περιεχόμενα άρθρου
Τι είναι η «αλλαγή παραδείγματος» και το βιοφίλμ
Για την καλύτερη κατανόηση του επιστημονικού άρθρου που περιέχει πολλές λεπτομέρειες, αλλά αξίζει να το διαβάσετε, εξηγούμε κάποιους όρους,
Ο όρος paradigm shift – «αλλαγή παραδείγματος» οφείλεται στον αμερικάνο επιστημολόγο Thomas S. Kuhn, και στο έργο του η Δομή των Επιστημονικών Επαναστάσεων, δουλειά του 1962. Η “Δομή…” υπήρξε ένα ιδιαίτερα καινοτόμο έργο στην εποχή του, ένα είδος «αλλαγής παραδείγματος» στη θεωρία και στη φιλοσοφία των θετικών επιστημών, που επηρέασε πολλούς και πολλά τις επόμενες δεκαετίες. Μέσα στη γενικότερη θέση του για το πως τα επιστημονικά μοντέλα και οι αλήθειες των φυσικών επιστημών ανατρέπονται καθώς καινούργιες θεωρίες αντικαθιστούν παλιότερες, ο Kuhn κατέθεσε σε κεντρική θέση των αναλύσεών του την έννοια της αλλαγής παραδείγματος (paradigm shift).
Τα βιοφίλμ ή τα βακτηριακά βιοφίλμ αποτελούνται από μικροοργανισμούς, όπως το S.aureus ή Escherichia coli (E. coli), στην οποία τα κύτταρα κολλάνε μεταξύ τους και προσκολλώνται και αναπτύσσονται σε επιφάνειες. Αυτά τα προσκολλημένα κύτταρα παράγουν και σχηματίζουν εξωκυτταρικές μήτρες πολυμερών ουσιών που έχουν ως αποτέλεσμα αλλοιωμένο φαινότυπο των οργανισμών με μεταβλητό ρυθμό ανάπτυξης και γονιδιακή μεταγραφή.
Διαβάστε αναλυτικά: Βιολογικό φορτίο και biofilm: Τι είναι και ποιος είναι ο ρόλος του στη διασπορά των λοιμώξεων
Μια πρωτοβουλία του RadioBio υποδεικνύει μια «αλλαγή παραδείγματος» στις διαδικασίες προτύπων λειτουργίας του στρατού των ΗΠΑ
Το στρατιωτικό κατεστημένο των ΗΠΑ έπαιξε τεράστιο ρόλο στην επιρροή της έρευνας σχετικά με τις βιολογικές επιπτώσεις από την έκθεση σε ηλεκτρομαγνητικά πεδία και κύματα, συμπεριλαμβανομένης της ακτινοβολίας ραδιοσυχνοτήτων (RF), από την έναρξη της επιστημονικής έρευνας περίπου στα μέσα του 20ού αιώνα. Για το μεγαλύτερο μέρος αυτής της περιόδου, η έμφαση τους δόθηκε στη θέρμανση των ιστών με ακτινοβολία ραδιοσυχνοτήτων λόγω των αυξήσεων της θερμοκρασίας του σώματος. Έχουν υπερασπιστεί αυστηρά και είναι ιδιαίτερα επικριτικοί για τις ερευνητικές εκθέσεις που υποδηλώνουν το αντίθετο.
Πρόσφατα, το Εργαστήριο Έρευνας της Πολεμικής Αεροπορίας των ΗΠΑ, ανέφερε ότι η αλληλουχία διθειώδους ολόκληρου του γονιδιώματος αμέσως μετά την έκθεση σε ραδιοσυχνότητες έδειξε άμεσες αλλαγές στα πρότυπα μεθυλίωσης του DNA και πρώιμα διαφορικά μεθυλιωμένα γονίδια σε κερατινοκύτταρα εκτεθειμένα σε ηλεκτρομαγνητικό πεδίο RF στο ανθρώπινο δέρμα [1].
