Отличие мозга людей. Рост чёрных дыр. Бактерии-диверсанты. Свойства нейтрона. Новости QWERTY №194
Из этого ролика вы узнаете, чем еще отличается мозг человека от других животных, насколько сложно устройство нейтрона, как вырастить черную дыру на голодном пайке, как достать плохую бактерию с помощью хорошей бактерии и как должны пахнуть котики.
[Музыка]
Всем привет! Вы смотрите научно-популярный канал QWERTY. Меня зовут Владимир. Если сегодня вы пойдете и ляжете спать между десятью и одиннадцатью часами, то ничего не случится. Но если вы будете делать это регулярно, то есть неиллюзорно, вероятность, что у вас снизится риск сердечно-сосудистых заболеваний, по крайней мере, такую связь обнаружили при анализе данных почти 90 тысяч участников исследования BioBank Великобритании.
Само собой учли и возраст, и пол, и вес людей, и холестерин, и продолжительность сна, и курение. Итог: отход ко сну с 10 до 11 ощутимо связан со сниженным риском. Как и во многих исследованиях, нельзя установить причинно-следственную связь. Возможно, более здоровые люди предпочитают ложиться с 10 до 11. Но в голове это держать полезно.
С другой стороны, наверняка есть связь между просмотрами самых интересных новостей науки и наличием усиленного критического мышления. Что здесь причина, а что следствие — только предстоит узнать. В любом случае, все подробности и ссылки на источники, как всегда, в описании.
Уже почти 6 лет человечество фиксирует гравитационные волны от слияния черных дыр и отдает должное общей теории относительности, предсказавшей это явление. Есть одна незадача: многие слияния происходят с черными дырами немыслимых масс. Они слишком большие. Гравитационные волны, эти складки на ткани мироздания пространства-времени, доносят до нас, что часть черных дыр, вовлеченных в слияния, имеют массу более 50 солнечных. Но современные теории заявляют, что звезды таких масс после своей смерти не коллапсируют в черные дыры, а останавливаются сверхновыми.
Окей, черные дыры поодиночке могут поглощать массу уже после обращения. Но если мы говорим про систему из двух черных дыр, готовую к слиянию, то считается, что она все же образовалась из обычной звездной двойной системы. То есть на компаньонов накладывается ограничение по массе. Но ученые нашли способ обойти это ограничение.
Как говорится, строгость законов компенсируется. А нет, это не про физику. Здесь все гораздо интереснее. В основном модели, описывающие черные дыры, не учитывают расширение вселенной. В конце концов, слияние фиксируем, ее детекторами гравитационных волн, длится всего пару секунд. Так что такое упрощение разумно.
Но на самом деле вальс черных дыр может занимать сотни миллионов лет. Само собой, за это время вселенная не останется на месте. Но что если и черные дыры в это время растут вместе со вселенной? Такой феномен можно назвать космологической связи. Интересно, что примерно противоположный процесс происходит со светом: его энергия падает по мере роста вселенной.
Так почему бы черным дырам не набирать энергию, не имея при этом потребности в поглощении материи? Чтобы обосновать теорию, ученые смоделировали жизнь и смерть миллионов пар больших звезд. Те из них, которые в процессе сформировали черные дыры, перешли на вторую стадию, где характеристики связали с размерами вселенной, и стали наблюдать дальше. Пока вселенная росла, массы черных дыр также росли.
Пока они по спирали приближались друг к другу, в результате моделирования стали не только происходить слияния более массивных черных дыр, но и самих слияний стало больше. Все как в жизни. В смысле, в данных гравитационных детекторов LIGO и VIRGO в целом это допущение очень простое. Оно вообще не требует каких-то изменений в существующих понимания процессов рождения, жизни и смерти звезд. Всего-то нужно признать, что черные дыры не существуют в статичной вселенной, как и мы с вами.
В целом моделирование не раскрывает всех загадок слияния, но космологическая связь заслуживает внимания и дальнейшего уточнения.
В человеческом мозге примерно восемьдесят семь миллиардов нервных клеток, нейронов. Они — базовые элементы сложной машины, обрабатывающей информацию. Мы знаем немало процессов, протекающих в наших мозгах, но большей части этих знаний мы обязаны грызунам. Хотя бы потому, что проводить исследования на живых человеческих мозгах несколько неэтично. Поэтому и определить, чем принципиально мозг человека отличается от мозгов других животных, других млекопитающих, задача нет, ребят.
