TétékásNyúz XLIII. félévfolyam 15.1. szám XXXVIII félévfolyam szám 2009. január február11. 03. 2012.
Tudományos különszám
Az ELTETTK ELTETTKHÖK ELTE TTKHÖK HÖK hetilapja info: nyuz@elte.hu http://nyuz.elte.hu
Az élet antibiotikumok nélkül (4-7. oldal)
Deformációk a mikrovilágban (13. oldal)
Invazív fajok terjedése (10-11. oldal)
A periódusos rendszer (18-19. oldal)
TTKHÖK
4315_tudnyuz_05.indd 1
2012.01.09. 11:33:11
+-
Plusz-Mínusz
A Földön még nem talált anyag hullott le az űrből
Eredményes volt a Kémia Nemzetközi Éve
Szokatlan szerkezetű kristályt azonosítottak az orosz Korjak-hegységben. Ilyen kristálytípus a korábbi feltételezések szerint csak laboratóriumban állítható elő, azonban meglepő módon kiderült, hogy a természetben is előfordul. Az anyag azonban nem a Földön keletkezett, hanem a világűrből hullott bolygónkra. Mindez azért meglepő, mivel eddig csak laboratóriumban, szabályozott viszonyok között sikerült ilyen anyagokat „növeszteni”. Vákuumkamrában gázhalmazállapotból kicsapódó fématomokkal hoztak létre kvázikristályokat, szabályozott szűk környezeti paraméterek mellett. A furcsa anyagok mesterséges előállítása nem egyszerű, csak pontosan tervezett kísérletekkel lehetséges jelenleg. Az új megfigyelés azonban arra utal, hogy a világűr vákuumában is létrejöhetnek, és keletkezésükhöz feltehetőleg sokkal változatosabb körülmények között is lehetőség nyílik, mint korábban feltételezték. Az úgynevezett kvázikristályok eddig csak laboratóriumban léteztek, és nem is várták a szakemberek, hogy a természetben is előfordulnak. A furcsa anyagokat az izraeli Daniel Schechtman írta le először kísérletei alapján, aki tavaly kémiai Nobel-díjat is kapott a felfedezésért. Az ilyen kristályok eltérnek „klasszikus” társaiktól, nem követik a megszokott térbeli szimmetriák szabályait, és eltérő fizikai és elektromos tulajdonságokat is mutatnak. (forrás: http://origo.hu)
Az ENSZ Közgyűlés még 2008-ban határozott arról, hogy 2011 legyen a Kémia Nemzetközi Éve, és az események fő szervezőjének az UNESCO-t, valamint az IUPAC-ot (Elméleti és Alkalmazott Kémiai Nemzetközi Unió) kérte fel. A döntésnek az volt az egyik indoka, hogy Maria Skłodowska-Curie pontosan száz éve kapta meg a kémiai Nobel-díjat, és vált a történelem első olyan alakjává, aki másodszor is átvehette a Svéd Tudományos Akadémia rangos elismerését (1903-ban megosztva fizikai Nobel-díjat kapott). Bár a Kémia Nemzetközi Évének hivatalos megnyitója 2011 januárjában volt Párizsban, az MTA Kémiai Tudományok Osztálya és a Magyar Kémikusok Egyesülete a Magyar Tudomány Ünnepéhez csatlakozva már 2010 november 5-én elindította a hazai programokat. Az év számos programot kínált a fiataloknak: 300 iskola részvételével a kémiát népszerűsítő fotó- és rajzpályázatokat, szabadegyetemet, nyári táborokat. Az ifjúsági versenyek, köztük az MTA és a Delta című tudományos ismeretterjesztő műsor közös sorozatának fő célja az volt, hogy a diákokkal megszerettessék a kémia tudományát. Szintén a Kémia Nemzetközi Évének keretében született meg egy új, látványos, interaktív weboldal, a chemgeneration.com, amely akadémikusok közreműködésével készült.
Forrás: http://mta.hu Magyar kutatók rangos nemzetközi elismerései Az idén is számos magyar kutató tudományos eredményeit, sikeres életpályáját ismerte el a nemzetközi tudományos közösség. A 2011-ben először odaítélt Agy Díjat magyar idegtudósok (Somogyi Péter, Freund Tamás és Buzsáki György) kapták az emlékezeti folyamatok idegi alapjainak feltárásáért. Az MTA természettudományokért felelős volt alelnökének (Kroó Norbert) kutatói életpályáját az Európai Fizikai Társaság (EPS) tiszteletbeli tagsággal ismerte el, míg a világhírű hálózatkutató, Barabási Albert-László az olasz Lagrange-díjat vehette át. Az MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézetének két idegtudományokkal foglalkozó kutatócsoportja maximális pontszámmal nyerte az Európai Kutatási Tanács (ERC) tapasztalt kutatóknak kiírt pályázatát, az Advanced ERC Grantot. A Freund Tamás és Nusser Zoltán akadémikusok által vezetett csoportok együttesen több mint 5 millió Hogyan alakítja át az erdőket az éghajlatváltozás? euró támogatásban részesültek. A csoportok kutatásai az idegsej- Az ENSZ a FAO Erdészeti Fórumának (UNFF) kezdetek, szinaptikus kapcsolataik és az ményezésére a 2011-es évet az Erdők Évének nyilváníáltaluk létrehozott neuronhálóza- totta. Tavaly világszerte a „zöld bolygó” védelmének tok működésének megértéséhez és a fenntartható fejlődés összehangolásának lehetőségeit mérlegelték. vihetnek közelebb. A 2011-es Erdők Évének előzménye az ENSZ Élelmezési és (forrás: http://mta.hu)
Felfedezték az első Föld méretű távoli bolygókat Megvan a régóta várt felfedezés: a Kepler űrtávcső Föld méretű bolygókat talált a Naprendszeren kívül. Az égitestek egy Naphoz hasonló csillag körül keringenek, és szilárd felszínük van, de életet valószínűleg nem hordoznak. December 20-án újabb mérföldkőnek számító eredményt jelentett be a NASA: két olyan bolygót fedeztek fel, amely már valóban Föld méretű. A bejelentés már csak idő kérdése volt, mert a Kepler űrtávcső által legalább egyszer megfigyelt, de további megerősítésre szoruló exobolygójelöltek között 207 olyan objektum van, amely Földünkhöz hasonló méretű. Ezek közül erősítették meg kettőnek a létezését. A bolygók a Kepler-20 jelű, Naphoz hasonló csillag körül keringenek. A 2009-ben felbocsátott Kepler űrtávcső teljesen új korszakot nyitott az exobolygók kutatásában. Nemcsak hogy százával, sőt ezrével sikerült bolygójelölteket kimutatni 2011-ben, de ezek közül is egyre több Föld-szerű bolygót katalogizálnak.” A két most bejelentett planéta a Kepler-20 jelzéssel ellátott, G8 típusú csillag körül kering. A Kepler-20 a Lant (Lyra) csillagkép területén, a Földtől körülbelül 1000 fényévre található. Az égitest körül korábban már három bolygót felfedeztek. A két most talált égitest azonosítása a zajos háttérből alig kiemelkedő jelek miatt volt nehéz, létezésüket statisztikai vizsgálatokkal támasztották alá a szakemberek. (forrás: http://origo.hu)
Mezőgazdasági Szervezete (FAO) által 2010-ben készített felmérés volt a globális erdészeti erőforrásokról. A jelentés kimutatta, hogy az erdők állapota világszerte nagyon különböző, ami szorosan összefügg a helyi politikai és szociális problémákkal. Erdők Éve ráirányítja a figyelmet arra, hogy az erdők kiirtása a bioszféra létét, az embert is fenyegeti. Hazánkban is számos konferencia, tudományos ülés és szakmai fórum foglalkozott az erdők kiemelt ökológiai jelentőségével, amelyek élénk visszhangot váltottak ki a szaksajtóban és döntéshozói szinten egyaránt. Az eddigi tudományos eredmények gyakorlati hasznosíthatóságát jelentheti egy szolgáltató központ létrehozása, amelynek célja a gazdálkodóknak és a regionális vezetőknek nyújtott tanácsadás a klímahatások mérséklésének és a fenntarthatóság elvárásainak is megfelelő döntések kialakításában. (forrás: http://mta.hu)
43. félévfolyam 15. szám 2012. január 11. 4315_tudnyuz_05.indd 2
2012.01.09. 11:33:12
A főszerkesztő nadrágszéle Szokatlan számot tart kezében a kedves olvasó. Régóta dédelgetett ötletünk volt, hogy a vizsgaidőszakban egy olyan különszámot állítsunk össze, amelyben az első oldaltól az utolsóig tudományos cikkek olvashatók. Igyekeztünk a lehető legnagyobb alapossággal eljárni, témáinkkal legalább nagy vonalakban lefedni a Karunkon fellelhető szakterületeket. Ez a nemes, de a korlátozott terjedelem miatt nem sok sikerrel kecsegtető próbálkozás is mutatja, hogy a bőség zavarával kell megküzdenie annak, aki legalább dióhéjban szeretné bemutatni az ELTE TTK össszes szakterületének legalább egy-egy kutatását. A kiadvány összeállítása során éppen ezért a lehető legnagyobb változatosságra törekedtünk; egyrészt egymástól eléggé elütő témákat választottunk, másrészt a különszámban egyaránt megtalálható rövid, a kutatási témába éppen csak bepillantást nyújtó, illetve fél szakdolgozatnyi, részletes alapossággal kidolgozott írás is. A Karunkon végzett oktatási és kutatási tevékenység a klasszikus természettudományos kutatási területek teljes spektrumát lefedi. Ennek köszönhetően egy helyen koncentrálódik és vesz körbe mindannyiunkat az évtizedek és évszázadok alatt felhalmozott ismeretek hihetetlen tárháza. Hatalmas lehetőség, hogy egyetemi tanulmányainkat egy ilyen gazdag és változatos tudományos közegben tölthetjük. A lehetőség adott, hogy nyitott szemmel és elmével járva a saját szűkebb érdeklődési körünkön és tágabban értelmezett szakterületünkön túl is magunkba szívjuk a természettudományos gondolkodást, megismerjük a különböző területek aktuális problémáit, fejlett módszertanát és a jelenkor nagy tudományos áttöréseit. Reméljük, hogy a különszám cikkei könnyű, olvasmányos vagy akár szórakoztató formában tudnak megismertetni titeket a saját szűkebb érdeklődési területeteken kívüli, mégis aktuális és jelentős kutatásokkal. Ha valamelyik cikk felkelti az érdeklődésed, akkor a megadott forrásokon elindulva az internet világában nem lehet akadálya annak, hogy elmélyedj a témában és „szakértőjévé” válj annak. Nem titkolt szándékunk, hogy a tudományos különszámmal hagyományt teremtsünk. Ha szeretnéd te is bemutatni a természettudományos kutatások egy érdekes, forrongó területét, vagy beszámolnál saját kutatásodról, akkor ne habozz, vedd fel velünk a kapcsolatot a tudbiz@ttkhok.elte.hu vagy a foszerkeszto@ttkhok.elte.hu címen! Gansperger Gábor főszerkesztő ELTE TTK HÖK foszerkeszto@ttkhok.elte.hu
3
Szakács Dávid tudományos biztos ELTE TTK HÖK tudbiz@ttkhok.elte.hu
Tartalomjegyzék Az élet antibiotikumok nélkül Az antibiotikum rezisztenciáról..............................................4-7
Deformációk a Mikrovilágban Mikropillárok mechanikai tulajdonságainak vizsgálata.....14-15
Heuréka - megtaláltam! A véletlen szerepe nagy felfedezésekben..................................8-9
A muzsika hangja Zenei terápiák autista gyerekek fejlesztésére......................16-17
Eltűnő katicák, agresszív mókusok Invazív fajok terjedése.........................................................10-11
Folytassa, Mengyelejev! A periódusos rendszer múltja, jelene és jövője...................18-19
Forráskúp vagy tó? A kápolna-hegyi édesvízi mészkő vizsgálata............................12
A nyerő 21 Játssz velünk értékes nyereményekért!....................................19
Biomimetika A mérnökök a természetről puskáznak.....................................13
TétékásNyúz XLIII. félévfolyam, 15. szám.
Kiadja az ELTE TTK HÖK. Felelős kiadó: Dukán András Ferenc, a HÖK elnöke. Főszerkesztő: Gansperger Gábor. A kiadványt szerkesztették: Fontányi Andor, Gansperger Gábor, Szakács Dávid. Honlap: http://nyuz.elte.hu. E-mail: nyuz@elte.hu. Telefon: 372-2654, lapzárta után 30/806-3000. Fax: 372-2654. Lapzárta: péntek 12:00. Készült a Komáromi Nyomda és Kiadó Kft. nyomdájában 1500 példányban. A Nyúz a Magyar Egyetemi és Főiskolai Sajtó Egyesület tagja.
TétékásNyúz 4315_tudnyuz_05.indd 3
2012.01.09. 11:33:13
4
Tétékás Nyúz Az élet antibiotikumok nélkül Az antibiotikum rezisztenciáról Manapság nem is tudjuk elképzelni az életünket antibiotikumok, antimikrobiális gyógyszerek nélkül. Pedig az antibiotikumok nem csodaszerek. Napról napra egyre több kórokozó válik ellenállóvá a gyógyszerekkel szemben, ami már most nagy gondot okoz, és még súlyosabb problémák lehetőségét vetíti előre. Az Egészségügyi Világszervezet (World Health Organisation, WHO) többször is felhívta a figyelmet a problémára, legutoljára az áprilisi egészségügyi világnap alkalmából. A következőkben körbejárjuk, hogy mekkora ez a probléma, hogyan alakul ki, hogyan terjed és miért veszélyes a gyógyszer rezisztencia? Mit tehetünk mi ellene?
