Открытие, достойное Нобелевской премии

Астрономы обнаружили следы гравитационных волн в реликтовом излучении, подтвердив инфляционную модель Вселенной. По свидетельству ведущих ученых всего мира, это долгожданное открытие вскоре будет номинировано на Нобелевскую премию по физике.

Краткая история Большого Взрыва

©NASA

Вчера на объявленной заранее пресс-конференции, которая вызвала небывалый ажиотаж в научном мире, было сказано об открытии новых доказательств, поддерживающих инфляционную модель Вселенной.

Исследователи утверждают, что им удалось зарегистрировать небесный сигнал, возникший вследствие сверхбыстрого расширения Вселенной спустя доли секунды после Большого Взрыва.

Разумеется, результаты исследований должны быть перепроверены независимыми специалистами, но ученые с мировым именем, ознакомившиеся с представленными данными, не сомневаются в их аутентичности. Скорее всего, авторы этой работы совсем скоро будут номинированы на Нобелевскую премию по физике.

Результаты были получены американской группой исследователей, работающей над проектом BICEP2. Им удалось обработать данные радиотелескопа на Южном полюсе, непрерывно регистрирующего небесные сигналы.

^{Гравитационные волны в процессе инфляции Вселенной оставили специфические следы в поляризации реликтового излучения}

^©BICEP2

Ученые пытались найти определенные следы инфляции Вселенной − экспоненциального расширения космоса непосредственно после Большого Взрыва.

Инфляционная модель Вселенной предсказывает появление гигантских гравитационных волн непосредственно после рождения мира, которые должны оставить след в реликтовом микроволновом излучении, уже давно обнаруженном астрономами.

Именно такие следы, т.е. поляризация магнитной моды (В-моды) излучения, и были обнаружены исследователями в процессе эксперимента BICEP2. Только гравитационные волны, возникшие в результате инфляционной фазы расширения Вселенной, могли оставить подобную метку в реликтовом излучении.

Гравитационные волны были предсказаны Альбертом Эйнштейном еще 100 лет назад в его знаменитой общей теории относительности (ОТО). Таким образом, попутно удалось получить еще одно убедительное доказательство ОТО.

Перед нами открываются небывалые перспективы в совершенно новой области физики, которая будет изучать явления, происходившие непосредственно после Большого Взрыва.

− Профессор Джон Ковач, глава группы BICEP2

Самое удивительное, что обнаруженные следы в сигнале оказались намного сильнее, чем на это рассчитывали ученые. Это позволяет автоматически исключить целый ряд теорий в инфляционной модели Вселенной.

^{Один из авторов открытия, Чао-Лин Куо, пришел в гости к советско-американскому физику Андрею Линде, чтобы рассказать об экспериментальном подтверждении хаотической теории инфляции, разработанной им в 1982 году}

^{©YouTube/ StanfordUniversity

источник}

Ровно в 20:00 по московскому времени в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики на пресс-конференци, в режиме онлайн было объявлено о крупнейшем открытии в области астрофизики. Ожидания мирового научного сообщества оправдались. На конференции было объявлено о регистрации реликтовых гравитационных волн, предсказанных общей теорией относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна 100 лет назад.Эти гравитационные. волны были произведены на раннем этапе развития Вселенной, процессами, предсказанными Стивеном Хокингом .

Это грандиозное открытие не только подтверждает теорию Эйнштейна, но и является доказательством инфляционной модели, которая предполагает ускоренное расширение Вселенной на ранней стадии Большого Взрыва.

На пресс-конференции рассказали об эксперименте BICEP2. Цель эксперимента - измерение магнитной моды поляризации реликтового излучения. BICEP2 - продолжение эксперимента BICEP1, за три года были получены результаты, которые равны 30-летним результатам эксперимента BICEP1. BICEP2 - это 512 детекторов на частоте 150 GHz.

Полученные результаты позволяют отсеять множество некорректных гипотез и сосредоточить усилия физиков в правильном направлении.

Ученые предупреждают, что их данные должны подвергнуться тщательной проверке со стороны других групп исследователей. . Прежде чем экспериментальное доказательство существования гравитационных волн будет подтверждено, может пройти несколько месяцев.

Все подробности - завтра.

Понедельник, 17 марта, станет днем нового открытия. Это обещают нам астрофизики из Европейского Космического Агентства(ESA)

Ученые из при тесном сотрудничестве с астрофизиками из института Макса Планка собираются сделать какое-то очень важное открытие. О нем будет официально сообщено на конференции в Гарвард-Смитсоновском Центре Астрофизики.

Пока известно только то, что астрофизики совместно работали над изучением физических процессов, которые определяют природу и эволюцию Вселенной.

Ученые нашли подземный «океан»

Вернее, образец минерала рингвудита, залежи которого под землей содержат столько воды, сколько все океаны вместе взятые.

Алмаз, содержащий рингвудит, который подтверждает наличие воды в сотнях километров под Землей

©Richard Siemens, University of Alberta

По крайней мере, так считают ученые. Вода содержится на глубине сотен километров в виде гидроксильных групп в составе минерала рингвудита. Образец этого минерала ученые обнаружили впервые. До этого минерал никто и никогда не видел, хотя о его существовании предполагали.

Об этом свидетельствовали наблюдения за распространением сейсмических волн при землетрясениях. Было обнаружено, что их скорость резко меняется на границе верхней и нижней мантий Земли на глубине 410-660 км. Специалисты предположили, что это происходит вследствие изменений, которые на большой глубине претерпевает структура минерала оливина, составляющего большую часть верхней мантии. Данную форму оливина и назвали рингвудитом. Извлеченный из земной мантии рингвудит никто до сих пор не видел, поскольку глубина его залегания слишком велика для добычи образцов.

Грэм Пирсон (Graham Pearson) из Альбертского университета в Эдмонтоне (Канада) и его коллеги являются счастливчиками, которым впервые удалось посмотреть на рингвудит. Они обнаружили его в виде вкраплений в алмазе.

^{Найденный образец минерала рингвудита подтверждает наличие огромного количества воды под землей}

^{©University of Alberta}

Проанализировав образец, ученые обнаружили, что 1,5% его веса составляет вода в виде гидроксильных групп (OH). Специалисты сделали вывод: если в этом образце рингвудита содержится столько воды, значит в пограничной зоне между верхней и нижней мантией, по расчетам, должно содержаться 1,4*10^21 кг воды.

Этот образец − очень веское доказательство тому, что глубоко под землей есть области, содержащие воду. Транзитная зона в недрах Земли должна содержать столько воды, сколько все океаны, вместе взятые.

− Грэм Пирсон (Graham Pearson) из Альбертского университета в Эдмонтоне (Канада)

Впрочем, сам алмаз, на основе которого были сделаны столь интересные выводы, был найден еще в 2008 году в Бразилии. По мнению ученых, на поверхность земли он, по всей вероятности, был вынесен магмой, при извержении вулкана. К слову сказать, особой экономической ценности этот коричневый алмаз, шириной три миллиметра в поперечнике, не представлял. Ученые приобрели его с целью обнаружить другой минерал, а рингвудит нашли почти случайно. Для того чтобы официально подтвердить находку потребовалось несколько лет анализов.

Открыт новый необычный магнитный материал

Ученые разработали новый магнитный материал, который может полностью преобразить технологии магнитных дисков и энергетику. Материал, который пока даже не имеет названия, обладает способностью сильно менять свои магнитные свойства под воздействием даже небольших изменений температуры. «Никакой другой материал, известный нам, не способен на это. Это поразительный эффект. И мы можем подвергать этот материал обработке», – заявил Айван Шуллер, сотрудник Университета Калифорнии в Сан-Диего.

Он представил результаты своего открытия на заседании Американского физического общества в Денвере.

Этот биметаллический материал является сплавом двух тонких слоев никеля и окиси ванадия.

«Мы можем контролировать магнитные свойства этого сплава, подвергая его легкому нагреву в очень узком диапазоне температур, не прибегая к воздействию магнитного поля. И в принципе того же можно добиться, подводя к сплаву электрический заряд», – заявил профессор Шуллер.

«При низких температурах окись ванадия выступает в качестве изолятора. При высокой температуре это металл. А в промежутке она превращается в это необычное вещество», – говорит он.

Хотя пока еще слишком рано говорить о его практическом применении, профессор Шуллер считает, что наиболее очевидной областью является компьютерная память.

«Проблема с магнитной памятью заключается в ее обратимости – нам нужно, чтобы она была способна сохранять данные и в то же время записывать новые», – поясняет он.

