förstärkta våglängder av ljus.

Projicerat ljus

Byggtips från termiter När du tänker på världens främsta arkitekter är det förmodligen inte termiter de första som dyker upp i tankarna. Dessa varelser kan bygga enorma städer utrustade med förråd, ventila tionsshackt och trädgårdar – i en jordhög. Det invecklade nätverket av tunnlar i termit stacken utnyttjar konvektionsströmmar där varm luft stiger och kall luft med högre täthet sjunker. Detta håller temperaturen stabil, så att termiterna kan odla basfödan svamp hela året. Denna mirakulösa bragd inspirerade arkitekten Mick Pearce för att rita en hållbar byggnad utan luftkonditionering och uppvärmning, men som ändå har en jämn temperatur hela året. Designen använder termiternas principer med en rad kanaler och skorstenar som fördelar värmen uppåt, vilket gör att byggnaden håller sig sval och välventilerad.

Stor färgrikedom

Ljus utifrån tränger genom glaset och de våglängder som kan ta sig ut igen projiceras och definierar färgen.

Avståndet mellan panelerna kan ändras tusen gånger per skeund, så att färgkombinationen kan reflekteras. Detta gör att skärmen kan reflektera alla färgtoner i det synliga området.

Justerbara paneler

Avståndet mellan panelerna kan justeras, så att endast de våglängder som matchar det specifika avståndet reflekteras.

Komplexa strukturer håller temperaturen stabil under varierande värmepåverkan.

Inspirerande djur Annan teknik som inspirerats av djurriket. Förbättrad höghastighetsräls

Japans 500-serie av snabbtåget Shinkansen kan köra i 300 km/h, men ger ifrån sig en ”blixtsmäll”. Den nya designen på tågets nos har inspirerats av kungsfiskarens strömlinjeformade näbb, vilket gör de nyare modellerna snabbare, tystare och mer energieffektiva.

Reducerat motstånd

Hajen är ett mäktigt rovdjur, delvis tack vare sin otroliga fart. Vissa arter kan simma i över 50 km/h. Forskare tror att de beniga fjällen som täcker deras kropp reducerar motståndet när de rör sig genom vattnet. De har använt denna idé för att utveckla mer hydrodynamiska båtar.

Kamouflagekläder

Fjäll

Bläckfisken kan ändra utseendet på sin hud för att gömma sig från rovdjur eller jaga intet ont anande byten. De framhäver olika färgpigment med hjälp av muskelsammandragningar, vilket hjälper dem att smälta in i omgivningen. Ingenjörer har imiterat detta och använder tekniken i ”smarta kläder”.

101

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 101

17.09.2019 08:40

Konstgjord fotosyntes

Omvandling av skadliga gaser till miljövänligt bränsle med konstgjorda blad. Växter har upprätthållit liv i hundratals miljoner år. Genom att absorbera koldioxid, vatten och solenergi producerar de syre och energi i form av kolhydrater. Nu har forskare utvecklat ett konstgjort blad som kan göra samma sak. Det konstgjorda bladet fångar upp solenergi upp till tio gånger effektivare än sina naturliga motsvarigheter. Det

”Det konstgjorda bladet fångar upp solenergi upp till tio gånger effektivare än sina naturliga motsvarigheter.”

konstgjorda bladet delar vattenmolekylerna till syre och väte med hjälp av katalysatorer. Sedan kan specialiserade bakterier göra om väte och koldioxid till flytande bränsle. Denna revolutionerande teknik, som tar fram flytande bränslen utan koldioxidavtryck, kan bli en viktig del i att minska koldioxidutsläppen.

Så utnyttjas växtenergi

Förbättrad effektivitet

Oavsett om de kommer från skogen eller laboratoriet fungerar bladen i stort sett på samma sätt.

NATURLIG FOTOSYNTES

Så har naturen inspirerat till vetenskapliga upptäckter.

Kardborre

Det är inte jobbigt för de yngsta som inte kan knyta skosnörena och det kan vi tacka biomimetiken för. Kardborre uppfanns efter att en forskare la märke till hur lätt de små krokarna på växten kardborre fastnade på hans hunds päls.

Solljus

Solenergi träffar bladets klorofyll frigör några av dess elektroner.

VÄTEJONER OCH ELEKTRONER

VATTEN O GLUKOS C6H12O6

KOLDIOXID

Vattendelning

Klorofyllet ersätter de förlorade elektronerna med några från vattnet, så att vattnet delas in i väte och syre.

Kolhydratsproduktion

SYRE

De separerade atomerna kombineras med koldioxid och bildar socker, som skapar en energireserv.

Syre som avfallsprodukt

KONSTGJORD FOTOSYNTES

Bladet släpper ut syreöverskottet i atmosfären.

Förnybar energi

Ljus

KATALYSATOR

Solenergi absorberas och bildar ”elektron hålpar” i den konstgjorda ledaren.

VÄTE

Ljussamlande ledare

HALVLEDARANTENN

Elektroner från vattnet ”hoppar” till ledaren och delar samtidigt vattenmolekylerna.

VATTEN

Vattendelning

Två katalysatorer gjorda av billiga material driver vattnets delning till syre och väte.

Specialiserade bakterier omvandlar väte och koldioxid till bränsle.

SYRE

O KATALYSATOR

Syre

Som i naturen släpper bladet ut syre som en biprodukt.

Överlägsna vindturbiner

Trots sin enorma storlek är knölvalen ett otroligt smidigt djur. De stora klumparna längst ut på deras fenor heter tuberkler. De ger lyftkraft och reducerar motstånd när valen utför krävande manövrar. Detta är något som kan användas i fläktar, flygplan och vindturbiner.

Vatteninsamling i öknen

Namiböknen är en av världens torraste platser, men den namibiska svartbaggen överlever där. Den sticker upp rumpan i luften och samlar upp vattenånga. Forskare har hittat mikroskopiska gropar i vingarna på ryggen, vilket leder vattnet till munnen. Liknande gropar används numera i nya enheter för vattenuppsamling.

102

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 102

17.09.2019 08:40

NATUREN INSPIRERAR VETENSK APEN

Medicinsk bruk Artificiell intelligens

Dharmendra S. Modha presenterar en hjärninspirerad superdator som innehåller 16 TrueNorth-brickor.

Människohjärnan är något av det mest invecklade som finns i universum. Hjärnan består av cirka 100 miljarder neuroner grupperade i ett omfattande nätverk där varje neuron är kopplad till cirka 10 000 andra. Vår överlägsna förmåga till inlärning, tolkning och reflektion har gjort det möjligt för oss att bota sjukdomar, landa på månen och utveckla användbara dataprogram som blivit en stor del av vår vardag. Datorernas kraft och kapacitet har förbättrats avsevärt de senaste årtiondena och dagens datorer kan lösa ett matematiskt problem på ett ögonblick, mycket snabbare än människo hjärnan. Datateknik har enorm kapacitet inom vissa områden, men den kan fortfarande inte konkurrera med hjärnans främsta egenskaper. Vårt avancerade organ kan tolka och bearbeta sinnesintryck på en oöverträfflig nivå. Vi kan stå på stranden på

Människohjärnan Vår hjärna är ett otroligt nätverk av nervceller som skickar elektriska signaler för att utbyta information.

Hjärnkapacitet

Människohjärnans yta har många veck och rynkor, något som ökar arean och ger plats för fler neutroner.

sommaren och lyssna på vågorna, titta på fåglarna och känna solens värme. Sedan samlar vi all denna information för att skapa ett helhetsintryck. Vi kan också lära oss nya saker och anpassa oss efter erfarenheter. Båda dessa förmågor skulle vara användbara för dataprogram. Det har nyligen utvecklats en algoritm som kan analysera bilder från MR-skanningar för att diagnostisera tumörer och anomalier. Utvecklare av konstgjorda nervnätverk har hämtat inspiration från hjärnan för att göra program som kan lära sig genom övning och erfarenhet. Det kommer dröja länge innan dessa program uppnår samma kraft och tankeförmåga som hjärnan, men genom att använda hjärnan som modell kommer vi ständigt närmare en riktigt kraftfull artificiell intelligens.

Neurala nätverk

Neuronerna interagerar genom att skicka ut elektriska signaler och kan ta emot information från många källor.

Dendriter

Många förgreningar, som heter dendriter, tar emot signaler från andra celler.

Axon

Neuroner på en databricka Forskare på IBM har studerat hjärnans uppbyggnad för att utveckla databrickan True Borth. Det är en hjärninspirerad processor med 1 miljon konstgjorda neuroner och 256 miljoner konstgjorda synapser. Genom att efterlikna hjärnans modulära och flexibla utformning utvecklade forskarna ett neurosynaptiskt nätverk med integrerad datakraft, minne och processorkraft. Det unika programmerings språket finns snart på marknaden, så kanske har vi snart hjärnliknande datorer som kontrollerar våra telefoner.

”Snart kanske vi har hjärnliknande datorer som kontrollerar våra telefoner.”

Axonen skickar information från själva cellen till synapserna.

Synapser

Kemiska budbärare som heter neurotransmittorer frigörs och rör sig mellan neuronerna.

Hjärnstrukturen är grunden till all vår kreativitet och en inspiration för biomimetiken.

Postsynaptisk cell

Kombinationen av signaler från närliggande celler bestämmer om nästa neuron kommer vidarebefordra signalen.

103

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 103

17.09.2019 08:40

Djurrobotar

Det byggs maskiner i djurformat. När du föreställer dig framtiden är den förmodligen full av robotar som hjälper dig i vardagen. Man behöver inte fundera särskilt länge för att komma på sätt som maskiner kan hjälpa oss på. De kan bli ännu viktigare inom exempelvis krigföring, räddningstjänst och logistik. Idag arbetar många forskare med att designa maskiner som kan utföra många slags uppgifter. Det visade sig vara ganska enkelt att hitta de optimala designerna, för de fanns redan i naturen. Djur är anpassade för att utmärka sig i alla typer av miljöer. Det finns arter som lever i extrema temperaturer, på bergstoppar och i havens mörka djup. Ingenjörer hoppas kunna kopiera dessa arters specialiserade egenskaper och drag. Genom att efterlikna djurens anatomi kan vi dessutom utrusta robotarna med

Möt BigDog

imponerande förmågor, som otrolig hastighet eller flygförmåga. Det har lagts enormt mycket tid och pengar på att bygga djurliknande robotar. Geparden är världens snabbaste landdjur och uppnår sin otroliga fart genom att utnyttja den rörliga ryggraden. Artens motsvarighet inom robotiken är utvecklad av Boston Dynamics och dess rygg fungerar på samma sätt för att kunna springa i över 45 km/h. Gigantiska AlphaDog kan dessutom bära upp till 180 kilo över långa sträckor och är därmed robotarnas motsvarighet till packåsnan. Robotdjuren börjar verkligen visa sin potential. Allt från pyttesmå RoboBees som kan pollinera

BigDog från Boston Dynamics är byggd för att kunna bära soldatutrustning i krävande terräng.

grödor eller övervaka trafiken, till den apliknande androiden som kan hjälpa till att utforska Mars. Användningsområdena är oändliga.

Förbränningsmotor

Denna hundliknande ledsagarrobot är designad för att klara av krävande terräng, men kan den jämföras med människans bästa vän?

Motorn ger kraft genom förbränning av fossilt bränsle. Vattenkylning förhindrar överhettning.

Sensorplattform

Kommunikation

Den har flera sensorer och ett GPS-system som hjälper maskinen att navigera i olika miljöer.

Den samlar precis som hjärnan in sinnesintryck för att styra sina rörelser och kan kommunicera på håll med en mänsklig operatör.

Känselsensor

Muskel

Det samlas information från flera sensorer för att avgöra vilka tassar som har kontakt med marken. Detta är användbart i ojämn terräng.

Musklerna är fästa till skelettet med senor och styr rörelserna med systematiska sammandragningar.

Hjärna

Hjärnan tolkar signaler och sinnesintryck för att bestämma beteende och reglera homeostasen.

Ställdon

Motorn driver olja under högt tryck till ett hydrauliskt pumpsystem som fungerar som konstgjorda muskler och driver benen.

Hjärta

Hjärtat ger musklerna bränsle genom att pumpa runt näringsrikt blod i kroppen.

Ben

Flera rotationsnivåer bidrar till bra balans och gör att hunden kan röra sig smidigt i ojämn terräng.

104

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 104

17.09.2019 08:41

NATUREN INSPIRERAR VETENSK APEN

Tabbot

TABBOT

ROBOCLAM

En spindelart i Marocko har en mycket speciell förmåga, den kan hjula. I Marocko kallas spindeln för ”tabacha” och den studsar upp och ned över sanddynorna för att komma undan rovdjur. Denna atletiska förmåga utgjorde mallen för dess robotmotsvarighet Tabbot. Denna maskin kan både gå och hjula längs långa ökensträckor, både på jorden och på Mars.

RoboClam

Ensis directus är en stor blötdjursart som kan gräva i otroliga hastigheter, hastigheter en konstgjord borr inte kan mäta sig med. Den kan öppna och stänga små skal på kroppen med stor kraft och omvandla omkringliggande material till vätska. På så sätt blir motståndet mindre och det krävs mindre energi för den att gräva sig allt längre ned. Ingenjörer har utvecklat en maskin baserad på dessa principer, som i framtiden ska användas för att ankra fast undervattensfarkoster.

Djupgående undervattensfarkoster kan dra nytta av en lätt förankringsmekanism.

Robothummer

”I framtiden kanske du drar en lättnadens suck när du får syn på en kackerlacka.”

Undervattensminor utgör ett allvarligt hot för undervattensfarkoster. Amerikanska marinen planerar att skicka ut robotar som ska finkamma havsbotten efter dolda faror. För det behövdes en maskin som effektivt kan manövreras i djupet och de byggde robothummern. Den imiterar den naturliga versionens effektiva, vågliknande rörelser och har minsensorer.

Robothummerns form imiterar den naturliga motsvarighetens förmåga att krypa mellan stenar.

Räddnings kackerlackor

Kackerlackor anses normalt vara otrevliga varelser som är ökänt svåra att bli av med. Forskare har upptäckt att deras yttre skelett kan stå emot krafter motsvarande 300 gånger deras kroppsvikt när de är i rörelse. De kan dessutom röra sig oerhört snabbt i trånga utrymmen. Deras rörliga form har inspirerat till utvecklingen av CRAM. Det är en komprimerbar robot med mekanismer som inspirerats av kackerlackan. Den här maskinens förmåga att röra sig genom små öppningar gör att den lämpar sig bra som räddningsrobot. I framtiden kanske du drar en lättnadens suck när du får syn på en kackerlacka.

Robotens unika rörelser kan även användas i jordbruk.

ROBOTHUMMER

CRAM-ROBOTEN CRAM-roboten fortsätter att krypa även när den kläms ihop till halva sin storlek.

Studier av kackerlackans yttre skelett har varit användbara för forskare.

105

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 105

17.09.2019 08:41

SÅ FUNKAR ELEKTROMA E

n kväll år 1752, medan skymningen sänkte sig över Philadelphia, gick Benjamin Franklin ut med en sidendrake. Vid drakens toppunkt fäste han en elledning och vid drakens stjärt fäste han två snören, ett av hampa och ett av siden. I skydd från stormen fäste han en metallbricka vid hampasnöret som hade blivit vått av regnet. Han höll hårt i det torra sidensnöret när draken lyfte. Hans experiment kunde börja. När draken flög iväg i åskovädret började den leda elektricitet från blixtarna i atmo sfären. Elektrisk eld, som Franklin kallade det, leddes längs det våta hampsnöret in i metallbrickan som skickade elstötar till hans fingrar. Han fångade upp och samlade laddningarna i en Leydenkondensator. Det var inte första gången människan lekte med gnistor. År 1663 hadeOtto von Guericke gnidit svavelkulor för att skapa statisk elektricitet och i början av 1700-talet skickade

Stephen Gray elektricitet genom hampatrådar och metallvajrar genom att gnida glasrör. Franklins drakexperiment inspirerade till en ny vetenskap som förändrade världen. Inspirerade av Franklin började forskare uttrycka sina observationer i ekvationer. Den allra första matematiska definitionen av elektrisk ström kom senare samma århundrade. Charles-Augustin Coulomb hade upptäckt att elektriska och magnetiska krafter fungerade lite som gravitationen – ju närmare källan, desto starkare kraft. Senare skulle Alessandro Volta uppfinna det kemiska batteriet genom att varva lager av koppar- och zinkskivor och poröst papper indränkta i elektrolyter. Det ledde till att Simon Ohm kunde testa hur strömförande

olika material var. Han använde sina observationer till att utveckla en lag som förklarar hur materialets längd och diameter påverkar dess motstånd till elektrisk ström. De vetenskapliga framstegen kom slag i slag, men ännu hade ingen insett sambandet mellan elektricitet och magnetism. År 1820 kom den danske fysikern Hans Christian Ørsted på det av en slump. Han upptäckte att elektrisk ström påverkade en kompassnål – det hade skapats ett magnetiskt fält. Senare upptäckte Michael Faraday att även det omvända förhållandet gäller: ett magnetiskt fält i rörelse skapar elektrisk ström. James Clerk Maxwell lyckades förklara hur elektromagnetismen fungerade och den elektriska revolutionen var ett faktum.

”Inspirerade av Franklins drake började forskarna omvandla observationer till ekvationer”

106

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 106

17.09.2019 08:41

SÅ FUNK AR ELEKTROMAGNETISM

AR MAGNETISM FORSKARNAS EXPERIMENT MED ELEKTRICITET SKULLE KOMMA ATT FÖRÄNDRA VÄRLDEN FÖR ALLTID

ELEKTROMAGNETISMENS FADER

VARJE VÅG BESTÅR AV TVÅ DELAR: ETT ELEKTRISKT FÄLT OCH ETT MAGNETFÄLT

MAGNETFÄLT Magnetfältet oscillerar i 90 grader mot det elektriska fältet – de rör sig vinkelrätt mot varandra.

VÅGLÄNGD Avståndet mellan vågorna kan vara mindre än en atomlängd – eller större än jordens omkrets.

ELEKTROMAGNETISK STRÅLNING Den elektromagnetiska vågens båda delar flödar i samma riktning.

ELEKTRISKT FÄLT Det elektriska fältet oscillerar i fas med magnetfältet – de rör sig parallellt upp och ned.

DEN ELEKTROMAGNETISKA VÅGENS ANATOMI

James Clerk Maxwells fyra ekvationer förändrade världen. De första två – Gauss lag för det elektriska fältet och Gauss lag för det magnetiska fältet – förklarar rörelserna hos elektrisk ström och magnetism. Materia kan vara positivt eller negativt elektriskt laddad. En elektrisk ströms väg genom en yta är proportionerlig mot ytans laddning. Men för magnetismen finns inga sådana laddningar. Magneter har en syd- och en nordpol så att magnetfältet genom en yta alltid är noll. Tredje och fjärde ekvationen förklarar hur elektricitet och magnetism samverkar. Faradays lag visar ett magnetfält i rörelse framkallar ström. Ampères lag förutsäger att en elektrisk ström skapar ett magnetfält. Till sammans förklarar de fyra ekvationerna hur elektromagnetismen fungerar.

James Clerk Maxwell sammanflätade elektricitetens och magnetismens fält.

107

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 107

17.09.2019 08:41

FARADAYS LAG

SÅ FUNKAR EN MOTOR

GENOMBROTT FÖR BRITTISK FORSKARE UNDER TIDIGT 1800-TAL

ichael Faraday upptäckte att magnetfält kunde alstra elektrisk ström. Forskarna visste redan att det motsatta gällde – att elektriska flöden skapar magnetfält. Det visade den danske fysikern Hans Christian Ørsted i ett experiment 1820 då han placerat en elektrisk ledning i närheten av en kompass. Kort senare förklarade André-Marie Ampère hur det kunde komma sig. Med hjälp av parallellkopplingar visade Ampère hur elektrisk laddning kunde attrahera och repellera. När strömmarna flödade i samma riktning drogs ledarna till varandra. När de flödade i motsatt riktning stötte de bort varandra. Utifrån iakttagelserna förstod han att attraktionen mellan ledningarna var proportionerlig till deras laddning och hur långa de var (Ampères lag). Med Ampères observationer som grund förstod man snart att det skulle gå att förstärka magnetfält genom att linda elektriska ledare runt spolar. Det ledde 1825 till William Sturgeons uppfinning elektromagneten. Nu kunde man skapa kraftfulla magnetfält med

hjälp av elektricitet. Det återstod bara att visa att även det omvända var möjligt. För att åstadkomma detta monterade Faraday två spolar runt en järnring, en på ömse sida. Till den första kopplade han ett batteri och till den andra en kompass. Strömmen från batteriet kunde inte påverka kompassen och det magnetiska fältet i kompassen kunde inte påverka batteriet. Men när han satte på batteriet rörde sig kompassnålen i alla fall! Istället för att påverka kompassnålen direkt som i Ørstedts experiment hade magnetfältet i den ena spolen alstrat ström i den andra spolen. Den alstrade strömmen hade i sin tur fått kompassnålen att röra sig. Faraday hade för första gången demonstrerat hur elektro magnetisk induktion fungerar. Experiment bekräftade att förändringar i ett magnetfält alstrar elektrisk spänning. Man kan förflytta eller rotera en magnet inne i en elektrisk spole eller förflytta och rotera en spole i ett magnetiskt fält – eller variera styrkan på magnetfältet. Är spolen kopplad till en elektrisk krets uppstår elektrisk laddning.

VÄXELSTRÖM DRIVER EN SPOLE I EN STATISK MAGNET

STRÖM Elektricitet strömmar genom ledare anslutna till terminaler.

SKAPA ELEKTRISK STRÖM VETENSKAPEN BAKOM ELEKTROMAGNETISM

Batteri Batteriet ger el som strömmar i ett kontinuerligt flöde åt ett håll.

1 INGEN STRÖM

2 DET RÖR PÅ SIG

När både spolen och magneten är stilla, alstras ingen ström.

När magneten flyttas inuti spolen rör sig magnetfältet och elektrisk ström uppstår i spolens el-ledningar.

3 STRÖMMEN STÄNGS AV

4 EN NY RIKTNING

När magneten inte längre rör sig försvinner strömmen.

Genom att röra magneten bort från spolen alstras strömmen i motsatt riktning.

Spolar omlindade med koppartråd skapar magnetfält som får elmotorn att gå igång.

108

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 108

17.09.2019 08:41

SÅ FUNK AR ELEKTROMAGNETISM

STRÖMOMK ASTARE En metallring med spalt rör sig när spolen roterar och kastar regelbundet om strömmens riktning.