AZ ANTIBIOTIKUM HASZNÁLAT KEZDETEI. Talán sokan hallottátok már Sir Alexander Fleming skót orvos és a penicillin felfedezésének történetét. Flemming a Staphylococcus aureus baktériumot vizsgálta 1928-ban, amikor is arra figyelt fel, hogy baktérium tenyészete befertőződött, egy kékes-zöld színű penészgomba megtámadta azt. Dr. Fleming jó tudóshoz illően bosszússága ellenére felfigyelt arra a jelenségre, hogy a penész körül a baktériumok nem növekedtek. Dr. Fleming tovább vizsgálta a telepet befertőző penész faj és a baktériumok közötti kölcsönhatást. Megállapította, hogy a penészgomba a Penicillium nemzetségbe tartozik, és hogy az általa termelt anyag, amit penicillinnek nevezett el, gátolja a baktériumok növekedését. Már korábban
1. ÁBRA
is megfigyelték, hogy a mikroorganizmusok képesek egymás növekedését befolyásolni, de egészen addig nem számolt a tudományos közélet azzal, hogy a jelenség a gyógyászatban is hasznosítható lehet. A penicillin volt az első az antibiotikumok, azaz mikroba által termelt, más mikrobák növekedését gátló anyagok hosszú sorában. Dr. Fleming munkássága megalapozta a penicillin kutatását, és elősegítette azt, hogy a penicillin gyors karriert fusson be. A penicillint a II. világháborúban már sikeresen alkalmazták és számos katona életét vagy sebesült végtagját sikerült megmenteni az új gyógyszer segítségével. Ekkor azonban még gondot okozott, hogy a penicillint nagy mennyiségben és tisztán előállítsák, és az is, hogy gyorsan kiürült a szervezetből. A felsorolt problémák megoldásával a háború után megnyílt az út a penicillin lakossági használata előtt. Sir Alexander Fleming 1945-ben Orvosi Nobel-díjat kapott az antibiotikumok kutatásának úttörőjeként végzett munkáságáért megosztva Ernst Boris Chain-nel és Sir Howard Floery-val, akik a penicillin kémiai tulajdonságainak feltárásán és tiszta formában való előállításán dolgoztak. A felfedezés jelentőségét bizonyítja, hogy a penicillinek, illetve származékaik ma is a leggyakrabban használt antibiotikumok közé tartoznak. Többek között az ő kutatásaiknak köszönhetően tudjuk, hogy a Penicillium nemzetségbe tartozó penészgombák által termelt antibiotikumok tiazolidin és ß-laktám gyűrűt tartalmazó vegyületek, amelyekben a baktériumok növekedését gátló hatás a ß-laktám gyűrűnek köszönhető (2. ábra). Ma már nem csak a ß- laktám antibiotikumok szerkezete, de azok hatásmechanizmusa is jól ismert. Ezek a vegyületek főleg a baktériumok egy nagy csoportjának, a Gram-pozitív baktériumoknak a szaporodását gátolják a sejtfal képzésének gátlásán keresztül. Ebbe a csoportba tar-
2. ÁBRA
tozik a Flemming által vizsgált S. aureus is. A bakteriális sejtfal a baktériumsejtet körülvevő képlet, aminek rendkívül fontos szerepe van a sejt védelmében és az osztódás folyamán. A sejtfalszintézis gátlása a baktériumsejt pusztulásához vezet. A Gram-pozitív baktériumok sejtfala egy többrétegű, cukor vegyületekből és peptidláncokból álló polimer. Az alapvázat párhuzamosan futó cukorláncok képezik, amelyekhez peptidek kapcsolódnak (3. ábra /1.). A szomszédos rétegek peptidláncai között egy enzim (PBP – penicillin binding protein) keresztkötéseket hoz létre ezzel stabilizálva a sejtfalat (3. ábra/2). A ß-laktám vegyületek ennek az enzimnek a működését gátolják oly módon, hogy elfoglalják az enzim reakciócentrumát, megakadályozva annak működését (3. ábra/3-4-5)
EGY ÚJ GLOBÁLIS PROBLÉMA ÉBREDÉSE Az antibiotikumok karrierjének első évtizedeiben ezekre a molekulákra a XX. század csodaszereként tekintettek. Ez nem meglepő, hiszen olyan betegségeket sikerült hatékonyan kezelni, amelyekkel az emberiség már régóta küzdött (4. ábra). Ilyen például a szifilisz, gonorrhoea, diftéria, bakteriális agyhártyagyulladás, vérmérgezés és a tüdőgyulladás. Sajnos hamar kiderült, hogy az antibiotikumok nem csodaszerek. Szinte a használat megkezdésével egy időben felfedezték az első baktériumokat, amelyek ellenálltak a penicillin kezelésnek. A rezisztencia gyors megjelenése nem egy kivételes eset volt. Általánosan jellemző, hogy egy új antibiotikum bevezetése után pár évvel megjelennek az arra rezisztens baktériumtörzsek. Az antibiotikum-használat évtizedei során fokozatosan alakultak ki olyan kórokozó baktériumok, amelyek egy vagy több antibiotikummal
43. félévfolyam 15. szám 2012. január 11. 4315_tudnyuz_05.indd 4
2012.01.09. 11:33:13
Tudományos különszám szemben ellenállóak. Erre példa a Mycobacterium tuberculosis, a TBC kórokozója. Elsőre talán azt gondolnánk, hogy a TBC letűnt korok nyomorgóinak betegsége. Azonban az úgynevezett MDR (multi drug resistant) és az XDR (Exensively drug resistant) változatok megjelenése miatt a gümőkór ma is egy olyan betegség, amivel számolni kell. Az MDR változat ellenáll a korábban hatékonyan használt antibiotikumoknak, míg az XDR változat rezisztens olyan gyógyszerekre is amelyek az MDR változat ellen beváltak. Az MDR és az XDR tuberkulózis elsősorban a fejlődő országokban okoz nagy problémát, de jelen vannak a fejlett világban is. Az AIDS betegek körében a TBC ma is a vezető halálokok között van. A többszörösen gyógyszer rezisztens baktériumok jelenléte a fejlődő és a fejlett országokban is komoly gondot okoz. Az ECDC (European Centre for Disease Preventionand Control – Európai Betegségmegelőzési és Járványügyi Központ) 2009-es elemzése 1 szerint az európiai országokban a kórházban kezelt páciensek 5 %-a elkap valamilyen fertőzést. Ez éves szinten körülbelül 4,1 millió esetet jelent, amelyek közül 37 000 közvetlenül, 110 000 pedig közvetve halált okoz. A kórházi fertőzések oka hogy a legyengült szervezetekben olyan baktériumok is fertőzést okozhatnak, amelyek egyébként ártalmatlanok. Ezeknek a fertőzéseknek a kialakulásában a gyógyszer rezisztens baktériumok is jelentős szerepet játszanak (10%), hiszen a normál, nem célzott antibiotikumos kezelés (például műtétek után) nem elégséges ellenük. Közülük a legjelentősebb (44%) a korábban már említett baktérium több gyógyszerre is rezisztens formája, az MRSA (Methicillin resistant S. aureus). A S. aureus a normál bőrflóra tagja és alapesetben nem okoz betegséget. Legyengült szervezetekben azonban akár halálos kimenetelű fertőzéseket is okozhat (pl. csúnya bőrfertőzéseket, vérmérgezést, stb.). Az MRSA jelenléte korábban erősen kórházakra korlátozódott, manapság azonban már a lakosság nagy százalékának (Magyarországon 10-25%, de az EU országok egyharmadában 25 % felett van 2) a normál bőrflórájában is megtalálható, ami tovább növeli a kórházi MRSA fertőzés kockázatát. A multidrogrezisztens baktériumok közül a legtöbb és a legsúlyosabb problémát az MDR és XDR tuberkulózis, valamint az MRSA okozza. Ezek
mellett az antibiotikum rezisztencia kevésbé jelentős kórokozókban is előfordul, például Salmonella fajok és az Escherichia coli esetében. Fontos megemlíteni azt is, hogy a gyógyszer rezisztencia jelenléte nem csak a baktériumok által okozott betegségek kezelését nehezíti meg. A malária kórokozóival, a Plasmodium fajokkal szemben az eredetileg használt gyógyszerek szinte teljesen hatástalanok már. A fentiek ijesztően hathatnak, de szerencsére ma még a többszörösen rezisztens baktériumok ellen is tudunk védekezni. Az antibiotikum rezisztens kórokozók által okozott fertőzéseknek
3. ÁBRA
azonban ennek ellenére is nő a lefolyási ideje, a fertőzés továbbadásának és az elhalálozásnak a kockázata. Jellemzően drágább is az ilyen fertőzések kezelése.
A BAKTÉRIUMOK GYÓGYSZER REZISZTENCIÁJÁNAK MECHANIZMUSA, KIALAKULÁSA ÉS TERJEDÉSE: BIOLÓGIAI HÁTTÉR Fontos kiemelni, hogy a gyógyszer rezisztens baktériumok megjelenése és fejlődése egy természetes folyamat. Egy tulajdonság evolúciójának feltétele, hogy az adott tulajdonság öröklődjön az utód generációkra, és hogy az adott tulajdonságnak többféle változat létezzen. Ha ezek a feltételek adottak és a tulajdonság változatai között vannak előnyösebb változatok, akkor az előnyösebb változa-
tok terjednek el a populáción belül. Azt, hogy egy változat mennyire előnyös, azt az aktuális környezeti tényezők határozzák meg. Ha egy környezeti tényező befolyásolja egy adott tulajdonság előnyösségét, akkor azt a tényezőt szelekciós tényezőnek („kiválasztó tényező”) nevezzük. (5. ábra) Tételezzük fel, hogy torokgyulladásunk van és, hogy az ezért felelős baktérium egyedek különböző mértékben érzékenyek az orvos által felírt antibiotikumra. Ha bevesszük a gyógyszert, akkor a baktériumokat szelekciós nyomás alá helyezzük. Azok a baktériumok elpusztulnak, amelyek nem képesek ellenállni a gyógyszer hatásának, míg a rezisztens baktériumok életben maradnak. Rezisztens baktériumok nagy valószínűséggel előfordulnak az egyes baktérium populációkban. Ily módon gyógyszer rezisztens törzsek szelektálódnak ki. A megcsappant létszámú baktériumpopulációt az immunrendszer már képes hatékonyan elpusztítani. Ha valami probléma van, például ha az immunrendszer nem megfelelően működik, akkor a baktériumok száma újra növekedni kezd. Az új populáció főleg olyan egyedekből fog állni, amik ellen az eredeti gyógyszer már nem használ. A rezisztencia gyors terjedésében nagy szerepe van annak, hogy a baktériumpopulációk nagyok és rendkívül gyorsan szaporodnak. A laboratóriumi E. coli törzsek osztódási ideje optimális körülmények között mindössze 20 perc. A gyors szaporodásnak köszönhetően rövid idő alatt sok baktérium jön létre, így a már meglévő rezisztenciafaktorok gyorsan elterjedhetnek, valamint a mutációk adott időre eső száma is nagyobb. Márpedig a változatosság egyik forrása a mutáció. Sokféle olyan módosulás jöhet létre, ami hozzájárul a különböző antimikrobiális gyógyszerek hatásának elkerüléséhez. A gyógyszer-elkerülési mechanizmusok közül talán a legnyilvánvalóbb a gyógyszer sejten belüli koncentrációjának csökkentése. Ennek legegyszerűbb módja a gyógyszermolekula felvételének elkerülése. Ez a sejtmembrán és a sejtfal tulajdonságainak megváltoztatásával érhető el. A legtipikusabb példái ennek a mechanizmusnak a Mycobacteriumok, amiknek különleges sejtfala nagyon sok anyag számára átjárhatatlan. A kis áteresztő képességű sejtfal nem csak hozzájárul az MDR és
5
TétékásNyúz 4315_tudnyuz_05.indd 5
2012.01.09. 11:33:14
6
Tétékás Nyúz
4. ÁBRA
az XDR változatok magas fokú rezisztenciájához, de az új gyógyszermolekulák fejlesztését is megnehezíti. A sejten belüli gyógyszer-koncentráció csökkentésének másik nagyon hatékony módja az úgynevezett effluxpumpák alkalmazása. A gyógyszerektől és a gyógyszer rezisztencia jelenségétől függetlenül a baktériumok rendelkeznek olyan pumpákkal, amik segítségével különböző anyagokat képesek a környezetbe juttatni. Ezeknek fontos szerepük lehet például a környezetükben lévő mérgező anyagoktól való megszabadulásban. Ezek a pumpák módosulhatnak oly módon, hogy képesek legyenek eltávolítani egy- vagy akár sokféle gyógyszermolekulát. Ily módon az effluxpumpák rendkívül nagymértékben járulnak hozzá a multidrog rezisztens baktériumtörzsek kialakulásához. A következő módszer a gyógyszerek pusztító hatásának elkerülésére a gyógyszermolekula semlegesítéséé, annak ártalmatlan formává alakításával vagy lebontásával. Így védekeznek a baktériumok a penicillin és minden más ß-laktám típusú antibiotikum ellen is. A ß-laktámok lebontására a baktériumok egy ß-laktamáznak nevezett enzimet „fejlesztettek” ki. Ez az enzim a ß-laktám antibiotikumok közös és egyben a hatásért is felelős elemét, a ß-laktám gyűrűt hasítja. A baktériumok gyógyszer elkerülése és az emberiség gyógyszerkutatása közötti versengésnek jó példája, hogy a ß-laktámok elleni rezisztencia mechanizmusát követően a tudósok olyan antibiotikum származékokat kezdtek fejleszteni, amelyekben a ß-laktám gyűrű nem hasítható. Ebbe a csoportba tartozik például a methicillin is, amit sokáig alkalmaztak a korábbi vegyületekre már rezisztens S. aureus fertőzések kezelésére. Sajnos, ahogy azt az előző fejezetben már láttuk, napjainkban a S. aureus baktériumok jelentős része már ezzel a hatóanyaggal szemben is rezisztens. Ezzel el is érkez-
tünk a következő típusú antibiotikum rezisztencia mechanizmushoz. Előfordul, hogy az antibiotikum célpontjául szolgáló molekula mutáció révén megváltozik a baktériumban oly módon, hogy az antibiotikum többé nem tudja gátolni annak működését. A methicillin rezisztencia ebbe a típusba tartozik. Korábban már ismertettem, hogy a ß-laktám típusú antibiotikumok a PBP enzimhez kötnek, gátolva ezáltal annak működését. A methicillin rezisztens baktériumok egy olyan PBP-re tettek szert, amely kevésbé köti a ß-laktám vegyületeket, és így képes az antibiotikum jelenlétében is elvégezni feladatát. 3 Az antibiotikum rezisztencia sok esetben már valamilyen meglévő géntermék átalakulásával jön létre. Gyakoriak az olyan esetek is, amikor a gyógyszer rezisztenciában szerepet játszó gén már eleve jelen van a baktériumok között, csak nem azokban a fajokban, amelyek ellen a kezelést alkalmazzuk. Az antibiotikumok definíció szerint olyan mikroorganizmusok által termelt anyagcseretermékek, amik más mikroorganizmusok szaporodását gátolják. A definíció nagyrészt magyarázza is a fenti jelenség hátterét: a baktériumoknak védekezniük kell a saját maguk és a környezetükben előforduló mikroorganizmusok által termelt antibiotikumok ellen, ezért rendelkeznek olyan génekkel, amik ezt lehetővé teszik. Ez is alátámasztja, hogy az antibiotikum rezisztencia megjelenése a gyógyszerhasználattól függetlenül is jelenlévő természetes folyamat. Joggal merül fel a kérdés, hogy ha a rezisztenciagének az embereket megbetegítő baktériumokkal nem rokon fajokban alakulnak ki, akkor hogyan lehetséges az, hogy ugyanezek a gének felelősek a patogének rezisztenciájáért is. Ezekben az esetekben az antibiotikum rezisztenciát biztosító gén horizontális géntranszfer útján juthat át a patogén fajokba. Horizontális géntranszfernek azt a folyamatot nevezzük, amikor egy élőlény genetikai anyagot épít be a saját genetikai anyagába egy olyan másik élőlényből, amivel nem áll szülő–utód kapcsolatban. A horizontális géntranszfer a mikroorganizmusok között rendkívül gyakori. Ez a jelenség teszi lehetővé, hogy a rezisztenciagének a környezeti rezervoárból a humán patogénekbe jussanak, így jelentősen hozzájárul a rezisztenciagének gyors terjedéséhez. A horizontális géntranszfernek három fajtája van. Az úgynevezett
transzformáció szabad DNS felvételét jelenti a környezetből (6. Ábra /a). Ha egy baktérium elpusztul, és genetikai anyaga kijut a környezetbe, azt más baktériumok képesek lehetnek felvenni és beépíteni saját kromoszómájukba. Az így megszerzett hasznos géneket a baktérium megtartja. A horizontális géntranszfer másik változatában, az úgynevezett transzdukcióban baktériumokat fertőző vírusok, azaz bakteriofágok „szállítanak” genetikai információt a baktériumok között. (6. Ábra /b). A fágok saját fehérjéiket kódoló genetikai anyagon kívül hordozhatnak járulékos géneket is, amelyekre korábbi fertőzési ciklusokban tettek szert. Ha a járulékos gének között antibiotikum rezisztencia gén(ek) is van(nak), úgy a fág hozzájárul a rezisztencia terjedéséhez. A horizontális géntranszfer harmadik típusa a konjugáció (6. Ábra /c), amely során közvetlen kapcsolat alakul ki két baktériumsejt között. A konjugáció során a résztvevő baktériumok genetikai anyagot cserélnek. A rezisztenciagének gyakran csoportosulnak plazmidnak nevezett mobilis elemeken. Ezek kis, cirkuláris DNS molekulák, amelyek a konjugáció során könynyen átjutnak egyik sejtből a másikba. A jelenség elősegíti a multidrog rezisztens törzsek kialakulását és terjedését.
