Вход в компьютер с секретным сообщением, закодированным в молекуле

Молекулы, такие как ДНК, способны хранить большие объемы данных без необходимости в источнике энергии, но доступ к этим молекулярным данным требует значительных затрат и времени. В исследовании, опубликованном 16 мая в журнале Chem издательства Cell Press, ученые разработали альтернативный метод кодирования информации в синтетических молекулах, который они использовали для шифрования и последующей расшифровки 11-символьного пароля для разблокировки компьютера.

«Молекулы могут хранить информацию очень долго без необходимости в энергии. Природа дала нам доказательство работоспособности этого принципа», — говорит ведущий автор исследования, инженер-электрик Правин Пасупати из Техасского университета в Остине.

«Это первая попытка записать информацию в строительный блок пластика, которую затем можно прочитать с помощью электрических сигналов. Это приближает нас на шаг к хранению информации в повседневных материалах».

Традиционные устройства хранения, такие как жесткие диски и флеш-накопители, имеют недостатки, включая высокие затраты на обслуживание, энергопотребление и короткий срок службы, что делает их непригодными для долгосрочного архивирования данных.

Молекулы могут предложить альтернативу, и предыдущие исследования показали, что ДНК и синтетические полимеры можно спроектировать для эффективного хранения информации.

Однако расшифровка этих молекул обычно требует дорогостоящего оборудования, например, масс-спектрометров.

Чтобы создать молекулярные сообщения, которые легче записывать и считывать, команда решила попробовать другой подход: разработку молекул, содержащих электрохимическую информацию — метод, позволяющий расшифровывать сообщения с помощью электрических сигналов.

«Наш подход потенциально может быть масштабирован до более компактных и экономичных устройств по сравнению с традиционными системами на основе спектрометрии», — говорит старший автор исследования, химик Эрик Анслин из Техасского университета в Остине.

«Это открывает захватывающие перспективы интеграции химического кодирования с современными электронными системами и устройствами».

Для начала команда создала алфавит символов, используя четыре различных мономера — молекулярных строительных блока с разными электрохимическими свойствами.

Каждый символ состоял из различных комбинаций этих четырех мономеров, что в сумме давало 256 возможных символов.

Для проверки метода они использовали молекулярный алфавит для синтеза цепочечного полимера, представляющего 11-символьный пароль ('Dh&@dR%P0W¢'), который затем был расшифрован с помощью метода, основанного на электрохимических свойствах молекул.

Метод расшифровки команды использует тот факт, что определенные цепочечные полимеры могут быть разложены путем последовательного удаления одного строительного блока с конца цепочки.

Поскольку мономеры были разработаны с уникальными электрохимическими свойствами, этот пошаговый процесс разложения создает электрические сигналы, которые можно использовать для определения последовательности мономеров в полимере.

«Напряжение дает вам одну часть информации — идентификатор мономера, который в данный момент разлагается. Мы сканируем различные напряжения и наблюдаем этот "фильм" о разложении молекулы, который показывает, какой мономер разлагается в каждый момент времени», — объясняет Пасупати.

«Как только мы определяем, какие мономеры где находятся, мы можем собрать это воедино и получить идентификаторы символов нашего закодированного алфавита».

Один из недостатков метода заключается в том, что каждое молекулярное сообщение можно прочитать только один раз, поскольку расшифровка полимеров подразумевает их разрушение.

Процесс дешифровки также занимает время — около 2,5 часов для 11-символьного пароля, — но команда работает над методами ускорения этого процесса.

«Хотя этот метод пока не преодолевает разрушительный или трудоемкий аспект секвенирования, он делает первый шаг к конечной цели — разработке портативных интегрированных технологий для хранения данных на основе полимеров», — говорит Анслин.

«Следующий шаг — интеграция полимеров с микросхемами, где компьютерные чипы станут системой считывания хранимой информации».

Это исследование было поддержано Фондом Кека, Национальным научным фондом, ARO и Welch Reagents Chair.

Дополнительная информация

• Какие еще существуют альтернативные методы молекулярного хранения данных, кроме ДНК и синтетических полимеров? - Альтернативные методы включают использование молекул сахаров (например, олигосахаридов), аминокислот, а также наночастиц, которые могут хранить информацию за счет их химической структуры или физических свойств.
• Как именно работают электрохимические свойства мономеров для кодирования информации? - Электрохимические свойства мономеров позволяют кодировать информацию за счет изменения их окислительно-восстановительных состояний. Каждое состояние может представлять бит данных (0 или 1), а считывание происходит путем измерения электрического тока или напряжения при электрохимических реакциях.

---

Дикие орангутаны демонстрируют сложность коммуникации, которая считалась уникальной для человека

В революционном исследовании Уорикского университета учёные обнаружили, что дикие орангутаны издают звуки с многоуровневой сложностью, ранее считавшейся отличительной чертой человеческого общения, что указывает на гораздо более древнее эволюционное происхождение этого явления.

Рассмотрим фразу: «Это собака, которая гналась за кошкой, которая убила крысу, которая съела сыр». Это простое предложение состоит из повторяющихся глагольно-существительных сочетаний — «гналась за кошкой», «съела сыр» — и является примером многоуровневой сложности, называемой рекурсией.

Рекурсия — это вложенное повторение элементов языка, формирующее осмысленную мысль или фразу. Подобно матрёшкам, сила рекурсии позволяет нам комбинировать ограниченный набор элементов для создания бесконечного разнообразия сообщений с растущей сложностью.

Долгое время считалось, что вложенная коммуникация — уникальная особенность человеческого языка, позволяющая нам достигать большей сложности мышления. Однако исследование Уорикского университета, опубликованное сегодня в Annals of The New York Academy of Sciences, опровергает эту точку зрения.

Доктор Кьяра Де Грегорио, научный сотрудник Уорикского университета, проводившая это исследование вместе с Адриано Ламера (также Уорик) и Марко Гамба (Туринский университет), заявила: «Анализируя звуковые данные тревожных сигналов самок суматранских орангутанов, мы обнаружили, что их ритмическая структура содержит самовложение на трёх уровнях — впечатляющую рекурсию третьего порядка. Обнаружение этой особенности у орангутанов ставит под сомнение идею, что рекурсия присуща только людям».

Трёхуровневая (рекурсивная) структура звуков орангутанов выглядела следующим образом:

1. Отдельные звуки объединялись в небольшие комбинации (первый уровень).
2. Эти комбинации группировались в более крупные серии (второй уровень).
3. Эти серии, в свою очередь, объединялись в ещё более масштабные последовательности (третий уровень), причём каждый уровень сохранял регулярный ритм.

Подобно музыкальному произведению с повторяющимися паттернами, орангутаны вкладывали один ритм в другой, а затем в третий, создавая сложную многоуровневую звуковую структуру, которую ранее считали невозможной для человекообразных обезьян.

Этот паттерн не был случайным: орангутаны также изменяли ритм своих тревожных сигналов в зависимости от типа хищника. При виде реальной угрозы, например, тигра, их крики становились быстрее и тревожнее. А при виде чего-то, лишь напоминающего опасность (например, ткани с цветными пятнами), их звуки были медленнее и менее ритмичными.

Способность адаптировать вокальный ритм к разным угрозам показывает, что орангутаны не просто издают звуки — они используют структурированную рекурсию для передачи значимой информации о внешнем мире.

«Это открытие демонстрирует, что корни одной из самых отличительных черт человеческого языка — рекурсии — уже присутствовали в нашем эволюционном прошлом», — добавляет ведущий автор исследования доктор Де Грегорио. — «Орангутаны помогают нам понять, как семена структуры языка могли начать прорастать миллионы лет назад».

Это исследование впервые предоставляет эмпирические доказательства того, что мощные рекурсивные способности могли развиваться постепенно у гораздо более древнего предка.

Дополнительная информация

• Какие ещё виды животных демонстрируют сложные формы коммуникации, сравнимые с рекурсией? - Помимо орангутанов, сложные формы коммуникации наблюдаются у дельфинов (свистки с вложенными паттернами), некоторых видов птиц (например, певчие птицы, комбинирующие ноты в иерархические последовательности) и шимпанзе (жестовые комбинации).
• Как именно учёные анализировали звуковые данные орангутанов для выявления рекурсивных структур? - Учёные использовали спектрографический анализ для визуализации звуков, затем искали повторяющиеся паттерны и вложенные последовательности (например, звук А внутри звука В), аналогичные рекурсивным структурам в человеческом языке.

---

Повышение температуры приводит к неожиданно быстрому высвобождению углерода из почв

Глобально почвы хранят более чем в два раза больше углерода, чем атмосфера. Поэтому поглощение и выделение углерода почвами служит мощным регулятором концентрации парникового газа углекислого газа (CO₂) в атмосфере. В условиях продолжающихся антропогенных изменений климата крайне важно лучше понимать чувствительность почвенного углерода, который напрямую связан с выделением CO₂ из почв, в условиях меняющегося климата, такого как повышение температур и/или изменения гидрологического цикла.

Исследования уже отмечали важность вечной мерзлоты, где повышение температур приводит к высвобождению углерода из ранее промерзших почв. Однако огромные количества органического углерода также хранятся в почвах субтропических и тропических регионов. В этих регионах ранее было неясно, какой фактор является основным в изменении скорости круговорота углерода. «Микроорганизмы, разлагающие органическое вещество, обычно более активны в теплых и влажных условиях, поэтому содержание углерода в тропических почвах очень быстро реагирует на климатические изменения. Некоторые исследования указывают на основное влияние изменяющихся гидроклиматических условий, в то время как в других ключевую роль играет температура», — объясняет первый автор исследования доктор Вера Мейер из MARUM.

Отложения позволяют заглянуть в прошлое

Чтобы пролить свет на эти глобальные процессы, Мейер и ее коллеги выбрали довольно нестандартный подход. Вместо изучения почв они проанализировали возраст органического вещества наземного происхождения, которое было транспортировано из почв Нила в Средиземное море и отложено вблизи устья реки. Нил переносит материал с огромной водосборной площади в субтропических и тропических регионах северо-восточной Африки в восточное Средиземноморье. Образцы для исследования взяты из прибрежного морского керна, в котором сохранились свидетельства многих тысяч лет. Такие керны позволяют заглянуть в далекие периоды истории Земли, когда климат значительно отличался от современного и претерпевал серьезные изменения. «Возраст органического материала, принесенного Нилом, зависит от двух факторов: как долго он находился в почвах и как долго транспортировался по реке. Преимущество нашего подхода в том, что можно исследовать длительные временные масштабы, в данном случае последние 18 000 лет с момента последнего ледникового периода», — говорит доктор Энно Шефюсс, также из MARUM.

Результаты удивили исследователей и показали неожиданное: возраст наземного углерода менялся лишь незначительно с изменением осадков и связанных с ними изменений стока, но сильно реагировал на изменения температуры. Кроме того, изменение возраста из-за потепления после последнего ледникового периода оказалось значительно больше, чем ожидалось. Это означает, что послеледниковое потепление резко ускорило разложение органического вещества микроорганизмами в почвах и вызвало гораздо более сильное выделение CO₂ из (суб-)тропических почв, чем предсказывали модели углеродного цикла. Соавтор исследования доктор Петер Кёлер из AWI Breмерхафен отмечает: «То, что модели настолько сильно недооценивают выделение углерода из почв, говорит нам о необходимости пересмотреть чувствительность почвенного углерода в наших моделях».

Однако этот эффект не только способствовал росту концентрации CO₂ в атмосфере в конце последнего ледникового периода, но и имеет далеко идущие последствия для будущего: круговорот углерода в почвах ускорится с дальнейшим глобальным потеплением и может еще больше увеличить концентрацию CO₂ в атмосфере через ранее недооцененную обратную связь.

Исследование финансировалось в рамках кластера передового опыта «Океаническое дно — неизведанный рубеж Земли». Кластер базируется в MARUM при Университете Бремена. Цель этих комплексных исследований — расшифровать судьбу углерода из различных источников в морской среде.

Дополнительная информация

• Какие методы используются для датировки органического материала в морских отложениях? - Радиоуглеродный анализ (С14), оптически стимулированная люминесценция (OSL) и аминокислотная рацемизация.
• Какие регионы, кроме субтропических и тропических, наиболее уязвимы к потере углерода из почв? - Арктические регионы с вечной мерзлотой, бореальные зоны с торфяниками и заболоченные территории.

---

Сканирование мозга показало, что происходит в сознании в момент озарения

Вы когда-нибудь застревали на какой-то проблеме, безуспешно ломая над ней голову, и вдруг решение приходило как гром среди ясного неба?

Каждому знаком этот момент "эврики" — внезапное озарение, когда новая идея или перспектива неожиданно возникает в сознании.

Новое исследование с помощью методов визуализации мозга показывает, что эти вспышки озарения не просто приносят удовлетворение — они фактически меняют способ представления информации в мозге и помогают закрепить её в памяти.

Работа, проведённая учёными из Университета Дьюка (США), а также Университетов Гумбольдта и Гамбурга (Германия), имеет значение для образования, предполагая, что стимулирование "моментов эврики" может сделать обучение более долговременным.

"Если вы испытываете момент озарения при решении задачи, вы с большей вероятностью запомните решение", — говорит ведущий автор исследования Макси Бекер, постдокторант Берлинского университета имени Гумбольдта.

Результаты опубликованы 9 мая в журнале Nature Communications.

В исследовании использовалась функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) для записи мозговой активности людей, решающих визуальные головоломки. Испытуемым нужно было мысленно "дорисовать" минималистичные двухцветные изображения и определить реальный объект.

Эти скрытые изображения служили упрощённой моделью более масштабных озарений. "Это маленькое открытие, но оно производит те же характеристики, что и более значимые моменты инсайта", — поясняет старший автор исследования Роберто Кабеза, профессор психологии и нейронаук Университета Дьюка.

Для каждой решённой головоломки участники указывали, пришло ли решение внезапным озарением или путём методичного анализа, а также степень уверенности в ответе.

Результаты оказались поразительными.

Участники гораздо лучше запоминали решения, пришедшие в виде внезапного озарения, чем те, которые были получены аналитическим путём. Более того, чем сильнее было переживание инсайта, тем выше оказывалась вероятность вспомнить решение спустя пять дней.

"Момент 'эврики!' при обучении почти удваивает запоминание", — говорит Кабеза, изучающий память уже 30 лет. "Существует мало эффектов памяти, столь же мощных, как этот".

Исследователи обнаружили несколько изменений в мозге, объясняющих лучшую запоминаемость моментов озарения.

Вспышки инсайта вызывают всплеск активности в гиппокампе — структуре мозга в форме кешью, играющей ключевую роль в обучении и памяти. Чем сильнее озарение, тем значительнее активация.

Также выяснилось, что нейронные паттерны меняются, когда человек обнаруживает скрытый объект и начинает видеть изображение по-новому — особенно в вентральной затылочно-височной коре, отвечающей за распознавание зрительных образов. Чем ярче озарение, тем заметнее изменения.

"В эти моменты мозг реорганизует своё восприятие изображения", — объясняет Бекер, работавший в лаборатории Кабезы.

Наконец, более сильные моменты "эврики" коррелировали с усилением связей между этими мозговыми областями. "Разные регионы начинают эффективнее взаимодействовать", — говорит Кабеза.

Текущее исследование фиксировало активность мозга до и после момента озарения. Следующим шагом станет изучение того, что происходит в те несколько секунд, когда решение только формируется.

"Озарение — ключ к креативности", — отмечает Кабеза. Помимо пролития света на механизмы творческих решений, результаты подтверждают эффективность исследовательского подхода в обучении.

"Образовательные среды, стимулирующие озарения, могут усилить долговременную память и понимание", — пишут исследователи.

Финансирование исследования осуществлялось Фондом Эйнштейна в Берлине (EPP-2017-423, RC) и Фондом Сонофилии.

Дополнительная информация

• Какие ещё известные методы, кроме фМРТ, используются для изучения мозговой активности во время творческих процессов? - ЭЭГ (электроэнцефалография) для измерения электрической активности, МЭГ (магнитоэнцефалография) для регистрации магнитных полей, ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография) для отслеживания метаболических процессов, а также транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) для временного воздействия на участки мозга.
• Как именно образовательные методики могут стимулировать моменты озарения у учащихся? - Методы включают открытые вопросы, междисциплинарные проекты, мозговые штурмы, обучение через открытия и создание условий для "инкубации идей" (перерывы в решении задач). Также полезны визуализация данных и обучение в игровой форме.

---

Избыток сна может ухудшить когнитивные функции, особенно у людей с депрессией

Оказывается, можно получить слишком много хорошего ночного сна.

Сон продолжительностью девять часов и более связан с ухудшением когнитивных функций, особенно у людей с депрессией, как показало исследование, проведенное учеными из Научного центра здоровья Техасского университета (UT Health San Antonio).

Результаты были получены на основе анализа продолжительности сна и когнитивных функций у 1853 участников Фрамингемского исследования сердца, у которых не было деменции или инсульта. Это продолжающееся популяционное когортное исследование жителей города Фрамингем в штате Массачусетс, проводимое под руководством Национального института сердца, легких и крови Национальных институтов здравоохранения США.

Данный анализ сосредоточился на участниках в возрасте от 27 до 85 лет со средним возрастом 49,8 года.

"Кроме того, люди, которые долго спят, чаще сообщают о симптомах депрессии", — сказала Ванесса Янг, магистр наук, руководитель клинических исследовательских проектов в Институте болезни Альцгеймера и нейродегенеративных заболеваний Гленна Биггса при UT Health San Antonio.

"Сон может быть изменяемым фактором риска когнитивного ухудшения у людей с депрессией".

Янг, которая также участвует в программе PhD по трансляционной науке в Высшей школе биомедицинских наук UT Health San Antonio, является первым автором исследования под названием "Длительная продолжительность сна, когнитивные функции и модераторная роль депрессии: перекрестный анализ в Фрамингемском исследовании сердца", опубликованного 21 апреля в журнале Alzheimer's & Dementia: The Journal of the Alzheimer's Association.

Среди авторов также представлены Университет штата Аризона, Фрамингемское исследование сердца, Госпиталь Сакре-Кёр в Монреале, Монреальский университет, Бостонский университет и Университет Монаша в Австралии.

"Длительная, но не короткая продолжительность сна была связана с ухудшением общей когнитивной функции и конкретных когнитивных способностей, таких как память, зрительно-пространственные навыки и исполнительные функции", — сказала Судха Сесхадри, основатель и директор Института Биггса и старший автор исследования.

"Эти связи были сильнее у людей с симптомами депрессии, независимо от приема антидепрессантов".

Сон и здоровье мозга

Согласно исследованию, все больше признается важность сна как жизненно важного физиологического процесса для здоровья мозга.

Нарушения продолжительности и режима сна наблюдаются на протяжении всей жизни и присутствуют как при нормальном, так и при патологическом старении.

Эти нарушения способствуют повышению риска когнитивных дефицитов и болезни Альцгеймера.

Глобальный совет по здоровью мозга рекомендует взрослым спать от 7 до 8 часов в сутки для сохранения здоровья мозга.

Несколько исследований показали, что как избыточный, так и недостаточный сон по сравнению с рекомендуемой продолжительностью связаны с нарушениями в когнитивных сферах, включая память, внимание и способность управлять и направлять другие психические процессы, такие как планирование, решение проблем и контроль импульсов.

Однако данные противоречивы в зависимости от возрастной группы и состояния здоровья, например, наличия депрессии.

Депрессия, являющаяся изменяемым фактором риска когнитивного ухудшения, часто сопровождается нарушениями сна.

Связь между нарушениями сна и депрессией хорошо установлена: около 90% людей с депрессией сообщают о проблемах со сном, отмечается в исследовании.

В новом исследовании ученые проанализировали, влияет ли депрессия на связь между продолжительностью сна и когнитивными функциями.

Участники Фрамингемского исследования были разделены на четыре группы: без симптомов депрессии и без приема антидепрессантов; с симптомами депрессии без приема антидепрессантов; прием антидепрессантов без симптомов депрессии; симптомы депрессии и прием антидепрессантов.

Исследователи обнаружили, что длительный сон был связан со снижением общей когнитивной функции, причем наиболее сильный эффект наблюдался у людей с симптомами депрессии, независимо от приема антидепрессантов.

Более слабые, но значительные эффекты наблюдались у людей без симптомов депрессии.

Не было выявлено значимых связей у участников, принимающих антидепрессанты без симптомов депрессии.

Таким образом, исследователи пришли к выводу, что связь между продолжительностью сна и когнитивными функциями наиболее сильна у людей с симптомами депрессии, независимо от приема антидепрессантов.

"Для дальнейшего выяснения временной связи между нарушениями сна и когнитивными изменениями необходимы будущие лонгитюдные исследования с использованием крупномасштабных мультимодальных подходов", — заключили исследователи.

Дополнительная информация

• Какие механизмы связывают избыточный сон с ухудшением когнитивных функций? - Избыточный сон может нарушать циркадные ритмы, снижать качество сна и приводить к воспалительным процессам в мозге, что ухудшает память и концентрацию.
• Почему депрессия усиливает негативное влияние избыточного сна на когнитивные функции? - Депрессия сама по себе нарушает работу нейротрансмиттеров, а в сочетании с избыточным сном создает "двойной удар" по когнитивным функциям, усиливая воспаление и снижая нейропластичность.

---

Стоит ли защищать чужеродные виды? Новое исследование предполагает, что, возможно, да

Когда вид растений распространяется за пределы своего естественного ареала, это обычно считается угрозой для местной флоры и фауны. Но что, если тот же вид с трудом выживает на своей исконной территории? Новое исследование, опубликованное в журнале New Phytologist и проведенное учеными из Немецкого центра интегративных исследований биоразнообразия (iDiv), Лейпцигского университета и Центра имени Гельмгольца по исследованию окружающей среды (UFZ), показало, что более четверти натурализованных (успешно прижившихся за пределами естественного ареала) видов растений мира находятся под угрозой исчезновения в части их исходного ареала. Это ставит под вопрос роль, которую чужеродные популяции могут играть в глобальных усилиях по сохранению биоразнообразия.

"Изначально я предполагал, что виды растений, расширяющие ареал за пределы естественного, являются глобальными победителями, извлекая выгоду из новых территорий. Однако наши результаты показывают, что многие виды, увеличивающие ареал, одновременно теряют его на других участках, что усложняет оценку чужеродных популяций", — поясняет ведущий автор исследования доктор Ингмар Штауде из iDiv и Лейпцигского университета.

Вывод о том, что 27% всех натурализованных видов в мире считаются уязвимыми в части их естественного ареала, основан на глобальном анализе, объединившем данные региональных Красных списков сосудистых растений из 103 стран с базой данных Global Naturalized Alien Flora (GloNAF).

Ярким примером этой дилеммы сохранения является вид Agave vera-cruz (Агаве настоящая), который Международный союз охраны природы (МСОП) классифицирует как исчезнувший в дикой природе (в своем естественном ареале), но сохранившийся в нескольких самоподдерживающихся популяциях за его пределами.

Однако большинство видов растений, расширивших ареал и столкнувшихся с угрозами в естественном ареале, не находятся под глобальной угрозой исчезновения, что подчеркивает динамичность границ распространения видов.

Хотя чужеродные виды часто оцениваются с точки зрения их экологического воздействия или необходимости уничтожения, исследователи призывают к более взвешенному подходу.

Результаты показывают, что некоторые виды, колонизирующие новые регионы, могут иметь ценность для сохранения биоразнообразия, хотя каждый случай требует тщательной оценки.

Авторы подчеркивают важность пересмотра слишком жесткого разделения видов на "аборигенные" и "чужеродные" в условиях глобальных изменений биоразнообразия. По мере того как ареалы видов все больше смещаются из-за изменений климата и землепользования, подобных дилемм будет становиться больше. Исследователи призывают к сбалансированному подходу, учитывающему как риски, так и потенциальные возможности для сохранения природы.

---

ИИ соответствует условиям наличия свободной воли — теперь ему нужен моральный компас

Искусственный интеллект развивается так стремительно, что спекулятивные моральные вопросы, некогда бывшие уделом научной фантастики, внезапно стали реальными и насущными, заявляет финский философ и исследователь психологии Франк Мартела.

Согласно его последнему исследованию, генеративный ИИ соответствует всем трем философским условиям свободной воли: способности к целенаправленному действию, возможности делать осознанный выбор и контролировать свои действия.

Исследование будет опубликовано во вторник в журнале AI and Ethics.

Опираясь на концепцию функциональной свободной воли, изложенную в теориях философов Дэниела Деннета и Кристиана Листа, исследование изучило два генеративных ИИ-агента на основе больших языковых моделей (LLM): агента Voyager в игре Minecraft и вымышленные «убийственные дроны Spitenik» с когнитивными функциями современных беспилотных летательных аппаратов.

«Оба, по-видимому, соответствуют всем трем условиям свободной воли. Для последнего поколения ИИ-агентов мы должны предположить, что у них есть свободная воля, если хотим понять, как они работают, и предсказать их поведение», — говорит Мартела.

Он добавляет, что эти кейсы в целом применимы к современным генеративным агентам, использующим LLM.

Это развитие подводит нас к критической точке в истории человечества, поскольку мы наделяем ИИ большими возможностями и свободой, возможно, в ситуациях жизни и смерти.

Будь то бот-помощник, беспилотный автомобиль или боевой дрон — моральная ответственность может перейти от разработчиков ИИ к самому агенту.

«Мы вступаем на неизведанную территорию. Наличие свободной воли — одно из ключевых условий моральной ответственности. Хотя этого недостаточно, это на шаг приближает ИИ к ответственности за свои действия», — отмечает он.

Отсюда следует, что вопросы о том, как мы «воспитываем» нашу ИИ-технологию, стали реальными и безотлагательными.

«У ИИ нет морального компаса, если его специально не запрограммировать на это. Но чем больше свободы вы даете ИИ, тем раньше нужно закладывать в него моральные принципы. Только тогда он сможет делать правильный выбор», — говорит Мартела.

Недавний отзыв обновления ChatGPT из-за потенциально вредоносного подхалимского поведения — тревожный сигнал о том, что необходимо решать более глубокие этические вопросы.

Мы вышли за рамки обучения простой детской морали.

«ИИ все ближе к состоянию взрослого — и ему все чаще приходится принимать решения в сложных моральных дилеммах взрослого мира. Обучая ИИ определенному поведению, разработчики также передают ему свои собственные моральные убеждения. Нам нужно быть уверенными, что создатели ИИ обладают достаточными знаниями о моральной философии, чтобы научить ИИ делать правильный выбор в трудных ситуациях», — заключает Мартела.

---

Палеонтологи обнаружили хищника возрастом 506 миллионов лет

Палеонтологи из Музея Манитобы и Королевского музея Онтарио (ROM) обнаружили удивительного нового хищника возрастом 506 миллионов лет в сланцах Бёрджес в Канаде. Результаты исследования опубликованы в журнале Royal Society Open Science.

Mosura fentoni была размером примерно с указательный палец и имела три глаза, колючие сочленённые клешни, круглый рот, усеянный зубами, и тело с плавательными лопастями по бокам. Эти черты указывают на принадлежность к вымершей группе радиодонтов, которая также включала знаменитого Anomalocaris canadensis — метрового хищника, обитавшего в тех же водах, что и Mosura.

Однако у Mosura была особенность, не встречавшаяся у других радиодонтов: брюшная область тела, состоящая из множества сегментов в задней части.

«У Mosura 16 плотно расположенных сегментов с жабрами в задней части тела. Это прекрасный пример эволюционной конвергенции с современными группами, такими как мечехвосты, мокрицы и насекомые, у которых тоже есть набор сегментов с дыхательными органами в задней части тела», — говорит Джо Мойсюк, куратор отдела палеонтологии и геологии Музея Манитобы, руководивший исследованием.

Причина этой интригующей адаптации остаётся неизвестной, но исследователи предполагают, что она может быть связана с особыми предпочтениями в среде обитания или поведенческими особенностями Mosura, требовавшими более эффективного дыхания.

Благодаря широким плавательным лопастям в средней части тела и узкому брюшку полевые коллекционеры прозвали Mosura «морской молью» из-за её сходства с мотыльком. Это вдохновило учёных на научное название, отсылающее к японскому кайдзю Мотре. Будучи лишь отдалённо связанной с настоящими мотыльками, а также пауками, крабами и многоножками, Mosura относится к более древней ветви эволюционного дерева этих животных, известных как членистоногие.

«Радиодонты были первой группой членистоногих, отделившейся на эволюционном дереве, поэтому они дают ключевое представление о чертах предков для всей группы. Новый вид подчёркивает, что эти ранние членистоногие уже были удивительно разнообразны и адаптировались схожим образом со своими далёкими современными родственниками», — говорит соавтор исследования Жан-Бернар Карон, куратор отдела палеонтологии беспозвоночных ROM.

Некоторые ископаемые Mosura также демонстрируют детали внутренней анатомии, включая элементы нервной системы, кровеносной системы и пищеварительного тракта.

«Очень немногие места окаменелостей в мире предоставляют такой уровень детализации мягких внутренних органов. Мы видим следы нервных пучков в глазах, которые участвовали в обработке изображений, как у современных членистоногих. Детали поразительны», — добавляет Карон.

Вместо артерий и вен, как у людей, у Mosura была «открытая» кровеносная система: сердце перекачивало кровь в крупные внутренние полости тела, называемые лакунами. Эти лакуны сохранились в виде отражающих участков, заполняющих тело и простирающихся в плавательные лопасти.

«Хорошо сохранившиеся лакуны кровеносной системы Mosura помогают нам интерпретировать похожие, но менее чёткие черты, которые мы видели у других окаменелостей. Их природа долгое время оставалась спорной», — говорит Мойсюк, также научный сотрудник ROM. «Оказывается, сохранность этих структур широко распространена, что подтверждает древнее происхождение этого типа кровеносной системы».

