Noteikti daudzi atceras to, kā bērnībā, spēlējoties ar magnētiem, pārbaudījām dažādas sadzīves lietas un to pievilkšanās spēku. Bet kā būtu, ja zinātnieki atrastu veidu, kā ar magnētisko baktēriju pārvietošanos nogādāt medikamentus tieši uz nepieciešamo vietu cilvēka organismā, apejot nevēlamu iedarbību uz citām ķermeņa daļām? Šāda pieeja varētu pavērt jaunas iespējas mērķtiecīgai ārstēšanai, mazinot blakusparādības un uzlabojot dažādu terapiju efektivitāti.
Tieši to pētīja Latvijas Universitātes zinātnieki Latvijas Zinātnes padomes administrētā fundamentālo un lietišķo pētījumu programmas (FLPP) projekta “Bioloģiski motivēti aktīvo sistēmu modeļi elektromagnētiskā laukā” ietvaros. Pētnieku komanda, profesora Andreja Cēbera vadībā, pētīja, kā dažādas vielas un organismi reaģē uz magnētisko lauku, izmantojot iepriekš pētītos un publicētos aprēķinus, lai izskaidrotu, kā notiek vielu un organismu reakcija. Veicot dažādus eksperimentus, tika pierādītas jau esošās, kā arī papildnātas pētnieku izvirzītās teorijas.
Viens no būtiskākajiem atklājumiem saistīts ar baktērijām, kas magnētiskā lauka ietekmē veido spietus un pārvietojas.
“Dzīvā dabā ir dažādi putnu, zivju, bišu un citu dzīvnieku spieti. Kā dzīvi organismi var reaģēt uz magnētisko lauku, ja kopš bērnības atceramies, ka mūsu pašu pirksts bieži vien bija tas, kas bloķēja metālu pievilkšanos pie magnēta? Pētījuma laikā izdevās atklāt, ka arī upes ūdenī pastāvošās baktērijās, kas nav kaitīgas cilvēka veselībai, atrodas magnētu gabaliņi.”
Tieši tie nosaka baktēriju kustību un virzienu magnētiskajā laukā, kas atgādina kompasa adatai līdzīgu kustību. Magnētisko lauku var saskatīt pēc tā iedarbības uz apkārtējiem ķermeņiem. Divi magnēti pievelkas, jo reaģē uz otra magnēta radīto lauku.
Zinātnieki atklāja, ka uz magnētisko lauku reaģē dažādas vielas un organismi. Uzdevums bija piefiksēt šīs kustības, pamanīt likumsakarības un panākt, lai šī kustība noteiktā magnētu novietojumā atkārtotos precīzi tāpat ik reizi, kad notiek eksperiments. Pētnieki izmantoja matemātiskos modeļus un eksperimentus, lai izpētītu, kā magnētiskais lauks var ietekmēt dažādu sistēmu uzvedību, piemēram - magnētisko šķidrumu īpašības. Tieši šķidrumi sākotnēji norādīja uz atkārtotām kustībām magnētiskajā laukā. Šķidrumu pilieni pateicoties magnētiskajām iedarbībām veidoja dažādas formas un pat labirintus. To veidošanās saistīta ar sarežģītiem matemātiskiem aprēķiniem, kuru algoritmu izstrāde arī bija viens no projekta mērķiem.
Kāpēc ir jākustina magnētiskas daļiņas, ja mēs jau zinām, ka magnēts tās pievelk?
Pētījumā bija svarīgi izprast dažādu daļiņu kustību, lai noteiktu veidu, kā ar magnētu palīdzību kontrolēt to kustību. Jau iepriekš pavīdēja dažādas zinātniski fantastiskās idejas par čipu ievietošanu cilvēku ķermenī. Tā, lūk, atklājums par magnētisko baktēriju kustību likumsakarībām ļautu mums kontrolēti ievadīt un noteikt kādas vielu atrašanās pozīcijas mūsu organismā. Latvijas pētnieki skaidroja, kā līdzīgi var kontrolēt mikroskopiskus objektus, piemēram, baktērijas vai magnētiskās daļiņas, izmantojot magnētisko lauku.
Zinātnieki izstrādāja un eksperimentāli pārbaudīja aktīvu sistēmu reakciju modeļus elektromagnētiskajā laukā. Šīs sistēmas var būt dažādas vielas un organismi, piemēram, magnetotaktiskās baktērijas, magnētiskās daļiņas un lokanas feromagnētiskās stīgas (garas, elastīgas struktūras, kuru sastāvā ir sīku magnētu daļiņas). Pētnieki izmantoja matemātiskos modeļus, lai aprakstītu šo sistēmu uzvedību un prognozētu to reakciju uz ārējiem faktoriem, īpaši magnētisko lauku. Viņi mainīja magnētu atrašanās laiku, veidoja magnētu kustības īpašā mikroskopā. Pētījuma objekti veidoja konkrētas formas, stiepās atkarībā no magnētu novietošanas, arī lietu kustībās bija novērojuma atkārtošanās. Tāpēc, lai to visu sastrukturizētu, bija jāizveido universāli fizikāli modeļi, kas varētu izskaidrot un kvantitatīvi aprakstīt novērojamās parādības.
Pētījuma process pārsvarā notika laboratorijā, kur notika šo lietu kustību fiksācija. Daudz laika aizņēma mainīgo faktoru pielāgošana, lai atkārtotu precīzas kustības, ko paredz projektā izveidotais parādību modelis. Tas noteikti nav viena zinātnieka darbs. Komanda jau iepriekš pētīja magnētiskās vielas, šoreiz, pateicoties, šo baktēriju atklājumam, projekta ietvaros tika piesaistīti arī biologi.