5. ÁBRA
43. félévfolyam 15. szám 2012. január 11. 4315_tudnyuz_05.indd 6
2012.01.09. 11:33:14
Tudományos különszám GYÓGYSZER REZISZTENCIA KIALAKULÁSÁT ÉS TERJEDÉSÉT BEFOLYÁSOLÓ TÉNYEZŐK Nem elég, hogy az antibiotikum rezisztencia kialakulása és terjedése önmagában is gyors folyamat, azt számos emberi tényező is elősegíti. A WHO szerint ezek közül a legfontosabb az antibiotikumok nem megfelelő használata. Ez nagy gondot jelent a fejlődő országokban, ahol sokszor nehéz is hozzájutni a gyógyszerekhez, a gyógyszereket túl kicsi dózisban, túl rövid ideig szedik, ami a rezisztencia kialakulásának és elterjedésének kedvez (vesd össze az előző fejezettel). Hasonló problémák a fejlett országokban is vannak. Nem ritka eset, hogy a páciens nem az előírásoknak megfelelően szedi a gyógyszert, hanem abbahagyja a kúrát, amint jobban érzi magát. A rezisztencia terjedését segíti elő az is, ha nem megfelelő antibiotikumot szedünk, valamint az is, ha antibiotikumot használunk olyan esetekben is, amikor párnapos ágynyugalom mellett az immunrendszerünk is elbánna a betegséggel. A sokáig csak kórházakban előforduló MRSA fertőzések példája is mutatja, hogy a kórházak az antibiotikum rezisztencia kifejlődésének melegágyai. A kórházakban nagy dózisú és szélesspektrumú antibiotikum kezeléseket alkalmaznak, ami nagy szelekciós nyomást eredményez. Az antibiotikum rezisztencia gyors kialakulásához és terjedéséhez az is hozzájárul, hogy a mezőgazdaságban a haszonállatokat is antibiotikumokkal kezelik járványos megbetegedések elkerülése érdekében. Ennek a veszélyei abban vannak, hogy bizonyos baktériumok képesek állatról emberre terjedni és újabb antibiotikum rezisztenciagéneket meghonosítani az emberi baktériumflórában. Az állatról emberre terjedő baktériumok közé tartozik például a szalmonella kórokozója. A rezisztens Salmonella fajok a fejlődő világban súlyos járványok kialakulásáért felelősek. A mezőgazdasági és a gyógyászati antibiotikum használat során az antibiotikumok a vízhálózatba is bekerülhetnek. A környezet antibiotikumokkal való szennyezése miatt további baktérium közösségek kerülnek szelekciós nyomás alá. Ráadásul napjaink globális világában minden és mindenki szinte pillanatok alatt eljuthat bárhonnan
bárhova, így a világ egy adott pontján kialakult antibiotikum rezisztencia gyorsan elterjedhet.
TERVEK AZ ANTIBIOTIKUM REZISZTENCIA TERJEDÉSÉNEK MEGFÉKEZÉSÉRE A WHO szerint a nem megfelelő antibiotikum használat járul hozzá legjelentősebb mértékben az antibiotikum rezisztencia kialakulásához és terjedéséhez. A folyamatot megállítani nem lehet a baktériumok változatossága és gyors evolúciója miatt. A WHO a folyamat lassítását tűzte ki céljául, hiszen annak beláthatatlan következményei
6. ÁBRA
lennének, ha elveszítenénk a baktériumok ellen használt leghatékonyabb fegyvereinket, az antibiotikumokat. A cél eléréséhez globális összefogásra van szükség. Hiszen mit ér, ha a fejlett országokban fegyelmezetten használják az antibiotikumokat, amíg a világ más részein a szakszerűtlen alkalmazás miatt kialakuló multidrogrezisztens baktériumok pár óra alatt eljuthatnak a nyugati világba? A WHO által megfogalmazott irányelvek szerint a következőkre kell fokozottan figyelni. Először is szükség van további tanulmányokra, hogy az antibiotikum rezisztencia mechanizmusokat jobban megértsük. A rezisztens törzsek terjedésének és új rezisztens alakok megjelenésének pontos követése, monitorozása szintén nélkülözhetetlen. Az antibiotikumokat tudatosabban és célzottabban kell használni. Minden esetben tesztelni kell a fertőzést okozó baktériumokat, és a legkorábban kifejlesztett, még hatásos gyógyszert kell alkalmazni. Antibiotikumot csak akkor szabad felírni, ha ez mindenképpen szükséges. Az antibiotikum használatot a mezőgazdaságban is minimalizál-
ni kell. Nem szabad megfeledkezni az alternatív terápiás lehetőségekről sem. Ez alatt nem a köznyelvben vett alternatív gyógymódokat kell érteni, hanem tudományosan megalapozott, nem antibiotikumok használatán alapuló terápiás eljárásokat. Ilyenek például az immunrendszer működését serkentő terápiák, vagy a baktériumokat elpusztító bakteriofágokat alkalmazó fágterápia. Mit tehetsz te? Az orvos által felírt antibiotikumot az utasításoknak megfelelően kell szedni akkor is, ha jobban érzed magad. Figyelhetsz arra is, hogy az orvos tényleg csak akkor írjon fel neked antibiotikumot, ha az indokolt. Csak a saját gyógyszered szabad szedni, a neked felírt gyógyszert ne add tovább, és a korábbról megmaradt gyógyszert ne szedd be. A megmaradt gyógyszert nem szabad házilag megsemmisíteni, például lefolyóban lehúzni, kidobni, mert így antibiotikummal szennyezed a környezetet. Vigyázzunk az antibiotikumokra, hiszen az új gyógyszerek fejlesztése és bevezetése rendkívül összetett, lassú és költséges folyamat! SzJE
7
IRODALOMJEGYZÉK: 1 Council of the European Union. Council recommendation of 9 June 2009 on patient safety, including the prevention and control of healthcare-associated infections (2009/C151/01). Official Journal of the European Union. 3 Jul 2009. 2 European Centre for Disease Prevention and Control. Annual Epidemiological Report on Communicable Diseases in Europe 2010. Stockholm: ECDC; 2010. 3 Henry F. Chambers. Methicillin Resistance in Staphylococci: Molecular and Biochemical Basis and Clinical Implications. Clinical Microbiology Reviews, Oct. 1997, p. 781–791. www.wikipedia.org; www.nobelprize.org; www.who.int; José L. Martinez. Antibiotics and Antibiotic Resistance Genes in Natural Enviroments. Science, July 2008,Vol 32, p. 365-367. Lois B. Rice. The clinical consequences of antimicrobial resistance. Current Opinion in Microbiology. 2009, Vol 12, p. 476-481. 1. ábra: http://www.accessexcellence.org/AE/AEC/CC/ s5.php; 2-5. ábra: www.wikipedia.org; 6. ábra: D. Lowy. Antimicrobial-resistant bacteria in the community setting. Nature Reviews Microbiology, Jan. 2006, p. 36-45;
TétékásNyúz 4315_tudnyuz_05.indd 7
2012.01.09. 11:33:15
8
Tétékás Nyúz Heuréka – megtaláltam! A véletlen szerepe nagy felfedezésekben Tanulmányaink során főleg alaposan megtervezett és precízen kivitelezett kísérletekről hallunk. Ugyanakkor ezek mellett a véletlen, nem várt felfedezéseknek is nagy szerep jutott a mindennapjainkat meghatározó anyagok és technikák feltalálásában és kifejlesztésében. Az egyetemi előadásokon sokat hallunk olyan kísérletekről, amelyeket a kutatók a rendelkezésre álló ismeretek alapján alaposan megterveztek és precízen kiviteleztek. Ezek eredménye hozzásegített minket világunk egy részletének jobb megértéséhez. Ugyanakkor talán kicsivel kevesebb figyelmet kapnak a véletlen, vagy váratlan felfedezések. Holott a véletlennek döntő szerepe volt egy sor, a mindennapokban használt anyag, technológia vagy jelenség felfedezésében és kifejlesztésében, amelyek nélkül ma már szinte elképzelni sem tudjuk az életünk. Gondolnátok-e például, hogy a celofán, a vazelin, a rozsdamentes acél, a brandy, az LSD, a kinin (malária gyógyszer ) és a „post it” papír felfedezése illetve feltalálása mind a véletlennek, vagy legalábbis egy váratlan megfigyelésnek köszönhető? A következőkben néhány váratlan felfedezés történetén keresztül betekintést nyerhettek abba, hogy miként juttat minket a véletlen hétköznapjaink során használható újdonságokhoz. A legtöbben gondolom serpenyő, szendvicssütő vagy lábas bevonataként találkoztatok a teflonnal. Nélküle igazi rémálom lenne a mosogatás, de a konyhán kívül is rengeteg területen lenne fájó ennek a csodálatos anyagnak a hiánya. A teflon (politetrafluoretilén) az elterjedt hiedelemmel ellentétben nem egy méregdrága NASA projekt terméke, hanem nem várt eredménye Roy J. Plunkett 1938-as kísérleteinek. Ezek során Plunkett új klórfluorkarbon
(CFC) hűtőközeg előállításán fáradozott. A CFC-k használata környezetkárosító hatásuk miatt ma már tiltott, de akkoriban széles körben alkalmazták és fejlesztették ezeket. Plunkett tetrafluor-etilén és sósav reakciójával kívánt egy új anyagot előállítani, ami a tervek szerint alkalmas lett volna a céljaira. Az asszisztense fel is töltött egy gázpalackot tetrafluor-etilénnel. A tetrafluor-etilén nyomás alatt, lehűtve várta, hogy végre kiengedjék. Mikor előkészítették a kísérletet és megnyitották a palackot, azt tapasztalták, hogy a gáz nem jön, a palack üres. Hosszas tanakodás után úgy döntöttek, hogy minden biztonsági előírásra fittyet hányva felnyitják a palackot. A palack természetesen nem volt üres, és nagy szerencséjükre robbanás helyett egészen más várt rájuk: a palackban fehér port találtak, ami a tetrafluoretilén polimerjének bizonyult, és amit később teflonnak neveztek el.. A szerencsés véletlen hátterében az állt, hogy a gázpalack anyaga vas volt, ami a nagy nyomás alatt katalizátorként szolgált a tetrafluor-etilén polimerizációjához. A későbbi tesztek megállapították, hogy ez az anyag egyedülálló tulajdonságokkal bír. A teflont a legtöbb folyadék nem nedvesíti. A teflont magas olvadáspontjának (327 °C) és kémiai reakcióképtelenségének (inertség) köszönhetően a konyhán kívül is rengeteg területen alkalmazzák, például az űrhajósok ruházatában, mikrochipekben, korrozív anyagok tartályainak és vezetékeinek bevonataként, súrlódást csökkentő kenőanyagok komponenseként stb. A túraruházatok anyagaként is ismert Gore-tex szintén a teflonhoz hasonló fluoropolimer membránt tartalmaz, amin apró pórusok vannak, hogy az anyag „lélegezzen”. A teflonnal bevont felületek olyan egyenletesek és csúszósak, hogy még a rovarok sem tudnak megkapaszkodni rajta. Ezt a
