Космические пельмени и регенерация нейронов. Новости на QWERTY
[музыка] Всем привет! Вы смотрите научно-популярный канал QWERTY, а меня зовут Владимир. Я представляю вам очередной выпуск самых интересных новостей науки прошедшей недели.
В этом ролике: гибрид микросхемы и бактерии на страже здоровья, восстановление нейронов с помощью био-геля, тайны скрипок Страдивари, космические пельмени и многое другое. А завтра в 18:30 по московскому времени легендарный Астрадед проведет прямую трансляцию, так что не пропустите!
Что касается прошлого выпуска, вы опять проголосовали за тему, о которой практически нет достоверной научной информации — за остриё научной мысли, за пересадку памяти. И вот что я вам скажу: опыты с переносом памяти ведутся как минимум с 50-х годов прошлого века. Один из самых известных экспериментов проводился Джеймсом Макконнеллом над планариями — плоскими червями. Их обучали проходить лабиринт, а затем разрезали вдоль на две части, из которых получалось целых две новых планарии, и обе одинаково хорошо проходили лабиринт. Тогда Макконнелл посчитал, что память хранится именно в РНК.
В другом эксперименте он начал скармливать кусочки обученных, не боящихся света, планарий необученным, заявляя, что так передаются условные реакции и знания. Но впоследствии никто не смог успешно повторить его «каннибальские» эксперименты, и научное сообщество практически отвернулось от Макконнелла. Прокомментировал он это так: «С первым апреля!»
А вот раз пополам, планарии действительно работали, потому что при обучении у них была задействована вся нервная система, по частичке которой им достается каждой дочерней планарии. Так что долгое время гипотеза о причастности РНК к памяти оставалась достаточно экзотической. И только в последнее время эксперименты над аплизией мини, сколько пропускают вперед, а в целом чего только учёные не творят с памятью: и стирают воспоминания, и внедряют ложные с помощью опыта генетики, но всех механизмов до сих пор объяснить не могут.
А вот подоспела и космическая новость. Мы с вами как-то привыкли, что небесные тела имеют почти сферическую форму, но встречаются и космические пельмешки — равиоли и манты. Именно так выглядят некоторые небольшие спутники Сатурна. За их изображение скажем большое спасибо Костаини.
А сейчас попробуем разобраться, как же их так слепили. Из 62 спутников Сатурна, будто колец ему мало. Некоторые, например, Атлас, Прометей и Пандора выглядят крайне необычно. У кого-то видны экваториальные пояса, похожие на гребень пельменей или на горный хребет. Атлас выглядит как летающая тарелка, пандан — как вылитый пельмень. А вот Прометей мягко сказать не идеален. Даже довольно крупный Япет вообще похож на грецкий орех, за счёт кольцевого горного хребта.
Считается, что опоясывающий хребет Япета возник после того, как его собственное кольцо, возникшее в результате выброса в космоса вещества самого Япета, от какого-то катаклизма упало обратно на спутник, но это не точно. Одна из теорий, объясняющих такие странные формы, гласит, что на спутнике налипло множество более мелких небесных тел. Звучит почти логично, поэтому астрономы решили проверить эту теорию почти на практике.
Смоделировав столкновение небольших космических тел с их последующим слиянием, чтобы, в результате аварии, получались вышеупомянутые пельмени. Нужны два основных фактора: лобовое столкновение с отклонением не более чем в десять градусов и скорость примерно в 10 метров в секунду. Пан и Атлас образовались, вероятно, при очень точном попадании двух объектов лоб в лоб. Отклонение в 6 градусов привело к созданию объекта, похожего на Прометей, а большее отклонение траекторий каменюк создает тела, которые затем разрушаются под воздействием Сатурна.
Экваториальный пояс, а как мы видели, формируется за счёт вещества самих спутников, выплескивающегося наружу. И, кстати, мог образоваться именно таким образом. Такие столкновения в космосе очень редки, но окрестности Сатурна к ним располагают благодаря наличию колец и практически идеальным круговым орбитам.
А сейчас просто гениальную по своей простоте задумку реализовали в Массачусетском технологическом институте. Учёные придумали, как анализировать состояние желудка и кишечника в реальном времени, чтобы выявлять заболевание без эндоскопа, без этой противной трубки, после использования которой чувствуешь себя каштанкой.
