Medúzy jsou vzorem pro mnoho vědních oborů. Způsob jejich pohybu i stavba těla například inspirovala nový typ pump pro medicínu či jemnou robotiku. Jak se umí udělat medúza hydrodynamicky neviditelnou pro plankton? A jak dokáže prosperovat i v prostředí s velmi nízkým obsahem kyslíku?

Medúzy někteří z nás znají jako nadýchané obláčky, možná jako něco obtížného, co jim svými žahavými buňkami kazí přímořské sladké nicnedělání. Číňané znali a lovili medúzy už před 1700 lety a používali je i pro přípravu léčebných preparátů.

Před časem vědci objevili fosilní medúzy, které posunuly ukazatel na časové ose jejich existence na Zemi přibližně do doby před 205 000 000 let. Nález zkamenělé medúzy je obzvláště vzrušující, protože na jejím těle toho mnoho vhodného ke zkamenění není.

Váha medúzy je totiž tvořena z více než 95 % vodou, tedy jen malou část hmotnosti živé medúzy představuje tkáň. Unikátní fosilie však zachovávají zřetelný otisk talíře (zvonu) medúzy a chapadla, někdy dokonce i fragmenty pohlavních žláz, konzervované dokonale v kameni.

Plovoucí živý hydrogel

Z pohledu biologa je medúza jedním stadiem v životním cyklu žahavců, následující po stadiu polypa. Ve stadiu medúzy se však prakticky vyskytují až na vzácné výjimky pouze třídy medúzovci a čtyřhranky.

Tělo žahavců je tvořené vrstvou buněk na povrchu těla, tzv. ektodermem. Buňky ektodermu jsou několika typů – svalové, smyslové a žahavé. Láčku, trávicí dutinu uvnitř těla, vystýlá tzv. entoderm. Ten je tvořen buňkami pro příjem potravy, buňkami vylučujícími trávicí enzymy a buňkami svalového epitelu, které jsou rozvinuté právě u medúz, jako orgány pohybu.

Mezi ektodermem a entodermem je nebuněčná hmota nazývaná mezoglea, což je v podstatě živý hydrogel. Z velké části jej tvoří kolagenová (kolagen – bílkovina) tkáň.

Mezinárodní tým vědců pod vedením doktora Erika V. Thuesena z The Evergreen State College v Olympii ve státě Washington ležícím na západě USA zkoumal jeho vlastnosti, protože vzhledem k obecným vlastnostem hydrogelů byla mezoglea v podezření, že by mohla podporovat schopnost medúz prosperovat i v prostředí s nízkým nebo kolísajícím obsahem kyslíku.

Jak to dělají medúzy?

Medúzy byly totiž jedněmi z prvních mobilních živočichů a vyvíjely se hned od počátku v mořích, kde kyslíku bylo málo.

Dnešním medúzám z třídy medúzovců však chybí enzymy dehydrogenázy, enzymy obvykle používané bezobratlými pro přežití právě v takových podmínkách.  To by naznačovalo, že nemají příliš velkou kapacitu pro přežití bez kyslíku.

Ale medúzovci bez kyslíku přežívají a prosperují! Zařídili si to už od pravěku jinak!

Vědci s použitím optických vláken kyslíkové sondy zjistili, že koncentrační spád (gradient) kyslíku klesá od vrchní (exumbrellární) ke spodní (subumbrellární) vrstvě. Znamená to, že subumbrella spotřebovává více kyslíku, je více metabolicky aktivní, což souvisí s umístěním orgánů pohybu.

Zajímavé však také bylo, že hydrogel – vlastně »výplň« těla medúzy – uchovává značné množství kyslíku. Přesně řečeno tolik, aby medúza mohla přežívat v prostředí, kde je kyslíku nedostatek, např. ve vodě provzdušněné do 30 %.

Dvě hodiny bez kyslíku

Kromě toho má medúza schopnost se rychle pohybovat ve svislém směru mezi vrstvami téměř stoprocentně nasycené vody u mořské hladiny a vody nasycené jen z pěti procent o 60 cm níže!