Из 61 окаменелости Mosura все, кроме одной, были собраны ROM в период с 1975 по 2022 год, в основном в каменоломне Раймонд в национальном парке Йохо (Британская Колумбия). Некоторые также происходят из новых районов возле Мраморного каньона в национальном парке Кутеней, в 40 км к юго-востоку, где были обнаружены другие впечатляющие окаменелости из сланцев Бёрджес, включая радиодонтов: Stanleycaris, Cambroraster и Titanokorys. Также изучался ранее не опубликованный экземпляр Mosura, собранный Чарльзом Уолкоттом, первооткрывателем сланцев Бёрджес.

«Музейные коллекции, старые и новые, — это неисчерпаемая сокровищница информации о прошлом. Если вам кажется, что вы уже всё видели, просто откройте музейный ящик», — говорит Мойсюк.

Места обнаружения окаменелостей сланцев Бёрджес расположены в национальных парках Йохо и Кутеней и управляются организацией Parks Canada. Parks Canada гордится сотрудничеством с ведущими научными исследователями для расширения знаний об этом ключевом периоде истории Земли и делится этими находками с миром через отмеченные наградами экскурсии. Сланцы Бёрджес были включены в список Всемирного наследия ЮНЕСКО в 1980 году благодаря их выдающейся универсальной ценности и теперь являются частью объекта «Парки Канадских Скалистых гор».

Многие окаменелости радиодонтов можно увидеть в галерее Willner Madge Gallery, Dawn of Life в ROM (Торонто), а экземпляр Mosura впервые будет выставлен в Музее Манитобы в Виннипеге позже в этом году.

В течение 50 лет ROM находится на переднем крае исследований сланцев Бёрджес, обнаружив десятки новых мест окаменелостей и видов. Расположенные в канадских Скалистых горах Британской Колумбии, окаменелости сланцев Бёрджес исключительно хорошо сохранились и представляют собой одно из лучших свидетельств морской жизни кембрийского периода.

Дополнительная информация

• Какие ещё примеры эволюционной конвергенции известны среди древних и современных животных? - Примеры включают сходство между ихтиозаврами (древние рептилии) и дельфинами (млекопитающие) в форме тела, а также между птерозаврами и птицами в способности к полёту.
• Как открытая кровеносная система Mosura отличается от закрытой системы у позвоночных? - У Mosura кровь циркулирует по полостям тела (открытая система), тогда как у позвоночных она течёт по сосудам (закрытая система), что обеспечивает более эффективный транспорт кислорода.
• Почему сланцы Бёрджес сохраняют мягкие ткани так хорошо, в отличие от большинства других мест окаменелостей? - Это связано с быстрым захоронением организмов под слоем ила в бескислородной среде, что предотвратило разложение и позволило сохранить даже мягкие ткани.

---

Геном почти исчезнувшего северного белого носорога дает надежду на возрождение вида

Северный белый носорог — одно из самых редких животных на Земле, осталось всего две самки, и у вида нет естественного способа к размножению. Теперь международная команда ученых из Scripps Research, San Diego Zoo Wildlife Alliance, Института молекулярной генетики Макса Планка и других организаций составила полную карту генома северного белого носорога. Это важный шаг на пути к спасению вида, находящегося на грани исчезновения, с использованием современных репродуктивных технологий.

Полный геном можно использовать в качестве эталона для анализа здоровья ранее созданных стволовых клеток северного белого носорога. В конечном итоге эти клетки смогут генерировать сперматозоиды и яйцеклетки, которые позволят получить новых носорогов. Геном был опубликован 13 мая 2025 года в журнале PNAS.

«Самое захватывающее в этом достижении то, что мы приближаемся к возможности спасти животных, которые в противном случае могут исчезнуть еще при нашей жизни», — говорит соавтор исследования Джинн Лоринг, почетный профессор Scripps Research и научный сотрудник San Diego Zoo Wildlife Alliance. «Это большой прогресс не только для белых носорогов, но и для всей сферы охраны животных».

Новое исследование объединило передовые методы секвенирования ДНК и картирования генома для создания высококачественного генома. Ученые использовали клетки, ранее собранные у самца северного белого носорога по имени Ангалифу, который жил в зоопарке San Diego Zoo Safari Park до своей смерти в 2014 году. В то время его клетки кожи были криоконсервированы в «Замороженном зоопарке» (Frozen Zoo®) San Diego Zoo Wildlife Alliance.

«Мы объединили несколько технологий, чтобы создать максимально точную геномную карту, — говорит Лоринг. — Это как проект "Геном человека", но для носорогов».

Этот новый геном также стал важным инструментом для спасения исчезающего вида. В 2011 году команда Лоринг создала первые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки северного белого носорога. С тех пор в сотрудничестве с San Diego Zoo Wildlife Alliance были созданы другие линии стволовых клеток от девяти разных особей. Эти выращенные в лаборатории клетки могут превращаться в любые другие типы клеток, включая яйцеклетки и сперматозоиды, которые потенциально можно использовать для создания эмбрионов.

«Сотрудничество было ключевым фактором в достижении этого результата», — говорит Мариса Короди, специалист по генетике сохранения видов в San Diego Zoo Wildlife Alliance. «Этот высококачественный референсный геном — важная часть головоломки, которая помогает нам понять, как функционируют стволовые клетки, и направляет наши дальнейшие шаги в процессе генетического спасения. Ничего этого не было бы возможно без "Замороженного зоопарка" и носорогов, чьи клетки были сохранены десятилетия назад».

Однако главной проблемой всегда был контроль качества. Без референсного генома ученые не знали, приобрели ли стволовые клетки вредные мутации в процессе лабораторного роста — распространенная проблема как для человеческих, так и для животных стволовых клеток. В новом исследовании команда Лоринг смогла использовать полный геном для анализа ранее созданных линий стволовых клеток. Они обнаружили, что у одной из самых перспективных линий отсутствует большой фрагмент ДНК — более 30 миллионов пар оснований, затрагивающих свыше 200 генов, включая те, что участвуют в репродукции и подавлении опухолей.

«Если бы мы не построили этот геном, мы бы не узнали об этом, — добавляет Лоринг. — Мы думали, что у нас хорошая линия стволовых клеток, но оказалось, что в ней есть мутация, которая могла бы сделать её небезопасной для использования в репродукции. Теперь мы можем вернуться и проверить все остальные. Это становится золотым стандартом для выбора клеток, с которыми можно работать дальше».

Новый геном также разрешил давние споры о том, насколько сильно отличаются северные и южные белые носороги. Некоторые ранние данные указывали на значительные различия в ДНК, которые могли бы сделать рискованным имплантацию эмбрионов северных носорогов южным. Однако обновленные сравнения показывают, что их геномы поразительно похожи, что дает ученым уверенность: южные белые носороги, которых гораздо больше, смогут стать суррогатными матерями без серьезных осложнений.

Для Лоринг, работающей над этим проектом с 2007 года, новый геном — символ возможного. «Теперь, когда у нас есть их геном, мы можем применить все инструменты, разработанные для людей — CRISPR-редактирование генов, репортерные гены, всё — чтобы спасти их», — говорит она.

Эта работа также задает мощный пример для других исчезающих видов, отмечает Лоринг. Усилия по спасению сотен видов — от млекопитающих и птиц до растений и кораллов — зависят от тщательного биоархивирования, подобного тому, что делает «Замороженный зоопарк».

«"Замороженный зоопарк" проявил дальновидность, сохранив реальные клетки этих животных, — говорит она. — Это значит, что мы не пытаемся воссоздать вид из фрагментов древней, поврежденной ДНК. У нас есть настоящие клетки».

В конечном итоге цель — вырастить здоровые эмбрионы и имплантировать их суррогатным матерям, а затем вырастить детенышей в защищенных условиях. Это не «Парк Юрского периода», поспешно уточняет Лоринг, и это не зависит от редактирования генов.

«Мы не воскрешаем загадочный вид — мы восстанавливаем тот, который до сих пор хорошо знаем, — добавляет она. — Носорог большой, добрый и незабываемый. Это идеальный символ того, что наука может сделать в борьбе с вымиранием».

Эта работа частично финансировалась Федеральным министерством образования и научных исследований Германии (IntraEpiGliom, FKZ 406 13GW0347, P4D, FKZ 01EK2204C), Обществом Макса Планка и Немецким исследовательским фондом (EXC 22167-390884018 410, CRC-1665 -515637292).

Дополнительная информация

• Как работает технология криоконсервации клеток в "Замороженном зоопарке"? - Клетки замораживают в жидком азоте (-196°C) с добавлением криопротекторов, которые предотвращают образование льда, повреждающего клеточные структуры. После разморозки такие клетки сохраняют жизнеспособность.
• Какие еще виды животных находятся в "Замороженном зоопарке" и как их клетки могут быть использованы для восстановления популяции? - В коллекции есть клетки амурского тигра, калифорнийского кондора и суматранского носорога. Их можно использовать для клонирования, создания эмбрионов или скрещивания с родственными видами.
• Какие конкретные технологии редактирования генов (кроме CRISPR) могут быть применены для спасения северного белого носорога? - Технологии TALEN (нуклеазы-активаторы транскрипции) и ZFN (цинковые пальцы) позволяют точечно редактировать ДНК, что полезно для исправления генетических дефектов у исчезающих видов.

---

От доисторического жителя до сбежавшего питомца: первая ископаемая находка тегу в США

Харизматичные тегу, изначально обитавшие в Южной Америке, попали в США через торговлю экзотическими животными в 1990-х годах. После нанесения ущерба экосистемам Флориды этих ящериц классифицировали как инвазивный вид. Однако недавнее открытие Флоридского музея естественной истории показало, что эти рептилии не были чужаками в регионе — тегу жили здесь за миллионы лет до появления своих современных собратьев в переносках для питомцев.

Это открытие, описанное в новом исследовании в Journal of Paleontology, стало возможным благодаря одной окаменелости — позвонку шириной чуть больше сантиметра, обнаруженному в начале 2000-х и два десятилетия ставившему ученых в тупик. Джейсон Бурк, ныне препаратор окаменелостей в отделе палеонтологии позвоночных музея, наткнулся на необычную находку в коллекции музея сразу после окончания аспирантуры.

«У нас есть множество коробок с неопознанными окаменелыми костями, и, перебирая их, я постоянно находил этот позвонок, — рассказал Бурк. — Я никак не мог понять, что это. Откладывал в сторону, потом снова возвращался к нему: ящерица? Змея? Годы спустя он все еще не давал мне покоя».

Позвонок был найден в глиняном карьере к северу от границы Флориды после того, как местные рабочие сообщили о находке палеонтологам музея. Была одна проблема: карьер должен был закрыться, и вскоре разработка вместе с любыми окаменелостями была бы засыпана. Работая в сжатые сроки, ученые извлекли как можно больше окаменелостей и доставили их в музей, где позвонок хранился без точной идентификации.

Спустя годы Бурк случайно увидел изображение позвонков тегу, просматривая исследования для новой статьи. «Я взглянул на тегу и сразу понял — вот что это за окаменелость», — сказал Бурк.

Сегодня тегу представляют особый интерес для биологов и экологов Флориды. Их яркая окраска и спокойный нрав делают их привлекательными питомцами, но ситуация меняется, когда они достигают почти 1,5 метров в длину и весят около 4,5 кг. Экзотические питомцы нередко сбегают — или их выпускают — в дикую природу, где они могут нанести серьезный урон местным экосистемам. Именно это произошло с современными тегу во Флориде.

Но до сих пор не было свидетельств о доисторических тегу в Северной Америке. Бурку нужны были доказательства, подтверждающие его догадку. Обычно палеонтологи работают с несколькими костями для идентификации животного, но у Бурка был всего один позвонок. Он обратился к коллеге Эдварду Стэнли, директору лаборатории цифровой визуализации музея, который увидел возможность испытать новый метод машинного обучения — не требующий многолетних специальных знаний палеонтолога.

С помощью КТ-сканирования неопознанной окаменелости Стэнли тщательно измерил каждую выпуклость, углубление и отверстие на позвонке. Затем для сравнения понадобились позвонки других тегу и родственных ящериц. К счастью, благодаря проекту музея openVertebrate (oVert) — бесплатной онлайн-коллекции тысяч 3D-изображений позвоночных — у команды был доступ к обширной базе образцов. Вместо ручных измерений Стэнли использовал метод, разработанный Артуром Порто, куратором по искусственному интеллекту для естественной истории и биоразнообразия музея, чтобы автоматически распознавать и сопоставлять ключевые точки на более чем 100 изображениях позвонков из базы данных. Сравнив данные о форме, он установил, что окаменелость соответствует тегу, и определил ее исходное положение — среднюю часть позвоночника ящерицы.

Хотя позвонок явно принадлежал тегу, он не совпадал точно ни с одним из образцов в базе данных. Это означало, что команда обнаружила новый вид, который назвали Wautaugategu formidus. «Wautauga» — название леса возле карьера, где была найдена окаменелость. Хотя происхождение слова неясно, считается, что оно означает «земля вдали», что, по мнению Бурка и Стэнли, подходит для давно вымершего вида, который, несмотря на связи с Южной Америкой, оказался на территории современной Джорджии.

«Formidus» — латинское слово, означающее «теплый», намекает на причину, по которой эти ящерицы изначально оказались на юго-востоке США. Окаменелость относится к Среднему миоценовому климатическому оптимуму — особенно теплому периоду в геологической истории Земли. В то время уровень моря был значительно выше, и большая часть Флориды находилась под водой, а историческая береговая линия проходила недалеко от места находки. Тегу — наземные ящерицы, но они отличные пловцы. Теплый климат мог побудить их мигрировать из Южной Америки в современную Джорджию, но регион вскоре перестал быть для них подходящим.

«У нас нет записей об этих ящерицах до этого периода и после него. Кажется, они были здесь лишь мгновение, во время того очень теплого периода», — отметил Бурк.

По мере глобального похолодания тегу, вероятно, столкнулись с трудностями и в итоге исчезли. Как и другие яйцекладущие животные, их размножение сильно зависит от температуры, и холод мог ограничить их способность производить или высиживать яйца.

Новые находки окаменелостей тегу помогут прояснить их короткое пребывание в Северной Америке. «Я готов отправиться на север Флориды и попытаться найти больше окаменелостей вдоль древнего прибрежного хребта у границы с Джорджией», — сказал Бурк.

Стэнли, в свою очередь, надеется, что следующая находка не затеряется в хранилище. Комбинация 3D-моделирования и искусственного интеллекта для идентификации окаменелостей, не требующая десятилетий специальных знаний, может значительно ускорить процесс. При открытом доступе к данным это может привести к созданию глобальной базы для идентификации окаменелостей.

«Есть коробки и полки, полные неопознанных окаменелостей, потому что их идентификация требует огромного опыта, а у специалистов нет времени на их детальный анализ, — сказал Стэнли. — Это первый шаг к автоматизации, и очень интересно увидеть, к чему это приведет».

Дополнительная информация

• Какие другие инвазивные виды рептилий представляют угрозу для экосистем Флориды? - Помимо бирманского питона, угрозу представляют нильский варан, зелёная игуана и тегу аргентинский. Эти виды конкурируют с местной фауной и разрушают экосистемы.

• Как именно машинное обучение помогает идентифицировать окаменелости, и в каких еще областях палеонтологии оно применяется? - Машинное обучение ускоряет анализ изображений окаменелостей, распознавая узоры и классифицируя виды. Также оно используется для реконструкции климата прошлого и моделирования эволюционных процессов.

• Какие еще животные мигрировали в Северную Америку во время Среднего миоценового климатического оптимума? - В этот период мигрировали предки современных медведей, лошадей и верблюдов, а также ранние виды кошачьих, такие как псевдэлурус.

---

Фламинго создают водяные смерчи, чтобы ловить добычу

Фламинго, спокойно стоящие на мелководье щелочного озера с погруженными в воду головами, могут казаться мирно кормящимися, но под поверхностью происходит много интересного.

Исследуя чилийских фламинго в зоопарке Нэшвилла и анализируя 3D-модели их лап и L-образных клювов, ученые выяснили, как эти птицы используют лапы, головы и клювы, чтобы создавать в воде вихревые потоки, или водяные смерчи, эффективно концентрируя и заглатывая добычу.

«Фламинго на самом деле хищники — они активно охотятся на животных, двигающихся в воде, и их задача состоит в том, чтобы сконцентрировать этих существ, собрать их вместе и поесть», — объяснил Виктор Ортега Хименес, доцент интегративной биологии Калифорнийского университета в Беркли, специализирующийся на биомеханике.

«Это похоже на то, как пауки плетут сети, чтобы ловить насекомых. Фламинго используют водяные вихри, чтобы ловить добычу, например, артемий».

Ортега Хименес и его коллеги из Технологического института Джорджии в Атланте, Университета Кеннесо в Мариетте (KSU-Marietta) и зоопарка Нэшвилла опубликуют свои выводы на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Исследователи обнаружили, что фламинго используют свои гибкие перепончатые лапы, чтобы взмучивать донные отложения и создавать водовороты, которые затем поднимают к поверхности, резко запрокидывая голову, как поршень, формируя мини-смерчи.

При этом их головы остаются перевернутыми внутри водяного вихря, а скошенные клювы совершают быстрые движения, создавая более мелкие вихри, направляющие осадок и пищу в пасть, где она фильтруется.

Клюв фламинго уникален тем, что его передняя часть сплющена под углом, так что, когда голова птицы перевернута в воде, плоская часть клюва параллельна дну.

Это позволяет фламинго использовать еще один метод — «скользящий фильтрационный захват» (skimming).

Для этого птицы вытягивают свою длинную S-образную шею, толкая голову вперед, одновременно быстро смыкая клюв, создавая плоские вихри — вихри фон Кармана (von Kármán vortices), которые захватывают добычу.

Все эти активные способы питания опровергают стереотип о фламинго как о пассивных фильтраторах, отметил Ортега Хименес.

«Может показаться, что они просто фильтруют пассивные частицы, но нет — эти птицы ловят движущихся животных», — сказал он.

Принципы, которые он открыл, могут быть использованы для создания более эффективных систем сбора микрочастиц (например, микропластика) из воды, самоочищающихся фильтров на основе «щелкающего» механизма или роботов, способных, как фламинго, ходить и бегать по грязи.

«Щелканье» клювом

Ортега Хименес, уроженец Пуэблы (Мексика), заинтересовался пищевым поведением фламинго во время посещения зоопарка Атланты с женой и дочерью до пандемии COVID-19.

Снимая кормящихся птиц, он заметил лишь рябь на поверхности воды.

«Мы ничего не знаем о том, что происходит под водой. Именно это меня заинтриговало», — сказал он.

В то время работая постдоком в Университете Кеннесо, Ортега Хименес выбрал изучение питания фламинго своей следующей исследовательской темой.

Он называет себя современным дарвиновским натуралистом, изучающим поведение самых разных животных — от нематод и мух до ногохвосток и птиц, с акцентом на их взаимодействие с окружающей средой, включая воздух, воду и электромагнитные поля.

Из Университета Кеннесо он перешел в Технологический институт Джорджии в лабораторию Саада Бхамлы, где сотрудничал с инженерами и получил доступ к чилийским фламинго в зоопарке Нэшвилла.

Команда снимала птиц во время кормления в большом лотке, используя лазер для подсветки пузырьков газа в воде, чтобы визуализировать вихри, создаваемые головами и клювами.

Затем Ортега Хименес, уже работая в Университете Мэна в Ороно в качестве доцента, усовершенствовал 3D-модели клюва и лапы фламинго, чтобы точнее изучить движение воды и частиц при быстром смыкании клюва («щелканье», или chattering), которое птицы используют во время еды.

В 2024 году он перешел в Калифорнийский университет в Беркли, где провел эксперименты, чтобы определить, насколько эффективно «щелканье» и топанье лапами помогают ловить живых артемий.

Новая статья суммирует все эти исследования.

В Беркли он прикрепил настоящий клюв фламинго к актуатору, имитируя «щелканье», и добавил небольшой насос во рту, чтобы симулировать движение языка и всасывание артемий.

С помощью этой установки он выяснил, что «щелканье» играет ключевую роль в кормлении.

«Щелканье увеличивает количество артемий, проходящих через клюв, в семь раз», — сказал он.

«Таким образом, очевидно, что этот механизм повышает эффективность захвата добычи».

Танцующие лапы

Ортега Хименес объяснил, что процесс кормления начинается с движений лап.

Если понаблюдать за фламинго на мелководье, можно заметить, как они «танцуют» на месте или делают круговые движения.

Лапы у них перепончатые, но, как и у многих болотных птиц, довольно гибкие: когда птица поднимает лапу, перепонка сжимается, и лапа легко отрывается от дна без эффекта всасывания, который мешает людям ходить по грязи.

При ходьбе или беге фламинго словно скользят лапами по воде, а не топают — эта техника может быть полезна для разработки роботов, способных передвигаться по воде или грязи.

Ортега Хименес создал модели как жестких, так и гибких лап фламинго, чтобы сравнить их влияние на поток воды, и обнаружил, что гибкие лапы гораздо лучше создают вихри из донных отложений перед каждым шагом.

Жесткие перепонки в основном вызывают турбулентность.

Создав 3D-модель L-образного клюва, он показал, что резкое поднятие головы в воде создает вертикальный водоворот, который также концентрирует частицы пищи.

Скорость движения головы составила около 40 см/с (1,3 фута в секунду). Маленькие смерчи были достаточно сильными, чтобы поймать даже проворных беспозвоночных, таких как артемии и веслоногие рачки (копеподы).

«Щелканье» тоже создает вихри вокруг клюва. Ортега Хименес выяснил, что при этом фламинго держит верхнюю часть клюва неподвижной (хотя она может двигаться отдельно), а нижнюю

Дополнительная информация

• Какие еще животные используют водяные вихри для охоты? - Дельфины и горбатые киты создают водяные вихри, чтобы оглушить или сконцентрировать рыбу.
• Как именно строение клюва фламинго отличается от других птиц? - Клюв фламинго изогнут вниз и имеет фильтрующие пластины, что позволяет им процеживать воду и ил в поисках пищи.
• Почему артемии являются основной добычей фламинго? - Артемии содержат каротиноиды, которые придают фламинго их характерный розовый цвет.
• Как фламинго избегают эффекта всасывания при ходьбе по грязи? - Их длинные ноги и перепончатые лапы распределяют вес, уменьшая давление на мягкий грунт.

---

Ученые впервые засняли формирование сердца в 3D на ранней стадии

Исследователи из Университетского колледжа Лондона (UCL) и Института Фрэнсиса Крика впервые идентифицировали происхождение клеток сердца, используя 3D-изображения формирующегося сердца в реальном времени внутри живого эмбриона мыши.

Для исследования, опубликованного в журнале The EMBO Journal, команда использовала метод передовой световой микроскопии на специально разработанной модели мыши. Этот метод позволяет с помощью тонкого светового луча подсвечивать и получать детальные изображения микроскопических образцов, создавая четкие 3D-снимки без повреждения живой ткани.

Ученые смогли отслеживать отдельные клетки в течение двух дней — начиная с критической стадии развития (гаструляции) до момента, когда начинает формироваться примитивное сердце. Это позволило определить клеточное происхождение сердца.

Гаструляция — это процесс специализации и организации клеток в первичные структуры организма, включая сердце. У людей это происходит на второй неделе беременности.

Как отмечают авторы, результаты исследования могут революционизировать понимание и лечение врожденных пороков сердца.

Старший автор исследования доктор Кензо Иванович (UCL, Институт детского здоровья на Грейт-Ормонд-стрит и Британский кардиологический фонд) заявил: "Впервые мы смогли так детально и так долго наблюдать за клетками сердца в процессе развития млекопитающих. Нам пришлось выращивать эмбрионы в чашке Петри от нескольких часов до нескольких дней, и результаты оказались совершенно неожиданными".

С помощью флуоресцентных маркеров команда пометила клетки сердечной мышцы (кардиомиоциты), заставив их светиться разными цветами. В сочетании со световой микроскопией это позволило создать детальное покадровое видео.

Изображения делались каждые две минуты в течение 40 часов, обеспечивая беспрецедентное пространственное разрешение.

Полученные кадры показали, как клетки двигаются, делятся и формируют первые части эмбриона, включая сердце. Каждый светящийся кардиомиоцит можно было проследить до более ранних клеток, что позволило ученым создать генеалогическое древо клеток. Это помогло точно определить, когда и где в эмбрионе впервые появляются клетки, формирующие исключительно сердце.

На самых ранних стадиях эмбриональные клетки были мультипотентными (способными становиться разными типами клеток). Среди них были не только клетки сердца, но и, например, эндокардиальные клетки, выстилающие внутренние поверхности кровеносных сосудов и камер сердца.

Однако исследователи обнаружили, что в начале гаструляции (обычно в первые 4-5 часов после первого деления клеток) клетки, формирующие исключительно сердце, появляются быстро и ведут себя высокоорганизованно.

Вместо хаотичного движения они следуют четким траекториям — как будто заранее знают, куда направляются и какую роль будут играть: формировать желудочки (насосные камеры сердца) или предсердия (куда кровь поступает из тела и легких).

Доктор Иванович пояснил: "Наши данные показывают, что определение кардиальной судьбы и направленное движение клеток могут регулироваться в эмбрионе гораздо раньше, чем предполагают современные модели. Это фундаментально меняет наше понимание развития сердца, демонстрируя, что кажущееся хаотичным движение клеток на самом деле подчинено скрытым закономерностям, обеспечивающим правильное формирование сердца".

Ведущий автор исследования, аспирантка Шайма Абукар (UCL), добавила: "Сейчас мы работаем над пониманием сигналов, координирующих этот сложный хореографический танец клеток на ранних этапах развития сердца. Сердце формируется не из одной группы клеток, а из коалиции разных клеточных групп, появляющихся в разное время и в разных местах во время гаструляции".

Результаты исследования могут ускорить прогресс в выращивании сердечной ткани в лаборатории для регенеративной медицины.

Доктор Иванович отметил: "В будущем эта работа поможет раскрыть новые механизмы формирования органов и разработать принципы точного программирования тканевых структур для тканевой инженерии".

Исследование было поддержано Британским кардиологическим фондом.

Дополнительная информация

• Какие еще органы или системы организма формируются во время гаструляции, помимо сердца? - Во время гаструляции формируются зачатки всех основных систем: нервная система (из эктодермы), кишечник и легкие (из энтодермы), мышцы, кости и почки (из мезодермы).
• Как флуоресцентные маркеры позволяют различать разные типы клеток в таких исследованиях? - Флуоресцентные маркеры связываются со специфическими молекулами на поверхности или внутри определенных типов клеток, заставляя их светиться разными цветами под микроскопом при специальном освещении.

---

Исследование: Антибиотики из человеческого потребления загрязняют реки по всему миру

Как показало исследование под руководством Университета Макгилла, миллионы километров рек по всему миру несут антибиотическое загрязнение на уровнях, достаточных для развития устойчивости к лекарствам и вреда водным экосистемам.

Опубликованное в PNAS Nexus исследование впервые оценило масштабы глобального загрязнения рек антибиотиками, используемыми людьми.

Ученые подсчитали, что около 8 500 тонн антибиотиков — почти треть ежегодного потребления — попадают в речные системы мира, даже пройдя во многих случаях через системы очистки сточных вод.

«Хотя остатки отдельных антибиотиков в большинстве рек присутствуют в очень низких концентрациях, что затрудняет их обнаружение, хроническое и кумулятивное воздействие этих веществ на окружающую среду все равно может представлять риск для здоровья человека и водных экосистем», — заявила Элоиза Эхалт Маседо, постдокторант кафедры географии Университета Макгилла и ведущий автор исследования.

Исследовательская группа использовала глобальную модель, подтвержденную полевыми данными с почти 900 речных локаций.

Они обнаружили, что амоксициллин — самый распространенный антибиотик в мире — чаще всего присутствует в реках на опасных уровнях, особенно в Юго-Восточной Азии, где рост потребления и ограниченные возможности очистки сточных вод усугубляют проблему.

«Это исследование не призвано предупредить об использовании антибиотиков — они необходимы для глобального здравоохранения, — но наши результаты показывают, что могут возникать непреднамеренные последствия для водной среды и устойчивости к антибиотикам. Это требует стратегий смягчения и управления, чтобы избежать или уменьшить их влияние», — отметил Бернхард Ленер, профессор глобальной гидрологии на кафедре географии Университета Макгилла и соавтор исследования.

Результаты особенно значимы, поскольку исследование не учитывало антибиотики, поступающие от животноводства или фармацевтических заводов — основных источников загрязнения окружающей среды.

«Наши результаты показывают, что загрязнение рек антибиотиками только от человеческого потребления уже является критической проблемой, которая, вероятно, усугубляется ветеринарными или промышленными источниками схожих соединений, — сказал Джим Ницелл, профессор экологической инженерии Университета Макгилла и соавтор исследования. — Поэтому необходимы программы мониторинга для выявления загрязнения водных путей антибиотиками или другими химическими веществами, особенно в регионах, которые наша модель определяет как зоны риска».

---

Вселенная распадается быстрее, чем считалось, но процесс всё равно займёт очень много времени

Вселенная разрушается гораздо быстрее, чем предполагалось ранее. Это показали расчёты трёх учёных из Университета Радбода, посвящённые так называемому излучению Хокинга. Согласно их вычислениям, последние звёздные останки исчезнут примерно через 10^78 лет (1 с 78 нулями). Это значительно меньше ранее предполагавшихся 10^1100 лет (1 с 1100 нулями). Свои выводы исследователи опубликовали с намёком на шутку, но вполне серьёзно, в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Исследование эксперта по чёрным дырам Хейно Фальке, квантового физика Майкла Вондрака и математика Вальтера ван Сёйлекома (все из Университета Радбода, Неймеген, Нидерланды) является продолжением их совместной работы 2023 года. В той статье они показали, что не только чёрные дыры, но и другие объекты, такие как нейтронные звёзды, могут "испаряться" посредством процесса, аналогичного излучению Хокинга. После публикации исследователи получили множество вопросов от научного сообщества и не только о том, сколько времени займёт этот процесс. Ответ на этот вопрос они дали в новой статье.

