Evoluce člověka a běh (7) – Jak geniální jsou materiály, ze kterých je člověk sestaven

Volně pokračujeme v našem seriálu o evoluci. Cílem dnešní části je ukázat, jak geniální výsledek evoluce je.

Minule mě zaujalo, jak jsi zmínil, že je neuvěřitelné, jaké materiály evoluce dokázala vyvinout. Můžeme trochu odbočit z rozhovoru a věnovat se tomu?

Určitě. To je nesmírně zajímavé téma.

Dáš nám několik příkladů těchto unikátních materiálů v těle člověka?

Je jich hrozně moc. V podstatě na co si vzpomeneš a začneš se tím zabývat. Vlastně téměř nic v těle nevyrobíš v laboratoři tak, aby zůstaly zachované všechny funkce…

Tak já začnu jo? Pár materiálů jsem si připravil. Co sklovina?

Skvělý příklad. Zubní sklovina je nejtvrdší látka v lidském těle skládající se převážně z minerálů (hydroxyapatit). Je mimořádně odolná proti mechanickému poškození a kyselinám. Vědci dosud nedokázali vyrobit umělý materiál, který by měl stejnou tvrdost, trvanlivost a funkčnost.

Kůže?

Ta má nejen mechanickou funkci ochrany těla, ale také regenerační schopnosti, citlivost na teplotu, bolest a dotyk, a je propojena s imunitním systémem. Je několik metod, jak kůži funkčně aspoň zčásti napodobit. Postrádá pak ale citlivost a mnohé další vlastnosti původního materiálu.

Krev?

Pokusy vytvořit umělou krev trvají už velmi dlouho a investovaly se do toho neskutečné prostředky. I když jsme schopni vyrábět náhražky krve nebo její komponenty jako jsou plazma nebo syntetické molekuly podobné hemoglobinu, komplexní proces např. výroby červených krvinek, jejich funkce přenosu kyslíku, flexibilita a dlouhá životnost (cca 120 dní) stále zůstávají unikátními vlastnostmi, které neumíme plně napodobit. Umělá krev je dnes nepoužitelná a ještě dlouho budeme chodit krev darovat.

Svaly?

Umělé svaly jsou schopné napodobit některé mechanické vlastnosti lidského svalstva, ale zase – biologické svaly mají unikátní schopnost regenerace, vytrvalosti, citlivosti na chemické signály a přesného řízení kontrakcí na základě neuronální stimulace. To je mnohem složitější, než co moderní technologie dokáže napodobit. Podívejme se jen na to, jak neohrabaní jsou i dnešní roboti…

Oko?

I když máme pokročilé umělé čočky a další optické implantáty, lidské oko je extrémně složitý orgán, který vnímá světlo, barvy a pohyb s mimořádnou přesností. Kombinace optické a neuronové funkce oka spolu s jeho spojeními do mozku, zůstává složitější než jakýkoli umělý systém.

Podívejme se třeba jen na rohovku. To je průhledná vrstva pokrývající přední část oka, která hraje klíčovou roli ve schopnosti lámat světlo a zaostřovat obraz. Je průhledná a musí udržet svoji optickou čistotu po celý život, zatímco odolává poškození a regeneruje se. Její biomechanické vlastnosti, které zahrnují pružnost, transparentnost a odolnost, je nemožné uměle replikovat.

Nebo se koukněme na slzy. Mají velmi specifické složení, které zahrnuje vodu, oleje, proteiny a elektrolyty. Mají důležitou roli v ochraně a správné funkci oka. Sice něco jako umělé slzy existuje, ale ani zdaleka nedosahují kvalit originálu a postrádají enzymy, protilátky a řadu funkcí. A hlavně nereagují složením a množstvím v reálném čase.

Mozek?

Komplexita lidských neuronových sítí, které zahrnují miliardy propojených neuronů, je mnohem složitější než co dokážeme napodobit. Replikovat plasticitu mozku a jeho schopnost učení na biologické úrovni je zcela mimo náš dosah a dlouho bude.

Chrupavka?

To je elastická, ale pevná tkáň, která slouží jako tlumič nárazů v kloubech a také poskytuje tvar a strukturu některým částem těla (např. uši a nos). Na rozdíl od jiných tkání nemá chrupavka krevní cévy, což znamená, že její regenerace je velmi pomalá.

Chrupavka je schopna absorbovat velké množství mechanického stresu a zároveň si zachovat elasticitu. Replikovat tuto kombinaci pevnosti a pružnosti je velice složité. Syntetické náhražky (např. hydrogely) mohou napodobovat některé mechanické vlastnosti chrupavky, ale nemají její schopnost regenerace a dlouhodobé funkčnosti.

Kost?

Ta je složená z organických složek (např. kolagen) a anorganických minerálů (např. již zmíněný hydroxyapatit), které poskytují neobvyklou kombinaci pevnosti a pružnosti. Moderní biomateriály mohou napodobovat některé aspekty kostní tkáně, ale komplexní interakce mezi buňkami, minerály a proteiny, stejně jako kostní regenerace, jsou extrémně komplikované.

Kloubní maz?

Ten se také nazývá synoviální tekutina. Snižuje tření mezi chrupavkami při pohybu kloubů. Tato tekutina má zvláštní viskoelastické vlastnosti, které umožňují plynulý pohyb kloubů. Zároveň zajišťuje výživu chrupavky. V laboratoři je možné vytvořit některé podobné tekutiny, ale žádná z nich nemá stejné mechanické a biologické vlastnosti. Zase – jde o schopnost regenerace nebo odpověď na zátěž a změnu viskozity při různých rychlostech pohybu.

Plíce?

Struktura alveol umožňuje mimořádně efektivní výměnu plynů díky velké ploše a tenké bariéře mezi vzduchem a krví. Replikovat tuto strukturu vůbec neumíme.

Lymfa?

To je tekutina, která odstraňuje odpadní produkty z buněk a zároveň podporuje imunitní odpověď těla. Lymfatický systém hraje klíčovou roli v cirkulaci tekutin a obraně proti infekcím.

Lymfa obsahuje specifické složky jako jsou bílé krvinky a protilátky, které jsou klíčové pro imunitní funkce. Její přesné složení a interakce s imunitním systémem jsou velmi složité a neumíme ani náhodou vytvořit umělý systém, který by plně napodoboval tuto úlohu.

Keratin?

Keratin je protein, který tvoří strukturu vlasů, nehtů a vnější vrstvy kůže. Je velmi pevný a odolný vůči chemickým a mechanickým poškozením. Asi jsme schopni jeho strukturu napodobit, protože je jednodušší. I tady je ale k dokonalosti daleko a výzvy existují.

Existují v těle vůbec materiály, které dovedeme napodobit v laboratoři?

Napodobit ano. Umíme některé z těch věcí, které jsi zmínil. Nejsou nikdy tak dokonalé jako původní biologický materiál, ale dost dobré na to, aby relativně dobře a dlouho sloužily.

Tak například umělé kloubní implantáty a protézy jsou dnes standardem.

Dále chrupavky, šlachy a vazy.

U popálenin lze použít umělou kůži. Sice není schopna plně replikovat všechny funkce jako je pocení nebo plná citlivost, ale přesto dobře poslouží.

Jsme schopni vyrobit méně dokonalou verzi krevní plazmy. Dále třeba i srdeční chlopně. Člověk pár let přežije i s umělou ledvinou. Umíme i umělý močový měchýř.

A můžeme zmínit i zubní implantáty nebo kontaktní čočky, což je taková varianta rohovky.