tulajdonságát a teflonnak például a hangyafarmok esetében használják ki, így akadályozva meg, hogy a hangyák megszökjenek. Továbbá számítógépes egerek alját vonják be vele, hogy az kevésbé súrlódjon az egérpadon. A teflon felhasználási módjait a teljesség igénye nélkül sorolva is egyértelműen látszik, hogy milyen sok területen nélkülözhetetlen ez az anyag manapság. A véletlen felfedezések nem csak a teflon révén vannak képviseltetve a konyhában. A szacharin (o-benzoszulfamid), az első mesterséges édesítőszer szintén egy nem várt felfedezésnek köszönhetően édesíti meg mindennapjainkat. A teflonnál ugyan kevésbé széles körben használt anyag, de jelentősége megkérdőjelezhetetlen. A felfedezése annak köszönhető, hogy 1879-ben Constatin Fahlberg vegyész elfelejtette megmosni a kezét. Abban az időben Fahlberg a kőszénkátrány új felhasználási módjainak kifejlesztésén dolgozott. Azon a bizonyos napon arra figyelt fel, hogy a kenyér amit evett, különösen édes volt. A felesége hevesen tagadta, hogy bármi különöset művelt volna a konyhában, és ő maga normális ízűnek érezte az ételt. Ekkor jött rá Fahlberg, hogy az íznek a kezéről kell származnia, amit aznap elfelejtett megmosni. Másnap a laboratóriumban egyedi, nem követendő módját választotta a kísérletezésnek: végigkóstolta a munkája során keletkezett különböző anyagokat egészen addig, amíg rá nem bukkant az édes komponensre. Később Fahlberg szabadalmaztatta a szacharint, és annak előállítási módjait. Az édesítőszer a piacon már korábban megjelent, de széles körben csak az első világháború során terjedt el, amikor a cukor hiánycikk lett a világ nagy részén. A szacharin nátrium és kálcium sója jól oldódik vízben, és a szervezetben nem kerül megemésztésre, így praktikusan „energiamentesnek” tekinthető. A cukornál jelentősen édesebb. Hátránya, hogy fémes utóíze van. Ugyanakkor a diétázóknak és cukorbetegeknek lehetővé teszi, hogy
43. félévfolyam 15. szám 2012. január 11. 4315_tudnyuz_05.indd 8
2012.01.09. 11:33:16
9
Tudományos különszám ne kelljen teljesen lemondaniuk az édes élvezetekről. A szacharin a 60-as évek után örvendett a legnagyobb népszerűségnek, amikor a különböző fogyókúra divathullámok egymást érték, és kalóriaszegény étkezésre buzdították a karcsúsodni vágyókat. Széles körben használják a mai napig süteményekben, rágógumiban, cukorkákban, salátaöntetekben és fogkrémekben. A szacharin az egyik legtöbbet vizsgált adalékanyag az élelmiszeriparban. Már korán felmerült, hogy a szacharin fogyasztása bizonyos rákos megbetegedések kialakulásának valószínűségét növelheti. Az 1900-as évek eleje óta sokszor felmerült a kérdés, és számos vizsgálatot is végeztek. A szacharin használatát időről időre tiltották is egyes országokban, azonban a közelmúltban a legtöbb ország feloldotta a tilalmat, mert a mai napig nincs bizonyíték arra, hogy az anyagnak az egészségre káros hatása lenne. A konyhában találunk még egy olyan nélkülözhetetlen eszközt, aminek kifejlesztésében a véletlen felfedezés óriási szerepet játszott. A mikrohullámú sütő ötlete annak köszönhető, hogy 1945-ben Percy LeBaron Spencer amerikai mérnök csokoládéval a mellényzsebében ácsorgott egy működő magnetron előtt. A magnetront a korai radarok működéséhez nélkülözhetetlen mikrohullámú rádiójelek előállítására használták. LeBaron Spencer észrevette, hogy a csokoládéja gyorsan megolvadt, és összefüggésbe hozta ezt a mikrohullámokkal. Később kukorica pattogtatásával és egy tojás felrobbantásával igazolta elképzelését. A cég, ahol LeBaron Spencer dolgozott szabadalmaztatta az ötletet, és 1947-ben piacra dobták az első mikrohullámú sütőt, ami egy karcsú, 180 cm magas és 340 kg tömegű, vízhűtéses jószág volt, amihez 5000
dollár ellenében lehetett hozzájutni. Manapság már szinte elképzelhetetlen egy konyha mikrohullámú sütő nélkül, amelyek mérete, ára és kezelhetősége rengeteget fejlődött az első modellek bemutatása óta. Természetesen a világ a konyhán kívül is hemzseg az olyan találmányoktól, amik létüket véletlen felfedezésnek köszönhetik. Ezek közé tartozik a vulkanizált gumi is. A természetes, kezeletlen gumi alkalmatlan olyan felhasználásra, ahol elasztikus anyagra van szükség. A kezeletlen gumi nyúlós, ragadós, melegben deformálódik, hidegben törékeny. Erre keresett megoldást Charles Goodyear tíz hosszú éven keresztül, de nem járt sikerrel. A megoldáshoz végül véletlenek sorozata vezetett. Egy napon Goodyear gumi, kén és ólomfehér festék (bázisos ólom-karbonát) keverékét véletlenül a forró kályhára öntötte. Azt tapasztalta, hogy a meleg megégette az anyagot, de nem tette tönkre azt. Megvizsgálta a „terméket” és azt találta, hogy az megkeményedett, de hasznos tulajdonságokra, például a hőn áhított elasztikusságra tett szert. A jelenség magyarázata, hogy a kezeletlen gumiban egymástól függetlenül mozogni képes polimer szálak között a vulkanizálás során keresztkötések jönnek létre. Ennek következtében azok nem tudnak többé egymástól függetlenül mozogni. Erőhatásra a vulkanizált gumi torzul, de az erő csökkenésével a gumi visszanyeri eredeti alakját. A vulkanizált gumit azóta szerteágazóan használjuk a gumiabroncsoktól a jégkorongig az élet majd minden területén. A szerencsés felfedezés ellenére a gumi vulkanizálásának szabadalma nem Goodyear-é lett, ugyanis Thomas Hancock 1944-ben, Goodyear-t nyolc héttel megelőzve megindította a szabadalmi eljárást. Tehát hiába fedezte fel véletlenül Goodyear állítása szerint már 1939ben a vulkanizálást, profitálni soha nem tudott belőle. Ahogyan azt a fenti példák is mutatják, a véletlen felfedezések egyik legtermékenyebb területe a kémia. A másik tudományterület, ahol sokszor történik ilyen a gyógyászat. Számos alkalommal előfordult, hogy az előállított gyógyszer nem a kívánt betegség gyógyítását tette lehetővé. A Tamoxifent fogamzásgátlónak fejlesztették, de rákgyógyszerként hasz-
nálják. A Viagra vérnyomáscsökkentőnek készült, de az erektilis diszfunkció kezelésében értek el vele hatalmas sikereket. Az eddigi példák alapján láthatjátok, hogy a véletlen felfedezéseknek mekkora szerepük van a kutatás és az ipari fejlesztés területén. Olyannyira így van ez, hogy az angol nyelvnek külön kifejezése van a jelenségre: serendipity. A jelentése nagyjából az, hogy véletlenül valami olyan dologra bukkanni, amit nem kerestünk; „szerencsés véletlen”, vagy „kellemes meglepetés”. A kifejezést 2004-ben a tíz legnehezebben lefordítható angol szó közé is beválasztották, de létezése jelzi a jelenség jelentőségét. A serendipity jelenséget és annak jelentőségét sokan kutatták történelmi és ismeretelméleti aspektusból egyaránt. Abban a legtöbb szerző egyetért, hogy a véletlen felfedezésekhez sokkal több szükségeltetik puszta vakszerencsénél. A híres francia mikrobiológustól és kémikustól, Louis Pasteurtől származik a következő híres idézet: „a megfigyelés során a szerencse csak a felkészült, éles elmét támogatja”. A feltaláló vagy kutató elméleti és gyakorlati felkészültsége és jártassága, nyitott szeme és elméje nélkülözhetetlenül szükséges ahhoz, hogy felfigyeljen a nem várt eredményre, jelentőséget tulajdonítson neki, felderítse a háttérben meghúzódó folyamatokat és jelenségeket, majd hasznosítsa azokat. Járjatok tehát ti is nyitott szemmel, hátha részesei lehettek ti is egy szerencsés, véletlen felfedezésnek! Szakács Dávid
FORRÁS: http://www.pbs.org/wgbh/nova/body/accidentaldiscoveries.html; http://science.discovery.com/brink/top-ten/accidentalinventions/inventions.html; http://www.impactlab.net/2010/02/21/19-accidentaldiscoveries-that-changed-the-world/; http://listverse.com/2008/02/24/top-10-accidentaldiscoveries/; en.wikipedia.org/.
TétékásNyúz 4315_tudnyuz_05.indd 9
2012.01.09. 11:33:17
10
Tétékás Nyúz Eltűnő katicák, agresszív mókusok Invazív fajok terjedése Egyszer potyautasok egy kereskedőhajón vagy egy kamion rakományában, máskor direkt azért hozzák ide őket, mert valamilyen mezőgazdasági vagy környezetvédelmi probléma megoldását remélik tőlük. Természetes ellenségek híján gyorsan elszaporodnak, felborítják a helyi ökoszisztéma működését és sokszor a kihalás szélére sodornak vagy végképp kiszorítanak más fajokat. Az invazív fajok száma és az általuk okozott károk mértéke egyre növekszik. A fajok vándorlása, új fajok keletkezése, mások kihalása egy természetes, de igen lassú folyamat, az ember megjelenése azonban felgyorsította ezeket a folyamatokat. A gyarmatosító európaiak élelem biztosítása céljából és honvágyuk enyhítésére vitték magukkal Ausztráliába, Új-Zélandra és Dél-Afrikába a macskát (Felis catus), a disznót (Sus scrofa) és több kecskefajtát (Capra hircus). Mivel az új kontinenseket meghódító európaiak a távoli földrészeken is szerettek volna vadászszenvedélyüknek hódolni betelepítették az üregi nyulat (Oryctolagus cuniculus) és a vörös rókát (Vulpes vulpes) is.
NÖVÉNYEK INVÁZIÓJA Brit, spanyol és cseh kutatók 2009ben publikáltak egy térképet, amelyen az invazív növényfajok terjedését ábrázolták az Európai Unió területén. Ennek tanúsága szerint az e szempontból leginkább veszélyeztetett területek Németország, Lengyelország, Csehország és hazánk, valamint a Duna alsóbb szakaszának környéke. Mindenki számára ismert példa a parlagfű (Ambrosia artemisiifolia) térhódítása, amely Észak-Amerikából került az öreg kontinensre és okoz kellemetlen
tüneteket allergiától szenvedők millióinak. A szintén északi-amerikai fehér akácot (Robinia pseudoacaciae) gyors növekedése és homokos talajt megkötő tulajdonága miatt hozták Közép-Európába, a gazdasági haszon mellett azonban kárt is okoz a mézelő fafaj, hiszen kiszorítja az adott élőhely természetes növényzetét. A Helmholtz Társaság tanulmányában mintegy 6000 idegen növényfaj európai jelenlétéről számolnak be a kutatók, hozzátéve, hogy a nem őshonos fajok mintegy 75%-a véletlenül került hozzánk. Az invazív fajok megjelenésének elképesztő ütemét jelzi, hogy évente átlagosan 6 fajjal bővül az Európában élő növényfajok száma és az, hogy az elmúlt két és fél évtizedben megháromszorozódott az idegen fajok száma.