«В настоящее время наиболее совершенные системы используют устройства нагрева, но это лазеры, которые производят огромное количество тепла. А в новом материале достаточно изменить температуру биметаллического слоя всего на 20 кельвинов, как вы получаете пятикратное изменение магнитопроницаемости», – сообщил профессор Шуллер на конференции.

Другая возможная сфера применения – в области энергопередачи. Профессор Шуллер предсказывает создание нового типа трансформатора, который способен справляться с внезапными скачками напряжения, которые происходят во время гроз или перегрузке сетей. Он указывает при этом, что открытия подобного типа часто приводят к появлению совершенно неожиданных технологий. В качестве примера он приводит открытие гигантского магнетосопротивления, которое привело к миниатюризации магнитных дисков в цифровых устройствах и удостоилось Нажать Нобелевской премии 2007 года.

«Без этого открытия тот компьютер, которым мы пользуемся повседневно, просто не смог бы работать», – сказал ученый на конференции.

«Я не утверждаю, что новый материал решит проблему мирового энергического кризиса, однако не сомневаюсь, что он сильно продвинет нас в этом направлении», – добавил он.

Отдел науки, Би-би-си, Джеймс Морган

«Вечный» генератор питается излучением Земли

Ученые предложили способ использования простого выпрямителя тока для поглощения и переизлучения инфракрасного света, который испускает наша планета. Расчеты показывают работоспособность идеи, предлагающей новый способ генерации чистой энергии.

Физики из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук (SEAS) предложили устройство, которое может превращать энергию ИК-излучения в электричество. Как известно, наша планета нагревается Солнцем, и по сравнению с окружающим космическим пространством она очень горячая. Благодаря последним технологическим достижениям, эта разница температур может быть преобразована в постоянный ток (DC). По-сути, излучение Земли – это огромный неиспользованный источник энергии, и ученые нашли возможность извлечь из него пользу.

«На первый взгляд звучит странно: получать энергию, излучая тепло в космос, но наше устройство работает именно так, - рассказывает изобретатель новой технологии физик Федерико Капассо. – Наш прибор является промежуточным звеном на пути ИК-излучения в космос и превращает часть этого излучения в электроэнергию».

Группа Капассо предполагает два различных вида генератора, работающих на принципе захвата ИК-излучения: один, макроразмерный, является аналогом солнечного коллектора, а второй, наноразмерный, - аналогом фотоэлектрчисекой панели.

Устройство, созданное Федерико Капассо, использует средний ИК-диапазон, который до изобретения квантового каскадного лазера оставался вне внимания ученых. Капассо предлагает использовать это излучение для работы оригинальных фотоэлектрических панелей, которые вырабатывают электроэнергию, не поглощая видимый свет, а излучая инфракрасный.

На первый взгляд – это абсурд, солнечная панель излучающая свет, однако расчеты показывают, что она действительно выдает ток. Суть макроразмерного «эмиссионного комбайна» Федерико Капассо в использовании термоэлектрического эффекта: выработки электричества под воздействием разницы температур. Устройство представляет собой две соединенные пластины: одна («горячая») направлена к земле и поглощает ИК-излучение, а вторая («холодная») направлена вверх и сделана из материала, эффективно отдающего тепло.

Ученые измерили ИК-излучение поверхности Земли в городе Ламонт, штат Оклахома, США, и подсчитали, что разница температуры между пластинами позволит генерировать несколько ватт на квадратный метр. Надо отметить, что удельная мощность солнечного излучения в безоблачный день может доходить до 1400 ватт на кв. м, тогда как современные солнечные панели могут преобразовать в электричество лишь 10-20% этой энергии, причем только днем, в то время, как устройство Капассо выдает электричество днем и ночью и не требует наведения на Солнце.

Электрическая схема устройств Федерико Капассо очень проста, однако требует компонентов с уникальными для современной техники характеристиками. На фото три генераторные цепи с разной входящей температурой. Цепь А в равновесии и не вырабатывает ток; цепь В – обычный выпрямитель тока; цепь С – устройство Капассо, вырабатывающее ток

Федерико Капассо также предложил и второй, более эффективный нанотехнологичный, тип круглосуточной солнечной панели, основанной на принципе диода Ганна, предложенного в 1968 году и используемого в полицейских радарах. Суть термоэлектрического генератора второго типа заключается использовании способности электрической цепи самопроизвольно «толкать» ток в любом направлении. Так, если компонент электросхемы, например простой диод, нагрет больше, чем резистор, цепь создает электрический шум, производя положительное напряжение. Федерико Капассо полагает, что роль резистора может выполнить микроскопическая наноантенна, способная эффективно излучать ИК-лучи. Таким образом диод в сочетании с нанотехнологичными антеннами составят термоэлектрическую пару, вырабатывающую ток.

Оба устройства Капассо, на базе макропластин и наноантенн, могут быть созданы с помощью новейших достижений в области плазмоники, микроэлектроники и новых материалов, таких как графен. Возможно, уже в ближайшие годы удастся разработать микроскопические диоды, которые могут работать на низких напряжениях и переключаться с частотой 30 трлн раз. В случае успеха, станет возможным создание высокоэффективных нанотехнологичных термоэлектрических панелей Капассо, которые в буквальном слове будут впитывать энергию из окружающей среды.

Черная дыра нарушила энергетический предел

Черная дыра, обнаруженная в соседней галактике, обошла теоретический предел яркости, опровергнув факт, что предел Эддингтона – фундаментальный закон природы.

Галактика М 83 (фото кликабельно)

©Hubble Legacy Archive, ESA, NASA

Считается, что энергия излучения не может быть выше так называемого предела Эддингтона, напрямую связанного с массой дыры. Иначе засасываемый газ просто покинул бы зону притяжения черной дыры, которая перестала бы расти.

Предел Эддингтона – величина мощности электромагнитного излучения, исходящего из недр звезды, при которой его давления достаточно для компенсации веса оболочек звезды, которые окружают зону термоядерных реакций, то есть звезда находится в состоянии равновесия: не сжимается и не расширяется. При превышении предела Эддингтона звезда начинает испускать сильный звездный ветер.

Однако новое исследование Роберто Сории (Roberto Soria) и его коллег из университета Кёртин в Австралии показало, что предел Эддингтона – это отнюдь не фундаментальный закон природы, а всего лишь ориентир.

Ученые обнаружили в соседней галактике черную дыру массой, превышающей солнечную в 100 раз. Однако она испускала излучение в миллионы раз большей энергии, чем должна была.

^{Черная дыра в галактике M 83}

^{©Hubble Legacy Archive, ESA, NASA}

Специалисты подробно изучили черную дыру в спиральной галактике M 83.

Messier 83 (M 83) – спиральная галактика с перемычкой в созвездии Гидра. Она находится на расстоянии приблизительно 15 миллионов световых лет от нас. В галактике было зарегистрировано шесть сверхновых (SN 1923A, SN 1945B, SN 1950B, SN 1957D, SN 1968L и SN 1983N).

В течение года ученые наблюдали за черной дырой, а также ее излучением в рентгеновском, оптическом и радиодиапазонах. Несмотря на ее относительно небольшую массу, количество излучаемой энергии значительно превышало предел Эддингтона.

Степень яркости этого объекта также указывает на то, что он должен был поглощать газ и излучать энергию тех же порядков, по крайней мере, в течение последних 10 тысяч лет. Сначала мы подумали, что это разовое явление – выброс столь мощного излучения – но теперь мы видим, что оно довольно-таки постоянное.

– Нокс Лонг, соавтор исследования из Научного института космического телескопа в Балтиморе, США

Каким образом и почему черная дыра в галактике M 83 нарушает этот предел Эддингтона, ученые пока не знают. Но наблюдения продолжаются, и в ближайшее время специалисты намерены получить больше сведений об этом объекте. Завершив исследование, можно будет установить не только роль этой черной дыры в развитии ее галактики, но и в целом определить роль черных дыр в эволюции звездных систем.

«Квантовые батареи» готовы к массовому производству!

Некая японская компания вдруг заявила, что втихую разработала и подготовила к серийному производству слоистую батарею совершенно нового типа, и это не химический источник тока и не конденсатор. Тем не менее разработка способна накапливать и хранить энергию много лучше традиционных аккумуляторов.

Авторы называют батарею «квантовой», подчёркивая её физическую, а не химическую природу.

Одиночная ячейка, уже демонстрировавшаяся разработчиками, представляет собой плёнку из металл-оксид-полупроводниковой структуры n-типа, в которой используются частицы диоксида титана, диоксида олова и оксида цинка, покрытые изолирующей плёнкой.