Τα αποτελέσματα υπογραμμίζουν έναν πιθανό επιγενετικό ρόλο στην κυτταρική απόκριση στην ακτινοβολία RF. Η έκθεση πρότεινε περαιτέρω ότι τα ευρήματα ενδέχεται να αναπτυχθούν ως επιγενετικοί βιοδείκτες για άμεσες αποκρίσεις στην έκθεση σε ραδιοσυχνότητες.
Η μεθυλίωση του DNA είναι μια επιγενετική διαδικασία που χρησιμοποιείται από τα κύτταρα για τη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης. Είναι δυναμικό και μπορεί να ενεργοποιηθεί ως απόκριση σε εξωτερικά ερεθίσματα, όπως η έκθεση στην υπεριώδη ακτινοβολία. Η έρευνα εξέθεσε καλλιεργημένα ανθρώπινα κερατινοκύτταρα σε ακτινοβολία ραδιοσυχνοτήτων 900 MHz για 1 ώρα με χαμηλό ειδικό ρυθμό απορρόφησης (<,01 W/kg), υπό περιβαλλοντικές συνθήκες 37 °C, 5% CO2 και 95% υγρασία σε προσαρμοσμένο σύστημα έκθεσης.
Το όριο για ασφαλή αποτελέσματα ραδιοσυχνοτήτων είναι 4 W/Kg ανά τρέχοντα πρότυπα. Έξι κοινοί στόχοι προσδιορίστηκαν ότι έχουν και διαφορικά μεθυλιωθεί και διαφοροποιημένη έκφραση ως απόκριση στην έκθεση σε ραδιοσυχνότητες. Η συγκεκριμένη διαδικασία περιελάμβανε τη συσχέτιση της παγκόσμιας γονιδιακής έκφρασης με την αλληλουχία διθειώδους ολικού γονιδιώματος. (Η έρευνα εντόπισε επίσης 114 γονίδια που μεθυλιώθηκαν σημαντικά διαφορικά αμέσως μετά από μια μεμονωμένη έκθεση σε ραδιοσυχνότητες 1 ώρας.)
Πέρα από την υπογράμμιση ενός πιθανού επιγενετικού ρόλου στην κυτταρική απόκριση στην έκθεση σε χαμηλό επίπεδο ραδιοσυχνοτήτων, αυτά τα αποτελέσματα φέρνουν στο επίκεντρο ένα σπάνιο γεγονός: μια αλλαγή παραδείγματος σε μια επιστημονική έρευνα από το στρατιωτικό ερευνητικό εργαστήριο των ΗΠΑ, που αναφέρει μια κυτταρογενετική απόκριση, ή πιο συγκεκριμένα, έναν επιγενετικό ρόλο στην κυτταρική απόκριση στην έκθεση σε χαμηλό επίπεδο ραδιοσυχνοτήτων, πιθανώς με σημαντικές επιρροές στις γονιδιακές δραστηριότητες.
Ένα άλλο παράδειγμα είναι ότι τα Ερευνητικά Εργαστήρια Στρατού και Πολεμικής Αεροπορίας των ΗΠΑ διεξήγαγαν πρόσφατα μια μελέτη προσομοίωσης υπολογιστή του ακουστικού αποτελέσματος μικροκυμάτων σε ένα ανατομικό ανθρώπινο κεφάλι χρησιμοποιώντας την ίδια προσέγγιση που χρησιμοποιήθηκε σε προηγούμενες υπολογιστικές μελέτες [2], [3], [4]. Η προσομοίωση υπολογιστή έδειξε ότι για εκθέσεις παλμών μικροκυμάτων υψηλής ισχύος 1 GHz, μπορεί να εμφανιστεί σημαντική ακουστική πίεση στον εγκέφαλο που μπορεί να έχει επιπτώσεις σε νευροπαθολογικές συνέπειες [5]. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης συγκρίθηκαν με προηγουμένως καθορισμένα κατώτατα όρια πίεσης μηχανικά επαγόμενης τραυματισμού για καταπόνηση και στρες που σχετίζονται με τραυματική εγκεφαλική βλάβη.