MAGNET En statisk magnet är monterad på utsidan av motorn och utgör ett stabilt magnetfält.

Den elektromagnetiska revolutionen lyste upp jordklotet och har förändrat världen för alltid.

BORSTAR Borstar sammanlänkar de elektriska ledarna med den roterande delen.

SPOLE När elektricitet strömmar genom spolen alstras ett magnetfält.

MAGNETFÄLT Strömmen ändrar riktning och påverkar magnet fältet inne i spolen så att det börjar rotera.

”Man insåg att det gick att förstärka magnetfält med hjälp av spolar av metalltråd”

FLEMINGS VÄNSTERHANDSREGEL När elektronerna strömmar genom en ledare skapas ett magnetfält som omger ledaren som en korkskruv. Tänk dig att ytterligare ett magnetfält påverkar ledaren. Fältlinjerna försöker förflytta sig från den ena sidan till den andra, men de interagerar med korkskruven i mitten. Ett fält attraherar eller repellerar det andra och kraften tvingar ledaren att hoppa. Sir John Ambrose Fleming kom på en regel för att förutsäga åt vilket håll strömmen i en ledare skulle röra sig. Håll ut vänsterhanden och spreta med fingrarna så att tummen, pekfingret och långfingret bildar räta vinklar med varandra. Om långfingret pekar i strömmens riktning, kommer magnetfältets riktning att vara i linje med pekfingret. Tummen visar åt vilket håll strömmen rör sig, det vill säga åt vilket håll kraften är riktad.

Med hjälp av ett enkelt handtrick kan du räkna ut i vilken riktning strömmen i en ledare rör sig i ett magnetfält.

109

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 109

17.09.2019 08:42

JAKTEN PÅ DET OSYNLIGA LJUSET INTE FÖRRÄN PÅ 1800-TALET BÖRJADE VI ANA DE OSYNLIGA FREKVENSERNA

pptäckten av det elektromagnetiska spektrumet började med att William Herschel använde prismor för att bryta ljus så att det spjälkades till en regnbåge. I ett försök att förstå de olika färgernas temperatur mätte han ljusstrålar med en termometer. Då upp täckte han något oväntat. När han förflyttade termometern till det mörka området bortom regnbågens röda kant ökade temperaturen! Han hade upptäckt infraröd strålning.

Fascinerad testade Johann Wilhelm Ritter den andra sidan av regnbågen. Våglängderna i den blå sidan av regnbågens spektrum är kallare, så istället för termometer använde han den kemiska föreningen silverklorid. Silver klorid blir svart i kontakt med ljus – och processen gick snabbare när ljuset gick åt violett. Herschels tidigare observation visade sig stämma även på den sidan regnbågens kant. Han hade upptäckt ultraviolett ljus.

GAMMASTRÅLNING

De mest energitäta elektro magnetiska vågorna kallas gammastrålar. Precis som ultraviolett ljus och röntgen strålning räknas de som joniserande strålning. När den träffar molekyler slår de ut elektroner och skapar reaktiva joner som kan skada celler och vävnader. Kraften används till att behandla cancer.

Inspirerad av detta förutsåg James Clerk Maxwell att det finns fler våglängder utanför den synliga regnbågen. Heinrich Hertz uppfann en oscillator med två metallkroppar som avger elektriska gnistor. Han lindade två järnkolvar med metalltråd, den ena hårt och den andra löst. När strömmen passerade genom den löst lindade spolen magnetiserades järnet i spolen. Då stoppade han strömmen och magnetfältet försvann. Men processen visade sig ha alstrat

RÖNTGENSTRÅLNING

Röntgenstrålningen är kraftfullare än ultraviolett strålning och har kortare våglängd. Det gör att den inte stoppas av hudlagret och kan ta sig igenom den mänskliga kroppen. Olika material absorberar olika mängder energi, och visar ben och metall på röntgenbilder, men lång exponering kan vara skadligt.

DÖDAR CANCERCELLER OCH BAKTERIER. ORSAKAR CANCER OCH BRÄNNSKADOR.

10-9 1 nanometer

10-12 1 pikometer

TAR SIG IGENOM KROPPEN OCH SKANNAR VÅR INSIDA. ORSAKAR CANCER. TAR INTE HÖGUPPLÖSTA BILDER.

10-6 1 mikrometer

10 1 milli

RÖNTGENSTRÅLAR GAMMASTRÅLAR

ULTRAVIOLETT

ULTRAVIOLETT STRÅLNING I högenergidelen av det elektromagnetiska spektrumet blir strålningen farlig. Ultra violett ljus kan skada molekyler som dna och kollagen, orsaka solbränna, åldrande hos huden och hudcancer. Men UV-ljuset har också nyttiga användnings områden – det dödar bakterier och får fluorescerande material att lysa.

INFRARÖD

SYNLIGT LJUS

DÖDAR BAKTERIER OCH AKTIVERAR SJÄLVLYSANDE MATERIAL. SKADAR HUDEN OCH ORSAKAR CANCER.

Synligt ljus hjälper oss att se saker och att orientera oss i tillvaron. Det kan också användas för kommunikation på långa avstånd, till exempel i fiberoptik. Det har egenskapen att kunna färdas genom glasfiber enormt långa sträckor, något som möjliggör distans kommunikation i blixtsnabba hastigheter.

GÅR ATT UPPTÄCKA MED ÖGONEN. FÄRDAS I GLAS. LITEN DEL AV SPEKTRUMET. KAN SKADA ÖGONEN.

110

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 110

17.09.2019 08:42

SÅ FUNK AR ELEKTROMAGNETISM

”Han bad sin fru att placera sin hand mellan tuben och skärmen – det var den första röntgenbilden” monterade i en försluten behållare. I hans laboratorium fanns en skärm med ytan täckt av den kemiska föreningen barium-platinocyanid. Han märkte att när han täckte över vakuum rören och arbetade helt i mörker lyste skärmen när han slog på strömmen. Han bad sin fru att hålla sin hand mellan vakuumrören och skärmen och en bild av skelettet i hennes hand framträdde – den första röntgenbilden. Inte så långt därefter upptäckte Paul Villard gammastrålning när han undersökte grundämnet radium. Nu var det elektro magnetiska spektrumet komplett. Wilhelm Röntgens fru, Anna Bertha Ludwig, var den första människan i världen som blev röntgenfotograferad.

INFRARÖTT LJUS

Denna strålningstyp överför värme över hela universum. Infraröd strålning interagerar med kemiska bindningar, ökar energinivåer och gör dem varma. I vår vardag ger den uppvärmning och inom meteorologin avbildar den termikblåsor. Men den fungerar också på korta avstånd, som i fjärrkontrollen till tv:n.

10-3 1 millimeter

hög spänning i den hårt lindade spolen. Hertz anslöt den till koppartrådar med ett mellanrum och spolen avgav då en gnista. En och en halv meter därifrån monterade han koppartråd i en rektangel med mellanrum för en gnista. Han upptäckte att när det uppstod en gnista i det första mellanrummet, uppstod det samtidigt en gnista också i det andra. Strömmen hade bildat radiovågor som rörde sig genom rummet. Hertz gjorde även experiment med mikrovågor. Wilhelm Conrad Röntgen gjorde nästa stora genombrott. Han experimenterade med vakuumrör med en anod och en katod

Ørsteds upptäckt används idag inom industrin för att lyfta metallskrot med hjälp av jättestora elektromagneter.

ÖVERFÖR VÄRME. AVGES AV ALLA OBJEKT. KAN ORSAKA BRÄNNSKADOR. ABSORBERAS SNABBT.

100 1 meter

103 1 kilometer

MIKROVÅG RADIO

I likhet med radiovågor kan mikrovågor lagra och sända information. Vi använder dem för att prata i mobiltelefon och för att kommunicera med satelliter. De interagerar med vatten i mat och dryck, överför energi och värmer upp mole kylerna – detta är tekniken bakom mikrovågsugnar.

RADIOVÅGOR

ÖVERFÖR INFORMATION. PASSERAR GENOM ATMOSFÄREN. ORSAKAR BRÄNNSKADOR. KAN VÄRMA VATTENMOLEKYLER.

Radiosändare sänder ut signaler som kallas för sinusvågor. Genom att manipulera räck vidden eller frekvensen på sinusvågorna kan de användas till att sända informations mönster genom luften. När vågorna når en antenn alstras en elektrisk ström med samma mönster. På så sätt överförs meddelandet.

FÄRDAS ÖVER STORA AVSTÅND. SKADAR INTE KROPPEN. BEGRÄNSAD LAGRINGS KAPACITET. ATMOSFÄRISKA FÖRHÅLLANDEN KAN STÖRA SIGNALERNA.

MIKROVÅGOR

111

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 111

17.09.2019 08:42

KÄRNKRAFT UTFORSKA HUR DAGENS KÄRNKRAFTSVERK FUNGERAR OCH FÖRDJUPA DIG I LÖFTET OM KÄRNFUSION

anken om att utvinna energi ur kärn reaktioner för att generera elektricitet är över 60 år gammal. Efter en nedgång på 1970-talet är kärnkraften åter på väg uppåt, framför allt som ett svar på oron över förbränningen av fossila bränslens skadliga effekter. Dagens kommersiella kärnreaktorer genererar energi genom kärnklyvning (fission) och vi ska utreda vad det innebär, varför det ger så mycket energi och hur ett kärnkraftsverk fungerar. Men medan kärnklyvningen är en beprövad och

fungerande teknik tror många forskare att framtiden tillhör kärnfusionen. På sidorna som följer tar vi oss en titt på den processen, hur den skiljer sig från kärnklyvning och hur långt vi är från att generera energi med denna potentiellt mycket effektiva energikälla. Kemiska bindningar innehåller stora mängder energi som frigörs genom kemiska reaktioner. Förbränning av fossila bränslen är ett exempel på detta, och mängden energi som produceras är uppenbart om vi tänker på hur

långt en bil färdas när några liter bensin förbränns. Men energin som lagras i kemiska bindningar är försumbar i förhållande till den mängd som lagras i bindningarna mellan protonerna och neutronerna i en atomkärna. Det är denna energi som frigörs när kärn reaktioner äger rum i kärnkraftverk, och fördelarna jämfört med förbränning av fossila bränslen är överväldigande. Fission med kärnbränsle kan producera 2–3 miljoner gånger mer energi än förbränning av kol eller olja.

112

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 112

17.09.2019 08:42

K ÄRNKRAF T

FISSION KONTRA FUSION Fission och fusion är två motsatta kärnreaktioner, men båda kan generera energi.

FISSION

FISSIONSPRODUKTER

DEUTERIUM OCH TRITIUM

FUSIONSPRODUKTER

Kärnklyvning uppstår när en neutron kolliderar med en atomkärna med hög vikt, som uran-235.

Resultatet blir två mindre kärnor – ofta barium och krypton när uran-235 används – plus två eller tre neutroner.

Deuteriumkärnor innehåller en proton (gul) och en neutron (lila). Tritiumkärnor har en extra neutron.

Fusion generar en kärna av ett större grundämne (helium) och en neutron avges. Energi friges i processen.

Fissionsprodukt

Deuterium

Helium

Neutron

Målkärna

Neutron

Tritium Energi

FUSION

KEDJEREAKTION

FUSIONSREAKTION

Fler neutroner genereras utöver den som utlöste fissionen. De träffar andra uran-235-kärnor vilket skapar en kedjereaktion.

” Även om atomen en gång ansågs vara odelbar innebär kärnfission att den klyvs”

ENERGIFRIGÖRELSE Genom fusion blir lätta atomkärnor kärnor med högre bindnings energi och på så vis frigörs energi.

BINDNINGSENERGI 10 Bindningsenergi/nukleon

Bindningsenergi är den energi som krävs för att skilja ett par nukleoner åt (till exempel protoner och neutroner). Den varierar med antalet nukleoner i kärnan (atomvikten) och uppgår som mest till mellan 50 och 70 nukleoner. Eftersom både de stora klyvbara kärnorna och de små kärnorna som kan slås samman har en lägre bindningsenergi än de kärnor de bildar vid fission respektive fusion frigörs energi vid reaktionen. Diagrammet förklarar också varför mer energi frigörs vid fusion än fission. På grund av den mycket branta kurvan för låga nukleonantal är det stor skillnad mellan de här kärnornas bindningsenergi (2H och 3H) och fissionsresultatet (4He).

När deuteriumoch tritiumkärnor tillsammans hettas upp till över 100 miljoner grader Celsius kan de genomgå en kärnfusion.

ITER-projektet satsar på att leverera den första storskaliga fusionsreaktorn 2035.

FISSION ELLER FUSION?

STABILT OMRÅDE Järn och andra grundämnen med samma atomvikt har täta atomkärnor.

Lättare grundämnen frigör energi vid fusion, medan tyngre grundämnen frigör energi vid fission.

FISSION

FUSION

8 6

LÄTTA ATOMKÄRNOR Atomkärnor som genererar energi genom fusion har lätta atomkärnor, det vill säga få nukleoner.

4 2

Masstal

100

150

TUNGA ATOMKÄRNOR Tunga kärnor används för fissionsreaktioner eftersom de sönderfaller till kärnor med högre bindningsenergi.

200

250

113

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 113

17.09.2019 08:43

Grundämnen kan existera i flera former, så kallade isotoper, med olika antal neutroner i sina atomkärnor. Bland uranisotoperna återfinns uran-235 (även kallat 235U) och uran-238 (238U), där numret står för atomvikten som är summan av antalet protoner och neutroner. Naturligt förekommande uran består till cirka 99,27 procent av uran-238 och endast till BÄTTRE BRÄNSLE0,7 procent av uran-235 och är därför inte särskilt FÖRVARINGSBASSÄNGER lämpat för energialstring eftersom isotopen som Här förvaras använt kan genomgå fission är uran-235 (uran-238 kan bränsle innan det konfiskeras. Ett inte upprätthålla fissionskedjereaktioner). För kylsystem för att kunna användas som bränsle måste andelen bassängvattnet fissilt uran-235 ökas genom en process kallad förhindrar att det använda bränslet anrikning. Eftersom de två isotoperna har överhettas. mycket snarlika kemiska egenskaper blir anrikningen en utdragen process där koncentrationen av uran-235 ökas stegvis. Det anrikade uran som används vid energialstring består av mellan tre och fem procent uran-235. Fission med uran-235 uppstår när det beskjuts EN RUNDTUR I ETT KRAFTVERK med neutroner. Neutronen fångas först upp av BASERAT PÅ HITACHIS uranet vilket gör den oerhört instabil. Det leder EKONOMISKA, FÖRENKLADE KOKVATTENREAKTOR till att den klyvs till två andra grundämnen och det är under den processen som energi frigörs. Fission med uran-235 kan skapa en hel rad biprodukter, även om barium- och krypton isotoper är två av de vanligaste. De flesta av MASKIN FÖR BRÄNSLEUTBYTE biprodukterna är mycket radioaktiva och Den här roboten flyttar sönderfaller och därför sönderfaller även de. stavar in och ut ur reaktorn Men det viktigaste är att det dessutom frigörs två när nytt bränsle laddas. eller tre neutroner i fissionsreaktionen, som därefter kan kollidera med andra uran-235atomer och få dem att genomgå en fissions reaktion. Detta leder till en kedjereaktion, vilket innebär att en igångsatt fusionsreaktion blir självgående. Faktum är att i en kärnreaktor kommer den här processen, om den inte kontrolleras, att leda till alldeles för snabb energifrigörelse med katastrofala följder. Något som blev uppenbart när Tjernobylreaktorn i BRÄNSLEBYGGNAD Ukraina havererade 1986. Här förvaras nytt och Lösningen är att använda ett material som kan använt bränsle, det senare fånga upp neutroner utan att själv genomgå under vatten för att minska strålningsrisken. fission, oftast bor. Av sådana material tillverkar man styrstavar som placeras i reaktorkärnan. Genom att höja och sänka styrstavarna kan neutronströmmen kontrolleras så att fission kan äga rum samtidigt som en okontrollerad Använt bränsle förvaras under situation, kriticitet, förhindras. Stavarna vatten för att hindra möjliggör även nödavstängning av kärn att radioaktivitet reaktorn. sprids. Diskussionen om kärnkraftverk leder obönhörligen in på olika typer av reaktorer, exempelvis tryckvattenreaktorer, kokvatten reaktorer och gaskylda magnoxreaktorer. På ett övergripande plan fungerar alla kärnkraftverk på mer eller mindre samma sätt. Fissionsreaktionen alstrar värme, värmen förångar vatten och sedan sker allt på samma

ÅNG- OCH VATTENLEDNINGAR

REAKTORTRYCKKÄRL

Rörledningar leder ånga till turbinen och kondenserat vatten tillbaka till reaktorn.

Tryckkärlet hyser reaktorkärnan och vattnet överför värme till turbinen.

REAKTORINNESLUTNING Inneslutningssystemet förhindrar att radioaktiva ämnen kommer ut i atmosfären i händelse av olycka.

INUTI EN FISSIONS ANLÄGGNING

BRÄNSLETRANSPORTSYSTEM Bränsletransportsystemet flyttar nytt och använt bränsle mellan bränsle byggnaden och inneslutningskärlet.

114

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 114

17.09.2019 08:43

HOW WOUNDS HEAL

” Olika reaktortyper använder olika metoder för att utvinna värme ur kärnan”

GENERATOR Generatorn, som delar drivaxel med turbinen omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi.

ÅNGTURBIN Precis som i oljeeller koleldade kraftverk omvandlar turbinen värme energin i ångan till mekanisk energi.

Sandia Laboratories Z Machine används för att utforska höga temperaturer och tryck som behövs för kärnfusioner.

SÄKERHETEN FRAMFÖR ALLT

Alla världens 450 kärnkraftverk har kärnklyvningsreaktorer.

En kärnexplosion kan inte inträffa i ett kraftverk eftersom uranet inte är lika anrikat som det i atombomber. Därmed inte sagt att det inte finns risker, även om de är små jämfört med andra energikällor, till exempel kolgruv driften. Den mest självklara risken är kriticitet när kedjereaktionen inte är tillräckligt kontrollerad och leder till överhettning och eventuellt brand. Normalt förhindras detta av styrstavar. En smart säkerhetslösning innebär att det krävs elektricitet för att hålla styr stavarna utanför reaktorkärnan. Om strömmen går faller styrstavarna ner i reaktorkärnan med gravitationens hjälp och reaktorn stängs därmed av. En annan viktig säkerhetsåtgärd är inneslutningen som innebär att ingen strålning kommer att släppas ut i atmosfären även om reaktorkärnan drabbas av en härdsmälta.

KONTROLLRUM Även om automatiserade system är viktigast kan operatörer i kontrollrummet övervaka och styra kraftverkets drift.

Styrstavar är nödvändiga för att förhindra en okontrollerad kedjereaktion i kärnreaktorn.

115

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 115

17.09.2019 08:43

PORTAR

sätt som i ett kol- eller oljeeldat kraftverk. Ångan driver en turbin som i sin tur driver en generator som genererar elektricitet. Skillnaden mellan olika reaktortyper ligger i hur värmen extraheras från kärnan. I tryck vattenreaktorn pumpas vattnet som ska förångas genom kärnreaktorn, men för att förhindra att kontaminerad ånga tar sig in i turbinen har man två vattenkretsar. Vattnet i primärkretsen flyter genom reaktorn som avger sin värme till vattnet i sekundärkretsen i en värmeväxlare. Vattnet i sekundärkretsen förångas och driver turbinen. En avancerad gaskyld reaktor, den typ som föredras i Storbritannien, är snarlik förutom att den primära kretsen, som överför värme från reaktorn till vattnet i den sekundära kretsen i stället använder koldioxid. Så mycket om nuläget, men kärnkraftens heliga graal är fusion snarare än fission. Som namnet antyder är fusion motsatsen till fission – två atomkärnor slås samman för att bilda ett grundämne med större atomvikt. Detta alstrar också energi – de enorma mängder energi jorden får från solen är resultatet av en enorm kärnfusionreaktion. En av solens fusions reaktioner, den det forskats mest på, inträffar mellan två väteisotoper, deuterium (väte-2) och tritium (väte-3) när de bildar helium. Fusion alstrar mycket mer energi än fission och biprodukterna är inte lika radioaktiva, vilket innebär mindre problem med kärnbränsleavfall och det finns dessutom gott om potentiellt råmaterial. Fördelarna till trots finns det några stora utmaningar att lösa innan fusion kan bli basen för energiproduktionen. Framför allt krävs det temperaturer på över 100 miljoner grader Celsius för att sätta i gång och upprätthålla reaktionen. För att hålla samman deuteriumoch tritiumatomerna krävs dessutom ett magnetfält som är tusen gånger starkare än jordens. Förbränningen av fossila bränslen genererar växthusgaser, men kärnfissionen – som står för 11 procent av jordens elektricitet utan att producera koldioxid – har sina kritiker. Även om förnybara källor tveklöst kommer att spela en roll i framtiden kan fusionens potentiella fördelar, om den blir någonsin blir verklighet, inte ignoreras. För nuvarande skapar ett projekt där Kina, EU, Indien, Japan, Sydkorea, Ryssland och USA ingår ett stort intresse. Projektet kallat ITER har som mål att skapa den första fungerande storskaliga fusionsreaktorn 2035. Fortsättning följer med andra ord.

WENDELSTEIN 7-X-REAKTORN

Inte mindre än 253 portar ger tillgång till reaktorns mitt för övervakning och styrning av reaktions processen.

TEKNIKTROLLERIET BAKOM VÄRLDENS STÖRSTA FUSIONSREAKTOR

BEHÅLLA KYLAN Värmeisolerande hölje, kallat kryostat, förhindrar de supernedkylda magneterna från att värmas upp.

KRYOBEN Benen som bär upp konstruktionen måste klara den ansenliga vikten av 725 ton.

ICKE-PLANA SPOLAR 50 icke-plana spolar bildar de superledande elektromagneterna. De alstrar magnetfältet som innesluter plasman.

FEM SEGMENT Sin märkliga och till synes slumpartade form till trots består reaktorn av fem nästan identiska segment.

FLYTANDE HELIUM Flytande helium med temperaturen -270 °C gör att ringarna som utgör magneterna kan bli superledande.

Rossinggruvan i Namibia är en av världens största uranproducenter.

116

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 116

17.09.2019 08:43

K ÄRNKRAF T

PLANA SPOLAR De här 20 spolarna möjliggör finjustering av magnetfältet.