Итак, они создали глотаемый датчик длиной примерно в 4 сантиметра, который может определять наличие некоторых веществ и рапортовать об этом на смартфон. Но весь цимес в том, что это не просто химический анализатор, а электронная клетка для генно-модифицированных бактерий, которые начинают светиться в присутствии следов крови. Кровь говорит о проблемах — от язвы до рака, и выявить их своевременно — это практически половина успеха лечения.
А модифицировали, конечно же, кишечную палочку — полностью изученный безвредный модельный организм, который уже давно заставляют синтезировать огромное количество веществ, от инсулина до вакцин. Датчик проглатывается, желудочный секрет вступает в контакт с бактериями через полупроницаемую мембрану, а свет от бактерий регистрируется обычным фотодетектором, и сигнал передается через антенну.
Так что этот датчик гибридно-биотехнологический: содержит и микросхему, и живые организмы. А батарейки на 2,7 вольта хватает на полтора месяца, так что можно прогонять этот датчик разово, а можно и подержать его пару недель. Это устройство тестировали на мышах и свиньях, и в присутствии крови датчик правильно определял многократное усиление светимости.
Также были варианты датчиков, определяющие воспаление. А вообще применения множество: нужно всего-то уменьшить размеры и понять, сколько бактерий могут выживать в кислотной среде. Интересно, можно ли сделать такой датчик в таблетке, который на лету определяет 92 бензин или 95?
Вопрос о восстановлении нейронов на данный момент чрезвычайно дискуссионный. Отмершие, например, в результате инсульта, нервные клетки и кровеносные сосуды совсем не желают регенерироваться, оставляя рубец. Ситуация похожа на проблемы с регенерацией сердца, которые мы обсуждали в двух последних выпусках, но и здесь есть определённая надежда.
В университете Калифорнии опробовали нейро-гель, который вводили в поражённой инсультом области мышиного мозга. В кратчайшие сроки после повреждения гель загустевал и по структуре имитировал мозговую ткань, а также выступал в роли строительных лесов и снабжал окружающей области мозга строительный материал.
В состав геля входили вещества, снижающие воспаление и стимулирующие рост кровеносных сосудов. Через 16 недель гель полностью всасывался, оставляя за собой свежеобразованную нервную ткань с сетью аксонов, пронизанной кровеносными сосудами. И никаких рубцов. Нейронные связи восстановились, а подопытные мыши показали улучшение моторных функций, что в общем-то достаточно удивительно, ведь механизм этого не ясен.
Разработчик заявил: «Либо новые оксаны действительно работают, либо новая ткань улучшает работу окружающих невредимой части мозга». Конечно, впереди ещё много исследований и экспериментов, и анализа данных. Надо понять, как обстоят дела с долгосрочным восстановлением. Но если получится, то это будет прорыв в терапии инсульта.
С тех пор, как на Земле завелась жизнь, эта жизнь постоянно варьировалась. А вместе с ней варьировалась и масса всех живых, а то и не живых существ на планете. Видимо, для того чтобы понять, каково Земле терпеть эту углеродную напасть, учёные подсчитали массу всей биосферы.
Между прочим, это может помочь в построении взаимосвязей и общих механизмов её функционирования. Авторы статьи утверждают, что современных данных о массе биосферы до этого не было. Однако и сами они не ходили с весами по полям да морскому дну, а проанализировали огромное количество литературы, учли и географическое распределение биомассы.
К тому же подсчёт явился в сухой массе углерода, принадлежащему тому или иному царству живого, то есть без воды и некоторых других веществ. В таком вот акцепте, как сказал бы Модест Матвеевич, масса всей биосферы составила 550 гигатонн, или миллиардов тонн. Нам, человечеству, пришлось всего 6 сотых гигатонны, или 0,1 процента. В пересчёте на углерод мы весим меньше, чем вирусы, чем рыбы, чем моллюски и даже сельскохозяйственные животные.
Зато мы смогли обогнать нематод, диких птиц и диких млекопитающих. Долго работали над этим, надо сказать. В лидерах, разумеется, растения, которые весят 450 гигатонн — это 82 процента. На втором месте — бактерии до 12,7 процента, или 70 гигатонн. Вывод: их часто видите. А третье место заняли грибы — 12 гигатонн, или 2,2 процента.
Но и при таких скромных показателях человек всё равно венец природы. Терновый! Нам уже случалось рассказывать о принципах сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии. К поверхности объекта на расстоянии меньше нанометра подводят тончайшую иглу, пересчитывают воздействие на иглу туннельных токов или механической силы.
