Колония бактерий возрастом 2 млрд лет. Пульс в 1000 уд/мин. Капля это волна? Новости QWERTY №317
Всем привет! Вы смотрите научно-популярный канал КРТИ. Меня зовут Владимир. На этой неделе, с 7 октября, будут объявлять нобелевских лауреатов 2024 года, и мы рассчитываем рассказать о них в следующем выпуске самых интересных новостей науки. Ну а сейчас расскажем вам о тех интересностях недели. И как обычно, все ссылки на источники и подробности будут в описании.
Нам кажется, что наш пульс зашкаливает, когда мы сильно испугаемся или интенсивно тренируемся. Ах, пульс под 180! Надо снизить темп. Но у небольших млекопитающих и у птиц такая частота сердечных сокращений вызывает смех. Хомяк, например, держит 500 ударов в минуту, и это в покое, и это далеко не предел. Понятно, что чем меньше животное, тем больше ему требуется энергии для обогрева тела, так как площадь поверхности тела слишком большая по отношению к объёму, и тем выше ему надо разгонять метаболизм.
Но есть и просто безумные рекордсмены. У землероек сердечный ритм может достигать 17 ударов в секунду или примерно 1.000 ударов в минуту. Для сравнения, у среднего человека пульс в покое составляет около 60-90 ударов в минуту. До недавнего времени учёные не понимали, как небольшие млекопитающие справляются с таким экстримом, но недавние исследования показали, что ключ к этому кроется в изменениях в сердечном белке под названием сердечный тропонин. Этот белок играет важную роль в способности сердца связывать ионы кальция во время сокращения.
Ионы кальция необходимы мышцам сердца, чтобы сокращаться. У млекопитающих в тропонине есть две особые аминокислоты, которые временно изменяются под воздействием гормонов, вроде адреналина, высвобождаемого, если организм находится в состоянии стресса или нагрузки. Это изменение позволяет мышечным волокнам высвобождать ионы кальция быстрее после сокращения, тем самым позволяя сердцу расслабляться быстрее после удара и соответственно стучать чаще.
Но у землероек случилась эволюционная подмена. У их древнего предка участок ДНК, отвечающий за эти две аминокислоты, деактивирован, и их тропонин теперь находится как будто бы постоянно под адреналином, даже в покое, что и разгоняет их сердечный ритм до экстремальных значений. Видимо, это роднит их с землеройками. Для подтверждения своих выводов учёные также исследовали белок тропонин 1 у летучих мышей, известных своими высокими частотами сердечно-сокращений, со значениями также под тысячу.
Они заметили, что некоторые виды летучих мышей могут также пропускать часть гена, кодирующего эти аминокислоты, подобно землеройкам. Это подтвердило гипотезу учёных о том, что эволюция постепенно убрала этот участок ДНК у землероек, у кротов и даже немного у летучих мышей, что позволило им развить супер быстрые сердца. Теперь исследователи думают о том, как это можно применить в биомедицине. Например, эти способности можно было бы перенести на человеческие сердца для создания, скажем, кардиостимуляторов нового поколения.
Кстати, а вот те, кто погружен в ЛОР, напишите, пожалуйста, а как, например, бьётся сердце у флэша? Фруктовые мушки не самые умные существа, но даже у них мы можем очень многому научиться, особенно имея под рукой первую полную карту мозга взрослой мушки дрозофила меланогастер. Речь идёт о новом коннектом-схеме нейронов мозга взрослой дрозофилы, отражающей почти 140.000 нейронов с их типом характеристиками из почти 55 миллионами синапсов соединений между ними.
Этот проект, получивший чудное имя Fly Wi от слов "муха" и "провод", потребовал передовых технологий от электронной микроскопии до искусственного интеллекта, и на данный момент это самый объёмный, самый сложный коннектом. До этого наиболее полным и массивным был коннектом личинки дрозофила, то есть не взрослого насекомого.
