j1.gif - 2682 Bytes

IŠ VISO PASAULIO

Mokslo įvairovė

Puslapį pagal užsienio spaudą parengė dr. Vidimantas Kabelka

Kuriamas lazerinis analizatorius uoloms Marse tirti

Uolienų ir dirvos pavyzdžių rinkimas laboratorinei analizei nėra ypatingai sunkus uždavinys. Nebent jei dominantys pavyzdžiai yra nutolę per dešimtis milijonų mylių ir randami Marse. Kol kas visa amerikiečių kosminės agentūros NASA sukaupta geologinė informacija apie Marsą yra gauta dviem metodais. Vienas jų – kai informacija apie Marso paviršiaus sudėtį yra gauta distanciniu būdu, tyrimus atliekant aparatūra, įmontuota į aplink Marsą skriejantį erdvėlaivį, kitas – tiesioginio kontakto metu, kai buvo nuleistas į Marso paviršių mažas iš Žemės valdomas visureigis Pathfinder. Jis privažiavo prie Yogi pavadintos uolos ir atliko alfa protonų rentgeno spindulių spektrinę analizę (APXS).

Dabartiniu metu Los Alamoso nacionalinės laboratorijos (LANL) mokslininkai kuria prietaisą, kuris galės tirti Marso uolų ir dirvos sudėtį atstumu iki 19 metrų nuo nusileidimo aparato. Pagal šį 1,1 mln. dolerių vertės projektą, kuris bus vykdomas 3 metus, bus sukurtas lazerinis spetroskopinis analizatorius (LIBS). LIBS pagrindą sudarys “Kigre Inc.” kompanijos kompaktiškas neodimiu legiruoto aliuminio itrio granato (Nd:YAG) lazeris, spinduliuojantis kas 5 arba 10 sekundžių 35 mJ energijos 6 ns trukmės šviesos impulsus. Analizatoriaus optinė sistema suspaus lazerio spinduliuotę nuo 10 iki 20 kartų ir nukreips į tiriamą objektą Marso paviršiuje. Viena matavimų serija truks nuo 3 iki 5 minučių. Palygindami galime pastebėti, kad Pathfinder vienam panašiam matavimui sugaišdavo iki kelių valandų. Be to, LIBS gali išmatuoti kitą pavyzdį pasilikdamas toje pačioje vietoje, tik pakreipdamas savo siuntimo-priėmimo optinės sistemos teleskopą į kitą netoliese esantį norimą tyrimų objektą.

Technologija, kuri naudojama kuriant lazerinį spektroskopinį analizatorių, gerai žinoma. Projekto autorius David Cremers įdiegė ją LANL dar prieš 18 metų. 1996 metais jis kartu su kolegomis sukūrė kuprinės dydžio lazerinį spektroskopinį analizatorių

    teršalams, esantiems dirvoje, nustatyti. Dabartinis projektas skiriasi tuo, kad yra būtina sukurti kuo mažesnį ir lengvesnį įrenginį, galintį atlikti tyrimus per pakankamai didelį atstumą. Įrenginio veikimas pagrįsta tuo, kad lazerio spinduliuojamos šviesos impulsai yra sufokusuojami į nedidelę dėmę, kuri išgarina mažą medžiagos kiekį. Susidariusios plazmos analizė atliekama spektrografu ir padeda geologams nustatyti uolos ar dirvos cheminių elementų sudėtį. Pagrindinis kuriamo LIBS privalumas, kaip teigia D. Cremers, yra atliekamos analizės greitis. Pradinių kuriamo įrenginio bandymų metu lazeris spinduliavo 1064 nm bangos ilgio 100 mJ energijos 10 ns trukmės impulsus. Lazerio spindulys buvo fokusuojamas į tiriamą pavyzdį ir spektrografas su optine surišto krūvio liniuote analizavo gaunamą plazmos spektrą. Bandymų metu pavyzdys buvo įdėtas į specialią kamerą, kurioje buvo sudaroma žemo slėgio anglies dioksido (CO2) atmosfera, panaši į tą, kuri yra Marso paviršiuje. Mokslininkai galėjo tirti pavyzdžius, padėtus per 19 m nuo lazerinio spektro analizatoriaus. Reikalavimas analizuoti per atstumą nėra atsitiktinis – norima, kad būtų galima matuoti uolų sudėtį, prie kurių Marso visureigis dėl vienų ar kitų priežasčių negalės privažiuoti, sakysim, esant labai raižytai vietovei ar stačiai uolai. Be to, visos iki tol naudotos Marso paviršiaus analizės technikos buvo pasyvios, tiriančios tik uolų paviršių. Tai neleidžia tiksliai nustatyti uolos cheminę sudėtį, nes yra tiriamas tik išorinis uolos sluoksnis, kuris yra paveiktas Marso atmosferos bei padengtas dulkėmis. Lazerinis spektrinis analizatorius, skirtingai nuo kitų metodų, atlikdamas nuo 20 iki 30 lazerio blyksnių seriją, pragręžia išorinį sluoksnį vidutiniškai nuo 30 iki 100 mikronų gylio ir šitaip sudaro galimybę analizuoti uolos vidinę sudėtį. Galutinis LIBS bandymas, pritvirtinus jį prie NASA visureigio, bus atliktas Modževos (Mojave) dykumoje. Jei bandymus gerai įvertins NASA, LIBS laukia skrydis į Marsą 2003 metais.