В роли последней могут выступать как органические, так и неорганические изоляторы.

Рис. 1. Образец нового квантового накопителя энергии в виде тонкой одиночной пластинки (здесь и ниже иллюстрации Tech-On!).

Вместо использования для хранения энергии ионов (как в батарейке вашего телефона), слоистая «квантовая батарея» эксплуатирует электроны, только совсем не так, как конденсаторы. Утверждается, что система основана на хранении электронов «в запрещённой зоне» полупроводника.

При производстве структур «металл — оксид — полупроводник» зарядовый слой накопителя облучают ультрафиолетом неназванных параметров. После изготовления, при зарядке, которую можно осуществлять из любых источников, включая пальчиковые батарейки, электроны занимают свободные энергические уровни в рабочем материале и хранятся там до тех пор, пока батарею не потребуется разрядить.

Таким образом,перед нами перезаряжаемые батареи с очень высокой плотностью хранения энергии.

По заявлению компании Micronics Japan Co. Ltd., серийные образцы (обещанные в ближайшем будущем) будут иметь ёмкость до 500 Вт•ч/л и при этом смогут выдавать до 8 000 Вт пиковой мощности на литр объёма.

Это не просто высокие, а выдающиеся показатели: такие накопители даже при малой ёмкости смогут выдавать большую пиковую мощность, объединяя лучшие черты аккумуляторов и суперконденсаторов. То есть в теории регенеративное торможение с ними удастся использовать много эффективнее, чем в сегодняшних электромобилях и гибридах.

При этом, в отличие от суперконденсаторов, напряжение, снимаемое с таких накопителей, не уменьшается по мере их разрядки, до конца оставаясь стабильным (см. на скорость вращения вентилятора):

Кроме того, заявлено, что «квантовая батарея» сможет работать в диапазоне от –25 до +85 °C, а её жизненный цикл достигает 100 тыс. циклов зарядки-разрядки до падения ёмкости ниже 90% от первоначальной. В отличие от прежних вариантов «квантовых батарей», новинка не использует «непростые» и дорогие материалы типа графена, а потому «полностью готова к массовому производству».

Заметим, впрочем, что в демонстрации нового накопителя использовался лишь один аккумулирующий лист — на подложке из нержавеющей стали толщиной 10 мкм, то есть возможность объединять такие накапливающие элементы в масштабные группы пока лишь предстоит доказать.

Кроме того, разработчики намерены потратить некоторое время на замену стали алюминием, чтобы уменьшить удельную массу новинки.

Рис. 2. Пластинки такого типа могут быть выполнены и на относительно гибкой подложке.

Безусловно, у концепции в том виде, в котором её анонсирует Micronics Japan, налицо несколько несомненных плюсов. В частности,

нехимическая батарея явно не будет пожароопасной.

Определённо, способность быстро выдавать и забирать из сети большое количество энергии резко ускорит зарядку таких накопителей.

Сама за себя говорит и высокая ёмкость «квантовой батареи»: если производитель сдержит своё слово, она позволит наконец-то довести смартфоны до семидневной рабочей недели между подзарядками и, скажем, почти утроить дальность нынешних электроавто!

Новинка выставляется с 26 по 28 февраля на Японской выставке накопителей, проходящей в Токио. http://www.batteryjapan.jp/en/Home/

http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20140224/335902/

Как изготовить искусственные мышцы из рыболовной лески

Синтетические волокна, созданные из перекрученных полиэтиленовой лески и швейной нити, оказались в сто раз сильнее настоящих мышц.

Исследователи из Техасского университета в Далласе (США) представили синтетические мышцы, которые в 100 раз мощнее настоящих мышечных волокон той же длины и массы.

При этом сама технология изготовления оказалась на удивление простой. Для искусственных мышц не понадобилось никаких изощрённых синтетических полимеров: Рэй Бофман (Ray Baughman) и его коллеги просто взяли полимерную нить из тех, которые используют для производства рыболовной лески или синтетических ниток, и скрутили её в спираль. Эта спираль при перемене температуры могла скручиваться и растягиваться. Любопытно, что техпроцесс можно было поменять и так, чтобы эффект был обратным, то есть чтобы нить при остывании скручивалась, а при нагреве растягивалась. Варьируя число нитей в пучке, можно добиваться иных механических характеристик искусственного «мышечного волокна».

Синтетические волокна, сделанные из шести нитей разной толщины: верхнее сложено из ниток толщиной в 2,45 мм, нижнее — из ниток толщиной в 150 мкм. (Фото авторов работы.)

И характеристики эти воистину впечатляют. Во-первых, по сравнению с обычными мышцами, которые могут сокращаться лишь на 20% от своей длины, искусственные способны уменьшаться наполовину. Быстрого утомления такие мышцы, разумеется, тоже не знают. Если объединить вместе сотню элементарных волокон, то такая мышца сможет поднять больше 700 кг. Относительно веса волокна могут развивать мощность в 7,1 л. с. на кг, что соответствует, по словам исследователей, мощности реактивного двигателя.

Двигателем же для них, как уже сказано, служит перепад температуры, обеспечить который можно как угодно — хоть с помощью химической реакции, хоть посредством электричества (да хоть своим дыханием грейте эти волокна). Что же до самих волокон, то учёные особенно напирают на исключительную простоту их изготовления: дескать, любой студент сделает такое во время обычной лабораторной, главное — соблюсти физические условия, при которых вы будете деформировать нить. Гениальность же авторов идеи в том, что им удалось в этой тривиальной полимерной конструкции угадать огромный физический потенциал.

Собственно, простота этих мышц, наверное, мешает вот так сразу оценить всю революционность изобретения. Хотя исследователи, разумеется, продемонстрировали возможное его применение: приспособленные к окну, они закрывали и открывали его в зависимости от окружающей температуры. Кроме того, из волокон удалось создать тканую материю, пористость которой опять же менялась в зависимости от температуры, а отсюда легко представить себе «умную» одежду, которая будет сама проветривать вас в жару и экономить тепло в холод.

Но, конечно, львиная доля фантазий вокруг и около искусственных мышц отдана робототехнике. Понятно, что такие волокна могут стать прямым аналогом человеческих мышц у роботов, с помощью которых те смогут даже менять выражение лица. Синтетические мышцы пригодятся как при поднятии тяжестей, так и при выполнении тонких хирургических манипуляций (если мы представим себе медицинские аппараты будущего).

В прошлом такие волокна пытались делать из углеродных нанотрубок. По словам Рэя Бофмана, который прошёл и через этот этап, эксперименты с нанотрубками были успешными, но, во-первых, такие «наномышцы» очень сложны в изготовлении и чрезвычайно дороги, а во-вторых, они сокращались всего на 10% от своей длины, то есть уступали даже обычным живым мышцам, не говоря уже о только что явленных полимерных волокнах.

У нас же есть пока только один вопрос, который касается эффективности и экономичности: сколько тепла (и, следовательно, электрической или химической энергии) нужно потратить на их механическую работу? Авторы признаются, что, как и вообще все искусственные мышцы, их волокна в этом смысле не отличаются особой эффективностью, однако есть определённые надежды, что в этом случае оптимизировать энергетические затраты получится довольно быстро.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Подготовлено по материалам Техасского университета в Далласе.

Кирилл Стасевич

Аспирин и вино убивают рак в зародыше

Тетраплоидные клетки, с которых может начаться рак, можно избирательно уничтожить, обработав их аспирином и ресвератролом, что содержится в красном вине.

Поводом к онкологии может стать увеличение плоидности клеток — появление в них лишних наборов хромосом. В норме клетки человека (кроме половых) диплоидны, то есть имеют два набора хромосом, доставшихся им от отца и матери. Если вдруг к ним добавится третий, клетка станет триплоидной, четвёртый — тетраплоидной. Полиплоидизация не такое уж редкое явление, но нормально её переносят только растения, у животных же увеличение числа хромосом и, следовательно, появление новых работающих копий генов приводит к серьёзным неприятностям.

Возникновение большого числа тетраплоидных клеток характерно для начальных стадий рака пищевода, желудка, молочной железы, шейки матки, предстательной железы и др. В норме тетраплоидные клетки погибают сами — либо, если они выжили, их уничтожает иммунная система, но бывает, что не происходит ни того, ни другого. Полиплоидизация происходит в клетках, готовых стать раковыми, и случается это, когда в них отключаются опухолевые супрессоры, препятствующие онкоперерождению.