JÖNNEK A CSIGÁK ÉS A KATICÁK A legkárosabb invazív fajok tízes top listáját a Frontiers in Ecology and the Environment c. szakfolyóirat szakemberei állították össze 2009-ben (lásd keretes írásunkat). A kutatók szerint bár a legnagyobb anyagi károkat az agresszívan terjedő szárazföldi gerinctelenek okozzák, a gerinces fajoknak van a legnagyobb hatása az ökoszisztémára. „A szerzők fölsorolják azokat az idegen fajokat is, amelyek a legnagyobb közvetlen pénzügyi ráfordítást igénylik évente, beleértve a megfigyeléssel és az irtással kapcsolatos, illetve a környezetvédelmi neveléssel összefüggő költségeket. A legdrágább betolakodók közé tartozik a vízijácint (Eichhornia fajok) 3,4 millió eurós, a nutria 2,8 millió eurós és egy tengeri algafaj 8,2 millió eurós éves költséggel.” – elemzi a cikket Pesthy Gábor szakújságíró. A harlekinkaticák két éve bukkantak fel nálunk, eredetileg az Egyesült Államokban a pekánfákat megtámadó levéltetvek ellen alkalmazták őket, de „kiszabadulva” eljutottak Európába is és hiába tiltották be 1999-ben mezőgaz-
dasági felhasználásukat, terjedésüket már nem lehetett megállítani. Elterjedésükkel párhuzamosan egyre inkább szorulnak vissza a kétpettyes, hétpettyes és tizennégypettyes katicafajok, a harlekinkaticák ugyanis nemcsak eleszik a többi katica elől a levéltetveket, hanem megeszik a pettyes katicák petéit és lárváit is. Versenyképességüket tovább javítja az a tény is, hogy az Európában honos katicáknak évente általában egy új nemzedéke van, a harlekinnek kettő, de a déli területeken akár négy nemzedék is lehet. A harlekinek télire behúzódnak védettebb helyekre, egy kővágószőlősi házban több ezer példány keresett menedéket a rosszra fordult idő elől. A Harlekin Projekt azt a célt tűzte ki, hogy információkat gyűjtsenek az invazív katicafajok hazai terjedéséről: a szervezők e-mailben várják a tájékoztatást arról, hogy hol, mikor, hány darab és milyen fajhoz tartozó harlekint találtak, mindezen információk mellé lehetőség szerint egy fotót is kérnek. Már Magyarországon is megjelent a spanyol csupaszcsiga (Arion lusitanicus) és a barna nagy csupaszcsiga (Arion rufus), amely a kiskertekben is sok kárt okoz – számolt be egyik korábbi cikkében az [origo] Tudomány rovata. A csigák elterjedésének oka a vízelvezető árkok karbantartásának elmulasztása, valamint a talajfertőtlenítők és műtrágyák használatának csökkenése. Természetes ellenségük alig van, a hazánkban élő sün- és békafajok ugyanis vagy nem vagy csak mértékkel fogyasztják ezeket a ház nélküli puhatestűeket. Irtásukra kémiai és biológiai módszerek egyaránt léteznek, előbbire példa az, amikor a csigák által veszélyeztetett területet oltott mésszel négyzethálós mintázat szerint felszórják és a kártevők a meszes sávba érve, kiszáradnak és elpusztulnak. A biológiai módszerek közül eddig az indiai futókacsa „bevetése” bizonyult leghatásosabbnak. A madarak akkor tudnak igazán hatékonyak lenni a csigák számának csökkentésében, ha egy kerti tó is van a közelben, ahol megtisztíthatják azokat.
43. félévfolyam 15. szám 2012. január 11. 4315_tudnyuz_05.indd 10
2012.01.09. 11:33:17
11
Tudományos különszám A szürke mókus (Sciurus carolinensis) hazánkban ugyan még nem jelent problémát, az Egyesült Államokból indult faj azonban intenzíven halad kelet felé Európában. Az Európában őshonos vörös mókusnál sokkal jobb stressztűréssel rendelkeznek, ha megfogják vagy sarokba szorítják őket, akkor agresszíven reagálnak.
MITŐL OLYAN SIKERESEK? Az invazív fajokat tág ökológiai tűrőképesség jellemzi, gyorsan szaporodnak, egyszerre sok utódjuk van, amelyek gyorsan ivaréretté válnak. A bolygatott, romló minőségű élőhelyet jobban tűrik, mint az ott őshonos fajok. Akadnak köztük olyanok, amelyek speciális kémiai anyagokat bocsátanak ki (pl. Centaurea diffusa nevű imola-faj), így jutva előnyhöz az ott élő fajokhoz képest. Az invazív fajok egy részének terjedését az ember szándékosan idézi A Frontiers in Ecology and the Environment c. szakfolyóirat top 10-es listája invazív fajokról: TIGRISSZÚNYOG ₍AEDES ALBOPICTUS₎ Ázsiai eredetű szúnyogfaj, mintegy 22 vírus hordozója, többek között a nyugat-nílusi vírusé. KAUKÁZUSI MEDVETALP ₍HERACLEUM MANTEGAZZIANUM₎ Hatalmas termetű lágyszárú növény, amely Közép-Ázsiából és a Kaukázus vidékéről dísznövényként került Európába. Bár hazánk területét még nem érte el, tőlünk északra, a Szlovák-karszt területén már komoly problémát okoz. Nedve fényérzékennyé teszi a bőrt, amely így égési sérüléseket szenvedhet UV-fény hatására.
elő, például gazdasági haszon reményében, így volt ez a már említett fehér akác esetében, de ennek tudható be a selyemkóró (Asclepias syriaca) hazai elterjedése is. Létezik az úgynevezett „naiv szigetlakók megtévesztése” nevű jelenség is. Az elzárt szigetek különleges evolúciós pályán fejlődő élővilága ugyanis sokkal sérülékenyebb, mint a kontinensek flórája és faunája. Az ilyeneken gyakran hiányzik a tápláléklánc egyik eleme, pl. a csúcsragadozó vagy a nagytestű növényevő. A szigeteken honos röpképtelen madarak és „naiv” emlősök könnyen áldozattá válhatnak, így történt ez például a csendes-óceáni Guam szigetén, ahol a barna mangrovesikló (Boiga irregularis) a bennszülött madarak, emlősök és gyíkok 80%át elpusztította. A problémák pedig továbbgyűrűztek, már az erdőalkotó fák is hanyatlásnak indultak, mivel a madarak voltak azok, akik a fák magCORBICULA FLUMINEA KAGYLÓ A kisméretű kagylófaj csatornában és csőrendszerekben elszaporodva okoz gazdasági károkat. MNEMIOPSIS LEIDYI MEDÚZA Rendkívüli mértékben elszaporodott mind a Fekete-, mind a Földközi-tengerben. Az ikrával, halikrával és planktonikus élőlényekkel táplálkozó medúzák megjelenése miatt megritkultak a fókák, a delfinek és számos – gazdaságilag is jelentős – halfaj.
HALCSONTFARKÚ RÉCE ₍OXYURA JAMAICENSIS₎ Díszmadárként kezdte „pályafutását” a mára 21 országban elterjedt bukóréce-faj. Hibrideket képes létrehozni az egyébként veszélyeztetett kékcsőrű récékkel (Oxyura leucocephala), a hibridek domináns viselkedésűek. KANADAI LÚD ₍BRANTA CANADENSIS₎ A halcsontfarkú récéhez hasonlóan ez a faj tenyészetből szabadult, majd állományát vadászati céllal gyarapították. Különösen Észak- és Északnyugat-Európában elterjedt. Hibridet képez őshonos vadlúdfajokkal, területét agresszíven védi. NUTRIA ₍MYOCASTOR COYPUS₎ A Dél-Amerikából származó rágcsáló, amelyet elsősorban prémjéért tenyésztettek, néhány példány azonban kiszabadult.
ÜRÖMLEVELŰ PARLAGFŰ ₍AMBROSIA ARTEMISIFOLIA₎ A cikkünkben is említett parlagfű ellen hatékony biológiai védekezés gyakorlatilag nincs, a gyomirtókra azonban érzékeny. Nemcsak Európában okoz problémát, Ázsiában, Dél-Amerikában és Ausztráliában is elterjedt.
vait terjesztették, sőt egyes fafajok magvai csak a madarak bélrendszerén áthaladva váltak csíraképessé. Az invazív fajok ellen általában csak drasztikus védekezési lehetőségek vannak, a biológiai védekezés (például egy természetes ellenség behozatala és az állomány ezáltal történő ritkítása) sokszor újabb ökológiai és gazdasági károk okozója, a kémiai védekezés azonban környezeti problémákat szül, arról nem is szólva, hogy gyakran igen költséges. Jurecska Laura
SELYEMKÓRÓ ₍ASCLEPIAS SYRIACA₎ A mézelőként is ismert selyemkóró a Duna-Tisza közének homoki gyeptársulásaiban okozza a legnagyobb problémát.
KÍNAI RAZBÓRA ₍PSEUDORASBORA PARVA₎ A hatvanas években telepítették be Európába, ma már valamennyi álló és folyóvizünkben előfordul. Elfogyasztja az őshonos fajok ikráit és gyakorta halbetegségeket közvetít.
TétékásNyúz 4315_tudnyuz_05.indd 11
2012.01.09. 11:33:18
12
Tétékás Nyúz Forráskúp vagy tó? A kápolna-hegyi édesvízi mészkő vizsgálata Az édesvízi mészkövek forrásvízből kiváló kontinentális karbonátüledékek, amelyeknek számos kifejlődési típusát írták le a Budai-hegységből. Az ismertebb előfordulások közé sorolható a süttői tavi kifejlődésű mészkő, amely a Parlamentet is borítja. Az általunk vizsgált, kevésbé közismert kápolna-hegyi előfordulást korábbi kutatói forráskúpként írták le, amely megállapítást a terepi vizsgálataink során további részletekkel gazdagítottuk és lehetséges képződési körülményeit méginkább pontosítottuk.
ÉDESVÍZI MÉSZKÖVEK ÁLTALÁNOS JELLEMZÉSE, FORRÁSKÚPOK A főként karbonátos területeken beszivárgó csapadékvíz a regionális felszín alatti áramlási pályákon a mélybe jut, majd törések mentén források formájában ismét a felszínre bukkan. A felszínre lépést követően a vízben oldott CaCO 3 a forrásoknál és azok közelében csapódik ki, ezáltal létrehozva számos kifejlődési típust, amelyeket az alábbi főbb csoportokba sorolják: forráshát, vízeséses-, teraszos-, tavi kifejlődés és forráskúp. A kutatásaink során ez utóbbi kettővel foglalkoztunk részletesebben. Az édesvízi mészkőkúpok egyedi keletkezési adottságokkal és megjelenési formákkal rendelkeznek. Ezek a sajátos formák a kevésbé gyakori kifejlődések közé tartoznak, mert a
1. ÁBRA: A KÁPOLNA-HEGYI ÉDESVÍZI MÉSZKŐ ELŐFORDULÁS ELHELYEZKEDÉSE (FEKETE KÖRREL JELÖLVE)
környezeti feltételeken kívül a képződésük bonyolultabb vízföldtani és vízkémiai adottságok függvénye. A forráskúpok formái alapvetően a vízhozamtól, a forrásvíz hőmérsékletétől, a vízben oldott anyag menynyiségétől és a felszínre lépés körülményeitől függenek. Ezek alapján létrejöhetnek nagyméretű–kisméretű, lapos–magas, szimmetrikus–aszimmetrikus formák is.
2. ÁBRA: A BÁNYA KERESZTMETSZETI SZELVÉNYE ÉS ENNEK HELYE A TÉRKÉPVÁZLATON
TERÜLET ELHELYEZÉSE, TEREPI ÉSZLELÉSEK A Kápolna-hegy felhagyott bányája, Budapest északi részén, Békásmegyer határában található és a terület egyik legnagyobb édesvízi mészkő előfordulását tárja fel (1. ábra). A békásmegyeri térség mészköveit lerakó pleisztocén források a mai úgynevezett észak-budai hévforrások ősei. Az egykori forrásmészkő kúpok terepi felismerése elsősorban a képződmények jellegzetes rétegzettsége alapján történhet. Alapvető tulajdonságuk, hogy a rétegek a forrásfeltörés helyétől „elfelé” (centripetálisan) dőlnek, amely ezen előfordulás esetén is megfigyelhető. A 2. ábra az általunk felvett ÉÉNy-DDK irányú keresztmetszeti szelvényt és a bánya térképvázlatát
3. ÁBRA: A LEGVALÓSZÍNŰBB KÉPZŐDÉSI KÖRÜLMÉNYEK REKONSTRUKCIÓS RAJZA
mutatja. Ahogy az látszik, az északi fal tavi kifejlődésre jellemző vastagpados rétegekből, míg a déli fal a mészkőkúpokra jellemző vékonylaminált rétegekből épül fel. Terepbejárásaink során több érdekességet tapasztaltunk, amelyek az egykori képződési körülményekről adnak információt. Az északi fal vastagpados rétegeiben magasabbrendű növénymaradványok nyomai bújnak meg, például nádszárak és faágacskák. Ezzel szemben a déli falon csupán mikrobiális tevékenységre utaló jeleket találtunk az innen vett minták vékonycsiszolataiban.
