Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Ilekroć w szczerym uśmiechu odsłaniamy uzębienie, tylekroć ujawniamy minerał bioapatyt. Przedrostek bio- wskazuje, że mineralny składnik zębów i kości powstał w wyniku procesów życiowych, w odróżnieniu od jego geologicznego krewnego – apatytu. Bioapatytu w naszym organizmie jest całkiem sporo. Najwięcej w szkliwie zębów, bo aż 95 procent jego masy. Zębina zawiera go 70 procent; tyle, co kości. Pozostałymi składnikami są substancje organiczne i woda.

Bioapatyt zbudowany jest głównie z wapnia, fosforu, tlenu i anionów: wodorotlenowego oraz węglanowego. Składniki te występują w zmiennych ilościach, co odróżnia bioapatyt od apatytu, w którym stosunek ilościowy pierwiastków chemicznych jest stały. Bioapatyt jest stosunkowo łatwo rozpuszczalny w kwaśnym środowisku jamy ustnej. Dlatego w profilaktyce przeciwpróchniczej zębów stosuje się pasty zawierające fluor, który stopniowo zastępując anion wodorotlenowy, obniża rozpuszczalność bioapatytu. Jak we wszystkim, także i w tym przypadku należy zachować umiar, gdyż nadmiar fluoru w wodzie (ponad 1,5 mg w litrze) prowadzi do fluorozy powodującej zniszczenie szkliwa.

W kościach oraz zębinie kryształki bioapatytu mają rozmiary rzędu kilkudziesięciu nanometrów (nanometr to milionowa część milimetra) i łączą się z włóknami substancji białkowej zwanej kolagenem, tworząc unikalny materiał kompozytowy o dużej wytrzymałości mechanicznej.

Najbardziej zdumiewającą cechą bioapatytu kostnego jest jego nieustająca przemiana. Podczas gdy apatyt geologiczny jest niezmienny od czasu swojego powstania, nawet jeśli liczy sobie miliardy lat, to bioapatyt w naszych kościach nieustannie podlega cyklowi rozpuszczania i odbudowywania. Wyspecjalizowane komórki zwane osteoklastami rozpuszczają bioapatyt, a w tym samym miejscu inne komórki, osteoblasty, odbudowują go. Szacuje się, że u młodego mężczyzny co 5–6 lat następuje całkowita przebudowa kości! W zdrowym organizmie cały cykl przebiega w idealnej równowadze: odnawia się tyle samo bioapatytu, ile zostało rozpuszczone przez osteoklasty. Pozornie ten cykl niszczenia i odbudowywania bioapatytu wydaje się niecelowy, jednakże działanie osteoklastów uwalnia do krwioobiegu jony wapnia, magnezu i fosforu w ilościach niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania organizmu.

Naruszenie równowagi cyklu rozpuszczania i odbudowy bioapatytu prowadzi do poważnych problemów zdrowotnych, między innymi osteoporozy. Osteoporoza jest skutkiem niezrównoważenia ilości bioapatytu usuniętego przez nowo powstały. Niedobór bioapatytu w kościach powoduje wzrost ich porowatości manifestujący się zmniejszeniem gęstości, przez co stają się one kruche i podatne na pęknięcia oraz złamania.

Bioapatyt nie jest jedynym minerałem w naszym organizmie. Odkrycie w 1992 roku kryształów magnetytu (tlenku żelaza) w móżdżku i hipokampie nie było nadzwyczajnym zaskoczeniem, jako że minerał ów znano wcześniej z tkanek wielu kręgowców i bezkręgowców, w tym ptaków wędrownych, łososia, a także bakterii magnetotaktycznych. Zaskakująca była ilość tego magnetytu. W jednym gramie mózgu dorosłego człowieka doliczono się około 100 milionów kryształów magnetytu o rozmiarach kilkudziesięciu nanometrów. Obecnie wiemy, że magnetyt obecny jest praktycznie we wszystkich ludzkich tkankach. Jaką odgrywa rolę? Zważywszy, że ma silne własności magnetyczne, nasuwa się myśl o jego udziale w podświadomej nawigacji naszego organizmu, tak jak to się dzieje np. u gołębia wędrownego. Ostatnio wysunięto hipotezę sugerującą istotną rolę magnetytu obecnego w membranach neuronowych w magazynowaniu informacji, a tym samym w kontrolowaniu pamięci długotrwałej. Prawda jest taka, że funkcja biologiczna magnetytu w ludzkim mózgu pozostaje niewyjaśniona.