Что может лучше защитить от рака, чем вино с аспирином! (Фото Shutterstock.)

Если вовремя уничтожить тетраплоидные клетки, это, возможно, предотвратит развитие рака. Но как это сделать? Для этого нужно найти средство, которое расправлялось бы именно с тетраплоидными клетками, не трогая их нормальных соседей. ДНК-повреждающие средства тетраплоидам вообще не страшны (возможно, из-за запаса хромосом), а соединения, препятствующие клеточному делению, сказываются и на нормальных клетках тоже.

Гвидо Кремеру (Guido Kroemer) из Национального института здравоохранения и медицинских исследований Франции (INSERM) и его коллегам удалось отыскать два вещества, которые действовали именно на тетраплоидные клетки, не трогая обычные диплоидные.

Вещества оказались банальней некуда — аспирин и ресвератрол. Ресвератрол часто обсуждается как средство, продлевающее жизнь, и обычно в связи с ресвератролом вспоминают красное вино, где его действительно много, однако содержится он и в других продуктах. И ресвератрол, и аспирин вроде бы подавляют развитие рака, однако что именно и как именно они при этом делают, учёные продолжают допытываться.

В журнале PNAS Гвидо Кремер и его коллеги сообщают, что если мышам, предрасположенным к раку и с большим количеством тетраплоидных клеток в кишечнике, давали аспирин и ресвератрол, то число нехороших клеток уменьшалось. Следовательно, падала и вероятность развития злокачественной опухоли. В другом эксперименте ресвератрол и аспирин «предлагали» клеткам мышиного рака лёгких, мышиным эмбриональным фибробластам и клеткам человеческого рака прямой кишки. У каждой разновидности были как диплоидные, так и тетраплоидные клетки, но аспирин и ресвератрол уничтожили только вторые, оставив в живых первые.

Тут, конечно, можно спросить, а как же диплоидные раковые клетки? Ну, против них можно использовать классические противоопухолевые соединения вроде цисплатина, однако исследователи подчёркивают, что такие препараты были бессильны против тетраплоидных раковых клеток.

Как полагают авторы работы, эффект ресвератрола и аспирина связан с тем, что они ускоряют синтез АМФ-активируемой протеинкиназы, контролирующей энергетический баланс клетки. В диплоидных и в тетраплоидных клетках активность этой протеинкиназы возрастала одинаково, но погибали только тетраплоидные клетки. Впрочем, какой именно механизм тут работает, ещё только предстоит выяснить.

Подготовлено по материалам Medical Xpress. Фото на заставке принадлежат Shutterstock (1 и 2).

Обнаружена древнейшая звезда

Астрономы из Массачусетского технологического института отыскали в нескольких десятках тысяч световых лет от нас светило SMSS J031300.36-670839.3 — и выяснили, что это одна из древнейших звёзд во Вселенной.

Оценки содержания элементов тяжелее водорода показали, что железа там кот наплакал, и это, безо всяких сомнений, указывает на светило второго поколения звёзд, возникшего сразу после первых звёзд Вселенной, когда тяжёлых элементов было куда меньше, чем, к примеру, у любого «одногодка» Солнца. В общем, железа даже и не обнаружили: у астрономов есть лишь уверенность, что его не более одной десятимиллионной от показателя нашего Солнца. Это рекорд среди известных на сегодня тел такого рода. По всей видимости, SMSS J031300.36-670839.3 старше 13 млрд лет, хотя насколько именно — пока загадка.

После взрыва звезды-прародителя остались следы, во многом напоминающие остатки сверхновой G292.0+1.8, хотя вспышка последней была сильнее. (Иллюстрация NASA.)

Более того, отсутствие обнаруживаемых количеств железа говорит, по словам учёных, о том, что нет иного выхода, кроме признания того, что светила первого поколения, это железо наработавшие, были куда менее мощными, чем считалось. Похоже, звезда-прародитель просто не смогла эффективно выбросить свои тяжёлые элементы из ядра, поскольку взрыв в конце её жизненного пути был не слишком мощным.

Совершенно неожиданно и то, что, если расчёты астрономов верны, энергия взрывов звезды-прародителя была даже меньше, чем у сегодняшней обычной сверхновой, — и это несмотря на то, что её массу оценивают в 60 солнечных, то есть как исключительную — настолько, что после взрыва на месте прасветила образовалась чёрная дыра.

«До некоторой степени мы должны отступить назад, к чертёжной доске [и переработать наши модели звёзд прошлого], потому что вариативность среди самого первого поколения светил значительно превзошла наши ожидания», — признаётся Анна Фребель (Anna Frebel), один из авторов работы, посвящённой открытию.

Кроме того, данные по спектру SMSS J031300.36-670839, полученные с помощью «Магеллановых телескопов» (Чили), показали, что углерода там по меркам нашего собственного светила хотя и мало, но всё же в тысячи раз больше, чем железа. Именно это указало на слабость взрыва звёзд-предков первого поколения: углерод находился в их внешних слоях, в то время как железо — в ядре.

Слабость подобных взрывов наводит на мысль об альтернативном сценарии разрушения первых светил: вместо мощных вспышек сверхновых могли иметь место менее сильные взрывы, в которых изначальные звёзды теряли лишь внешние слои, обогатившие углеродом газовые облака, из которых возникла SMSS J031300.36-670839.3, в то время как богатое железом ядро сколлапсировало в чёрную дыру, избежав разлёта вместе с внешними слоями.

Спектр этой звезды предельно необычен: хорошо видны только следы водорода, углерода (на 4 300 Å) и пара линий от земной атмосферы. (Иллюстрация Anna Frebel.)

То, что взрывы первозвёзд были сравнительно немощны, означает, что «эмбрионы» первых галактик формировались не в столь враждебных условиях, как предполагалось до сих пор: им не угрожал разнос газа во все стороны с потерей целостности, так как взрывы малой мощности позволяли отдельным частям первых галактик оставаться вместе и относительно быстро эволюционировать.

Открытие SMSS J031300.36-670839.3 — по-видимому, древнейшей из известных звёзд — означает, что нам стоит переосмыслить то, как формировались и развивались предшествовавшие им самые первые звёзды, ибо современные модели их эволюции не дают результатов, при которых взрыв в конце жизненного цикла мог бы получиться столь слабым, чтобы не разбросать ядро, ограничившись лишь внешними слоями.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Массачусетского технологического института.

Александр Березин

Известный противогрибковый препарат лечит рак кожи

На разработку нового противоракового препарата нужны годы исследований и миллионы долларов финансовых вложений. Но что если средством, приносящим исцеление онкологическим больным, будет таблетка, уже лежащая в пузырьке, стоящем на полке в ближайшей аптеке?

(Фото: fialkaspb.ru)

Один такой препарат, часто назначаемый при грибковых заболеваниях, итраконазол (itraconazole), может принести пользу в лечении базальноклеточной карциномы – самой распространенной формы рака кожи.

Ученые из Школы медицины Стэнфордского университета (Stanford University School of Medicine) провели фазу 2 клинических испытаний итраконазола на 29 пациентах и установили, что в течение месяца размер и распространение опухолей снизились у большинства больных.

Только в США базальноклеточным раком ежегодно заболевает почти 3 миллиона человек. Вызываемый в основном избыточным пребыванием на солнце, он редко заканчивается смертельным исходом, но опухоли на поздних стадиях развития вызывают боль и уродуют кожу.

«Разработка нового лекарственного препарата обходится примерно в $ 800 млн. и требует в среднем десяти лет работы», – говорит руководитель исследования доцент кафедры дерматологии Джин Тан (Jean Tang, MD, PhD). «Мы сокращаем процесс, используя препарат, который применяется уже около 25 лет и назначен десяткам тысяч людей».

Итраконазол, применяемый для лечения грибковых инфекций, убивает клетки грибов, блокируя выработку жизненно важного компонента клеточной мембраны. В раковых клетках препарат, по-видимому, блокирует сигнальный путь Hedgehog – каскад клеточных событий, запускаемых сигналом белка Hedgehog, что жизненно важно для роста и развития клеток.

Первой установленной функцией белка Hedgehog была его роль в контроле над разделением на сегменты тела мушки-дрозофилы. Эмбрионы мух, не имеющие ключевого белка этого пути, похожи на колючих ежей. Белки этого пути передают жизненно важные сигналы, стимулирующие рост и деление эмбриональных, а также – увы – и опухолевых клеток. В здоровых взрослых клетках этот путь в основном участвует в поддержании нормального состояния тканей и в их восстановлении. Кроме того, он играет роль в дифференциации стволовых клеток. У мышей ненормальная активность или отсутствие белков Hedgehog приводит к развитию рака и деформации жизненно важных органов.