A KÉPZŐDÉSI KÖRÜLMÉNYEK REKONSTRUKCIÓJA A fentebb bemutatott keresztmetszeti szelvényt alapul véve próbáltuk rekonstruálni a képződési körülményeket. Ez alapján arra a következtetésre jutottunk, hogy a forrásvíz lejtőn léphetett a felszínre, ahol a magas hőmérsékletű vízből kicsapódó CaCO3 kúpot épített, majd folyamatosan hűlve topográfiai akadályba ütközött, ahol alacsonyabb hőmérsékletű duzzasztott tavat hozott létre. Az így kialakult medencécskében adottak voltak a feltételek vastag mészkőpadok képződéséhez. Elméletünk szerint ennek a tónak a partján már megtelepülhettek olyan magasabbrendű növények, amelyek nyomait az északi fal egyes rétegeiben láttunk. Vizsgálataink alapján feltételezhetjük, hogy a Kápolna-hegy édesvízi mészköve nem egyszerű forráskúp, hanem egy forráskúp és a hozzá csatlakozó tó kombinációja (3. ábra). Ünnep Viktória Török Ágnes
43. félévfolyam 15. szám 2012. január 11. 4315_tudnyuz_05.indd 12
2012.01.09. 11:33:19
Tudományos különszám Biomimetika A mérnökök a természetről puskáznak Az élővilágban az evolúció évmilliói alatt a legkülönbözőbb problémákra születtek zseniális megoldások, amelyekre a mérnökök irigységgel, vágyakozva tekintettek. A mérnöki tudományok manapság már annyira fejlettek, hogy képesekké váltunk az élőlények megoldásainak utánzására és a saját kényelmünk szolgálatába való állítására. A biomimetika (a görög bios = élet és mimesis = utánzás szóból, szinonimája a biomimikri) a biológiai ismeretek és a mérnöki tudományok egyesítését célzó szemlélet. A „biomimetikus” megközelítést számos fejlesztési területen alkalmazzák sikerrel a robotikától a formatervezésig, az építőipartól a hadászatig. A biomimetika egyik nagy és sikeres területe az élő szervezetektől ellesett megoldásokat tartalmazó, különféle célokra felhasználható anyagok előállítása. Az ilyen anyagok leghíresebb példája a tépőzár. A tépőzár kifejlesztését a George de Mestral kutyájának szőrébe gabalyodott bogáncs mikroszkópos vizsgálata ihlette, és a hétköznapi ruháktól kezdve az űrhajósok öltözékéig az élet majd minden területén használjuk. Az élőlények egyes bámulatos tulajdonságai hosszú ideje foglalkoztatják a kutatókat. Hogyan képesek a gekkók fejjel lefele megkapaszkodni az üveglapon? A legtöbben azt gondolták, hogy ragadós váladékot választanak ki, azonban kiderült, hogy tévednek. A gekkók talpát sok millió parányi, 2µm hosszú és 0,2µm átmérőjű, keratin nevű fehérjéből felépülő szőrszál borítja. Keratin alkotja az emberi szőrt és hajat, valamint a bőrünk elszarusodott rétegeit. A gekkók hihetetlen falmászó képessége annak köszönhető, hogy a talpukon található apró szőrszálak és a felület között van der Waals kölcsönhatás jön létre. Ezek a kölcsönhatások egyesével igen gyengék, azonban a sokmillió kölcsönhatás együttesen képes megtartani az állatot. A felismerés óta kutatók kifejlesztettek egy anyagot, amit a gekkó talpán találhatókhoz nagyon hasonló szőrszálak borítanak, és aminek egyetlen tenyérnyi darabja képes megtartani egy ember súlyát. Az ilyen anyagok a jövőben a tépőzár alternatívái lehetnek és kiválthatják a különböző kémiai ragasztó szerek használatát. Hogyan képes a zavaros vizű élőhelyeken élő lótusz mindig tisztán tartani
a leveleit? A triviális megfejtés az, hogy biztosan annyira sima a levél felszíne, hogy nem tapad meg rajta a kosz. Érdekes, de pont ennek az ellenkezője igaz. A lótusz levelén 1 nanométeres viaszkristályokkal borított néhány mik-
GEKKÓ TALPA KÜLÖNBÖZŐ NAGYÍTÁSOKBAN
rométer magas dudorok sorakoznak. A viaszkristályok víztaszító felületet biztosítanak és a dudorok tovább csökkentik a felszín és a vízcseppek érintkezési felületét. Ennek köszönhető, hogy a vízcseppek könnyen lecsúsznak a levelekről, és már a legkisebb zápor is makulátlanul tisztára mossa a leveleket. Mára már ezt a felismerést is több új fejlesztésben kamatoztatják, például tartós vízlepergető bevonatot állítottak elő öntisztító üvegfelületek előállítására. A biomimetika másik fontos területe az, amikor a természetből ellesett formákat, mérnöki megoldásokat a saját céljainkra használunk fel. Ennek leghíresebb példája a Mercedes tanulmányautója, amit a bőröndhal (Ostracion cubicus) ihletett. A tervezők tudták, hogy a természet a leghatékonyabb formatervező, ezért olyan állatot kerestek, aminek formáját mintául vehették egy biztonságos, bőséges térkínálatú és minimális autó megalkotásakor. A bőröndhalról nem az áramvonalasság jut kapásból az ember eszébe. Pedig az ún. áramlási alaktényezője hallatlanul kicsi (cW 0,06), ezért kis energia befek-
tetéssel képes haladni. Ezen kívül nagy nyomás elviselésére is képes. Ezek a tulajdonságok bármelyik autónak a javára válnak. A mérnökök fejlesztő munkájának eredménye a Mercedes Bionic car nevű kényelmes egyterű 0,19es áramlási anyagtényezővel, ami versenyautókat megszégyenítően jó érték. Hasonló bravúrt értek el építészek Zimbabwében, amikor a termeszek légkondícionáló megoldásainak tanulmányozásával és lemásolásával sikerült egy hatalmas épületben hagyományos légkondícionáló rendszerek beépítése nélkül kellemes klímát biztosítaniuk. A vizsgált termesz faj hatalmas várakat épít. Ezekben a várakban termesztik kedvenc eledelüket: egy gombát. Ez a gomba rendkívül kényes a hőmérsékletre, 30°C-on érzi magát a legjobban. Ennek biztosítása nagy feladat a termeszeknek, ugyanis éjszaka fagypont közeli hőmérsékletek sem ritkák, míg nappal 40°C-os rekkenő hőség van. A termeszek a várban egy fűtő- és hűtőkürtőkből álló rendszert alkalmaznak a kívánt hőmérséklet biztosítása érdekében. Ezt a rendszert tanulmányozták és valósították meg az Eastgate Centre építői. A termeszektől ellesett megoldásoknak köszönhetően az épület légkondícionálásának költsége alig a tizede a hasonló méretű épületeknél megszokottnak. A felsorolt példákon túl is számtalan területen figyelnek a kutatók és fejlesztők egyre jobban a természetben található különböző megoldásokra, és igyekeznek azokat saját céljaik elérésére felhasználni. A robotok mozgásának fejlesztése az ízeltlábúak mozgásának idegi szabályzásának tanulmányozása alapján, vagy a minden eddiginél könynyebb és ellenállóbb páncélok előállítása puhatestűek házának szerkezete alapján csak néhány további példa ezekre. Érdemes tehát figyelni az élőlényeket és ellesni a kifinomult mérnöki megoldásokat tőlük, mert a képességeik jobb megismerésével és az ismeretek alkalmazásával a saját életünket tehetjük kényelmesebbé és gazdaságosabbá. Szakács Dávid
13
FORRÁS: http://www.origo.hu/tudomany/20100120-biomimikri-azelovilag-ihlette-talalmanyok.html; http://www.origo.hu/tudomany/20100220-e.html; http://www.mercedes-benz.hu.
TétékásNyúz 4315_tudnyuz_05.indd 13
2012.01.09. 11:33:19
14
Tétékás Nyúz Deformációk a Mikrovilágban Mikropillárok mechanikai tulajdonságainak vizsgálata A szilárd testek rugalmatlan alakváltozását jól leíró fizikai jelenségre először a XX. század elején figyeltek fel. Ez volt a diszlokáció, amelyet Orován, Polányi és Taylor 1934-ben sikeresen alkalmaztak a képlékeny alakítás kvantitatív vizsgálatára. A diszlokáció egydimenziós rácshiba (azaz vonalhiba). A diszlokációk tulajdonságainak vizsgálatával, az anyagok plasztikus deformációját és az ehhez kapcsolódó egyéb fizikai jelenségeket tudjuk leírni. Az évek során sikerült a diszlokációk feszültségterét és kölcsönhatásukat is meghatározni, ezáltal lehetőséget kaptunk az anyag deformáció közben történő mozgásának megértésére. Minél több diszlokációt (és egyéb rácshibát) tartalmaz az anyag, annál keményebb, hiszen a diszlokációk túlzsúfolódnak, és nem képesek egymástól mozogni. Egy jól kilágyított anyag azt jelenti, hogy kevés benne a diszlokáció, a keresztmetszet 1 cm2-nyi felületét ~106 diszlokáció döfi át. A vonalhibák ilyen nagy száma ad okot arra, hogy mozgásukat a termodinamikához hasonlóan, statisztikus fizikai eszközökkel vizsgáljuk. Az elméleti fizikai kutatások mellett lehetőségünk van az anyag számítógépes modellezésére, azaz számítógépekkel szimulálhatjuk az atomok mozgását deformáció közben, képet kapva azok és a diszlokációk mozgásáról. Ma már képesek vagyunk néhány száz nanométeres anyagok atomi szintű modellezésére is. Az elektronmikroszkópok és a legújabb kétsugaras pásztázó elektronmikroszkópok elterjedésével, lehetőség
1. ÁBRA: FEI QUANTA 3D DUAL BEAM ELEKTRONMIKROSZKÓP
nyílik az anyag nanométeres nagyságrendű megmunkálására, megfigyelésére. Más anyagfizikai kísérleti eszközök is léteznek (például nanokeménységmérő, nanoindenter), amelyek hasonló méretekben végeznek fizikai vizsgálatokat. Mint azt észrevehetjük a kísérleti és szimulációs méretek összeértek. A szimulációk az elméleti megfontolások alapján készülnek, megkaptuk a lehetőséget, hogy az elméleteinket közvetlenül kísérleti úton ellenőrizzük, alátámasszuk. Az ELTE TTK új mikroszkópja, FEI Quanta 3D FEG kétsugaras, ami azt jelenti, hogy nem csak elektronforrással rendelkezik, hanem ionforrással is. Mindkét nyaláb alkalmas mikroszkópi kép készítésére, emellett az ionnyalábbal a minta felülete megmunkálható, mikropillárok is készíthetőek vele. A fókuszált ionnyaláb (későbbiekben FIB) működési elve teljesen hasonló, mint a pásztázó elektronmikroszkópé (későbbiekben SEM). A gallium ionokat elektromos tér gyorsítja a kiválasztott energiára, és mágneses lencsék fókuszálják a minta felületére, amit az így kialakított nyalábbal pásztázunk. FIB esetében a forrás kicsit más, mint SEM esetében: volfrám anyagú gallium tartályhoz egy vékony volfrám tű csatlakozik. A felmelegített, folyékony gallium megnedvesíti a volfrám tűt, ahol az úgynevezett kihúzófeszültség ionizálja a tű hegyén összegyűlt gallium atomokat, Ga+ keletkezik, és ezeket a pozitív töltéseket elindítja az elektromos tér az ionoszlopon keresztül a minta irányába. Az ionoszlopban a kiválasztott gyorsító feszültség (2 kV – 30 kV) a kívánt energiára gyorsítja az ionokat, amelyek a mintába ütközve különböző termékeket keltenek. Keletkeznek szekunder elektronok, amelyek mikroszkópi kép készítésére használhatók, szekunder ionok is keletkeznek, amelyek a minta anyagából rugalmasan kiütött ionizált részecskék, ezek is alkalmasak képkészítésre. Elég nagy energiát és áramerősséget választva, a minta anyaga hatékonyan (n
2. ÁBRA: 3 µM ÁTMÉRŐJŰ PLATINA SAPKÁVAL ELLÁTOTT MIKROPILLÁR
· 10µm3-es mennyiségben) porlasztható, eltávolítható. Miért gallium ionokat használunk? A gallium rendkívül jó tulajdonságokkal rendelkezik. Relatíve közepes tömegű, ami miatt a leghatékonyabban porlaszthatja a tőle könnyebb és nehezebb tömegszámú elemeket is. Emellett alacsony, alig 30 ˚C az olvadáspontja, és könnyen túlhűthető, egyszeri felfűtéssel hetekig folyékony marad. Jó tulajdonságai még, hogy nem illékony, viszkózus és nem reagál a volfrámmal. Negatív tulajdonsága, hogy a mintába implantálódik, néha a mintában található réseket is kitölti. Ha később röntgen analízist szeretnénk végezni a kezelt felületen, akkor a galliumot is mérni fogjuk. Valamint amorfizálja az egyébként kristályos minta felületét. A minta anyagától függ, hogy milyen vastag amorf réteg jelenik meg a felületen. Kisebb gyorsító feszültség esetén az amorf réteg vékonyítható, de el nem távolítható teljesen. Vastag amorf réteg jelenléte a felületen akadályozza az EBSD mérést. Sajnos a gallium fogy, egy tartályt kb. 1000 órán keresztül lehet használni. Azonban a FIB olyan méréseket tesz lehetővé, hogy más eljárással nem vagy nehezen lehet elvégezni.
