Космос усилил бактерию. Питание мегалодона. Экзаскейл. Электричество и рыбы. Новости QWERTY №217
Из этого ролика вы узнаете, как космос делает микроорганизмы более опасными, кто помог вымереть мегалодону, как рыбы обрели электрошокер, как смогли рекордно охладить большие атомы и насколько быстро самый мощный суперкомпьютер.
[музыка]
Всем привет, вы смотрите научно популярный канал QWERTY. Меня зовут Владимир. Впервые компьютер преодолел экзофокусный рубеж: в свежем рейтинге суперкомпьютеров первое место занял американский Frontier. Это первый аппарат, показавший на бенчмарках производительность выше 1 экзофлопса в секунду, а именно 1102 петафлопса в секунду, или 1,1 экзофлопса. И это более квинтиллиона операций с плавающей точкой в секунду.
Собран Frontier на платформе HP Enterprise из процессоров и графики M.D. Это девять с лишним тысяч кластеров, каждый из процессора и 4 видеоусилителя. Оперативки в нем 9 петабайт, то есть 9 миллионов гигабайт. Ты остро ощутил, насколько тебе мало твоих 16? Предыдущий рекорд был долгое время за японцами на 442 петафлопса — суперкомпьютер Fugaku, а лучший российский суперкомп — это машина Яндекса на 21 с половиной петафлопсе Cervantes.
Такие машины в первую очередь нужны для передовых научных открытий, и Frontier облегчит жизнь ученым. Ну а самые интересные новости науки за предыдущую неделю не облегчат, а утяжелят твой мозг, обогатив его капелькой новых знаний. И кстати, день экзоскелет качается 18 октября, ну потому что 10 в 18 степени. Как всегда, все ссылки на источники и подробности будут в описании.
Челюсти [музыка]. Как много в этом слове для ребенка 90-х, вкусившего Шивы, этот шедевр в гнусавом переводе. Да, это про меня. Но тогда, в 90-х, я еще не знал, что большая белая акула, достигающая в длину внушительных 6 метров, просто ничто по сравнению с хищником, жившим от 15 до 4 миллионов лет назад — мегалодоном. Эта 15-20 метровая гигантская акула обладала незаурядным аппетитом, а в ее рацион входили даже небольшие киты.
Не то чтобы мы могли досконально воспроизвести ее поведение и даже облик, проблема в том, что ее скелет состоял из хрящей, а их сохранность сквозь эпохи не гарантируется. С другой стороны, по найденным зубам мы знаем, что белая акула 15 и 5 миллионов лет назад вполне себе соседствовала с мегалодоном. Но вот находилась ли она с ним в дружеских отношениях, в добрососедских, так сказать, разграничивая пищевые блюда или объедало его, сказать достаточно сложно.
Но одно знаем наверняка: мегалодон вымер. Но определить трофический уровень той системы все же можно. Этот уровень демонстрирует положение животных в пищевой цепочке. Метод, разумеется, косвенный, а именно по содержанию в останках хищников изотопов цинка 66 и 64, точнее по их соотношению. Работает это примерно так: чем меньше отношение цинка 66 к цинку 64, тем более высокий трофический уровень и тем более главным был хищник. Но не забываем, что наследство нам достались по факту только зубы, и это хорошо, так как оценка в них хорошо накапливается.
Предварительное исследование на современных рыбах показали, что этому методу в принципе можно доверять, и тогда его применили к ископаемым останкам. И вот что они рассказали. Поначалу мегалодон был самым что ни на есть верховным хищником миллионы лет вплоть до 5 миллионов лет до нашей эры. Но затем, в раннем плиоцене, его трофический уровень начал понижаться и, в конце концов, уступать уровню белой акулы, которая, будучи значительно более мелкой, таки подсидела здоровяка.
Ученые считают, что как раз тогда мегалодон перешел на усатых китов, у которых не очень высокий трофический уровень, что пониже и его собственный. А в целом между акулой и мегалодоном началась конкуренция за пищу. Похоже, что в конкурентной борьбе выиграла белая акула, что внесло свой вклад в исчезновение легенды. Это и, в общем-то, не сильно помогло: сейчас в мире насчитывается примерно три с половиной тысячи особей белых акул. Но с другой стороны, если судить по численности, то вверх на человека могут удержать только коровы и курицы.
Знаете, как-то маловато рыб на QWERTY, и сейчас мы немножко добавим. Поговорим про электрических рыб и о том, как они обзавелись своими способностями. Эти способности, кстати, довольно разнообразны. Помимо достаточно банальной защиты и нападения при помощи сильного разряда, рыбы также умеют общаться, отправляя и принимая электрические сигналы, и используют электрические органы как локаторы. Электрические органы могут выдавать у разных видов до 800. Вот и нередки случаи, когда электрический угорь убивал аллигатора.
Но в целом вся эта уникальность пошла от одной маленькой генетической причуды, свойственной всем рыбам. У всех рыб есть дубликат гена, отвечающего за формирование натриевых каналов в мышцах — это такие белки, которые пропускают ионы натрия и заставляют мышцы сокращаться. Мутация выключила дубликат этого гена в мышцах и включила его в других клетках. Теперь вместо приказа на сокращение в адрес мышц эти натриевые каналы начали производить электрический сигнал, а там и новый орган образовался в результате эволюции.
То есть небольшое изменение в гене приводит к огромной перемене вместе в экспрессии, то есть локации, где этот ген будет проявляться, то есть в мышечных или каких-то других клетках. Сам участок генома, отвечающий за экспрессию гена, укладывается всего лишь в 20 генетических букв, и мы никогда не догадаемся, а к чему еще это может нас привести.