Итак, учёные из множества стран совместными усилиями создали комплексную карту каждого участка мозга, каждого нейрона взрослой мушки. Множество ошибок, возникавших при послойном сканировании мозга и автоматической реконструкции отдельных нейронов, приходилось исправлять вручную. Чтобы справиться с этой задачей, пришлось обратиться за помощью к волонтёрам. В результате более 3 миллионов правок карта мозга включила в себя 8450 типов нейронов, из которых 4580 открыты впервые.
Эти новые нейроны — настоящие двери в неизведанную область науки. Каждая такая находка может привести к новым открытиям. У каждого типа нейронов определён набор биомаркеров, определяющих их морфологию и рассказывающий о происхождении. О неожиданностях тоже стоит упомянуть. Так, некоторые сенсорные нейроны, как оказалось, реагируют сразу на несколько раздражителей. Например, нейроны из зрительного контура реагируют не только на визуальные, но и на слуховые и тактильные стимулы.
Также интересно, что связи между отдельными нейронами чаще всего задействовали не более десяти синапсов, но в 16.000 соединениях участвовали более 100 синапсов сразу, а в двадцати семи — более тысячи. Несколько последних лет коннектом уже был доступен для исследователей. Уже опубликовано около 50 работ на его основе. Разумеется, учёные с помощью коннектома создавали и компьютерные модели мозга мушки. Например, в одном эксперименте они активировали нейроны, отвечающие за восприятие сладкого и горького вкуса в виртуальном мозге, и затем наблюдали за его реакциями.
Впоследствии они проверили точно такие же реакции в настоящем мозге мушки, и оказалось, что модель оказалась точной более чем на 90%. Вся эта впечатляющая картина основана на мозге одной-единственной самки мушки. Это ограничение, которые исследователи намерены преодолеть в будущем. Цель — создать карту мозга самца, чтобы понять, как работают его инстинкты, например, пение.
А также расширить карту связи, отразив не только то, как нейроны общаются между собой через синапсы (химические) через нейротрансмиттеры, но и как они общаются электрически. И кстати, весь коннектом находится в открытом доступе — ссылочка у нас в описании. Один из вызовов, которые бросает нам современная физика, — это увидеть границу между микроскопическим и макроскопическим, между квантовыми явлениями и повседневными объектами.
Например, может ли макроскопический объект вести себя так, как, скажем, электрон? Электроны — прекрасны: они проявляют волновые свойства, будучи частицами — все эти знаменитые двухщелевые эксперименты. Но также они являются участниками явления под названием переход Андерсона или локализация Андерсона. Из-за своей волновой природы электроны в кристаллах спонтанно локализуются вблизи сравнительно слабых случайных потенциалов. Когда электроны сталкиваются с неупорядоченностью...
Средствам защиты от цунами волны цунами будто бы попадают в ловушку между расположенными в случайном порядке мангровыми деревьями. По той же причине из-за локализации Андерсона световых волн. Но можно ли увидеть такое поведение у макроскопического объекта? Учёные решили проверить это на примере капель силиконового масла. Как это перенести на обыкновенную каплю? Нужно поместить каплю силиконового масла диаметром примерно 0,4 мм на поверхность жидкости, вибрирующей с частотой 70 Гц.
Под жидкостью на глубине чуть менее 2 мм находится пластинка с ландшафтами различной высоты, создавая миллиметры, имитирующие случайные потенциалы. Посмотрим, как капля справляется с задачей блуждания по этой случайной местности. В течение 6 часов эксперимента капля перемещалась над сложным рельефом, местами замедляясь и даже локализуясь в определённых зонах. Проанализировав данные, учёные пришли к выводу, что при перемещении над случайным рельефом капли тоже могут локализоваться, словно у них есть собственные волновые свойства, и это происходит благодаря резонансному взаимодействию самого капли с волновым полем, примерно так же, как это случается у электронов в неупорядоченности.