MIRE HASZNÁLHATÓ MÉG A FIB? A szekunder elektronokkal és ionokkal mikroszkópi képet készíthetünk, ezt csak tájékozódásra érdemes használni, mert jó kép készítéséhez hosszabb pásztázási idő kell, és az ionnyaláb roncsolja a minta felületét. A minta felületére különböző anyagokat (platina, szén, szigetelő anyag) választhatunk le. Egy vékony cső megközelíti a mintát, és úgynevezett perkurzor gázt juttat a felület közelébe. Ez szerves gáz, ami elbomlik a leválasztani kívánt anyagra és maradék gázra, amikor találkozik az ionnyaláb-
43. félévfolyam 15. szám 2012. január 11. 4315_tudnyuz_05.indd 14
2012.01.09. 11:33:20
15
Tudományos különszám bal. Az ionnyaláb egy általunk kiválasztott maszk szerint pásztázza a mintát a gáz jelenlétében, így e maszk mentén a kiválasztott anyag a felületre rakódik. Ezt az eljárást használhatjuk nanolitográfiára. FIB-bel készíthetünk olyan bemetszést, amellyel megvizsgálhatjuk a minta keresztmetszetét. Olyan mérést is lehet végezni, amelynek során a keresztmetszeti felületből elporlasztunk egy meghatározott vastagságot, és készítünk egy képet az így kialakult új keresztmetszetről, aztán ismét porlasztunk, majd képet készítünk. Ezt az eljárást Slice ’n’ View-nak nevezzük, a kezdeti paraméterek megadása után egy program automatikusan elvégzi a szeletelést és képkészítést. n · 10µm3-es térfogat ilyen, 3D-s feltérképezéséhez kb. egy éjszaka szükséges. Transzmissziós elektronmikroszkópos (TEM) vizsgálat esetén, a mintát az elektronnyaláb átvilágítja, ezért nagyon vékony mintára van szükség, ennek régi előkészítése hosszadalmas és körülményes. FIB-bel is lehetséges TEM vizsgálatra alkalmas mintát készíteni egyszerűbben és gyorsabban. Ekkor két bemetszést készítünk egymáshoz közel, és a köztük lévő maradék mintát egyre kisebb áramerősséggel vékonyítjuk. Ez lesz a TEM mintánk. Ha elég vékony (<100 nm) a minta, egy nagyon vékony tűt (Omniprobe nanomanipulátor) hozzáérintünk, és szénnel hozzáforrasztjuk. A mintát FIB-bel kivágjuk, a tűvel kiemeljük és a TEM mintatartóra forrasztjuk. Mikropillárokat is FIB-es megmunkálással készítettünk, réz egykristályt porlasztottunk körgyűrű maszk mentén. A porlasztást több lépésben végeztük. Minél nagyobb áramerősséget használunk, annál inkább széttart a nyaláb, a körgyűrű maszkon kívül is porlasz-
3. ÁBRA: UMIS NANOINDENTER
tani fog, ezzel roncsolva a pillárt. Viszont csökkenő áramerősséggel a porlasztás ideje növekszik. Egyre szűkülő körgyűrű maszkokat használtunk. A folyamat néhány kiragadott mozzanata látható az x. ábrán. Ez első képen a pillár számára kijelölt terület látható, illetve a körgyűrű maszk. A külső átmérő 15 µm, a belső 7 µm. A mélységet, a pillár magasságát úgy választottuk, hogy ne haladja meg a pillár átmérőjének négyszeresét. 3 µm átmérőjű pillárokat készítettünk, így a mélység maximum 12 µm lehetett. A második, felülnézeti ábrán látható, hogy a nagyobb áramerősséggel végzett porlasztás után, a pillár formája nem henger, hanem kissé kúpos. Kisebb áramerősséget kellett választani, és a két körgyűrű átmérőjét egyre csökkenteni, amíg a jobboldali ábrán látható 3 µm átmérőjű, henger alakú pillár el nem készült. Miután sok pillárt sikerült kifaragnunk, a következő lépés az egytengelyű
4. ÁBRA: EGY ÖSSZENYOMOTT MIKROPILLÁR
összenyomás elvégzése. Ehhez, az ELTE-n található UMIS típusú nanoindentert használjuk. Ez a műszer szervomotoros és piezoelektromos érzékelőkkel van felszerelve a mintatartó tálca mozgatásához. A tálcát két bázispont között tudjuk mozgatni. Az egyik neve „Indenter” a másiké „AFM” (atomerő mikroszkóp is csatlakoztatható a géphez). Az „AFM” állásra föl van szerelve egy 5 MPixeles digitális CCD kamera. A kamera koaxiális megvilágítással egy 100x-os nagyítású objektívlencsével készít képet a mintáról. Ezzel a mikroszkóppal keressük meg a pillárokat, amelyek átmérője a hajszál átmérőjének 20-ad része. A kamera felbontása az optikailag lehetséges legjobb felbontást súrolja. Az „Indenter” állásban található az összenyomó fej, amely gyémánt végű, csonka kúp alakú, 4 µm végátmérővel.
5. ÁBRA: CU EGYKRISTÁLYON KIFARAGOTT MIKROPILLÁR-SEREG
Az összenyomást erőérzékelők figyelik. A gép megkeresi a minta felszínét és egy előre megadott erőig emeli a nyomóerő nagyságát, majd visszaterhel. Így klasszikus indentációs görbét kapunk, ha egyenes felületre nyomunk. Mikropillárt téve az összenyomó fej alá, hosszú tökéletesítések után tudtuk az első sikeresnek mondott összenyomást elvégezni. Az így kapott görbéken sikerült 1-2 lépcsőt megfigyelni, amelyek elég nagyok voltak. Látható a 3. ábra grafikonján egy kinagyított rész, amely az elektronika hibáját ábrázolja. Ez 0.001 µm, amelynél egy nagyságrenddel nagyobb ugrást a görbén már lépcsőnek tekinthetünk. A mérések során azt tapasztaltuk, hogy a lépcsők eloszlása egy jól definiált átlag körül mozog. Egyéb statisztikai paraméternek is ezt az értéket kaptuk, így lehetőség volt, a folyáshatár definíciójának megújítására, amelyet a görbék átlaga már megad. Tehát, kis méretekben egyetlen mérésből nem tudjuk meghatározni ezt az egyszerű anyagi paramétert, több mérés átlagolására van szükség. További kutatások célja, más anyagokon is belátni az elmélet helyességét és megállapítani a pillárok átmérőjének és a lépcsőkből következő statisztikai szórás kapcsolatát. A SEM/FIB rendszer lehetőségeit tovább bővítve megépíthető egy in situ összenyomó berendezés, amely a vákuumkamrán belül képes a kísérletet végrehajtani. A mikroszkópba szerelt Omniprobe nanomanipulátorral vákuum alatt mozgatjuk a mintát. A külső sérüléseket nagymértékben ki tudjuk zárni, és még kisebb mintákon mérve az effektus még erőteljesebbnek mutatkozik. A számítógépek által vizsgált tartomány és a kísérleti méretek egyre nagyobb átfedésével új kutatási terület nyílik a mikro- és nanomechanika és a nanoelektronika felé. Hegyi Ádám István Ratter Kitti
TétékásNyúz 4315_tudnyuz_05.indd 15
2012.01.09. 11:33:21
16
Tétékás Nyúz A muzsika hangja Zenei terápiák autista gyerekek fejlesztésére Az autizmus elsősorban a szociális, kommunikációs és kognitív készségek zavarában megmutatkozó idegrendszeri fejlődési zavar. Mivel súlyosság tekintetében több szintje fordul elő az említett képességek teljes hiányától a „majdnem normálisig”, ezért autisztikus spektrumzavarként definiálják. A spektrum mentén megjelenő közös tünetek a kölcsönös társas viselkedés és a kommunikáció zavara, illetve a rugalmatlan érdeklődés és viselkedés. A fejlődési rendellenességek hátterében változatos genetikai okok állnak. A betegség kifejlődését a környezet és a nevelési körülmények nem befolyásolják. A tünetek minden esetben megjelennek a harmadik életév előtt. A betegség genetikai és neurológiai okai csak részben ismertek, hatékony gyógyszeres kezelés nem áll rendelkezésre, és lévén, hogy a legtöbb esetben az idegrendszeri zavarok a születés előtt jelentkeznek, lehetséges, hogy ilyet a későbbiekben sem sikerül kifejleszteni. Különböző pszichoterápiás módszerekkel azonban meglepő eredmények érhetőek el. Különösen divatos az utóbbi időben a zenei terápiák alkalmazása.
AZ AUTIZMUSRÓL BŐVEBBEN: NEUROLÓGIAI ÉS GENETIKAI HÁTTÉR Az autisztikus spektrumzavar egy átható, de egyben specifikus idegrendszeri fejlődési zavar. Az érintett agyi területeknek szerepük van a szociális viselkedés, a kommunikáció és a motoros képességek fejlődésében. Összességében elmondható, hogy az autisztikus spektrumzavar az agykérgi idegsejtek rendellenes fejlődésére és kapcsolatrendszerére vezethető vissza, és zavart okoz az információ feldolgozásában. Genetikailag is összetett okokra vezethető vissza az autizmus kialakulása. Eddig még nem azonosítottak általánosan jellemző faktorokat, illetve géneket. Eddig két gén hibáját hozták kapcsolatba az autizmus kialakulásával. Ezek olyan fehérjéket kódolnak, amelyeknek fontos szerepük van a neuronok kapcsolódásában.1
MIÉRT A ZENE? A zenének, illetve a zeneiségnek feltételezhetően jelentős szerepe volt a nyelv és ezáltal a hatékony kommunikáció kialakulásában. Az életmód átalakulása és az anatómiai változások kölcsönösen hatottak egymásra. A szavannákon való élet szükségessé tette a nagy csoportok létrejöttét, aminek következménye volt a szociális kapcsolatok megváltozása: a nagy csoportokban a kurkászás szintű szocializáció, már csak annak időigényessége folytán sem volt megfelelő. Szerepét átvette az irodalomban „vokális kurkászás”-nak titulált jelenség, azaz a hangadással kapcsolatos kapcsolatteremtés. Ez egyben változatosabb is, hiszen a hangmagasság, a hangnem és a ritmus egyaránt variálható benne. A táplálkozás megváltozása következtében átalakult a szájüreg felépítése, ami szintén befolyásolhatta a hangképzést. A két lábon járás olyan anatómiai változásokat eredményezett, amelyek alapvető feltételei voltak a beszéd, illetve az éneklés képességének kialakulásában. Ilyen változások például a gégefő lejjebb kerülése és a légzési kontroll megnövekedése. A két lábon járással átalakult a medence is. A keskeny medence megnehezíti a nagy fejtérfogatú utódok világra hozását. A gyermekek védtelenül jöttek világra, aminek következtében az anya–gyermek kapcsolatnak erősödnie kellett. Ez elősegítette a dajkabeszéd kialakulását. A humán populációk szétterjedése az új élőhelyek környezeti hangjainak, például a különböző madárénekeknek a megismerését és utánzását tette lehetővé. A kommunikáció fontos volt a vadászatban is, ennek okán jelenhettek meg a zenei rituálék, amik lehetővé tették az érzel-
mek kifejezését és a csoportidentitás erősítését. A beszéd megjelenése előtt létezhetett egy úgynevezett proto-zenei nyelv, ami lényegében egyfajta hümmögésként képzelhető el. Ez elsősorban a hangmagasság, a ritmus és hangnem változtatásán alapult. Ez a proto-zenei nyelv frázikus lehetett, azaz inkább frázisokat, motívumokat tartalmazott, mint szavakat. Ez inkább jellemző a zenére, mint a beszédre. Valószínűleg célja sem az információátadás volt, hanem a társak viselkedésének befolyásolása. Igénybe vette a testbeszédet is és nagy arányban tartalmazott a környezetből átvett hangokat. Feltételezhetően ilyen nyelvet használtak a neandervölgyi emberek is. Ebből a „hümmögő” nyelvből ágazhatott szét a nyelvtani szabályokra épülő modern nyelv és a zene. A zene adaptációs szerepe a nyelv megjelenésével lecsökkent, megmaradt azonban mint az érzelmek és a csoportidentitás kifejezésének eszköze.2 Látható tehát, hogy a zeneiségnek az evolúció során jelentős szerepe volt, illetve kihathatott az anatómiai fejlődésre is. A zene érzékelésére, feldolgozására és a zenei hangok kiadására való képesség ősi, elsősorban a szocializációban szerepet játszó adaptáció. Nem véletlen tehát, hogy a zenei terápiák olyan divatosak manapság. Egy olyan, az egész személyiségre kiterjedő fejlődési zavarra, mint az autizmus – amelynek fő tünete a kölcsönös szociális interakciókra való teljes vagy részleges képtelenség – a „zenei beavatkozásoknak” pozitív hatása lehet.
A KAPCSOLT FIGYELEM ÉS AZ IMPROVIZÁCIÓ A „kapcsolt figyelem” (a szakirodalomban joint attention) a figyelem szociális koordinálását jelenti egy másik személlyel és egy harmadik
43. félévfolyam 15. szám 2012. január 11. 4315_tudnyuz_05.indd 16
2012.01.09. 11:33:21
Tudományos különszám objektummal kapcsolatban. Tipikus példája amikor a partner rámutat egy tárgyra és követjük tekintetünkkel az irányt. Ennek a képességnek a fejlődésében az autista gyerekek két éves koruk környékén már komoly lemaradást mutatnak. Ez fontos lehet az autizmus korai diagnosztizálásában. A kapcsolt figyelem rendkívül fontos a tanulás folyamatában és a kommunikáció, a beszéd kialakulásában is.3 Iskolás kor előtt lévő autista gyerekeken vizsgálták improvizációs zenei terápia hatását a kapcsolt figyelemre. A tanulmányban különböző súlyosságú autizmussal élő gyerekek vettek részt. A kísérlet 12 hétig tartott, heti 30 perc hangszeres zenei terápiából állt, amelynek első felében a gyermek szabadon játszhatott. A második 15 percben a terapeuta irányította a játékát. A kontrollt hasonló körülmények között folytatott játékterápia adta. A terápia pozitívan hatott a vizsgálatban résztvevő gyerekek kapcsolt figyelmének fejlődésére. Ilyen hatás volt például, hogy megnövekedett a spontán szemkontaktus felvétele, illetve annak fenntartása. Néhány beszédképtelen gyerek esetén megindult a beszéd fejlődése. Az elért eredmények azonban nem voltak egységesek.4
ZENÉS TÖRTÉNETEK Bevett terápiás módszer az autisztikus spektrumzavarban szenvedők szociális képességeinek javítására az úgynevezett „szociális történetek” használata. Ezek a történetek egy mindennapi szituációt írnak le a gyerek szemszögéből. Egy példa: Ha elmegyünk a cipőboltba, ott sok cipő lesz, amelyek közül választani lehet. Lehet, hogy nem fogom tudni, melyik cipőt szeretném. Ez mindenkivel előfordul. Nyugodt tudok maradni, amíg döntök. Ha döntöttem a cipőről, elmondom a felnőttnek, aki velem van. A felnőtt megveszi nekem a cipőt. Ezek a történetek segítenek a gyerekeknek feldolgozni és megérteni a napi rutinban bekövetkezett változásokat, vagy az esetleges hasonló jellegű szociális szituációkat. A szociális történetek általában szöveges vagy képkártyás formában kerülnek átadásra, és bizonyítottan használnak a fejlődésben. Történtek vizsgálatok azzal kapcsolatban, hogy hogyan hat
a hatékonyságra, ha a történetet nem olvastatják, hanem elénekeltetik a gyerekekkel. A vizsgálatban beszédképes általános iskolás autista gyerekek vettek részt. A történetekhez írt dallamok egyedileg lettek komponálva minden esetben. A terápia során felváltva használták a hagyományos és az éneklős módszert. A vizsgálat eredménye azt mutatta, hogy a zenei adaptáció legalább olyan hatékony, mint a hagyományos, eltérést azonban nem sikerült kimutatni. Ennél jelentősebb eredményt jelent, hogy az egyik fiú a megtanult történet részleteit egy másik zenei terápián, ahol hangszeren játszottak, spontán elkezdte énekelni.