VAKUUMKÄRL För att åstadkomma plasma håller vakuumkärlet ett tryck som är mindre än en miljondels procent av trycket i atmosfären.

JÄMFÖRELSE AV OLIKA FUSIONSREAKTORER DE FLESTA FUSIONSREAKTORER ÄR AV TOROIDTYP MED UTVÄNDIGA SPOLAR SOM GENERERAR DET MAGNETFÄLT SOM KRÄVS FÖR ATT FÖRHINDRA ATT HET PLASMA KOMMER I KONTAKT MED REAKTOR VÄGGARNA, MEN FÄLTET MÅSTE VARA VRIDET.

TOK AMAKER I tokamak reaktorer flödar en ström genom plasmat för att skapa vridningen.

STELLARATORER

CENTRAL STÖDKONSTRUKTION

DET SVÅRA MED FUSION

För att fungera som avsett måste de fem segmenten som bildar reaktorn vara precis rätt placerade, därför fästs de i ett stabilt och centralt ramverk.

Sammankopplade gascentrifuger används för att producera det anrikade uran som behövs för energialstring.

Man började forska på kärnfusion för flera decennier sedan och under större delen av den tiden har man trott att kommersiell tillämpning skulle ligga 30–40 år fram i tiden. Varför kommer vi då inte närmare ett fusions kraftverk? Vad är problemet? Tyvärr rör det sig inte om ett enda problem utan om många. Ett av de avgörande problemen är att temperaturen som krävs är så hög att det behövs stora energimängder. Under många år förbrukade experimentella fusionsreaktorer mer energi än de genererade. Ett genombrott gjordes 2014 vid Lawrence Livermore National Laboratory i USA när en reaktor genererade 1,7 gånger mer energi än den förbrukade. Men det var en liten reaktor och problemen förvärras efter hand som skalan ökar. Målet med ITER-fusionsreaktorn som ska stå klar 2035 är att den ska generera 500 megawatt, men bara förbruka 50.

PLASMA Isotoperna för fusionen hettas upp till 100 miljoner grader Celsius, den temperatur som krävs för att de ska bilda plasma.

”Kärnkraftens heliga graal är fusion snarare än fission”

Lawrence Livermore’s National Ignition Facility leder fusionsexperiment där mycket kraftfulla lasrar används för att hetta upp och komprimera vätebränsle.

I stellaratorreaktorerna vrids hela maskinen för att åstadkomma fältets vridning.

117

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 117

17.09.2019 08:43

100 MILJONER GÅNGER MER KRAFTFULL ÄN EN BÄRBAR DATOR

KVANTFYSIKENS KRAFT FRAMTIDENS DATOR OCH HUR DEN KOMMER ATT FÖRÄNDRA DIN VÄRLD

MEDICINSK FORSKNING

KVANTTELEPORTERING

AVANCERAD KRYPTERING

118

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 118

17.09.2019 08:44

KVANTF YSIKENS KRAF T

EN INTRODUKTION AV MÄNNISKORNA SOM VÅGADE TÄNKA DET OTÄNKBARA, SOM LADE GRUNDEN FÖR KVANTMEKANIKEN

ALBERT EINSTEIN 1905 Einstein förklarade den fotoelektriska effekten genom att föreslå att ljus tog formen av diskreta buntar, kallade fotoner. Detta verkade strida mot ljusets vågnatur.

LOUIS DE BROGLIE 1923 Den franske fysikern Louis de Broglie utvidgade tidigare upptäckter genom att framföra att alla små partiklar kan bete sig som vågor och vice versa.

Den österrikiske fysikern Erwin Schrödinger beskrev rörelsen hos en elektron som en vågfunktion – ett avgörande ögonblick för kvantmekaniken.

WERNER HEISENBERG 1925-1927 Tillsammans med Niels Bohr framförde Werner Heisenberg att subatomära partiklar antar ett visst tillstånd endast när de observeras.

ALEX ANDER HOLEVO 1973 Den ryske matematikern Holevo var en av de forskare som lade fram de teoretiska grunderna för kvantmekaniken.

”Skillnaden mellan klassisk fysik och kvantmekanik är inget annat än svindlande”

KVANTKONCEPT VI UNDERSÖKER DEN MÄRKLIGA KVANTEFFEKTEN SOM UNDERBYGGER KVANTTEKNIKEN

SUPERPOSITION ERWIN SCHRÖDINGER 1926

naivt synsätt. Till och med den framstående Nobelpristagaren och fysikern Niels Bohr sägs ha uttalat: ”Om någon säger att han kan tänka på kvantteori utan att bli vimmelkantig, så visar det bara att han inte har förstått ett skvatt i frågan.” Vi ska titta på några av dessa begrepp mer detaljerat i rutan nedan, men efter att ha gjort ett så häpnadsväckande påstående är det säkert lämpligt att ge ett par exempel på uppenbart omöjliga kvantbeteenden. Till de mest bisarra omständigheterna i den subatomära världen kan vara att objekt som elektroner eller fotoner kan finnas på två platser samtidigt eller i två olika tillstånd på en och

En partikel i superposition befinner sig i två tillstånd samtidigt, så den kan representera både binär 0 och 1. Tänk på ett mynt: när det snurrar kan du se krona och klave simultant.

SAMMANFLÄTNING Två sammanflätade partiklar sitter ihop, så att den enes öde påverkar den andres. Om du observerar en partikel kommer dess superposition att försvinna, och detsamma händer då dess sammanflätade tvilling.

KLASSISK FYSIK

KVANTFYSIK

Krona ELLER klave

Krona OCH klave

KVANTFYSIK KRONA + KRONA KRONA + KLAVE KLAVE + KRONA KLAVE + KLAVE N kvantbitar

2n möjliga tillstånd

OBSERVATION Vid observation antar en partikel i superposition endast ett tillstånd. All interaktion med om givningen fungerar likadant. Ju mer sammanflätade partiklarna är, desto lättare förlorar de superpositionen.

Observation eller brus

DIGITAL DATORTEKNIK INGEN KLONING Att kopiera en partikel i superposition orsakar också att superpositionen tappas. Det gör det knepigt att utveckla en kvantdator, men inom kvantkommunikation varnar det avsändaren om en eventuell tjuvlyssnare.

Kopiera eller tjuvlyssna

KVANTDATORTEKNIK

KVANTMEKANIKENS PIONJÄRER

et må vara en svåruttalad term och det kan antyda ett studieområde som domineras av vetenskapens elit, men kvantmekanik – eller kvantfysik om man så föredrar – är till stor del ett mysterium för gemene man. Förvånande nog är det mycket enkelt att sammanfatta, trots att det är betydligt svårare att förstå det. Kvantmekanik handlar om beteendet hos atomer, fotoner och olika subatomära partiklar, och är därmed raka motsatsen till klassisk fysik som beskriver beteendet hos vardagsobjekt som är stora nog att se. Skillnaden mellan klassisk fysik och kvantmekanik är absolut svindlande. Objekten som vi ser i världen runt oss beter sig på ett sätt som verkar intuitivt, men när vi väl börjar fundera över mycket små objekt måste all intuition och sunt förnuft lämnas därhän. När vi i stället behandlar dem individuellt beter sig atomer, elektroner och fotoner på ett sätt som de flesta människor skulle vara benägna att beskriva som omöjligt. Uppfattningen om omöjlighet är inte heller ett

Kopiera eller tjuvlyssna

119

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 119

17.09.2019 08:44

ATT FÖRSTÅ KVANTSAMMANFLÄTNING

EXPERIMENT HAR BEKRÄFTAT DEN KVANTEFFEKT SOM EINSTEIN KALLADE ”KUSLIG” Kristaller dopade med det sällsynta grundämnet neodym skulle sannolikt kunna lagra kvantminnen.

DELAD STRÅLE I det här experimentet används en strålsplittrare så att de två fotonerna skickas till olika destinationer.

SAMMANFLÄTNING Den andra fotonen sammanflätas med den första, vilket resulterar i ett fixerat förhållande. De har samma eller motsatt polarisering när de befinner sig i superposition.

GENERERA SAMMANFLÄTADE FOTONER Genom att skjuta en laserstråle genom vissa kristalltyper kan par av sammanflätade protoner skapas.

SUPERPOSITION Den första fotonen befinner sig i ett tillstånd, vilket betyder att den är polariserad horisontellt och vertikalt samtidigt. vertikaltsamma gång.

EFFEKTEN PÅ ANDRA FOTONEN Eftersom de är sammanflätade, så att observeration av den första fotonen ger samma effekt på den andra, varpå deras polarisering fixeras.

HÄNDELSER PÅ DISTANS Observation av en foton påverkar dess sammanflätade tvilling omedelbart, oavsett avståndet dem emellan.

OBSERVATION AV FÖRSTA FOTONEN När den första fotonen observeras går superpositionen förlorad, vilket gör att den förefaller polariserad antingen horisontellt (H) eller vertikalt (V).

En forskare på Genèves universitet i Schweiz använder en laser för att skapa sammanflätade fotoner i sin forskning om kvantminne.

120

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 120

17.09.2019 08:44

KVANTF YSIKENS KRAF T

FENOMENET SOM GÖR TELEPORTERING TILLGÄNGLIGT

POLARISERADE FOTONER När den passerar genom ett polariserings filter kan ljus bli horisontellt, vertikalt eller diagonalt polariserat, vilket betyder att fotonerna bara snurrar i en riktning.

ICKE-POLARISERADE FOTONER Vanligt ljus är icke-polariserat, så att varje foton snurrar i alla riktningar samtidigt.

POLARISERANDE FILTER

DEFINITION AV FOTONER Rörelsen genom filtret bestämmer rotationens tillstånd.

KVANTTELEPORTERING Vi kan befinna oss långt ifrån möjligheten att teleportera människor, men enstaka atomer och fotoner har redan teleporterats med hjälp av kvanttekniker. Processen innebär att två sammanflätade partiklar skapas på plats A. Sedan skickas en av dem till plats B genom att använda smarta tekniker som också innebär att en tredje partikel introduceras, som interagerar med partikel A. Sammanflätningen orsakar att partikeln vid plats B blir en exakt kopia av den tredje partikeln. I själva verket har partikeln inte rört sig, men resultatet är detsamma, så i själva verket har den tredje partikeln teleporterats till B:s plats. Likt allt som har med kvantteorin att göra är detta i praktiken oerhört svårt, och forskare tävlar om att slå distansrekord. Medan det nuvarande rekordet är 143 kilometer med en laserstråle i september 2016, demonstrerade forskare i Calgary, Kanada och Shanghai, Kina, kvantteleportering med ett mer praktiskt fiberoptiskt nätverk för att teleportera fotoner över sina respektive städer.

Atomer och fotoner kan nu teleporteras över allt större avstånd.

”Forskare har nu tagit de första stegen inom kvantteleportering” © SPL

MANIPULATION AV PARTIKLAR

samma gång – en så kallad superposition. Du kan aldrig observera denna märkliga situation, för att så fort du försöker göra det kommer objektet förefalla vara på en plats eller i ett tillstånd. Likväl har forskare genomfört listigt genomtänkta experiment som har bekräftat att detta märkliga beteende faktiskt sker, trots indikationer på motsatsen när vi försöker observera det. En annan konstig effekt kallas kvantmekanisk tunnling, och den hänvisar till det faktum att ett litet föremål kan passera rakt genom en solid barriär utan att skada den. Så om du exempelvis avfyrar en elektron på ett guldfolieark finns det en möjlighet att den kan dyka upp på andra sidan trots att folien är intakt. Det faktum att partiklar kan finnas på två platser samtidigt, och att de kan passera genom fasta föremål, härrör från de små objektens dubbla natur. Vid en tidpunkt tänkte man sig ljus som en våg, men senare upptäckte man att det kunde beskrivas som en ström av partiklar kallade fotoner. Omvänt betraktades elektroner en gång som miniatyrpartiklar som kretsade kring en atoms kärna likt planeter som kretsar runt en sol, men därefter upptäcktes att de kunde beskrivas som vågfunktioner. I verkligheten har både elektroner och fotoner egenskaper hos både partiklar och vågor, eller med andra ord, båda begreppen är korrekta. Så det märkliga fenomenet med att en elektron kan befinna sig på två platser samtidigt är en följd av elektronernas vågnatur. I stället för den nu föråldrade uppfattningen om omkretsande elektroner handlar vågteorin om en så kallad sannolikhetsfunktion. Med andra ord beskriver den sannolikheten att elektronen befinner sig på en speciell plats i rummet och, tills elektronen har observerats, kan positionen anses vara var som helst i rummet, även om inte alla platser är lika troliga. Vad vi hittills har sett har varit känt sedan början av 1900-talet, och det är tillräckligt märkligt. Så förhoppningen att lekmän ska kunna förstå den senaste utvecklingen inom kvantteorin är osannolik. För att illustrera hur bisarrt aktuellt tänkande kan vara, låt oss ägna en kort tanke åt multiversumteorin, även om den går tillbaka till 1960- och 1970-talen. Du minns säkert observation av en partikel i ett superpositionstillstånd orsakar att dess tidigare okända position eller status fixeras. I den science fiction-klingande multiversum

121

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 121

17.09.2019 08:44

teorin delas universum upp i två eller flera parallella universum, så snart som obser vationen äger rum, där partikeln är på en annan plats eller i ett annat tillstånd i de olika versionerna av verkligheten. Alla splittringar som äger rum varje sekund leder dessutom snart till ett ofattbart stort antal parallella universum. Denna teori har nyligen vunnit mark i samband med att forskare har börjat fundera på att utveckla kvantdatorer. Om storskaliga kvant datorer någonsin blir en realitet kommer vi snart att få se att de, jämfört med dagens datorer, erbjuder en häpnadsväckande prestanda. Detta har fått vissa forskare att föreslå att det inte finns tillräckligt mycket material i det observerbara universum för att utföra ett så otroligt antal beräkningar. I multiversumteorin går emellertid detta arbete effektivt ut till alla parallella universum. Med tanke på dess mycket teoretiska grunder kan man förstå att en del människor ser kvantmekaniken som roande kuriosa för nördiga forskare utan någon som helst praktisk användning. Men erfarenheten har visat att de flesta teoretiska studier förr eller senare får konsekvenser för och påverkar vår värld, och allt tyder på att detsamma gäller studierna inom kvantområdet. Kvantmekanik har redan fött många tekniska genombrott, och vi har fått spännande glimtar av vad vi har att vänta framöver. Till att börja med är dagens SSD-anordningar, som påverkar så mycket av 2000-talets liv, beroende av kvanteffekten. Den viktigaste är kanske transistorn, som är den grundläggande

TRE TYPER AV KVANTDATORER

D-WAVE 2X KVANTDATOR

KYLNING För att uppnå superledning kyler ett kylsystem niobslingorna till 0,015 Kelvin (-273,13 °C) – 180 gånger kallare än interstellar utrymmet.

HEMLIGHETERNA MED ETT KANADENSISKT FÖRETAGS SENASTE OCH BÄSTA SKAPELSE

FILTRERING De 200 ledningarna som ansluter processorn till styrelektroniken filtreras kraftigt för att undvika interaktion med miljön.

NIOBSPIRALER Kärnan i D-Wave 2X består av 1 000 niobslingor som fungerar som kvantbitar, eller qubits, när de är tillräckligt kalla.

SKYDD Förlust av superposition hindras genom magnetiskt skydd av kvantkretsen till 50 000 gånger mindre än jordens magnetfält.

HÖGT VAKUUM För att skydda de super känsliga kvantbitarna bibehålls det inre trycket 10 miljarder gånger lägre än atmosfärstrycket.

” En universell kvantdator skulle erbjuda den ultimata massiva parallella behandlingen”

IBM-FORSKNING HAR IDENTIFIERAT TRE TYPER AV KVANTDATORER AV ÖKAD SVÅRIGHET MEN OCKSÅ ÖKAD PRESTANDA

KVANTHÄRDARE Dagens enda kommersiella kvantdator är en kvanthärdare. Det är en specialiserad konstruktion som är utformad för en hel rad applikationer som beskrivs som “optimeringsuppgifter”. SVÅRIGHETSGRAD

ANALOG KVANTDATOR

UNIVERSELL QVANTDATOR

Innan digitala datorer var tillräckligt snabba utfördes höghastighetsvetenskapliga beräkningar med analoga datorer. På samma sätt skulle analoga kvantdatorer kunna tillhandahålla en tilfällig lösning tills universella maskiner uppfanns.

Som dagens datorer skulle en universell kvantdator kunna utföra alla typer av beräkningar, men den skulle vara omätligt snabbare tack vare superposition och sammanflätning.

SVÅRIGHETSGRAD

122

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 122

17.09.2019 08:44

KVANTF YSIKENS KRAF T byggstenen i datorer, smarta telefoner och mer eller mindre alla elektroniska enheter. En annan viktig SSD-anordning är LED och den närbesläktade integrerade lasern. Den förstnämnda revolutionerar nu ljussättning genom att leverera hittills oskådad energi effektivitet, medan det sistnämnda är nyckeln till den fiberoptik som täcker jordklotet och förser världen med internet, samtidigt som det är en viktig komponent i cd- och dvd-enheter. Atomur är också beroende av kvantmekanik, och dessa instrument ger den höga precision som krävs för att driva de GPS-system som satellitnavigation och navigationsappar i smarttelefoner förlitar sig på. Kvantmekanik ligger också till grund för principerna för magnetröntgen (MRI), vilka gör det möjligt för läkare att se kroppens insida. Det sades inte mycket om deras kvantarv när dessa olika tekniker utvecklades, men vi får nu höra om nya tekniker som gärna avslöjar sina kvantrötter. Dessa framtida kvantmekaniska applikationer är fullkomligt häpnadsväckande. Tyckte du att Star Trek-teleportering var resultatet av en överaktiv fantasi? Tänk om – forskare har nu tagit sina första steg inom kvantteleportering. Vad sägs om en kod som är helt okrossbar? Erfarenheten säger att oavsett

KVANTBITAR – HEMLIGHETEN BAKOM KVANTUM COMPUTING DENNA SÄRSKILDA KVANTEFFEKT ÄR NYCKELN TILL KVANTDATORN OCH FLERA ANDRA KVANTTEKNIKER

BINÄR ARITMETIK

ELEKTRISK STRÖM

Konventionella digitala datorer arbetar med binär aritmetik där alla siffror utgör en sekvens av bitar – antingen nollor eller ettor.

I vanliga datorer representeras nollor och ettor av en elektrisk ström eller effekten av antalet elektroner.

UPP- OCH NEDPILAR ETTOR OCH NOLLOR

Ett annat sätt att titta på nollor och ettor för traditionella datorer är som pilar – upp för 1 och ned för 0.

Som med vanliga bitar representerar pilarna till norr- och sydpolen ettor och nollor.

KVANTEKVIVALENTEN I kvantdatorer kallas bitar kvantbitar och de representeras av enstaka mycket små partiklar.

SUPERPOSITION Pilar till andra punkter på sfärens omkrets representerar superpositioner – varierande grader av 1 och 0 simultant.

JORDANALOGIN Tillståndet för en kvantbit kan representeras av en pil från mitten till en punkt på en sfärs omkrets.

70%

Mätning

30%

MÄTNINGAR När du läser en kvantbit är dess värde alltid 0 eller 1, sannolikheten för var och en beror på dess latitud. Detta gör det svårt att utforma algoritmer som kan utnyttja potentialen för kvantberäkning. MR-skannrar arbetar med hjälp av kvantmekaniksprinciperna.

2^1 000

100 miljoner gånger 1 000 Antalet lösningar dagens D-Wave 2X kvantdator kan söka simultant

Så mycket snabbare är D-Wave 2X jämförd med en vanlig dator

Det största antalet sammanflätade kvantbitarna

18,4 miljarders miljarder Så många beräkningar kan en universell 64-kvantbits kvantdator göra simultant

2^16 100 000 Så många samtidiga sökningar kunde den första 16-kvantbits D-Wave kvantdatorn utföra 2007

Antalet kvantbitar som behövs för en universell kvantdator

KVANTDATORER I SIFFROR

123

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 123

17.09.2019 08:45

hur sofistikerad koden är, och för att krypterade meddelanden ska kunna kommas åt, är allt som krävs en tillräckligt kraftfull dator. Det gäller dock inte kvantkryptografi. Det är inte en kod som är så djävulskt svår att det skulle ta samtliga datorer på planeten år att knäcka. Detta är en krypteringsmetod som enligt kvantmekanikens lagar är helt säker, oavsett hur mycket prestanda du förser den med. Och sedan har vi kvantdatorer och den värld av möjligheter som de öppnar upp. Låt oss säga att ett företag redan säljer en ganska specialiserad kvantdator, och forskningen fortsätter mot en kvantekvivalent av dagens hemdatorer, en universell kvantdator. Om de någonsin realiseras kommer de inte bara vara stegvis snabbare än sina föregångare som har fördubblats i hastighet år efter år. I stället utlovar en verkligt universell kvantdator nästan obegränsad prestanda tack vare den märkliga kvanteffekten av superposition, i kombination med effekten av sammanflätning. Genom att befinna sig i miljoners miljarders

tillstånd samtidigt skulle en universell kvantdator erbjuda ultimat massiv parallellbehandling, i vilken åtskilliga operationer utförs samtidigt. Det är allmänt känt att förra århundradet var elektronikens era. Inom loppet av bara femtiotvå år uppfanns den allra första elektroniska enheten, vakuumröret eller ventilen, vilken senare överträffades först av transistorn och sedan av den integrerade kretsen. Det tog sen bara ytterligare 13 år innan den första mikroprocessorn lanserades. Den kända tysk-österrikiske kvantfysikern Rainer Blatt har beskrivit den tekniska utvecklingen under förra århundradet som den första kvantrevolutionen, och av goda skäl. När allt kommer omkring resulterade många av de framsteg som underbygger dagens samhälle från en förståelse för kvantmekanik och, i

” Vi står nu i början av en andra kvantrevolution.”

Kvantberäkning har ett brett spektrum av applikationer, från att förbättra kontrollsystemen för flygtrafik till att skapa bättre programvaror för igenkänning av tal.

synnerhet, vågpartikeldualitet. Professor Blatt föreslår att mänskligheten nu står inför en ny kvantrevolution, som kommer att drivas av den märkliga kvanteffekten av sammanflätning. Professor Blatt lär ha uttalat att ”i början av 1960-talet ansågs lasern fortfarande vara en lösning på ett okänt problem, och idag, drygt femtio år senare, har lasrar blivit en oumbärlig del av våra liv – jag förväntar mig att kvant tekniker kommer att utvecklas på ett liknande sätt.”