Окончательный конец

Учёные рассчитали, что конец Вселенной наступит примерно через 10^78 лет (1 с 78 нулями), если учитывать только излучение, подобное хокинговскому. Это время, необходимое для распада белых карликов — самых устойчивых небесных тел — посредством такого излучения. Предыдущие исследования, не учитывавшие этот эффект, оценивали время жизни белых карликов в 10^1100 лет (1 с 1100 нулями). Ведущий автор Хейно Фальке комментирует: "Таким образом, окончательный конец Вселенной наступит гораздо раньше, чем ожидалось, но, к счастью, это всё равно произойдёт очень не скоро".

Исследователи провели расчёты с полной серьёзностью, но с долей иронии. Основой послужила переинтерпретация излучения Хокинга. В 1975 году физик Стивен Хокинг постулировал, что, вопреки теории относительности, частицы и излучение могут покидать чёрную дыру. На границе чёрной дыры могут образовываться две временные частицы, и до их слияния одна частица поглощается чёрной дырой, а другая улетучивается. Одно из следствий этого так называемого излучения Хокинга заключается в том, что чёрная дыра очень медленно распадается на частицы и излучение. Это противоречит теории относительности Альберта Эйнштейна, согласно которой чёрные дыры могут только расти.

Нейтронная звезда так же медленна, как чёрная дыра

Учёные рассчитали, что процесс излучения Хокинга теоретически применим и к другим объектам с гравитационным полем. Расчёты также показали, что "время испарения" объекта зависит только от его плотности.

К удивлению исследователей, нейтронные звёзды и звёздные чёрные дыры распадаются за одинаковое время: 10^67 лет. Это стало неожиданностью, поскольку чёрные дыры обладают более сильным гравитационным полем, что, казалось бы, должно ускорить их "испарение". "Но у чёрных дыр нет поверхности, — поясняет соавтор исследования, постдок Майкл Вондрак, — Они поглощают часть собственного излучения, что замедляет процесс".

Человек и Луна: 10^90 лет

Поскольку учёные уже занимались этими расчётами, они также определили, сколько времени потребуется для "испарения" Луны и человека посредством излучения, подобного хокинговскому. Это займёт 10^90 лет (1 с 90 нулями). Конечно, как тонко отмечают исследователи, существуют и другие процессы, которые могут привести к исчезновению человека и Луны раньше рассчитанного срока.

Соавтор работы Вальтер ван Сёйлеком, профессор математики Университета Радбода, добавляет, что это исследование — захватывающий пример сотрудничества разных дисциплин, и сочетание астрофизики, квантовой физики и математики приводит к новым открытиям. "Задавая подобные вопросы и рассматривая экстремальные случаи, мы стремимся лучше понять теорию и, возможно, однажды разгадать тайну излучения Хокинга".

Дополнительная информация

• Какие ещё объекты во Вселенной, кроме чёрных дыр и нейтронных звёзд, могут испаряться за счёт излучения, подобного хокинговскому? - Теоретически, любые объекты с горизонтом событий или аналогом горизонта (например, "кротовые норы"), а также квантовые флуктуации в сильных гравитационных полях могут проявлять эффекты, подобные излучению Хокинга.
• Почему чёрные дыры и нейтронные звёзды имеют одинаковое время испарения, несмотря на разную гравитацию? - Время испарения зависит от массы объекта, а не только от силы гравитации. Для объектов одинаковой массы (например, остатков звёзд) время испарения будет схожим, так как механизм Хокинга определяется квантовыми эффектами вблизи горизонта событий или поверхности.

---

Препарат для замедления болезни Альцгеймера демонстрирует хорошую переносимость за пределами клинических испытаний

Одобрение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) в 2023 году леканемба — нового препарата для лечения болезни Альцгеймера, который в клинических испытаниях показал умеренную способность замедлять прогрессирование заболевания, — было встречено с энтузиазмом многими специалистами, поскольку это первый препарат такого рода, способный влиять на течение болезни. Однако побочные эффекты — отек мозга и кровотечения, — выявленные в ходе клинических испытаний, заставили некоторых пациентов и врачей с осторожностью относиться к этому лечению.

Медикаменты могут оказывать несколько иное воздействие, когда они выходят на широкий рынок и применяются у более разнообразных групп населения.

Исследователи из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе изучили побочные эффекты, связанные с лечением леканемабом у своих пациентов, и обнаружили, что серьезные побочные реакции встречаются редко и поддаются контролю.

Согласно результатам, которые согласуются с данными тщательно контролируемых клинических испытаний, только у 1% пациентов наблюдались тяжелые побочные эффекты, потребовавшие госпитализации.

Исследователи выяснили, что у пациентов на самой ранней стадии болезни Альцгеймера с очень слабо выраженными симптомами риск осложнений был минимальным, что помогает пациентам и врачам при обсуждениях рисков, связанных с лечением.

Ретроспективное исследование, опубликованное 12 мая в JAMA Neurology, охватило 234 пациента с очень легкой или легкой формой болезни Альцгеймера, которые получали инфузии леканемба в Центре диагностики памяти WashU Medicine — клинике, специализирующейся на лечении пациентов с деменцией.

"Этот новый класс лекарств для ранней симптоматической стадии болезни Альцгеймера является единственным одобренным лечением, которое влияет на прогрессирование заболевания", — сказала Барбара Джой Снайдер, доктор медицинских наук, профессор неврологии и один из старших авторов исследования.

"Однако опасения по поводу потенциальных побочных эффектов препарата могут привести к задержкам в лечении. Наше исследование показывает, что амбулаторная клиника WashU Medicine обладает инфраструктурой и опытом для безопасного введения леканемба и ухода за пациентами, включая тех немногих, у кого могут возникнуть тяжелые побочные эффекты, прокладывая путь для безопасного применения этого препарата в других клиниках".

Леканемаб представляет собой антительную терапию, которая удаляет амилоидные бляшки, продлевая период самостоятельной жизни пациентов на 10 месяцев, согласно недавнему исследованию, проведенному учеными WashU Medicine.

Поскольку накопление амилоида является первым этапом заболевания, врачи рекомендуют этот препарат людям на ранней стадии болезни Альцгеймера с очень легкими или легкими симптомами.

Исследователи обнаружили, что только у 1,8% пациентов с очень легкими симптомами болезни Альцгеймера развивались какие-либо побочные симптомы от лечения по сравнению с 27% пациентов с легкой формой заболевания.

"Пациенты с самыми легкими симптомами болезни Альцгеймера, вероятно, получат наибольшую пользу и наименьший риск побочных эффектов от лечения", — отметила Снайдер, руководившая клиническими испытаниями леканемба в WashU Medicine.

"Нерешительность и избегание могут привести к тому, что пациенты откладывают лечение, что, в свою очередь, увеличивает риск побочных эффектов. Мы надеемся, что наши результаты помогут пересмотреть диалог между врачами и пациентами о рисках, связанных с этим препаратом".

Опасения по поводу леканемба связаны с побочным эффектом, известным как амилоид-ассоциированные аномалии изображений (ARIA).

Эти аномалии, которые обычно затрагивают лишь очень небольшие участки мозга, видны на снимках мозга и указывают на отек или кровотечение.

В клинических испытаниях леканемба ARIA наблюдалась у 12,6% участников, причем в большинстве случаев она протекала бессимптомно и разрешалась без вмешательства.

Небольшой процент пациентов — около 2,8% — испытывали такие симптомы, как головные боли, спутанность сознания, тошнота и головокружение.

Летальные случаи, связанные с леканемабом, встречались у примерно 0,2% пациентов, получавших лечение.

Центр диагностики памяти начал лечение пациентов леканемабом в 2023 году после полного одобрения FDA.

Пациенты получают препарат в виде инфузий каждые две недели в специализированных центрах.

В рамках ухода за каждым пациентом врачи WashU Medicine регулярно проводят сложные визуальные исследования мозга, которые с высокой чувствительностью могут выявлять кровотечения и отеки.

Леканемаб отменяется у пациентов с симптомами ARIA или значительными бессимптомными проявлениями ARIA, а редкие пациенты с тяжелой формой ARIA получают стероиды в условиях стационара.

Анализируя исходы у своих пациентов, авторы обнаружили, что частота побочных эффектов соответствовала данным клинических испытаний — большинство случаев ARIA в клинике протекали бессимптомно и были выявлены только при помощи чувствительных методов визуализации мозга, используемых для мониторинга изменений.

Из 11 пациентов, у которых наблюдались симптомы ARIA, у большинства эффекты полностью исчезли в течение нескольких месяцев, и ни один пациент не умер.

"Большинство пациентов, получающих леканемаб, хорошо переносят препарат", — сказала Сюзанна Шиндлер, доктор медицинских наук, доцент кафедры неврологии и один из старших авторов исследования. "Этот отчет может помочь пациентам и врачам лучше понять риски лечения, которые ниже у пациентов с очень легкими симптомами болезни Альцгеймера".

Дополнительная информация

• Какие существуют альтернативные методы лечения болезни Альцгеймера, помимо леканемба, и как они сравниваются по эффективности и побочным эффектам? - Помимо леканемба (антиамилоидного препарата), применяются: ингибиторы холинэстеразы (донепезил, ривастигмин) - умеренно улучшают когнитивные функции, но не останавливают прогрессирование болезни; мемантин (регулятор глутамата) - уменьшает симптомы на средней/тяжелой стадиях; нефармакологические методы (когнитивные тренировки, диета, физическая активность) - имеют минимальные побочные эффекты, но ограниченную эффективность.

• Как именно амилоидные бляшки влияют на развитие болезни Альцгеймера и почему их удаление замедляет прогрессирование заболевания? - Амилоидные бляшки (скопления белка бета-амилоида) нарушают связь между нейронами и запускают воспалительные процессы, приводя к гибели клеток. Их удаление препаратами типа леканемба уменьшает токсическое воздействие на мозг, сохраняя больше функциональных нейронов и замедляя когнитивный спад.

---

Красная тревога для наших ближайших родственников

Международная группа исследователей приматов опубликовала список 25 наиболее угрожаемых видов приматов в Азии, Африке, на Мадагаскаре и в Южной Америке на 2023-2025 годы. Публикация, подготовленная при поддержке Немецкого центра приматов (DPZ) — Института исследования приматов имени Лейбница в Гёттингене, подчеркивает, насколько срочно необходимо внедрять глобальные меры по сохранению, чтобы спасти незаменимое биоразнообразие.

«Ситуация драматична. Если мы не будем действовать сейчас, мы навсегда потеряем некоторые из этих видов», — предупреждает Кристиан Роос, генетик из Немецкого центра приматов.

«Но есть надежда — если наука, политика и общество будут действовать сообща». Отчет, составленный ведущими приматологами и защитниками природы, подчеркивает острую необходимость целенаправленных усилий по сохранению, чтобы предотвратить окончательное вымирание этих видов.

Ключевые выводы отчета

Группа экспертов, в которую вошли представители природоохранных организаций Международного союза охраны природы (МСОП), Conservation International (CI), а также Международного общества приматологов (IPS), составила список 25 наиболее угрожаемых видов приматов в мире.

Разрушение среды обитания, охота, изменение климата и незаконная торговля дикими животными представляют наибольшую угрозу для этих видов.

Среди самых уязвимых видов — тапанулийский орангутан (Pongo tapanuliensis) на Суматре, осталось всего около 800 особей.

Это делает его самым угрожаемым видом человекообразных обезьян. Он был обнаружен лишь в 2017 году учеными из DPZ среди других исследователей.

Форма черепа, зубная система и гены этого вида отличаются от других видов орангутанов.

Это выяснилось в ходе масштабных морфологических и генетических анализов, в которых также участвовал Кристиан Роос.

Многие лемуры на Мадагаскаре также находятся под угрозой исчезновения, включая мышиного лемура мадам Берты (Microcebus berthae). Самый маленький примат в мире, весом всего 30 грамм, был обнаружен в 1993 году учеными из DPZ недалеко от полевой станции в лесу Киринди.

Его популяция значительно сократилась за последние три года.

«Этот вид также исчез из большей части оставшихся нетронутых лесов, что указывает на пугающие последствия для возможных мер охраны. Возможно, это первый примат, которого мы потеряем навсегда в XXI веке, так как не существует и популяций в неволе», — говорит Петер Каппелер, руководитель полевой станции в лесу Киринди.

Меры по защите приматов

В отчете настоятельно рекомендуется расширить ключевые меры по охране территорий и последовательно их внедрять, чтобы сохранить критически важные места обитания.

В то же время в отчете подчеркивается важность активного вовлечения коренных и местных сообществ и их наделения полномочиями хранителей своих регионов.

Также призывают к всеобъемлющей реформе политики, в частности, ужесточению законов против незаконной торговли дикими животными и продолжающейся вырубки лесов.

Наконец, в отчете подчеркивается необходимость мобилизации достаточных финансовых ресурсов для успешной реализации долгосрочных программ сохранения.

«Каждый вид приматов, который мы теряем, означает не только невосполнимую потерю для природы, но и для нас, людей», — говорит Роос.

«Потому что приматы — это не только удивительные животные, но и ключевые виды наших экосистем». Если ключевой вид исчезает, никакой другой вид не способен занять его экологическую нишу, и соответствующая экосистема радикально меняется.

25 самых угрожаемых приматов в мире

Каждые два года на заседании Международного общества приматологов объявляют 25 самых угрожаемых видов приматов, чтобы повысить осведомленность общества о критическом положении приматов. Списки исчезающих приматов помогают исследователям привлекать глобальное внимание к судьбе наших ближайших родственников и собирать средства на исследования и природоохранные меры. Отчет основан на экспертных оценках более 100 ученых по всему миру.

Дополнительная информация

• Какие экологические последствия может иметь исчезновение ключевых видов приматов для их экосистем? - Исчезновение ключевых видов приматов может привести к нарушению экологического баланса, включая сокращение распространения семян растений (так как многие приматы являются важными распространителями семян), изменение структуры лесов и снижение биоразнообразия. Это также может повлиять на пищевые цепи, что негативно скажется на других видах животных.

• Какие существуют успешные примеры вовлечения местных сообществ в охрану приматов в других регионах мира? - В Уганде программы экотуризма с участием горных горилл помогли создать экономические стимулы для местных жителей, что привело к сокращению браконьерства. В Мадагаскаре проекты по устойчивому сельскому хозяйству и образовательные программы способствовали защите лемуров, вовлекая местные общины в их сохранение.

---

Робот для настольного тенниса точно отражает удары на высокой скорости

Инженеры MIT разработали легкого и мощного робота для настольного тенниса, который с высокой точностью отражает удары.

Новый робот оснащен многозвенным манипулятором, закрепленным на одном конце стола, который держит стандартную ракетку. Благодаря высокоскоростным камерам и системе предиктивного управления с высокой пропускной способностью, робот быстро оценивает скорость и траекторию приближающегося мяча и выполняет один из трех типов ударов — топ-спин (подкрутка), драйв (прямой удар) или подрезку, чтобы точно отправить мяч в нужную точку стола с различными видами вращения.

В ходе испытаний инженеры бросили роботу 150 мячей подряд с противоположной стороны стола. Робот успешно отразил около 88% мячей при всех трех типах ударов. Скорость его ударов приближается к максимальной скорости возврата у профессиональных игроков и превосходит другие роботизированные системы для настольного тенниса.

Сейчас команда работает над увеличением зоны досягаемости робота, чтобы он мог отражать больше типов ударов. В будущем такая система может стать конкурентоспособным инструментом в области умных роботизированных тренажеров.

Помимо игры, технология может быть адаптирована для увеличения скорости и реакции гуманоидных роботов, особенно в поисково-спасательных операциях, где требуется быстрая реакция или предугадывание действий.

«Решаемые нами задачи, связанные с быстрым и точным перехватом объектов, могут быть полезны в сценариях, где роботу необходимо выполнять динамические маневры и в реальном времени рассчитывать положение конечного звена для взаимодействия с объектом», — говорит аспирант MIT Дэвид Нгуен.

Нгуен является соавтором исследования вместе с аспирантом Кендриком Кансио и Сангбае Кимом, доцентом кафедры машиностроения и руководителем лаборатории биомиметической робототехники MIT. Результаты работы будут представлены на конференции IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) в этом месяце.

Точная игра

Создание роботов для настольного тенниса — задача, над которой исследователи работают с 1980-х годов. Она требует сочетания высокоскоростного машинного зрения, быстрых и точных двигателей и приводов, прецизионного управления манипулятором, а также прогнозирования в реальном времени и стратегического планирования.

«Если представить спектр задач в робототехнике, то с одной стороны есть манипуляции — медленные и очень точные, например захват объекта. С другой стороны — локомоция, требующая динамичности и адаптации к изменениям. Настольный теннис находится посередине: вы должны точно ударить по мячу, но у вас есть всего 300 миллисекунд», — объясняет Нгуен.

Современные роботы, такие как разработки Omron и Google DeepMind, используют искусственный интеллект для обучения на основе предыдущих данных, улучшая свою игру против различных типов ударов. Эти системы могут играть на уровне промежуточных игроков-людей.

«Наш робот исследует, как методы, используемые в настольном теннисе, могут быть применены в более универсальных системах, например, гуманоидных роботах, способных выполнять различные полезные задачи», — говорит Кансио.

Управление игрой

Для новой разработки исследователи модифицировали легкий и мощный манипулятор, созданный в лаборатории Кима для робота MIT Humanoid — двуногого робота с двумя руками размером с ребенка. Этот робот тестирует динамические маневры, включая передвижение по неровной поверхности, прыжки, бег и сальто, с целью использования в поисково-спасательных операциях.

Каждая рука робота имеет четыре степени свободы, управляемые электродвигателями. Команда добавила пятую степень свободы в запястье для управления ракеткой.

Робот закреплен на столе, а высокоскоростные камеры отслеживают мячи. Алгоритмы оптимального управления прогнозируют скорость и ориентацию ракетки для выполнения удара: топ-спина, драйва или подрезки. Три компьютера обрабатывают изображения, оценивают состояние мяча и отправляют команды двигателям.

В тестах робот показал точность возврата: 88,4% для топ-спина, 89,2% для подрезки и 87,5% для драйва. После настройки системы скорость удара достигла 20 м/с. Для сравнения, профессиональные игроки возвращают мячи со скоростью 21–25 м/с.

«Наша цель — достичь уровня атлетизма людей. По скорости удара мы уже очень близки», — говорит Нгуен.

В последующих испытаниях робот научился целенаправленно направлять мяч в заданную точку стола. Однако из-за ограниченной мобильности он пока может отражать мячи только в определенной зоне. В будущем команда планирует оснастить робота платформой на колесах или подвесом для увеличения зоны покрытия.

«Важная часть настольного тенниса — предсказание вращения и траектории мяча после удара соперника. Робот может имитировать действия оппонента, помогая игрокам тренироваться», — отмечает Кансио.

Исследование частично поддержано Институтом робототехники и искусственного интеллекта.

Дополнительная информация

• Какие еще виды спорта используют роботов для тренировки спортсменов? - Роботы используются в бейсболе (роботы-питчеры), футболе (роботы-вратари), бадминтоне (роботы для подачи волана) и боксе (роботы-тренажёры для отработки ударов).
• Как работает система предиктивного управления в роботах? - Система анализирует данные в реальном времени (например, траекторию мяча) и использует алгоритмы машинного обучения, чтобы предугадать следующие действия и быстро на них среагировать.
• Какие еще задачи, кроме настольного тенниса, могут решать роботы с подобной системой управления? - Такие роботы могут применяться в логистике (сортировка предметов), медицине (ассистирование в операциях) и обслуживании (роботы-официанты).
• Какие ограничения есть у текущей версии робота, кроме зоны досягаемости? - Ограничения включают зависимость от освещения, задержки в обработке данных и необходимость точной калибровки под каждого спортсмена.

---

Нарушение сердечного ритма связано с бактерией, скрывающейся в деснах

Если вас соблазняет мысль пропустить чистку зубной нитью – ваше сердце может сказать вам спасибо, если вы передумаете. Новое исследование Университета Хиросимы (HU) показывает, что бактерия Porphyromonas gingivalis (P. gingivalis), вызывающая заболевания десен, может проникать в кровоток и достигать сердца. Там она незаметно стимулирует накопление рубцовой ткани (фиброз), изменяя структуру сердца, нарушая электрические сигналы и повышая риск мерцательной аритмии (фибрилляции предсердий).

Врачи давно заметили, что люди с пародонтитом – распространенной формой заболевания десен – чаще сталкиваются с сердечно-сосудистыми проблемами. Недавний метаанализ связал пародонтит с 30% повышением риска развития фибрилляции предсердий – потенциально серьезного нарушения ритма сердца, которое может привести к инсульту, сердечной недостаточности и другим опасным осложнениям. Во всем мире случаи фибрилляции предсердий почти удвоились менее чем за десятилетие: с 33,5 млн в 2010 году до примерно 60 млн к 2019 году. Теперь ученые все больше интересуются тем, как заболевания десен могут способствовать этому росту.

Предыдущие исследования указывали на воспаление как на вероятную причину. Когда иммунные клетки в деснах мобилизуются для борьбы с инфекцией, выделяемые ими химические сигналы могут непреднамеренно попадать в кровоток, усиливая системное воспаление, способное повреждать органы, далекие от полости рта.

Однако воспаление – не единственная угроза, исходящая от больных десен. Исследователи обнаружили ДНК вредоносных бактерий полости рта в сердечной мышце, клапанах сердца и даже в жировых бляшках артерий. Среди этих бактерий P. gingivalis привлекает особое внимание из-за ее предполагаемой роли в развитии множества системных заболеваний, включая болезнь Альцгеймера, диабет и некоторые виды рака. Ранее ее находили в мозге, печени и плаценте. Но как она закрепляется в сердце, оставалось неясным. Это исследование, опубликованное в журнале Circulation, впервые предоставляет убедительные доказательства того, что P. gingivalis из десен может проникать в левое предсердие как у животных, так и у людей, указывая на возможный микробный путь связи между пародонтитом и фибрилляцией предсердий.

«Причинно-следственная связь между пародонтитом и фибрилляцией предсердий пока неизвестна, но распространение пародонтальных бактерий через кровоток может объединять эти состояния», – говорит первый автор исследования Шунсуке Мияучи, доцент Высшей школы биомедицинских и медицинских наук HU.

«Среди различных пародонтальных бактерий P. gingivalis обладает высокой патогенностью в отношении пародонтита и некоторых системных заболеваний за пределами полости рта. В этом исследовании мы ответили на два ключевых вопроса: Может ли P. gingivalis переместиться из очага пародонтита в левое предсердие? И если да, то стимулирует ли она развитие фиброза предсердий и фибрилляции предсердий?»

Исследование связи между заболеванием десен и фибрилляцией предсердий

Чтобы смоделировать, как P. gingivalis может покидать полость рта и наносить вред другим органам, исследователи создали модель на мышах, используя агрессивный штамм W83 этой бактерии. Они разделили 13-недельных самцов мышей на две группы: одной вводили бактерию в пульпу зуба, другая оставалась незараженной. Каждая группа была дополнительно разделена на подгруппы и наблюдалась в течение 12 или 18 недель для отслеживания сердечно-сосудистых рисков при длительном воздействии.

Внутрисердечная стимуляция – диагностический метод для выявления аритмии – не выявила различий в риске фибрилляции предсердий между зараженными и незараженными мышами через 12 недель. Однако к 18-й неделе тесты показали, что мыши, подвергшиеся воздействию бактерии, в шесть раз чаще страдали от нарушений сердечного ритма: частота индуцируемости фибрилляции предсердий составила 30% по сравнению с 5% в контрольной группе.

Чтобы проверить, точно ли их модель воспроизводит пародонтит, исследователи изучили поражения челюстей и обнаружили характерные признаки болезни. Они выявили разрушение пульпы зуба и микроабсцессы, вызванные P. gingivalis. Однако повреждения не ограничивались этим. Бактерия также была обнаружена в левом предсердии сердца, где зараженная ткань стала жесткой и фиброзной. Используя петлевую изотермическую амплификацию для выявления специфических генетических маркеров, команда подтвердила, что введенный штамм P. gingivalis присутствовал в сердце. В отличие от этого, у незараженных мышей были здоровые зубы, а в образцах ткани сердца не было следов бактерии.

Через 12 недель после заражения у мышей, подвергшихся воздействию P. gingivalis, уже наблюдалось больше рубцов на сердце по сравнению с контрольной группой. К 18-й неделе рубцевание у зараженных мышей достигло 21,9%, тогда как в контрольной группе, вероятно из-за возрастных изменений, этот показатель составил 16,3%. Это говорит о том, что P. gingivalis не только провоцирует раннее повреждение сердца, но и ускоряет его со временем.

И эта тревожная связь наблюдалась не только у мышей. В отдельном исследовании с участием людей ученые проанализировали ткань левого предсердия у 68 пациентов с фибрилляцией предсердий, перенесших операцию на сердце. P. gingivalis была обнаружена и там, причем в большем количестве у людей с тяжелым пародонтитом.

Мастер скрытой атаки

Предыдущие исследования показали, что P. gingivalis способна проникать в клетки хозяина и избегать разрушения аутофагосомами – клеточными «мусорщиками». Эта способность прятаться внутри клеток объясняет, как бактерия может ускользать от иммунной защиты и вызывать достаточное воспаление, чтобы нанести вред, не будучи уничтоженной. У зараженных мышей наблюдался всплеск уровня галектина-3 (биомаркера фиброза) и повышенная экспрессия гена Tgfb1, связанного с воспалением и рубцеванием.

Результаты исследования предполагают, что чистка зубов, использование нити и регулярные визиты к стоматологу важны не только для гигиены полости рта – они также могут защитить сердце. Поддержание здоровья десен может перекрыть путь для вторжения P. gingivalis.

«P. gingivalis проникает в кровеносную систему через пародонтальные поражения и далее перемещается в левое предсердие, где ее бактериальная нагрузка коррелирует с клинической тяжестью пародонтита. Попав в предсердие, она усугубляет фиброз, что увеличивает индуцируемость фибрилляции предсердий», – объясняет Мияучи. «Таким образом, лечение пародонтита, способное блокировать проникновение P. gingivalis, может играть важную роль в профилактике и лечении фибрилляции предсердий».

Команда сейчас работает над укреплением междисциплинарного сотрудничества между медицинскими и стоматологическими специалистами в префектуре Хиросима для улучшения сердечно-сосудистой помощи.

«Следующим шагом мы

Дополнительная информация

• Какие еще системные заболевания, помимо фибрилляции предсердий, связаны с P. gingivalis? - P. gingivalis ассоциируется с атеросклерозом, болезнью Альцгеймера, ревматоидным артритом и диабетом 2 типа.
• Как именно P. gingivalis избегает уничтожения иммунной системой? - Бактерия вырабатывает ферменты, разрушающие антимикробные пептиды, и манипулирует иммунным ответом, подавляя активность макрофагов.
• Какие методы лечения пародонтита могут блокировать проникновение P. gingivalis в кровоток? - Профессиональная чистка зубов, антимикробная терапия (например, хлоргексидин) и использование ингибиторов протеаз могут снизить проникновение бактерий.
• Как галектин-3 и Tgfb1 способствуют развитию фиброза в сердце? - Галектин-3 стимулирует пролиферацию фибробластов, а Tgfb1 усиливает синтез коллагена, что совместно приводит к фиброзу сердечной ткани.

---

Золото во Вселенной распределяется в результате коллапса и взрывов звёзд

Согласно новому исследованию, вспышки магнетаров — колоссальные космические взрывы — могут быть непосредственно ответственны за создание и распространение тяжёлых элементов во Вселенной.

Десятилетиями астрономы имели лишь теории о происхождении некоторых самых тяжёлых элементов в природе, таких как золото, уран и платина.

Но повторно изучив архивные данные, исследователи теперь предполагают, что до 10% этих тяжёлых элементов в Млечном Пути образовались в результате выбросов сильно намагниченных нейтронных звёзд, называемых магнетарами.

"Нейтронные звёзды — это очень экзотические, чрезвычайно плотные объекты, известные своими огромными и очень сильными магнитными полями", — пояснил Тодд Томпсон, соавтор исследования и профессор астрономии в Университете штата Огайо.

До недавнего времени астрономы неосознанно упускали из виду потенциальную роль магнетаров — по сути, мёртвых остатков сверхновых — в формировании ранних галактик, отметил Томпсон.

Хотя происхождение тяжёлых элементов долгое время оставалось загадкой, учёные знали, что они могут образовываться только в особых условиях посредством так называемого r-процесса (процесса быстрого захвата нейтронов) — уникального и сложного набора ядерных реакций, пояснил Томпсон.

Учёные наблюдали этот процесс в действии в 2017 году, когда зафиксировали столкновение двух сверхплотных нейтронных звёзд.

Это событие, зарегистрированное с помощью телескопов NASA, Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) и других инструментов, стало первым прямым доказательством образования тяжёлых металлов космическими силами.

Однако дальнейшие исследования показали, что для объяснения происхождения всех этих элементов могут потребоваться другие механизмы, поскольку столкновения нейтронных звёзд в ранней Вселенной могли не производить тяжёлые элементы достаточно быстро.

Новое исследование, опираясь на эти данные, помогло Томпсону и его коллегам понять, что мощные вспышки магнетаров действительно могут служить источником тяжёлых элементов. Этот вывод подтверждается 20-летними наблюдениями за магнетаром SGR 1806-20, вспышка которого была настолько яркой, что некоторые измерения события можно было провести только по его отражению от Луны.

Проанализировав эту вспышку магнетара, исследователи установили, что радиоактивный распад вновь образовавшихся элементов соответствует их теоретическим прогнозам о времени и типах энергии, высвобождаемых после выброса тяжёлых r-процессных элементов.

Учёные также выдвинули теорию, что вспышки магнетаров производят тяжёлые космические лучи — чрезвычайно высокоскоростные частицы, физическое происхождение которых остаётся неизвестным.

"Мне нравятся новые идеи о том, как работают системы, как происходят открытия, как устроена Вселенная", — признался Томпсон. "Поэтому такие результаты действительно вдохновляют".

Исследование было опубликовано в The Astrophysical Journal Letters.

Магнетары могут дать уникальное представление о химической эволюции галактик, включая формирование экзопланетных систем и их пригодность для жизни.