Здоровье человека, дело в том, что ряд заболеваний может быть связан с нарушениями в работе натриевых каналов. Изучение генома людей на предметvariations, мутации в этом регионе, контролирующем экспрессию гена, может помочь в их лечении. Морской черт с ним. Со здоровьем не жили богато, как говорится. Но как оказалось, к одному и тому же результату потери генной экспрессии натриевых каналов в мышцах, а затем к формированию электрических органов электрические угри и из разных частей света, из Африки и из Южной Америки, пришли разными путями.
У одних изначально пошли мутации в контрольном участке, а другие потеряли его вообще полностью. Но затем экспрессия включилась каким-то пока непонятным образом в вновь созданном электрическом органе. На роду у них что ли было написано отрастить себе электрошокер? Как эволюция приходит к одному результату разными путями, могла ли она вообще к нему не прийти?
Воистину, чем больше мы знаем, тем меньше мы знаем. Список бактерий, патогенных для человека, длинный. Очень можно было бы подумать, что при космических путешествиях мы избавимся от этих всех товарищей, оставив их на земле. Но для колонизаторов Марса и Луны природа подготовила свои сюрпризы. Мы не сможем продезинфицировать всю колонию, хотя бы потому, что для плантации понадобятся почвенные бактерии, а еще триллионы организмов мы повезем буквально в себе и на предметах.
Тогда во время перелета и на самих небесных телах на бактерии будет действовать микрогравитация. Ну и что? А как это повлияет на наши отношения с этими крошками? Но, учитывая, что на протяжении миллиардов лет в наших отношениях была гравитация, то очень сильно повлияло. Ученые поместили бактерию сальмонеллу, ту, которую вызывает всякие диарейные инфекции, именно в такие условия микрогравитации, и она изменила сразу два процесса, ключевых для бактериального заражения.
Во-первых, течение микрожидкости в тканях человека, конкретно внеклеточной жидкости, омывающей клетки, изменяется в микрогравитации, в том числе в кишечнике. Это выяснили на 3D моделях из клеток человеческого кишечника. Этот процесс в некоторой степени изменяет и состояние самих клеток, а еще именно такой уровень скольжения жидкости по клеткам соответствует состоянию, которые бактерии встречают в кишечнике во время заражения и который запускает в бактериях подготовку колонизации.
Во-вторых, когда сальмонелла растет в непривычных условиях, она активнее экспортирует гены, отвечающие за заражение организмов. Эта способность у сальмонеллы и так хорошо развита, а тут вирулентность еще и повышается. При чем сальмонелла даже не потребовался один из важных в обычном состоянии белков — регулятор инфекционного процесса. Она и без него прекрасно заражала космические культуры. Все гены, прикрепления к клеткам, подвижности и проникновения работали как надо, и без этого регулятора. То есть в космосе сальмонелла стала опаснее, чем на земле, а учитывая, что и иммунитет у человека в космосе снижается, то баланс вообще смещается куда-то в сторону еды.
А еще, учитывая, что список патогенных для человека бактерий длинный, одна из методик, периодически приносящих научное открытие, это охлаждение атомов. Благодаря этому мы получили такое прекрасное состояние материи, как конденсат Бозе-Эйнштейна и квантовые вычисления. Ультраохлаждение атомов очень эффективно для физики и химии, поскольку понижает сложность поведения молекул, замедляя их. Традиционно атомы замедляют, светя на них лазерными лучами. На этом основано допплеровское охлаждение, сизифово охлаждение и ряд других.
Вот только есть одна сложность: успешно проворачивать лазерное охлаждение до этого удавалось только с простыми веществами, состоящими из атомов одного химического элемента, ну максимум двух. А вот с многоатомными молекулами такого сделать не получалось: они колеблются в пространстве и вообще ведут себя неподобающе. И вот впервые ученые смогли охладить многоатомные молекулы, захватывая их в трех измерениях. Работали с молекулами кальция и водорода, первоначально охлажденными до двух кельвинов. Далее их охлаждали, применяя допплеровское охлаждение, используя сложную систему лучей.
Но этого было мало: температура не падала ниже 720 микро-кельвинов. Но для более простых молекул, состоящих из атомов, например, одного вещества, доступны и более низкие температуры. Ну а раз нет рекорда, то продолжаем дальше. Если использовать только лазерное охлаждение, то все упирается в допплеровский предел чуть выше 150 микро-кельвинов. Поэтому на последнем этапе облака этих молекул помещали в магнитно-оптическую ловушку, а затем охлаждали, далее применяя принцип оптической патоки, то есть размещая в центре противоположно направленных лазерных лучей в количестве 6 штук.
В результате молекулы получилось удержать в ловушке на целых 100 миллисекунд и понизить их температуру до сотни микро-кельвина. А это уже рекорд. По идее, этот магнитно-оптический метод может быть применен и к другим многатомным молекулам, а это прямой путь к продвинутым квантовым симуляциям и углубленной физике столкновений.
Лучшей новостью предыдущего выпуска вы признали новость про то, что учёным удалось изменить поведение хомячков, путем внесения правок в их гены. Единственная характер животных изменился не так, как ожидалось. Вместо более покладистого он стал более агрессивным. Например, они стали чаще метить территорию, чтобы подчеркнуть свое доминирование. Это указало на неполноту наших знаний о воздействиях разных гормонов на разные участки мозга, а ролях разных генов и рецепторов в формировании поведения.
Побольше подробностей при щелчке по подсказке. Ну что ж, а на этом на сегодня все. Большое спасибо вам за просмотр. Как обычно, вы можете проголосовать за самую интересную новость выпуска в нашем Telegram-канале. Не забудьте подписаться на QWERTY здесь, на YouTube и Telegram, щелкнуть колокольчик, поставить нам лайк и поделиться этим видео со своими друзьями. И до скорых встреч! Пока!
[музыка]