KVANTKRYPTOGRAFI HUR MAN SKICKAR ETT KRYPTERAT 100 PROCENT SÄKERT MEDDELANDE Meddelanden är krypterade med en nyckel så länge meddelandet är obrytbart. Syftet med kvantkryptografi är att överföra en nyckel från avsändaren (Alice) till den avsedda mottagaren (Eva) på ett sätt som varnar dem för varje avlyssning från en tredje part (Karl).

5 K ARL FÅNGAR UPP NYCKELN Utan att Alice och Eva vet om det har Karl fångat Alices nyckel. Observation förändrar verkligheten i kvantvärlden, och Karls avlyssning förändrar polariseringen hos några av fotonerna.

6 ALICE UPPTÄCKER AVLYSSNINGEN 1 ALICE SKICK AR NYCKELN Alice skickar nyckeln som binärt nummer med polariserade fotoner. Hon väljer vertikal eller NW-SEpolarisering för varje nolla och väljer slumpmässigt horisontella eller NE-SW för ettor.

3 JÄMFÖRANDE FILTER

4 SK APAR NYCKELN

Eva och Alice analyserar vilket filter Eva använde och hur många av mätningarna som använde rätt filter.

Både Eva och Alice slänger alla bitar som Eva hade använt fel filter för. De återstående bitarna utgör nyckeln som används.

Eva berättar om nyckeln för Alice. Om hon ser att den skiljer sig från vad hon skickade, har de avlyssnats och nyckeln används inte.

2 EVA TAR EMOT NYCKELN Eva mäter polariseringen med ett vertikalt/horisontellt eller ett NW-SE/ NE-SW-filter slumpmässigt och skriver ned resultatet. Det blir korrekt om hon av en slump har använt rätt filter.

124

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 124

17.09.2019 08:45

KVANTF YSIKENS KRAF T

TILLÄMPNING AV KVANTMEKANIK I FRAMTIDEN KAN DET FINNAS MÅNGA SÄTT ATT ANVÄNDA DEN HÄR SNABBT VÄXANDE TEKNIKEN

BILDSÖKNING

KVANTSIMULERING

Människor kan lätt upptäcka kända föremål som till exempel träd, sjöar och katter när de tittar på ett fotografi. Att lära datorer att också göra det är en riktigt svår programmeringsuppgift eftersom det är svårt att definiera essensen av vad som utgör “katthet”, till exempel. Men maskininlärnings uppgifter som dessa är naturliga applikationer för kvantdatorer. Google har redan investerat avsevärda forskningsinsatser för bildanalys för att skapa effektivare bildsökning på internet. Detta demonstrerades genom att lära en kvantdator att känna igen bilar på fotografier, en uppgift som den då kunde göra mycket snabbare än en vanlig dator någonsin skulle klara.

Det kan verka vara ett cirkelresonemang, men precis som förståelsen för kvantmekanik som nu har gett oss kvantdatorer hoppas forskarna att samma kvantdatorer ska hjälpa dem att bättre förstå kvantsystem genom att simulera dem. Dagens datorer kan utföra simuleringar av kvanteffekter, men kvantsystemens komplexitet gör dem otroligt långsamma. Därför är det kanske inte någon överraskning att datorer som är baserade på den märkliga kvantmekanikens värld är avsevärt mer kapabla att simulera kvantsystem och därmed hjälpa forskare till nya insikter.

ASTRONOMI Eftersom Nasa äger en av världens första kvantdatorer är det knappast förvånande att astronomi troligen blir en av de främsta förmånstagarna för denna nya beräkningsmodell. Rymdorganisationen satsar i flera avseenden på kvantberäkning som hjälp i utforskandet av rymden, men många av dem kan sammanfatta sökandet genom enorma mängder data som ”nålen i en höstack”. Ett klassiskt exempel är sökandet efter beboeliga exoplaneter, jordliknande planeter i omloppsbana på det beboeliga avståndet från avlägsna stjärnor som skulle kunna ge rätt förutsättningar för att hysa liv.

Enligt D-Wave Systems kommer deras D-Wave 2X-dator som arbetar med en konventionell dator att hjälpa till att optimera strålterapi. Behandlingen syftar till att lokalisera en tumör, samtidigt som den minimerar skadlig exponering för resten av kroppen, med flera strålar som korsar varandra vid tumören. Dess optimering innebär en simultan hantering av tusentals variabler. Med hjälp av en konventionell dator skulle simuleringar behöva genomföras på ett stort antal sannolikheter, medan en tempererad kvantdator kan fastställa de mest troliga scenarierna för simulering.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 125

”Krypterade meddelanden skulle bli en öppen bok för en kvantdator”

KODKNÄCKNING En universell kvantdator skulle kunna faktorera stora antal tal med lätthet, ett otroligt tidskrävande jobb för konventionella datorer. Dagens chiffer förlitar sig på att faktorisering är svårt, men krypterade meddelanden skulle vara en öppen bok så fort den allmänna kvantdatorn blir verklighet. Detta kan vara användbart för militär- och polisstyrkor – till exempel i kampen mot terrorism och organiserad brottslighet – men det skulle ge en skjuts för cyberbrottslingar. Det skulle visa sig vara ganska lämpligt att samma kvantteknik som kan göra dagens krypteringstekniker föråldrade kan erbjuda en ersättning i form av kvantkryptografi.

OPTIMERING AV STRÅLTERAPI

125

17.09.2019 08:45

Hur kan vi bota cancer? NYFIKEN?

MEDICIN

MIRAKEL-

VETENSKAP

GENOMBROTTEN SOM SKA RÄDDA DITT LIV.

agens medicin skulle ha tett sig mirakulös för dem som levde för mindre än hundra år sedan, men framtidens medicin är ännu mer häpnadsväckande. Forskare och ingenjörer från en mängd olika områden sammanför nu sina senaste framsteg och skapar nya medicinska tekniker som helt förändrar sättet vi diagnostiserar, behandlar och till och med botar sjukdomar på. Nanotekniken tar ned medicinen på

molekylnivå och inriktar sig på de minimala mekanismer som håller kroppen igång, medan stamceller ger oss en förnybar källa med ersättningsmaterial för alla kroppens celler. Individanpassad medicin skräddarsyr behandlingar efter varje enskild patients genetiska profil. Framsteg inom neurovetenskap, datorer, robotik och elektronik gör det dessutom möjligt för avancerade proteser att reagera direkt på kommandon från hjärnan. En dag kan vaccin

ges smärtfritt genom tusentals mikroskopiska doser, medan anpassade kombinationer av vitaminer eller mediciner kan skrivas ut som piller för dagligt bruk. Det går inte att säga säkert vilka av dagens banbrytande tekniker som kommer att användas kliniskt i framtiden, men i och med att tekniken utvecklas så fort kan vi vänta oss flera medicinska mirakel de närmaste åren.

126

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 126

17.09.2019 08:45

Cancer smittar inte, men vissa virus som hepatit B, hiv och

Liposomalt doxorubicin är en cancermedicin som Visste du att? HPV kan leda till canceri eftersom de skadar kroppens dna. Visste du att? injiceras i kroppen nanofettkapslar.

MIRAKELVETENSK AP

Nanomedicin Molekylmaskineriet som håller igång kroppen är byggt i nanometerskala. Hemoglobinmolekyler (proteiner som transporterar syre i blodet) har en diameter på omkring fem till sju nanometer – det är cirka tiotusen gånger mindre än tjockleken på ett hårstrå. Nanomedicinen försöker att samverka med den här miniatyrvärlden med hjälp av material som har en diameter på mindre än tusen nanometer. Forskarna

hoppas kunna utveckla högprecisions teknik på nanonivå som kan reparera eller ersätta skadade cellkomponenter. Nanomaterial används redan för att tillverka kapslar som kan föra in små ”paket” med medicin i kroppen. Vissa kapslar skyddar medicinen mot att brytas ned på vägen till rätt ställe i kroppen, medan andra fungerar som vägvisare så att behandlingen når målet.

Nanomedicin i arbete Nanopartiklar som är gjorda av fettmolekyler kan visa medicinen vägen till rätt del av kroppen, till exempel en tumör.

Skyddande skikt

Genom hålen

De här nanopartiklarna tillverkas av fettmolekyler som kallas lipider. De omger den aktiva substansen och skyddar det på vägen genom kroppen.

Nanopartiklarna kan ta sig igenom hål i blodkärlsväggarna och in i vävnaden.

Tumör

Endotelcell

Målriktade

Blodkärl

Målsökande molekyler kan tillsättas till nanopartiklarna så att de håller sig till molekyler som finns på cancercellerna.

Medicinen ansamlas Medicin inifrån

Cancercell

Cancercellen slukar nanopartiklarna som avger cancermedicinen inifrån.

På grund av långsam dränering ut till lymfsystemet börjar nanopartiklarna ansamlas inuti tumören.

Medicin

Med inspiration från Star Trek Tricorder delar Qualcomm Tricorder XPrize ut tio miljoner dollar till det team som utvecklar den bästa bärbara medicinska analysatorn. Målet är att upptäcka sexton vanliga sjukdomar som anemi, diabetes och tuberkulos, och registrera fem medicinska parametrar, bland annat blodtryck, puls och syremättnad. Den här typen av teknik kommer att underlätta diagnostisering så att

människor kan övervaka sin egen hälsa hemma. Tävlingen har pågått sedan 2012 och vinnaren kommer att utses år 2017. Bland finalisterna finns enheterna Scanadu Scout som kan övervaka parametrar som puls och blodtryck när den hålls mot huvudet och rHealthsensorn som kan upptäcka lung inflammation och till och med ebola i en liten bloddroppe.

”Labb på chip” – en miniatyrteknik för bärbar provanalys.

Upptäckt av sjukdomar

127

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 127

17.09.2019 08:45

Hur kan vi bota cancer? NYFIKEN?

MEDICIN

Regenerering av skadad vävnad

Teixobaktin hindrar bakterier från att bilda cellväggarna de behöver för att skydda sig.

Stamceller har en otrolig förmåga till regenerering. De har också potential att ersätta varenda cell i kroppen. De flesta av kroppens celler är mycket specialiserade. Var och en är avsedd för en speciell funktion, och när de har utvecklats till en viss celltyp kan den inte ändras. Men stamceller har inte specialiserats ännu. Istället reparerar de kroppen och bidrar till tillväxt. De kan fortsätta att kopiera sig långt efter att de flesta moderceller slutat dela sig. Alla de här kopiorna kan ligga vilande, göra fler kopior eller börja utvecklas till

Odling av stamceller

Det finns två huvudmetoder för att producera mänskliga stamceller i laboratorium.

specialiserade celler. Vilken specialisering stamcellen väljer beror på vilka signaler den får och på vilken typ av stamcell det är – en embryonal stamcell eller en av de många varianterna av moderceller. Embryonala stamceller har störst möjligheter. De finns i foster under utveckling. Med rätt signaler kan de omvandlas till vilken som helst av kroppens olika celltyper.

Med sådana otroliga egenskaper är det inte konstigt att forskarna ägnat stamcellerna så mycket uppmärksamhet. Läkare utför redan stamcellstransplantationer för att ersätta förlorad benmärg, och stamceller används även till hudnät för transplantation. I framtiden hoppas man kunna reparera skadad vävnad i kroppen och till och med återuppbygga hela organ med stamceller.

Metod 2: Embryonala stamceller

Metod 1: Inducerade pluripotenta stamceller

De här potenta stamcellerna finns i foster, men i många länder begränsas forskningen av etiska skäl.

Vuxna celler kan ”omprogrammeras” av forskarna så att de fungerar som embryonala stamceller.

Befruktat ägg Cellen som bildas genom mötet mellan spermier och ägg kan producera alla kroppens celler.

Vuxna stamceller Vuxna stamceller har redan en bestämd uppgift och kan bara användas till att göra en viss typ av celler.

Blastocyst Efter ungefär en vecka består embryot av celler som omger ett kluster som kallas den inre cellmassan. Stamcellerna i den kan bli vilken som helst av kroppens celltyper.

Omprogrammering Med hjälp av virus kan vuxna stamceller ”omprogrammeras” tillbaka till ett tidigare stadium så att de kan ombildas till många andra celltyper.

Förändrade villkor

Kultur

Stamcellerna kan bli olika typer av specialiserade vuxna celler genom att man förändrar cellkulturens villkor.

Röda blodkroppar

De embryonala stamcellerna skördas och får instruktioner om att göra kopior av sig själva.

Hudceller

Fördelar n De kan bidra till uppbyggnad av ett helt organ för transplantation.

n Dina egna stamceller ger en perfekt genetisk matchning.

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 128

Nervceller

ÄR STAMCELLSTERAPI EN BRA IDÉ?

n Stamceller kan användas till reparation av vävnad.

128

Muskelceller

Det finns argument för och emot medicinsk användning av stamceller.

Tarmceller

Nackdelar

n Långtidseffekterna av stamcellstransplantation är inte kända. n Det finns etiska problem med att använda människoembryon. n Många sjukdomar kan inte behandlas med stamceller.

Kan inte redigera.

17.09.2019 08:45

Liposomalt doxorubicin ärvirus en cancermedicin som Cancer smittar inte, men vissa som hepatit B, hiv och Visste du att? Visste du att? injiceras i kroppen i nanofettkapslar. HPV kan leda till cancer eftersom de skadar kroppens dna.

MIRAKELVETENSK AP

Kur mot blindhet

Kan stamceller användas till att återskapa synen? The London Project to Cure Blindness är ett samarbete mellan Moorfields Eye Hospital, University College London, University of Sheffield, brittiska myndigheter och läkemedelsbolaget Pfizer. Det syftar till att bekämpa sjukdomen ”våt åldersrelaterad makuladegeneration” (AMD) som leder till snabb förlust av centralseendet. Teamet använder stamceller för att odla retinala pigmentepitelceller (RPE-celler). De här cellerna bildar ett brunfärgat skikt på ögats baksida som bidrar till att absorbera spritt ljus och hjälper därmed synen. Cellerna skyddar och ger näring åt tapparna och stavarna som reagerar på ljuset som kommer in i ögat. RPE-skiktet kan skadas vid våt AMD. Därför har teamet använt stamceller för att odla en ”lapp” med nya RPE-celler för att laga skadan. I labbet beter sig de nya cellerna precis som de ursprungliga, och år 2015 behandlades den första patienten i ett kliniskt försöksprojekt. Testerna i projektet ska visa om den nya behandlingen är helt säker och om den fungerar. I framtiden hoppas teamet på att kunna använda stamceller för att odla nya celler till tappar och stavar, så att skador på ögats ljuskänsliga maskineri kan repareras.

Behandlingsprocessen Så kan stamceller omvandlas till specialiserade ögonceller i laboratoriet.

1Skörda stamceller

Stamcellerna förses med tillväxtfaktorer som stimulerar dem till att dela sig om och om igen så att de producerar hundratals identiska kloner.

3Tillsätt differentieringsfaktorer Forskare kan styra vilken typ av celler stamcellerna blir med hjälp av olika kombinationer av kemikalier. Processen kallas differentiering.

Vad är åldersrelaterad makuladegeneration? Åldersrelaterad makuladegeneration (AMD) är den främsta orsaken till synförlust bland vuxna i Storbritannien och drabbar över en halv miljon människor. Den vanligaste typen är ”torr” AMD som orsakas av nedbrytningen av de ljuskänsliga cellerna i ögats bakre del, men det finns också en aggressivare, ”våt” AMD som beror på avvikelser i blodkärlen. Båda typerna kan ge sämre centralseende.

2Tillsätt tillväxtfaktorer

Stamceller kan reproducera sig i det oändliga och kan omvandlas till vilken cell som helst i människokroppen. Det gör dem perfekta för att reparera skadad vävnad.

Näthinnan Makula

4Cellimplantering

Nya pigmentepitelceller implanteras i ögats bakre del.

Synnerv

5Efterbehandling

AMD orsakar inte total blindhet, utan det påverkar bara det centrala synfältet.

”Stamcellens val av specialisering beror på signalerna den tar emot.”

Det finns hopp om att den här behandlingen kan återställa delar av centralseendet hos patienter med åldersrelaterad makuladegeneration.

129

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 129

17.09.2019 08:45

Hur kan vi bota cancer? NYFIKEN?

MEDICIN

Kampen mot superbakterierna Ska vi överleva framtida infektioner måste vi kunna hantera antibiotikaresistens. Precis som människor har bakterier genetiska variationer som ger dem olika egenskaper. Det innebär att vissa bakterier dukar under för antibiotika snabbare än andra. Om de tuffare bakterierna överlever när en antibiotikakur är

över, kan de ligga kvar och skapa en hel koloni med samma genetiska fördelar. Då kommer antibiotikan du tagit inte längre ha någon effekt mot infektionen. Ju mer antibiotika som används, desto oftare upprepas den här

cykeln. Allt fler bakteriestammar kan då motstå även våra starkaste läkemedel. Ännu mer oroväckande är att antibiotikaresistenta gener kan överföras mellan bakterier och även mellan arter.

Antibiotikaresistens Hur kan bakterier tåla stora doser av våra starkaste läkemedel?

1 Olika gener

Precis som hos oss kan den genetiska profilen hos enskilda bakterier från samma art skilja sig lite.

2 Antibiotika

Antibiotika dödar bakterier eller hindrar dem från att dela sig, och kan påverka både ”goda” och ”dåliga” bakterier.

De resistenta bakterierna sprids Överanvändning av antibiotika hos människor och djur leder till antibiotikaresistens.

Användning på djur Antibiotika används ofta för att förebygga och behandla sjukdom hos boskap.

3 Några överlever

Vissa bakterier har genetiska drag som gör att de tål antibiotikabehandlingen – de är resistenta. De fortsätter att dela sig.

4 Genöverföring

De resistenta bakterierna kan ibland överföra gener till grann bakterier så att de också blir resistenta.

Antibiotika Varje gång antibiotika används har bakterier möjlighet att anpassa sig.

Användning på människor Många får recept på antibiotika som de egentligen inte behöver.

Sjukhusinfektioner Antibiotikaresistenta bakterier överförs ofta på sjukhus, via otvättade händer eller ytor som dörrhandtag.

Obearbetat kött Resistenta bakterier kan finnas i kött och de kan spridas om köttet inte bearbetas och tillagas på rätt sätt.

Infektion i samhället Resistenta bakterier kan spridas i samhället genom direktkontakt eller via kontaktytor.

Förorenade grödor En del resistenta bakterier kan hamna i grödor som odlats i förorenad naturgödsel.

Infekterad gödsel Resistenta bakterier från djur kan finnas i avföring som används som gödsel till grönsaksodling.

130

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 130

17.09.2019 08:46

Liposomalt doxorubicin ärvirus en cancermedicin som Något av inte, det bästa du kan göra för att bekämpa Cancer smittar men vissa som hepatit B, hiv och Visste du att? Visste du att? injiceras i kroppen i nanofettkapslar. antibiotikaresistens är att tvätta händerna ordentligt. HPV kan leda till cancer eftersom de skadar kroppens dna.

Teixobaktin Den första nya antibiotikan som upptäckts på 30 år. År 2015 upptäckte forskare teixobaktin – en ny klass av antibiotika som har potential att bekämpa dödliga infektioner som lunginflammation och tuberkulos. Den nya upptäckten gjordes där många andra antibiotika hittats – i jord – där den bildas naturligt av andra bakterier. Detta är ett viktigt steg närmare målet: att kontrollera resistenta stammar av superbakterier.

MIRAKELVETENSK AP

Personlig medicin I framtiden kommer behandlingar att skräddarsys efter din unika genetiska profil.

De genetiska skillnaderna som gör oss alla unika bestämmer också hur vi svarar på medicinsk behandling. Genetiska egenskaper hos bakterier och virus avgör också deras reaktion på olika ämnen. Tack vare kunskaper om genetiken bakom de här reaktionerna är vi nu på väg

mot en tid när behandlingen kan anpassas efter varje enskild patient. De här stegen har redan tagits inom precisionsbehandlingen av cancer där cancercellernas genetiska skillnader spelar en viktig roll för om de olika behandlingarna kommer att fungera.

Medicinen matchas med genetiken

Människor har olika gener, så de kan reagera olika på samma läkemedel.

Patienter i behandlingskö

Olika reaktioner

Skräddarsydd dosering

De här människorna har samma typ av cancer, men vissa genetiska skillnader.

Genetiska skillnader påverkar hur lång tid det tar att rensa ut läkemedlet ur kroppen.

Patienten kan få en dos som är anpassad efter dennes genetiska profil.

Teixobaktin hindrar bakterier från att bygga de starka cellväggar de behöver för att bli resistenta.

Longitude-priset uppmuntrar både amatörer och professionella forskare att utveckla ett test som kan hjälpa läkare att hitta rätt antibiotika på ett billigt sätt. Det som är avgörande för att minska antibiotikaresistensen är att antibiotika bara ges när det verkligen behövs, och bara det som fungerar på den aktuella infektionen.

The Longitude Committee bedömer bidrag var fjärde månad fram till slutet av 2019.

Normal avgiftning

Genversion 1

Normal dos

De flesta kan snabbt rensa ut ämnet ur kroppen.

Ett blodprov visar om patienten har genen för normal avgiftning.

Patienter som snabbt gör sig av med ämnena får en normal dos.

Långsammare avgiftning

Genversion 2

Medelhög dos

Om kroppen renas långsamt kan ämnena ansamlas så att biverkningarna ökar.

Blodprovet visar att patienten har gener som gör att kroppen avgiftas långsamt.

Patienter som avgiftar ämnena långsammare får en mindre dos.

Dålig avgiftning

Genversion 3

Låg dos

Ett fåtal patienter har så dålig avgiftning att normala doser är farliga.

De här patienternas gener gör att kroppen renas mycket långsamt.

Patienter som ha problem med avgiftning får en liten dos.

10 miljoner pund i premie för att lösa resistens problemet

131

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 131

17.09.2019 08:46

Hur kan vi bota cancer? NYFIKEN? NYFIKEN?