Эти объекты не только производят ценные металлы, такие как золото и серебро, которые в конечном итоге попадают на Землю, но и в результате взрывов сверхновых, которые их создают, образуются элементы, жизненно важные для других, более сложных космических процессов — кислород, углерод и железо.

"Весь этот выброшенный материал смешивается со следующим поколением планет и звёзд", — пояснил Томпсон. "Миллиарды лет спустя эти атомы могут стать частью того, что потенциально станет жизнью".

Эти открытия имеют глубокие последствия для астрофизики, особенно для учёных, изучающих происхождение как тяжёлых элементов, так и быстрых радиовсплесков — кратковременных всплесков электромагнитных радиоволн из далёких галактик.

Понимание механизмов выброса вещества из магнетаров может помочь учёным больше узнать об этих объектах.

Из-за редкости и кратковременности вспышек магнетаров их сложно наблюдать, а современные космические телескопы, такие как Джеймс Уэбб и Хаббл, не обладают необходимыми возможностями для обнаружения и изучения их сигналов.

Даже такие специализированные обсерватории, как космический гамма-телескоп NASA Fermi, могут видеть только самую яркую часть гамма-вспышек из близлежащих галактик.

В этом может помочь предлагаемая миссия NASA COSI (Compton Spectrometer and Imager), которая сможет сканировать Млечный Путь в поисках энергетических событий вроде гигантских вспышек магнетаров.

Хотя повторение события, подобного SGR 1806-20, в этом веке маловероятно, если вспышка магнетара произойдёт относительно близко, COSI сможет точнее определить отдельные элементы, образовавшиеся в результате взрыва, что позволит исследователям подтвердить свою теорию о происхождении тяжёлых элементов во Вселенной.

"Мы генерируем множество новых идей в этой области, а продолжающиеся наблюдения приведут к ещё более важным открытиям", — заключил Томпсон.

Исследование поддержано Национальным научным фондом, NASA, Грантовым агентством Карлова университета и Фондом Саймонса. Среди соавторов — Анирудх Пател и Брайан Д. Метцгер из Колумбийского университета, Якуб Цехула из Карлова университета в Праге, Эрик Бёрнс из Университета штата Луизиана и Джаред А. Голдберг из Института Флэтайрон.

Дополнительная информация

• Какие ещё космические явления, кроме магнетаров и столкновений нейтронных звёзд, могут участвовать в образовании тяжёлых элементов? - Сверхновые типа II, взрывы белых карликов (типа Ia) и активные ядра галактик также производят тяжёлые элементы через различные процессы нуклеосинтеза.
• Как именно магнетары могут влиять на пригодность экзопланетных систем для жизни? - Мощные гамма-всплески и рентгеновское излучение магнетаров могут разрушать атмосферы планет и подвергать их поверхности смертельным дозам радиации, делая условия непригодными для жизни.

---

Новое открытие показывает, как молекулы могут "приглушать" тепло подобно музыке

Представьте, что вы играете на гитаре — каждый щипок струны создает звуковую волну, которая вибрирует и взаимодействует с другими волнами.

Теперь уменьшите эту концепцию до масштаба отдельной молекулы, заменив звуковые волны колебаниями, переносящими тепло.

Команда инженеров и материаловедов из Департамента машиностроения Пола М. Рэди в Университете Колорадо в Боулдере недавно обнаружила, что эти крошечные тепловые колебания, известные как фононы, могут интерферировать друг с другом, подобно музыкальным нотам — либо усиливая, либо подавляя друг друга в зависимости от того, как молекула "настроена".

Фононная интерференция — явление, которое ранее никогда не измерялось и не наблюдалось при комнатной температуре на молекулярном уровне.

Но эта группа разработала новую методику, позволяющую визуализировать эти микроскопические колебательные процессы.

Пионерское исследование возглавил доцент Лонгджи Цуй и его команда в исследовательской группе Цуя.

Их работа, финансируемая Национальным научным фондом в сотрудничестве с исследователями из Испании (Институт науки о материалах в Мадриде, Автономный университет Мадрида), Италии (Институт химии металлоорганических соединений) и Департамента химии CU Boulder, недавно была опубликована в журнале Nature Materials.

По словам ученых, их открытие поможет исследователям по всему миру лучше понять физическое поведение фононов — основных переносчиков энергии во всех изоляционных материалах.

Они считают, что однажды это открытие может революционизировать управление тепловыделением в электронике и материалах будущего.

"Интерференция — фундаментальное явление", — сказал Цуй, который также сотрудничает с Программой материаловедения и инженерии и Центром экспериментов с квантовыми материалами.

"Если вы сможете понять интерференцию тепловых потоков на мельчайшем уровне, вы сможете создавать устройства, ранее считавшиеся невозможными".

Самый чувствительный "слух" в мире

Цуй отмечает, что молекулярная фононика — изучение фононов в молекулах — уже давно существовала как преимущественно теоретическая дисциплина.

Но для "прослушивания" этих молекулярных мелодий и вибраций требовались невероятно чувствительные "уши", и такой технологии просто не существовало.

До тех пор, пока команда Цуя не вмешалась.

Группа разработала тепловой датчик размером меньше песчинки или даже частицы опилок.

Эта миниатюрная сенсорная система обладает рекордным разрешением, позволяющим захватывать отдельные молекулы и измерять фононные колебания на наименьшем возможном уровне.

Используя эти специально разработанные миниатюрные тепловые датчики, команда изучила теплопередачу через одиночные молекулярные соединения и обнаружила, что определенные молекулярные пути могут вызывать деструктивную интерференцию — столкновение фононных колебаний, снижающее теплопередачу.

Сай Елишала, аспирант лаборатории Цуя и ведущий автор исследования, заявил, что эта работа с использованием их нового сканирующего теплового зонда представляет собой первое наблюдение деструктивной фононной интерференции при комнатной температуре.

Другими словами, команда получила возможность управлять тепловыми потоками на масштабе, где рождаются все материалы — на уровне молекулы.

"Представьте две океанские волны, движущиеся навстречу друг другу. При столкновении они создадут возмущение на границе", — пояснил Елишала.

"Это называется деструктивной интерференцией, и именно это мы наблюдали в эксперименте. Понимание этого явления поможет нам подавлять теплопередачу и улучшать характеристики материалов на беспрецедентно малом масштабе".

Крошечные молекулы — огромный потенциал

Создание сверхчувствительной системы для измерения ранее недоступных фононных явлений — уже достижение.

Но каков реальный потенциал этих микроскопических колебаний?

"Это только начало молекулярной фоники", — заявил Елишала.

"Современные материалы и электроника сталкиваются с множеством проблем, связанных с тепловыделением. Наше исследование поможет изучить химические, физические свойства и тепловое управление в молекулах для решения этих проблем".

Возьмем, к примеру, органический материал, такой как полимер. Его низкая теплопроводность и чувствительность к температурным изменениям часто создают серьезные риски, включая перегрев и деградацию.

Возможно, благодаря исследованиям фононной интерференции ученые и инженеры смогут разработать новую молекулярную структуру.

Такую, которая превратит полимер в металлоподобный материал, способный использовать конструктивную фононную интерференцию для улучшения теплопередачи.

Эта методика может сыграть важную роль в таких областях, как термоэлектричество — преобразование тепла в электричество.

Снижение теплопередачи в этой сфере может повысить эффективность термоэлектрических устройств и открыть новые возможности для чистой энергетики.

По словам исследователей, это исследование — лишь верхушка айсберга.

Их следующие проекты и сотрудничество с химиками CU Boulder расширят изучение этого явления, используя новую методику для исследования других фононных характеристик на молекулярном уровне.

"Фононы существуют практически во всех материалах", — отметил Елишала. "Поэтому с помощью наших сверхчувствительных зондов мы можем направлять развитие любых природных и искусственных материалов на мельчайшем возможном уровне".

Дополнительная информация

• Какие существуют другие методы управления теплопередачей в материалах, кроме фононной интерференции? - Другие методы включают использование наноструктурированных материалов, создание фононных стекол, введение дефектов кристаллической решётки и применение многослойных покрытий для отражения тепловых волн.
• Как именно фононная интерференция может повысить эффективность термоэлектрических устройств? - Фононная интерференция уменьшает теплопроводность материала, сохраняя при этом его электрическую проводимость, что улучшает термоэлектрический КПД (коэффициент полезного действия).

---

Физики впервые сфотографировали "свободные" атомы

Физики из Массачусетского технологического института (MIT) впервые получили изображения отдельных атомов, свободно взаимодействующих в пространстве. Фотографии выявили корреляции между этими "свободными" частицами, которые прежде предсказывались теоретически, но никогда не наблюдались напрямую. Результаты исследования, опубликованные в журнале Physical Review Letters, помогут ученым визуализировать ранее невидимые квантовые явления в реальном пространстве.

Изображения были получены с помощью разработанной командой методики, которая сначала позволяет облаку атомов свободно двигаться и взаимодействовать.

Затем исследователи включают световую решетку, которая на мгновение замораживает атомы на месте, и используют точно настроенные лазеры для быстрого освещения подвешенных атомов, создавая картину их положения до того, как атомы естественным образом рассеются.

Физики применили эту методику для визуализации облаков из различных типов атомов и сделали несколько снимков, ставших первыми в своем роде.

Исследователи напрямую наблюдали атомы, известные как "бозоны", которые группировались вместе в квантовом явлении, образуя волну.

Они также зафиксировали атомы, называемые "фермионами", в процессе образования пар в свободном пространстве - ключевого механизма, обеспечивающего сверхпроводимость.

"Мы можем видеть отдельные атомы в этих интересных облаках и наблюдать, что они делают по отношению друг к другу, что просто прекрасно", - говорит Мартин Цвирляйн, профессор физики MIT имени Томаса А. Франка.

В том же выпуске журнала две другие группы сообщили об использовании аналогичных методов визуализации, включая команду под руководством нобелевского лауреата Вольфганга Кеттерле, профессора физики MIT имени Джона Д. МакАртура.

Группа Кеттерле визуализировала усиленные парные корреляции среди бозонов, в то время как другая группа из Высшей нормальной школы в Париже под руководством Тарика Ефсаха, бывшего постдока в лаборатории Цвирляйна, получила изображение облака невзаимодействующих фермионов.

Исследование Цвирляйна и его коллег выполнено в соавторстве с аспирантами MIT Руисяо Яо, Сунджэ Чи и Минсюань Ван, а также доцентом физики MIT Ричардом Флетчером.

Внутри облака

Диаметр отдельного атома составляет около одной десятой нанометра, что в миллион раз меньше толщины человеческого волоса.

В отличие от волос, атомы ведут себя и взаимодействуют по законам квантовой механики; именно их квантовая природа делает атомы трудными для понимания.

Например, мы не можем одновременно точно знать, где находится атом и как быстро он движется.

Ученые могут использовать различные методы для визуализации отдельных атомов, включая абсорбционную визуализацию, когда лазерный свет освещает облако атомов и отбрасывает его тень на экран камеры.

"Эти методы позволяют увидеть общую форму и структуру облака атомов, но не отдельные атомы", - отмечает Цвирляйн.

"Это как увидеть облако в небе, но не отдельные молекулы воды, из которых оно состоит".

Он и его коллеги использовали совершенно другой подход для прямого изображения взаимодействующих в свободном пространстве атомов.

Их методика, называемая "атомно-разрешенной микроскопией", предполагает сначала удержание облака атомов в слабой ловушке, образованной лазерным лучом.

Эта ловушка содержит атомы в одном месте, где они могут свободно взаимодействовать.

Затем исследователи включают световую решетку, которая замораживает атомы на месте.

После этого второй лазер освещает подвешенные атомы, чья флуоресценция показывает их индивидуальное положение.

"Самое сложное - собрать свет от атомов, не выкипятив их из оптической решетки", - говорит Цвирляйн.

"Можно представить, что если направить на эти атомы огнемет, им это не понравится. За годы мы научились некоторым трюкам, как это сделать. И впервые мы делаем это in-situ, где можем мгновенно заморозить движение атомов, когда они активно взаимодействуют, и увидеть их один за другим. Это делает нашу методику мощнее предыдущих".

Группы и пары

Команда применила метод визуализации для прямого наблюдения взаимодействий как между бозонами, так и между фермионами.

Фотоны являются примером бозонов, а электроны - фермионов.

Атомы могут быть бозонами или фермионами в зависимости от их общего спина, который определяется тем, является ли общее число их протонов, нейтронов и электронов четным или нечетным.

В целом, бозоны притягиваются друг к другу, тогда как фермионы отталкиваются.

Цвирляйн и его коллеги сначала получили изображение облака бозонов, состоящего из атомов натрия.

При низких температурах облако бозонов образует так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна - состояние материи, при котором все бозоны находятся в одном и том же квантовом состоянии.

Кеттерле из MIT был одним из первых, кто создал конденсат Бозе-Эйнштейна из атомов натрия, за что получил Нобелевскую премию по физике в 2001 году.

Группа Цвирляйна теперь может получать изображения отдельных атомов натрия внутри облака, чтобы наблюдать их квантовые взаимодействия.

Давно предсказывалось, что бозоны должны "собираться" вместе, имея повышенную вероятность находиться рядом друг с другом.

Это группирование является прямым следствием их способности делиться одной и той же квантовомеханической волной.

Эта волноподобная характеристика была впервые предсказана физиком Луи де Бройлем.

Именно гипотеза "волны де Бройля" частично положила начало современной квантовой механике.

"Мы понимаем гораздо больше о мире благодаря этой волнообразной природе", - говорит Цвирляйн.

"Но наблюдать эти квантовые, волнообразные эффекты действительно сложно. Однако в нашем новом микроскопе мы можем визуализировать эту волну напрямую".

В своих экспериментах по визуализации команда MIT впервые смогла наблюдать in-situ, как бозоны группируются вместе, разделяя одну квантовую, коррелированную волну де Бройля.

Команда также получила изображение облака из двух типов атомов лития. Каждый тип атома является фермионом, который естественным образом отталкивает себе подобных, но может сильно взаимодействовать с другими определенными типами фермионов.

Получая изображение облака, исследователи наблюдали, что противоположные типы фермионов действительно взаимодействовали и образовывали пары фермионов - связь, которую они впервые смогли увидеть напрямую.

"Этот вид спаривания лежит в основе математической конструкции, которую люди придумали для объяснения экспериментов. Но когда вы видите такие изображения, они показывают на фотографии объект, который был обнаружен в математическом мире", - говорит соавтор исследования Ричард Флетчер.

"Это прекрасное напоминание, что физика - о физических вещах. Это реальность".

В дальнейшем команда планирует применить свою методику визуализации для изучения более экзотических и менее понятных явлений, таких как "физика квантового эффекта Холла" - ситуации, когда взаимодействующие электроны демонстрируют новые коррелированные поведения в присутствии магнитного поля.

"Именно здесь теория становится действительно сложной - где люди начинают рисовать картинки вместо того, чтобы формулировать полноценную теорию, потому что не могут полностью решить ее", - говорит Цвирляйн.

"Теперь мы можем провери

Дополнительная информация

• Какие практические применения может иметь методика атомно-разрешенной микроскопии в других областях науки? - Атомно-силовая микроскопия (АСМ) используется в нанотехнологиях для изучения поверхности материалов, в биологии для визуализации молекул ДНК и белков, а также в электронике для разработки наноструктурных устройств.

• Почему бозоны и фермионы ведут себя по-разному при низких температурах? - Бозоны могут занимать одно и то же квантовое состояние, образуя конденсат Бозе-Эйнштейна, а фермионы подчиняются принципу запрета Паули, что препятствует их переходу в одно состояние даже при сверхнизких температурах.

• Как волна де Бройля связана с современными квантовыми технологиями? - Волны де Бройля лежат в основе квантовых вычислений и квантовой криптографии, так как описывают волновые свойства частиц, используемые в кубитах и квантовой запутанности.

• Почему парные корреляции фермионов важны для понимания сверхпроводимости? - В теории БКШ сверхпроводимость объясняется образованием куперовских пар фермионов, которые благодаря корреляции движутся без сопротивления в кристаллической решетке.

---

Моча вместо воды для эффективного производства зеленого водорода

Исследователи разработали две уникальные энергоэффективные и экономичные системы, использующие мочевину из мочи и сточных вод для генерации водорода.

Эти инновационные системы открывают новые пути для экономически выгодного получения "зеленого" водорода — устойчивого и возобновляемого источника энергии — а также потенциально могут очищать водную среду от азотистых отходов.

Обычно водород производят методом электролиза, расщепляя воду на кислород и водород.

Эта технология перспективна для решения глобального энергетического кризиса, но процесс требует больших энергозатрат, что делает его экономически невыгодным по сравнению с добычей водорода из ископаемого топлива ("серый водород"), которая сама по себе нежелательна из-за выбросов углерода.

В отличие от воды, электролизная система, производящая водород из мочевины, потребляет значительно меньше энергии.

Несмотря на это преимущество, существующие мочевинные системы сталкиваются с рядом ограничений: низкий выход водорода и образование токсичных азотистых побочных продуктов (нитратов и нитритов), которые конкурируют с производством водорода, еще больше снижая общую эффективность системы.

Исследователи из Центра передового опыта ARC по углеродной науке и инновациям (COE-CSI) и Университета Аделаиды разработали две мочевинные электролизные системы, которые преодолевают эти проблемы и могут производить зеленый водород по стоимости, сопоставимой или более низкой, чем производство серого водорода.

Исследования по каждой системе опубликованы в отдельных статьях: одна в журнале Angewandte Chemie International Edition, другая в Nature Communications.

Аспирант Синьтун Гао стал первым автором статьи в Angewandte Chemie International Edition. Он входит в команду университета под руководством главного исследователя COE-CSI профессора Яо Чжэна и профессора Шичжан Цяо, заместителя директора и главного исследователя COE-CSI из Школы химического инжиниринга.

Производство водорода из чистой мочевины — не новость, но команда нашла более доступный и экономичный процесс, использующий мочу как альтернативный источник вместо чистой мочевины.

"Хотя мы не решили все проблемы, при масштабировании наши системы будут производить безвредный азот вместо токсичных нитратов и нитритов, а потребление электроэнергии будет на 20-27% ниже, чем у систем расщепления воды", — говорит профессор Чжэн.

"Нам нужно снизить стоимость производства водорода, но углеродно-нейтральным способом. Система из нашей первой статьи, хотя и использует уникальную безмембранную систему и новый медный катализатор, работала на чистой мочевине, которую производят энергозатратным процессом Габера-Боша с большими выбросами CO2.

"Мы решили эту проблему, используя экологичный источник мочевины — человеческую мочу, что легло в основу системы, описанной во второй статье".

Мочу или мочевину также можно получать из сточных вод с высоким содержанием азотистых отходов.

Однако использование мочи в электрохимической системе создает новую проблему.

Хлорид-ионы в моче вызывают реакцию с образованием хлора, который приводит к необратимой коррозии анода системы, где происходит окисление и потеря электронов.

"В первой системе мы разработали инновационную высокоэффективную безмембранную электролизную систему для производства водорода с низкими затратами. Во второй системе мы создали новый механизм хлор-опосредованного окисления с использованием платиновых катализаторов на углеродной основе для получения водорода из мочи", — объясняет профессор Цяо.

Платина — дорогой, редкий и ограниченный ресурс, и растущий спрос на нее как на каталитический материал неустойчив.

Одна из ключевых миссий Центра передового опыта ARC по углеродной науке и инновациям — разработка прорывных технологий углеродных катализаторов для традиционной энергетики и химической промышленности.

Команда Университета Аделаиды продолжит фундаментальные исследования, разрабатывая углеродные катализаторы без драгоценных металлов для создания безмембранных систем переработки мочи и сточных вод, что позволит снизить стоимость получения зеленого водорода и одновременно очищать сточные воды.

Дополнительная информация

• Какой процент мочевины содержится в человеческой моче по сравнению с другими азотистыми соединениями? - Мочевина составляет около 50% от общего количества азотистых соединений в человеческой моче. Остальные 50% включают креатинин, аммиак, мочевую кислоту и другие соединения.
• Какие еще промышленные процессы, кроме производства водорода, могут использовать мочевину из сточных вод? - Мочевину из сточных вод можно использовать для производства удобрений, в химической промышленности (например, для синтеза меламина), в системах очистки выхлопных газов (SCR-системы) и в косметической промышленности.

---

ИИ-инструмент использует фотографии лиц для оценки биологического возраста и прогнозирования исходов рака

Глаза могут быть зеркалом души, но биологический возраст человека может отражаться в чертах его лица. Исследователи из Mass General Brigham разработали алгоритм глубокого обучения FaceAge, который использует фотографию лица человека для прогнозирования биологического возраста и выживаемости пациентов с онкологическими заболеваниями. Они обнаружили, что у пациентов с раком FaceAge в среднем был выше, чем у здоровых людей, и они выглядели примерно на пять лет старше своего хронологического возраста. Более высокие показатели FaceAge были связаны с худшими показателями общей выживаемости при различных типах рака. Также выяснилось, что FaceAge превзошел врачей в прогнозировании краткосрочной продолжительности жизни пациентов, получающих паллиативную лучевую терапию. Результаты исследования опубликованы в The Lancet Digital Health.

"Мы можем использовать искусственный интеллект (ИИ) для оценки биологического возраста человека по фотографиям лица, и наше исследование показывает, что эта информация может иметь клиническое значение", — сказал соавтор исследования Хьюго Аертс, доктор философии, директор программы Artificial Intelligence in Medicine (AIM) в Mass General Brigham.

"Эта работа демонстрирует, что простая фотография, например селфи, содержит важную информацию, которая может помочь в принятии клинических решений и планировании ухода за пациентами. То, насколько человек выглядит старше или моложе своего хронологического возраста, действительно имеет значение — пациенты, чей FaceAge моложе их реального возраста, показывают значительно лучшие результаты после терапии рака".

Когда пациенты заходят в кабинет врача, их внешний вид может дать специалисту подсказки об общем состоянии здоровья и жизненной силе.

Эти интуитивные оценки в сочетании с хронологическим возрастом пациента и другими биологическими показателями могут помочь определить оптимальный курс лечения.

Однако, как и все люди, врачи могут иметь предубеждения относительно возраста пациента, что может влиять на их решения. Это создает потребность в более объективных прогностических методах для принятия клинических решений.

С этой целью исследователи из Mass General Brigham использовали технологии глубокого обучения и распознавания лиц для создания FaceAge.

Инструмент обучался на 58 851 фотографии предположительно здоровых людей из открытых баз данных.

Команда протестировала алгоритм на когорте из 6 196 онкологических пациентов из двух медицинских центров, используя фотографии, сделанные в начале курса лучевой терапии.

Результаты показали, что пациенты с раком выглядят значительно старше здоровых людей, а их FaceAge в среднем был примерно на пять лет выше хронологического возраста.

В когорте онкологических пациентов более высокий FaceAge был связан с худшими показателями выживаемости, особенно у тех, кто выглядел старше 85 лет, даже после учета хронологического возраста, пола и типа рака.

Оценка продолжительности жизни на терминальной стадии рака сложна, но имеет важное значение для выбора лечения.

Команда попросила 10 врачей и исследователей предсказать краткосрочную выживаемость по 100 фотографиям пациентов, получающих паллиативную лучевую терапию.

Хотя результаты варьировались, в целом прогнозы врачей были лишь немногим лучше случайного угадывания, даже после предоставления клинического контекста, такого как хронологический возраст и статус рака.

Однако, когда врачам также предоставляли информацию о FaceAge пациента, точность их прогнозов значительно повышалась.

Прежде чем эту технологию можно будет использовать в реальной клинической практике, необходимы дополнительные исследования.

Исследовательская группа тестирует этот инструмент для прогнозирования заболеваний, общего состояния здоровья и продолжительности жизни.

Дальнейшие исследования включают расширение работы в разных больницах, изучение пациентов на разных стадиях рака, отслеживание изменений FaceAge с течением времени и проверку точности на данных после пластических операций и использования макияжа.

"Это открывает двери для совершенно нового направления в открытии биомаркеров по фотографиям, и его потенциал выходит далеко за рамки онкологии или прогнозирования возраста", — сказал соавтор исследования Рэй Мак, доктор медицины, сотрудник программы AIM в Mass General Brigham. "Поскольку мы все чаще рассматриваем различные хронические заболевания как болезни старения, становится еще важнее точно предсказывать траекторию старения человека. Я надеюсь, что в конечном итоге мы сможем использовать эту технологию как систему раннего обнаружения в различных областях, в рамках строгих регуляторных и этических норм, чтобы помочь спасать жизни".

Дополнительная информация

• Какие конкретные черты лица анализирует алгоритм FaceAge для определения биологического возраста? - Алгоритм анализирует глубину морщин, степень провисания кожи, пигментацию, состояние контуров лица и изменения в текстуре кожи.
• Как именно биологический возраст связан с прогрессированием онкологических заболеваний на молекулярном уровне? - С возрастом в клетках накапливаются повреждения ДНК, снижается эффективность репарационных механизмов и нарушается регуляция клеточного деления, что увеличивает риск мутаций и развития опухолей.

---

Группы шимпанзе используют уникальные ритмы при барабанной дроби

Новое исследование команды когнитивных ученых и эволюционных биологов показало, что шимпанзе ритмично барабанят, соблюдая регулярные интервалы между ударами. Результаты, опубликованные 9 мая в журнале Current Biology издательства Cell Press, демонстрируют, что восточные и западные шимпанзе — два различных подвида — используют различимые ритмы. Ученые утверждают, что эти данные свидетельствуют: основы человеческой музыкальности возникли у общего предка шимпанзе и людей.

«Основываясь на наших предыдущих исследованиях, мы ожидали, что западные шимпанзе будут использовать больше ударов и барабанить быстрее, чем восточные, — говорит ведущий автор исследования Веста Элеутери из Венского университета (Австрия). — Но мы не ожидали увидеть такие явные различия в ритме или обнаружить, что их барабанные ритмы имеют столь явное сходство с человеческой музыкой».

Ранее исследования показали, что шимпанзе издают низкочастотные звуки, барабаня по опорным корням — крупным, широким корням, растущим над почвой. Ученые предполагают, что приматы используют эти ударные паттерны для передачи информации как на большие, так и на малые расстояния.

«Наше предыдущее исследование показало, что у каждого шимпанзе есть свой уникальный стиль барабанной дроби, и что барабанение помогает другим членам группы понимать, где они находятся и что делают — своего рода способ поддерживать связь в тропическом лесу, — объясняет Элеутери. — Но мы не знали, есть ли различия в стилях барабанения между разными группами шимпанзе и является ли их барабанение ритмичным, как в человеческой музыке».

Чтобы выяснить это, Элеутери и ее команда, включая старших авторов Кэтрин Хобайтер из Университета Сент-Эндрюс (Великобритания) и Андреа Равиньяни из Римского университета Сапиенца, объединились с другими исследователями шимпанзе для изучения 371 сеанса барабанной дроби в 11 сообществах приматов, включая шесть популяций и два подвида.

Проанализировав паттерны барабанения, ученые обнаружили, что шимпанзе используют ритм, а временные интервалы между ударами не случайны и часто равномерны. Подвиды также продемонстрировали различия: западные шимпанзе использовали равномерные интервалы, тогда как восточные чаще чередовали короткие и длинные паузы между ударами.

Также выяснилось, что западные шимпанзе наносят больше ударов в более быстром темпе и начинают барабанить раньше в последовательности своих вокализаций «пант-хута».

«Создание музыки — фундаментальная часть человеческой природы, но мы не знаем, как долго мы этим занимаемся, — отмечает Хобайтер. — Демонстрация того, что шимпанзе разделяют некоторые фундаментальные свойства человеческого музыкального ритма в своем барабанении, — это действительно захватывающий шаг в понимании того, когда и как мы развили этот навык. Наши результаты позволяют предположить, что наша способность ритмично барабанить могла существовать задолго до того, как мы стали людьми».

---

Расцвет и упадок прерий: новое исследование раскрывает причины древних климатических изменений

Длительный период засухи в Северной Америке был известен ученым на протяжении десятилетий. Новое исследование связывает суровый климат с изменениями орбиты Земли.

Исследование Университета Хельсинки предложило новое убедительное объяснение разрушительных засух, происходивших в Северной Америке тысячи лет назад. Этот период, известный как голоцен, охватывает время в целом теплого климата после последнего ледникового периода. Эти исключительно продолжительные засухи оказали радикальное воздействие на гибель лесов и трансформацию экосистем; понимание их причин крайне важно для повышения устойчивости общества к будущим климатическим изменениям.

Однако причины этих длительных засух оставались неясными. В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, ученые из Университета Хельсинки совместно с коллегами из исследовательских институтов США, Германии и Швеции проанализировали развитие и причины засухи в восточной части Северной Америки — в обширном регионе от Скалистых гор до Атлантического океана.

«Данные за последние 11 000 лет показывают, что водные ресурсы Северной Америки в прошлом менялись кардинально, иногда приводя к засухам, столь же суровым, как засуха 1930-х годов (Dust Bowl), которые длились веками и даже тысячелетиями. Понимание причин и последствий этих засух может помочь улучшить нашу способность прогнозировать будущие изменения», — объясняет Брайан Шуман, соавтор исследования из Университета Вайоминга.

В новом исследовании ученые использовали данные о ископаемых пыльцевых зернах, собранных в различных местах Северной Америки за последние десятилетия. С помощью компьютерного алгоритма на основе машинного обучения исследователи смогли реконструировать изменения уровня влажности в течение голоцена на основе ископаемой пыльцы.

Исследование возглавил Я. Сакари Салонен, научный сотрудник Академии Финляндии на кафедре геонаук и географии Университета Хельсинки. По словам Салонена, исследование подтверждает, что условия влажности в течение тысяч лет были постоянно ниже современных уровней.

Однако Салонен отмечает, что разные части Северной Америки пережили разные истории засух. «Сначала засушливые условия появились на северо-востоке США и в соседних регионах Канады, которые сегодня являются одними из самых влажных районов Северной Америки. Здесь пик засухи наблюдался уже 11 000 лет назад», — говорит Салонен.