Наука и в активной материи, и в биологии, и даже в электронике. Один из сценариев для фильмов ужасов - это когда учёные выкопают из недр земли нечто очень маленькое, древнее и живое, что потом принесёт на нашу голову чуму вселенского масштаба. Неконтролируемые процессы действительно могут быть опасны, например, когда тает вечная мерзлота на обширных участках, высвобождая древние свободноживущие микробы.
Но если этот процесс контролируемый, то опасности здесь практически никакой нет. Поэтому вам не стоит переживать из-за того, что учёные обнаружили микробы в породах возрастом миллиарда лет. Давайте же и мы заглянем в прошлое планеты. Исследование проводилось в Южной Африке, в Бушвельдском магматическом комплексе, известном своими богатыми месторождениями платины. Породы здесь стабильны на протяжении многих сотен миллионов лет, что создаёт идеальные условия для сохранения ископаемой жизни.
К тому же внешний вид Бушвельда впечатляет. Массив площадью в 66.000 квадратных километров остаётся неподвижным почти всё это время. С глубины в 15 м был добыт тридцати сантиметровый образец в стерильных условиях, исключающих загрязнение образцов. Камень был разрезан на пласты толщиной в 3 мм и затем тщательно исследован. В трещинах минералов были обнаружены микробные клетки. Снаружи эти трещины были тщательно запечатаны глиной, что свидетельствует о том, что извне в эти трещины ничего не могло попасть, но также и выбраться наружу из этих трещин тоже ничего не могло.
На протяжении многих миллионов лет для исследования учёные использовали новый метод анализа с помощью инфракрасной спектроскопии, электронной и флуоресцентной микроскопии. Они заглядывали внутрь образцов, то есть отдельные клетки не были выделены. Пока что большая, чем обычна, толщина пластов служила дополнительной гарантией отсутствия внешнего заражения. Исследования подтвердили, что микробы действительно коренные жители этих камней, а не были занесены во время извлечения керна из-за способа формирования породы и минимальных деформаций, происходивших с этими породами.
С тех пор можно предположить, что в этих породах тогда образовалась стабильная среда обитания, сохранившаяся по сей пору, так как у таких бактерий и архей очень медленный метаболизм и они почти не эволюционируют. На протяжении ионов только выживают, они представляют собой, буквально, машину времени. Дальнейшее изучение их ДНК и строение клеток должно дать понимание об эволюции очень ранней жизни на Земле. Эти образцы стартовали свою колонию около 2 миллиардов лет назад.
Это, по сути, наиболее древние колонии микробов, ранее были найдены в образцах, датированных в 100 миллионов лет. Так что мы довольно сильно углубляемся в прошлое. А ещё можно предположить, что этот метод исследования будет полезен, если мы всё же сможем добыть подобные каменные образцы с Марса. Их сейчас как раз собирает марсоход Perseverance.
Лучшей новостью предыдущего выпуска вы признали новость про то, что физики при помощи рационального проектирования создали материал с заданными свойствами. Сначала они смоделировали структуру многослойного материала, затем взяли входящие в его состав элементы и вещества, нагрели, а дальше химические реакции завершили процесс создания образца. На выходе он имел волнообразную кристаллическую структуру, обладал сверхпроводимостью и необычными металлическими свойствами. Учёным не потребовались эксперименты с множеством случайных формул и материалов. Они сразу знали, что и зачем создают.
Им был нужен простой способ получить множество двумерных слоёв, сложенных в стопку, имитируя так называемый муаровый материал. Ведь известно, что поворачивая такие листы атомов на определённые углы друг от друга, можно получать всё новые и новые свойства. Ну что ж, а на этом на сегодня всё! Большое спасибо вам за просмотр. Напишите в комментариях, пришёл ли вам в голову какой-то новый сценарий для фильма ужасов на основании тем из наших выпусков.
Но проголосовать за самую интересную новость можно, как обычно, в нашем телеграм-канале, ссылочка в описании. И до скорых встреч! Пока!