MEDICIN

Skriver ut kroppsdelar I framtiden kanske vi kan skriva ut mediciner, proteser och till och med nya kroppsdelar. 3D-printade proteser blir allt vanligare, men i de mest intressanta medicinska 3D-skrivarna används en annan typ av ”bläck”. Med hjälp av precisionsteknik försöker forskare kombinera olika läkemedel i ett kompakt piller. De olika ingredienserna i skrivaren styr när de verksamma ämnena frigörs så att anpassade piller kan skrivas ut för varje patient. Det här målet är fortfarande flera årtionden bort, men utskrifter av vitamintillskott ligger närmare i tiden. 3D-skrivare kan också användas till att skapa anpassade kirurgiska implantat, från plattor i ersättningsleder till stödstrukturer som stimulerar celler att bilda ny vävnad. De utskrivna strukturerna kan vara antingen fasta eller lösliga. Men skrivare producerar inte bara konstgjorda kroppsdelar, utan även äkta vara. Vissa så kallade bioskrivare konstrueras för att skriva ut levande människoceller. De bildar lager av vävnad som ger en grundstruktur vid reparation av skador. Forskare vid Wake Forest Institute for Regenerative Medicine i North Carolina arbetar också med utskrift av celler direkt på kroppen för att reparera skador. Slutmålet är att skriva ut hela organ, men om det faktiskt är möjligt debatteras bland forskarna.

Gelmedium En biogel tillsätts separat eller blandas direkt med cellerna.

Biobläck Den levande cellblandningen, som kallas biobläck, lagras i en kanyl ovanför skrivaren.

1Datorkontroll

Den slutliga utskrivna strukturens form skapas först i en dator, så att det finns en mall som skrivaren kan använda för att producera den ”äkta varan”.

3D-medicin

Utskrifter av medicinsk utrustning är på gång, och är till viss del redan tillgängliga.

3D-utskrivna läkemedel

Ersättningsorgan

Proteser

Tandproteser

132

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 132

17.09.2019 08:46

En läkare i Gaza har utvecklat ett 3D-utskrivet stetoskop som kan produceras för mindre än 25 kronor VISSTE DU ATT …? Liposomalt doxorubicin ärvirus en cancermedicin som Cancer smittar inte, men vissa som hepatit B, hiv och Visste du att? Visste du att? injiceras i kroppen i nanofettkapslar. HPV kan leda till cancer eftersom de skadar kroppens dna.

ut 2Skriv celler

3Odla celler

Ta bort gelen

Cellstommen inkuberas och man låter cellkulturen växa. Cellerna fyller tomrummen som skrivaren lämnat och bildar en fungerande struktur.

Skrivaren printar ut levande celler i lager av näringsgel. Den följer programmerade mönster för varje lager för att bygga upp en vävnadsstomme.

Gelen är gjord så att den kan tas bort när cellstrukturen är komplett.

MIRAKELVETENSK AP

Hjälp att gå igen Medicinens framtid handlar inte bara om biologiska framsteg. Förväntningen är att robotar, proteser och komplicerad elektronik kommer att spela en viktig roll i vården. Befintliga funktionella proteser kan reagera på nervimpulser eller muskelrörelser i brukarens kropp, och nu jobbar forskarteam med att koppla medicinska hjälpmedel till hjärnan. Hjärna-till-dator-gränssnittet läser av hjärnans elektriska mönster. De kan registreras längs skalpen med hjälp av ett elektroencefalogram (EEG). Mönstren avkodas genom en avancerad datoralgoritm. Ett team vid University of California i Irvine har utvecklat ett system som övervakar signalerna från hjärnan och omvandlar dem till en serie elektriska pulser. Pulserna leds genom trådar som kopplats till benmuskula turen och utför ryggmärgens jobb på ett effektivt sätt. Tekniken är fortfarande under utveckling, men tidiga tester har visat att en man med skadad ryggmärg kunde börja gå igen för första gången på sju år. Liknande gränssnitt utprovas för användning med proteser, och forskare arbetar med sensorer som kan återskapa beröringssinnet.

EEG Elektroder uppfattar elektrisk aktivitet längs skalpen och registrerar mönstren som hjärnan genererar.

Elektrisk aktivitet När användaren tänker på att gå, skapar hjärnans elektriska aktivitet igenkännbara mönster.

Lager av biogel Gelen ger cellerna stöd och ser till att de har en miljö som främjar tillväxt.

Blodkärl Slutprodukten i den här skrivaren är ett fungerande blodkärl.

Levande celler De utskrivna cellerna reagerar på tillväxtfaktorer i den omgivande gelen genom att dela sig.

Sele och ram Selen och ramen bär upp en del av brukarens vikt och ger stabilitet.

Elektroder som är fästa vid knäna sänder elektriska impulser till musklerna som rör benen.

Gyroskop Benens läge och rörelse övervakas av sensorer på vristerna.

Den utskrivna vävnaden transplanteras sedan in i kroppen. Om patientens egna celler används blir det en perfekt matchning.

Ett datorprogram tolkar signalerna från hjärnan och skapar ett mönster av signaler som skickas till benen.

Elektroder

illustration by Nicholas Forder

Transplantera

Processor

Hudnät

Medicinsk utrustning

Ortopedisk utrustning

Benimplantat 133

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 133

17.09.2019 08:47

DEN GENETISKA REVOLUTIONEN FRÅN UPPTÄCKTEN AV DNA TILL GENREDIGERING PÅ MINDRE ÄN 200 ÅR

134

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 134

17.09.2019 08:47

DEN GENETISK A REVOLUTIONEN H

CH3

Socker N

N O

Adenin (A)

Socker Tymin (T) H

Watson och Crick står intill sin berömda modell av dna-dubbelhelix.

Socker N

5’ (uttalas femprim) och 3’ (treprim)-ändarna. Primrarna fungerar ungefär som versal i början och punkt i slutet av en mening och visar cellen i vilken riktning koden ska läsas. Strukturen hos dna har blivit välkänd, trots att den markanta vridningen är en vanlig kemisk skruv hos biologiska molekyler. Collagensträngarna i huden tvinnar sig som rep, detsamma gör keratinet i håret. Dnabyggstenarna är asymmetriska och svajar när de sätts ände mot ände. När Watson och Crick hade upptäckt strukturen var nästa steg att knäcka koden. Den ansvariga vetenskapsmannen och kryptografen för detta var Marshall Nirenberg. Det mesta av det molekylära maskineriet i kroppen utgörs av protein, som byggs av cellerna med hjälp av byggstenar som kallas aminosyror. Det finns 20 olika byggstenar att välja mellan och Nirenberg stoppade en av varje i varsitt provrör. För att förstå vad olika dna-sekvenser betydde gjorde han syntetiska kodsträngar. Sedan studerade han vilka aminosyror som länkade samman med olika sekvenser. Han upptäckte genom sitt arbete att dna lagrar informationen som ”ord” med tre bokstäver. Det finns ett ord för ”start”, som signalerar början av en gen, och det finns tre ord för ”stop” som signalerar slutet.

ATT TYDA MÄNNISKANS ARVSMASSA En internationell forskargrupp samarbetade för att läsa alla 3,2 miljarder baspar som utgör människans dna. De kartlade varje mänsklig gen med hjälp av en teknik kallad bakteriell artificiell kromosom-(BAC)sekvensering. Till att börja med bröt de varje kromosom i cirka 200 000 baspar långa bitar. Sedan delade de varje kromosom i 20 000 dna-spiraler. Bakterier kopierade spiralerna och byggde upp ett stort dna-bibliotek. Forskarna klöv sedan det klonade dna:et i 2 000 basparsfragment. En sequencer läste fragmenten, sedan satte de ihop och tillbaka koden igen genom att titta efter områden som överlappade varandra. Innan projektet inleddes trodde man att en arvsmassa så komplicerad som vår skulle innehålla mer än 100 000 gener. Resultatet visade i stället att de var färre än 25 000. Utrustad med denna kunskap kunde forskarna fortsätta att utforska vår genetiska kod för att ta reda på varifrån vi kommer, hur vi fungerar och varför det kan uppstå fel i våra kroppar.

N Socker N

Guanin (G)

O Cytosin (C)

Adenin binder alltid till tymin och cytosin alltid till guanin.

Däremellan finns 60 andra ”kodoner” som motsvarar aminosyror. Med chiffret i hand var nästa steg att avkoda genomet (arvsmassan). För att kunna göra detta uppfann Frederick Sanger år 1977 en banbryt ande teknik – dna-sekvenseringen – som knäckte koden i överlappande fragment. Han kunde sedan kopiera varje fragment med hjälp av kedjeterminerande nukleotider som avslutar kopieringsprocessen tidigt, och visar vilken bas som fogats samman med sekvensens ände. Processen avslöjar gradvis varje bokstav i koden. När Sanger hade sekvensen för varje fragment kunde han sätta ihop dem igen som ett pussel. Utrustad med det nya verktyget kunde forskare år 1995 läsa det första hela genomet. Det tillhörde bakterien Haemophilus influenzae. För första gången hade forskarna hela instruktions boken för att skapa en levande organism. År 2000 byggdes den genetiska koden för bananflugan, Human Genome Project (HGP) var ett av vetenskapens största åtaganden någonsin..

å 1800-talet upptäckte den schweiziska biologen Friedrich Miescher något märkligt. När han öppnade upp de vita blodkropparna hittade han en substans rik på fosfor olik någonting annat han sett tidigare. Han kallade den nuklein. Nu känner vi till den som dna. Dna står för ”deoxyribonucleic acid” och tack vare den Rysslandsfödda amerikanske forskaren Phoebus Levenes arbete vet vi nu att den består av tre delar. Fosfaten som Miescher såg är hoplänkad med ett femkolsocker som kallas deoxiribos. Denna är i sin tur hoplänkad med en kvävefylld struktur känd som ”bas”. Fyra olika baser ger de kemiska molekylerna i den genetiska koden, som tillsammans med sockret och fosfaterna skapar långa kedjor. De fyra dna-molekylerna är adenin, cytosin, guanin och tymin. Vi känner oftare till deras förkortning, det vill säga första bokstäverna A, C, G och T. I varje dna-del matchar mängden A alltid mängden T och mängden C alltid G, men före James Watson och Francis Crick visste vi inte varför. Paret vann Nobelpriset för att de upptäckte molekylens struktur. Rosalind Franklin och Maurice Wilkins tog en bild på dna med hjälp av röntgen. Genom att använda deras bild tillsammans med urklippta kartongbitar för varje dna-bas, lekte Watson och Crick med möjliga konfigurationer. År 1953 kunde de till slut avslöja att dna är en dubbelspiral. Två kodsträngar formar ett par som vrider sig runt varandra som en roterande stege. Baserna på en sträng är sammanbundna till baserna på en annan sträng genom vätebindningar som formar stegpinnarna eller ”ryggraden”. Mellanrummet mellan stegpinnarna låter andra molekyler läsa eller kopiera koden. Dna vrider åt höger och strängarna lagrar motsatta sekvenser som går i motsatt riktning. Alla A i en sträng är hoplänkade med alla T på den andra strängen, medan alla C är hoplänkade med alla G. En sträng lagrar koden som går uppifrån och ned och den andra lagrar den inverterade koden som går nedifrån och upp. Varje sträng har en uppsida, som forskare kallar

135

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 135

17.09.2019 08:47

år 2002 avslutades musens. Ett år senare nådde man sekvenseringens heliga graal – hela människans arvsmassa. Med tillgång till de här manualerna kunde forskarna börja förstå hur saker och ting fungerar och varför det kan gå fel. På tidigt 2000-tal hade de samlat på sig en kraftfull samling molekylära verktyg att ha som hjälp vid sina efterforskningar. Trots detta var det en två årtionden gammal uppfinning som skulle visa sig vara den största hjälpen i uppgiften att avkoda mänskligt dna. År 1983 uppfann en amerikansk biokemist vid namn Kary Mullis en teknik som kallas polymeraskedjereaktion (PCR), en bedrift han fick Nobelpriset för 1993. PCR är en dnakopieringsmaskin som kan skapa miljoner identiska sekvenser från en dna-sträng. Till att börja med höjs temperaturen så att de två strängarna i en dubbelspiral kan separeras från varandra. Slutligen, när temperaturen sänks, hittar strängarna ett matchande par för att bilda en dubbelspiral igen. Forskarna kan välja var de ska starta och avsluta kopieringsprocessen genom att använda korta fragment av dna som kallas ”primers”. Med verktyget till sitt förfogande blev det ännu lättare att studera individuella gener. Forskarna fick även tillgång till molekylära saxar som kallas restriktionsenzymer. De klyver dna på specifika ställen och lämnar ofta ett litet överhäng. Med de klistriga ändarna kan

”Med tillgång till de här manualerna kunde forskarna börja förstå hur saker och ting fungerade”

DNA:S OKÄNDA HJÄLTAR

JAMES WATSON OCH FRANCIS CRICK ÄR VÄRLDSKÄNDA FÖR ATT HA UPPTÄCKT DNA-STRUKTUREN, MEN MÅNGA FLER FORSKARE HAR GJORT VIKTIGA INSATSER PÅ OMRÅDET.

1869 ATT HITTA NUKLEIN Friedrich Miescher hittade en molekyl inuti en cellkärna som innehöll ovanliga kvantiteter av fosfor. Han kallade substansen ”nuklein”.

1910 NUKLEINSYROR Albrecht Kossel använde sin karriär till att studera nukleinets komposition. Han upptäckte de fem nukleinsyrorna och fick Nobelpriset i fysiologi eller medicin 1910.

1947 TVÅ STRÄNGAR James Michael Creeth upptäckte hur dna-strängarna sitter ihop. Han förutsåg att fosfatet och socker arterna utgjorde ramen och att baserna klamrade sig fast däremellan.

1951 RÖNTGENPIONJÄR William Astbury var fysiker och först med att använda röntgen strålar för att lösa dna-strukturen.

1952 PHOTO 51 Rosalind Franklin på King’s College London tog röntgenbilden som Watson och Crick använde för att lösa dna-strukturen.

1950 BASPAR Erwin Chargaff mätte varje mängd nukleinsyra i dna. Han fann att det alltid var samma mängd A och T samt C och G – och att de kom i par.

1953 FRÅN KING’S TILL CAMBRIDGE Maurice Wilkins arbetade med dna-röntgenbilderna med Rosalind Franklin. Han gav det opublicerade ”foto 51” till Francis Watson i Cambridge.

1977 DNA-SEKVENSERING

Jennifer Doudna, forskare på Berkely, uppfann CRISPR-genredigeringstekniken.

Frederick Sanger, som har vunnit Nobelpriset två gånger, är upphovsman till dna-sekvenseringen. Han uppfann ”dideoximetoden”, som arbetar fram sekvensen en dna-bokstav i taget.

136

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 136

17.09.2019 08:47

DEN GENETISK A REVOLUTIONEN

REVOLUTION I GENREDIGERING

BUDBÄRAR-RNA Forskare designar ett kort stycke genetisk kod som matchar målgenen.

EXAKT GENREDIGERING MED CRISPR-CAS9 KAN FÖRÄNDRA SÄTTET VI INTERAGERAR MED VÅR ARVSMASSA

EN GENREDIGERINGSTEKNIK SOM GÖR EXAKTA KLIPP I DNA-SPIRALEN.

IGENKÄNNING CAS9 En gensax är fäst vid RNAbudbäraren.

Budbärar-RNA fäster vid den matchande delen av gensekvensen och leder Cas9 till rätt position.

KLIPPER Cas9 klipper itu båda strängarna i dna-spiralen och gör ett avbrott i dubbelsträngen.

NEDTYSTNING Cellen försöker reparera avbrottet, får ingen ordning på sekvensen och stänger i stället av genen.

REDIGERING En kort ”dna-mall” visar cellen hur den ska reparera avbrottet, byta sekvens och redigera genen. © Getty; University of Nottingham; Wiki/ Wellcome Images/ Kamil Kroplewski; SPL

CRISPR står för ”Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat”. Akronymen beskriver dna-sektioner som läser samma sak framåt och bakåt (palindrom). De förekommer i grupp i vissa typer av bakterier och arkéer, där de delvis bildar sitt försvar mot virus. När ett virus invaderar klipper bakterien ut en del av sin genetiska kod och kilar in den mellan två CRISPRsekvenser. Den gör sedan kopior av CRISPR-dna och de virala dna som är inklämda däremellan. Kopiorna, gjorda av RNA, är som dna men har bara en sträng istället för att vara dubbel strängade. Det betyder att baser som inte kommer i par är fria att fästa ihop med vilken matchande kod som helst som de hittar inuti cellen. Om samma virus attackerar igen håller RNA fast vid sin genetiska kod. Det är här som den andra delen av systemet kommer in. CRISPR arbetar tillsammans med molekyler som kallas Cas (vilket står för CRISPRassociated), och som är en genknipsande molekylsax. RNA bär iväg Cas till den matchande virala genetiska koden och möjliggör att Cas kan klippa upp den. Forskare kan kidnappa systemet för genetik genom att byta ut RNA mot en av deras egna sekvenser. Genom att designa sekvensen att matcha en del av en gen kan de styra gensaxarna till att göra riktade klipp i arvsmassan. När cellen försöker reparera klippet gör den ofta fel. Detta avbryter genen, stänger av den – och processen kallas genavstängning. Om forskarna använder en dna-mall, kan cellen använda den som guide för att reparera klippet och göra förändringar i genen.

SÅ FUNGERAR CRISPR

TILLÄMPNING

CRISPR kan användas för att hjälpa immunsystemet att bekämpa cancer.

CRISPR kan redigera generna på en mängd organismer, från matgrödor till labbdjur och embryon.

137

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 137

17.09.2019 08:47

De självlysande banden på gelen är fragment av dna.

DNA-REPARATIONER År 2015 fick Tomas Lindahl, Paul Modrich och Aziz Sancar Nobelpriset i kemi för sina arbeten med dna-reparation. Genom hela våra liv står vårt dna under ständig attack från miljön. UV-strålning gör att dna-baserna klistras ihop och cigarettrök kan skapa mutationer. Varje gång en cell delar sig gör den nya små fel i kopieringen. Forskarna arbetade separat med att fördjupa sig i det mikroskopiska maskineri som hittar dessa skador och reparerar dem.

Lindahl upptäckte ”base excision repair”, en process som klipper ut små fel ur arvsmassan och rättar till dem. Sanca hittade ett liknande system kallat ”nucleotide excision repair”, som tar bort och reparerar dna som buktar ut sig. Modrich identifierade mismatchreparationer i områden i dna där baserna på den andra strängen inte matchade. Att förstå hur dessa verktyg fungerar är ett viktigt första steg i att lära sig hur de kan användas på bästa sätt framöver.

DNA-SKADA Dna ackumulerar fel över tid. Några uppstår när cellerna gör misstag vid kopieringen.Andra är resultatet av en miljöattack från cancerframkallande ämnen som UV-ljus, strålning och cigarettrök .

ATT UTVIDGA DEN GENETISKA KODEN BASER

PARAR MED

”Base excision repair” Kemiska förändringar kan ändra basernas struktur med tiden. Lindahl upptäckte processen ”base excision repair”, då skadade områden skärs bort och byts ut. C

FEL

RÄTT

C förlorar en aminogrupp och bildar U. U parar inte med G.

Enzymer avlägsnar U och dess sektion av dna-strängen.

Den korrekta basen har satts in och strängen förslutits.

År 2017 utökade en grupp forskare från Kalifornien omfattningen av dna-alfabetet. 2014 hade de lyckats få kolibakterier att stoppa in olika kemiska baser i dna. De nya bokstäverna var dock tysta – de stannade i den genetiska koden, men de stavade inte fram något användbart. Nu har de uppgraderat cellerna så att de kan använda koden för att göra ”designproteiner”. I naturligt tillstånd arbetar cellerna med en verktygslåda om 20 aminosyror, men fler existerar artificiellt. Extra bokstäver öppnar upp möjligheten att skriva nya genetiska ord som kodar för aminosyrorna. I den senaste studien stoppar bakterier in onaturliga baser i sitt dna. Forskarna använder sedan den nya koden för att addera ovanliga aminosyror till proteinet.

C G

G C

FÖRE

”Nucleotide excision repair” Miljöfaktorer som UV-strålning kan göra att baserna klibbar ihop och skapar bulor. Sancar upptäckte ”nucleotide excision repair”, som känner igen och reparerar dessa fel.

Dna

RNA

Proteiner

4 nukleotider, 2 baspar

4 nukleotider

Går att bygga med

20 AMINOSYROR

RÄTT

FEL

UV-strålning kan få två T att klistra ihop sig.

En enzym klipper in en 12-nukleotidsträng och tar bort en skada.

Mellanrummet som uppstår i dna, fylls och försluts.

Utvidgat dna

Utvidgat RNA

Proteiner

6 nukleotider, 3 baspar

6 nukleotider

Går att bygga med

Mismatch-reparationer

Celler gör misstag när de kopierar sin genetiska kod. Modrich upptäckte systemet som korrigerar felen, klipper ut dem och byter dem mot korrekta baser.

A T

G C

A T

RÄTT

FEL

Ibland matchar inte nukleotiderna i kopierat dna.

Enzymer tar bort en sektion med felaktiga nukleotider.

Mellanrummet som uppstår i dna, fylls och försluts.

EFTER

A C Y U X

172 AMINOSYROR

Forskare försöker göra designerproteiner genom att använda nya genetiska baser och syntetiska aminosyror.

138

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 138

17.09.2019 08:48

DEN GENETISK A REVOLUTIONEN

ÄR DET RÄTT ATT LEKA MED VÅRA GENER?

Genteknik är fantastiskt, men många oroar sig för konsekvenserna. Just nu utförs de flesta genförändringar i forskningslabb, men i framtiden kan man kunna hitta alltfler användningsområden i verkliga livet. Ett mål är att använda tekniker som CRISPR för att reparera felaktiga gener i cellerna hos sjuka barn och vuxna. Det skulle lindra deras sjukdom, och inte överföras till avkomman. Ett annat alternativ är att förändra sperma och äggceller. De genetiska reparationerna överförs då till nästa generation och alla generationer därefter. Men att göra permanenta modifieringar i människans genpool är riskfyllt. En del oroar sig för att vi ännu inte förstår den mänskliga arvsmassan eller verktygen tillräckligt bra för att göra riskfria modi fieringar. Andra oroar sig för att det är början till att designa spädbarn. I dag bannlyser många länder den här typen av genredigering.

Maskinen är prototyp till en av de första dna-kopierande PCR-maskinerna på 1980-talet.