Wiadomo natomiast, że za zmysł równowagi odpowiada inny minerał – kalcyt. Ten podstawowy składnik wapieni występuje w postaci mikroskopijnych kryształków w błędniku, dlatego nazywany bywa kamyczkiem błędnikowym (w literaturze medycznej stosuje się termin otolit). Otolity w czasie ruchu głowy przemieszczają się, pobudzając komórki receptorowe komunikujące się z mózgiem. Kalcyt jest minerałem kruchym i wraz z wiekiem, a także w czasie urazów głowy może ulec pokruszeniu. Niekontrolowany ruch pokruszonych otolitów skutkuje zawrotami głowy i zaburzeniem równowagi.

Wymienione minerały są esencjonalne dla prawidłowego funkcjonowania ludzkiego organizmu. Niestety, minerały mogą się także tworzyć w wyniku procesów chorobowych, przysparzając nam poważnych kłopotów. Ten sam bioapatyt, który buduje kości i zęby, kiedy wytrąca się tam, gdzie nie powinien, czyli na ściankach naczyń krwionośnych czy w zastawkach mięśnia sercowego, staje się śmiertelnie niebezpieczny. Bioapatyt jest też składnikiem guzów nowotworowych skóry, sutka i węzłów chłonnych.

Piękne kryształy uwodnionego szczawianu wapnia nazywanego przez mineralogów whewellitem przestają nas zachwycać, kiedy krystalizują w naszych nerkach i blokują przewody moczowe. Są głównym składnikiem kamieni nerkowych. Ich agregaty osiągają czasami średnicę kilku centymetrów, stając się piekielnie bolesnym utrapieniem osób cierpiących na kamicę nerkową. Usunięcie kamieni nerkowych wymaga rozkruszenia ultradźwiękami i naturalnego wydalenia tak powstałych fragmentów, a w skrajnych przypadkach niezbędna jest interwencja chirurgiczna. Kamienie nerkowe zawierają też inne minerały. Na przykład obecność struwitu (uwodnionego fosforanu amonu i magnezu) sugeruje infekcję bakteryjną jako przyczynę krystalizacji kamieni nerkowych. U osób zdrowych profilaktyka kamicy nerkowej jest w zasadzie prosta: należy dużo pić, minimum 2 litry płynów dziennie, przy czym – uwaga! – do bilansu płynów nie liczy się piwo, o mocniejszych alkoholach nie wspominając!

Kalcyt znany nam z otolitów staje się minerałem patogennym, tworząc kamienie trzustkowe i wraz ze szczawianami mineralizując śliniankę. Nie wspominam tutaj o kamieniach żółciowych, jako że nie mają swojego odpowiednika w świecie minerałów.

Oprócz minerałów tworzących się w organizmie człowieka do naszego wnętrza drogą pokarmową lub oddechową dostają się mineralni przybysze z zewnątrz.

Każdy z nas nieświadomie jest „pożeraczem minerałów”. Trafiają do nas wraz z połykanym pyłem, a także z pożywieniem do którego w różnym celu są podawane. Codziennie przyjmujemy pewną ilość soli kamiennej, czyli minerał halit. Oszacowano, iż w Stanach Zjednoczonych dorośli nieświadomie wprowadzają do przewodu pokarmowego od 10 do 50 mg materiału skalnego dziennie, a dzieci jeszcze więcej („ręce w buzi”). W radiologicznym obrazowaniu przewodu pokarmowego od dawna stosowana jest „papka barytowa” jako środek kontrastowy. Trudno rozpuszczalny baryt, czyli siarczan baru, nie szkodzi nam, ale warto wiedzieć, że inny minerał baru – witheryt (węglan baru) – jest najsilniejszą trucizną mineralną. Baryt, nawiasem mówiąc, jest składnikiem niektórych czekolad.

Jeszcze do połowy XIX wieku w powszechnym użyciu były tak zwane ziemie pieczętne, czyli pigułki wytworzone z minerałów ilastych opatrzone pieczęcią zaświadczającą o miejscu ich pochodzenia. Stosowane były w dolegliwościach gastrycznych, zwłaszcza w biegunkach i stanach zapalnych układu pokarmowego. Największą sławą w Europie cieszyła się Terra sigillata z okolic Strzegomia. Trwałą kontynuacją tej tradycji farmakologicznej są współczesne leki przeciwbiegunkowe zawierające jako składnik czynny minerały ilaste z grupy smektytów i kaolinitu.