Η έκθεση έδειξε ότι οι απαιτούμενες εκθέσεις σε μικροκύματα είναι 0,01 και 0,015 GW/m2 μέγιστης πυκνότητας ισχύος για παλμό 5 μs, 1 GHz για την επίτευξη των ίδιων οριακών πιέσεων των 10 και 20 kPa, αντίστοιχα, για εκρηκτικό εγκέφαλο και ποδόσφαιρο τραυματισμοί κρούσης στο κεφάλι.
Αν και οι απαιτούμενες πυκνότητες ισχύος αιχμής είναι υψηλές, μπορούν να επιτευχθούν με τα υπάρχοντα υψηλά ηλεκτρικά εμπορικά και στρατιωτικά συστήματα μικροκυμάτων που λειτουργούν υπό παλμικές συνθήκες [5]. Η γνωστοποίηση αποτελεί κάπως έκπληξη για ορισμένους, αν και έχει προηγουμένως οριστεί [6], [7].
Είναι σημαντικό ότι εμπίπτουν επίσης στα επιτρεπόμενα «ασφαλή» όρια των επί του παρόντος δημοσιευμένων προτύπων ασφάλειας και κατευθυντήριων γραμμών προστασίας
Η απαιτούμενη τεχνολογία μικροκυμάτων είναι ώριμη και, γενικά, εμπορικά διαθέσιμη σε πολλές χώρες, επιβεβαιώνοντας το συμπέρασμα προηγούμενων μελετών.
Επιπλέον, η μελέτη έδειξε ότι για να δημιουργηθεί ένα επίπεδο ακουστικής πίεσης υψηλής ισχύος που προκαλείται από μικροκύματα εντός του ανθρώπινου εγκεφάλου, ο παλμός μικροκυμάτων, η επαγόμενη ανύψωση της θερμοκρασίας θα ήταν σημαντικά κάτω από το υποτιθέμενο όριο για τις επιπτώσεις ραδιοσυχνοτήτων (1 °C), το οποίο θεωρείται και πάλι «ασφαλές». Επομένως, θα ήταν μια επιτρεπόμενη έκθεση σύμφωνα με τις επί του παρόντος δημοσιευμένες κατευθυντήριες γραμμές για την ασφάλεια των ραδιοσυχνοτήτων και των μικροκυμάτων.
Το Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) των ΗΠΑ, εξέδωσε αίτημα για πρόταση το 2017, ανακοινώνοντας τη νέα ερευνητική του πρωτοβουλία: «RadioBio: Τι ρόλο έχει η ηλεκτρομαγνητική σηματοδότηση στα βιολογικά συστήματα;» [8], [9]. Ο στόχος αυτού του έργου ήταν να διαπιστωθεί εάν υπάρχει σκόπιμη σηματοδότηση μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων μεταξύ βιολογικών συστημάτων, και αν το κάνει, να βρεθούν οι τρόποι και ποιες πληροφορίες μεταφέρονται.
Επιπλέον, οι πρωτοβουλίες RadioBio ξεκινούν τη διαδικασία ενεργητικής αναζήτησης, διαπίστωσης και μελέτης του πιθανού ρόλου των χαμηλών ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, και τα κύματα θα μπορούσαν ενδεχομένως να παίξουν στην περίπλοκη βιολογία των ζωντανών κυττάρων και οργανισμών. Οι πρωτοβουλίες δεν είναι μόνο θεμελιώδους επιστημονικής σημασίας, αλλά προκαλούν επίσης πρακτική και τεχνολογική σημασία. Οι δυνατότητες και οι πιθανές εφαρμογές στη μεταφορά δεδομένων, την παράδοση και την ανάκτηση πληροφοριών, η επικοινωνία και η αίσθηση για εντολή και έλεγχο είναι τεράστια, όταν αξιοποιηθούν οι βιοηλεκτρομαγνητικοί μηχανισμοί για αδύναμη σηματοδότηση κυττάρου σε κύτταρο και επικοινωνία σε ζωντανούς οργανισμούς.