Viens šis baktēriju iegūšanas stāsts atklāj to, cik dažāds ir pētnieku darbs. Lai noskaidrotu, vai Latvijā ir sastopamas magnētiskās baktērijas, zinātnieki devās ekspedīcijā uz Ogri.
Tieši no Ogres upes dzīlēm tika izņemtas šīs baktērijas, kuru organismā ir mikroskopiskas magnētisko daļu virknes. Šīs baktērijas dzīvo tumšā vietā, kurā ir maza skābekļa koncentrācija – upes smilts gultnē. Paņemot upes ūdens paraugu, baktērijas bija “jāizvilina” no smiltīm, tieši tas tika panākts ar magnētiem. Un tad jau ūdens paraugu ar baktērijām varēja skatīt mikroskopā un pētīt šo organismu kustību.
Rezultātā zinātnieku grupa izstrādāja jaunus modeļus, lai iegūtu kvantitatīvus secinājumus no formulētiem modeļiem aktīvo sistēmu uzvedību.
Magnētisko šķidrumu kustību magnētiskajā laukā Latvijas pētnieki ir pētījuši kopš pagājušā gadsimta 80. gadiem. Tomēr regulāri eksperimenti ļāva nonākt līdz atklājumam par bioloģiski motivētu aktīvo sistēmu kustību. Ik reizi, atgriežoties pie sākotnēji izstrādātajām formulām, pētnieki atrod jaunus risinājumus, jaunas īpašības, jaunas kustību trajektorijas. Šī stāsta pamatā ir arī veiksme un nejaušība. Pētīšanas procesā atklātās magnētisko sistēmu kustības ir jāpierāda, tām ir jāatkārtojas, tās jāpierāda dažādu faktoru ietekmē, dažkārt eksperimentu rezultāti mēdz norādīt uz risinājumiem, kas līdz šim nav bijuši izpētīti, un tie var atklāt fizikālās parādības, kas būtiski ietekmēs mūsu nākotni.
Ir būtiski, ka eksperimentā atklātās sistēmu īpašības atkārtojas, zinātnieki to fiksē modeļos un zinātniskajos darbos, tad to var pierādīt uz izmantot citās nozarēs. Un turpināt strādāt pie citiem zinātnes saistītiem jautājumiem.
Ko mainīs fizikas formula?
Lai gan ceļš līdz gala rezultātam varētu šķist tāls, pētnieki prognozē, ka padarītais darbs varētu veicināt medicīnas attīstību. Viena no šī brīža būtiskākajām problēmām ir zāļu blakusparādības un ietekme uz mūsu aknām. Visbiežāk medikamenti tiek uzņemti kā norijamas tabletes vai injekcijas ceļā. Šāda pieeja negarantē zāļu precīzu nonākšanu pie tiem orgāniem, kuriem nepieciešama ārstēšana. Turklāt zāļu ietekme uz mūsu aknām ir diezgan negatīva. Jau tagad pētnieki turpina strādāt pie magnētisko baktēriju īpašībām, kas ļautu tām vai līdzīgi izveidotiem organismiem “piekabināt” medikamentus. Ņemot vērā, ka atklātās baktērijas nav kaitīgas cilvēka veselībai, nākotnē varētu testēt šo baktēriju vadītu medikamentu nogādāšanu uz konkrētu vietu cilvēka ķermenī. Lai to noskaidrotu un izpētītu būs nepieciešama daudzu citu nozaru pētnieku iesaiste.
Nav nepieciešama papildu enerģija, baterija, kas darbinātu šādas baktērijas. To kustība ir kā enerģijas motors, kuru darbina magnētiskais lauks.
Šis pētījums atklāj jaunas iespējas un izaicinājumus, kas var mainīt mūsu izpratni par tehnoloģiju un tās pielietojumu nākotnē. Zinātnes un inovāciju ceļš ir pilns ar nezināmo, taču tas ir tieši tas, kas padara to tik aizraujošu un nozīmīgu. Katrs solis rada pamatu jauniem sasniegumiem, kas var uzlabot mūsu dzīves kvalitāti un palīdzēt risināt globālas problēmas, piemēram, uzlabot veselības aprūpi un vides aizsardzību.
Šeit, Latvijā, zinātnieki aktīvi pēta magnētisko baktēriju kustību, citi zinātnieki pēta, kā samazināt zāļu fizisko izmēru, nezaudējot ārstniecisko vielu koncentrāciju un īpašības. Aktīvs darbs katrā no nozarēm gala rezultātā aivedīs pie tā, ka tiks atklāts veids un iespējas, piemēram, kā nogādāt zāles cilvēka organismā konkrētā vietā, izmantojot dabā sastopamas parādības. Izprotot, kā magnētiskais lauks var manipulēt un kontrolēt bioloģiskos procesus, mēs varam iztēloties nākotni, kurā varam izmantot šo spēku, lai izstrādātu inovatīvas terapijas, progresīvus materiālus un revolucionāras tehnoloģijas. Atklājumu ceļojums ir tikai sācies, un šī pētījuma potenciālais ietekme ir patiesi bezgalīga.
Projekts “Bioloģiski motivēti aktīvo sistēmu modeļi elektromagnētiskā laukā” (lzp-2020/1-0149) tiek īstenots Fundamentālo un lietišķo pētījumu (FLPP) programmā. Finansē Latvijas Zinātnes padome.