В 1998 году лаборатория профессора биохимии и биологии развития Филиппа Бичи (Philip Beachy), PhD, в течение многих лет занимающегося изучением сигнального пути Hedgehog, идентифицировала первый ингибитор этого пути – соединение растительного происхождения циклопамин (cyclopamine), а также несколько его химических заменителей. Но ученые знали, что разработка с нуля коммерческих препаратов, мишенью которых был бы путь Hedgehog, – трудоемкий и финансово рискованный процесс.

Четыре года назад профессор Бичи и его коллеги нашли препараты – уже утвержденные Food and Drug Administration (FDA) или ранее прошедшие клинические испытания, – способные блокировать путь Hedgehog.

«Мы понимали, что уже существующие препараты с таким потенциалом будет гораздо легче довести до пациентов», – комментирует профессор Бичи.

Активность, блокирующая путь Hedgehog, была выявлена у нескольких из 2400 просканированных учеными препаратов. Но наиболее перспективным представлялся итраконазол, так как он хорошо работал в обычной дозировке, назначаемой при грибковых инфекциях. У мышей, получавших итраконазол, наблюдалось значительное снижение размеров опухолей.

Затем доктор Тан провела первую серию клинических испытаний, результаты которых представлены в статье, опубликованной в журнале Journal of Clinical Oncology. Пациенты получали таблетированный итраконазол два раза в день в течение месяца. Больным еще одной небольшой группы была назначена более низкая дозировка препарата, но на более длительный срок (в среднем 10 недель).

В первой группе препарат снизил активность пути Hedgehog в среднем на 65 процентов, а размер опухолей на 24 процента. У пациентов второй группы наблюдалось аналогичное сокращение размера опухолей.

«Следующим шагом будет тестирование итраконазола на большем количестве пациентов в течение более длительного времени, чтобы точно оценить его противоопухолевый эффект по сравнению с другими препаратами», – говорит Тан.

Первый утвержденный FDA препарат для лечения базальноклеточной карциномы, подавляющий путь Hedgehog, Висмодегиб (Vismodegib) – высокоэффективное средство, рассматриваемое сегодня как препарат первой линии для лечения поздних стадий базальноклеточных карцином. Но на его разработку потребовались годы, а стоимость годового курса лечения составляет 90 тысяч долларов, или примерно 250 долларов в день.

Хотя на поздних стадиях раковых заболеваний итраконазол менее эффективен, чем Висмодегиб, он может применяться для лечения небольших опухолей. Он гораздо дешевле и обойдется пациенту всего в 20 долларов в день.

«Интересной особенностью итраконазола является то, что он подавляет раковые клетки, выработавшие резистентность к Висмодегибу или другим противораковым препаратам, блокирующим путь Hedgehog», – отмечает профессор Бичи. «Он может быть более эффективен в качестве альтернативного лечения или в сочетании с другими методами лечения».

Оригинальная статья Open-Label, Exploratory Phase II Trial of Oral Itraconazole for the Treatment of Basal Cell Carcinoma

http://med.stanford.edu/…ry/tang.html

Новое антибактериальное средство уничтожает только патогенные бактерии

Ученые разработали метод селективного уничтожения определенных штаммов бактерий. (Рис. NC State University)

Ученые из Университета штата Северная Каролина (North Carolina State University) разработали антибактериальное средство, своего рода «умную бомбу», которое может с максимальной точностью идентифицировать определенные штаммы бактерий и разрезать их ДНК, предотвращая развитие инфекции. Новый метод представляет возможную стратегию лечения инфекций, вызываемых бактериями с множественной лекарственной устойчивостью.

«Традиционные антибиотики убивают как «хорошие», так и «плохие» бактерии, что приводит к непредусмотренным последствиям, таким как оппортунистические инфекции», – говорит руководитель исследования доктор Чейз Бейзел (Chase Beisel), доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии NC State. «То, что мы показали в этой новой работе, это то, что можно селективно удалять определенные штаммы бактерий, не затрагивая популяций полезных микроорганизмов».

Новый подход основан на наличии у многих бактерий компонента иммунной системы, известного как система CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) – Cas (CRISPR-associated). Система CRISPR-Cas защищает бактерии от таких захватчиков, как вирусы, создавая небольшие цепочки РНК – CRISPR РНК, – которые соответствуют последовательностям ДНК, характерным для того или иного бактериофага. Когда CRISPR РНК находят свои ДНК-соответствия в виде ДНК вируса, они высвобождают белки Cas, разрезающие вирусную ДНК.

Ученые показали, что введение в бактериальную клетку CRISPR РНК, соответствующих ДНК-последовательностям самих бактерий, приводит к «самоубийству» бактериальных клеток, так как их система CRISPR-Cas начинает атаковать свою собственную ДНК.

«В ходе лабораторных испытаний мы установили, что этот подход адресно убивает бактерии», – комментирует Бейзел. «Мы пока не полностью понимаем, как именно разрезание ДНК приводит к гибели бактерии. Однако мы воодушевлены легкостью специфического таргетинга различных бактерий и эффективностью их уничтожения».

Исследователи протестировали свой подход на контролируемых культурах с различными комбинациями бактерий и смогли элиминировать только целевые штаммы.

«Например, нам удалось уничтожить Salmonella в культуре, не оказывая отрицательного воздействия на полезные бактерии, обычно присутствующие в желудочно-кишечном тракте», – продолжает доктор Бейзел.

Кроме того, Бейзел и его коллеги продемонстрировали точность своего метода, уничтожив один штамм одного из видов бактерий, ДНК которого совпадает с ДНК другого штамма того же вида на 99 процентов.

Еще одно преимущество такого подхода, говорит доктор Бейзель, состоит в том, что «за счет таргетинга специфических цепочек ДНК через систему CRISPR-Cas мы смогли обойти механизмы, лежащие в основе многих примеров устойчивости к антибиотикам».

Сейчас ученые работают над созданием эффективных методов доставки CRISPR РНК в клинических условиях.

По мнению соавтора работы доктора Рудольфа Баррангоу (Rodolphe Barrangou), это исследование закладывает фундамент разработки препаратов нового поколения, использующих программируемые CRISPR-Cas-системы.

Оригинальная статья:

Programmable Removal of Bacterial Strains by Use of Genome-Targeting CRISPR-Cas Systems
http://news.ncsu.edu/releases/wms-beisel-crispr2014/

Впервые удалось симулировать магнитный монополь

Поведение так и не открытой элементарной частицы может быть частично симулировано в лабораторных условиях с помощью конденсата Бозе — Эйнштейна.

Физики из Амхерстского колледжа (США) и Университета Аалто (Финляндия) смогли создать и заснять в лаборатории синтетические магнитные монополи — частицы, существование которых было предсказано Полем Дираком в 1931 году, но которые до сих пор упорно избегают регистрации в природе.

Магнитный монополь в представлении художника (иллюстрация Heikka Valja).

У любого магнита есть два полюса — северный (отрицательный) и южный (положительный), то есть он располагает магнитным диполем. Но сколько ни разрезай его надвое, отдельно южный и отдельно северный полюса вы не получите: просто у вас будут два меньших диполя. В то же время и положительный, и отрицательный электрические заряды вполне могут существовать отдельно. Но как получить монополь — изолированный однополярный магнит?

Вопрос далеко не праздный, ибо, скажем, закон Гаусса для магнитного поля вообще не будет работать, если магнитные монополи существуют, да и столь важное для современной физики предположение о том, что электрические заряды всех частиц представляют собой дискретные величины, получит прямое подтверждение. В общем, по значимости открытие монополя станет чем-то вроде открытия электрона.

Спустя 83 года после того, как знаменитый физик-теоретик Поль Дирак предсказал возможность существования монополей, международная команда ученых во главе с профессором физики Дэвидом С. Холлом и доцентом Микко Мотонненом создала и сфотографировала синтетические магнитные монополи.

Учёные попробовали воспроизвести систему с признаками монополя в облачке из примерно миллиона ультрахолодных рубидиевых атомов, «замороженных» до стомиллиардной кельвина. В таком состоянии они теряют поведение, свойственное индивидуальным частицам, и становятся частью коллективного квантового состояние материи — конденсата Бозе — Эйнштейна.