Ωστόσο, δεν είναι άμεσα διαθέσιμο για το πόσες προτάσεις ελήφθησαν ή εγκρίθηκαν
Είναι πιθανό ότι πολλά διαβαθμισμένα και αταξινόμητα έργα χρηματοδοτήθηκαν μέσω της DARPA στο πλαίσιο του προγράμματος RadioBio. Ίσως οι πρόσφατες δημοσιεύσεις από ορισμένα από τα στρατιωτικά ερευνητικά εργαστήρια μπορεί να χρησιμεύσουν ως ενδείξεις για περισσότερα στο μέλλον. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η αναφορά ανίχνευσης ακτινοβολίας ραδιοσυχνοτήτων από τον μικροοργανισμό Staphylococcus aureus (S. aureus) σε βιοφίλμ [10] (και το άρθρο παρακολούθησης [11]). Η μελέτη προφανώς χρηματοδοτείται από το πρόγραμμα RadioBio της DARPA.
Ο ρόλος των βιοφίλμ και η αλληλεπίδραση με τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία
Σημειώστε ότι το RF και τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία αλληλεπιδρούν με μικροοργανισμούς που σχετίζονται με βιοφίλμ και S. aureus έχουν αναφερθεί [12], [13].
Συγκεκριμένα, η έκθεση σε διαμορφωμένα ηλεκτρομαγνητικά πεδία και σήματα RF (Wi-Fi) κινητής επικοινωνίας μπορεί να επηρεάσει την απόκριση των βακτηρίων βιοφίλμ, οδηγώντας σε αλλοιώσεις στην έκφραση των αγγελιαφόρων RNA και μορφολογικές αλλαγές
Τα χρηματοδοτούμενα άρθρα του RadioBio ανέφεραν επιτυχή ανίχνευση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από βιοφίλμ S. aureus στις ζώνες συχνοτήτων 3,18 GHz και 3,45 GHz μέσω ενός ανιχνευτή τύπου ραδιομέτρου. Παρατηρήθηκαν τόσο βραχυπρόθεσμες όσο και μακροπρόθεσμες διακυμάνσεις της έντασης της ακτινοβολίας.
Για να αποδείξει ότι τα σήματα RF παράγονται πράγματι από ζωντανά κύτταρα, μια θανατηφόρα δόση νανοπυραμίδων οξειδίου ψευδαργύρου (ZnO-NPY) χορηγήθηκε στο δείγμα. Τα αποτελέσματα έδειξαν δραστική μείωση στις διακυμάνσεις της έντασης RF των ανιχνευόμενων σημάτων πριν και μετά τη θεραπεία με ZnO-NPY. Αυτή η παρατήρηση είναι απαραίτητη για την απόδειξη της βιωσιμότητας του βιοφίλμ S. aureus για τα ανιχνευόμενα σήματα RF. Ωστόσο, η γένεση, η φύση, ή η πηγή του ανιχνευθέντος σήματος RF είναι ασαφής. Τίθεται το ερώτημα: Πώς σχετίζεται το σήμα που ανιχνεύεται με τη δραστηριότητα των βιοφίλμ των ζωντανών βακτηρίων; Τα αρχεία δεν αποκλείουν τις συνέπειες των δυναμικών γεγονότων που λαμβάνουν χώρα εντός των βιοφίλμ των ζωντανών βακτηρίων, τα οποία μπορεί να ερμηνευθούν ως σήματα αντί για τεχνουργήματα.
