Nors dirbame su mikroorganizmais ir kitomis ląstelėmis kaip chemijos ir biologijos inžinieriai, nė vienas iš mūsų iš tikrųjų nėra bandęs laboratorijoje jų sutraiškyti. Vienas iš mūsų yra baigęs fizikos mokslus ir tyrinėja mechanines jėgas biologijoje, o kitas genetinės inžinerijos metodais kuria mikroorganizmus ir augina juos biodegalams bei kitoms cheminėms medžiagoms gaminti, iflscience.com rašo mokslininkai Ashokas Prasadas ir Kennethas F. Reardonas. Pamanėme, kad galėtume išsiaiškinti atsakymą.
Jėgos ir slėgiai
Pagalvokime, kas atsitinka, kai ant ko nors užlipame. Bet kuriuo atveju, kai stumiame ar traukiame kokį nors objektą, jį veikia jėga. Tai, kas vyksta po to, priklauso nuo jėgos, kurią įdedame, ir nuo
paties objekto savybių. Jėga, kuri patiriama nuo žmogaus žingsnio, daugiausia yra sukelta jo kūno svorio. Taip pat svarbus yra plotas, kuriame ši jėga pasiskirsto, nes nuo to priklauso slėgis. Ši dalis apie plotą yra svarbi, nes tai paaiškina, kodėl su sniegbačiais galite eiti per sniegą, o su paprastais batais – įsmuktumėte.
Slėgį galima apskaičiuoti dalijant objekto svorį iš jo ploto. Jei jūsų pėda yra maždaug 18 cm ilgio ir 10 cm pločio, vadinasi, jos paviršiaus plotas bus lygus 180 kvadratinių centimetrų. Jei sveriate 50
kilogramų, jėga, kuria veikiate vieną kvadratinį centimetrą, bus lygi maždaug 277 g vienam kvadratiniam centimetrui.
Palyginimui: oro, arba atmosferos slėgis jūsų kūnui jūros lygyje siekia 1 kg vienam kvadratiniam centimetrui. Atmosfera jus spaudžia kur kas labiau, nei jūsų pėda žemę, tik jūs to nejaučiate, nes ją
atsveria vidinis oro slėgis jūsų kūne.
Užlipimas ant mikrobo
Taigi, kas atsitinka bakterijos ląstelei, kai mes ją prislegiame savo pėdos jėga? Bakterijos būna įvairių formų, pradedant sferomis ir baigiant lazdelėmis bei spiralėmis. Bakterijų ląstelės turi sieneles, kurios saugo jų gelinį vidų nuo aplinkos poveikio. Kiek tvirtos yra bakterijų ląstelių sienelės ir ar jos gali atlaikyti mūsų žingsnio jėgą?
Mokslininkai yra tyrinėję bakterijų ląstelių sienelių tvirtumą dėl kelių priežasčių, įskaitant norą išsiaiškinti, ar didelis slėgis gali sunaikinti bakterijas. Maisto pramonėje dirbantys žmonės naudoja
aukštą slėgį, kad tokie maisto produktai kaip pienas būtų saugūs vartoti.
Norėdami nustatyti bakterijų sienelių tvirtumą, mokslininkai įvairiomis priemonėmis bandė išmatuoti jų ribinį tempimo stiprį, t. y. didžiausią slėgį, kurį daiktas gali atlaikyti prieš subyrėdamas.
Tai galima padaryti, pavyzdžiui, patalpinus bakterijas į sandarų indą ir greitai didinant slėgį, kol jos susprogsta.
1985 metais atlikto tyrimo metu paaiškėjo, kad norint susprogdinti salmoneles, reikėjo
106 kg slėgio į vieną kvadratinį centimetrą, o vėlesni eksperimentai parodė, kad įprastai dirvožemio bakterijai Bacillus subtilis susprogti reikia apie 1 34,6 kg slėgio į vieną kvadratinį centimetrą. Tai
kelis šimtus kartų didesnis slėgis, nei mūsų batai sukelia šaligatviui ir bet kokiems ant jų gulintiems mikrobams.
Jei norite geriau suvokti šiuos skaičius, įsivaizduokite pakankamai didelę bakteriją, kad ant jos galėtų atsistoti žmogus. Jei ji turėtų sieneles, kurios savo stiprumu prilygtų salmonelėms, ant jos
vienu metu galėtų atsistoti daugiau kaip 350 žmonių, sveriančių po 50 kg. Nors kai kuriose srityse, pavyzdžiui, maisto perdirbimo sferoje, didelis slėgis gali sunaikinti bakterijas, vienas ant jų
užmynęs žmogus nieko nepadarys.
Išsigelbėjimas grioveliuose
Akivaizdu, kad bakterijų ląstelių sienelės yra labai tvirtos. Tačiau yra ir papildomų veiksnių, kodėl mes negalime kojomis sumindyti bakterijų: jos yra neįtikėtinai mažos. Vidutinė bakterija yra vos 1
– 5 mikronų, arba milijoninės metro dalies, dydžio. Palyginimui, paprasto smeigtuko galiukas yra lygus maždaug 130 mikronų.
Mūsų odos paviršiuje yra smulkių strijų, vadinamų sulci cutis, kurių vidutinis gylis siekia keliasdešimt mikronų. Mūsų batų padai taip pat turi griovelius, kurie yra daug gilesni, nei mūsų odos strijos.
Taigi nepaisant to, ar užliptume ant bakterijų basomis kojomis, ar avėdami batus, dauguma ląstelių pasislėptų viename iš šių griovelių ir išvengtų spaudimo, kurį keltume žemei.
Stovėjimas ant smaigalių
Kaip galėtume padidinti pėdų spaudimą bakterijos ląstelei, kad ją sutraiškytume? Vienas teorinis variantas būtų pakeisti batų padus, kad jie būtų ne plokšti, o labai smaili, ir kad jų smaigalys būtų ne platesnis už smeigtuko antgalį. Nors vaikščioti tokiais batais būtų neįmanoma, 50 kilogramų sveriantis žmogus sukeltų 379 000 kg slėgį vienam kvadratiniam centimetrui. To
pakaktų, kad žūtų bet kuri žinoma bakterija.
Nors žmonės iš tikrųjų to padaryti negalėtų, pasirodo, jog kai kurie vabzdžiai elgiasi būtent taip. Cikados savo sparnuose turi mažytes molekulines struktūras, kurios primena adatėles. Šios į adatas panašios struktūros yra vos nanometrų dydžio – tūkstantį kartų mažesnės už daugumą bakterijų.
Kai bakterija nusileidžia ant cikados sparno paviršiaus, cikada išskiria specialias chemines medžiagas, kurios prilipina bakteriją prie paviršiaus.
Kai bakterija dalijasi, ji išskiria mažytes jėgas, kurios leidžia naujoms ląstelėms atsiskirti vienai nuo kitos. Tačiau atsimušusios į cikados sparno nanospygliukus, šios mažos jėgos išauga iki didžiulio slėgio. Nanospygliukai praduria bakteriją ir ji žūsta.
Cikadų, musinukių ir daugelio kitų skraidančių vabzdžių sparnų paviršiai yra baktericidiniai, t. y. naikinantys bakterijas. Bioinžinieriai semiasi įkvėpimo iš gamtos ir bando sukurti adatinės struktūros paviršius, kurie panašiai naikintų bakterijas.
Šaltinis: theconversation.com