Dirbtinės širdies sukūrimo problemos

Nepaisant stulbinančių mokslo ir technologijos pasiekimų bei didžiulio mokslininkų ir inžinierių triūso, taip ir nepavyko XX amžiuje sukurti pagrindinį žmogaus variklį - širdį. Po penkis dešimtmečius trukusių nesėkmingų bandymų sukonstruoti dirbtinį šio svarbiausio žmogaus raumens analogą, šiandien mokslininkai ir inžinieriai priartėjo prie galinio tikslo, nors skirtumas tarp dirbtinės širdies ir natūralios išlieka dar didelis.

Robert Kung sukurta dirbtinė širdis yra šiek tiek didesnė nei natūrali ir iš pirmo žvilgsnio šis titano paplotėlis su plastikiniu įdaru primena storą mėsainį su dviem atšakomis. Normali širdis plaka 70-80 dūžių per minutę dažniu ir per žmogaus gyvenimą, trunkantį vidutiniškai nuo 70 iki 80 metų, atlieka kelis milijardus dūžių. “Abiomed” kompanijos tyrimų skyriaus direktorius R. Kung būtų labai laimingas, jei jo sukonstruotas prietaisas sugebėtų atlaikyti 175 milijonus dūžių ir tarnautų ne mažiau kaip penkerius metus. Tikimasi, kad greitai, jau kitais metais, ši dirbtinė širdis bus implantuota žmogui – dabartiniu metu keletas tokių širdžių yra išbandomos “Abiomed” kompanijos laboratorijoje Denveryje, kur sėkmingai palaiko veršiukų gyvybę. Penn State’s medicinos koledže Hershey, Pennsylvania, yra išbandomas antras dirbtinės širdies prototipas, kurį sukūrė Alan Snyder. Pirmos dirbtinės širdys buvo pradėtos konstruoti dar 1950 metais. Labiausiai nusisekusi iš dirbtinių širdžių yra laikoma “Jarvik – 7”, kuri 1982 metais buvo implantuota Barney Clark. Tačiau, nepaisant visų gydytojų pastangų, ilgą laiką būdami prijungti prie dirbtinių kvėpavimo aparatų, palaikomi vaistų injekcijomis ir gaivinami elektrošokais, B. Clark, kaip ir antras žmogus, kuriam irgi buvo implantuota dirbinė širdis, W. Schroeder, neišgyveno, mirė. Jų mirtys sukrėtė visuomenę, sukėlė nusivylimą ir nepasitikėjimą, kad galima gyventi su dirbtine širdimi, ir dėl to iki šiol daugiau nebuvo atlikta dirbtinių širdžių persodinimų.

Kodėl yra taip sunku imituoti žmogaus širdį, sukurti jos dirbtinį analogą? Garsios knygos apie kraujo apytakos sistemą ”Gyvybinės grandinės” autorius Steven Vogel aiškina, kad iš tikrųjų yra viena paprasta problema. Žmogaus širdis yra specifinis, sunkiai atkartojamas organas-variklis, galintis priklausomai nuo poreikio dirbti įvairiais darbo režimais: skirtingu greičiu, galingumu, gali skirtis efektyvumas. Širdies raumuo yra labai savotiškas minkštas, drėgnas, susitraukiantis variklis, kuriam pagaminti, deja, kol kas nėra šiuolaikinės technologinės įrangos analogų. R. Kung ir A. Snyder sukonstruotos dirbtinės širdys pakeis skilvelius ir bus sujungiamos su paciento prieširdžiais (dėl kurių paprastai nėra problemų). Tačiau jei natūralios širdies raumuo dirba kaip pati save pripildanti ir ištuštinanti talpa, tai dirbtinėje širdyje tarp abiejų skilvelių, pagamintų iš lankstaus poliuretano, yra įterpiamas varikliukas, varinėjantis kraują į širdies skilvelius ir iš jų. A. Snyder sukonstruotoje širdyje baterija maitinamas varikliukas stumdo pirmyn – atgal stūmoklį, o R. Kung širdyje panaudotas rotacinis siurblys. Dabartiniu metu abi dirbtinės širdys buvo persodintos veršiukams ir sėkmingai dirbo kelis mėnesius, kol gyvuliai jas išaugo ir jų visiškai nepakako aprūpinant paaugusių veršių kraujo apytaką.