Dna-saxarna kan användas för att korta av basernas sekvenser, men de är inte alltid exakta. De har så kallade ”off target effects”, som gör att saxarna ofta tar sig fram till fler än en dnasektion av misstag. Nästa steg var ”transcription activator-like effector nucleases” eller TALEN. De innehåller TAL-effektorer, proteiner gjorda av bakterier som känner igen dna. Upprepningarna känner igen en bas åt gången och gör dem mer exakta än zinkfingrar. Den senaste och mest spännande programmerbara nukleasen är CRISPR, som utlovar en oöverträffad precision. Med dessa verktyg till vårt förfogande hör genteknik numera till vardagen inom biomedicinsk forskning. Forskare använder den för att slå på och av gener och studera effekterna. De ändrar i arvsmassan på celler och djur, och

manipulerar genetisk information för att hitta förändringar som kan skapa sjukdomar. De stoppar mänskliga gener i djur för att se vad som händer, kidnappar bakterier för att skapa stora mängder protein och flyttar gener från ett djur till ett annat. Gener från en fluorescerande manets proteiner används till exempel för att göra andra djur självlysande. Genteknik håller också på att leta sig in i vår vardag. Den gav oss insulin för att behandla diabetes, sojabönor som är resistenta mot ogräsmedel och det A-vitaminberikade gyllene riset. Nu börjar tekniken även att användas i läkemedel. Under tidigt 2000-tal genomgick tretton barn genterapi för att reparera en felande gen som hindrade deras immunförsvar från att fungera. Tekniken botade nio av barnen, men den var inte perfekt. Två utvecklade leukemi. Den reparerade genen hade gått in i fel del av genomet och stört en gen som arbetade med att förhindra cancer. För att genteknik ska bli ett kraftfullt kliniskt verktyg behöver vi mer kontroll. CRISPR ger större precision, men forskningen fortsätter. Kunde vi läsa genomet skulle vi kunna rikta in oss på felen som gör människor sjuka. Redigering av arvsmassa skulle kunna ge botemedel. I framtiden kan genteknik ge nya bränslen, kemikalier och mediciner. Den kan hjälpa oss att göra större växter och djur och stärka motståndskraft mot sjukdomar. Den kan hjälpa utrotningshotade arter att klara miljö förändringar eller återuppliva utdöda djur. Den kan ändra på vad vi menar är att vara människa

”Genteknik är nu ett vanligt inslag inom biomedicinsk forskning”

Ska vi använda genmodifierande teknik för att göra permanenta ändringar i mänskligt dna?

forskarna sätta samman olika dna, vilket öppnar dörren för genteknik. Genom att använda PCR kan forskarna kopiera en gen som de är intresserade av. De klipper upp ett ringformat bakterie-dna, en så kallad plasmid, sätter genen på plats och återför plasmiden i bakterien så att mikroberna kan läsa koden. Bakterien använder genen som om den vore sin egen, avkodar de tre bokstäverna och fäster aminosyrorna ände mot ände i syfte att tillverka protein. Läkemedelsindustrin använder tekniken för att tillverka mänskligt insulin för behandling av diabetes, och det används ofta i laboratorier för att tillverka protein i forskningssyfte. Men bakterier är inte de enda organismer som accepterar främmande dna. Biologer kan sätta in gener i djur eller människoceller i en process som kallas transformation. Människoceller använder inte plasmider på samma sätt som bakterier, men det finns en liten chans att genetisk kod som förs in i cellen blandar sig med arvsmassan. I genteknikens begynnelse förstärkte forskarna chanserna genom att bryta in i den genetiska koden. När cellen reparerade en sträng blev detta dna en mall. Det fungerade, men det var svårt att rikta de genetiska förändringarna mot rätt ställe. På 1990-talet upptäcktes ”programmerbara nukleaser”. Molekylerna består av två delar, den ena håller fast vid specifika dna-sekvenser och den andra klyver igenom strängarna. Forskarna kan designa fragment av dna att matcha specifika delar av arvsmassan och därmed rikta dna-saxarna till rätt delar av en gen. De första programmerbara nukleaserna var ”zinkfingernukleaser”. Zinkfingrar är protein bindningar som känner igen tre baspar av dna.

139

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 139

17.09.2019 08:48

SÅ KLONAS DJUR NÄR DET KLONADE FÅRET DOLLY FÖDDES INLEDDES EN NY ERA INOM BIOLOGISK FORSKNING

140

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 140

17.09.2019 08:48

SÅ KLONAS DJUR

on kom till världen som alla andra lamm – litet, fluffigt och bräkande. Men Dolly var inte som något annat lamm. Eller snarare, det unika med Dolly var att hon var precis som ett annat lamm. Hon var faktiskt identisk med ett annat får. Dolly var en klon. Kloner är organismer eller celler som är genetiskt identiska med sina föräldrar och de har funnits i naturen i miljontals år. Encelliga organismer och växter kan producera genetiskt identisk avkomma och naturliga kloner, enäggst villingar förekommer exempelvis bland både människor och andra däggdjur. De här naturliga klonerna har nästan identiskt dna. Djurkloning däremot är något man har experimenterat med i över 100 år. Det började med enkla djur som salamandrar och fortsatte med mer komplexa däggdjur som får och kor.

Två klonade beaglar, Magic och Stem, föddes i januari 2009 på National Seoul University i Seoul, Sydkorea.

DUBBELTRUBBEL: KLONINGSMETODER Det finns framförallt två kloningsmetoder: somatisk cellkärnöverföring och embryo klyvning. För att skapa Dolly användes somatisk cellkärnöverföring. Båda metoderna bygger på ”reproduktiv kloning”, ett slags artificiell kloning som även inbegriper genkloning och terapeutisk kloning.

REPRODUKTIV KLONING Somatisk cellkärnöverföring börjar med att en lämplig givarcell väljs ut. Den kan tas direkt från djuret eller så kan de odlas fram i laboratorium. Vanligtvis använder man hudceller som har relativt lång livslängd samt tål nedfrysning. Den andra cellen som behövs till kloningsprocessen är en äggcell. Äggcellen utsätts för enukleation, en process som innebär att kärnan sugs ut med en tunn nål. Då avlägsnas även all dna, men cellen är fortfarande fylld av cytoplasma. Givarcellen töms på samma vis, men denna gång kasseras inte den isolerade

”Det har experimenterats med djurkloning i mer än 100 år, från början med enklare djur som salamandrar” kärnan, utan injiceras i stället i äggcellen. Därefter ges den en elstöt som får den att börja dela sig. Om allt går som det ska placeras sedan embryot i surrogathonan. Celldelningen fortsätter helt normalt och några månader senare föds en frisk klon. Det finns ännu inga tecken på att processen skulle vara skadlig för klonen. Dolly kunde fortplanta

sig och fick helt friska ungar. Det tyder på att hennes fertilitet inte påverkades av hur hon själv blev till.

TERAPEUTISK KLONING Terapeutisk kloning går till på samma sätt, ända fram till elstöten, men nu kommer givarcellen

HISTORISKA MILSTOLPAR INOM KLONING

1938 Hans Spemann föreslår ett ”fantasiexperiment” där man flyttar en cells kärna till ett ägg utan cellkärna, den grundläggande metod som senare skulle användas inom kloningen.

1952 Robert Briggs och Thomas King lyckas flytta en cellkärna från ett grodyngel embryo till ett grodägg som tömts på sin kärna.

1984

1996

2001

2003

2013

Steen Willadsen klonar ett får från en embryocell med en teknik som kallas kärnöverföring.

Fåret Dolly – det första däggdjuret som klonats från en vuxen kroppscell – föds.

Två djur – ett mufflonfår och en gaur (indisk bison) – klonas som ett led i att försöka rädda de här arterna.

Forskare lyckas för första gången klona ett utdött djur, den iberiska stenbocken, men klonen dog några minuter efter födseln.

Mänskliga embryon klonas för att producera embryonala stamceller i hopp om att kunna behandla sjukdomar.

VETENSKAPSHISTORISKA GENOMBROTT SOM HAR FÖRT KLONINGEN FRAMÅT

141

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 141

17.09.2019 08:48

från en patient i behov av stamceller. När de sammanslagna cellerna har delat sig ett flertal gånger blir de till en boll, ett embryoförstadium som kallas blastocyst. En blastocyst har ett yttre och ett inre lager, och inne i det inre lagret finns de eftertraktade stamcellerna. Medan de flesta celler har en enda specifik uppgift (exempelvis nervceller och muskelceller) har stamceller potential att utvecklas till vilken celltyp som helst. De skördade stamcellerna förs in i en patient och, under gynnsamma förhållanden, börjar de fungera där de behövs.

EMBRYOKLYVNING Det här är den enklaste formen av kloning och den börjar med att en zygot bildas. Zygoten delar sig tills embryocellerna kan separeras. De separerade cellerna fortsätter att växa och kan planteras in i en surrogathona. De inplanterade cellerna är identiska eftersom de bildades i samma embryo. Processen liknar den när identiska tvillingar utvecklas, men den har begränsad potential.

FÅRET DOLLYS LIV Dolly föddes 5 juli 1996 vid The Roslin Institute i Skottland. Hennes födelse var resultatet av ett experiment för att utveckla genetiskt modifierad boskap. Hon hade tre mammor. Dna kom från ett finskt Dorsetfår, ägget från ett Scottish Blackface-får och embryot inplanterades i ett tredje får av samma art. 148 dagar senare födde surrogattackan Dolly. Av 277 kloningsförsök var hon den enda som överlevde till vuxen ålder. Dolly födde sex friska lamm som alla blev till på naturlig väg. Vid sex års ålder dog hon av sjukdom utan koppling till att hon var en klon, men hennes liv upp muntrade forskare till att fortsätta experimenten på andra djur. Sedan dess har grisar, katter, kor, hästar och till och med kameler klonats med framgång.

KAN VI KLONA MÄNNISKOR? Kloning är onekligen ett kraftfullt biologiskt vapen. Forskare har kunnat använda tekniken för att avla utrotningshotade arter och återuppliva utdöda djur. Det har till och med pratats om att återuppväcka den ull-

håriga mammuten sedan man upptäckt rester av mjukvävnad från dessa urtidsjättar. Men även om laboratorier forskar på och utvecklar terapeutisk kloning av mänsklig vävnad har man hittills inte skapat några mänskliga kloner. Det beror delvis på den etiska problematiken kring att ge liv åt klonade individer utan att veta om metoden är säker eller hur det kan påverka den klonade människans liv. Andra farhågor är att reproduktiv kloning kan missbrukas, till exempel för att klona människor för att skörda deras organ och vävnader.

VAD ÄR POÄNGEN? Kloning är dyrt, tidskrävande och har låg framgångsgrad. Utvecklingen av de här metoderna har dock fått avgörande betydelse för vår förståelse av mänsklig utvecklingsbiologi och har lett till nya medicinska behandlingsmetoder. En förhoppning är att patienter med organsjukdomar eller organsvikt inom kort ska slippa risken att deras kroppar stöter bort transplanterade organ. I stället ska det sjuka organet kunna ersättas med ett identiskt organ i nyskick. Inom en snar framtid kommer vi att se forskare odla nya levrar åt patienter med leversjukdomar, nya hjärtan till transplantationer och till och med nya hjärnceller till personer med hjärnskador – samtliga genetiskt identiska med patienten.

Seoul National University och RNL Bio Company erbjuder sina kunder att klona sina döda husdjur.

142

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 142

17.09.2019 08:48

SÅ KLONAS DJUR

HUR GÅR KLONING TILL?

GIVARMJÖLKCELLER

VUXNA GIVARCELLER Den utplockade cellkärnan injiceras i ett ägg utan cellkärna från en annan givare.

DEN OTROLIGA PROCESSEN BAKOM SKAPANDET AV GENETISKT IDENTISKA ORGANISMER

En givarcell töms på sin cellkärna. Resten av cellen kasseras.

ELSTÖT Cellerna slås samman och stimuleras därefter till att dela sig med en elstöt. Stamcellskolonier kan differentiera sig till alla nervsystemets celltyper.

”Det kommer inte att dröja länga innan vi får se forskare odla nya levrar till patienter med leversjukdomar”

Cellen delar sig, växer och blir till ett embryo. Embryot bär på samma genetiska information som den vuxna mjölkkörtelcellen.

En forskare vid laboratoriet där dr Ian Wilmut upptäckte hur man klonar får.

KLONEN FÖDS Embryot utvecklats normalt och föds.

143 43

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 143

17.09.2019 08:48

Hur kan vi

BOTA CANCER? 144

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 144

DET BLIR LÄTTARE ATT HITTA ETT BOTEMEDEL NÄR VI VET MER OM MÄNSKLIGHETENS ÄLDSTA FIENDE. 17.09.2019 08:49

HUR K AN VI BOTA CANCER?

ancer har funnits längre än människan. Arkeologer har hittat spår av cancer i 70 miljoner år gamla dinosauriefossil, i revben från en 120 000 år gammal neandertalare och i ett människoskelett från 1 200 f.Kr. Nästan alla djur kan få sjukdomen, även hajar och nakenråttor. En gång i tiden var cancer obotligt. Den romerska läkaren Kelsos skrev: ”Efter excision (bortskärning), till och med efter att ett ärr har bildats, kommer sjukdomen ändå tillbaka.” Trots att tumörerna avlägsnades kom de

tillbaka, men förr i tiden visste vi inte vad vi kämpade mot. På 1700-talet trodde läkare att cancer orsakades av lymfvätska som finns i ådror bredvid blodkärlen. I mitten på 1800-talet fastslog man att cancer faktiskt bildades av celler. Man insåg att cancer sprids från den ursprungliga tumören och på 1800-talet började kirurger avlägsna mer vävnad och närliggande lymfkörtlar med hjälp av nya bedövningsmetoder. Under tidigt 1900-tal blev strålbehandling ett alternativ mot cancer som inte kunde opereras. Efter andra världskriget kom det

”Watson och Crick upptäckte dnamolekylen.”

första cellgiftet: kvävesenapsgas. Ett stort genombrott kom 1953 när James Watson och Francis Crick upptäckte dnamolekylens struktur och öppnade dörrarna till en ny era av genforskning. Nu vet vi att tumörer bildas av våra celler. Cancercellerna förändras hela tiden för att klara sig undan behandlingar, de gömmer sig och sprids i det tysta. Ju mer vi lär oss om dem desto bättre kan vi rikta in oss på deras svagheter. För hundra år sedan var ett botemedel mot cancer otänkbart. Idag går forskningen framåt, fler överlever cancer och många fler upptäckter väntar.

Cancerstatistik

65 000

svenskar insjuknade i cancer under 2015.

av fallen var prostatacancer.

478 000

Cancerceller kan bildas och skada dna under en längre tid. Därför är cancer vanligre hos äldre.

svenskar lever med erfarenheten av att ha eller ha haft cancer (2015).

Lungcancer är världens vanligaste cancerform.

% 75

var över 60 år.

Cancer är den näst vanligaste dödsorsaken i världen. Nästan hälften av fallen kan undvikas genom en förändrad livsstil.

Källa: Cancerfonden

Lungcancer är vanligast i världen, följt av bröstcancer och tjocktarmscancer.

145

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 145

17.09.2019 08:50

Vad är cancer? Människokroppen består av cirka 37,2 biljoner celler och varje cell innehåller en komplett kopia av ditt dna. Människans dna består av 23 par kromosomer och 21 000 gener, gener som består av kombinationer av fyra kemiska bokstäver: A, C, G och T. En komplett dna-sekvens innehåller cirka tre miljarder bokstäver och generna är indelade i ”ord” på tre bokstäver som kallas kodoner. Varje ord översätts till ett molekylärt block som kallas aminosyra. När generna läses i turordning visar orden i genen hur ett protein ska byggas. Proteiner är livsnödvändiga för cellens funktioner – de behövs exempelvis för att producera energi, bestämma när cellen ska dela sig och att kommunicera med andra celler. I en cancercell skadas viktiga gener, vilket medför att proteiner och dess funktioner förändras. Det krävs många genetiska avvikelser för att en frisk cell ska bli en cancercell. Dessa abnormiteter brukar byggas upp med tiden. Vissa människor ärver genetiska avvikelser från sina föräldrar, men oftast uppstår de av att vi blir äldre. Solning, alkohol, strålning och rökning kan till exempel skada vår genetiska kod, men en hälsosam livsstil är ingen garanti mot genetiska avvikelser. Cellerna delar sig för att kunna växa och

repareras, de kopierar sig själva för att ersätta gamla celler eller för att läka sår och skador. För att göra detta måste en cell först kopiera alla tre miljarder bokstäver i dna:t, och att göra det utan ett enda misstag är nästintill omöjligt. Den kopierade koden kontrolleras och avvikelser korrigeras vanligtvis innan cellen delar sig. Ibland slinker celler med avvikelser igenom och de börjar växa över tid. Precis som felskrivningar i en bok gör orden oläsliga, gör en förändring i den genetiska kodens bokstavskombination det svårt för cellen att förstå sina gener. Om bokstäver ändras, raderas, läggs till eller flyttas kan det leda till att de genetiska ordens betydelse ändras helt. Det kommer i sin tur att ändra proteinerna som tillverkas i cellen. Inbyggda säkerhetsmekanismer brukar se till att en cell förstör sig själv om den har för många genetiska defekter. Då kan en ny och frisk cell ta över. Ibland slinker skadade celler igenom säkerhetsnätet, de reparerar inte sig själva och ignorerar signalen om att dö. Cancerceller har ofta fel i de två gener som kallas onkogener och tumörsuppressorgener. Onkogener har i uppgift att signalera till friska celler att dela sig, att hjälpa dem att växa och att reparera skador och sår, men

mutationer orsakade av cancer kan göra att de är aktiva konstant. Tumörsuppressorgener signalerar åt cellerna att sluta dela sig när tillväxten eller reparationen är färdig. Fel i dessa gener kan göra att signalerna stängs av och leder till att de skadade cellerna fortsätter att dela sig och till slut blir till en tumör. När säkerhetssystemet är avstängt och cellerna inte får någon signal om att sluta dela sig fortsätter cancercellerna att göra kopior av sig själva med fel i den genetiska koden. Det leder till en snabb darwinistisk utveckling. Precis som vilda djur har genetiska egenskaper som gör att de vill reproducera, har cancercellen en liknande egenskap som gör att de har större chans att överleva. Cancercellerna glömmer sin egentliga uppgift och utvecklar nya färdigheter. De utvecklar egenskaper som gör att de kan gömma sig från immunsystemet, överleva på mindre syre och till och med undvika cellgiftsbehandlingar. Det farligaste är om de lyckas förflytta sig i kroppen och sprida sig till andra ställen. De kan utveckla nya tumörer på andra ställen i kroppen via blodomloppet och lymfsystemet. Men ju mer vi lär oss om hur cancer fungerar, desto bättre blir vi på att behandla sjukdomen.

Det första steget till ett botemedel är att förstå exakt vad det är vi kämpar mot.

146

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 146

17.09.2019 08:50

HUR K AN VI BOTA CANCER?

”Cancerceller gör muterade kopior av sig själva.”

Cancerceller är odödliga. Celler har kontinuerligt vuxit i laboratorier sedan 1950-talet.

De fortsätter att växa Cellerna väntar vanligtvis på en signal om att dela sig. Cancerceller ger ifrån sig egna signaler om att växa.

De slutar inte när de får signaler Cancerceller ignorerar signaler som ber dem att sluta dela sig.

De undviker vita blodkroppar

De ändrar ämnes omsättningen Cancerceller omprogrammerar sin ämnesomsättning så att de ska kunna fortsätta dela sig under förhållanden som normalt skulle döda andra celler.

De lurar döden Friska celler självdör när de skadas, men cancerceller avaktiverar denna säkerhets funktion.

Cancerceller kan gömma sig från immunförsvaret, vilket hindrar kroppens naturliga försvar från att döda dem.

Cancerns känne tecken

De är odödliga Normala celler slutar dela sig när de blir gamla. Cancerceller kopierar sig själva i oändlighet.

Forskarna Douglas Hanahan och Robert Weinberg har definierat tio karakteristiska egenskaper hos cancerceller.

De leder till inflammation

De muterar Cancerceller samlar på sig fler och fler mutationer allt eftersom de delar sig.

Cancerceller kapar immunceller och utnyttjar inflammationer som normalt skulle bekämpa en infektion till sin egen fördel.

De bygger försörjningslinjer Tumören behöver mer syre och näring när den växer och uppmuntrar till bildandet av nya blodkärl.

De sprider sig Cancerceller kan sprida sig i hela kroppen och utveckla flera tumörer på andra ställen.

147

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 147

17.09.2019 08:50

MEDICIN

Hur kan vi bota cancer?

Så börjar cancer

Cancer börjar med en enda muterad cell som delar och sprider sig.

Cancercell

En cancercell kan lösgöra sig och följa med blodet och lymfsystemet till andra delar av kroppen. Cancerceller kan sedan tränga in i andra organ där de kan bilda nya tumörer. Bröstcancer kan till exempel sprida sig till lungorna, och då bildas den nya tumören i lungan av bröstcancerceller (inte lungcancerceller). När detta sker kallas sjukdomen i lungorna inte för lungcancer, utan det är bröstcancer som spridit sig till lungorna. Cancerceller kan sprida sig till de flesta organen i kroppen. De sprider sig ofta först till lymfkörtlar nära huvudtumören, men skelett, lever, lungor och hjärna är också vanliga mål. Särskilda typer av cancer tenderar att sprida sig till särskilda organ.

Tumör

Genetiska avvikelser i cellen signalerar att den ska kopiera sig själv.

Den avvikande cellen fortsätter att dela sig och bildar en tumör i vävnaden. Detta kallas ”carcinoma in situ” och är ett förstadium till cancer.

Normal cell

Ofta börjar cancer med att det sker en avvikelse i en normal cell i ett av kroppens organ.

Blodkärl

Tumören behöver blodtillförsel för att växa och ser därför till att nya blodkärl bildas.

Spridning

Cellerna börjar frigöra sig från den ursprungliga tumören. De tar sig in i lymfsystemet och blodkärlen, och sprider sig i kroppen.

Lokal spridning

Allt eftersom börjar tumören tränga in i lokala vävnader och växer in i bindväven under.

Sekundär tumör

Cancercellerna fäster sig i olika vävnader och fortsätter växa. De bildar flera tumörer som kallas dottertumörer eller metastaser.

148

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 148

17.09.2019 08:50

Visste du att?

Cancer smittar inte, men vissa virus som hepatit B, hiv och HPV kan leda till cancer eftersom de skadar kroppens dna.

HUR K AN VI BOTA CANCER?

”En cancercell kan lösgöra sig och följa med blodet och lymfsystemet till andra delar av kroppen.”

149

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 149

17.09.2019 08:50

MEDICIN

Hur kan vi bota cancer?

Cancerbehandlingar Operation, strålbehandling och cellgifter är de viktigaste cancerbehandlingarna.