Но и здесь есть свои лайфхаки. Всего-то нужно заглянуть в мозг больных эпилепсией. Во время плановой хирургической операции у пациентов извлекают часть коры головного мозга, а собственно она отвечает за высокоуровневые когнитивные процессы. Помещают в искусственную цереброспинальную жидкость, а затем мозговую ткань шелкуют, уютно тончайшие пласты. Таким образом, можно определить электрическую активность отдельных нейронов и их морфологию.
Вот, например, дендриты — отростки нейронов, принимающие сигналы от других нейронов. Они у человека длиннее, чем у других животных. Да и в целом процесс ввода-вывода у человеческих нейронов отличается от других видов животных. Простите за компьютерный сленг, мы обрабатываем информацию иначе. Отчасти за это различие отвечает размер нейронов.
Во-первых, сигналам приходится пробегать большее расстояние, поэтому в дендритах человека улучшены процессы электрической сегментации и раздельной обработки информации. А во-вторых, плотность ионных каналов на наших удлиненных дендритах ниже, чем у тех же грызунов. Ионные каналы — это что-то вроде генераторов электрических импульсов для наших нейронов. Они контролируют потоки ионов калия и натрия. Это что-то вроде нефти для нашего мозга.
И казалось бы, здесь где-то ошибка. Но результаты новой работы подтвердили, что все нормально. У приматов нейроны больше, чем у грызунов, и ионные каналы размещены у них плотнее, чем у грызунов. То есть обычно, чем больше нейрон, тем плотнее размещены на них ионные каналы. Но не у человека, и это подтвердили исследования над десятью видами различных млекопитающих от марсиан до низких свиней.
На человеке закономерность ломается. Возможно, дело в экономии энергии и ресурсов, требующихся для всей когнитивной деятельности нашего мозга. Все же почти 90 миллиардов нейронов должны буквально качать, прокачивать ионы. И возможно, дело в чем-то еще, и это только предстоит узнать.
Все атомные ядра, ну а вместе с ними и почти вся видимая материя, состоит из протонов и нейтронов. Про них мы знаем уже достаточно много, но все еще не все. Нейтрон, будучи нейтральной незаряженной частицей, успешно сопротивляется множеству типов измерений. И если продолжительность жизни свободного нейтрона более-менее научились определять, мы недавно рассказывали об этом, то его размер, то есть радиус, не совсем очевидно, а его электрический радиус вообще отрицательный.
Мы знаем, что нейтрон состоит из трех кварков: одного верхнего и двух нижних, связанных глюонами. Но чтобы разгадать все загадки нейтрона, нужно больше понимать про его структурные права. Форм-фактор — это как форм-фактор телефона, либо моноблок, либо раскладушка, но только про распределение электрических и магнитных зарядов внутри нейтрона.
Само собой, просто так заглянуть внутрь структуры нельзя. Необходимо изучать взаимодействие нейтрона с другими частицами. К тому же одно измерение, проведенное на одном энергетическом уровне, не даст всей картины. Нужны множественные измерения с разными энергиями. Определенные диапазоны энергии достижимы во время самого обычного электрон-протонного рассеяния, но чтобы получить другие, нужно переходить к неге лекционным процессам.
Да даже для нейтрона есть своя анти-частица — антинейтрон, брат-близнец, имеющий точно такой же нулевой заряд, но противоположный по знаку магнитный момент. Само собой, при столкновении братья-близнецы аннигилируют, и по последствиям можно определить форм-фактор нейтронов. Что прекрасно, так это то, что такой метод дает в 60 раз более четкую картину структуры нейтрона, то есть измерение в 60 раз точнее. Именно такие столкновения и провели в Китае, чтобы получить пару нейтрон-антинейтрон.
Предварительно сталкивали пары, или, которым позитрон, а позитрон, как известно, это анти-частица для электрона. После электрон и позитрон аннигиляции иногда рождались нужные нам пара анти-нейтронов, и уже их последующая аннигиляция при различных энергиях фиксировалась и анализировалась. Чтобы провести эти эксперименты, чувствительность пекинского спектрометра без 3, выступавшего детектором, и мощность ускорителей частиц пекинского электрон-позитронного коллайдера пришлось значительно улучшить. Метод детекции чуть ли не перри изобрели заново.
В итоге крайне точные данные по форм-фактору нейтрона для энергии от двух до трех гигаэлектронвольт были получены. Воды не видно, что нет четкой линейной зависимости между уровнями энергии и характеристиками форм-факторов нейтронов. Они скорее асцилляционные, хотя размах колебаний снижался при увеличении энергии. Но самое интересное, что картина для нейтронов была зеркальной по отношению к протонам, будто бы они находятся в противофазе.