Опыт был аналогичен умственному эксперименту Дирака от 1931 года: конденсат Бозе — Эйнштейна соответствовал единичному электрону, и плотность атомов в каждой точке соответствовала вероятности существования электрона в данном регионе пространства. Атомы конденсата имеют магнитный спин, который условно можно назвать квантовым эквивалентом крохотной иглы компаса. Такой спин реагирует на приложение внешнего магнитного поля. Но в эксперименте спины выступали не как часть магнитного поля вокруг монополя; поле же было представлено свойством, характеризующим пространственное упорядочивание этих спинов, — их вихреобразованием.

Секция облачка (верхний ряд) с тёмным пятном, «растекающимся» от центра, — признак наблюдения синтетического дираковского монополя. Внизу для сравнения показана компьютерная симуляция процесса. (Иллюстрация D. S. Hall et al.)

Это достижение открывает изумительные перспективы для квантовых исследований, полагают учёные, и не только в смысле подтверждения умственного эксперимента Дирака.

«С созданием синтетического магнитного монополя мы получим непревзойдённую глубину проникновения в свойства природного монополя, если только он и впрямь существует», — говорит Дэвид Холл (David Hall), возглавлявший экспериментаторов.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature.
Подготовлено по материалам Nature News.

РНК из единственной клетки в натуральной среде

Впервые в истории исследователи смогли извлечь всю РНК из одной-единственной живой клетки, которая находилась в естественной микросреде, уютно устроившись рядом с другими клетками. Новый метод предоставляет уникальные возможности для изучения функций клеток и может быть использован при изучении воздействий лекарств на человека.

Исследователи, которые создали данный метод, показали, что нейрон, взаимодействующий со своими соседями, имеет совершенно другой набор генов, чем нейрон, полученный при культивировании клеток (общераспространенный способ изучения клеток мозга).

На самом деле, в отдельных культивированных нейронах было активно намного больше генов в сравнении с нейронами, растущими в естественной среде.

По словам Джеймса Эбервайна (James Eberwine), биохимика из Университета Пенсильвании, анализ одиночной клетки позволяет получить гораздо больше информации о здоровых и поврежденных клетках.

К примеру, при изучении болезни Альцгеймера этот новый метод может использоваться для изучения отдельных клеток, которые граничат с амилоидными бляшками, ассоциируемыми с заболеванием.

«Можно определить, оказывают ли бляшки прямое воздействие на эти клетки», – говорит Ебервайн.

Для ответа на простые вопросы о функционировании мозга можно изучить, как стимулирование одного нейрона влияет на экспрессию генов в другом нейроне, с которым посредством синапса связан первый.

По словам Эбервайна, в прошлом на данный вопрос практически нельзя было ответить.

Он и его коллеги доказали, что их новый РНК-анализ единственной клетки позволяет обнаруживать РНК в рамках одного нейрона, при этом нейрон по-прежнему контактирует посредством синапса с соседними клетками.

Команда исследователей использовала этот новый метод для получения РНК из отдельных нейронов мозга мыши, а также от пациентов, которые недавно пережили операцию на головном мозге. Результаты исследования были опубликованы в воскресенье в журнале Nature Medicine.

Обычно провести изучение молекулярного состава одной клетки непросто. Большинство лабораторных тестов требуют намного больше исходного материала, чем содержится в одной клетке. Несмотря на то, что изучение большого количества клеток одновременно позволяет провести множество экспериментов, результаты таких исследований часто оказываются неточными, поскольку исследователи учитывают некое общее состояние того, что происходит в каждой клетке. Даже клетки, взятые из одной части органа, такого как сердце, печень или мозг, могут иметь отличия на молекулярном уровне, а также различный состав активных генов, которые могут проявляться как белки и другие биомолекулы.

Это положение важно для медицины. Возьмем, к примеру, опухоль. Две разные клетки опухоли могут иметь различные мутации ДНК и другие клеточные изменения, которые влияют на их работу. Таким образом, когда исследователи из больничной лаборатории патологической анатомии изучают опухоль пациента в целях определения того, если ли в ней конкретная мутация, которую можно лечить при помощи конкретного лекарства, они в действительности не знают, будет ли предложенное лекарство лечить все или хотя бы часть клеток опухоли.

Анализ единственной клетки также может использоваться для разработки неинвазивных способов обнаружения рака, а также для определения генома яйцеклетки матери до экстракорпорального оплодотворения.

Новый метод, направленный на обнаружение РНК, начинается с создания специальной молекулы или «метки», которая может проникнуть в клетку, не разрушая мембрану. Метки проникают во множество клеток, но не прикрепляются к РНК до тех пор, пока не активированы с помощью света.

Исследователи могут использовать луч лазера для активации метки в отдельных клетках. В развитие молекулярного биологии осталось сделать всего несколько шагов, и исследователи смогут получать набор РНК из единственной клетки.

MIT Technology Review

Оригинал взят у

zelenyikot в NASA о "ползучем камне": Ничего подобного мы не встречали

Стив Сквайерс, профессор астрономии Корнелльского университета и руководитель научной команды марсохода Opportunity рассказал об исследованиях камня, перемещение которого было замечено на снимках с Марса.

1P442541237ESFCAEOP2595L4M1 copy1

( Read more... )

Мертвые души

Международная группа исследователей под руководством известного датского специалиста Эске Виллерслева опубликовала исследование, которое может перевернуть наше представление о сразу нескольких областях биологической науки. Группе Виллерслева удался простейший, но потрясающий воображение эксперимент. Они взяли кость мамонта возрастом в 43 тысячи лет, выделили из неё полуразложившиеся остатки ДНК и смешали с бактериями, после чего проанализировали их геном. Выяснилось, что фрагменты генов мамонта были подхвачены бактериями и встроены в их собственную ДНК. Природа информации в живых системах, эволюция ранних организмов, наследственность и изменчивость бактерий – похоже, на всё это придётся взглянуть по-новому.

Профессор Эске Виллерслев (Eske Willerslev) является
одним из самых известных в мире специалистов по древней ДНК.
http://geogenetics.ku.dk/staff/beskrivelse/?id=26558

Природа примитивности

В массовом сознании существует представление о человеке как вершине эволюции – так рисуются эволюционные деревья, по такой логике ведётся курс биологии в школах и университетах. Исходя из этой парадигмы, бактерии – самые примитивные живые существа на планете.

Они в подавляющем большинстве случаев строго одноклеточные, у них нет ядра, хромосом и ещё тысячи других «наворотов», которыми обладает клетка растения, гриба или животного. Иллюзии о примитивности бактерии очень легко поддаться.

Весь живой мир делится биологами на три крупные эволюционные и систематические группы, или домены:

бактерии,

археи,

эукариоты.

К эукариотам относится всё, что мы обычно представляем, когда говорим о живых организмах – от амёб и водорослей до животных и высших растений.
Эукариоты с их крупными клетками, ядрами, сложными механизмами деления и полового размножения действительно кажутся «передовыми» по сравнению с бактериями и внешне похожими на них археями. Но есть ли основания для такого «эукариотического гонора»?

Бактерии живут на планете большую часть времени её существования. По сравнению с ними, животные и растения – самые настоящие младенцы. Бактерии проникают всюду, где только возможно поддержание жизни. Они могут существовать в кипящей воде и концентрированной кислоте.

Точно оценить биомассу бактерий практически невозможно, но по современным оценкам многих специалистов, она превышает таковую животных и растений. Задумайтесь о масштабах сибирской тайги и оцените, насколько потрясает воображение даже сама идея о сопоставимости бактериальной биомассы со всеми лесами мира.

Другая генетика

Наконец, по многим параметрам бактериальная генетика гораздо совершеннее нашей. Генетика, то есть наука о наследственности и изменчивости, изучает, в сущности, передачу и хранение живыми организмами наследственной информации.

Если генетика животных в плане передачи информации – это грузовой поезд, то генетика бактерий – это широкополосный интернет. Чтобы передать огромный багаж эукариотического генома от одного организма другому, надо прибегать к сложнейшим ухищрениям. В случае с высшими животными, к которым относимся и мы, к этому добавляются недели и месяцы эмбриогенеза, когда генетическая информация медленно и осторожно «распаковывается» и тонко настраивается в каждом органе и каждой ткани.

Бактерии не нужны такие сложности.

С одной стороны, минимальные потребности и простейшая (по сравнению с эукариотами) организация означают, что и размножение бактерий происходит несопоставимо быстрее.

С другой стороны, бактерия не дорожит собственной жизнью. У неё отсутствует инстинкт самосохранения.

Эукариоты проверяют и перепроверяют каждый нуклеотид, чтобы ни в коем случае не допустить ошибок и перестроек – с переменным успехом, конечно.