Cellgifter Den första cellförgiften utvecklades från kväve senapsgas, ett kemiskt vapen som användes under andra världskriget. Forskare märkte att giftet dödade celler som delade sig snabbt. De ändrade sammansättningen och fick en behandling som kunde döda cancerceller som reproducerade snabbt. Kvävesenapsgas tillhör en grupp läkemedel som kallas alkylerande medel. De verkar genom att man tillsätter kemiska enheter som kallas alkylgrupper i människans dna. Dessa stör dubbelspiralstrukturen och gör att den genetiska koden lösgör sig. Andra cellgifter fungerar på liknande sätt. Tungmetaller korslänkar dna och hindrar det från att avläsas. Topoisomeras-hämmare hindrar dna-spiralen från att rätas ut och antimetaboliter efterliknar molekyler som behövs för att dna ska kopieras och hindrar därmed att en ny sekvens skapas. Mikrotubuli hämmare, eller spindelgifter, hindrar celldelningen. Antibiotikan i cellgiften fastnar på dna-spiralen och hindrar den från att räta ut sig. Den förbinder också olika dna-strängar eller bryter upp dna i flera delar. Dessa behandlingar är särskilt skadliga för celler som försöker kopiera sig själva, eftersom de riktar in sig på kopiering av dna och celldelning. Det är en bra metod när man vill bekämpa cancerceller som delar snabbt, men det är inte perfekt. Cancercellerna delas inte alltid, och några celler kommer därför undan behandlingen. Dessutom har vi många friska celler som också delar sig snabbt. Hår, hud och benmärg (som producerar blodkroppar) kan också skadas av cellgifter. Det orsakar biverkningar som håravfall, illamående och försvagat immunförsvar.

Tumour Cellgift skadar celler som försöker dela sig.

Tumour

Patologene undersöker bilder som disse for å diagnostisere kreft. Dette lungevevet skulle vært fullt av hull.

150

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 150

17.09.2019 08:50

Visste du att?

Cancer smittar inte, men vissa virus som hepatit B, hiv och HPV kan leda till cancer eftersom de skadar kroppens dna.

HUR K AN VI BOTA CANCER?

”Hår, hud och benmärg (som producerar blodkroppar) kan skadas av cellgifter. Det orsakar biverkningar som håravfall, illamående och försvagat immunförsvar”

151

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 151

17.09.2019 08:50

MEDICIN

Hur kan vi bota cancer?

Tumour

Strålbehandling Strålbehandling utvecklades i början av 1900-talet. Det går ut på att man angriper cancerceller med strålning. När strålningen når vattenmolekylerna i cellerna löses de upp i en process som kallas radiolys. Detta skapar mycket reaktiva fria radikaler, som har en oparad elektron som attackerar föreningar som tillhör andra molekyler. Det initierar en kedjereaktion som skadar dna:t. Strålbehandlingen gör att båda strängarna i dna:t spricker nära varandra, en skada som kallas dubbelsträngsbrott. Detta gör dnaspiralen instabil och den börjar räta ut sig. Cellerna kan reparera en del av skadan, men ju mer strålning cellerna får desto mer sannolikt är det att de dör.

Den vanligaste metoden för strålbehandling är med en linjäraccelerator (LINAC). Med hjälp av mikrovågor skapar maskinen elektroner, som träffar en tungmetall och bildar röntgen strålar. CT- eller MR-undersökningar visar exakt var i kroppen tumören sitter och röntgenstrålarna anpassas till tumörens form. Detta görs genom att delar av strålningen blockeras med metallplåtar som kallas flerbladskollimator. Strålarna går rakt genom kroppen och maskinen roterar för att skicka strålar från alla vinklar. På så sätt kan man ge maximal dos där strålarna passerar genom tumören och minimera strålningen på frisk vävnad.

”CT- eller MR-undersökningar visar exakt var i kroppen tumören sitter och röntgenstrålarna anpassas till tumörens form.”

Linjäracceleratorn roterar och skickar kraftig strålning mot tumören från alla håll.

152

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 152

17.09.2019 08:51

Visste du att?

Cancer smittaravinte, vissa virus som B, hiv och Cirka hälften allamen cancerpatienter fårhepatit strålbehandling. HPV leda tillär cancer eftersom de skadar kroppens dna. Efterkan operation det den mest effektiva cancerbehandlingen.

HUR K AN VI BOTA CANCER?

Tumour

Operation Operation är en av de äldsta och mest effektiva cancerbehandlingarna som finns. Om cancern inte har spridits tar kirurgerna ut hela tumören. De tar också bort lite av vävnaden runt tumören för säkerhets skull, om det skulle finnas cancerceller som inte syns. De kan också avlägsna närliggande lymfkörtlar eftersom det ofta är dit cancercellerna sprider sig först. Om man inte kan ta bort hela tumören kan man operera för att minska storleken så att resten av tumören kan behandlas med cellgifter eller strålbehandling. En operation kan också vara palliativ, det vill säga att den lindrar cancern utan att kunna bota den. Alla knölar är inte tumörer och alla tumörer är inte cancer. Kirurgi används ofta för att ställa cancerdiagnoser genom ett litet vävnadstest som kallas biopsi. Vävnaden fryses ner eller stöps i vax för att sedan skäras i tunna skivor och färgas. De undersöks sedan av en en patolog som tittar på strukturen hos cellerna och vävnaden. Under ett mikroskop ser cancerceller annorlunda ut än friska celler. De bildar krokiga strukturer i vävnad som vanligtvis är slät. De har också specifika molekylära eller genetiska egenskaper som gör att de skiljer sig från resten. Dessa används inte bara för att ställa en cancerdiagnos, de kan också användas för att se vilken typ av cancer det gäller, hur långt gången den är och vilken behandlingstyp som passar bäst.

”Alla knölar är inte tumörer och alla tumörer är inte cancer.”

Tumour

Med hjälp av datortomograi och magnetkamera undersökning tar man reda på exakt var tumören sitter för att kunna förbereda operation eller strålning.

Tumour

Robotar kan utföra precisa operationer.

153

Tumour

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 153

17.09.2019 08:51

Tumour

MEDICIN

Hur kan vi bota cancer? Tumour

Tumour

Framtidens cancerbehandling Tumour

Tumour

Ju mer vi lär oss om cancer, desto bättre kan vi angripa sjukdomens svagheter.

Den totala överlevnadsgraden för cancer, inräknat alla cancertyper, ligger på cirka 50 procent, och den relativa tioårsöverlevnaden är omkring 70 procent – men för till exempel testikelcancer är det imponerande 98 procent. Det finns hundratals olika typer av cancer, och till och med patienter med samma cancertyp kan ha minimala skillnader i sina tumörer som gör att de reagerar olika på samma behandling. Cancern kan bli resistent mot cellgifter och strålbehandling. Många behandlingar kan skada friska celler samt orsaka biverkningar som begränsar effekten. Fram till nyligen fokuserade de flesta cancer behandlingar på en sak: celldelning. Både strålbehandling och cellgifter angriper celler som delar sig snabbt och behandlingarna skadar kroppens dna så att cellerna dör när de försöker Tumour kopiera sig. Men cancerceller har många andra svagheter och forskare angriper dem från alla håll med den senaste tekniken för att avslöja de genetiska och molekylära skillnaderna. En taktik är att kapa cancerns försörjnings Tumour linjer. Syrgasnivån sjunker när tumören växer och cellerna staplas ovanpå varandra. Då uppmuntrar cancercellerna nya blodkärl att bryta ner vävnader och flytta in. Om denna process kan stoppas kan också den växande tumören stoppas. En annan möjlighet är att använda immun försvaret för att hjälpa våra egna celler att upptäcka cancerceller och förstöra dem. Denna teknik testas just nu, bland annat genom molekyler som hindrar cancerceller och immun celler från att interagera med varandra. Detta hindrar tumören från att stänga av immun Tumour försvaret. Immuncellerna blir genetiskt konstruerade så att de kan hitta och förstöra cancerceller. Immunmolekyler som kallas antikroppar kan också göras till väldigt precisa cancerbehandlingar som inte skadar friska celler. De kan programmeras att fästa vid en viss molekyl, vilket blockerar kemiska signaler som tumörerna behöver för att överleva. De kan också fästa direkt på cancer cellerna. De kan även kopplas till cellgifter eller strålningsmolekyler, vilket fördubblar effekten av ett gift eller immunförsvaret. Forskare arbetar också med att genetiskt modifiera virus som ska kunna smitta och döda cancerceller. Medicinen skickas till cancercellerna med nanopartiklar och små specialiserade molekyler stör det viktiga molekylära maskineriet som cancercellerna behöver för att överleva. Ett enda botemedel mot cancer är osannolikt, men ju mer vi lär oss desto mer precisa kommer behandlingarna att bli.

154

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 154

Tumour

Cancerns svagheter angrips Tumour

Modern teknik riktar in sig på molekyler och genetik som gör cancercellerna sårbara.

Tillväxtsignaler

Molekylära markörer

Cancercellmolekyler ser olika ut. Om man känner till hur de ser ut kan man skicka in cellgift direkt i tumören.

Cancercellerna får signaler om att växa. Om man blockerar dessa kan tillväxten stoppas.

Blodtillförsel

Cancercellerna måste ha blod för att överleva. Om bildandet av nya blodkärl blockeras kapas blod tillförseln.

Cancerns genetik

Cancer har speciella avvikelser i den genetiska koden och de kan avslöja svagheter.

Tumour

Patologi

Cancerceller kan testas för att se om de har molekyler som särskiljer dem som defekta.

Tumour

Anpassad behandling

Individer kan få en anpassad behandling som sannolikt fungerar på deras unika tumörer. Tumour

Självförstörelse

Cancerceller dör inte ens om de har defekter. Specificerad behandling kan Tumour aktivera självförstörelse systemen.

Hormoner

Vissa cancerceller drivs av hormoner. Tillväxten kan begränsas om hormon produktionen stoppas.

Skräddarsydd cancerbehandling The Human Genome Project avslöjade människans genetiska kod år 2003. Det omfattande sekvenseringsprojektet fann varenda bokstav i vårt dna och visade för första gången hur receptet på människokroppen är skrivet. Cancerceller finns i samma receptbok som friska celler, men några ord är dolda, vissa sidor är hopklibbade och meningar är omkastade. Nu kan forskare bättre förstå hur receptet är skrivet och kan lättare ta reda på varför och hur cancerceller har missförstått det. Alla människor är olika och cancerceller börjar utvecklas på grund av felaktiga instruktioner. När sjukdomen fortskrider kommer olika tumörer att anpassa sig på olika sätt. Två kvinnor med bröstcancer kan ha samma typ av

sjukdom, men genetiken i cancercellerna skiljer sig. Därför svarar de olika på behandlingen. I framtiden ska man kunna testa patienterna så att de kan få en individanpassad behandling.

Olika cancertyper bär på olika avvikelser och svarar olika på behandling.

Tumour

17.09.2019 08:51

Visste du att?

Cancer smittar inte, men vissagenomgå virus somtre hepatit och Alla nya behandlingar måste faser B, avhiv kliniska HPV kan ledade tillkan cancer eftersom debehandlingsmetod. skadar kroppens dna. tester innan licenseras som

Tidig upptäckt

HUR K AN VI BOTA CANCER?

Ansiktsmask

Sensorer

Ju tidigare cancer upptäcks, desto lättare är den att behandla. I Sverige finns det screening program för att upptäcka bröstcancer och livmoderhalscancer. I framtiden kan screeningen bli mycket lättare. Forskning kring ”biomarkörer” söker efter signaler som kan avslöja cancer genom ett enda blod-, urin- eller andningsprov. Biomarkörer är molekylära signaturer som är unika för olika typer av celler. Cancerceller skiljer sig från normala celler och idag kan vi se detta i vävnadsprover från tumören. Forskarna hoppas att dessa skillnader också kan upptäckas i kroppsvätskor, så att de kan ses med hjälp av ett enda test. Biomarkörerna kanske kommer att kunna avslöja vilken behandling som är bäst, om tumören håller på att bli resistent mot aktuell behandling och om cancern har kommit tillbaka.

”I Sverige finns det screeningprogram för att upptäcka bröstcancer och livmoderhalscancer.”

En filterförsedd engångsmask används för att blåsa in luft i apparaten.

Sensorerna känner av koldioxid och tryck i andningen.

Sorbent-rör

Andningsprovet delas in i fragment och lagras i rör som kan analyseras i laboratoriet.

LuCID kliniskt test

Flyktiga organiska föreningar

Maskinen genomgår just nu kliniska tester för att avgöra om den effektivt kan ställa en lungcancerdiagnos.

Att stärka immunförsvaret Cancerceller

Man hoppas kunna förutspå lungcancer om man hittar spår av kemikalier som kallas aldehyder och ketoner.

Undviker upptäckt

Cancerceller utvecklar olika metoder för att undvika kroppens naturliga försvar. De gömmer sig bland annat bakom en molekyl som kallas PD-L1. T-cellerna motas bort när de möter denna molekyl.

T-lymfocyter PD-1 receptorer

Förebygger cancer

Vissa nya immunterapibehandlingar ska slå på immunförsvaret igen genom att blockera PD-L1-molekylerna på cancercellerna eller PD-1-molekylerna på T-cellerna.

PD-L1molekyler

Cancern dödas

Immunförsvaret kommer sedan att känna igen cancercellerna och skicka signaler om att de ska självförstöras på ett säkert sätt.

Kroppen är utrustad med en armé av T-celler, vita blodkroppar som patrullerar genom kroppen och letar efter fel. Om en cell börjar utveckla avvikelser dödar T-cellerna den. Immunterapihämmare Blockerar signaler

155

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 155

17.09.2019 08:51

MEDICIN

Hur kan vi bota cancer?

Experterna svarar Vi pratar med en immunolog och en forsknings sjuksköterska om framtidens cancerbehandling.

Från kronisk till tillfällig sjukdom Dr Edd James är förste amanuens i cancerimmunologi vid universitetet i Southampton, ett av Storbritanniens ledande center för immunterapiforskning.

Kan du berätta lite om din forskning? Vad försöker du lista ut? Immunförsvaret, särskilt ”soldaterna” som kallas T-celler, kan hitta cancerceller genom att undersöka små proteindelar. Dessa finns på stora proteinceller som kallas MHC och sitter på cellens yta. Nästan alla celler har dessa MHC-molekyler och de uppfattar vad som pågår i cellen. Trots dessa molekyler lyckas cancerceller ”gömma sig”

från T-cellerna. Vi undersöker hur de lyckas med det och hur vi kan återkalla denna process, eller omskola T-cellerna för att ”se” cancercellerna genom att ändra vad MHC-molekylerna visar dem. Varför kan inte immunsystemet bara döda cancercellerna på egen hand? I många fall dödar immunsystemet cancerceller i ett tidigt utvecklingsskede utan att vi vet om det. Cancerceller utvecklas dock på ett sätt som gör att de kan hindra immunförsvaret från att hitta och angripa dem. Dessutom kan cancerceller störa immunförsvaret och göra att det inte fungerar som det ska. Hur fungerar immunterapi? Immunterapi fungerar på flera sätt, men det finns två huvudmetoder. Den första är att angripa molekyler på cancercellernas yta med proteiner som kallas antikroppar. Antikroppar är till för specifika molekyler och när de fäst sig vid målet kommer molekylerna att avslöja cancercellerna för immunsystemet. Då kan cancercellerna identifieras, angripas och dödas. Den andra metoden är att attackera själva T-cellerna. Cancercellerna kan bromsa T-cellerna och hindra dem från att fungera korrekt. Det beror på att cancerceller avger en negativ, hämmande signal till T-cellerna. Dessa signaler produceras av flera olika molekyler, som kan blockeras med hjälp av antikroppar. Om vi kan hindra denna påverkan kan vi stoppa de negativa signalerna. Därefter kan T-cellerna fungera normalt och döda cancercellerna.

Edd försöker hjälpa T-cellerna att upptäcka cancerceller.

Vad behöver man göra för att immunterapi ska bli ännu bättre? Dagens behandlingar är relativt begränsade och de är inte effektiva för alla. Vi måste lära oss mer om varför cancern blockerar immunsystemet. Då kan vi bättre förstå processerna som gör att cancer cellerna kan undvika immunsystemet, och då kan vi också identifiera nya molekyler som kan angripas. Många forskare undersöker möjligheten att kombinera dagens immunterapimetoder för att göra dem mer effektiva. Enligt testerna fungerar det mycket bättre. Det finns emellertid en stor nackdel med många av dessa kombinations behandlingar: biverkningarna ökar, och det måste vi göra något åt. Tror du att vi kommer att kunna bota cancer? Det kommer sannolikt att finnas effektiva bote medel mot fler cancertyper i framtiden. Det faktum att vi förstår mer av cancerns molekylära egenskaper och att vi lär oss att underlätta för immunförsvaret att döda cancern ökar möjligheten för nya effektiva behandlingar. Vi kommer att få en mer personligt anpassad behandling baserat på cancerns molekylära egenskaper. Sådana framsteg innebär att många typer av cancer kan bli tillfälliga sjukdomar istället för kroniska. Patienten kan få behandling direkt. Det kommer att öka överlevnadschanserna och ge fler möjlighet att leva ett normalt liv.

”Många typer av cancer kan bli relativt kortvariga sjukdomar istället för kroniska.” Edd James

Cellerna visar immunförsvaret vad som pågår på insidan, med hjälp av MHC-molekyler.

156

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 156

17.09.2019 08:52

Visste du att?

Cancer smittar inte,nya men vissa virus somdagens hepatitför B,att hivse och Fas 3-tester jämför läkemedel med HPV kan till cancereller eftersom de skadar kroppens dna. om de är leda mer effektiva har färre biverkningar.

Fler överlever

Jac Samuel är forskningssjuksköterska. Hon leder en grupp forsknings sjuksköterskor som genomför kliniska tester av nya cancermediciner.

Kan du förklara vad en forsknings sjuksköterska gör? Det är en spännande karriär som de flesta sjuksköterskor inte ens tänker på när de är färdigutbildade. De flesta planerar att jobba på en sjukhusavdelning och de utbildar sig till sjuksköterska eftersom de vill ta hand om och hjälpa människor. Arbetet som forsknings sjuksköterska är spännande eftersom man arbetar med nya behandlingar som ännu inte är godkända. Jobbet går ut på att samla in data, som sedan analyseras för att se om den nya behandlingen är bättre än den vi redan har. Det kan vara att den fungerar bättre, sämre eller lika bra – men har färre biverkningar. Eller att man kan ge behandlingen i form av en tablett istället för via blodet. Som forskningssjuksköterska ger man dessa behandlingar till patienterna. Vi vet inte hur bra de fungerar, målet är att samla in kvalitetsdata som kan analyseras för att vi ska kunna visa hur bra något fungerar. Varför måste behandlingar genomgå tester? Vi kan inte bara leverera något från ett labora torium och inte veta hur det fungerar. Även om behandlingen har fungerat vid djurförsök vet vi inte hur den kommer att påverka en människa. Allt måste testas så att vi kan vara säkra på att metoden är säker. Utan tester skulle läkemedels företag säga ”Hej, vi tycker att detta botemedel verkligen fungerar och vill att du ska betala en halv miljon kronor för det, men vi har inga bevis för dess verkan”, och det skulle ju vara konstigt.

HUR K AN VI BOTA CANCER?

Hela poängen är att behandlingen är baserad på bevis. Laboratoriet utvecklar en behandling som de testar i en cellinje och på ett djur, men den kan fungera helt annorlunda på en människa. Vilka förändringar har du sett gällande cancerbehandling? Jag har varit sjuksköterska länge, men under de senaste fem åren har det skett stora förändringar. Forskarna förstår så mycket mer om hur komplicer ade cellerna är. Förr fanns det en samlingsbeteck ning för flera olika typer av cancer, nu är det mycket mer nyanserat. Jag tror att det bara är toppen av isberget. Det har också kommit nya läkemedel som verkligen har förändrat patienternas liv. För fem till tio år sedan visste man att prognosen för dem som fått en diagnos inte var bra, nu ser man patienter som klarar sig bra efter avslutad behandling. Tror du att vi kommer att kunna bota cancer? Vi kommer nog inte att hitta ett enda botemedel mot cancer. Cancer är ju ett paraplybegrepp. Det finns många typer av celler i kroppen och cancer kan påverka olika celler på olika sätt. Vi har sett stora förändringar i överlevnads graden under de senaste tio till femton åren, och vi förväntar oss stora genombrott kommande tio till femton år. Det kommer att leda till stora förändringar. Vi har fortfarande inget botemedel mot cancer, men fler överlever och deras livs kvalitet är högre tack vare bättre behandlingar. Det tror jag att vi kommer se mer av.

Information och stöd

Du hittar mer information om cancer och cancerbehandling på Cancerfondens hemsida www.cancerfonden.se Behöver du någon att prata med? Du kan kontakta Cancerfondens stödlinje på 020–59 59 59 (måndagar 09–16, tisdagar 10–16 och onsdagar–fredagar 09–16).

Jacs forskningssjuksköterskor administrerar experimentella mediciner i kliniska tester.

157

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 157

17.09.2019 08:52

MEDICINSKA VETENSKAPENS FRAMTID HUR SKA VI BESEGRA VÄRLDENS DÖDLIGASTE SJUKDOMAR?

en medicinska vetenskapen har hittat en hel del otroliga lösningar på utmanande problem, från antibiotika för bekämpning av bakterieinfektioner till avbildningstekniker som låter läkarna se in i patienterna utan kniv. Det är svårt att förutsäga vad som ska hända härnäst, men vetenskapen har öppnat nya dörrar till framtidens spännande medicinska behandlingar. Medicin handlar inte längre bara om biologi och läkemedel. Databehandling, ingenjörskonst och nanoteknik bland flera andra vetenskaps grenar ger nya lösningar på urgamla problem.

På framtidens sjukhus kan kirurger med hjälp av förstärkt verklighet se igenom sina patienter, och hos diabetiker kan man övervaka blodsockret med kontaktlinser. Kanske kan amputerade patienter med hjälp av proteser i direkt förbindelse med nervsystemet röra sig och känna bara genom att tänka, medan 3D-skrivare kan användas till att skräddarsy fullt fungerande organ på begäran. Vi är på god väg att förstå hur vi kan lära våra egna immunsystem att avvärja dödliga sjuk domar, och vi utvecklar teknik som kan ändra och finjustera vår egen genetik. Forskare har

idag tillgång till en gigantisk och snabbt växande datapool från patienter världen över, och i och med att vi gräver djupare i sjukdomarnas biokemi kommer vi med all sannolikhet att hitta nya sätt att mer exakt behandla sjukdomar. Vi kan kanske med testkit för hemmabruk och små apparater som vi bär på oss spåra de första tecknen på sjukdom, och med skräddarsydda behandlingar efter våra unika genetiska och biokemiska fingeravtryck minimera biverk ningar och maximera chansen att bli friska.