Вывод отсюда таков: у нейтрона чуть более сложная структура, чем мы предполагаем, что у него чуть более интенсивные внутренние процессы, чем мы думали. И это открытие поможет определить до сих пор ускользавшие фундаментальные характеристики нейтрона.
Глазами от мельчайших частиц перейти к макрообъектам, например, к загадкам слияния нейтронных звезд. Самой интересной новостью прошлого ролика стала новость про то, что ученые разработали метод, позволяющий доставлять пролекарства в раковые опухоли при помощи самособирающихся наночастиц.
И уже на месте, под воздействием веществ, находящихся в раковых клетках в большом количестве, наночастицы распадаются, высвобождая пролекарства, которые, в свою очередь, превращаются в настоящее лекарство и атакуют раковые клетки. Таргетная терапия, как продемонстрировали ученые из Канады, таргет — надо стать можно и бактерий, устойчивых к антибиотикам.
Почему антибиотикорезистентные бактерии представляют угрозу для человечества? Я по, если я сейчас даже не буду придумывать новые типы убийственных антибиотиков, способных расправиться даже с супербактериями. Не единственный способ для человечества уберечься. Метод генетического редактирования CRISPR-Cas может тоже быть действенным в этой войне.
Попадая в бактериальную клетку, специальным образом настроенная система CRISPR-Cas разрезает бактериальную хромосому, что несовместимо с жизнью бактерии. Разумеется, эту систему нужно еще таргетировать в клетку бактерии, а за каждой бактерией со шприцом не набегаешься. Но за нас это могут сделать другие бактерии.
У бактерий есть потрясающие свойства, в основном недоступные для животных, ну кроме героев Marvel. Это горизонтальный перенос генов. По-научному направленный перенос генетической информации называется конъюгацией. Для этого нужен физический контакт двух клеток и в основном наличие плазмиды. Удобные плазмиды — это небольшое колечко ДНК, расположенное вне хромосом бактерий.
В плазме ДНК 114 из стали внедряли генетическую бомбу, содержащую комплекс CRISPR-Cas. Водящий определенных видов патогенных бактерий мишенью был ген устойчивости к антибиотикам. Лучше всего обмен плазмидами происходит в кишечнике, поэтому стратегия эксперимента была очень простая: безобидные бактерии с модифицированными плазмидами вводили в кишечник мышам, зараженным патогенной кишечной палочкой, устойчивой к стрептомицину, и наблюдали за изменениями в ее коли.
Через 36 часов количество патогенных бактерий снизилось почти на 99 процентов, что весьма убедительно. Методику также проверяли наци Тракторах, это тоже кишечные бактерии. Их количество также сократилось на 96 процентов. Что важно, нецелевые бактерии в кишечнике не оказались затронуты, плазмидами с генетической бомбы микрофлоры не пострадала.
Разумеется, ученые немного доработали скорость конъюгации, увеличив ее в 3 раза по сравнению с дикими бактериями. Без этого скорость обмена генетической информации была очень низкой и не приводила к хорошим результатам. И кстати, количество плазмид, которые можно модифицировать, очень много. И соответственно их можно нацелить на большое количество различных патогенных бактерий. Перспективная разработка.
Ну и напоследок не то чтобы прям сильно научная новость, но хороший пример того, как технологии могут изменить нашу жизнь. На Тайване стали продавать корм для кошек на основе куколок тутового шелкопряда с белками и жирами, и нужными минералами. У куколок все в порядке, пусть они и насекомые, а точнее отходы шелковой промышленности. Вкусу корма не насекомый, а стандартный: курица или тунец. Стоит корм порядка 200 рублей за банку.
Но самое главное — он богат иммунными белками, ликвидирующими некоторые кишечные бактерии у котиков, а это приводит к тому, что кошачьи фекалии становятся менее пахнущими. Буквально запах успеха. Конечно, основной бонус здесь — это безотходное промышленное производство. И кошачьи лапки — это важная часть нашей жизни. Единственное данных про измерение силы аромата я не нашел, двойное рандомизированное слепое следование вот этого всего не было. Поэтому однозначно сейчас рекомендовать закупки из Тайвани я, конечно, не могу.
Ну что ж, а на этом на сегодня все. Большое спасибо вам за просмотр! На следующей неделе выпуск из самых интересных новостей не будет. Ждите нас через две недели! Ну а тем временем вы можете проголосовать за самую интересную новость выпуска в нашем Telegram-канале, подписаться, если вы вдруг еще не подписаны, и щелкнуть колокольчик. До скорых встреч! Пока!
[Музыка] Вот.