Изменчивость нужна и им, но она по возможности строго контролируется. Бактериям же перестройки, мутации и вообще любые способы каким-то образом (пусть даже случайным) изменить свой геном – на руку. Пусть большинство таких изменений окажутся непродуктивными, но в отдельных удачных случаях польза для популяции будет огромной. Можно провести аналогию со взломом паролей брутфорс-методом – иначе говоря, простым перебором вариантов.

Бактерии поступают именно так: они берут скоростью и количеством и в итоге крайне эффективны во «взломе» любой генетической проблемы: например, именно таким образом формируется устойчивость к антибиотикам.
Ещё одна сногсшибательная способность бактерий – это горизонтальный перенос генов. Представьте, что вы плохо переносите алкоголь, но очень не хотите обижать потенциального тестя, который ранжирует женихов дочери по устойчивости к опьянению. Если бы вы были бактерией, то проблемы бы не было: ваш друг бы просто передал вам ген алкогольдегидрогеназы, и вам бы не пришлось искать отговорок.

Тот же механизм действовал бы и для менее важных вещей, вроде фенилкетонурии или гемофилии. Это и называется горизонтальным (в противоположность вертикальному – из поколения в поколение) переносом генов.

Новая жизнь мамонта

Открытие скандинавских учёных включает в себя элементы обоих описанных генетических механизмов: мутационной изменчивости и горизонтального переноса генов. Если о способности бактерий «встраивать» целые гены, полученные от других бактерий, было известно давно, то о том, что происходит с гораздо более мелкими фрагментами ДНК, исследователи до сих пор не знали. Отчасти это объясняется сложностью наблюдения за такими маленькими участками: чем меньше фрагмент, тем сложнее определить его источник. Именно по этой причине учёные решили использовать ДНК мамонта. Во-первых, за сорок пять тысяч лет она сильно деградировала и в основном представляла собой небольшие фрагменты с разрывами и случайными химическими модификациями. Во-вторых, ДНК мамонта довольно сильно отличается от ДНК человека и других потенциальных загрязнителей эксперимента, что позволяет исключить ложные результаты.

Выяснилось, что бактерии действительно умеют встраивать в свой геном очень мелкие участки ДНК, причём делают они это с ещё большей лёгкостью, чем обычный горизонтальный перенос генов. Но если встраиваемые участки настолько короткие (значительно короче целых генов), то какую ценность они могут представлять для бактерии?

Дело в том, что обычные мутации – случайные замены нуклеотидов в ДНК – имеют довольно низкую вероятность. Соответственно, вероятность, например, одновременной двойной замены в одном отдельно взятом гене – практически нулевая. Встраивание же небольших фрагментов ДНК – мутагенный механизм гораздо большей «мощности».

Он на много порядков повышает вероятность изменений, захватывающих не один нуклеотид, а целые участки генов.

Вопросы жизни и смерти

Открытие группы Виллерслева может показаться забавным курьёзом, но на самом деле оно имеет целый ряд фундаментальных следствий.

С практической точки зрения, оно прежде всего имеет значение в контексте устойчивости бактерий к антибиотикам. Для приобретения бактерией такой устойчивости зачастую достаточно нескольких точечных мутаций в тех или иных участках генов.

На данный момент вся наша борьба с этой серьёзнейшей проблемой сводится к уничтожению живых переносчиков «генов устойчивости». Мы предполагаем, что если уничтожить бактериальную клетку, то её гены теряют способность как-то воздействовать на другие бактерии.

Теперь нам известно, что это далеко не так: мало того, что бактерии могут «усваивать» ДНК из «мёртвых» источников (куда уж мертвее мамонта!), оказывается, даже целостность этой ДНК – не проблема. Достаточно обрывка генетической информации, содержащего нужную мутацию – и устойчивость к антибиотикам может вернуться в живую клетку!

С другой стороны, исследование скандинавских учёных заставляет в принципе задуматься о природе информации в биологических системах. Уже горизонтальный перенос генов («от друга к другу» вместо «от отца к сыну») сильно затрудняет биологическую систематику. Чего уж говорить о переносе информации от мёртвых к живым! Получается, что мегатонны оседающей в реках и океанах «мёртвой» ДНК – на самом деле огромная база «информационного сырья», которое бактерии могут «воскрешать» и перерабатывать для собственных целей.

Если генетическая информация – пусть и в виде отдельных обломков и мелких фрагментов «кода» – может заново использоваться через сорок тысяч лет после смерти её носителя, то не ставит ли это под сомнение понятие смерти как таковое? Возможно, и ваши гены когда-нибудь будут переработаны и усвоены бактериями. Непонятно только, как они смогут научить бактерию чему-нибудь, чего она не умеет делать и без нас.

Таблетка соли может стать началом революции в химии

Ученые смогли перевести обычную поваренную соль в «запрещенную» форму, которая не должна существовать согласно законам современной химии. Ученые говорят, что это лишь начало революции, которая обещает множество новых материалов с невероятными свойствами.

Эксперименты по применению высокого давления к обычным веществам, в частности поваренной соли, неожиданно дали новые химические соединения, которые не должны существовать в соответствии с правилами из современных учебников химии. Исследование, проведенное на источнике рентгеновского излучения PETRA III немецкого синхротрона DESY, может открыть дорогу к более универсальному пониманию химии и созданию новых материалов и направлений в науке.

Международная исследовательская группа под руководством профессора Артема Оганова из Университета Стоуни Брук (государственный университет Нью-Йорк) и профессора Александра Гончарова из Института Карнеги опубликовала в издании Science статью о своем открытии в области химии. Ученые работали с поваренной солью (NaCl), которая является одним из наиболее изученных химических соединений. Соль имеет кристаллическую структуру и ее химический состав очень прост: один атом натрия (Na) и один атом хлора (Cl).

Локализация электронов в кубической структуре нового соединения NaCl₃

Однако, эксперименты показали, что простота соли наблюдается лишь при обычных условиях окружающей среды, а в услояиях экстремальных могут появляться другие соединения натрия и хлора, которые «запрещены» классическими правилами химии. Например в соответствии с правилом октета, все химические элементы стремятся заполнить их внешнюю оболочку восемью электронами, так как валентная оболочка элемента полна и наиболее устойчива, если содержит 8 электронов. В частности эта устойчивость объясняет низкую химическую активность благородных газов. Натрий имеет один дополнительный электрон, а хлору наоборот – одного не хватает, поэтому натрий отдает один электрон хлору, в результате чего оба атома с внешней оболочкой, содержащей восемь электронов, формируют сильную ионную связь. Проще говоря, в обычных условиях поваренная соль выполняет правило октета и соответствует всем правилам классической химии.

Однако, когда ученые поместили кристаллы соли в зону высокого давления (200 000 атмосфер), а затем добавили дополнительные хлор или натрий, появились «невозможные» соединения, как Na₃Cl и NaCl₃. Более того, удалось найти и другие устойчивые соединения натрия и хлора, которые считались невозможными, поскольку требуют совершенно иной формы химической связи - с более высокой энергией, а природа всегда «предпочитает» связи низкоэнергетические.

Тем не менее, ученые создали данные соединения, причем они термодинамически стабильны, то есть при высоком давлении сохраняют свои свойства долгое время, а при обычном давлении – несколько минут. Это дает более широкий взгляд на химию, более того - Артем Оганов уверен, что это начало революции в химии.

«Мы обнаружили, что при давлениях, достижимых в лаборатории, получаются новые стабильные соединения, которые противоречат классическим правилам химии, - говорит Артем Оганов. - Если применить относительно небольшое давление в 200 тыс. атмосфер (давление в центре Земли составляет 3,6 млн. атмосфер), многое из того, что мы знаем из учебников химии перестает работать».

Одной из причин таких неожиданных открытий является тот факт, что вся современная химия тесно связана с условиями окружающей среды. Но на поверхности Земли эти условия совсем не такие, как в разных уголках Вселенной. Даже под землей, на большой глубине, условия совершенно другие и там, возможно, могут работать совершенно другие законы химии. Правила химии не такие строгие, как математические теоремы, и могут быть нарушены – достаточно найти условия, пускай и фантастические, кажущиеся невозможными.

На практике это означает, что возможно создание материалов с необычными свойствами, которые кажутся на первый взгляд абсурдными. Например среди созданных командой Артема Оганова соединений есть двумерные металлы, которые проводят электричество лишь вдоль слоев материала, но не поперек. Один из материалов, Na₃Cl, имеет удивительную структуру. Он состоит из слоев NaCl и слоев чистого натрия, при этом слои NaCl выступают в качестве изоляторов, а слои чистого натрия проводят ток. Системы с подобной двумерной электропроводностью имеют большой потенциал в микроэлектронике.

