Двухъядерный БИОкомпьютер и 3D печать сердца. Главное на QWERTY №81
[Музыка] Всем привет! Вы смотрите научно-популярный канал QWERTY, а меня зовут Владимир. И первая новость этого выпуска в том, что на нашем канале уже более миллиона подписчиков! Создатели канала и его авторы бесконечно благодарны вам за то, что вы оцениваете наш труд на целый миллион. Как вы думаете, сколько времени суммарно пользователи провели, просматривая наши ролики? Мы дадим ответ в конце видео.
Ну а сейчас к темам этого выпуска. И сегодня в ролике: сердце, распечатанное на 3D-принтере; биологически 2-ядерный компьютер; самая первая молекула этой вселенной; неизвестные животные из морских глубин и многое другое. Все подробности будут по ссылкам в описании.
Самый интересный сюжет прошлого выпуска, по вашему мнению, это термоядерный синтез на Z-пинчер. На установке размером с обычный стол физикам удалось получить термоядерную реакцию, которая длилась целых пять микросекунд, используя в качестве топлива 80 процентов водорода и 20 процентов дейтерия. Команде QWERTY очень интересно узнать, успеют ли учёные выжать из этого метода больше мощности или стабильности прежде, чем будет запущен ПИТЕР — первую плазму, на котором предположительно можно ждать к двадцать пятому году.
ПИТЕР — это гигантский экспериментальный термоядерный реактор, который строят на юге Франции за 20 миллиардов евро. В сердце реактора токамак, то есть тороидальная камера с магнитными катушками, которые будут выдавать индукцию магнитного поля на целых 13 числа. Для сравнения, в МРТ достигается индукция в 3 тесла, но просим вас учитывать размеры аппаратов. Суммарный вес катушек и ТОП достигает почти 10000 тонн. Это будут самые грандиозные магниты в истории человечества.
Объем рабочей вакуумной камеры — 1400 кубических метров. Работать он будет на смеси дейтерия и трития — тяжелых изотопов водорода. Причем тритий достаточно редок; его запасы на Земле исчисляются в килограммах. При огромных размерах камеры в ней единовременно будет находиться не более одного грамма топлива. В процессе реакции ядра дейтерия и трития сливаются, и в ядре гелия высвобождается нейтрон и почти 18 мегаэлектрон-вольт энергии.
Физики считают, что на пике реактор будет выдавать 1000 мегаватт. Сила тока будет достигать 15 мегаампер, а температура плазмы будет под 100 миллионов кельвинов — в 7 раз горячей, чем в центре Солнца. Именно столько нужно, чтобы все работало на Земле, где не хватает огромного солнечного давления. Конечно же, это все еще не промышленный реактор; это всего лишь экспериментальная установка, призванная продемонстрировать саму возможность индустриального термояда.
Она рекордно по огромному количеству позиций, и я оставлю ссылку на статью на Хабре с отчетом о проделанной за 2018 год работе. К слову, энергия, получаемая на это, не будет использована даже для питания самого ПИТЕРА; она будет рассеиваться в атмосфере.
Загадка из прошлого выпуска оказалась чуть сложнее, чем мы ожидали, и вы предлагали, ну уж весьма экзотические варианты в комментариях. А правильный ответ — это повесть Роберта Шекли "Обмен разумов".
Ну а теперь к новостям. Учёные наконец увидели в космическом пространстве образцы самой первой молекулы, возникшие после Большого Взрыва. Мы не будем в этом ролике рассказывать о подробностях и тонкостях теории Большого Взрыва — их легко можно найти в Интернете.
Самое главное сейчас для нас то, что теория Большого Взрыва в современных представлениях сочетается с теорией горячей вселенной, то есть в первое мгновение после возникновения вселенной она представляла собой сгусток горячей кварк-глюонной плазмы. Затем плазмы состоящей из элементарных частиц барионов. Следующей стадией стало образование первых ядер, например гелия-4 и изотопов водорода. Это происходило в промежутке от 10 секунд до 20 минут жизни вселенной.