158

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 158

17.09.2019 08:52

DEN MEDICINSK A VETENSK APENS FRAMTID

SÅ SPRIDS BAKTERIER

SÅ FÖRHINDRAS HISTORIENS VÄRSTA MÖRDARE VACCINATIONER LÄR IMMUNSYSTEMET ATT BEKÄMPA SJUKDOMEN INNAN DEN KOMMER PÅ RIKTIGT

KROPPSVÄTSKOR

HUD MOT HUD-KONTAKT

Blod, saliv, sperma och bröstmjölk kan överföra sjukdomar.

Infektioner kan spridas via kontakt.

Vätskor är ett utmärkt sätt för patogener att ta sig fram. På sjukhus och labb vidtas alltid försiktighetsåtgärder vid hantering av kropps vätskor, eftersom kontaminerad vätska kan överföra sjukdomar som påssjuka och hiv.

Vattkoppor, munsår, huvudlöss och vårtor kan överföras genom att man rör vid någon som har infektionen. Virusen, bakterierna eller parasiterna flyttar helt enkelt över från person till person. Några av dem kan också överleva på ej levande ytor en kort tid.

MAT OCH DRYCK

SMÅ DROPPAR

Kontaminerad mat och dryck för med patogener till tarmarna.

Patogener kan spridas korta avstånd med vätskedroppar i luften.

Magsyran ger visst skydd, men kan inte stoppa allt. Patogenerna tar sig in via munnen och slår sig antingen ned i mag-tarmsystemet eller tar sig vidare genom mag-tarmsystemets väggar.

Små droppar som frisätts vid hostning eller nysning når ungefär en meter innan de hamnar på dörrhandtag, ytor och hud. På så sätt sprids luftvägsinfektioner lätt.

Immunsystemet är vårt naturliga försvar mot sjukdomar. Armén av celler patrullerar i kroppen och förstöra allt som inte borde vara där. Det består av två delar: ett snabb reagerande ”medfött” system som anfaller vid första tecknet på problem, och ett långsamt, specialiserat ”anpassningsbart” system som anfaller med större kraft och fokus. Första gången immunsystemet stöter på en ny infektion tar det upp till en vecka för de specialiserade immuncellerna att bildas. Patogenen har då gott om tid att föröka sig och man kan bli väldigt sjuk. Vaccinationerna undgår detta steg genom att ge immun systemet möjlighet att träna på förhand. Det första vaccinet utvecklades 1796 av Edward Jenner. Han lade märke till att mjölkpigor inte fick smittkoppor. Deras immunsystem tränades upp när de utsattes för en liknande sjukdom, kokoppor. Jenner testade att infektera barn med kokoppor och fann att även de byggde upp ett skydd mot smittkoppor. Sedan dess har man utvecklat vaccinationer mot dussintals infektioner, och de används nu för att lära immunsystemet att bekämpa andra sjukdomar med.

Vaccinationer är ett träningsprogram för immunsystemet. De ger immunsystemet en försmak av fiender som kan dyka upp i framtiden så att det kan förbereda sig. Vaccina tioner kan tillverkas på olika sätt men inne håller vanligtvis inaktiva bakterier eller virus, eller molekyler som patogener producerar.

När vaccinet har injicerats tar immuns ystemet sig en titt. Det undersöker patogenens olika delar och söker det bästa sättet att anfalla, som om det bekämpade något på riktigt. Efter att vaccinet har rensats ut ur kroppen stannar vissa celler som bekämpade vaccinet kvar i patrulltjänst som ”minnesceller”.

När du sedan stöter på den verkliga patogenen är immunsystemet redo att svara. Istället för att slösa tid på att fundera ut vad de ska göra så att de klonar sig nu minnes cellerna som blivit kvar sedan vaccineringen och producerar en cellarmé som kan rensa bort infektionen innan du blir sjuk.

SÅ TRÄNAS IMMUNSYSTEMET

159

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 159

17.09.2019 08:52

miljoner

2015 levde nästan 37 miljoner människor med hiv

1,1

miljoner

Mer än hälften av alla med hiv får ingen behandling

människor dör till följd av aids varje år

Hiv överförs via kroppsvätskor, såsom blod, sperma och bröstmjölk 8 av 10 gravida kvinnor med hiv får behandling för att minimera risken att barnet smittas

Hiv infekterar immunsystemet och lamslår kroppens försvar

40 % av alla som har hiv vet inte om att de är infekterade

HIV UTPLÅNAS

HUR FÅR VI BUKT MED ETT VIRUS SOM GÖMMER SIG I VÅRT EGET IMMUNSYSTEM?

umant immunbristvirus (hiv) kapar immunsystemet. Viruset tar sig in, sätter in sin genetiska kod i genomet i en cell och förvandlar den till en fabrik som tillverkar fler virus. Under tiden kan cellen inte fungera normalt och i takt med att fler och fler celler tas över försvagas immun systemet alltmer. Resultatet av denna process kallas förvärvat immun bristsyndrom, eller aids (Acquired Immune Deficiency Syndrome). Hiv går numera att behandla med en kombinationsterapi som hindrar att viruset replikeras. Mängden virus i blodet sänks så kraftigt att sjuk domen inte kan föras vidare. Med hjälp av nya läkemedel är vi även på god väg att eliminera överföring av viruset från mor till barn. Alla har dock inte tillgång till behandling. Det ultimata för framtidens hiv-medicin vore ett vaccin som kan lära immunsystemet att oskadliggöra viruset med en beläggning av antikroppar. Teoretiskt sett skulle ett sådant vaccin kunna användas, inte bara till att förebygga infektioner utan också till att förhindra att sjukdomen kommer tillbaka för dem som fortfarande har virus som gömmer sig kvar i immunsystemet. Att utveckla ett sådant vaccin är en enorm utmaning. Viruset ändrar nämligen form för att undvika att bli upptäckt och immunsystemet svarar vanligen inte på det. Men försök med nya vacciner pågår hela tiden, och när vi ökar våra kunskaper om hiv och immunsystemet tar vi oss allt närmare att realisera det.

Antiretroviral behandling stoppar virusrepliking Kondomer, hivtest och omskärelse bidrar till att hejda spridningen

Hiv ökar risken att smittas av andra sjukdomar såsom tuberkulos

TIDSLINJE

HUR SVÅRT ÄR DET ATT BOTA? Hiv väver in sitt eget genom i genomet hos en speciell typ av immuncell (vita blodkroppar som kallas CD4) så att de två permanent kopplas ihop. Antiretroviral behandling kan hindra viruset från att göra kopior av sig själv, men det går inte att helt bli av med viruset utan att immuncellerna själva stryker med. Hiv har bara botats på detta sätt en gång år 2007. Den så kallade Berlinpatienten hade cancer och

behövde en benmärgs transplantation. Hans hiv infekterade immunsystem var förstört och ersattes med donatorceller. En genetisk mutation försvårade hivinfektion, och patienten botades från viruset. Benmärgstransplantationer är dock riskabla och dessutom finns det inte tillräckligt många givare, så det är inte en praktisk lösning för världen att helt bli kvitt hiv.

Hiv CD4 immunceller

AIDS •

Står för ”Acquired Immune Deficiency Syndrome”. Sjukdomen orsakas av hiv. Drar fördel av att immun systemet är skadat och inte kan bekämpa sjukdomen. Människor dör av infektioner eller efterföljande cancer.

• •

•

1983

1987

Vetenskapsmän upptäcker att humant immunbristvirus (hiv) är orsaken till förvärvat immun bristsyndrom (aids).

Det första läkemedelet mot hiv, azidotymidin, godkänns.

• • • •

HIV

Står för ”Human Immunodeficiency Virus”. Är viruset som orsakar aids. Infekterar immunsystemet. Infektionen skadar cellerna i immunsystemet.

FRAMTIDEN Ett vaccin utvecklas för att träna upp immunsystemet att anfalla hiv.

1981

1985

1996

2007

FRAMTIDEN

Män i Kalifornien insjuknar i ovanliga infektioner efter att deras immunsystem har försvagats.

Kommersiella blodprover för hiv uppfinns, varpå man kan börja med screening.

Trippelterapi med tre olika läkemedel introduceras, och hivinfektionen blir en kronisk sjukdom.

En enda patient i Berlin botas med en banbrytande benmärgstransplantation.

Ett läkemedel utvecklas för att avslöja hiv som ligger och lurar i vilande celler.

160

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 160

17.09.2019 08:52

KAN CANCER BOTAS?

ENORMA FRAMSTEG HAR GJORTS UNDER DET SENASTE ÅRHUNDRADET, MEN VAD HÄNDER HÄRNÄST?

ancer är en urgammal sjukdom. Man har hittat tumörer i egyptiska mumier och till och med i dinosauriefossiler. Cancer uppstår när något går fel med gener som har med tillväxt och reparation att göra. De drabbade cellerna gör kopia efter kopia av sig själva och dessa nya celler ger sig av till andra ställen i kroppen, där de gör ännu fler kopior. Det är redan möjligt att bota cancer om den upptäcks i tid. Avlägsnas tumören försvinner sjukdomen. När cancern väl har spridits är den svårare att behandla, och ju mer den sprids desto dödligare är sjukdomen. Det bästa alternativet vore att stoppa cancern innan den inleds. Kanske kan vaccinationer användas för att

träna immunsystemet att känna igen cancerceller, eller så kan rutinblodprover eller rutinandningstester som fångar upp de första tecknen på cancer utvecklas. Sannolikheten att drabbas av cancer ökar med åldern, och eftersom vi lever längre ökar antalet sjukdomsfall. För dem som ändå utvecklar sjukdomen håller flera framtida behandlingsalternativ på att utvecklas. Kanske kommer man att kunna träna upp och förstärka immunsystemet på framtidens människor, eller ge dem genetiskt manipulerade virus särskilt utformade för att infektera och ta död på en cancertumör. Kanske kommer vi till och med att kunna hejda tillväxten genom att slå på och av gener i tumörcellerna.

CANCERLÄKEMEDLENS FRAMTID

KANSKE KAN VI FÅ KONTROLL ÖVER CANCERN GENOM ATT MATCHA RÄTT PERSON MED RÄTT BEHANDLING

14 9

miljoner

DEN MEDICINSK A VETENSK APENS FRAMTID

människor diagnosticeras varje år

miljoner människor dör på grund av cancer årligen

Lungcancer är den dödligaste formen av cancer hos båda könen

Bröstcancer är den vanligaste formen av cancer hos kvinnor Ju äldre du är, desto större är risken att du drabbas av cancer

PATIENTGRUPP

GENETISK A TESTER

BEHANDLINGSANPASSNING

Flera personer kan ha hjärncancer, men alla sjukdomsfall är inte likadana.

Patienterna testas för att påvisa de genetiska och kemiska egenskaperna hos deras tumör.

Patienterna får anpassade behandlingar som specifikt riktar in sig på svagheterna hos deras cancer.

Cancer är inte smittsamt men det kan vara ärftligt

VAR FINNS BOTEMEDLET MOT CANCER? Cancer får mycket forskningspengar, och tusentals och åter tusentals forskare arbetar med att försöka hitta ett botemed. Men var finns det? Kan man skära ut tumören innan den har spridit sig så går det att bota cancern, men om några celler har sluppit undan måste de hittas. Strålbehandling och kemoterapi kan vara till hjälp för att rensa ut eftersläntrare,

TIDSLINJE

men det fungerar inte alltid och vissa cancerceller utvecklar sätt att undvika behandlingarna. Utmaningen är att vi alla är olika, liksom vår cancer. Dessutom skiljer sig tumörer inte bara åt mellan olika personer – de förändras också över tid. Vi måste förstå på vilket sätt de förändras och hur behandlingar på olika sätt kan komma åt tumörernas olika svagheter.

1880-TALET

1950-TALET

FRAMTIDEN

Den första mastektomin utförs, vilket blir ett nytt behandlingsalternativ vid bröstcancer.

Man påvisar att rökning orsakar lungcancer, vilket sporrar miljontals att sluta.

Skräddarsydda behandlingar blir verklighet och patienter får anpassade behandlingar efter sina gener.

1846 Uppfinningen av narkos banar väg för att vi äntligen ska kunna avlägsna tumörer kirurgiskt.

1903

1949

Hudcancer behandlas med radium vid den första strål behandlingen.

Kemoterapi godkänns. Det är kvävesenap, ett vapen från andra världskriget.

1990-TALET

FRAMTIDEN

Dödlighet i cancer minskar i utvecklade länder när diagnoser och behandlingar förbättras.

Ett enkelt blodprov kan fånga de tidigaste tecknen på cancer.

Virus kan orsaka vissa cancerformer

Om cancer upptäcks tidigt kan den behandlas Livsstilsförändringar kan förhindra en tredjedel av cancerfallen 161

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 161

17.09.2019 08:52

dagar tar det för malariaparasiterna att fortplanta sig inne i en mygga

Malaria omtalades för första gången i det gamla Kina 2 700 år f.Kr.

3,2

miljarder

människor bor i områden där de riskerar att smittas av malaria

400 000

människor dör av malaria årligen

70 % av malariadödsfallen är barn under fem år

Malaria orsakas av parasiter som infekterar människor och myggor

DEN DÖDLIGA SJUKDOMEN ÖVERFÖRS AV MYGGOR, MEN ÖVER HELA VÄRLDEN JOBBAR MAN PÅ ATT UTPLÅNA MALARIAN

tt enda myggbett räcker för att döda dig i vissa delar av världen. I tunntarmen på Anophelesmyggan mognar och sammanfogas gametocyter från plasmodiumparasiten. Gametocyterna är mot svarigheterna till mänsklig sperma och mänskliga ägg, och resultatet är hundratals nybildade parasiter redo att infektera nästa offer. Parasiterna migrerar upp till myggans salivkörtlar och nästa gång myggan suger tar de sig in i människans blodomlopp. De infekterar celler i levern och börjar dela sig, och sprids sedan tillbaka in i blodet. I och med att cellerna fortsätter att växa brister de och släpper ut fler parasiter. Det orsakar total ödeläggelse i kroppen.

GLOBAL ELIMINERING ÄR SVÅR 1955 gjorde Världshälsoorga nisationen ett första försök att befria världen från malaria. Tanken var att göra ett kombinerat anfall, dels att spreja hus för att bli av med myggorna, dels att använda antimalaria medel för att döda parasiterna. Det rönte viss framgång i områden med tempererat klimatet och där myggorna bara trivdes under vissa säsonger, men på andra ställen fungerade programmet inte lika bra. Myggorna blev resistenta mot bekämpningsmedel och parasiterna resistenta mot behandling. Detta innebar – med krig, politisk oro och ojämn tillgång till resurser – att det blev omöjligt att koordinera en effektiv global attack mot malarian. 2015 gick WHO på nytt ut med sin utmaning. Men idag står vi inför ännu starkare versioner av både parasiten och smittspridaren, och nya vapen krävs för att eliminera dem.

I fjol anmälde

Insektsmedel är det bästa sättet att stoppa spridningen

länder fall av malaria

214 miljoner fall av malaria rapporterades 2015

Malariaparasiter behöver både myggor och människor för att fortplanta sig, vilket ger en möjlighet att eliminera dem. En tanke är att genetiskt modifiera myggkolonier och släppa ut dem så att de förökar sig med sina vilda motsvarigheter. Med hjälp av denna metod kan man introducera skadliga genetiska egenskaper i populationen som antingen dödar parasiterna eller dödar myggorna själva. Ett alternativ är att utveckla svamp som kan infektera och döda insekterna. Andra alternativ för eliminering är att utforma nya insektsmedel för att hålla ner antalet insekter, och att utveckla ett vaccin för att stoppa spridningen.

TIDSLINJE

Infektion Gametocyter Malariaparasiterna producerar sina motsvarigheter till spermier och ägg i värddjuret.

Gametocyterna mognar och sammanfogas inne i myggan.

Bett

MALARIANS INFEKTIONSCYKEL

Parasiterna tar sig in i blodet när myggan suger.

Infektion Parasiterna börjar växa i levern.

Spridning Myggorna smittas av parasiten när de suger en infekterad människas blod.

Överföring Parasiterna flyttar in i röda blodkroppar.

1880

1939

FRAMTIDEN

Parasiten som orsakar malaria upptäcks i blodprov tagna från patienter.

Bekämpningsmedlet DDT uppfinns, vilket ger möjlighet att kontrollera antalet malariabärande myggor.

Malariabärande myggor utplånas av genetiskt modifierade myggor som de parar sig med.

1600-TALET

1897

1951

Kinabark används för att behandla malaria, vilket ledde till det moderna läkemedlet kinin.

Man upptäcker att myggor kan överföra malaria från person till person.

Malaria utplånas i USA efter att man i en särskild utrotningskampanj på regeringens initiativ har sprejat miljontals hem.

2015

FRAMTIDEN

Världshälsoorganisationen antar en ny strategi för att eliminera malaria för gott.

Världen förklaras malariafri tack vare utrotningskampanjen.

10–18

MALARIA ELIMINERAS

162

Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 162

17.09.2019 08:53

DEN MEDICINSK A VETENSK APENS FRAMTID

SÄTTA STOPP FÖR HJÄRTINFARKTER OCH STROKE SJUKDOMAR I HJÄRTAT OCH BLODKÄRLEN SKÖRDAR FLEST LIV I VÄRLDEN

TIDSLINJE

17,2

miljoner

SÅ BÖRJAR HJÄRTSJUKDOMAR

människor 2012

Män dör i högre grad av hjärtsjukdom än kvinnor

1 NORMALT KÄRL

2 RUBBNING

3 PLACK

4 KOAGULATION

Friska blodkärl har släta innerväggar så att blodet lätt glider runt i kroppen.

När en blockering uppstår i kärlet svämmar blodet snabbt över.

Fettavlagringar i väggen på blodkärlet får den att bukta ut och kärlet blir trängre.

Ett koagel bildas på den skrovliga ytan och blodkärlet täpps igen.

VARFÖR HAR VI INTE HITTAT ETT BOTEMEDEL? Hjärt-kärlsjukdomar är svåra att behandla när katastrofen väl har inträffat. Vid strokeanfall och hjärtinfarkter får vitala organ inget syre, vilket gör att den drabbade vävnaden snabbt dör. Om du får en hjärtinfarkt utanför sjukhuset har du bara en tiondels chans att överleva,

och en fjärdedel av alla som får en stroke dör inom ett år. För att förbättra behandlingen av hjärt-kärlsjukdomar måste vi antingen reparera eller ersätta skadade vävnader, eller förhindra att infarkter och strokeanfall alls inträffar. Det är inte lätt gjort.

1967

FRAMTIDEN

Defibrillatorn uppfinns, så att hjärtan som har slutat slå kan startas igen med elektricitet.

Den första hjärttransplantationen utförs på en människa, vilket innebär att skadade organ kan ersättas.

Specialodlade ersättningshjärtan produceras från våra egna stamceller.

Läkemedelsföretaget Bayer i Tyskland tillverkar ett läkemedel som kallas aspirin.

1958 Den första implanterbara pacemakern sätts in, vilket gör att hjärtat kan styras.

Varannan sekund får någon en stroke

I Sverige är över 1,8 miljoner människor drabbade av hjärt-kärlsjukdom

1930

1899

Symptom på hjärtinfarkt är smärta i bröst, arm och käke, svettningar och kräkningar

EN LÅNGSAM ANSAMLING AV FETT KAN LEDA TILL EN DÖDLIG BLODPROPP

är fett avlagras i artärer och vener bildas skrovliga plack som gör kärlen trängre. När blodet försöker tvinga sig igenom virvlar och slingrar det sig fram och orsakar mer skada. Dödsstöten kommer när delar av blockeringen sliter sig loss och ger sig av ut i blodomloppet. Koagulations molekylerna i blodet tolkar skrov ligheten som en glugg som måste tätas. Följaktligen börjar de bygga en propp, och den cirkulerande klumpen blir allt större. Till slut fastnar den i kärlen och stoppar blodtillförseln. Det går inte alltid att reparera skadan, men den senaste forskningen kan ändra på det. Stamceller är celler som inte har bestämt sig var i kroppen de ska höra hemma. Med lite manipulation i labbet kan de omvandlas till nya blodkroppar, nya hudceller eller till och med ny hjärtmuskulatur. Genom att göra stamceller till hjärtmuskulatur och odla dem på vanlig cellodlingsplast har forskare på Harvard redan skapat ett hjärta i naturlig storlek som slår. I framtiden kan vi kanske på artificiell väg skapa skräddarsydda transplantationsorgan. Genterapi kan vara ett alternativ. Försök pågår redan för hjärtsvikt. Man levererar gener till cellerna och säger åt dem att göra andra molekyler, och låter på så sätt kroppen potentiellt omprogrammeras inifrån och ut.

Hjärt-kärlsjukdomar dödade killed

1960

1987

FRAMTIDEN

Den första bypassoperationen utförs i syfte att avleda blodet runt skadade kärl.

Det första av kolesterolsänkande statinläkemedlet lanseras, vilket kan förebygga hjärtinfarkter.

Genterapi används för att reparera skador efter hjärtinfarkter.

En av fem svenskar har högt blodtryck Riskfaktorerna är rökning, kost, alkoholintag och brist på fysisk aktivitet Symptom på stroke är plötslig svaghet på ena sidan av kroppen, förvirring och sluddrigt tal

Hjärtsjukdomar är den vanligaste och stroke den näst vanligaste dödsorsaken 163

Untitled-3 3 Interior Fantastisk vetenskap SE.indd 163

11.10.201913:24 11:21 13.09.2019 15:25 19.09.2019

Untitled-1 3

11.10.2019 13:39

VETENSKAP MÄNNISKANS UTVECKLING

Få kunskap om varifrån vi kommer och hur vi har utvecklats från enkla primater till dagens människor med en fantastisk hjärna och möjlighet att förlänga livet.

FANTASTISK VETENSKAP

VETENSKAPLIGA FRAMSTEG

Genom tiderna har vi gjort imponerande vetenskapliga genombrott. Här kan du läsa om några av dem.

FRAMTIDENS VETENSKAP

2019-17 / 129:-

TIDSAM 4905-17 SPECIALRETUR V. 51

17 7 388490 512900

Untitled-3 4 vitenskap_cover SE.indd 1 Fantastisk

100% UNOFFICIAL

Följ med in i framtiden till en värld där vi har kvantdatorer, full kontroll över kärnfusioner och botmedel för cancer.

11.10.2019 11:21