Унищожаваме ли микробите, когато стъпим върху тях

Когато стъпим върху някои неща, те се смачкват и сплескват на земята. Но когато стъпим върху други, не им става нищо.

Какво се случва, когато стъпим върху бактерии – смачкват ли се или не?

Нека да намерим отговора.

Сили и натиск

Нека помислим какво конкретно се случва, когато стъпим върху нещо. Всеки път, когато упражняваме сила върху даден обект, това, какво ще му се случи зависи от размера на силата, която упражняваме, и от свойствата на обекта.

Силата, когато стъпваме, идва главно от теглото на тялото като е важна и площта, върху която тази сила се разпределя върху стъпалото ни. Частта с площта всъщност е много важна – заради размера ѝ можем да ходим по сняг със снегоходки, но с обикновени обувки ще потънем.

Можете да изчислите налягането, като се раздели теглото на даден обект на неговата площ. Ако кракът ни е приблизително правоъгълник с дължина около 18 см. и ширина 10 см., той има площ съответно от 180 кв. см. И ако теглото ни е 50 килограма, силата, която упражняваме на квадратен сантиметър, е приблизително 0,27 килограма на кв. см.

За сравнение, налягането на въздуха, или атмосферното налягане, върху тялото ни на морското равнище е около 1 килограм на кв. см. Атмосферата упражнява върху нас значително по-голямо налягане, отколкото стъпката на крака ни върху земята – просто не го усещаме, защото то се балансира от вътрешното налягане на въздуха в тялото ни.

Какво се случва с бактериална клетка, когато върху нея приложим силата на стъпката си?

Салмонела

Бактериите имат различни форми – от сфери до пръчки и спирали – и са съставени от клетки, които имат стени, които предпазват гелообразната им вътрешност от околната среда.

Въпросът значи се свежда до това колко здрава е тази стена и може ли да издържи на силата на стъпката ни?

Учените са изследвали здравината на бактериалните клетъчни стени по няколко причини, включително за да разберат дали високото налягане може да убие бактериите (хората в хранително-вкусовата промишленост използват високо налягане, за да направят храни като млякото безопасни за консумация).

За да се определят здравината на бактериалните клетъчни стени, изследователите използват различни инструменти, за да измерят тяхната якост на опън, която е максималното налягане, на което може да издържи даден обект, преди да се счупи. Това може да се направи, например, като се поставят в затворен контейнер и бързо се намалява налягането, докато не се пръснат. Проучване от 1985 г. установява, че са необходими почти 105 килограма на квадратен сантиметър, за да се взриви бактерията Салмонела, а по-късни експерименти показват, че са необходими около 134 кг. на кв. см., за да се взриви обикновената почвена бактерия Bacillus subtilis. Това е 400 до 500 пъти по-голямо налягане, отколкото нашата маратонка ще окаже върху тротоара и всички микроби, които се намират под нея.

За да разберем тези цифри по-ясно, нека си представим бактерия, която е достатъчно голяма, за да може човек да застане върху нея. Ако тя има същата здравина на клетъчната стена като тази на салмонелата, би могла да издържи над 350 души по 50 кг., които да застанат върху нея едновременно.

Тоест, макар че високото налягане може да убие бактериите в някои приложения, като например при преработката на храни, един човек, застанал върху тях, няма да се справи.

Ясно е, че клетъчните стени на бактериите са много здрави. Но има и едно допълнително обстоятелство, което прави смачкването на бактериите още по-трудно: те са изключително малки. Средностатистическата бактерия е с размер само около 1 до 5 микрона или милионни части от метъра. За сравнение, върхът на обикновена карфица е с диаметър около 130 микрона.

Повърхността на кожата ви има фини вдлъбнатини, наречени sulci cutis, които са дълбоки средно няколко десетки микрона. Подметките на обувките ни също имат вдлъбнатини, които са много по-дълбоки от тези в кожата. В резултат на това, независимо дали стъпвате върху бактерии с боси крака, или с обувки, повечето от клетките ще се плъзнат в някоя от тези вдлъбнатини и ще избягат от пълния натиск, който упражнявате върху земята.

Как бихме могли тогава да увеличим натиска, който краката ни оказват върху бактериална клетка, за да я смачкаме?

Цикада на 17 години

Един от чисто хипотетичните начини е да променим подметките на обувките си от плоски на много заострено – чак до диаметър, колкото върха на карфица. Въпреки че ходенето с тези обувки би било невъзможно, 50-килограмов човек би упражнил натиск от около 400 000 килограма на кв. см. Това е достатъчно, за да пръсне всяка известна бактерия.

Въпреки че хората не могат да направят такова нещо, оказва се, че някои насекоми могат. Крилата на цикадите имат малки молекулярни структури, които приличат на игли с размер само няколко нанометра, хиляда пъти по-малки от повечето бактерии, и се наричат нанопръчици.

Когато бактерия кацне на крилото, цикадата изработва специални химикали, с които я залепя за него. Когато бактерията се дели, тя произвежда малка сила, с която новите клетки да се отделят една от друга. Тази малка сила обаче е увеличена многократно, когато новите клетки се притискат в нанопръчиците върху крилото на цикадата. Така те пробиват бактерията и я убиват.

Цикадите, водните кончета и много други летящи насекоми имат подобни повърхности на крилата, които действат като са естествени бактерицидни, т.е. убиват бактериите. Биоинженерите открай време са вдъхновени от този метод и се опитват да направят повърхности с иглообразни структури, които да убиват бактериите по подобен начин.