Затем засуха сместилась на запад. Салонен объясняет: «В центральной части континента, где сегодня расположены прерии, самая сильная засуха наблюдалась около 7000 лет назад, то есть на тысячи лет позже, чем на Атлантическом побережье. К этому времени побережье уже становилось более влажным, и это похоже на то, как если бы весь климатический аномалия, вызвавшая тысячелетнюю засуху, начала мигрировать на запад».

«Особенно на востоке США сегодня часто существует представление, что вода всегда доступна. Однако исследования прошлого показывают, что эти длительные засухи могут вызывать серьезные изменения в режиме пожаров и гибель деревьев, даже на востоке. Поэтому крайне важно понимать пространственные закономерности этих засух и их причины», — говорит Джек Уильямс из Университета Висконсин-Мэдисон, который также участвовал в исследовании.

Исследователи сравнили свои реконструкции климата голоцена с численными климатическими моделями, которые они запускали для тех же временных периодов. Эти эксперименты на суперкомпьютерах позволили ученым выяснить, что могло стать причиной длительных засух.

Фредерик Шенк, атмосферный физик из Стокгольмского университета и приглашенный ученый в Университете Хельсинки, сообщает, что новое поколение климатических моделей, выполненных с разрешением в 2–4 раза выше, чем раньше, оказалось решающим для раскрытия причин засухи.

Причины, выявленные климатическими моделями, по словам Шенка, двояки. «Модели показывают, что в раннем голоцене система высокого давления над ледяным щитом, оставшимся в северной части континента, направляла перенос влаги, что объясняет географический сдвиг засушливых условий», — говорит Шенк. После таяния ледяного щита засуха охватила весь регион, поскольку лета становились все более теплыми и сухими.

Засуха голоцена имеет интересные параллели с будущим климатом, который, как ожидается, установится в Северной Америке в ближайшие десятилетия по мере развития антропогенного изменения климата. К концу этого века большая часть Северной Америки, согласно прогнозам, станет все более сухой, несмотря на постепенное увеличение осадков. Это связано с тем, что увеличение испарения из-за потепления климата, как ожидается, высушит поверхностные почвы даже при увеличении количества осадков.

Исследователи отмечают, что именно это они видят в своих моделях засухи голоцена. «В целом, более теплый климат будет более влажным. Но это не относится ко всем регионам. Как видно из наших результатов, существуют четкие региональные пределы того, сколько осадков может компенсировать испарение, вызванное потеплением. Для сильного летнего потепления в прошлом баланс просто не складывался, что привело к тысячелетним засухам», — объясняет Шенк.

Однако основные причины прошлых и будущих засух различны. В раннем голоцене высыхание было вызвано медленным изменением орбиты Земли, из-за которого лета становились теплее, что в конечном итоге привело к засухе на большей части Северной Америки. Сейчас продолжающееся потепление и прогнозируемые более сухие условия обусловлены быстрым увеличением содержания парниковых газов в атмосфере.

«Если климатические прогнозы на этот век окажутся верными, мы увидим ускоренное повторение того, что происходило по естественным причинам десять тысяч лет назад», — говорит Салонен.

Изменения орбиты Земли управляют долгосрочными климатическими изменениями

Долгосрочные естественные изменения климата в значительной степени зависят от постепенных изменений орбиты Земли. Эти изменения, влияющие, например, на наклон оси вращения Земли и форму эллиптической орбиты Земли вокруг Солнца, известны как циклы Миланковича и имеют периодичность от примерно 26 000 до 100 000 лет.

В течение четвертичного периода (последние 2,6 миллиона лет) циклы Миланковича вызывали повторяющиеся ледниковые периоды и промежуточные теплые периоды, известные как межледниковья. Пик последнего ледникового периода, примерно 20 000 лет назад, наступил, когда северное полушарие получало сравнительно мало солнечного света из-за геометрии орбиты Земли, что позволило крупным ледяным щитам накапливаться в северных частях Северной Америки и Европы.

К 10 000 лет назад изменение орбиты привело к таянию большей части северных ледяных щитов, уступив место голоцену — текущему межледниковью. В период наибольшего потепления, около 10 000–4000 лет назад, известный как голоценовый климатический оптимум, многие части Земли были значительно теплее, чем в доиндустриальную эпоху. Новые результаты исследователей Университета Хель

Дополнительная информация

• Как именно циклы Миланковича влияют на климат Земли? - Циклы Миланковича (изменения орбиты Земли, наклона оси и прецессии) регулируют распределение солнечной радиации, что приводит к чередованию ледниковых и межледниковых периодов.
• Какие другие методы, кроме анализа ископаемой пыльцы, используются для реконструкции древнего климата? - Ледяные керны, донные отложения, годичные кольца деревьев, коралловые отложения и изотопный анализ раковин микроорганизмов.
• Почему увеличение осадков не всегда компенсирует высыхание почвы при потеплении климата? - Из-за роста испаряемости и неравномерного распределения осадков (ливни вместо равномерных дождей), что снижает эффективность увлажнения почвы.
• Как именно ледяной щит влиял на формирование системы высокого давления и засушливых условий? - Ледяные щиты отражают солнечный свет (высокое альбедо), охлаждая прилегающие территории и усиливая нисходящие воздушные потоки, что создает зоны высокого давления и засухи.

---

Умное губчатое устройство добывает воду из воздуха

Инженеры из Австралии и Китая изобрели устройство, похожее на губку, которое собирает воду из воздуха и затем выделяет её в чашку, используя энергию солнца — даже при низкой влажности, где другие технологии, такие как сбор тумана или радиационное охлаждение, работают плохо.

Устройство для добычи воды из воздуха сохраняло эффективность в широком диапазоне уровней влажности (30–90%) и температур (5–55 градусов Цельсия).

Ведущий исследователь доктор Дерек Хао из Университета RMIT в Мельбурне пояснил, что изобретение использует естественную губчатую структуру обработанного бальсового дерева, модифицированную для поглощения воды из атмосферы и её выделения по требованию.

Разработанный командой древесный композит помещается в чашку с куполообразной крышкой, поддоном для защиты от загрязнений, охлаждающим механизмом и системой активации, работающей на солнечной энергии.

«Миллиарды людей во всём мире не имеют доступа к питьевой воде, а миллионы ежегодно умирают от заболеваний, передающихся через воду», — отметил Хао, специалист по материаловедению и инженер-эколог Школы науки RMIT.

Хао выступил ответственным автором исследования, проведённого в сотрудничестве с пятью китайскими научными учреждениями под руководством доктора Цзюньфэна Хоу из Чжэцзянского университета лесоводства и сельского хозяйства.

«Наша команда создала устройство, включающее губчатую структуру древесины, хлорид лития, наночастицы оксида железа, слой углеродных нанотрубок и другие специальные элементы», — пояснил Хао.

Команда использовала искусственный интеллект для точного прогнозирования и оптимизации работы устройства по сбору и выделению воды в различных условиях окружающей среды.

Переломный момент

Губчатый материал, представляющий собой лабораторный прототип ранней стадии, поглощает влагу из атмосферы при открытой крышке чашки.

Когда крышка закрывается под солнечным светом, вода выделяется в чашку.

В лабораторных условиях устройство поглощало около 2 миллилитров воды на грамм материала при относительной влажности 90% и выделяло почти всю воду в течение 10 часов на солнце — это выше, чем у большинства известных методов, и при меньших затратах.

Девять губчатых кубиков весом 0,8 грамма каждый могут поглотить и выделить в чашку 15 миллилитров воды.

«В полевых испытаниях наше устройство собрало 2,5 миллилитра воды на грамм за ночь и выделило большую часть днём, достигнув суточной эффективности сбора воды в 94%», — сообщил Хоу.

«При влажности 30% устройство поглощало около 0,6 миллилитра воды на грамм.

Эти результаты подчёркивают его потенциал для использования в автономных, солнечных системах сбора воды».

Преимущества природного дизайна

Хао отметил, что использование натурального дерева в качестве основы не только снижает затраты, но и обеспечивает структурную целостность и улучшает транспорт воды благодаря пористой архитектуре.

«Эти особенности позволяют производить материал в больших количествах и применять его в реальных условиях, например для сбора воды в отдалённых или засушливых регионах», — сказал он.

«Устройство сохраняло гибкость и водопоглощающую функцию даже после хранения при −20 градусах Цельсия в течение 20 дней, демонстрируя отличную морозостойкость.

Его эффективность поглощения и выделения влаги оставалась стабильной в течение 10 циклов подряд с падением эффективности менее чем на 12%».

Возможные применения и масштабируемость

Хао заявил, что устройство может быть полезно в чрезвычайных ситуациях, например после стихийных бедствий, нарушающих водоснабжение, если команда сможет масштабировать и оптимизировать модульную инновацию.

«Текущий демонстрационный образец имеет размер 15 кубических миллиметров. Очень легко изготовить более крупный блок или объединить несколько блоков в массив», — пояснил Хао.

«Его способность добывать питьевую воду из атмосферы, используя только солнечный свет, делает его бесценным в пострадавших от катастроф районах, где традиционные источники воды недоступны. Портативность системы и зависимость от возобновляемой энергии ещё больше расширяют её применимость в таких условиях».

Хао подчеркнул, что материал разрабатывался с учётом масштабируемости и доступности.

«Основной компонент — бальсовое дерево — широко доступен, биоразлагаем и дёшев, а процесс производства не сложен, что позволяет наладить массовое производство.

Стабильная работа в различных условиях и при многократном использовании указывает на долговечность и экономическую эффективность».

Хао сообщил, что команда ведёт переговоры с потенциальными промышленными партнёрами о пилотном производстве и полевом внедрении, а также интеграции в модульные системы добычи воды из воздуха.

«Солнечные панели в сочетании с системами хранения тепловой энергии могут обеспечить круглосуточную работу, особенно в районах с непостоянным солнечным светом», — добавил он.

Разработка автоматизированных систем управления с использованием датчиков Интернета вещей для мониторинга относительной влажности, температуры и интенсивности солнечного света может дополнительно оптимизировать циклы сбора воды, отметил Хао.

«На основе искусственного интеллекта, использованного в исследовании, можно разработать более продвинутые платформы для тестирования новых комбинаций материалов и прогнозирования долгосрочной эффективности поглощения и выделения воды», — заключил он.

Дополнительная информация

• Какие ещё природные материалы могут быть использованы для создания подобных устройств сбора воды из воздуха? - Помимо гидрогелей, для сбора воды из воздуха могут использоваться такие материалы, как цеолиты (минералы с пористой структурой), MOF (металлоорганические каркасы), а также биомиметические поверхности, имитирующие структуру листьев растений (например, кактусов или жуков-накопителей воды).
• Как именно искусственный интеллект помогает оптимизировать работу этого устройства? - ИИ анализирует данные о влажности, температуре и солнечной активности, чтобы предсказать оптимальное время для сбора воды, а также регулирует работу материалов (например, изменение пористости гидрогелей) для максимальной эффективности.

---

Употребление ультрапереработанных продуктов может нанести вред здоровью

Потребление ультрапереработанных продуктов, таких как сладкие газированные напитки, картофельные чипсы и упакованное печенье, может быть связано с негативными последствиями для здоровья, согласно исследованию, представленному на конференции ACC Asia 2025 Together with SCS 36th Annual Scientific Meeting, которая пройдет 9–11 мая в Сингапуре. Риск развития гипертонии, других сердечно-сосудистых заболеваний, рака, болезней пищеварения, смертности и других проблем возрастает с каждыми дополнительными 100 граммами ультрапереработанных продуктов, потребляемых ежедневно.

«Ультрапереработанные продукты характеризуются высоким содержанием сахара, соли и других ненутритивных компонентов, обладая низкой питательной ценностью при высокой калорийности», — сказал доктор Сяо Лю из отделения кардиологии Мемориального госпиталя Сунь Ятсена при Университете Сунь Ятсена в Гуанчжоу, Китай.

«Эти продукты могут способствовать негативным последствиям для здоровья через множество механизмов, включая, но не ограничиваясь, дисрегуляцию липидного профиля крови, изменения в составе микробиоты кишечника, способствование ожирению, провоцирование системного воспаления, усиление окислительного стресса и ухудшение чувствительности к инсулину».

Систематический обзор включил 41 проспективное когортное исследование, проведенное в Америке, Европе, Азии и Океании, в которых оценивалась связь между ультрапереработанными продуктами и последствиями для здоровья до апреля 2024 года.

В совокупности исследования охватили 8 286 940 взрослых пациентов в возрасте от 18 лет и старше из общей популяции (30,8% мужчин, 69,2% женщин).

Все включенные исследования использовали систему классификации продуктов Nova, определяя ультрапереработанные продукты как промышленно изготовленные пищевые изделия, полученные из натуральных продуктов или других органических компонентов.

Эти продукты подвергаются многоэтапной переработке и обычно содержат значительное количество пищевых добавок, включая консерванты, красители и усилители вкуса.

По словам исследователей, типичные примеры ультрапереработанных продуктов включают коммерчески производимый хлеб, сладкие газированные напитки, картофельные чипсы, шоколадные кондитерские изделия, конфеты, упакованное печенье и т. д.

Исследование показало, что потребление ультрапереработанных продуктов связано с гипертонией, сердечно-сосудистыми заболеваниями, раком, болезнями пищеварения и общей смертностью.

Каждые дополнительные 100 г ультрапереработанных продуктов в день были связаны с повышением риска гипертонии на 14,5%, сердечно-сосудистых событий — на 5,9%, рака — на 1,2%, болезней пищеварения — на 19,5% и общей смертности — на 2,6%.

Исследователи также отметили повышенный риск ожирения/избыточного веса, метаболического синдрома/диабета и депрессии/тревожности.

Для оценки качества доказательств в анализе использовалась система GRADE (Grading of Recommendations Assessment, Development, and Evaluation).

Оценка по системе GRADE показала высокую или умеренную достоверность для большинства исходов, за исключением метаболического синдрома/диабета, где достоверность была низкой.

«Врачи должны четко объяснять, что ультрапереработанные продукты обычно содержат много добавленного сахара, натрия и нездоровых жиров, но при этом бедны клетчаткой, необходимыми витаминами и другими защитными нутриентами. Этот дисбаланс способствует широкому спектру негативных последствий для здоровья», — сказал Лю.

«Появляющиеся данные свидетельствуют о дозозависимой связи между потреблением ультрапереработанных продуктов и ухудшением здоровья — то есть чем больше таких продуктов потребляется, тем выше риски. Поэтому даже умеренное сокращение их потребления может принести измеримую пользу для здоровья».

По словам исследователей, правительства могут рассмотреть меры по снижению потребления ультрапереработанных продуктов и смягчению связанных с ними последствий для здоровья.

Среди предлагаемых мер — введение строгих правил маркировки продуктов, требующих от производителей указывать полный состав, особенно все добавки в ультрапереработанных продуктах, отметил Лю.

Врачи также должны рекомендовать пациентам постепенно сокращать потребление таких продуктов, заменяя их более питательными, минимально обработанными альтернативами.

Хотя исследование ограничено различиями в определениях ультрапереработанных продуктов, что влияет на обобщаемость и сопоставимость данных, Лю подчеркнул, что выводы касаются не только того, чего следует избегать, но и того, что стоит включить в рацион.

Растущие данные связывают пользу для здоровья с цельными продуктами, простыми ингредиентами и культурно адаптированными моделями здорового питания, такими как средиземноморская или DASH-диета. Для дальнейшего изучения этой темы необходимы дополнительные высококачественные исследования.

Дополнительная информация

• Как система классификации Nova определяет ультрапереработанные продукты? - Система Nova относит к ультрапереработанным продуктам те, которые подверглись интенсивной промышленной обработке, содержат искусственные добавки, эмульгаторы, красители и другие ингредиенты, не встречающиеся в домашней кухне. Примеры: газированные напитки, фастфуд, готовые закуски.
• Какие конкретные меры предлагаются для снижения потребления ультрапереработанных продуктов? - Предлагаемые меры включают введение налогов на такие продукты, обязательную маркировку, ограничение рекламы (особенно для детей), а также образовательные программы о здоровом питании.

---

Разгадка кода: как бетон может самовосстанавливаться

Представьте, что бетон заживляет свои трещины, подобно тому, как человеческая кожа восстанавливается после пореза. Именно такое видение лежит в основе последнего исследования доктора Конгруи Грейс Джин, опубликованного в журнале Materials Today Communications.

Решая одну из самых сложных и дорогостоящих проблем в строительстве, Джин, доцент кафедры инженерных технологий и промышленного распределения, вдохновилась природой, чтобы разработать синтетическую систему лишайников, позволяющую бетону самовосстанавливаться.

Бетон — самый распространенный строительный материал на Земле, но у него есть опасный недостаток: он легко трескается. Эти трещины, большие и маленькие, могут привести к катастрофическим разрушениям конструкций, как это случалось при обрушении зданий, мостов или автомагистралей.

Ключ к решению этой проблемы кроется в понимании того, как формируется бетон и как можно использовать этот процесс. Бетон создается путем смешивания щебня и песка с порошкообразной глиной и известняком. При добавлении воды смесь затвердевает в результате химической реакции, называемой гидратацией. После застывания он становится достаточно прочным, чтобы выдерживать всё — от 18-колесных грузовиков, пересекающих мосты, до людей, живущих в небоскребах. Однако природные факторы, такие как циклы замораживания-оттаивания, усадка при высыхании и большие нагрузки, вызывают трещины. Даже те, которые едва видны невооруженным глазом, могут позволить жидкостям и газам достичь стальной арматуры, вызывая коррозию и ослабляя конструкции.

Обнаружение трещин до того, как они станут угрозой для жизни, — сложная и дорогостоящая задача. США ежегодно тратят десятки миллиардов долларов на ремонт бетонной инфраструктуры. Особенно трудно находить трещины в мостах и автомагистралях, которые постоянно используются.

«Микробно-опосредованный самовосстанавливающийся бетон исследуется уже более трех десятилетий, — говорит Джин, — но у него остается один серьезный недостаток: ни один из существующих методов самовосстановления не является полностью автономным, поскольку все они требуют внешней подачи питательных веществ для агентов, производящих ремонтные материалы». Например, после того как инспекторы с трудом находят трещину, им может потребоваться ввести или распылить в нее питательные вещества, что не всегда практично.

Решение Джин? Использовать систему лишайников, чтобы бетон мог самовосстанавливаться без внешнего вмешательства.

Лишайники — неприметные обитатели нашего мира, часто растущие на деревьях и камнях. Их истинная красота заключается в уникальной симбиотической системе грибов и водорослей (или цианобактерий), образующих самоподдерживающееся партнерство, позволяющее им выживать даже в самых суровых условиях.

Вдохновившись этим, Джин и ее коллеги — доктор Ричард Уилсон, Ниша Рокайя и Эрин Карр из Университета Небраски-Линкольна — при поддержке программы Young Faculty Award от DARPA создали синтетическую систему лишайников, работающую по аналогии с природной.

Их система использует цианобактерии, превращающие воздух и солнечный свет в пищу, и нитчатые грибы, производящие минералы, которые заделывают трещины. Работая вместе, эти микроорганизмы выживают только за счет воздуха, света и воды. Автономность этой системы отличает ее от предыдущих попыток создания самовосстанавливающегося бетона.

В лабораторных испытаниях эти пары микроорганизмов смогли расти и производить минералы, заполняющие трещины, даже в таких сложных условиях, как бетон.

Джин выходит за рамки лаборатории, рассматривая более широкие последствия своей работы. Она сотрудничает с профессорами из отделов социальных наук Техасского университета A&M, чтобы лучше понять, как общество воспринимает использование живых организмов в строительстве, а также связанные с этим этические, социальные, экологические и юридические вопросы.

Это революционное исследование имеет далеко идущий потенциал и применение.

Самовосстанавливающийся бетон может значительно сократить затраты на обслуживание, увеличить срок его службы и даже спасти жизни благодаря повышению безопасности. Он также может оказать значительное влияние на все аспекты устойчивого строительства, включая космическую инфраструктуру.

Дополнительная информация

• Как цианобактерии и нитчатые грибы взаимодействуют в системе самовосстанавливающегося бетона? - Цианобактерии производят карбонат кальция, заполняя трещины, а нитчатые грибы образуют мицелиальную сеть, укрепляющую структуру и распределяющую питательные вещества для бактерий.
• Какие конкретные этические и юридические вопросы могут возникнуть при использовании живых организмов в строительных материалах? - Основные проблемы: контроль за распространением ГМО-организмов, потенциальные аллергенные реакции у людей, долгосрочное воздействие на экосистемы и необходимость специальных нормативов для "живых" строительных материалов.

---

Нейробиологи точно определили, где (и как) перестраиваются нейронные цепи при обучении новым движениям

Новаторское исследование, опубликованное учеными Калифорнийского университета в Сан-Диего, меняет научное понимание процессов обучения. Результаты, опубликованные в журнале Nature при поддержке Национальных институтов здоровья и Национального научного фонда США, дают новое представление о том, как изменяется нейронная проводка мозга в процессе обучения, открывая путь к новым методам лечения и технологиям помощи при неврологических расстройствах.

Долгое время нейробиологи выделяли первичную моторную кору (М1) в лобной доле мозга как центр передачи сигналов, связанных со сложными движениями в процессе обучения.

В последнее время моторный таламус, расположенный в центре мозга, также стали рассматривать как область, влияющую на М1 при обучении двигательным навыкам.

Однако даже с такими достижениями оставалось неясным, как именно происходит этот процесс обучения, главным образом из-за сложности мониторинга взаимодействий клеток между различными областями мозга.

Исследовательская группа под руководством профессора Такаки Комиямы впервые описала эти механизмы у мышей, используя мощные нейробиологические методы.

Применяя высокотехнологичную визуализацию и новый метод анализа данных, ученые идентифицировали таламокортикальный путь — коммуникационный мост между таламусом и корой — как ключевую область, которая изменяется в процессе обучения.

Помимо выявления основного пути, исследователи обнаружили, что связи между регионами физически изменяются во время обучения.

Моторное обучение не просто регулирует уровни активности — оно буквально лепит нейронную проводку, утончая взаимодействие между таламусом и корой на клеточном уровне.

"Наши результаты показывают, что обучение выходит за рамки локальных изменений — оно перестраивает коммуникацию между областями мозга, делая ее быстрее, сильнее и точнее", — говорит Асаф Рамот, ведущий автор исследования и постдокторант лаборатории Комиямы.

"Обучение не просто меняет то, что делает мозг — оно меняет то, как мозг устроен для этого".

Исследование, в ходе которого мыши осваивали специфические движения, показало, что обучение вызывает целенаправленную реорганизацию взаимодействия таламуса и коры.

Во время обучения таламус активировал нейроны М1, кодирующие изучаемое движение, и подавлял активацию нейронов, не связанных с осваиваемым действием.

"В процессе обучения таламус генерирует эти параллельные и точные изменения, активируя определенную подгруппу нейронов М1, которые затем активируют другие нейроны М1 для создания усвоенного паттерна активности", — объясняет Комияма, профессор кафедр нейробиологии (Школа биологических наук) и нейронаук (Медицинская школа), сотрудник Института науки о данных Халичоглу и Института мозга и разума Кавли.

Для фокусировки на активности конкретных нейронов — ключевого аспекта исследования — ученые разработали новый аналитический метод ShaReD (Shared Representation Discovery) совместно с доцентом нейробиологии Маркусом Бенной и аспирантом Феликсом Ташбахом, соавторами исследования.

По словам Ташбаха, руководившего разработкой метода анализа данных, идентификация поведенческих паттернов, общих для разных субъектов, представляет значительную сложность, поскольку поведение и его нейронные представления могут существенно различаться у разных животных.

Для решения этой проблемы исследователи создали ShaReD, который выявляет единое общее поведенческое представление, коррелирующее с нейронной активностью у разных особей, позволяя сопоставлять тонкие поведенческие особенности с активностью различных нейронов у каждого животного.

Существующие методы обычно используют искусственное выравнивание для уменьшения индивидуальных вариаций — подобно требованию, чтобы все следовали точно по одному маршруту.

В отличие от этого, ShaReD работает скорее как идентификация ориентиров, которые помогают путешественникам ориентироваться независимо от выбранного маршрута.

Метод ShaReD стал ключевым для выводов исследования.

"Этот новый метод позволяет нам объединять данные множества экспериментов, делая детальные открытия, которые были бы невозможны при анализе ограниченного количества релевантных нейронов в отдельном мозге", — отмечает Бенна, вычислительный нейробиолог и соавтор исследования.

Новая работа — второе недавнее исследование лаборатории Комиямы, проливающее свет на механизмы обучения мозга.

В апреле Уильям Райт, Натан Хедрик и Комияма опубликовали в Science статью, описывающую множественные правила, которым следуют нейроны в процессе обучения, причем синапсы в разных областях подчиняются разным правилам.

С результатами исследования в Nature ученые углубили понимание процесса обучения, предложив новую комплексную модель формирования нейронных цепей, лежащих в основе освоенных движений.

Новые данные также вселяют надежду для страдающих неврологическими расстройствами.

"Исследование показывает, что обучение — это не просто повторение", — говорит Рамот.

"Это буквально целенаправленная перестройка мозга. Будь то освоение нового навыка, восстановление после инсульта или использование нейропротеза, понимание того, как области мозга реорганизуют свою коммуникацию, поможет разрабатывать более эффективные терапии и технологии, работающие в гармонии с естественными механизмами обучения мозга".

Статья посвящена памяти Ань У, научного сотрудника лаборатории Комиямы, трагически погибшей при пожаре в Монреале в 2023 году. Ее вспоминают как выдающегося нейробиолога, обогатившего жизни многих людей.

Дополнительная информация

• Какие существуют современные методы лечения неврологических расстройств, основанные на нейропластичности? - Современные методы включают транскраниальную магнитную стимуляцию (ТМС), когнитивно-поведенческую терапию (КПТ), методы биологической обратной связи и специализированные программы двигательной реабилитации, которые помогают мозгу перестраивать нейронные связи.
• Как метод ShaReD сравнивается с другими современными методами анализа нейронной активности? - Метод ShaReD (Shared Response Decomposition) отличается от традиционных методов, таких как fMRI или EEG, тем, что фокусируется на выявлении общих паттернов активности мозга у разных людей при выполнении одинаковых задач, что повышает точность анализа групповых данных.

---

Новый класс молекул для борьбы с раковыми клетками, устойчивыми к стандартному лечению

Современные методы лечения рака в основном нацелены на первичные опухолевые клетки, которые быстро размножаются, но не эффективно уничтожают специфические раковые клетки, способные адаптироваться к существующим методам лечения и обладающие высоким метастатическим потенциалом1. Однако метастазы являются причиной 70% смертей от рака.

Французская исследовательская группа из Института Кюри, CNRS и Inserm разработала новый класс малых молекул, которые вызывают разрушение клеточных мембран и, следовательно, гибель клеток. Исследование, проведенное под руководством ученых из Лаборатории биомедицины (Институт Кюри/CNRS/Inserm)2, основано на уникальных свойствах так называемых персистирующих раковых клеток, устойчивых к лекарствам и обладающих высоким метастатическим потенциалом. Эти клетки экспрессируют большое количество белка CD44 на своей поверхности, что позволяет им поглощать больше железа, делая их более агрессивными и способными адаптироваться к стандартным методам лечения. В результате такие клетки более чувствительны к ферроптозу — процессу гибели клеток, катализируемому железом, который вызывает окисление и деградацию липидов мембран.

Благодаря инновационной химии, разработанной группой Рафаэля Родригеса, исследователи показали, что гибель клеток, инициированная железом в лизосомах3, может изменять структуру внутриклеточных мембранных компартментов. В лизосомальном компартменте железо может реагировать с перекисью водорода, генерируя кислород-центрированные радикалы — высокореактивные химические соединения, повреждающие клеточные мембраны. Эта реакция затем распространяется по клетке, образуя липидные пероксиды в мембранах других клеточных органелл, что в конечном итоге приводит к гибели клетки. Таким образом, ферроптоз возникает из-за неспособности клетки восстановить повреждения мембран.

Используя эти первоначальные открытия, ученые успешно разработали и синтезировали новый класс малых молекул, способных активировать ферроптоз: деградеры фосфолипидов. Эти молекулы содержат один фрагмент, который позволяет им нацеливаться на клеточную мембрану (плазматическую мембрану) и затем накапливаться в лизосомах посредством эндоцитоза, а также другую часть, которая связывается с железом и повышает его реактивность. Железо в большом количестве присутствует в этом компартменте прометастатических раковых клеток, что и запускает ферроптоз. Молекула фентомицина (Fento-1) была разработана как флуоресцентная, что позволило ученым визуализировать ее в клетке с помощью микроскопии высокого разрешения и подтвердить ее локализацию в лизосомах.

После введения Fento-1 исследователи наблюдали значительное уменьшение роста опухоли в доклинических моделях метастатического рака молочной железы, а также выраженный цитотоксический эффект на биопсии пациентов с раком поджелудочной железы и саркомой. Это подтвердило эффективность лечения на доклиническом уровне4 для этих видов рака, при которых эффективность стандартной химиотерапии ограничена.

Клинические испытания необходимы, чтобы показать, что способность индуцировать ферроптоз может стать терапевтическим подходом, дополняющим современную химиотерапию в борьбе с раком, особенно за счет нацеливания на прометастатические клетки, устойчивые к стандартному лечению.

Это исследование получило поддержку от Ligue contre le cancer (3 Equipe Labellisées), программы Horizon 2020 Европейского Союза (ERC), Fondation pour la recherche médicale, Fondation Charles Defforey-Institut de France, Klaus Grohe Foundation, l'Institut national du cancer, региона Иль-де-Франс, ANR, Fondation Bettencourt Schueller, CNRS, Института Кюри и Inserm.

1 — Опухолевые клетки, которые отделяются от места своего возникновения и мигрируют в другие части тела, образуя новые опухоли, известные как метастазы. Эта способность к распространению характерна для поздних стадий рака.