O tom, jak to dělají, nevíme zdaleka všechno, kyslík musí prostupovat skrz vnější vrstvy do gelu i gelem samotným (podobně jako je prodyšný třeba hydrogel oční čočky).

Fyziologické mechanismy, které umožňují medúzám takové přizpůsobení, se pochopitelně staly předmětem vědeckého zájmu.

Tým doktora Thuesena zkoumal schopnost čtyř druhů medúz (Aurelia labiata, Phacellophora camtschatica, Cyanea capillata a Chrysaora quinquecirrha) regulovat spotřebu kyslíku a zjistil, že ji udržují na hodnotách odpovídajících asi 10 % provzdušnění, tedy relativně nízkých.

Gel tvořící mezogleu medúze slouží i jako rezervoár zásobního kyslíku, který jí v anoxickém (bezkyslíkatém) prostředí dává asi 2 hodiny času na záchranu. Po 2,5 hodiny v prostředí s normálním obsahem kyslíku se zásoba obnoví asi ze 70 %.

Poměrně nechutné želé

Pokud si dáte do souvislosti tuto schopnost medúz i dalších druhů zooplanktonu, které mají také k dispozici podobnou výbavu, se snižováním koncentrace kyslíku ve vodách světových moří a oceánů, vychází z toho vysvětlení pro narůstající počet medúz v posledních letech.

Mnohé rekreační a rybářské lokality se mění ve stovky čtverečních kilometrů pulzujícího želé. To má však svou stinnou stránku nejen v tom, že si nezaplavete. Medúzy totiž spotřebovávají plankton, stejně jako ryby, ale mění ho v nejedlou gelovitou hmotu svých těl na úkor přírůstku rybího masa.

Bakterie, které zpracovávají organické látky z těl medúz, je přednostně metabolizují v dýchacím cyklu. Takže uhlík není využit pro růst a množení a kvůli tomuto zkratu uniká do vzduchu jako oxid uhličitý.

Klimatologové musejí myslet i na tresky

Medúzy svým pohybem ovšem také přispívají k promíchávání světových oceánů. Možná to zní nadsazeně, ale jejich dynamický způsob pohybu a četnost výskytu nejsou zanedbatelné. Hejna medúz by mohla mít stejný vliv jako přílivové vlny či vítr.

Vědci z MIT (Massachusetts Institute of Technology) v USA sledovali, jak medúzy plavaly skrz oblak barviva rozpuštěného ve vodě. Každá z nich vytvářela barevnou vířivou stopu a vědci ji zaznamenávali laserovým snímačem.

Měřili pohyb barviva ve vodě a zjistili, že 90 % pohybu vody vyvolával právě pohyb medúz. „Pokud plavání vodních živočichů má takový vliv na pohyb vody ve světových oceánech, stanou klimatičtí modeláři tváří v tvář značné výzvě,“ podotýká oceánograf Carl Wunsch a dodává.

„V tuto chvíli, jsou názory odlišné, pokud se objeví shoda, pak modelování klimatických vlivů bude muset věnovat pozornost i společenstvům mořských živočichů,“ Pokud by se skutečně začalo uvažovat o změnách klimatu v souvislosti s vlivem promíchávání vody působením mořských živočichů, museli by klimatologové řešit z dnešního pohledu kuriózní otázky.

Například: „Jak souvisí tání arktických ledovců s četností populace tresek u kalifornského pobřeží?“.

Záhadný plavecký styl

Medúzy plavou pomocí pohybů subumbrellárního svalstva (na spodní straně těla). Vrstva miniaturních svalových vláken je velmi silně propojená s gelem uvnitř těla, což není jen měkká rosolovitá hmota, ale vlastně materiál, který pomáhá svalům a medúze umožňuje překonávat při pohybu odpor mořské vody.  Ta tak plave pomocí pulzujících kontrakcí svého zvonovitého těla a za kořistí dokáže vyrazit pěkně rychle.