И только затем, с падением температуры до вменяемых значений в 4000 кельвинов, стали формироваться первые нейтральные атомы. И это происходило, когда вселенной было примерно 100000 лет. Ядра гелия получили свои электроны и тут же, первым делом, стали соединяться с ионом водорода H плюс.
Первой в истории вселенной молекулой, скорее всего, имел вот такую форму: это гидрид гелия. По своим химическим характеристикам это сильнейшая кислота. Поэтому дальнейшая эволюция вселенной привела к исчезновению гидрида: он просто-напросто среагировал со всем, до чего смог дотянуться, в том числе с ядрами водорода. Но зато образовался нейтральный водород — строительный материал для первых звёзд.
Астрономам было крайне обидно, что следов этой молекулы в космосе найти не удавалось, хотя в лаборатории гидрид гелия получали уже в начале прошлого века. И вот недавно такие молекулы нашлись на длине волны в 0,15 миллиметров в терагерцовом диапазоне. Сильная линия излучения гидридов гелия обнаружилась в планетарной туманности NGC 7027 с помощью инфракрасной стратосферной обсерватории на борту самолёта.
Самолёт потребовался, чтобы исключить влияние атмосферы. И эта туманность представляет собой облака вещества, которые сбрасывает с себя Солнце-подобная звезда, превращаясь в белого карлика. Мощное излучение звезды ионизирует всё вещество в округе и не даёт образовавшемуся гидриду гелия реагировать с другими молекулами. Условия для возникновения этой самой первой в истории вселенной молекулы очень жёсткие, но только они и позволяют ей удержаться в неизменном состоянии.
Естественно, это не те самые молекулы, которые образовались 13 миллиардов лет назад, но и это наблюдение позволяет элегантно подтвердить наши теоретические выкладки по химии первых минут и тысячелетий вселенной.
Вокруг нас везде есть кремниевые компьютеры. Мы почти вплотную подобрались к квантовым компьютерам. Но что мы можем сказать про биокомпьютеры? Это те, которые содержат биологических компонентов и работают на молекулярных вычислениях, при помощи, скажем, РНК и ДНК.
В принципе, нам сказать ничего. А вот швейцарские учёные недавно выпустили статью о системе логических вычислений внутри человеческой клетки, что есть компьютер-обработчик логики, вычислитель, работающий по заданной программе. Уже приличное время фантасты считают, что можно не вживлять чипы в организм, а перестроить часть организма таким образом, чтобы она сама производила расчёты.
Нет, у вас уже, конечно, есть часть организма, которая производит расчёты сама. Ну или, по крайней мере, заставляет вас тыкать в кнопки калькулятора. Но мы говорим про клеточный уровень. Даже если вы сейчас лежите на диване под пледом и смотрите этот ролик, на клеточном уровне вы катастрофически заняты: триллионы реакции ежесекундно: метаболизм, сигнал, взаимодействие между клетками и суммарно огромная вычислительная мощь.
Если суметь построить логические схемы через контроль экспрессии генов, хотя бы что-то элементарное типа "если есть сигнал А и сигнал Б, то генерируются сигналы". И вот швейцарцы создали из биологических компонентов и поместили внутрь человеческой клетки центральный процессор на базе системы CRISPR-Cas9, который может одновременно обрабатывать множество входных сигналов в виде молекул РНК.
Напомню на всякий случай, что кремниевый процессор обрабатывает сигналы по одному, просто очень быстро — миллиарды операций в секунду. Клетка же способна обработать до ста тысяч метаболических молекул в секунду. В новой работе белок Cas9 выступает ядром процессора: в ответ на входной сигнал от гена РНК этот цирк начинает регулировать экспрессию определенного гена, производящего конкретный белок. Таким образом, исследователи могут зашить в человеческие клетки масштабируемую схему, осуществляющую бинарные сложения однозначных чисел, а на выходе получить, к примеру, различную интенсивность флуоресценции клетки.
Но что такое одно ядро? Давай два! И дали два! Для этого всего-то нужно было взять систему CRISPR-Cas9 от разных бактерий. Учёные заявили, что они сделали первый в истории многоядерный клеточный процессор. Одноядерные уже делали ранее; например, менее года назад получили подобную систему из клеток кишечной палочки и синтезированной ДНК.