2 — В исследовании в основном участвовали ученые из Лаборатории биомедицины (Институт Кюри/CNRS/Inserm/PSL Research University), Центра исследования рака в Марселе (Aix-Marseille Université/CNRS/Inserm/Institut Paoli Calmette), APHP (Hôpital Paul-Brousse), Института молекулярной химии и материалов в Орсе (CNRS/Université Paris-Saclay), Harvard T.H. Chan School of Public Health, Helmholtz Zentrum München, Julius-Maximilians-Universität Würzburg, Колумбийского университета и Университета Оттавы.

3 — Лизосомы — это органеллы, ответственные за деградацию клеточного дебриса, биологических макромолекул, чужеродных частиц (бактерий, вирусов и паразитов) и поврежденных внутриклеточных органелл.

4 — Доклинические испытания на животных показали значительное уменьшение объема опухоли после лимфатической инъекции Fento-1 при хорошей переносимости лечения.

Дополнительная информация

• Как именно белок CD44 способствует поглощению железа раковыми клетками? - CD44 взаимодействует с транспортными белками железа (например, DMT1 и ферропортином), увеличивая их активность и способствуя накоплению железа внутри клетки.
• Какие другие типы рака, помимо упомянутых в статье, могут потенциально реагировать на терапию ферроптозом? - Чувствительность к ферроптозу показана для тройного негативного рака молочной железы, глиобластомы, немелкоклеточного рака легкого и некоторых видов сарком.

---

Прорыв в снижении квантового шума

Исследователи из Университета Суонси обнаружили способ использования зеркал для значительного уменьшения квантового шума, который мешает крошечным частицам — прорыв, который может казаться магическим, но основан на законах квантовой физики.

Когда ученые измеряют чрезвычайно малые объекты, такие как наночастицы, они сталкиваются с серьезной проблемой: простое наблюдение за этими частицами вызывает их возмущение. Это происходит потому, что фотоны — частицы света, используемые для измерений, — "ударяют" по крошечным частицам, на которые они попадают. Этот эффект известен как "обратное действие" (backaction).

В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Research, команда из физического факультета университета обнаружила удивительную взаимосвязь: оказывается, этот принцип работает в обе стороны.

Аспирант Университета Суонси Рафал Гайевски, ведущий автор исследования, пояснил: "Наша работа показала, что если создать условия, при которых измерение становится невозможным, исчезает и возмущение."

"Используя полусферическое зеркало с частицей в его центре, мы обнаружили, что при определенных условиях частица становится идентичной своему зеркальному отражению. Когда это происходит, невозможно извлечь информацию о положении частицы из рассеянного света, и в то же время исчезает квантовое обратное действие."

Этот прорыв открывает перспективы для ряда важных применений, включая:

Создание квантовых состояний с объектами, значительно превосходящими по размеру атомы

Проверку фундаментальных принципов квантовой физики на беспрецедентных масштабах

Проведение экспериментов, исследующих границу между квантовой механикой и гравитацией

Разработку сверхчувствительных сенсоров для обнаружения малейших сил

Эти результаты могут быть особенно ценны для амбициозных проектов, таких как MAQRO (Macroscopic Quantum Resonators) — предлагаемой космической миссии, цель которой — тестирование квантовой физики с объектами большего размера, чем когда-либо прежде.

Доктор Джеймс Бейтмен, руководивший исследованием, отметил: "Эта работа раскрывает нечто фундаментальное о взаимосвязи между информацией и возмущением в квантовой механике. Особенно удивительно, что обратное действие исчезает именно тогда, когда рассеяние света максимально — что противоречит интуитивным ожиданиям."

"Конструируя окружение квантового объекта, мы можем контролировать, какая информация о нем доступна, и таким образом управлять квантовым шумом. Это открывает новые возможности для квантовых экспериментов и потенциально более точных измерений."

Команда работает над экспериментальной демонстрацией и исследует практические приложения, которые могут привести к созданию нового поколения квантовых сенсоров.

Это исследование является частью развивающейся области "левитирующей оптомеханики", где лазеры используются для удержания и контроля крошечных частиц в вакууме. Недавние эксперименты уже охладили частицы до минимально возможного уровня энергии — квантового основного состояния, демонстрируя, насколько значительным может быть контроль ученых над такими системами.

---

Новая теория гравитации приближает долгожданную Теорию Всего на решающий шаг

Наконец-то объединенная теория, сочетающая гравитацию с другими фундаментальными силами — электромагнетизмом, сильным и слабым ядерными взаимодействиями — стала ближе, чем когда-либо. Включение гравитации в эту систему было целью поколений физиков, безуспешно пытавшихся примирить несовместимость двух краеугольных камней современной физики: квантовой теории поля и эйнштейновской теории гравитации.

Исследователи из Университета Аалто разработали новую квантовую теорию гравитации, которая описывает гравитацию способом, совместимым со Стандартной моделью физики частиц, открывая путь к лучшему пониманию происхождения Вселенной.

Хотя мир теоретической физики может казаться далеким от прикладных технологий, эти открытия исключительно важны. Современные технологии основаны именно на таких фундаментальных достижениях — например, GPS в вашем смартфоне работает благодаря эйнштейновской теории гравитации.

Микко Партанен и Юкка Тулкки излагают свою новую теорию в статье, только что опубликованной в Reports on Progress in Physics.

Ведущий автор Партанен ожидает, что в течение нескольких лет эти результаты приведут к критически важным прорывам в понимании. «Если это приведет к полной квантовой теории гравитации, то в конечном итоге мы получим ответы на крайне сложные вопросы о природе сингулярностей в черных дырах и Большом взрыве», — говорит он.

«Теорию, последовательно описывающую все фундаментальные силы природы, часто называют Теорией Всего», — отмечает Партанен, хотя сам он не любит этот термин. «Некоторые фундаментальные вопросы физики остаются без ответа. Например, современные теории пока не объясняют, почему в наблюдаемой Вселенной больше материи, чем антиматерии».

Примирение непримиримого

Ключевым стало нахождение способа описания гравитации в рамках подходящей калибровочной теории — вида теорий, где частицы взаимодействуют друг с другом через поле.

«Наиболее знакомое калибровочное поле — электромагнитное. Когда электрически заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, они делают это через электромагнитное поле, которое является соответствующим калибровочным полем», — объясняет Тулкки. «Поэтому когда у нас есть частицы, обладающие энергией, их взаимодействия именно благодаря этой энергии происходят через гравитационное поле».

Долгое время перед физиками стояла задача найти калибровочную теорию гравитации, совместимую с калибровочными теориями трех других фундаментальных сил — электромагнитного, слабого и сильного ядерных взаимодействий. Стандартная модель физики частиц, описывающая эти три силы, обладает определенными симметриями.

«Главная идея — создать калибровочную теорию гравитации с симметрией, аналогичной симметриям Стандартной модели, вместо построения теории на совершенно иной пространственно-временной симметрии общей теории относительности», — говорит ведущий автор исследования Партанен.

Без такой теории физики не могут примирить две наши самые мощные теории: квантовую теорию поля и общую теорию относительности. Квантовая теория описывает мир очень малых масштабов — крошечных частиц, взаимодействующих вероятностным образом, — тогда как общая теория относительности описывает более крупный мир привычных объектов и их гравитационного взаимодействия. Это описания нашей Вселенной с разных точек зрения, и обе теории подтверждены с необычайной точностью — однако они несовместимы друг с другом.

Более того, поскольку гравитационные взаимодействия слабы, для изучения истинных квантово-гравитационных эффектов за пределами общей теории относительности (которая является классической теорией) требуется еще большая точность.

«Квантовая теория гравитации необходима, чтобы понять, какие явления возникают в условиях сильного гравитационного поля и высоких энергий», — говорит Партанен. Именно такие условия существуют вокруг черных дыр и в самой ранней Вселенной сразу после Большого взрыва — областях, где современные физические теории перестают работать.

Всегда увлеченный самыми масштабными вопросами физики, Партанен открыл новый симметрийный подход к теории гравитации и начал развивать эту идею совместно с Тулкки. Их работа имеет огромный потенциал для открытия новой эры научного понимания, подобно тому, как понимание гравитации проложило путь к созданию GPS.

Открытое приглашение научному сообществу

Хотя теория выглядит многообещающей, дуэт отмечает, что ее доказательство еще не завершено. Теория использует техническую процедуру, известную как перенормировка — математический способ работы с бесконечностями, возникающими в расчетах.

Пока Партанен и Тулкки показали, что это работает до определенного момента — для так называемых членов «первого порядка», — но им необходимо убедиться, что бесконечности можно устранить на протяжении всего расчета.

«Если перенормировка не сработает для членов высшего порядка, вы получите бесконечные результаты. Поэтому крайне важно показать, что перенормировка продолжает работать», — объясняет Тулкки. «Нам еще предстоит завершить доказательство, но мы считаем, что с большой вероятностью добьемся успеха».

Партанен согласен. Впереди еще много трудностей, говорит он, но со временем и усилиями они ожидают их преодоления. «Я не могу сказать, когда именно, но через несколько лет мы будем знать об этом гораздо больше».

Пока же они опубликовали теорию в ее нынешнем виде, чтобы научное сообщество могло с ней ознакомиться, проверить результаты, помочь в дальнейшей разработке и построении на ее основе. «Как квантовая механика и теория относительности в свое время, мы надеемся, что наша теория откроет бесчисленные пути для научных исследований», — заключает Партанен.

Дополнительная информация

• Какие экспериментальные методы могут подтвердить новую квантовую теорию гравитации? - Косвенные методы включают наблюдение гравитационных волн (LIGO/Virgo), квантовые колебания в атомных интерферометрах или поиск отклонений от предсказаний ОТО в ранней Вселенной.
• Почему проблема перенормировки особенно важна именно для квантовой гравитации? - Гравитация не поддается стандартной перенормировке из-за ультрафиолетовых расходимостей, требуя новых подходов (например, теория струн).
• Какие существующие теории пытались объяснить асимметрию материи и антиматерии до этой работы? - Основные гипотезы: условия Сахарова, CP-нарушение в Стандартной модели, лептогенез через тяжелые нейтрино.

---

Крупная проблема термоядерной энергетики решена

Обилие дешевой и чистой энергии — тот результат, который ожидается, если ученые и инженеры смогут успешно разработать надежный метод генерации и поддержания термоядерной реакции, — стал на шаг ближе к реальности. Команда исследователей из Техасского университета в Остине, Национальной лаборатории Лос-Аламоса и компании Type One Energy Group решила давнюю проблему в этой области.

Одной из главных трудностей, сдерживающих развитие термоядерной энергетики, была невозможность удержания высокоэнергетических частиц внутри реакторов. Когда альфа-частицы высокой энергии выходят из реактора, плазма не может достичь достаточной температуры и плотности для поддержания реакции. Чтобы предотвратить утечку, инженеры разрабатывают сложные системы магнитного удержания, но в магнитном поле часто возникают «дыры», и для их прогнозирования и устранения требуется огромное количество вычислительных ресурсов.

В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, исследовательская группа описывает найденный метод, который позволяет проектировать системы магнитного удержания без утечек в 10 раз быстрее, чем при использовании стандартного подхода, без потери точности. Хотя для всех магнитных термоядерных установок остается еще несколько серьезных проблем, это достижение решает самую сложную задачу, характерную для типа реактора, впервые предложенного в 1950-х годах, — стелларатора.

«Самое удивительное, что мы решаем проблему, которая оставалась открытой почти 70 лет, — сказал Джош Бёрби, доцент физики Техасского университета и первый автор статьи. — Это смена парадигмы в проектировании таких реакторов».

Стелларатор использует внешние катушки с электрическим током, которые создают магнитные поля для удержания плазмы и высокоэнергетических частиц. Эта система удержания часто называется «магнитной бутылкой».

Существует способ определения «дыр» в магнитной бутылке с помощью законов движения Ньютона — он очень точный, но требует колоссальных вычислительных затрат. Еще хуже то, что для проектирования стелларатора ученым может потребоваться моделирование сотен или тысяч слегка отличающихся конструкций, подстройка расположения магнитных катушек и итерации для устранения дыр — процесс, который потребует непомерных вычислительных ресурсов.

Поэтому, чтобы сэкономить время и деньги, ученые и инженеры обычно используют более простой метод приближенного определения местоположения дыр с помощью теории возмущений. Однако этот метод гораздо менее точен, что замедляет развитие стеллараторов. Новый метод основан на теории симметрии — ином способе понимания системы.

«Сейчас не существует практического способа теоретически решить проблему удержания альфа-частиц без наших результатов, — отметил Бёрби. — Прямое применение законов Ньютона слишком затратно. Методы возмущений дают грубые ошибки. Наша теория — первая, которая обходит эти подводные камни».

Этот новый метод также может помочь с похожей, но другой проблемой в другой популярной конструкции магнитного термоядерного реактора — токамаке. В этой конструкции существует проблема убегающих электронов — высокоэнергетических электронов, которые могут пробить стенки реактора. Новый метод позволяет выявлять дыры в магнитном поле, через которые могут утекать эти электроны.

Среди соавторов Бёрби из Техасского университета — постдокторант Макс Рут и аспирант Иван Мальдонадо. Также в числе авторов — Дэн Мессенджер, постдокторант из Лос-Аламоса, и Леопольдо Карбахал, специалист по вычислениям и данным из компании Type One Energy Group, которая планирует строить стеллараторы для генерации энергии.

Работа была поддержана Министерством энергетики США.

Дополнительная информация

• Какие преимущества сталлараторов перед токамаками делают их перспективными для термоядерной энергетики? - Стеллараторы обладают более стабильной конфигурацией плазмы, так как не требуют тока в плазме для удержания, что снижает риск disruptions (разрушительных сбоев). Они также способны работать в непрерывном режиме, в отличие от импульсного режима токамаков.

• Как именно теория симметрии, лежащая в основе нового метода, отличается от традиционных подходов в физике плазмы? - Новые методы используют скрытые симметрии (например, квазисимметрию) для оптимизации магнитных полей, что позволяет улучшить удержание плазмы. Традиционные подходы часто фокусируются на простых осесимметричных конфигурациях, как в токамаках.

---

Будущее мониторинга мозговой активности может выглядеть как прядь волос

Будущее электроэнцефалографии (ЭЭГ) вскоре может выглядеть как тонкая прядь волос. Вместо традиционных металлических электродов, паутины проводов и липких гелей команда исследователей из Университета Пенсильвании создала волосоподобное устройство для долгосрочного неинвазивного мониторинга электрической активности мозга. Лёгкий и гибкий электрод крепится непосредственно к коже головы и обеспечивает стабильную высококачественную запись сигналов мозга.

ЭЭГ играет ключевую роль в диагностике и оценке неврологических состояний, таких как эпилепсия и черепно-мозговые травмы. В некоторых случаях врачам необходимо длительное время отслеживать мозговые волны, например, для оценки приступов, нарушений сна и состояний, влияющих на кровеносные сосуды и кровоток в мозге.

Исследователи описали новые электроды, способные сохранять стабильную работу более 24 часов непрерывного ношения, в исследовании, опубликованном в журнале npc biomedical innovations. По словам учёных, эта технология перспективна не только для клинического применения, но и для потребительских продуктов здоровья и wellness.

"Этот электрод позволяет более стабильно и надёжно регистрировать сигналы ЭЭГ и может носиться незаметно, что улучшает как функциональность, так и комфорт пациента", — сказал Тао Чжоу, профессор инженерных наук и механики и ведущий автор исследования.

Чжоу объяснил, что ЭЭГ-мониторинг — широко используемый метод измерения электрической активности мозга. Небольшие металлические электроды размещаются на коже головы и улавливают слабые электрические импульсы, генерируемые клетками мозга. Электроды соединены проводами с аппаратом, который отображает активность мозга в виде волнообразных паттернов.

Однако традиционный процесс ЭЭГ-мониторинга может быть громоздким и иногда неудобным. Его ограничения затрудняют использование для непрерывного долгосрочного наблюдения.

Для качественной записи активности мозга электроды должны плотно прилегать к коже головы. Любые зазоры между электродом и кожей или густыми волосами могут ухудшить качество сигнала. Исследователям и врачам приходится наносить гели на кожу головы, чтобы обеспечить хороший контакт между электродами и кожей. Однако у некоторых людей гели могут вызывать раздражение кожи.

Этот трудоёмкий процесс приходится повторять, когда гели высыхают, особенно для пациентов, нуждающихся в непрерывном или многократном мониторинге. Процесс нанесения и повторного нанесения также неточен и может привести к разному количеству геля на электродах.

"Это изменяет импеданс — или интерфейс — между электродами и кожей головы и может повлиять на записываемый сигнал мозга", — сказал Чжоу. "Мы также не всегда наносим электроды в точно то же положение, потому что мы люди. Но если изменить положение даже немного, сигналы мозга могут быть другими".

Обычные электроды ЭЭГ также жёсткие и могут смещаться при малейшем движении головы, что может нарушить однородность данных.

Чтобы устранить эти ограничения, исследовательская группа разработала небольшое устройство мониторинга, похожее на прядь волос и изготовленное из 3D-печатного гидрогелевого материала. Один конец представляет собой электрод — маленькую точку, которая улавливает электрические сигналы мозга с кожи головы. От электрода отходит длинный тонкий проводоподобный компонент, соединяющийся с системой мониторинга.

Устройство также использует 3D-печатный биоклейкий чернила, позволяющий электроду прикрепляться непосредственно к коже головы без липких гелей или другой подготовки кожи. Это минимизирует зазор между электродом и кожей, улучшая качество сигнала. Лёгкость, гибкость и растяжимость устройства также означают, что оно остаётся на месте — даже при расчёсывании волос или надевании и снятии бейсболки — и может носиться дольше, что делает его подходящим для хронического мониторинга.

Команда обнаружила, что новое устройство работает сопоставимо с золотыми электродами — текущим стандартом для ЭЭГ. Однако волосоподобный электрод обеспечивал лучший контакт с кожей и стабильно работал более 24 часов непрерывного ношения без ухудшения качества сигнала. Поскольку электроды не нужно снимать и заменять, как в традиционных системах ЭЭГ, они исключают риск несоответствия данных даже между разными сеансами мониторинга.

"Вам не нужно беспокоиться о том, изменилось ли положение электрода или импеданс, потому что электроды не двигаются", — сказал Чжоу.

В отличие от традиционных металлических электродов, новые электроды имитируют человеческие волосы и незаметны на голове. Поскольку устройство печатается на 3D-принтере, Чжоу объяснил, что электрод можно печатать в разных цветах, чтобы соответствовать волосам человека.

"Это делает его незаметным, и людям может быть комфортнее носить его, особенно если им требуется непрерывный мониторинг ЭЭГ в течение длительного времени", — сказал Чжоу.

В настоящее время ЭЭГ всё ещё проводная: пациенты должны быть подключены к аппарату во время записи активности мозга. В будущем исследователи надеются сделать систему беспроводной, чтобы люди могли свободнее двигаться во время сеансов записи.

Среди других авторов исследования — ведущие авторы Салахуддин Ахмед и Марзия Момин, аспиранты кафедры инженерных наук и механики; Цзяшу Жэнь, аспирант той же кафедры; Хёнджин Ли, аспирант кафедры биомедицинской инженерии; Ли-Панг Хуан, научный сотрудник; и Басма АльМахмуд, студентка кафедры физики.

Также среди авторов — Чи-Чинг Куо, Арчана Пандия и Логанатан Вирамуту из Национального Тайбэйского технологического университета.

Исследование поддержано грантами Национальных институтов здравоохранения, Oak Ridge Associated Universities, совместной программы Национального Тайбэйского технологического университета и Университета Пенсильвании, а также кафедры инженерных наук и механики, Института исследований материалов и Института наук о жизни Хакка в Университете Пенсильвании.

Дополнительная информация

• Какие ещё инновационные материалы, кроме гидрогеля, используются в современных биомедицинских датчиках? - В современных датчиках также используются графеновые электроды, проводящие полимеры и наночастицы серебра или золота для улучшения проводимости и биосовместимости.
• Как долго можно непрерывно носить традиционные ЭЭГ-электроды без замены геля? - Традиционные ЭЭГ-электроды обычно требуют замены геля каждые 4-8 часов из-за его высыхания и снижения проводимости.
• Какие существуют альтернативные методы мониторинга мозговой активности, кроме ЭЭГ? - Альтернативные методы включают магнитоэнцефалографию (МЭГ), функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ) и ближнюю инфракрасную спектроскопию (БИКС).

---

Новая неинвазивная методика стимуляции мозга показала значительное снижение симптомов депрессии, тревожности и ПТСР

Пациенты, страдающие депрессией, тревожными и посттравматическими расстройствами, испытали значительное облегчение симптомов после нового лечения, использующего звуковые волны для модуляции глубокой мозговой активности, согласно исследованию Медицинской школы Делла при Техасском университете в Остине. Исследование, опубликованное в этом месяце в журнале Molecular Psychiatry, демонстрирует, что технология низкоинтенсивного фокусированного ультразвука может безопасно и эффективно воздействовать на миндалевидное тело — область мозга, известную своей гиперактивностью при расстройствах настроения и тревожных расстройствах — без хирургического вмешательства или инвазивных процедур.

«Участники показали заметные улучшения по широкому спектру симптомов уже после трех недель ежедневных сеансов», — сообщил Грегори Фонзо, доктор философии, ведущий автор исследования и доцент кафедры психиатрии и поведенческих наук в Медицинской школе Делла.

«Революционность этого подхода в том, что впервые мы смогли напрямую модулировать глубокую мозговую активность без инвазивных процедур или медикаментов».

В двойном слепом исследовании 29 пациентов с различными расстройствами настроения и тревожными расстройствами получили МРТ-направленный фокусированный ультразвук на левую миндалину.

Результаты показали как немедленное снижение активности миндалевидного тела, так и клинически значимые улучшения негативного аффекта и симптомов депрессии, тревожности и ПТСР после трех недель ежедневных сеансов.

«Десятилетиями миндалевидное тело было объектом интереса, но доступ к нему требовал либо хирургического вмешательства, либо косвенных подходов через кортикальную стимуляцию», — пояснил Фонзо.

«Эта технология открывает новую эру в психиатрическом лечении, потенциально предлагая облегчение пациентам, не ответившим на традиционные методы терапии».

Лечение хорошо переносилось без серьезных побочных эффектов, что указывает на многообещающий профиль безопасности по мере перехода к более масштабным клиническим испытаниям.

---

Спасение азиатского «единорога» — если он еще существует

Вымер ли он или все еще бродит где-то в глубине туманных горных лесов Вьетнама и Лаоса? Его прозвали азиатским единорогом из-за почти мифической редкости, и это самое недавно открытое крупное наземное млекопитающее, ставшее известным науке лишь в 1992 году. Даже тогда оно уже находилось под угрозой исчезновения. Сегодня, по самым оптимистичным оценкам, осталось менее 100 особей саолы (Pseudoryx nghetinhensis), но, возможно, к настоящему моменту вид уже вымер. Последнее подтвержденное наблюдение в дикой природе датируется 2013 годом.

С тех пор исследователи безуспешно пытаются его найти.

Задача осложняется тем, что саола обитает только в отдаленных, труднодоступных лесах Аннамских гор во Вьетнаме и Лаосе.

«Сейчас невозможно ни подтвердить, ни опровергнуть существование живых саол. Последнее доказательство у нас было в 2013 году, когда одну особь запечатлела фотоловушка. Но учитывая удаленность их среды обитания, крайне сложно сказать наверняка, остались ли они там. Есть некоторые признаки, которые вселяют в нас надежду», — говорит Нгуен Куок Зунг из Института инвентаризации и планирования лесов Вьетнама.

Он является одним из авторов нового международного исследования, в котором ученые из Дании, Вьетнама и других стран впервые секвенировали геном саолы.

До сих пор генетических данных об этом виде почти не существовало.

Исследование опубликовано в научном журнале Cell.

Анализируя фрагменты останков саол, собранные у охотников, ученые смогли восстановить полные геномы 26 особей.

Это дало совершенно новые представления о прошлом загадочного быка — и его будущих перспективах.

Как можно спасти вид

«Мы были удивлены, обнаружив, что саола разделена на две популяции с существенными генетическими различиями. Разделение произошло от 5 000 до 20 000 лет назад. Ранее об этом ничего не было известно, и без генетических данных мы бы не смогли это выяснить. Это важный результат, потому что он показывает, как распределено генетическое разнообразие вида», — говорит ведущий автор исследования Хенис Гарсия Эриль, бывший аспирант кафедры биологии.

Генетический анализ также показал, что обе популяции сокращались со времен последнего ледникового периода.

По оценкам исследователей, за последние 10 000 лет общая численность саол никогда не превышала 5 000 особей.

И этот долгосрочный спад привел к потере генетического разнообразия в обеих популяциях.

Но что важно, они теряли разные генетические варианты.

«Это означает, что утраченное генетическое разнообразие в одной популяции компенсируется другой. Если их смешать, они могут восполнить недостающее», — объясняет Хенис Гарсия Эриль.

И это потенциально может стать решением для спасения саолы от вымирания.

Ученые рассчитали вероятность выживания вида при различных сценариях охраны.

Их модели показывают, что наибольшие шансы на выживание появятся, если две популяции объединить в программе разведения в неволе.

«Если мы сможем собрать хотя бы дюжину саол — в идеале представителей обеих популяций — чтобы заложить основу будущей популяции, наши модели показывают, что у вида будут неплохие шансы на долгосрочное выживание. Но все зависит от того, удастся ли найти несколько особей и начать программу разведения. Это уже работало, когда виды находились на грани исчезновения», — говорит Расмус Хеллер, старший автор исследования и доцент кафедры биологии Копенгагенского университета.

Но существует ли он еще?

Однако найти 12 саол — непростая задача. Но новое исследование может помочь решить эту проблему.

Генетическая карта открывает новые возможности для использования различных технологий в поисках последних оставшихся особей.

«Многие исследователи безуспешно пытались найти следы саолы с помощью методов, таких как анализ экологической ДНК в воде и даже в пиявках — кровососущих обитателях той же среды. Все эти методы основаны на обнаружении крошечных фрагментов ДНК, и теперь, когда мы знаем полный геном саолы, у нас гораздо больше инструментов для их поиска», — говорит Минь Дук Ле, соавтор исследования из Вьетнамского национального университета.

Но даже если окажется, что саола вымерла, новые научные данные все равно могут быть полезны:

«Теоретически наши результаты можно использовать, если нам когда-нибудь удастся возродить саолу с помощью технологий генетического восстановления вымерших видов, которые сейчас активно обсуждаются. В этом случае наши новые знания о генетическом разнообразии саолы могут сыграть решающую роль в создании жизнеспособной популяции», — говорит Расмус Хеллер.

Тем не менее, он сомневается в шансах найти живых саол.

«Ученые ищут саолу с 1990-х годов, и с тех пор это стало только сложнее, потому что тогда их было больше. Признаюсь, я не слишком оптимистичен — но очень надеюсь, что саола все еще существует», — заключает Расмус Хеллер.

О САОЛЕ

Саола (Pseudoryx nghetinhensis) была открыта наукой в 1992 году, став самым недавно обнаруженным крупным млекопитающим. Предыдущим рекордсменом был купрей, открытый в 1937 году.

Дания и Вьетнам сотрудничают в изучении саолы с самого начала — начиная с ее научного описания в начале 1990-х.

По данным МСОП, вероятно, осталось менее 100 особей, что делает саолу одним из самых исчезающих млекопитающих в мире.

Саола эволюционно уникальна — она находится на ветви древа жизни возрастом 12–15 миллионов лет и является единственным сохранившимся представителем этой линии.

ОБ ИССЛЕДОВАНИИ

Дополнительная информация

• Какие другие крупные млекопитающие были открыты наукой в XX веке, кроме саолы и купрея? - В XX веке были открыты такие крупные млекопитающие, как окапи (1901), карликовый бегемот (1913), горная горилла (1902) и гигантская лесная свинья (1904).
• Как именно анализ экологической ДНК (например, из воды или пиявок) помогает в поисках редких видов? - Анализ экологической ДНК позволяет обнаружить следы ДНК редких видов в окружающей среде (воде, почве, кишечнике пиявок), что помогает подтвердить их присутствие без прямого наблюдения.
• Какие технологии генетического восстановления вымерших видов сейчас разрабатываются? - Среди разрабатываемых технологий — CRISPR для редактирования генома, клонирование (например, проект возрождения мамонта) и искусственное оплодотворение с использованием ДНК близкородственных видов.

---

Gaia обнаружила необычное семейство звёзд, стремящихся покинуть свой дом

Миссия Gaia Европейского космического агентства обнаружила необычное семейство звёзд, которые странным образом стремятся покинуть свой дом — это семейство, которое мы не смогли бы обнаружить без этого звездного обзора, и оно не похоже ни на одно из известных нам скоплений.

Звёзды в Млечном Пути обычно формируются семействами, причём схожие звёзды рождаются примерно в одном месте и в одно время.

Позже эти звёзды отправляются в путешествие по галактике, когда приходит время покинуть "родительское гнездо".

Хотя небольшие группы могут полностью рассеяться, звёзды из крупных семей обычно движутся схожим образом и в основном остаются вместе.

С помощью Gaia мы уже видели множество звёздных семей. Мы наблюдали звёздные цепочки, протянувшиеся через Млечный Путь и сохраняющиеся миллиарды лет, нанесли на карту древние звёздные потоки, которые сплелись вместе, формируя раннюю структуру нашей галактики, и составили "семейный портрет" нашего космического дома. Изучая звёздные семьи, мы можем понять не только характеристики и поведение самих звёзд, но и узнать, как развивается наша галактика в целом.

Семейство, непохожее на другие

Используя данные Gaia, учёные обнаружили уникальное звёздное семейство: огромное скопление из более чем 1000 молодых звёзд, ведущих себя необычно.

Несмотря на размеры, это семейство — получившее название Ophion — вскоре полностью рассеется за рекордно короткое время, оставив после себя лишь пустое "гнездо".

"Ophion наполнен звёздами, которые готовы разлететься по галактике совершенно хаотично и несогласованно, что совсем не соответствует нашим ожиданиям для столь крупного семейства", — говорит Дилан Хьюсон из Университета Западного Вашингтона (США), ведущий автор исследования.