Но для построения изображения с атомным разрешением иголка должна быть не патефонной, а толщиной с атом. На острие такие микроскопы могут не только видеть отдельные молекулы, но и перемещать отдельные атомы. Но есть одна проблема: существующие технологии заточки не могут гарантировать остроту иглы. К тому же во время использования даже острая игла может затупиться и дать два остриё, то есть два сканирующих атома. А это плохо сказывается на результатах изображения.
Дo и манипулировать атомами такой микроскоп уже не в состоянии. Выискивание дефектов и корректировка иглы занимает уж слишком много времени. Но канадские физики решили эту проблему, используя нейросети. Они взяли тонкую кремниевую пластину, покрытую слоем атомов водорода. Плечо некоторые связи между атомами были разорваны, при сканировании эти дыры светятся как прорехи в ткани, когда смотришь на солнце.
Логично, что если остриё одно, то и пятно будет одно, а если два — то добро пожаловать на профилактику. И учёные обучили свёрточную нейросеть искать дефекты, скормив ей три с половиной тысячи хороших и плохих изображений. Напомним, что свёрточная нейросеть отлично обрабатывает изображения. Точность нейросети достигает 99 процентов, а сам метод даже позволяет корректировать обнаруженные дефекты. И, глаз двойным острием, аккуратно вдавливаются в поверхность пластины 5-10 раз, после чего два остриё буквально отваливаются, а игла становится заточенной.
Нейросеть, конечно же, следит за процессом. Это ещё одна область науки или, в целом, человеческой деятельности, которую нейросети смогли и за рутинной превратить в автоматическую. По словам разработчиков, раньше мы печатали атомами с эффективностью средневековых монахов, переписывающих книги, а сейчас мы получили книго-печатный станок.
Скрипки Страдивари, изготовленные аж в 17 веке, до сих пор являются золотым стандартом их звучанию. Подражают все современные инструменты, их копируют мастера. Итальянские учёные решили выяснить, почему их звучание так приятно человеческому уху, и они провели целое расследование.
Современные 4 струны скрипки появились в 16 веке с подачи итальянца Андреа Маттеи, который основал целую династию мастеров. Антонио Страдивари, который был учеником его внука Николо Амати, не только усовершенствовал семейную разработку Амати, но и придумал новые инструменты и способы изготовления скрипок.
Раньше исключительное звучание связывали с формой дек и отверстием в скрипке. Но новые исследования анализируют именно тональное звучание, руководствуясь высказыванием Франческо Джамиа, итальянского скрипача, о том, что скрипка должна быть соперником самого совершенного человеческого голоса. Учёные решили сравнить их акустические характеристики.
Для человеческого голоса важнейшей характеристикой являются форманты — диапазоны частот, на которых увеличивается интенсивность звука. Кстати, у женщин речевой тракт короче, чем у мужчин, поэтому частоты этих самых формант у них выше. Учёные провели сравнение 5 скрипок Страдивари, одной скрипки, изготовленной его сыном, и 9 скрипок других итальянских мастеров, в том числе двух старейших действующих скрипок. Также они сделали записи 8 певцов и певиц, поющих гласные английского языка.
Оказалось, что по частотам форманты скрипки Страдивари больше похожи на женские певческие голоса, близки к формантам тенора и контратенора, в то время как скрипки других мастеров, но мужские басы и баритоны. То есть если бы у скрипок был голосовой тракт, то у скрипок Страдивари он составлял бы 16 целых 2 десятых сантиметра, а у других скрипок — 17 сантиметров, что сопоставимо с разницей длины мужского и женского голосового тракта.
Также у скрипок Страдивари оказался ярче тембр за счёт частот, соответствующих гласным переднего ряда, то есть когда язык максимально близко расположен к зубам. Как Страдивари добился такого результата, неизвестно. Учёные подозревают в этом некий секретный минеральный раствор, в котором мастер вымачивал древесину перед началом работ, и его секрет, конечно же, утерян.
Ну а на этом всё! Спасибо вам за просмотр! Не забудьте, что завтра в 18:30 пулковский астроном Кирилл Масленников, вместе с главным редактором нашего канала Ириной Тихоновой, в прямом эфире будут отвечать на ваши вопросы по астрономии. Заранее присылайте вопросы Ирине на почту и, конечно, следите за эфиром!
Голосование за самую интересную новость этого выпуска мы разместим на нашем YouTube канале QWERTY во вкладке «Сообщество». Не забудьте подписаться на нас, а заодно на наш Телеграм и Инстаграм! Если вам понравился этот выпуск, то не забудьте поставить ему лайк. И до скорых встреч! Пока! [музыка]