На ум приходят ткани из миллиардов клеток, в каждой из которых двухъядерный процессор, не требующий много энергии. Что там, китайские суперкомпьютеры внутри человеческого тела? Этот принцип может быть использован для определения химических реакций: желательных или нет, различных биомаркеров или онкомаркеров. Даже можно настроить систему так, что она будет выдавать химический ответ на онкологические угрозы.
Конечно, наш организм и так сам себе суперкомпьютер, и принципиально ничего не меняется. Мы просто учимся программировать клетки, запускать метаболические процессы и выделять химические вещества так, как нам требуется при серьёзных заболеваниях сердца. Проблему можно решить пересадкой донорского, но о том, какие очевидны такие операции, можно даже не говорить.
И вот учёные впервые вырастили модель человеческого сердца из биологических материалов пациента. Эта крошка пронизана сосудами, имеет все необходимые камеры и желудочки, и отличается от настоящего сердца по сути только размером, потому что больше подходит для кролика. А ещё происхождением: она напечатана на 3D-принтере. Мы привыкли, что медики умеют выращивать простые ткани, например кожи, но вырастить целый орган, пронизанный кровеносными сосудами — это всё ещё челлендж.
Итак, для начала у пациента взяли его жировые ткани, клетки перепрограммировали так, чтобы они стали плюрипотентными стволовыми клетками, то есть вели себя как эмбриональные клетки, способные развиться в любую ткань. А из внеклеточного матрикса, состоящего из коллагена и гликопротеинов, сделали особый гидрогель, послуживший чернилами для печати. Этот гидрогель затем смешивался со стволовыми клетками, печатали структуру сердца — тканевые заплатки, а клетки дифференцировались в сердечную ткань.
Естественно, орган получился полностью биосовместимым с телом пациента, никакого отторжения тканей. Теперь медики думают над тем, как бы заставить все клетки сокращаться в едином ритме, чтобы сердце работало как насос, потому что без этого это будет не сердце, а кусочек мяса. После этого его попробуют пересадить животным. Ну а окончательная цель, наверное, это станция печати органов при каждой больнице.
И, кстати, даже если будет сердце из нейлона, мы сами знаете, что мы научим его делать.
А напоследок мы хотели бы показать короткое видео со дна Зондского жила, который ранее назывался Ивaн Скай. Это желоб глубиной почти восемь километров в Индийском океане, который сейчас исследуется в рамках экспедиции "5 глубин". Видео со, скорее всего, неизвестными науке животными было снято на глубине 6 с половиной километров.
Абсолютно очевидно, что на таких глубинах должно быть много неизведанного, так что удивляться не приходится. Животное, появившееся из темноты, напоминает воздушный шар и имеет нечто вроде щупальца, которым, скорее всего, умеет цепляться за одно. Во время сейсмической активности подобный слизень уже попадался на глаза японцам 20 лет назад, но у того экземпляра были какие-то отростки на верхней части. Но в любом случае зрелище весьма завораживает.
А теперь обещанные числа. За время существования нашего канала наши ролики посмотрели 76 миллионов раз. Перед экранами подписчики провели 350 миллионов минут, или 5 миллионов 800 тысяч часов, или 683 года. Важно понимать, на что мы тратим своё время, осознавать это, расставлять приоритеты, выделять главное и не главное поверхностное.
Надеемся, что время, проведённое с нами, не было зря потрачено. А вообще это лишний повод задуматься, на что уходят драгоценные минуты нашей жизни. Прямо после этого ролика зайдите в экраны и время своего смартфона и посмотрите, на что вы его тратите.
Ну а на этом сегодня всё. Большое спасибо вам за просмотр! Оставляйте своё мнение в комментариях, ставьте лайк этому видео, если оно вам понравилось, и делитесь им со своими друзьями. Проголосовать за самую интересную новость выпускай можно в подсказках к этому ролику, они находятся наверху. Не забудьте подписаться на QWERTY здесь на YouTube, в Инстаграм и Телеграм. И до скорых встреч! Пока!
[Музыка] Лан! Вот! [Музыка]