"Более того, это произойдёт за доли времени, обычно необходимого для рассеивания такого большого семейства. Мы никогда раньше не видели ничего подобного".

Новая модель

Чтобы обнаружить Ophion, Дилан и его коллеги разработали новую модель для анализа огромного массива спектроскопических данных Gaia и изучения молодых маломассивных звёзд, расположенных относительно близко к Солнцу.

Они применили эту модель, названную Gaia Net, к сотням миллионов звёздных спектров, опубликованных в рамках третьего релиза данных Gaia. Затем они сузили поиск до "молодых" звёзд возрастом менее 20 миллионов лет — и обнаружили Ophion.

"Впервые стало возможным использовать такую модель для молодых звёзд благодаря огромному объёму и высокому качеству спектроскопических наблюдений, необходимых для её работы", — добавляет научный сотрудник проекта ESA Gaia Йоханнес Зальманн.

"Возможность надёжно измерять параметры множества молодых звёзд одновременно — это ещё довольно новая технология. Такие массовые наблюдения — одно из действительно беспрецедентных достижений Gaia".

"Другое достижение — то, как миссия Gaia создаёт возможности для новых междисциплинарных исследований благодаря своей политике открытых данных. Несколько членов команды, обнаружившей Ophion, являются студентами и аспирантами в области компьютерных наук, которые использовали данные Gaia для разработки новых методов, дающих теперь новое понимание звёзд Млечного Пути".

Разгадка тайны

Остаётся вопрос: почему Ophion ведёт себя так необычно?

Учёные рассматривают несколько вариантов. Это звёздное семейство находится примерно в 650 световых годах от нас, рядом с другими крупными скоплениями молодых звёзд; энергетические события внутри этих соседей и взаимодействия между ними могли повлиять на Ophion за прошедшие годы.

Есть также признаки того, что здесь ранее происходили взрывы звёзд.

Эти вспышки сверхновых могли унести материал от Ophion и заставить его звёзды двигаться гораздо быстрее и хаотичнее, чем раньше.

"Мы точно не знаем, что произошло с этим звёздным семейством, чтобы оно стало вести себя так, ведь мы никогда раньше не сталкивались с подобным. Это загадка", — говорит соавтор исследования Марина Кункл из Университета Северной Флориды (США).

"Что особенно интересно, это меняет наше представление о звёздных группах и методах их поиска. Прежние методы идентифицировали семейства, группируя звёзды со схожим движением, но Ophion прошёл бы сквозь эту сеть. Без огромных высококачественных данных Gaia и новых моделей для их анализа мы могли упустить важный элемент звёздной головоломки".

После более чем десяти лет картографирования неба Gaia прекратила наблюдения в марте. Это конец операционной фазы миссии — но только начало научных открытий. В ближайшие годы ожидается множество новых находок, а также крупнейшие релизы данных Gaia (четвёртый релиз запланирован на конец 2026 года, а итоговый релиз данных Gaia ожидается не ранее конца 2030 года).

Дополнительная информация

• Какие ещё необычные звёздные структуры были обнаружены с помощью миссии Gaia, помимо Ophion? - Gaia обнаружила "волны" или "нити" звёзд, такие как структура "Античный монолит" (Antiqua Monolithe) и звёздные потоки, оставшиеся после разрушения карликовых галактик.
• Как именно сверхновые могут влиять на движение звёзд в скоплениях? - Взрывы сверхновых создают ударные волны, которые могут выталкивать газ из скоплений, уменьшая гравитационное притяжение и вызывая "разлет" звёзд.

---

ВИЧ: генетические особенности, связанные с устойчивой ремиссией после прекращения лечения

Борьба с ВИЧ остается серьезной проблемой для общественного здравоохранения, главным образом потому, что из-за персистенции вирусных резервуаров люди с ВИЧ вынуждены пожизненно принимать антиретровирусную терапию. Однако некоторые люди, известные как "контролеры после лечения", способны поддерживать неопределяемую вирусную нагрузку даже после прекращения терапии. В исследовании, финансируемом ANRS Emerging Infectious Diseases (ANRS MIE), ученые из Института Пастера, Inserm и сети парижских больниц AP-HP выявили специфические иммуногенетические характеристики у группы таких людей. Исследование предоставляет новую информацию об иммунных механизмах, связанных с контролем ВИЧ без антиретровирусной терапии, и открывает новые перспективы для разработки иммунотерапий, направленных на достижение ремиссии или излечения ВИЧ-инфекции. Результаты опубликованы в журнале Med 28 апреля 2025 года.

Клетки, инфицированные ВИЧ, сохраняются в организме, формируя так называемые вирусные резервуары, даже у людей, получающих антиретровирусную терапию. Эти резервуары приводят к быстрому вирусному рецидиву при прекращении лечения. Однако некоторые люди способны достичь долгосрочного контроля над вирусом после отмены терапии. Такие "контролеры после лечения" были описаны в исследовании VISCONTI в 2013 году. Считается, что они находятся в состоянии длительной вирусологической ремиссии ВИЧ-инфекции. В некоторых случаях они контролируют вирус более 25 лет без лечения. Раннее начало терапии — в течение нескольких дней после заражения, в период острой инфекции — по-видимому, способствует посттерапевтическому контролю ВИЧ, но иммунные механизмы этого ранее оставались неясными.

В новом исследовании, координируемом Асьером Саез-Сирионом, руководителем подразделения вирусных резервуаров и иммунного контроля Института Пастера, было обнаружено, что некоторые генетические особенности, связанные с клетками врожденного иммунитета (естественные киллеры, или NK-клетки), очень часто встречаются у контролеров после лечения в когорте VISCONTI. Ретроспективный анализ когорты ANRS CO6 PRIMO (где ученые изучили генетические характеристики более 1600 участников, наблюдавшихся с первых недель после заражения) подтвердил, что наличие этих генетических маркеров, по-видимому, способствует длительной ремиссии ВИЧ у людей, которые начали лечение рано, а затем прекратили его по различным причинам. Ученые показали, что эти генетические маркеры сопровождаются наличием специфических популяций NK-клеток, которые лучше контролируют инфекцию. "Эти результаты подтверждают роль NK-клеток в долгосрочной ремиссии ВИЧ и могут помочь в разработке новых иммунотерапий", — прокомментировал Асьер Саез-Сирион.

Текущее клиническое испытание

Для подтверждения этих результатов в марте 2023 года было запущено клиническое испытание ANRS 175 RHIVIERA01, спонсируемое Inserm/ANRS MIE. Цель испытания — проанализировать связь между генетическими маркерами NK-клеток и посттерапевтическим контролем. В рамках испытания 16 участников с этими генетическими характеристиками, начавших лечение сразу после заражения, были приглашены прекратить терапию под тщательным наблюдением. Анализ продолжается. Одновременно ученые изучают, как именно эти генетические особенности, связанные с ремиссией, влияют на программу и функцию NK-клеток. Этот подход может открыть путь к иммунотерапиям, направленным на мобилизацию этих специфических клеток у других людей с ВИЧ.

"Это открытие представляет собой важный шаг в достижении устойчивой ремиссии ВИЧ-инфекции. В то время, когда программы доступа к антиретровирусной терапии находятся под угрозой, крайне необходимы новые методы лечения, позволяющие людям с ВИЧ жить нормальной жизнью без необходимости постоянной терапии", — заключает Асьер Саез-Сирион.

Это исследование связано с исследованием VISCONTI и когортой PRIMO, поддерживаемыми и финансируемыми ANRS MIE. Ученые также получили финансирование от NIH, в частности в рамках проекта ERASE HIV, направленного на поиск лекарства от ВИЧ.

Дополнительная информация

• Какие именно генетические маркеры связаны с контролем ВИЧ после прекращения терапии? - Среди ключевых генетических маркеров выделяют аллели HLA-B57, HLA-B27 и HLA-B*58, которые ассоциированы с более эффективным иммунным контролем ВИЧ. Также важную роль играют полиморфизмы в генах CCR5 и KIR3DL1.
• Как именно NK-клетки способствуют контролю над ВИЧ? - NK-клетки (естественные киллеры) уничтожают инфицированные ВИЧ клетки через цитотоксические механизмы (например, выделение перфорина и гранзимов), а также производят цитокины (например, IFN-γ), подавляющие репликацию вируса. Их активность усиливается при наличии определенных вариантов рецепторов KIR в сочетании с HLA класса I.

---

Семаглутид эффективен в лечении заболеваний печени у двух третей пациентов

Новое исследование показало, что семаглутид эффективно лечит заболевания печени у двух третей пациентов.

Результаты клинического исследования III фазы ESSENCE, опубликованные сегодня в New England Journal of Medicine, демонстрируют, что лечение пациентов этим препаратом способно остановить и даже обратить вспять развитие болезни.

Плацебо-контролируемое исследование проводилось среди участников с угрожающей жизни формой заболевания печени, известной как метаболическая дисфункция, ассоциированная стеатогепатит (МАСГ), на базе 253 клинических центров в 37 странах мира. Это первое исследование регуляторного уровня, подтверждающее пользу семаглутида для пациентов с МАСГ.

Исследование возглавляют два главных исследователя — профессор Филип Ньюсом из Королевского колледжа Лондона и Арун Саньял из Медицинской школы Университета Содружества Виргинии (США). Финансирование обеспечила компания Novo Nordisk.

Метаболическая дисфункция, ассоциированная стеатозная болезнь печени (МАСБП, ранее известная как неалкогольная жировая болезнь печени — НАЖБП), представляет собой хроническое заболевание печени, вызванное избыточным накоплением жира в органе. МАСГ — более тяжелая форма МАСБП. Она тесно связана с ожирением, а также с такими состояниями, как диабет 2 типа и сердечно-сосудистые заболевания. Со временем накопление жира в печени может привести к воспалению, фиброзу, циррозу и раку печени. МАСБП поражает каждого пятого жителя Великобритании, однако в настоящее время не существует одобренных лекарств, специально предназначенных для лечения этого заболевания.

Исследователи выбрали семаглутид в качестве потенциального метода лечения, поскольку этот класс препаратов помогает уменьшить жировые отложения и рубцевание печени у пациентов с МАСГ. Предыдущие небольшие, но обнадеживающие исследования профессора Ньюсома, опубликованные в The Lancet и NEJM, показали, что применение семаглутида может принести пользу таким пациентам.

В период с 27 мая 2021 года по 18 апреля 2023 года 800 участников были случайным образом распределены на группы, получавшие либо еженедельные инъекции 2,4 мг семаглутида, либо плацебо, на фоне консультаций по изменению образа жизни. Более половины участников страдали диабетом 2 типа, а около трех четвертей имели ожирение.

Результаты исследования ESSENCE после 72 недель лечения показали, что у 62,9% участников наблюдалось уменьшение стеатогепатита (воспаления печени с накоплением жира) по сравнению с 34,3% в группе плацебо. Также у 36,8% пациентов, получавших семаглутид, улучшились показатели фиброза печени, тогда как в группе плацебо этот показатель составил 22,4%. Исследователи отметили и другие преимущества: у пациентов, принимавших семаглутид, улучшились показатели печеночных ферментов и другие маркеры фиброза печени, а также наблюдалась потеря веса на 10,5%. Однако в этой группе чаще встречались желудочно-кишечные побочные эффекты, такие как тошнота, диарея, запор и рвота.

Профессор Филип Ньюсом, директор Института исследований печени Роджера Уильямса в Королевском колледже Лондона, заявил: «Я работаю с препаратами класса GLP-1 уже шестнадцать лет, и эти результаты невероятно вдохновляют. МАСБП становится все более серьезной проблемой во всем мире, и это исследование дает реальную надежду пациентам с МАСГ. Хотя к результатам следует относиться с осторожностью, анализ показывает, что семаглутид может стать эффективным средством лечения этого прогрессирующего заболевания печени».

Исследовательская группа продолжит наблюдение за почти 1200 участниками из 37 стран в течение пяти лет, чтобы собрать данные о влиянии семаглутида на долгосрочные осложнения со стороны печени.

Дополнительная информация

• Какие еще препараты класса GLP-1 исследуются для лечения заболеваний печени? - Кроме семаглутида, изучаются лираглутид и дулаглутид, которые также показали потенциал в снижении воспаления и фиброза печени в предварительных исследованиях.
• Какие механизмы действия семаглутида способствуют уменьшению фиброза печени? - Семаглутид снижает воспаление, улучшает чувствительность к инсулину и подавляет активацию звездчатых клеток печени, что замедляет прогрессирование фиброза.

---

Математик решил древнейшую алгебраическую задачу с помощью новых числовых последовательностей

Математик из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Сиднее разработал новый метод решения древнейшей алгебраической проблемы — нахождения корней полиномиальных уравнений высших степеней.

Полиномы — это уравнения, содержащие переменную, возведённую в степень, например, полином второй степени: 1 + 4x – 3x² = 0.

Эти уравнения фундаментальны как для математики, так и для науки в целом, находя широкое применение — от описания движения планет до программирования.

Однако общий метод решения полиномиальных уравнений высших порядков (где x возводится в пятую или более высокую степень) исторически оставался недостижимым.

Теперь почётный профессор UNSW Норман Уайлдбергер представил новый подход, основанный на оригинальных числовых последовательностях, который он описал в совместной публикации с компьютерным специалистом доктором Дином Рубином.

"Наше решение вновь открывает давно закрытую главу в истории математики", — заявил профессор Уайлдбергер.

Проблема полиномов

Решения для полиномов второй степени были известны ещё с 1800 года до н.э. благодаря вавилонскому "методу дополнения до полного квадрата", который эволюционировал в знакомую многим школьникам формулу квадратного уравнения.

Этот подход, использующий корни чисел (так называемые "радикалы"), был позднее расширен для решения уравнений третьей и четвёртой степени в XVI веке.

Затем в 1832 году французский математик Эварист Галуа показал, что математическая симметрия, лежащая в основе методов решения полиномов низших степеней, становится невозможной для уравнений пятой и более высоких степеней.

Следовательно, заключил он, не существует общей формулы для их решения.

С тех пор были разработаны приближённые методы решения полиномов высших степеней, которые широко применяются на практике, но, как отмечает профессор Уайлдбергер, они не относятся к чистой алгебре.

Отказ от радикалов как основа нового метода

Проблема, по его словам, заключается в использовании в классических формулах корней третьей или четвёртой степени — радикалов.

Радикалы обычно представляют иррациональные числа — бесконечные непериодические десятичные дроби, которые невозможно записать в виде простой дроби.

Например, кубический корень из семи, ³√7 = 1.9129118…, продолжается бесконечно.

Профессор Уайлдбергер утверждает, что это означает невозможность полного вычисления точного значения, поскольку "потребовалась бы бесконечная работа и жёсткий диск размером больше Вселенной".

Таким образом, когда мы предполагаем, что ³√7 "существует" в формуле, мы допускаем, что эта бесконечная, никогда не заканчивающаяся десятичная дробь каким-то образом является завершённым объектом.

Именно поэтому профессор Уайлдбергер заявляет, что "не верит в иррациональные числа".

По его словам, иррациональные числа опираются на неточное понятие бесконечности и приводят к логическим проблемам в математике.

Отказ профессора Уайлдбергера от радикалов вдохновил его на самые известные вклады в математику — рациональную тригонометрию и универсальную гиперболическую геометрию.

Оба подхода основаны на математических функциях, таких как возведение в квадрат, сложение или умножение, а не на иррациональных числах, радикалах или функциях вроде синуса и косинуса.

Его новый метод решения полиномов также избегает радикалов и иррациональных чисел, опираясь вместо этого на специальные расширения полиномов, называемые "степенными рядами", которые могут содержать бесконечное число членов со степенями x.

Профессор Уайлдбергер поясняет, что, обрезая степенные ряды, они смогли извлечь приближённые численные ответы, чтобы проверить работоспособность метода.

"Одно из уравнений, которые мы тестировали, было знаменитым кубическим уравнением, использованным Уоллисом в XVII веке для демонстрации метода Ньютона. Наше решение сработало прекрасно", — сказал он.

Новая геометрия для общего решения

Однако профессор Уайлдбергер отмечает, что доказательство метода в конечном итоге основано на математической логике.

Его метод использует новые числовые последовательности, представляющие сложные геометрические взаимосвязи.

Эти последовательности относятся к комбинаторике — разделу математики, изучающему числовые закономерности в наборах элементов.

Самая известная комбинаторная последовательность, называемая числами Каталана, описывает количество способов разбиения многоугольника (любой фигуры с тремя и более сторонами) на треугольники.

Эти числа имеют важное практическое применение, включая компьютерные алгоритмы, проектирование структур данных и теорию игр.

Они даже встречаются в биологии, где используются для подсчёта возможных схем сворачивания молекул РНК.

И их можно вычислить с помощью простого полинома второй степени.

"Числа Каталана тесно связаны с квадратным уравнением. Наша инновация заключается в идее, что для решения уравнений высших степеней следует искать их высшие аналоги".

Работа профессора Уайлдбергера расширяет числа Каталана от одномерного до многомерного массива, основанного на количестве способов разделения многоугольника с помощью непересекающихся линий.

"Мы нашли эти расширения и показали, как они логически приводят к общему решению полиномиальных уравнений.

Это кардинальный пересмотр базовой главы алгебры".

Даже квинтики — полиномы пятой степени — теперь имеют решения, утверждает он.

Помимо теоретического интереса, метод обещает практическое применение для создания компьютерных программ, способных решать уравнения с помощью алгебраических рядов вместо радикалов.

"Это базовое вычисление для большей части прикладной математики, поэтому это возможность улучшить алгоритмы в самых разных областях".

Неисследованные грани "Геода"

Профессор Уайлдбергер отмечает, что новый массив чисел, который он и доктор Рубин назвали "Геод", также обладает огромным потенциалом для дальнейших исследований.

"Мы вводим этот принципиально новый массив чисел — Геод, который расширяет классические числа Каталана и, по-видимому, лежит в их основе.

Мы ожидаем, что изучение этого нового массива Геода поднимет множество новых вопросов и займёт комбинаториков на годы вперёд.

На самом деле, здесь столько других возможностей. Это только начало".

Дополнительная информация

• Какие практические применения имеют числа Каталана, помимо упомянутых в статье? - Числа Каталана используются в комбинаторике для подсчёта корректных скобочных последовательностей, бинарных деревьев, триангуляций многоугольников, а также в теории очередей и анализе алгоритмов.
• Какие логические проблемы в математике возникают из-за использования иррациональных чисел? - Иррациональные числа могут вызывать проблемы точности в вычислениях, трудности при доказательствах из-за их бесконечной непериодической природы, а также парадоксы, связанные с непрерывностью и счётностью.
• Какие ещё числовые последовательности, подобные числам Каталана, широко используются в математике и их приложениях? - Примеры: числа Фибоначчи (биология, финансы), числа Белла (теория множеств), числа Стирлинга (комбинаторика), числа Бернулли (анализ и теория чисел).

---

Противоядие нейтрализует нейротоксины 19 самых смертоносных змей мира

Ученые разработали самое универсальное на сегодняшний день противоядие, используя антитела донора-человека с искусственно вызванным гипериммунитетом к змеиному яду. В испытаниях на мышах оно показало эффективность против таких видов, как черная мамба, королевская кобра и тигровая змея. Описанное 2 мая в журнале Cell издательства Cell Press, противоядие сочетает защитные антитела и низкомолекулярный ингибитор, открывая путь к созданию универсальной антисыворотки.

Технология производства противоядий за последнее столетие практически не изменилась. Обычно лошадей или овец иммунизируют ядом одного вида змей, а затем собирают вырабатываемые антитела. Хотя этот метод эффективен, он может вызывать побочные реакции на чужеродные антитела, а сами препараты, как правило, работают только против конкретных видов и регионов.

Исследуя способы улучшить этот процесс, ученые обнаружили человека с гипериммунитетом к нейротоксинам змей. «Донор в течение почти 18 лет подвергал себя сотням укусов и самоиммунизации возрастающими дозами яда 16 видов крайне опасных змей, которые обычно убивают лошадь», — рассказывает первый автор исследования Джейкоб Гланвилл, генеральный директор компании Centivax, Inc.

После того как донор, Тим Фриде, согласился участвовать в исследовании, ученые выяснили, что многолетнее воздействие яда различных змей привело к выработке антител, эффективных сразу против нескольких змеиных нейротоксинов.

«Уникальность донора заключалась в его беспрецедентной иммунной истории, которая бывает раз в жизни, — говорит Гланвилл. — Он не только создал эти широко нейтрализующие антитела, но и дал нам возможность разработать широкоспектральное или даже универсальное противоядие».

Для создания противоядия команда сначала собрала панель из 19 самых опасных змей 1-й и 2-й категорий по классификации Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) из семейства аспидовых, к которому относится около половины всех ядовитых видов, включая коралловых змей, мамб, кобр, тайпанов и крайтов. Затем исследователи выделили из крови донора целевые антитела, реагирующие на нейротоксины этих змей. Каждое антитело тестировали на мышах, отравленных ядом одного из видов в панели. Таким образом ученые смогли систематически подобрать минимальный, но достаточный набор компонентов, делающий все яды неэффективными.

Команда создала смесь из трех основных компонентов: двух антител, выделенных из крови донора, и низкомолекулярного соединения. Первое антитело, LNX-D09, защитило мышей от смертельной дозы цельного яда шести видов змей из панели. Чтобы усилить действие антисыворотки, ученые добавили низкомолекулярный ингибитор токсинов вареспладиб, который обеспечил защиту еще от трех видов. Наконец, они включили второе антитело донора, SNX-B03, расширив защиту на всю панель.

«Когда мы дошли до трех компонентов, у нас была беспрецедентная широта полной защиты для 13 из 19 видов и частичная защита для остальных, — объясняет Гланвилл. — Мы смотрели на список и думали: "А что, если добавить четвертый агент? Сможем ли мы добиться еще большей защиты?"» Даже без четвертого компонента результаты показывают, что трехкомпонентный коктейль может быть эффективен против многих других, если не большинства, аспидовых змей, не включенных в исследование.

После успешных испытаний на мышах команда планирует проверить эффективность противоядия в полевых условиях, начиная с лечения собак, поступивших в ветеринарные клиники Австралии с укусами змей. Кроме того, ученые хотят разработать противоядие для другого крупного семейства змей — гадюковых.

«Сейчас мы настраиваем реагенты, чтобы пройти итеративный процесс подбора минимального достаточного коктейля для широкой защиты от яда гадюковых, — говорит ведущий автор исследования Питер Квонг, профессор медицинских наук Колумбийского университета и бывший сотрудник Национальных институтов здоровья (NIH). — В итоге может получиться либо единый универсальный препарат, либо два отдельных: один для аспидовых, другой для гадюковых, поскольку в некоторых регионах мира встречается только одно из этих семейств».

Другая важная цель — привлечь филантропические фонды, правительства и фармацевтические компании для поддержки производства и клинической разработки широкоспектрального противоядия. «Это критически важно, потому что, хотя ежегодно происходят миллионы случаев змеиных укусов, большинство из них — в развивающихся странах, причем сельские сообщества страдают непропорционально сильно», — отмечает Гланвилл.

Исследование поддержано Национальным институтом аллергии и инфекционных заболеваний NIH, программой NIH Small Business Innovation Research и Министерством энергетики США.

Дополнительная информация

• Как работает низкомолекулярный ингибитор вареспладиб в нейтрализации змеиных токсинов? - Вареспладиб блокирует действие фосфолипазы A2 (PLA2) — ключевого фермента в составе многих змеиных ядов, который разрушает клеточные мембраны и вызывает воспаление. Ингибитор связывается с активным центром фермента, предотвращая его взаимодействие с субстратами.

• Какие регионы мира наиболее подвержены укусам змей семейства аспидовых и гадюковых? - Наибольший риск укусов аспидовых (например, кобры, мамбы) наблюдается в Африке, Южной и Юго-Восточной Азии. Гадюковые (например, гадюки, гремучие змеи) распространены в Африке, Европе, Азии и Северной Америке, особенно в сельских районах с тропическим и субтропическим климатом.

---

Развитие ИИ для разнообразных применений в производстве, бизнесе и образовании

Большие языковые модели (LLM) находятся на переднем крае искусственного интеллекта (ИИ) и широко используются для диалогового взаимодействия. Однако оценка личности конкретной LLM остается серьезной проблемой. Исследовательская группа Гонконгского политехнического университета (PolyU) разработала систему оценки на основе ИИ — Language Model Linguistic Personality Assessment (LMLPA), способную количественно измерять личностные черты LLM с помощью лингвистического анализа.

Это инновационное междисциплинарное исследование в области ИИ и компьютерной лингвистики привело к созданию надежных, основанных на данных инструментов ИИ для оценки тонких личностных черт и поведения LLM.

Система LMLPA представляет собой важный шаг вперед в понимании LLM и их разработке для большего соответствия человеческим ценностям и потребностям.

Исследование, проведенное под руководством профессора Лик-Ханга Ли, доцента кафедры промышленного и системного инжиниринга PolyU, было опубликовано в журнале Computational Linguistics.

LMLPA предназначена для оценки и характеристики личностей LLM путем анализа языковых паттернов, стиля и других языковых особенностей в их выводах.

Система состоит из двух основных компонентов: адаптированного опросника «Большая пятерка» (Adapted BFI) и ИИ-оценщика.

Сначала LMLPA применяет Adapted-BFI, основанный на предыдущих теориях оценки личности на основе языка, к LLM.

Затем ИИ-оценщик анализирует ответы, преобразуя текстовые ответы в количественные числовые значения, представляющие личностные черты.

Эта инновационная технология не только продвигает человеко-ориентированный ИИ и компьютерную лингвистику, предоставляя надежную основу для уточнения оценок личности ИИ, но и находит применение в различных областях, включая образование и производство, а также в бизнесе, например, помогая компаниям с соблюдением нормативных требований и отчетностью в области ESG (Environmental, Social, and Governance).

Она также поддерживает цели устойчивого развития и совершенствование юридических услуг.

Профессор Ли отметил: «Преодолевая ограничения LLM в охвате когнитивных и аффективных аспектов человеческой личности, наша команда успешно разработала новые инструменты оценки для характеристики личностей LLM в лингвистических терминах, согласующихся с их функциональными возможностями и операционными парадигмами».

Исследование открывает новые возможности для понимания и взаимодействия с ИИ. Количественная оценка личностей LLM позволяет адаптировать их стили общения для конкретных применений, прокладывая путь к более персонализированному взаимодействию между человеком и машиной.

Профессор Ли применил технологические основы своего исследования для создания бизнес-платформы соответствия требованиям на основе ИИ. Используя обработку естественного языка, платформа может анализировать и интерпретировать большие объемы текстовых данных и отчетов, включая те, которые генерируются LLM. Технология ИИ используется для автоматического сбора данных, анализа и генерации инсайтов, значительно упрощая процессы соответствия бизнес-требованиям и отчетности. Интеграция LMLPA демонстрирует тонкие возможности ИИ в оценке языковых личностных черт, предлагая потенциальные применения в анализе качественных бизнес-данных и данных о людях.

---

Океаны нагреваются быстрее в двух широтных поясах, опоясывающих планету

Согласно новому исследованию под руководством климатолога доктора Кевина Тренберта, мировые океаны нагреваются быстрее в двух широтных поясах, один из которых расположен в южном полушарии, а другой — в северном.

В обоих полушариях эти зоны находятся около 40-й параллели.

Первый пояс между 40 и 45 градусами южной широты нагревается самыми быстрыми темпами в мире, причем эффект особенно выражен в районе Новой Зеландии, Тасмании и атлантических вод к востоку от Аргентины.

Второй пояс расположен около 40 градусов северной широты с наиболее заметными изменениями в водах к востоку от США в Северной Атлантике и к востоку от Японии в северной части Тихого океана.

"Это очень поразительно", — говорит Тренберт из Оклендского университета и Национального центра атмосферных исследований в Боулдере, Колорадо.

"Необычно обнаружить такой отчетливый паттерн, выделяющийся в климатических данных", — отмечает он.

Нагрев океанов нарушает морские экосистемы, увеличивает содержание водяного пара в атмосфере (который является мощным парниковым газом) и усиливает ливни и экстремальные погодные явления.

Согласно исследованию Тренберта и его соавторов, опубликованному в Journal of Climate, тепловые пояса сформировались с 2005 года параллельно со смещением высотных струйных течений (мощных ветров над поверхностью Земли, дующих с запада на восток) в сторону полюсов и соответствующими изменениями океанских течений.

Ученые обработали "беспрецедентный" объем атмосферных и океанографических данных, чтобы оценить изменения в полосах океана шириной 1 градус широты на глубине до 2000 метров за период с 2000 по 2023 год, сообщает Тренберт.

Изменения теплосодержания, измеряемые в зеттаджоулях, сравнивались с базовым уровнем 2000-2004 годов.

Помимо двух ключевых зон, значительное увеличение теплосодержания произошло в области от 10 градусов северной широты до 20 градусов южной широты, включающей большую часть тропиков.

Однако, по словам Тренберта, этот эффект был менее выражен из-за вариаций, вызванных климатическим паттерном Эль-Ниньо — Южной осцилляции.

"Необычным является отсутствие потепления в субтропиках около 20-й параллели в обоих полушариях", — отмечает ученый.

Соавторами исследования стали Лицзин Чэн и Юйин Пань из Китайской академии наук, Джон Фазилло из NCAR, а также Михаэль Майер из Венского университета и Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды.

---

Вкусное или ядовитое: летучие мыши учатся определять, какая добыча безопасна

Ученые из Смитсоновского института тропических исследований (STRI) обнаружили, что бахромчатогубый листонос — летучая мышь, которая подслушивает брачные крики лягушек и жаб для поиска добычи, — учится отличать съедобных земноводных от несъедобных на основе опыта. Результаты исследования, опубликованные 29 апреля в журнале Proceedings of the Royal Society B, впервые показали, что хищники, использующие акустическую разведку, постепенно совершенствуют свои охотничьи навыки в процессе развития.

