Żelazo, złoto, szkło glinokrzemianowe i inne cząstki okryte płaszczem z węglanów wapnia oraz wapnia i magnezu to opis, który może się kojarzyć z przekrojem skały. Tymczasem przedstawia kondycję naszych płuc. Oddychamy zanieczyszczonym powietrzem. Mimo wielu naturalnych barier ochronnych spora część szkodliwych cząstek, głównie tych mniejszych i przez to bardziej inwazyjnych, pozostanie w płucach na zawsze i będzie wpływać na komfort naszego życia. Zależności pomiędzy zanieczyszczeniem powietrza na Górnym Śląsku a zwapnieniem płuc opisali naukowcy z Wydziału Nauk Przyrodniczych – dr hab. Mariola Jabłońska, prof. UŚ, prof. Janusz Janeczek oraz dr hab. Beata Smieja-Król, prof. UŚ. Wyniki badań zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Minerals”.

Dr hab. Mariola Jabłońska, prof. UŚ i dr hab. Beata Smieja-Król, prof. UŚ

Dach „Żylety”

Pomysł badania składu pyłów mineralnych w otaczającym nas powietrzu pojawił się podczas stypendium Fulbrighta, które prof. Janusz Janeczek odbywał na Uniwersytecie Stanu Nowy Meksyk w USA. Jak podkreśla, miał wówczas przyjemność współpracować z prof. Fransem Rietmeijerem, naukowcem zajmującym się analizą pyłu kosmicznego dla NASA.

– Pomyślałem wtedy, dlaczego nie mielibyśmy przyjrzeć się bliżej pyłom, którymi na co dzień oddychamy – dodaje.

W efekcie wspólnie z prof. Rietmeijerem opisali skład mineralny pyłu pobranego z dachu słynnej sosnowieckiej „Żylety”, budynku Wydziału Nauk Przyrodniczych UŚ. Wyniki były na tyle interesujące, że do kontynuacji badań pyłów na terenie Górnego Śląska i Zagłębia prof. Janeczek przekonał prof. Mariolę Jabłońską, która obecnie kieruje Uniwersyteckimi Laboratoriami Kontroli Atmosfery – ULKA.

Z prowadzonymi analizami ściśle powiązane było pytanie, w jaki sposób pyły te oddziałują na zdrowie mieszkańców. Odpowiedź, jak zawsze w takich przypadkach, brzmi: to skomplikowane. Górny Śląsk jest obszarem, w którym szczególnie dotkliwie odczuwamy skutki zanieczyszczeń powietrza. Przez dużą część roku, a zwłaszcza zimą, odnotowujemy wartości przekraczające dopuszczalne stężenie pyłów PM10 czy PM2,5. Jest to więc doskonałe miejsce do prowadzenia badań wpływu jakości powietrza na nasze funkcjonowanie.

Pierwszym wyzwaniem okazało się jednak pozyskanie materiału do badań. Tego typu tkanki nie mogą być pobierane od osób żyjących. Dzięki uprzejmości firmy DiagnoMed naukowcy otrzymali więc tak zwany materiał sekcyjny – fragmenty dolnych płatów płuc 12 osób w wieku od 18 do 80 lat. Każda z nich pochodziła z Górnego Śląska i zmarła z przyczyn innych niż związane ze schorzeniami dróg oddechowych.

Naukowcy porównywali kształty cząstek pyłów atmosferycznych oraz ich skład chemiczny i mineralny na Górnym Śląsku z cząstkami wykrytymi w badanych tkankach. Wykonali tytaniczną pracę. Prof. Mariola Jabłońska wraz z prof. Beatą Smieją-Król przebadały oraz zidentyfikowały łącznie aż 1652 obiekty. Na tej podstawie szukały podobieństw i różnic. Wyniki okazały się zaskakujące.

Ziarna węglanu wapnia (jasne) wytrącone na cząstkach pyłów atmosferycznych w tkance płucnej, widziane pod skaningowym mikroskopem elektronowym

Wdech, wydech

Oddychamy powietrzem, które nas otacza – 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu. W ciągu minuty wykonujemy przeciętnie od 16 do 19 oddechów. Cały czas do naszych płuc dostają się więc różne, mniejsze i większe drobinki. Pyły tworzą cząstki ciała stałego o wielkości od kilku nanometrów do nawet 100 mikrometrów. Ich wielkość pozwala dzielić je między innymi na znany nam dobrze pył zawieszony PM10 (są to cząstki o średnicy aerodynamicznej mniejszej niż 10 μm), PM2,5 (o średnicy cząstek mniejszej niż 2,5 μm) czy PM1 (o średnicy cząstek mniejszej niż 1 μm). Im mniejsze, tym bardziej inwazyjne. Różnią się składem chemicznym, pochodzeniem, właściwościami i oczywiście wpływem na organizmy.

Czy jesteśmy bezbronni? Układ oddechowy człowieka jest wyposażony w wiele mechanizmów obronnych. Na przykład nos to nasz naturalny filtr. Mikrokosmki, rzęski, a potem chrząstki, błony – także nie pozwalają dostać się zanieczyszczeniom do płuc. Obce struktury muszą więc przebyć długą drogę i pokonać różne bariery. Niestety najczęściej właśnie te najdrobniejsze docierają najdalej.