Střídání kontrakcí a expanzí, dosahuje změnami hydrostatického tlaku ve svém zvonu.

To naznačuje řadu otázek – jaký podnět způsobuje změnu tvaru a objemu? Ve zkumavce to s hydrogelem »umí« např. elektrický impulz či změna koncentrace solí. Neuronová síť je dost řídká a nedosahuje úplně všude, jakým způsobem se tedy ještě signál šíří? Jak vypuzuje medúza vodu z vnitřní vrstvy tak rychle bez porušení tkáně?

Některé velké medúzy mají věnčité plovací svaly »přivěšené« volně ve vodě, musí tedy existovat i způsob, jak zásobovat kyslíkem z hydrogelové vrstvy i je. Naopak schopnost zásobování kyslíkem tak může být důležitým limitujícím faktorem pro tvarovou evoluci medúz.

Pádlo nebo síto

Použití analýzy dynamických systémů pro toky tekutin při obtékání těla medúzy a vytváření vířivého prstence kapaliny při jejím pohybu přineslo zajímavé poznatky o způsobu pohybu těchto tvorů. Zajímavé souvislosti to má hned v několika směrech.

S dynamikou toků jsou u medúz úzce spojené i pohyb a krmení, obojí zajišťované specializovanými částmi těla.

To je zvlášť významné v procesu vývoje jedince (ontogeneze). Když šli vědci po stopě souvislostí, uvědomili si, že dynamika toku závisí i na vnějších faktorech, např. na teplotě. Navrhli proto pokus, v němž zkoumali tvarovou proměnlivost medúzy Aurelia aurita v závislosti na teplotě kapaliny, tvořící její životní prostředí.

Zjistili, že vyšší viskozita umožňuje medúze využívat vrstvu kapaliny na rozhraní těla pro pohyb, a tím šetřit tkáně. Při vyšších teplotách už to dynamické vlastnosti nedovolí, a tkáně jsou tak vystaveny vyšší zátěži.

Tomu se přizpůsobí orgány pohybu, ve viskóznější kapalině pracují jako pádlo, v méně viskózní je pro ně výhodnější vyšší propustnost podobná funkci síta. Nová funkce může vzniknout bez změny struktury, způsobem použití orgánů pohybu (vlákna, řasy a další útvary).

Tajemství medúz pomůže srdci

Plavání medúz však nezaujalo jen klimatology, ale svými dynamickými a mechanickými vlastnostmi i technology. Při okukování v akváriu se nezdá být medúza příliš dobrým plavcem, klouže vodou docela jinak než hbité ryby.

Janna Nawrothová z Kalifornského technologického institutu v americké Pasadeně však v proměnlivém pulzním vlnění těchto jednoduchých bezobratlých našla inspiraci. Odhalila tajemství, které může umožnit konstrukci nové generace malých čerpadel pro lékařské aplikace (např. v kardiologii) a měkké robotiky.

„Většina čerpadel je vyrobena z tuhého materiálu,“ říká Nawrothová. „Pro klinické použití uvnitř lidského těla však potřebujeme měkká flexibilní čerpadla, protože se mohou pohybovat a přečerpávat tekutiny mnohem jemnější způsobem, který neničí tkáně a buňky.“.

Medúza z  Reynoldsova pohledu

John Dabiri, který na studii spolupracoval, zjistil, že medúzy používají dva typy pohybu. První se pohybují rychlejšími a tvrdšími pohyby, druhé vytvářejí slabší, ale účinnější pulzy. Vědci studovali rovněž toky a víry kapaliny, která medúzy obtéká a poměr setrvačné síly a viskozity (odpor vnitřního prostředí v důsledku vnitřního tření).

Tento poměr je vyjádřený bezrozměrnou veličinou, Reynoldsovým číslem (čím je Reynoldsovo číslo vyšší, tím nižší je vliv třecích sil tekutiny na celkový odpor při plavání).