Τα ανάλογα πειράματα όπου οι εντάσεις ραδιοσυχνοτήτων που μετρήθηκαν από μέσα πεπτόνης-NaCl-γλυκόζης (PNG) με βιοφίλμ (δείγματα βιοφίλμ) συγκρίθηκαν με αυτές που μετρήθηκαν από φρέσκο μέσο PNG χωρίς βιομεμβράνες (δείγματα PNG) είναι ενδιαφέροντα. Οι πολλές παραγγελίες- η διαφορά μεγέθους στα μετρούμενα επίπεδα έντασης μεταξύ των δειγμάτων βιοφίλμ και των δειγμάτων PNG δεν είναι αξιοσημείωτη. Έχει αποδειχθεί ότι τα βιοφίλμ S. aureus που αναπτύσσονται σε μέσο PNG είναι πιο ανθεκτικά στην αποσυναρμολόγηση και την αποικοδόμηση [14].
Σε ένα άλλο σύνολο πειραμάτων, ένα ημιτονοειδές σήμα στη συχνότητα RF των 3,18 GHz χρησιμοποιήθηκε για την έκθεση των βιοφίλμ. Τα δείγματα βιοφίλμ αναφέρθηκε ότι παρουσιάζουν ισχυρότερα χαρακτηριστικά που σχετίζονται με το RF μετά την έκθεση τους σε ακτινοβολία 3,18 GHz. Επιπλέον, ένα παρόμοιο πείραμα διεξήχθη σε διαφορετική συχνότητα (6,3 GHz) για σύγκριση. Σε αυτήν την περίπτωση, δεν ανιχνεύθηκε ακτινοβολία ραδιοσυχνοτήτων είτε για εκτεθειμένα είτε για μη εκτεθειμένα δείγματα βιοφίλμ.
Η ερμηνεία αυτών των παρατηρήσεων ως επιβεβαίωσης για την ύπαρξη ακτινοβολίας ραδιοσυχνοτήτων που παράγεται από βιομεμβράνες S. aureus και ότι αποδεικνύουν ότι τα βιοφίλμ ανταποκρίνονται ενεργά σε εξωτερικά σήματα ραδιοσυχνοτήτων είναι περίπλοκη.
Οι ζώνες συχνοτήτων των 3,18 GHz και 3,45 GHz για τα ανιχνευμένα σήματα ραδιοσυχνοτήτων βρίσκονται στην περιοχή του πανταχού φάσματος κυψελοειδούς κινητής επικοινωνίας περιβάλλοντος. Αντίθετα, η συχνότητα των 6,3 GHz είναι καλά διαχωρισμένη από τις ζώνες των 3 GHz και δεν είναι μια ευρέως διαδεδομένη φασματική συνιστώσα στον πάντα παρόντα τομέα τηλεπικοινωνιών over-the-air. Το ζήτημα της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας και παρεμβολών ή της ψευδούς λήψης ραδιοσυχνοτήτων είναι μια πιθανή επιπλοκή και θα ήταν θέμα επιστημονικής και τεχνικής ανησυχίας.
Άλλα παραδείγματα του προγράμματος RadioBio της DARPA περιλαμβάνουν ένα έργο σχετικά με την «εξερεύνηση του ζητήματος αν μπορούν οι οργανισμοί να χρησιμοποιήσουν την ακτινοβολία ραδιοσυχνοτήτων για να αισθανθούν το περιβάλλον τους» [15] και ένα για «σηματοδότηση και ηλεκτρομαγνητική ανάλυση στο κυτταρικό περιβάλλον» [16].
Ίσως το κατάλληλο μήνυμα σε αυτό το στάδιο των έργων RadioBio της DARPA είναι να μείνετε συντονισμένοι, δεδομένων των προηγούμενων αντιπαραθέσεων της έρευνας σχετικά με τη βιολογική αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας ραδιοσυχνοτήτων και του σκεπτικισμού των στρατιωτικών ιδρυμάτων των ΗΠΑ στο παρελθόν.