   Per visą tyrimų laiką nebuvo susidurta su dirbtinių širdžių atmetimo ar infekcijų atsiradimo problemomis. Visa tai yra didžiulis patobulinimas, palyginti su "Jarvik – 7" dirbtine širdimi. Be to, dirbtinės širdies gavėjas nenori būti susietas su griozdiška ir sunkia dirbtinės širdies darbą užtikrinančia ir kontroliuojančia aparatūra, kaip kad buvo "Jarvik –7" atveju. Ši aparatūra turi būti pakankamai maža, tokia, kad ją būtų galima įdėti į paciento pilvo ertmę ir po pirminio chirurginio implantavimo niekas daugiau neturi prasiskverbti pro paciento odą. Tai padėtų išvengti pašalinės infekcijos. Širdies varikliuką maitinanti baterija kaskart automatiškai būtų pakraunama radijo bangomis iš didesnės akumuliatorinės baterijos, kurią pacientas nešiotų atitinkamoje, specialiais diržais prie kūno pritvirtintoje kuprinėje.

Deja, kol kas sukurtos dirbtinės širdys labai neatitinka natūralios širdies analogų. Vieną iš jų kūrėjų – R. Kung labiausiai žavi natūralios širdies labai didelis dinaminis veikimo diapazonas: sveika natūrali širdis visada yra pasiruošusi pumpuoti tiek kraujo, kiek tuo momentu yra reikalinga! Besiilsinčio suaugusio žmogaus širdis vidutiniškai varinėja 5 litrus kraujo (maždaug tiek, kiek jo yra suaugusio žmogaus organizme) per minutę. Dirbant fizinį darbą ar sportuojant, širdies apkrovimas padidėja ir gero sportininko širdis yra pajėgi pervaryti nuo 25 iki 30 litrų kraujo per minutę. R. Kung pastebi, kad kol kas nė viena dirbtinė širdis negali pervaryti tokio kiekio kraujo. Jo sukonstruota širdis gali varinėti iki 10 litrų kraujo per minutę, tai yra pakankamai, kad ją turintis žmogus galėtų judėti, dirbti, tiesa, nelabai greitai ar sunkiai. Dirbtinėje širdyje yra įtaisyta apsauga ir jei ją turintis pacientas netikėtai padidins fizinį krūvį, tai širdis nesusilpnės, neišsijungs. Žmogus su dirbtine širdimi tiesiog negalės atlikti norimo judesio. Be to, yra labai svarbu apsaugoti pacientą nuo kraujo krešulių susidarymo, kurie buvo pagrindinė B. Clark ir W. Schroeder mirties priežastis, jiems implantavus "Jarvik –7" dirbtines širdis. Paskutiniuoju metu sukurtose dirbtinėse širdyse stengiamasi išvengti krešulių, kad nesusidarytų lėtai judančių, sustingusių kraujo tūrių. Gyvoje širdyje kraujo krešulių išvengiama, organizmui siunčiant cheminius signalus, stabdančius jų susidarymą. Natūrali širdis yra nuolat atsikuriantis mechanizmas – kaip ir kiti organizmo audiniai, ji pasiima iš kraujo reikalingas atkūrimui maistingas medžiagas, "kurą". Biomechanikas S. Vogel teigia, kad natūralios širdies pusamžis yra mažiau nei metai, per tą laiką ji sugeba pakeisti beveik visas jos audinius sudarančias molekules naujomis. Visa tai kol kas yra tik inžinierių, konstruojančių dirbtines širdis, "rožinės svajonės", kol kas pagrindinis žmogaus organas, galintis dažniausiai be jokių gydymų, pakeitimų dirbti daugiau nei 70-80 metų, kelia žavesį. Bet ir natūrali širdis metams bėgant sensta, pradeda silpnėti. Vienintelis išsigelbėjimas dažniausiai yra naujos širdies persodinimas. Tačiau, deja, širdies donorų nėra tiek, kiek reikėtų, be to, tik 60 procentų pacientų su persodintomis širdimis išgyvena ilgiau nei penkerius metus – pakankamai sudėtinga visiškai priderinti iš kito organizmo aplinkos paimtą gyvą organą. Todėl dirbtinių širdžių poreikis, nepaisant visų dar šiandien egzistuojančių problemų, yra labai didelis.