W badanych tkankach znalazły się m.in. cząstki żelaza, szkła glinokrzemianowego, tlenku uranu, a nawet złota, zaobserwowane także w powietrzu atmosferycznym na Górnym Śląsku. Są to przykłady związków i pierwiastków, których organizm człowieka nie jest w stanie rozpuścić czy „strawić”. Wyspecjalizowane komórki zaczynają więc budować w płucach rodzaj ochronnego płaszcza, aby odizolować je od zdrowych tkanek. Skutkiem tego procesu są zwapnienia, nazywane tak ze względu na obecność soli wapnia w płaszczu. Zmieniony fragment przestaje jednak pełnić swoje pierwotne funkcje, staje się martwy, a coraz większa ilość zwapnień jest jedną z oznak starzenia się – w tym przypadku – płuc.

– O ile składniki występujące w powietrzu nie były dla nas szczególnym zaskoczeniem, o tyle nie spodziewaliśmy się odkryć w tkankach dużych ilości węglanu wapnia oraz węglanu wapnia i magnezu. To skłoniło nas do szczegółowych obserwacji związanych z tą fazą mineralną – komentuje badaczka.

– Oczywiście związki te są odnotowywane w literaturze medycznej, ale większość naukowców koncentruje uwagę na różnych formach fosforanu wapnia. Węglany były więc zagadką. Doszliśmy do wniosku, że warunki sprzyjające wytrącaniu się właśnie tych związków wynikają z mniej intensywnej wentylacji płuc zachodzącej w ich dolnej części – dodaje z kolei prof. Janusz Janeczek.

Naukowcy postawili również hipotezę, że starzenie się płuc, objawiające się wzmożonym wytrącaniem się węglanu wapnia, wynika nie tylko z fizjologii organizmu, lecz także z kumulacji cząstek mineralnych, na których wytrącają się wspomniane specyficzne węglanowe płaszcze. Jak podkreśla prof. Janusz Janeczek, do tej pory nikt nie podjął się badań pozwalających łączyć jednoznacznie akumulację cząstek mineralnych ze zwapnieniami pojawiającymi się w naszych płucach. To jedna z najważniejszych konkluzji analiz przeprowadzonych przez naukowców. Czy to oznacza, że powinniśmy jak najszybciej opuścić Górny Śląsk, zanim troska o środowisko zacznie przynosić miarodajne efekty?

Nie mamy dokąd uciec

Źródłem cząstek mineralnych, które mogą być odpowiedzialne za zwapnienia płuc, są oczywiście pyły atmosferyczne. Warto jednak wiedzieć, że występują... w każdym miejscu na Ziemi. Jednym z najbardziej rozpowszechnionych mitów jest przekonanie, że pył zawieszony powstaje wyłącznie w wyniku działalności człowieka. Problem ten od lat dotyka przede wszystkim naszego regionu, o czym słyszymy regularnie – szczególnie w okresie jesienno-zimowym.

– Proszę sobie jednak wyobrazić, że nawet w tak czystym powietrzu, jakie występuje na bagnach biebrzańskich, zaobserwowane zostały cząstki minerałów wskaźnikowych dla spalania śląskiego węgla. Udowodniła to w swych badania dr Agnieszka Tondera – mówi prof. Janusz Janeczek.

Jeśli ktoś żyje na terenach wulkanicznych, będzie miał w płucach cząstki pyłu wulkanicznego, w innych regionach mogą to być cząstki z występujących naturalnie skał podlegających ciągłemu wietrzeniu, zwłaszcza na obszarach pustynnych i półpustynnych, które zajmują dużą część kontynentów. Nie ma na świecie obszaru, który byłyby pozbawiony pyłu pochodzenia naturalnego lub antropogenicznego. W pewnym sensie więc nasze płuca stają się składowiskiem pyłów. Oczywiście Górny Śląsk jest niechlubnym przypadkiem na tej globalnej mapie zanieczyszczeń, ponieważ dominują tu szczególnie szkodliwe pyły, których źródłem jest przede wszystkim działalność człowieka. Tym, co zaskoczyło naukowców, był jednak brak sadzy w analizowanych tkankach.

– Zapoznałem się z wynikami badań brytyjskich naukowców, którzy przeanalizowali próbki tkanek pobranych od ofiar słynnego wielkiego londyńskiego smogu utrzymującego się w stolicy Wielkiej Brytanii przez kilka grudniowych dni 1952 roku. W próbkach tych znaleziono drobne cząstki sadzy, a w niej metale ciężkie. Spodziewaliśmy się więc, że i w płucach mieszkańców Górnego Śląska odkryjemy podobne składniki, tym bardziej, że w śląskim powietrzu sadzy nie brakuje, zwłaszcza w sezonie grzewczym. Tymczasem nie było śladu sadzy w dolnym płacie płuc; być może kumuluje się w innej części płuca lub w ogóle do niego nie dociera. Tego jeszcze nie wiemy. Jest to jeden z wątków, które na pewno chcielibyśmy w przyszłości przeanalizować – komentuje prof. Janusz Janeczek.

Artykuł pt. The Impact of Ambient Atmospheric Mineral- Dust Particles on the Calcification of Lungs opublikowany w czasopiśmie „Minerals”, vol. 11, iss. 2 (2021), jest już dostępny w Repozytorium Uniwersytetu Śląskiego RE-BUŚ pod adresem: www.rebus.us.edu.pl.