Эксперименты с поваренной солью – это лишь начало длинного пути, на котором будет создано множество совершенно новых соединений. «Если даже простое химическое соединение, соль, способно превратиться в такие разнообразные вещества в условиях высокого давления, то и другие, вероятно, также на это способны, - объясняет Александр Гончаров. - Это может помочь ответить на многие важные вопросы, например, о начале развития планетарных ядер, а также поможет создать новые очень полезные материалы».

Журнал Science назвал десятку самых прорывных научных открытий года

Имуннотерапия признана прорывом года по версии Science. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1432.full

Научный журнал Science назвал десять самых значимых открытий, которые в уходящем году изменили мир. Десятка оказалась не очень оригинальной: многие исследования удостоились внимания и его конкурента — журнала Nature.

Вслед за Nature влиятельный научный журнал Science выбрал «горячую десятку» уходящего года.

И хотя в списке Nature фигурировали лица, а Science сосредоточился на научных открытиях, легко заметить, что многие направления вошли в чарты обоих журналов — мастодонтов научного мира.

Главным научным прорывом года по версии Science назван успех клинических испытаний, подтвердивший эффективность относительно нового метода лечения онкологических заболеваний.

Метод иммунотерапии предполагает натравливание иммунной системы организма на свои же клетки — те, что неожиданно начинают генетически изменяться и бесконтрольно делиться.

Давать команду «фас!» иммунитету человека могут вакцины, однако не профилактические, которые используются против туберкулеза или гриппа, а терапевтические, которые вводят уже заболевшему пациенту.

Главная задача таких вакцин — обучить иммунную систему распознавать врага. Однако первые успехи внушали опасения: не рано ли радоваться, ведь врачам до сих пор не известно окончательное воздействие препаратов? Год назад NNN рассказывал о препарате ипилимумаб, который блокирует рецептор CTLA-4. Этот рецептор служит своеобразным тормозом для Т-клеток, которые играют важную роль в формировании иммунного отклика, уничтожающего раковую опухоль.

Уходящий год оказался годом побед, которые «зацементировали» эффективность этой стратегии, считает редакция Science.

Доказательства тому — женщина с опухолью в легком размером с грейпфрут, которая спустя 13 лет после начала лечения жива и здорова; шестилетний мальчик, оказавшийся из-за лейкемии на грани жизни и смерти, который сейчас перешел в третий класс и находится в стадии ремиссии; и мужчина, у которого раковая опухоль почки продолжила уменьшаться даже после окончания терапии.

В мае в Science вышла статья о вакцине Pexa-Vec, которая одновременно уничтожает раковые клетки и вызывает образование специфических антител на раковые антигены.

После вакцинирования один пациент, с почечно-клеточным раком, прожил 76 месяцев, другой, с мелкоклеточным раком легкого, — 24,5 месяца, третий, с меланомой, — 12 месяцев.

Новейшая технология редактирования гена CRISPR (Clustered Regularly Interspased Short Palindromic Repeats) разделила симпатии редакторов Science и редакции Nature, которая накануне отметила успехи в этой области молодого нейробиолога Фэн Чжана из Массачусетского технологического института.

Эта технология, позволяющая бороться с заболеванием путем исправления гена, в уходящем году пережила бум и в плане публикаций, и в плане общественного интереса. Только за десять месяцев ей было посвящено более 50 научных статей, в которых описывались эксперименты над ДНК мышей, крыс, бактерий, дрожжей, рыбок данио, червей, фруктовых мушек и человеческих клеток.

Все это позволяет делать протеин Cas9, помогающий деактивировать, удалять и менять определенные гены. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1434.1

Технология CLARITY стала еще одним открытием года, позволившим ученым изменить пути к изучению мозга.

Ученые придумали, как сделать ткани мозга прозрачными, как стекло: для этого они заменили рассеивающие свет жирные молекулы липидов, которые образуют клеточные мембраны, на молекулы прозрачного геля. При этом им удалось оставить нейроны, другие клетки мозга и их органеллы нетронутыми. О подобной технологии просветления мозга пресса рассказывала в июне. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1434.2

Выделение стволовых клеток из клонированного человеческого эмбриона, за которое двумя днями ранее был отмечен Шухрат Миталипов, также не осталось без внимания редакции. Техника, называемая пересадкой ядер соматических клеток, применялась еще 17 лет назад для клонирования знаменитой овцы Долли.

В этом году сумели извлечь стволовые клетки из клонированного человеческого эмбриона, после того как обнаружили, какую важную роль играет кофеин, стабилизирующий молекулы яйцеклеток. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1436.1

Выращивание искусственных органов заняло свое место в десятке прорывов года. Оставленные без присмотра в чашке Петри плюрипотентные стволовые клетки могут образовать различные ткани: сокращающиеся клетки сердца, нейроны и даже волосы и зубы.

В этом году ученым удалось вырастить такие специфические мини-органы, как печень, мини-легкие и — самое выдающееся — рудиментарные ткани мозга.

Искусственные мозги, выращенные австрийскими учеными, отличаются от настоящих. В отсутствие кровоснабжения клетки мозга перестают расти, когда достигают размеров семечка яблока, и без доступа кислорода и питательных веществ погибают. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1436.2

Несмотря на то что космические лучи, проникающие сквозь толщу атмосферы, были открыты еще век назад, несколько десятилетий ученые не были до конца уверены, где они рождаются.

Благодаря космическому телескопу Fermi в этом году астрономы доказали свою догадку — местом их рождения являются вспышки сверхновых, катастрофические взрывы, которыми звезды заканчивают эволюцию. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1438.1

Еще одним общим с журналом Nature прорывом названы исследования в области создания новых фотоэлектрических систем, попросту говоря, солнечных батарей.

Несмотря на то что солнечные элементы, созданные на основе перовскита, пока отстают по эффективности от кремниевых панелей, которыми покрывают крыши по всему миру, их использование обещает сильно удешевить эти альтернативные источники энергии. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1438.2

Вошли в список ведущих открытий года и исследования, давшие наконец ответ на вопрос, зачем мы спим.

Осенью, физиологи из Рочестерского университета (США), показали, что главная функция мозга в процессе сна — вымывание из него вредных веществ и токсинов, накопившихся во время бодрствования. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1440.1

И наконец, особого внимания удостоились ученые, занявшиеся изучением того, какие из микроорганизмов, обитающих в человеческом теле, отвечают за наше здоровье или, наоборот, способны вызывать заболевания.

Изучение отдельных микробов и их влияния на здоровье — первый шаг к персонифицированной медицине. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1440.2

Так же была отмечена работа молекулярных биологов по, созданию ключевого элемента для создания вакцин против опасных детских инфекций. (Respiratory syncytial virus (RSV) ).

Учёные синтезировали антитела, которые помогут в борьбе не только с этим вирусом, но и вирусом ВИЧ. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1442.1

Исследования доказывают эффективность применения квантовых точек в солнечных батареях.

Солнечные батареи, с встроенными недорогими, нетоксичными квантовыми точками на основе меди, могут достигнуть беспрецедентной долговечности и эффективности. К такому выводу пришли исследователи национальной лаборатории в Лос-Аламосе и корпорации "Шарп" (Los Alamos National Laboratory and Sharp Corporation).

Nontoxic quantum dot research improves solar cells

Сегодня был зафиксирован самый высокий показатель работы светочувствительной солнечной батареи с квантовой точкой. Научный сотрудник лаборатории в Лос-Аламосе Хантер МакДаниэль отметил, что надежная природа устройства делает возможным коммерциализацию этой недорогой, низкотоксичной фотогальванической технологии.

Солнечные батареи, о которых идет речь, основаны на новом поколении нетоксичных квантовых точек (не содержащих ни свинца, ни кадмия). Эти точки строго оптимизированы, чтобы уменьшить потери носителя тока от поверхностных дефектов и обеспечить наиболее полный обзор солнечного спектра.

"Новые солнечные батареи были проверены в национальной лаборатории по возобнавляемой энергии (National Renewable Energy Laboratory) и продемонстрировали рекордную эффективность преобразования мощности для устройств этого типа," - заявил Виктор Климов, директор Центра Передовой Солнечной Фотофизики (CASP).

http://phys.org/news/2013-12-nontoxic-quantum-dot-solar-cells.html
Источник: Российский Квантовый Центр