„Jsme opravdu nadšení,“ říká Nawrothová. „hodnoty Reynoldsova číslo, kterým jsme popsali pohyb medúz různých velikostí a stáří, jsou ve správném rozsahu, přesně tak, jak potřebujeme pro lékařské aplikace.“.

Další inspirací je chytré uspořádání více stimulačních center uvnitř těla medúzy, které umožňují spolehlivé fungování jemně laditelného čerpacího mechanismu. Takže v dalších krocích se vědci chystají využít této praktické znalosti pro konstrukci spektra flexibilních čerpadel optimalizovaných pro různé účely či podmínky.

Nebezpečná atraktivní kráska

*Největší medúza je zřejmě talířovka obrovská (Cyanea capillata), jinak »Lví hříva«, žijící v severním Atlantiku.

*Je velmi atraktivní, ale i nebezpečná.

*Její klobouk je model žlutavé, červené nebo světle hnědé barvy o průměru až 2 metry. Pod ním jsou přivěšena chapadla. která se zdají být neupravená (??), ale jsou uspořádaná v osmi skupinách po 65–165 podle velikosti.

*Délka chapadel může být výjimečně až 37 metrů, což je více než měří basketbalové hřiště. Jedná se tedy vlastně o nejdelšího živočicha vůbec, délkou překonávajícího i plejtváka.

*Někteří biologové tyto úctyhodné velké jedince klasifikují jako samostatný druh Cyanea arctica.

*Některé hypotézy uvažují o tom, jestli vliv na velikost jedince má koncentrace kyslíku ve vodě, která je v chladnějších oblastech spíše vyšší.

*Krásná Cyanea je nebezpečná do té míry, že žahavé buňky jejích chapadel mohou přivodit křeče, puchýře, potíže s dýcháním a srdeční činností a dokonce i smrt.

Neviditelná falešná medúza

*Vědci studovali i tvora, který je medúze podobný, ale exaktně vzato medúzou není, i když má podobný způsob pohybu. Je to mořský ořech, Mnemiopsis leidyi z třídy tykadlovek. Spotřebuje spoustu planktonu a pluje za ním jako ponorka s »neviditelnou« technologií stealth. Přeloženo do přírodovědecké řeči, umí být hydrodynamicky neviditelná.

*Jejich potrava, klanonožci (Copepoda), tvořící plankton jsou velmi citliví na každý pohyb vody. Přesto je dokáže Mnemiopsis leidyi lovit v dostatečném množství. Evoluce ji na to totiž vybavila speciálními, vláskům podobnými řasinkami uvnitř ústního otvoru.

Ty usměrňují průtok vody a zabraňují tvorbě vírů, takže není nic, co by mohlo kořist včas varovat. Tím se z Mnemiopsis leidyi stává hydrodynamicky tichý dravec.

Malá, ale smrtelná

*Čtyřhranka Barnesova (Carukia barnesi) nebo také nedávno objevená medúza Malo kingi patřící rovněž do čeledi Tamoyidae jsou známé jako irukandži. Jsou velmi nebezpečné a jejich žahnutí může způsobit i smrt.

Jsou hrozbou severního pobřeží Austrálie, ale byly nalezeny i u britských ostrovů, Japonska nebo Floridy.

*Před několika lety se podařilo zachránit zdravého mladého muže po požahání medúzou irukandži díky magnéziové infuzi, která zrušila účinky jedu. Vědci se domnívají, že i některé případy náhlého úmrtí při koupání v moři, zejména u osob vyššího věku, mohly mít jinou příčinu, než byla stanovena (cévní mozková příhoda, srdeční infarkt).

Jed této medúzy může spustit dosud neprojevené poruchy srdce, mozku ale i jiných orgánů. Kromě infuzí pro akutní situace se snaží lékaři vyvinout i účinnou prevenci. Doporučují například nylonový trikot nebo speciální krém, který deset nejčastěji se vyskytujících druhů medúz odpuzuje.