Szczególnym przypadkiem jest geofagia, czyli intencjonalne spożywanie iłów i glinek przez ludzi i zwierzęta. Abstrahując od przypadków spowodowanych zaburzeniami psychicznymi, ludzie jedzą iły, traktując je jako detoksykanty, substytut pożywienia zaspakajający uczucie głodu (ił, pęczniejąc w żołądku, powoduje wrażenie sytości), suplement diety (źródło żelaza i wapnia), a także ze względów kulturowych dla przyjemności. Indianie Quechua jedzą trujące dzikie ziemniaki, maczając je w zawiesinie iłu pochłaniającego toksyczne glikoalkaloidy. Praktyki zaspokajania braku pożywienia jedzeniem iłów obserwowano jeszcze 40 lat temu w Chinach i w czasie wielkiego głodu w Malawi w 2000 roku. Geofagia rozpowszechniona jest w wielu społeczeństwach Afryki, Ameryki Południowej, Azji oraz w południowych stanach USA (Alabama, Georgia). Nie jest tylko właściwością ludzi biednych i niedożywionych, jest zjawiskiem kulturowym. W tych miastach Anglii, gdzie znajdują się duże skupiska ludności pochodzenia bengalskiego, np. w Londynie czy Birmingham, można kupić glinkę „jadalną” sprowadzaną prosto z Bengalu zwaną sikorem. Za rarytas uchodzi sikor „wędzony”, przesiąknięty zapachem dymu.

Smakosze glin muszą sobie jednak zdawać sprawę, że nieznajomość mineralogii może mieć fatalne skutki. Wśród osób oddających się geofagii w Turcji stwierdzono silną anemię wywołaną spożywaniem iłów pozbawionych żelaza. Iły wchłaniały żelazo z organizmu tych ludzi, a następnie były wraz z tym żelazem wydalane. Więcej roztropności wykazują goryle górskie i bawoły żyjące na dużych wysokościach w Afryce. Spożywają wyłącznie iły zasobne w łatwo przyswajalne żelazo, co zapewne służy im do wzmożonego wytwarzania erytrocytów. Szympansy wyjadają glinki z kopców termitów o składzie analogicznym do jednego z leków łagodzących skutki nadkwasoty.

Z każdym haustem wdychanego powietrza do naszych płuc dostają się cząstki zawieszonego w nim pyłu. Nawet najczystsze powietrze atmosferyczne zawiera w metrze sześciennym co najmniej milion cząstek pyłu pochodzącego ze źródeł naturalnych. A co dopiero powietrze w naszym zurbanizowanym i zindustrializowanym regionie! Organizm człowieka wykształcił system mechanizmów obronnych przed wnikaniem intruzów do naszych płuc. Zapewne każdy doświadczył „kręcenia w nosie”, po czym kichał lub odkaszliwał bez wyraźnej przyczyny. To efekt drażnienia specjalistycznych komórek w jamie nosowej, tchawicy i oskrzelach przez duże cząstki pyłu wywołujący odruch ich wydmuchiwania lub otaczania śluzem, który następnie połykamy. Bardzo małe cząstki pyłu w większości rozpuszczają się w płynach ustrojowych układu oddechowego, jednak pewna ilość cząstek o średnicy 1–2 mikrometrów zwanych respirabilnymi przenika do najdalszych zakątków płuc i jest tam deponowana.