Ennek a jelenségnek a vizsgálata fontos lehet, hiszen a gyakorlatban a szociális szituációkban az egyik akadályt a tanultak előhívása jelenti. A terápia módosítható például gyermekdalokból ismert dallamok alkalmazásával. Ez megkönnyítheti az előhívást.5
DALOK A REGGELI RUTINBAN A csoportterápiás programokon nem csak autista gyerekeknél jelent sokszor problémát az osztályba való megérkezés reggelente. Sok gyerek sírásban tör ki és toporzékol, ami a csoporttársakból is gyakran hasonló viselkedést vált ki. Az autista gyerekek ráadásul nem értik az olyan szimbolikus jeleket, mint például az integetés, amelyek segíthetnének az elválásban. Ezt a problémát próbálták kiküszöbölni a reggeli megérkezés rutinjához kapcsolt dalokkal. A gyerekeknek saját, személyiségükhöz illő dalt írtak, amelyet a megérkezéskor játszottak el. Korábban miután a szülő bekísérte a gyermeket, feliratos képek segítségével hozták a búcsút a gyerek tudomására. Hasonló módon szólították fel a többiek üdvözlésére és arra, hogy csatlakozzon a többiekhez a játékban. Ezt váltotta fel a személyes dal lejátszása, melynek szövege tartalmazta az „instrukciókat”. A terá-
piát két három év körüli, beszédben limitált fiún alkalmazták. Az egyik fiú esetében a módszer hatásos volt, míg a másik fiúnál nem sikerült javulást elérni.6
17
ÖSSZEFOGLALÁS Az autisztikus spektrumzavar legjellemzőbb sajátsága a kölcsönös kommunikáció, illetve a kölcsönös szociális interakciók hiánya, illetve zavara. Az autizmus súlyosabb eseteiben terápiás kezeléssel érhetőek el eredmények. Az idegrendszer – főleg gyermekkorban – rendkívül plasztikus, tanulással még atipikus fejlődés esetén is javítható működése. A kölcsönös kommunikáció azonban rendkívül fontos a tanítás-tanulás kettős folyamatában is. A ritmus és így a zene szociális szinkronizációs szerepe segítheti a terápiás hatékonyságot. Teljes gyógyulás ezekkel a módszerekkel, tekintve az autizmus összetett genetikai és fejlődéstani hátterét, nyilvánvalóan nem érhető el, de az életminőség kisebb-nagyobb mértékű javulása jelentősen megkönnyítheti mind a beteg, mind a szülők helyzetét. A betegség korai diagnosztizálása fontos, hiszen kisgyermekkorban jobb eredmények érhetőek el. Zenei terápiákkal alkalmazásával, illetve zenei és a hagyományos módszerek ötvözésével sok esetben jelentősebb fejlődés érhető el, azonban a terület még viszonylag gyerekcipőben jár, további kutatások szükségesek. SzJE
IRODALOMJEGYZÉK: 1 Robert T. Schulz; David S. Mandell; Susan E. Levy. Lancet, 2009. 2 Steven Mithen. Annals of the New York Academy of Sciences, 1169:3_12, 2009. 3 Fabienne B. A. Naber;Marian J. Bakermans-Kranenburg; Marinus H. van IJzendoorn; Claudine Dietz; Emma va Daalen; Sophie H. N. Swinkels; Jan K. Buitelaar; Herman van Engeland. European Child and Adolescent Psychiatry, 17(3):143_152, 2008. 4 Jinah Kim; Tony Wigram; Christian Gold. Journal of Autism and Developmental Disorders, 38(9):1758_1766, 2008. 5 Mike D. Brownell. Journal of Music Therapy, 39(2): 117_144, 2002. 6 Petra Kern; Mark Wolery; David Aldridge. Journal of Autism and Developmental Disorders, 37(7):1264_1271, 2007.
TétékásNyúz 4315_tudnyuz_05.indd 17
2012.01.09. 11:33:22
18
Tétékás Nyúz Folytassa, Mengyelejev! A periódusos rendszer múltja, jelene és jövője a szupernehéz elemek tükrében Bizonyára sokunk emlékezetében élénken él még az általános és középiskolai kémia órák egyik állandó szereplője, a periódusos táblázat. Az elmúlt időszakban ez a nagyszerű „találmány” két új taggal bővült, magára irányítva ismét a civil és kutatói társadalom figyelmének reflektorfényeit. Életünk minden pillanatában körülvesznek minket a kémiai vegyületek, amelyek atomokból, elemekből épülnek fel. Az újabb és újabb alkotóelemek felfedezésével az adott kor tudósai igyekeztek rendszert vinni az egyre jobban felhalmozódó ismeretanyagba és különböző tapasztalati szempontok alapján csoportok alkotásába kezdtek, így megszülettek a félfémek, fémek és nemfémek.
TÖRTÉNETI ÁTTEKINTÉS Az első komolyabb összefüggéseket Johann Wolfgang Döbereiner német kémikus fedezte fel 1828-ban, aki az atomtömegek közötti kapcsolatok alapján az elemeket hármas csoportokba, úgynevezett triádokba sorolta. Pár évvel később az angol John Newlands észrevette, hogy az elemeket sorba állítva minden nyolcadik hasonló tulajdonságot mutat, megalkotva az oktávok törvényét. Az igazi áttörés azonban 1869ben következett be, amikor Dmitrij Mengyelejev orosz kémiaprofesszor
DMITRIJ IVANOVICS MENGYELEJEV
és Lothar Meyer német kémikus egyszerre, de egymástól függetlenül, az elemeket az atomtömegük szerint táblázatba helyezte. A sors véletlen egybeesése, hogy mindketten Robert Bunsen tanítványai voltak Heidelberg városában. A fő cél egy olyan rendszer megalkotása volt, amely jól mutatja az elemek tulajdonságai között visszatérő jellegzetességeket. Meyer érdeme abban rejlett, hogy felismerte a periodikus viselkedést, ám ő ezt kizárólag az atomtérfogat számlájára írta.Mengyelejev más megközelítés felé indult el és az atomsúlyt tekintette releváns tényezőnek.
A PERIÓDUSOS RENDSZER Az addig ismert 60 elem közül néhányat a sorrendtől eltérően helyezett el, hogy tulajdonságaik megfelelőbben igazodjanak a szomszédjaikéhoz, azonban ezek után sem volt tökéletesen precíz a táblázat. Ekkor úgy döntött, üres helyeket hagy benne és megjósolja az ezekre kerülő atomok tulajdonságait és tömegét. Az ismeretlen elemeket az ekaelőnévvel jelölte. Az általa kidolgozott rendszert rengeteg támadás érte, sokan a miszticizmus lenéző jelzőjével illették az elgondolást. A kétkedőket a rejtélyes „eka-Al”, mai nevén gallium (Ga) 1875-ös felfedezése győzte meg, ami pontosan a Mengyelejev által megjövendölt tulajdonságokat mutatta. Az elemeket az atommagban jelenlévő protonok alapján (rendszám) Henry G. Moseley angol fizikus rendezte sorba 1914-ben. Mengyelejev munkásságát az utókor már méltó módon honorálta, beválasztották egyetlen oroszként a 12 legnagyobb tudós közé.
LOTHAR MEYER
ROHAMOS FEJLŐDÉS A 20. század beköszöntével a kémia tudománya nagy ugrást hajtott végre, felfedezték a korábban nem ismert elektronszerkezetet, amelynek köszönhetően bebizonyosodott, hogy az elemek periodikus változásának valódi oka a növekvő atomtömeg helyett a rendszám és az atomok elektronkonfigurációjának, azaz az elektronok elrendeződésének módosulásában keresendő. A periódusos rendszer felfedezésének idején az ismert elemek száma csekély volt, mind a nemesgázok, mind a 6. periódus lantanidái és a 7. periódus tagjai ismeretlenek voltak. Ma már azonban közel kétszer annyi elemet találunk a táblázatban, a korábban még nem ismert csoportokkal és periódusokkal együtt.
A SZUPERNEHÉZ ELEMEKRŐL 2011. december 5-én a kémikusok nemzetközi szervezete két új szupernehéz (transzaktinoida) elemmel bővítette a periódusos táblázat népes tagjainak számát. A fleroviumot és livermoriumot még 2004-ben, illetve 2006-ban hozták létre a Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium (Kalifornia, Egyesült Államok) és az Egyesített Atomkutató Intézet (Dubna, Oroszország) munkatársai. A szupernehéz elemek földi körülmények között a természetben nem találhatóak meg, magfúzióval a csillagok belsejében születnek, illetve szintetikusan hozzák létre nagy energiájú
43. félévfolyam 15. szám 2012. január 11. 4315_tudnyuz_05.indd 18
2012.01.09. 11:33:22
19
Tudományos különszám atomok ütköztetésével részecskegyorsítóban. Rendszámuk 104 és 118 között mozoghat, de közéjük soroljuk a jelenleg még nem ismert 119-es és 120-as rendszámú elemet is. A radzerfordium a legalacsonyabb protonszámú transzaktinoid elem, először a szovjetek hozták létre 1966ban, majd ezt 1973-ban az amerikaiak megismételték. Jellemző volt az akkori hidegháborús viszonyokra, hogy az elem elnevezésén a két kutatócsapat hajba kapott.
A vita végére 1997-ben az IUPAC (Tiszta és Alkalmazott Kémia Nemzetközi Uniója) tett pontot az amerikai tudósok által javasolt megnevezés elfogadásával.
ELKÉPZELÉSEK A JÖVŐRŐL A szupernehéz elemeket korábban szokatlanul rövid felezési idejű radioaktív részecskéknek hitték. A modern fizika szerint azonban az atommag héjszerkezete lehetőséget biztosít hosszú felezési idejű szupernehéz elemeknek is. Ezek a stabilitási szigeteken találhatók. Mivel rendkívül kevés keletkezik belőlük és nagyon hamar szétesnek, nagy nehézséget igényel az észlelésük, ráadásul előállításuk komoly összegeket emészt fel, ezért a tudomány jelenlegi állása szerint a gyakorlati hasznosítás elképzelhetetlen. Kutatásukkal kilenc európai és egy ázsiai laboratóriumból álló szervezet, az SHE Laboratory hálózata foglalkozik.
A nyerő 21 Játssz értékes nyereményekért a Tétékás Nyúz Tudományos különszámával! Tudományos különszámunkban rendhagyó rejtvénnyel kedveskedtünk nektek, hogy felfrissítsük a januári vizsgák során megfáradt agytekervényeiteket. A játék nehézsége miatt a beküldők között a szokásos csokik helyett értékes tárgynyereményeket sorsolunk ki! A kezetekben tartott kiadvány minden cikkét alaposan olvassátok el, ezekben szinte az összes választ meglelhetitek, de ne aggódjatok, a többi is megválaszolható rövid internetes kutakodás után. Megfejtéseiteket a foszerkeszto@ ttkhok.elte.hu e-mail címre küldjétek január 31-ig. A legalább 17 helyes választ beküldők között az alábbi nyereményeket sorsoljuk ki: 1. díj: Krysis társasjáték, illetve Brett Harrison: Édentől nyugatra és Ken MacLeod: Kozmonauták vára című könyvei; 2. díj: Brett Harrison: Fagyos éden és Clive Barker: Abarat című könyvei; 3. díj: Robert Ferrigno: Ima egy bérgyilkosért című könyve. A nyerteseket e-mailben értesítjük. Jó játékot és sikeres vizsgaidőszakot kíván a Tétékás Nyúz szerkesztősége!
1) Melyik városban található az Egészségügyi Világszervezet (WHO) központja? 2) Honnan került Európába a parlagfű? 3) Melyik Oscar-díjas filmben játszott Dustin Hoffmann autista karaktert? 4) Ki találta fel a tépőzárt? 5) Mi az MRSA baktérium köznapi neve? 6) Mit jelent a kapcsolt figyelem? 7) Mit takarnak a FIB és a SEM rövidítések?
Természetesen az élet a transzaktinoidáknál sem áll meg, a tudósok már a 121-es rendszám feletti elemek, a szuperaktinoidák létrehozásának elméleti lehetőségeivel foglalkoznak. Ebből is látszik, hogy a táblázat még tovább bővíthető és ennek a progresszív folyamatnak az egyetlen gátját a technikai korlátok jelentik. Az emberi leleményességet és olthatatlan tudásszomjat ismerve azonban a korlátok áttörése már csak idő kérdése. Stvorecz Adrián 10) Mely rendszámok közötti kémiai elemek a transzaktinoidák? 11) Miért veszélyes a kínai razbóra? 12) Melyik kémiai elem felfedezése igazolta Mengyelejev periódusos rendszerét? 13) Mit jelent magyarul az olasz eredetű travertínó szó? 14) Hány °C a teflon olvadáspontja? 15) Hogyan lehet védekezni a spanyol csupaszcsiga és a barna nagy csupaszcsiga elterjedése ellen? 16) Melyik baktérium vizsgálata során fedezte fel Sir Alexander Fleming a penicillint? 17) Milyen mészkövet használtak fel a Parlament borításához? 18) Miért a bőröndhal alakjáról formázta egyik autóját a Mercedes? 19) Mit jelent a diszlokáció kifejezés?
8) Mióta árulnak mikrohullámú sütőt?
20) Mi a volfrám rendszáma és vegyjele?
9) Melyek a horizontális géntranszfer típusai?
21) Ki és mikor szabadalmaztatta a gumi vulkanizálásának eljárását?
TétékásNyúz 4315_tudnyuz_05.indd 19
2012.01.09. 11:33:23
4315_tudnyuz_05.indd 20
2012.01.09. 11:33:27