O ile łatwo jest określić ilość i skład pyłu zawieszonego w powietrzu, o tyle bardzo trudno jest powiedzieć, jaki jest skład cząstek pyłu w płucach. Dr hab. Mariola Jabłońska z Katedry Geochemii, Mineralogii i Petrografii Uniwersytetu Śląskiego podjęła się trudu zbadania składu pyłów mineralnych pobranych z tkanki płucnej 34 mieszkańców Śląska i Zagłębia, którzy zmarli w różnym wieku z powodów innych niż choroby płuc i którzy nie byli zawodowo narażeni na duże zapylenie. Wyniki badań, trzecich takich na świecie, wskazują, że skład mineralny cząstek stwierdzonych w tkance płuc w dużej mierze, lecz nie wyłącznie odzwierciedla skład mineralny powietrza atmosferycznego. W odróżnieniu od mieszkańców Rzymu, w których płucach dominują składniki naturalne, w płucach mieszkańców regionu śląsko-zagłębiowskiego przeważają cząstki mineralne związane z przemysłową i bytową działalnością ludzi. Znajdziemy zatem w naszych płucach mikroskopijne kuleczki żelaza z procesów metalurgicznych oraz szczególnie obficie występujące kuleczki szkliwa glinokrzemianowego powstałego ze stopienia minerałów w czasie wysokotemperaturowego spalania węgla w paleniskach elektrociepłowni. Drobinki fosforanu ziem rzadkich (minerał monacyt) stwierdzone w tkance płucnej jednoznacznie zaświadczają o spalaniu śląskiego węgla kamiennego, którego ten minerał jest charakterystycznym składnikiem akcesorycznym. Zdarzają się też cząstki egzotyczne, jak złoto. Nie brakuje również składników naturalnych, w tym wszędobylskiego kwarcu, którego ostre krawędzie uszkadzają delikatną tkankę płuc. Odkryto ponadto minerały powstałe w reakcjach chemicznych cząstek pyłu z płynami obecnymi w płucach. W sumie dr hab. M. Jabłońska doliczyła się 15 składników mineralnych.

Ilość substancji mineralnej w płucach* zwiększa się wraz z wiekiem od około 2,5 procent masy tkanki u osób poniżej 40. roku życia do średnio 3,8 procent u osób w wieku 80 i więcej lat. O ile taka zależność wydaje się zrozumiała, o tyle zaskakujące jest to, że głównym składnikiem mineralnym płuc korelującym się z wiekiem ludzi jest kalcyt (węglan wapnia), znany nam już z otolitów. Otóż kalcyt nie jest przybyszem z otaczającego nas środowiska.

Ciała obce trafiające do tkanki płucnej uruchamiają mechanizm obronny zwany fagocytozą. Specjalistyczne komórki – makrofagi dążą do rozpuszczenia ciała obcego. Mówiąc obrazowo, starają się pożreć intruza. O ile w przypadku bakterii i łatwo rozpuszczalnych substancji odnoszą sukces, to w przypadku minerałów trudno rozpuszczalnych mają z tym problem. Otaczają cząstkę mineralną płaszczem kalcytowym, izolując ją w ten sposób od pozostałych tkanek. Dr hab. M. Jabłońska udowodniła to, obserwując otoczki kalcytowe wokół siarczków cynku (minerał sfaleryt), a nawet związków uranu tkwiących w tkance płucnej. Wraz ze wzrostem ilości zdeponowanych pyłowych cząstek mineralnych wzrasta ilość kalcytowych otoczek. Zwapnienie, a właściwie kalcytowienie tkanki płucnej wywołane kumulacją cząstek mineralnych, nakłada się na naturalne procesy starzenia się organizmu, obniżając sprawność wentylacyjną płuc. Co ciekawe, u osób palących w procesie fagocytozy w miejsce kalcytu wytrąca się bioapatyt jako efekt zakwaszania płuc dymem tytoniowym (kalcyt nie toleruje środowiska kwaśnego). Czy ten bioapatyt ma naturę patogenną sygnalizującą problemy zdrowotne, czy jest tylko efektem innego przebiegu reakcji chemicznej w porównaniu z osobami niepalącymi, pozostaje nierozstrzygniętym problemem.

Kończąc naszą wycieczkę mineralogiczną do wnętrza człowieka, dostrzegamy zaskakującą różnorodność minerałów w nim spotkanych zarówno pod względem ich składu, jak i funkcji biologicznych. Jednakże szereg interakcji między minerałami a organizmem człowieka pozostaje niewyjaśnionych. Ich zrozumienie wymaga podejścia interdyscyplinarnego z wykorzystaniem metod badawczych właściwych różnym działom naukowego poznania. Uświadamiamy sobie przy tym, że człowiek jest nie tylko elementem biosfery, ale także nieożywionej geosfery, na co zwrócił już uwagę Hipokrates, wygłaszając jakże współcześnie brzmiącą sentencję: Jeśli chcesz się poznać stan zdrowia ludzi, przypatrz się powietrzu, które wdychają, wodzie, którą piją, miejscu, w którym żyją.

Prof. zw. dr hab. Janusz Janeczek
Katedra Geochemii, Mineralogii i Petrografii
Uniwersytetu Śląskiego

______________

* Ściślej rzecz ujmując, w dolnym prawym płacie płuc, gdyż tylko ta część mogła być badana.