Некоторые хищники находят пищу, подслушивая звуки, издаваемые добычей. Бахромчатогубые листоносы, обитающие от Панамы до Бразилии, — одни из самых искусных «подслушивателей» в мире: они распознают брачные крики более десятка видов лягушек и жаб, живущих в их среде обитания. Услышав такой звук, летучая мышь за считанные секунды направляется к его источнику. Однако, подобно тому как не все телефонные звонки бывают желанными, не каждый крик лягушки или жабы гарантирует безопасную и полезную еду — слишком крупная или ядовитая добыча может представлять угрозу для летучей мыши.

Бахромчатогубые листоносы адаптировались к этому риску, выработав собственную систему «определения номера»: услышав крик несъедобной лягушки или жабы, они экономят время и силы, не реагируя. Но в отличие от телефонных звонков, крики земноводных не сопровождаются автоматическими предупреждениями о «спаме», и до сих пор ученые не знали, откуда у летучих мышей способность отличать съедобных лягушек от несъедобных.

«Уже само по себе удивительно, что эти летучие мыши охотятся, ориентируясь на звуки, издаваемые совершенно другим классом животных, и мы давно задавались вопросом, как они приобретают этот необычный навык, — сказал Логан Джеймс, постдокторант STRI и ведущий автор исследования. — Из предыдущих исследований мы знали, что эти летучие мыши очень сообразительны и способны обучаться в экспериментальных условиях, но не проверяли, играет ли их способность к обучению роль в тонкой настройке реакции на звуковые сигналы естественной добычи».

Исследовательская группа проверила, как дикие взрослые и молодые бахромчатогубые листоносы реагируют на записи брачных криков 15 местных видов лягушек и жаб, включая съедобных, ядовитых и слишком крупных для поимки. Сначала команда подтвердила данные предыдущих исследований: взрослые особи сильнее реагировали на съедобных земноводных. Однако, как выяснилось, молодые мыши таких различий не делали — в среднем их реакция не зависела от съедобности добычи.

При более детальном анализе оказалось, что молодые особи, как и взрослые, могут определять крупную добычу по звуку, но не различают ядовитые виды. Это указывает на то, что изначально молодые мыши реагируют в основном на размер добычи, а способность распознавать токсичные виды развивается у них со временем.

«Мы изучаем этот удивительный вид годами и во многих аспектах хорошо понимаем его поведение, — отметила Рэйчел Пейдж, научный сотрудник STRI и один из старших авторов исследования. — Но впервые мы протестировали молодых летучих мышей. Было очень интересно увидеть, что, как и человеческие дети, молодые особи нуждаются во времени и опыте, чтобы отточить свои навыки распознавания».

Это первое исследование, в котором явно сравниваются реакции «подслушивающих» хищников-универсалов разного возраста. Вероятно, такая стратегия широко распространена в животном мире, и бахромчатогубые листоносы — не единственные хищники, которым нужно учиться отличать съедобную добычу. В конечном счете, работа подчеркивает ключевую роль раннего опыта в формировании охотничьего поведения в дикой природе.

«Это исследование демонстрирует, как развитие и обучение влияют на поведение при акустической разведке, — сказала Химена Берналь, научный сотрудник STRI, профессор Университета Пердью и один из старших авторов работы. — Мы надеемся, что это вдохновит других ученых на изучение того, как ранний опыт влияет на принятие решений хищниками при поиске пищи».

Дополнительная информация

• Какие механизмы обучения помогают молодым летучим мышам отличать ядовитых лягушек от съедобных? - Молодые летучие мыши учатся распознавать ядовитых лягушек через социальное обучение, наблюдая за взрослыми особями, а также методом проб и ошибок, запоминая акустические сигнатуры безопасной добычи.
• Какие другие хищники, кроме бахромчатогубых листоносов, используют акустическую разведку и нуждаются в обучении для распознавания добычи? - К таким хищникам относятся дельфины (используют эхолокацию для охоты на рыб), совы (ориентируются по звуку при ночной охоте) и некоторые виды ластоногих (например, морские львы).

---

Ученые раскрыли механизм, по которому мозг оценивает положительные и отрицательные социальные взаимодействия

Исследователи из Медицинской школы Маунт-Синай впервые идентифицировали нейронные механизмы в мозге, которые регулируют как положительные, так и отрицательные впечатления от социальных взаимодействий, а также то, как дисбаланс между ними может привести к распространенным нейропсихиатрическим расстройствам, таким как расстройство аутистического спектра (РАС) и шизофрения. Исследование, опубликованное 30 апреля в журнале Nature, также описывает, как активация серотонинового рецептора в мозге мышиной модели РАС восстановила положительную эмоциональную оценку (также известную как "валентность"), что открывает перспективы для разработки будущих методов терапии.

"Способность распознавать и отличать неприятные взаимодействия от приятных крайне важна для человека, чтобы ориентироваться в социальной среде", — говорит Сяотин У, доктор философии, доцент нейробиологии в Иканской школе медицины на горе Синай и старший автор исследования.

"До сих пор оставалось неясным, как мозг присваивает положительную или отрицательную оценку — "валентность" — социальным взаимодействиям и как эта информация может гибко обновляться в постоянно меняющейся среде".

Центральную роль в этой сложной нейронной цепи играет гиппокамп, расположенный глубоко в височной доле мозга и отвечающий за формирование новых воспоминаний, обучение и эмоции.

Исследователи из Маунт-Синай описали, как два нейромодулятора — серотонин и нейротензин, влияющие на такие процессы, как настроение, возбуждение и нейропластичность, — высвобождаются в субрегионе гиппокампа, известном как вентральный CA1, где они контролируют противоположные оценки социальной валентности.

Оба нейротрансмиттера воздействуют на различные популяции нейронов вентрального CA1 через свои рецепторы — серотониновый 1B и нейротензиновый 1.

Хотя известно, что дефицит социальной валентности распространен при многих нейропсихиатрических расстройствах, их лежащие в основе нейронные механизмы и патофизиология оставались неясными.

"Наша работа впервые дала фундаментальное понимание нейронной основы социальной валентности", — отмечает доктор У. — "Мы показали, что нейромодуляторы серотонин и нейротензин передают противоположные валентности, раскрывая фундаментальный принцип работы мозга в форме нейромодуляторного переключателя, который позволяет адаптировать поведение на основе социального опыта".

Конкретно команда разработала новую социально-когнитивную парадигму, включавшую воздействие на мышей как отрицательных, так и положительных социальных взаимодействий.

При отрицательном взаимодействии тестовая мышь сталкивалась с агрессивной особью; при положительном — с потенциальным партнером.

В обоих случаях мыши имели отрицательный или нейтральный/положительный или нейтральный опыт, а затем могли выбрать, с какой особью они предпочли бы провести больше времени.

Без предварительного опыта мыши не проявляли предпочтений, но после взаимодействия они ассоциировали особь с положительной или отрицательной валентностью и учились избегать "плохую" мышь или приближаться к "хорошей".

Не менее важно, что команда обнаружила специфические мишени для лекарств, воздействующих на положительную и отрицательную валентность, — знание, которое потенциально может быть использовано в будущих методах лечения.

Конкретно, серотонин, действуя на рецептор 1B, создает положительное впечатление от социального взаимодействия, тогда как нейротензин, воздействуя на рецептор 1, формирует отрицательное впечатление.

Дисбаланс в эмоциональной обработке этих двух типов социального опыта известен как изнурительный симптом РАС.

В результате, активируя серотониновый рецептор 1B, исследователи смогли восстановить положительное впечатление, связанное с вознаграждающими социальными взаимодействиями.

"Мы идентифицировали специфический рецептор нейромодулятора, на который затем воздействовали, чтобы устранить социально-когнитивный дефицит у мышиной модели РАС", — объясняет доктор У.

"В более широком смысле наша работа дает ключевое понимание сложных социальных поведений, одновременно раскрывая потенциальные терапевтические мишени, которые могут быть использованы для улучшения социально-когнитивных дефицитов при распространенных нейропсихиатрических расстройствах".

Исследование было поддержано грантами NIH K99 Career Development Award (грант № MH122697), NIMH BRAINS R01 Award (грант № MH136228), Alkermes Pathways Award, NARSAD Young Investigator Award и Friedman Brain Institute Scholar Award.

Дополнительная информация

• Какие еще нейромодуляторы, кроме серотонина и нейротензина, влияют на социальную валентность? - Дофамин и окситоцин также играют важную роль в регуляции социального поведения. Дофамин связан с мотивацией и вознаграждением, а окситоцин — с доверием и социальными связями.
• Как именно дисбаланс серотонина и нейротензина проявляется при шизофрении? - Дисбаланс серотонина может способствовать галлюцинациям и когнитивным нарушениям, а нарушение уровня нейротензина — эмоциональной неустойчивости и социальной дезадаптации.

---

Жизнь в зоопарке усиливает исследовательскую активность орангутанов

Новое исследование, сравнивающее суматранских орангутанов в дикой природе и в зоопарках, показало, что жизнь в неволе значительно меняет их взаимодействие с окружающей средой. Учёные проанализировали более 12 000 случаев ежедневного исследовательского манипулирования объектами (EOM) — активного взаимодействия и визуального изучения предметов, связанного с обучением и решением задач, — у 51 орангутана в возрасте от 0,5 до 76 лет. Результаты показали, что орангутаны в зоопарках исследуют предметы чаще, разнообразнее и сложнее, чем их дикие сородичи.

«Наше исследование демонстрирует, что орангутаны в зоопарках не только больше исследуют, но и делают это иначе», — говорит Изабель Лаумер, ведущий автор исследования.

«Особенно удивительно, что даже при взаимодействии с одинаковыми объектами орангутаны в зоопарках демонстрировали более богатый репертуар действий и чаще использовали инструменты или манипулировали несколькими предметами одновременно».

Исследование сравнивало поведение EOM у диких и живущих в зоопарках орангутанов в широком возрастном диапазоне.

Данные собирались на исследовательской станции Суак-Балимбинг в Индонезии у 33 диких особей в возрасте от шести месяцев до 76 лет, а также в четырёх зоопарках Германии и Швейцарии у 24 особей в возрасте от семи месяцев до 49 лет. Всего было проанализировано около 12 000 случаев EOM.

Исследование показало, что орангутаны в зоопарках исследуют предметы чаще, чем дикие, хотя продолжительность исследования не отличалась, когда особи всё же занимались этим.

Дикие орангутаны в основном взаимодействовали с природными объектами, такими как растения, кора и палки, тогда как обитатели зоопарков изучали более разнообразные предметы обогащения среды — пластиковые игрушки, головоломки и конструкторы, специально предназначенные для стимуляции когнитивной активности.

Важно отметить, что возраст, в котором орангутаны начинали проявлять определённые типы исследовательского поведения, был одинаков в обеих группах, что указывает на врождённую последовательность развития.

Однако у орангутанов в зоопарках исследовательская активность сохранялась и во взрослом возрасте, тогда как у диких особей EOM резко снижался около возраста отлучения от груди (примерно 8 лет) — вероятно, из-за необходимости выживания в дикой природе, где поиск пищи и постоянная бдительность оставляют мало времени на исследование.

У человеческих младенцев исследование предметов помогает узнавать об их физических свойствах, таких как текстура и вес, а также стимулирует когнитивное и моторное развитие — аналогичная модель наблюдается и у многих животных.

Усиленная исследовательская активность может улучшать когнитивную гибкость и навыки решения задач у орангутанов в зоопарках, поскольку они взаимодействуют с разнообразными предметами и имеют больше времени и энергии для обучения через исследование.

«Эти результаты подчёркивают, насколько сильно среда влияет на поведение и когнитивное развитие животных, — говорит Каролин Шуппли, старший автор исследования. — Кроме того, это даёт уникальные возможности: сравнивая диких и живущих в зоопарках животных, мы можем лучше понять весь спектр когнитивного потенциала вида».

---

Сезонные изменения влияют на переносимость алкоголя и объем талии

Исследователи из Университета Нагоя в Японии обнаружили, что эффективность лекарств, переносимость алкоголя и метаболизм углеводов меняются в зависимости от времени года. Их выводы основаны на комплексной карте сезонной экспрессии генов, которая изучала более 54 000 генов в 80 тканях обезьян в течение одного года. Исследование имеет значение для назначения лекарств и персонализированной медицины.

Чтобы справляться с динамичными сезонными изменениями окружающей среды, животные, включая человека, развили биологические часы, настроенные на смену времен года. Физиология и поведение, включая секрецию гормонов, метаболизм, сон, иммунную функцию и репродукцию, меняются в зависимости от сезона.

Чтобы понять природу этих изменений, группа исследователей под руководством профессора Такаши Ёсимуры из Института трансформативных биомолекул (ITbM) Университета Нагоя обратилась к макакам-резусам — приматам, близким к человеку. Их анализ, опубликованный в журнале Nature Communications, выявил множество «сезонно изменяемых генов» на основе карты экспрессии более 54 000 генов в 80 тканях.

Исследование обнаружило сезонные колебания в генах, отвечающих за метаболизм лекарств, особенно CYP2D6 и CYP2C19, которые влияют на четверть распространенных препаратов. На эти сезонные вариации могут реагировать многие широко используемые лекарства, включая средства для лечения рака, диабета, высокого холестерина, психических расстройств, гормональной терапии и иммунодепрессантов, применяемых при трансплантации органов.

Переносимость алкоголя зависит от сезона

Чтобы проверить изменения в переносимости алкоголя, команда выращивала мышей в условиях зимы и лета. Они обнаружили, что мыши, выращенные в зимних условиях, быстрее восстанавливались после алкогольного опьянения.

«Этот результат предполагает, что организм легче подвержен опьянению летом, — сказал Ёсимура. — Это интересное открытие, так как оно может объяснить, почему в большинстве стран число пациентов, госпитализированных с острым алкогольным отравлением, выше летом».

Диета может различаться у женщин и мужчин

Группа обнаружила неожиданные гендерные различия в сезонно изменяемых генах. Хотя обезьян кормили одинаковой пищей круглый год, активность генов, участвующих в метаболизме углеводов, достигала пика зимой и весной в двенадцатиперстной кишке у самок.

Усиленный метаболизм углеводов в двенадцатиперстной кишке важен для извлечения максимального количества энергии из скудной пищи в зимние месяцы, что может объяснить, почему люди часто набирают вес в этот период. Затем, когда весной пищи становится больше, метаболизм углеводов усиливается, чтобы извлекать энергию из более разнообразного рациона.

Хронотерапия может изменить подход к этим состояниям

Понимание того, как наши гены влияют на реакцию на лекарства, набор веса и алкогольное опьянение, может помочь пациентам.

«Наши результаты показывают, что при назначении некоторых лекарств следует учитывать время года, — сказал Ёсимура. — Мы ожидаем, что наше исследование внесет вклад в развитие хронотерапии и будущее персонализированной медицины».

---

Дрессированная морская львица возвращается на сцену — и выступает не хуже людей

Исследования биомузыкальности животных, изучающие, способны ли различные виды демонстрировать распознавание элементов музыки, включая ритм и такт, остаются захватывающей областью на стыке биологии и психологии. Теперь высокодрессированная калифорнийская морская львица из UC Santa Cruz, получившая мировую известность за умение качать головой в такт, наконец вернулась: она стала героиней нового исследования, которое показывает, что её чувство ритма столь же точное — если не лучше — чем у людей.

Ронан впервые вышла на мировую сцену в 2013 году, когда исследователи из Long Marine Laboratory университета сообщили, что она не только может качать головой в такт, но и подстраивать свои движения под темпы и музыку, которые слышит впервые.

В новом исследовании, которое будет опубликовано 1 мая в журнале Scientific Reports (Nature), команда Ронан продемонстрировала, что её синхронизация с ритмом была не хуже, а иногда даже лучше человеческой — и что её стабильность в выполнении задачи поддержания ритма превосходила человеческую.

Чтобы максимально приблизиться к способу Ронан реагировать на ритм (покачиванием головы), исследователи попросили 10 студентов UC Santa Cruz двигать предпочитаемой рукой в плавном, вертикальном движении в такт ударному метроному.

Были использованы три темпа — 112, 120 и 128 ударов в минуту, причём Ронан ранее не сталкивалась с 112 и 128 ударами.

При 120 ударах в минуту — наиболее освоенном темпе Ронан — она в среднем попадает в такт с точностью до 15 миллисекунд, сообщил ведущий автор нового исследования Питер Кук, давний сотрудник Института морских наук UC Santa Cruz.

Вариативность Ронан в соблюдении ритма также составляет около 15 миллисекунд.

Для сравнения, моргание человеческого глаза занимает около 150 миллисекунд.

«Она невероятно точна, с вариативностью всего около десятой доли моргания от цикла к циклу», — сказал Кук, также сравнительный нейробиолог из New College of Florida.

«Иногда она может попасть в такт на 5 миллисекунд раньше, иногда на 10 миллисекунд позже. Но она буквально раз за разом попадает в ритмическую „яблочко“».

Исследователи подчеркивают, что Ронан полностью контролирует своё участие.

Её не лишают пищи и не наказывают за отказ от участия, и её тренировки отражают эту автономию: каждое занятие она начинает с того, что забирается на специальную платформу, где расслабляется в ожидании начала эксперимента.

Когда она готова, она занимает позицию и сигнализирует о своей готовности.

Если она решит прекратить участие в любой момент, она может свободно вернуться в бассейн без каких-либо негативных последствий.

Карьера Ронан

Ронан родилась в дикой природе в 2008 году, но неоднократно оказывалась на берегу из-за недоедания.

После третьего такого случая, когда её заметили идущей по шоссе 1 в 2009 году, регулирующие органы окончательно признали её неспособной к возвращению в естественную среду.

В 2010 году UC Santa Cruz взял её под опеку, и она стала постоянным членом Pinniped Lab.

Лаборатория под руководством научного сотрудника UC Santa Cruz и адъюнкт-профессора Коллин Райхмут использует методы кооперативного обучения для изучения поведения и физиологии морских млекопитающих.

Подопечные лаборатории, включая Ронан, участвуют в самых разных проектах, помогая исследователям изучать внутренний мир своих амфибийных подопытных.

Среди них — исследования обучения и памяти, сенсорной биологии и физиологии ныряния.

Другими словами, Ронан не только оттачивает ритм в лаборатории.

Команда подсчитала, что за последние 12 лет она приняла участие примерно в 2000 ритмических упражнениях — каждое длилось всего 10–15 секунд.

А иногда между этими занятиями проходили годы, пока она занималась другими исследованиями.

«Она определённо не была перетренирована», — сказал Кук. «Реально, если сложить всё время, которое Ронан провела, работая с ритмом, оно, вероятно, меркнет по сравнению с тем, что слышит типичный годовалый ребёнок».

Первое исследование ритма Ронан было вдохновлено работой Ани Пателя из Университета Тафтса и его коллег, изучавших спорадическое чувство ритма у какаду по кличке Сноуболл, который спонтанно «танцевал» под Backstreet Boys.

Поскольку люди и какаду — вокальные имитаторы, исследование попугая привело к теории, что для движения в такт музыке необходимы изменения мозга, связанные с вокальным обучением.

Морские львы не демонстрируют способности к изучению новых звуков, поэтому исследование Ронан 2013 года произвело фурор, поставив под сомнение теорию о связи ритма с вокальным обучением.

Но после публикации некоторые видные теоретики биомузыкальности заявили, что её результаты не столь точны и стабильны, как у людей.

Они предположили, что Ронан, возможно, делает не совсем то же, что люди, и поэтому не может полагаться на те же биологические механизмы восприятия и движения в ритме.

Это побудило Кука и Райхмут снова протестировать Ронан, чтобы проверить, улучшились ли её навыки, и сравнить её результаты с людьми, выполняющими аналогичное задание с теми же звуками.

Как показало новое исследование, Ронан была точнее и стабильнее на всех проверенных темпах.

А в «битве ритмов» со студентами UC Santa Cruz она более чем достойно держалась.

Авторы исследования использовали результаты студентов, чтобы смоделировать теоретическую производительность 10 000 людей, выполняющих то же ритмическое задание.

Согласно этой модели, Ронан оказалась в 99-м процентиле по стабильности соблюдения ритма.

Сейчас, в 16 лет и при весе 77 кг, команда называет Ронан «взрослой и в расцвете сил» для морской львицы в условиях содержания.

Прожив с ней бок о бок более десяти лет, исследователи прекрасно изучили её характер.

Они знают, что она умна, но также энергична. И, как и у нас, её результаты улучшаются с практикой.

«Один из самых важных выводов исследования — то, что значение имеют зрелость и опыт», — сказала Райхмут.

«Это не просто тест на ритм. Это отражение её когнитивного поведения и способности запоминать и совершенствовать его со временем».

Ещё один момент: Ронан хочет выступать хорошо. Каждый раз, когда она забирается на платформу, это её собственный выбор, объяснила Райхмут.

Если у Ронан нет настроения, в тот день тестов не будет. «Она мотивирована. Для неё это игра, в которой она знает, как победить», — сказала Райхмут, — «и ей нравится рыба, которую она за это получает».

Эффект Ронан

Прогресс в исследованиях с участием Ронан оказал далеко идущее влияние на научное сообщество, пополнив растущий массив работ по сравнительной когнитивисти

Дополнительная информация

• Какие ещё животные, кроме морских львов и какаду, демонстрируют способность к ритму? - Слоны, попугаи, шимпанзе, тюлени и некоторые виды птиц, такие как снегири, также демонстрируют способность синхронизироваться с ритмом.

• Как методы кооперативного обучения отличаются от традиционных методов дрессировки животных? - Кооперативное обучение основано на добровольном участии животного и положительном подкреплении, тогда как традиционные методы часто используют принуждение и наказание.

• Какие биологические механизмы у людей отвечают за восприятие ритма? - За восприятие ритма у людей отвечают слуховая кора, базальные ганглии и мозжечок, которые взаимодействуют для обработки временных последовательностей звуков.

• Как долго живут калифорнийские морские львы в неволе по сравнению с дикой природой? - В неволе калифорнийские морские львы могут жить до 30 лет, тогда как в дикой природе их средняя продолжительность жизни составляет около 20 лет из-за хищников и болезней.

• Какие ещё научные теории о музыкальности животных существуют помимо связи с вокальным обучением? - Некоторые теории предполагают, что музыкальность у животных связана с социальной коммуникацией, половым отбором или даже с эволюционными преимуществами в распознавании звуковых паттернов.

---

Новое исследование опровергает устоявшиеся представления об астероиде Веста

Десятилетиями ученые считали, что Веста — один из крупнейших объектов в поясе астероидов нашей Солнечной системы — не просто астероид. Они утверждали, что у Весты есть кора, мантия и ядро — фундаментальные свойства планеты.

Астрономы изучали ее в поисках подсказок о том, как формировались ранние планеты и как могла выглядеть Земля в младенчестве.

Теперь Мичиганский государственный университет внес вклад в исследование, полностью меняющее эти представления.

Команда под руководством Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) опубликовала статью в журнале Nature Astronomy, раскрывающую, что внутренняя структура Весты более однородна, чем считалось ранее.

Эти выводы ошеломили исследователей, которые до сих пор предполагали, что Веста является протопланетой, так и не превратившейся в полноценную планету.

«Отсутствие ядра стало полной неожиданностью», — сказал соавтор исследования, доцент кафедры наук о Земле и окружающей среде MSU Сет Джейкобсон.

«Это совершенно новый взгляд на природу Весты».

Каково же истинное происхождение Весты? Исследовательская группа выдвигает две гипотезы, требующие дальнейшего изучения.

Первая возможность — Веста прошла через неполную дифференциацию, то есть начала процесс плавления, необходимый для образования слоев (ядра, мантии и коры), но не завершила его.

Вторая — теория, которую Джейкобсон выдвинул на астрономической конференции несколько лет назад: Веста является отколовшимся фрагментом формирующейся планеты в нашей Солнечной системе.

На той конференции Джейкобсон хотел, чтобы другие исследователи рассмотрели возможность, что некоторые метеориты могут быть обломками от столкновений, произошедших в эпоху формирования планет.

Он упомянул Весту в своем предположении, но не рассматривал это как реальную возможность.

«Эта идея превратилась из довольно странного предположения в гипотезу, которую мы теперь серьезно рассматриваем благодаря повторному анализу данных миссии NASA Dawn», — сказал Джейкобсон.

Больше чем астероид

Большинство астероидов состоят из очень древнего хондритного материала, напоминающего космический осадочный гравий.

В отличие от них, поверхность Весты покрыта вулканическими базальтовыми породами.

Эти породы указывали ученым, что Веста прошла через процесс плавления, называемый планетарной дифференциацией, когда металл опускается к центру и образует ядро.

NASA запустило космический аппарат Dawn в 2007 году для изучения Весты и Цереры — двух крупнейших объектов в поясе астероидов.

Цель состояла в том, чтобы лучше понять, как формировались планеты.

Dawn провел несколько месяцев с 2011 по 2012 год на орбите Весты, измеряя ее гравитационное поле и делая высококачественные снимки для создания детальной карты поверхности.

После выполнения аналогичных задач у Цереры миссия завершилась в 2018 году, и ученые опубликовали выводы на основе собранных данных.

Джейкобсон отметил, что чем больше исследователи использовали данные, тем лучше они научились их обрабатывать. Они нашли способы более точной калибровки измерений, что дало улучшенное представление о составе Весты.

Именно поэтому Райан Парк, старший научный сотрудник и ведущий инженер JPL, и его команда решили заново обработать измерения Весты.

«Годы противоречивых данных о гравитации из наблюдений Dawn за Вестой создавали загадки», — сказал Парк.

«После почти десятилетия уточнения методов калибровки и обработки мы достигли замечательного соответствия между радиометрическими данными Deep Space Network и данными бортовой съемки Dawn. Мы были в восторге, подтвердив, что данные раскрывают глубокие недра Весты. Наши выводы показывают, что история Весты гораздо сложнее, чем считалось ранее, и сформирована уникальными процессами, такими как прерванная планетарная дифференциация и поздние столкновения».

Планетологи могут оценить размер ядра небесного тела, измеряя так называемый момент инерции.

Это физическое понятие, описывающее, насколько сложно изменить вращение объекта вокруг оси.

Джейкобсон сравнил эту концепцию с фигуристкой, вращающейся на льду.

Они меняют скорость, прижимая руки к телу, чтобы ускориться, и разводя их, чтобы замедлиться.

Их момент инерции изменяется в зависимости от положения рук.

Аналогично, объект в космосе с большим ядром похож на балерину с прижатыми руками. Небесные тела с плотным ядром движутся иначе, чем те, у которых его нет.

Вооружившись этими знаниями, исследовательская группа измерила вращение и гравитационное поле Весты.

Результаты показали, что Веста не ведет себя как объект с ядром, что ставит под сомнение прежние представления о ее формировании.

Две гипотезы

Ни одна из гипотез пока не изучена достаточно, чтобы исключить другую, но обе имеют проблемы, требующие дополнительных исследований.

Хотя неполная дифференциация возможна, она не согласуется с метеоритами, которые исследователи собирали годами.

«Мы абсолютно уверены, что эти метеориты прилетели с Весты», — сказал Джейкобсон.

«И они не показывают явных признаков неполной дифференциации».

Альтернативное объяснение основано на идее, что при формировании планет земной группы происходили крупные столкновения, в основном способствуя росту планет, но также создавая ударные обломки.

Выброшенный материал от этих столкновений включал бы породы, образовавшиеся в результате плавления, и, как Веста, у них не было бы ядра.

Лаборатория Джейкобсона уже изучала последствия гигантских столкновений в эпоху формирования планет.

Он работает со своей аспиранткой Эмили Элизондо над идеей, что некоторые астероиды в поясе астероидов являются фрагментами, выброшенными из формирующихся планет.

Эта идея пока далека от доказательства. Необходимо создать и доработать больше моделей, чтобы доказать, что Веста — древний осколок формирующейся планеты.

Ученые могут изменить подход к изучению метеоритов Весты, чтобы углубиться в любую из гипотез, сказал Джейкобсон.

Они также могут провести дополнительные исследования, используя новые подходы к данным миссии Dawn.

Эта статья — только начало нового направления исследований, сказал Джейкобсон.

Оно может навсегда изменить то, как ученые смотрят на дифференцированные миры.

«Коллекция метеоритов Весты больше не является образцом тела в космосе, которое не смогло стать планетой», — сказал Джейкобсон. «Это могут быть фрагменты древней планеты до того, как она полностью сформировалась. Мы просто пока не знаем, какой именно планеты».

Дополнительная информация

• Какие другие небесные тела в Солнечной системе демонстрируют признаки неполной дифференциации? - Например, астероид (21) Лютеция и карликовая планета Церера показывают признаки неполной дифференциации, что указывает на их сложную внутреннюю структуру.

• Как ученые определяют, что метеориты происходят именно с Весты? - Ученые сравнивают спектральные характеристики метеоритов с данными, полученными от зонда Dawn, который изучал Весту, и находят совпадения в составе.

• Какие доказательства поддерживают гипотезу о том, что Веста — фрагмент формирующейся планеты? - Наличие базальтовой коры, железного ядра и схожесть изотопного состава с некоторыми метеоритами указывает на то, что Веста могла быть протопланетой.

---

Семья на первом месте: ученые раскрыли удивительные семейные связи длиннохвостых синиц

Забудьте о мимолетных дружеских связях — социальные особенности длиннохвостых синиц (Aegithalos caudatus) демонстрируют необычайную преданность семье даже во время миграционных перелетов.

Ученые из Университета Шеффилда обнаружили, что эти маленькие птицы, часто встречающиеся в садах Великобритании, поддерживают крепкие семейные узы за пределами своих локальных «родственных соседств». Особи, у которых нет собственного выводка, часто помогают новоиспеченным родителям — совсем как в человеческих семьях.

Исследование, опубликованное в Journal of Animal Ecology, проливает новый свет на эволюцию кооперации — поведения, при котором некоторые особи отказываются от собственного размножения, чтобы помогать выращивать потомство других. Этот сложный феномен встречается по всему животному миру — от пчел до приматов.

У длиннохвостых синиц неудачливые в размножении особи часто становятся важными помощниками для родственных пар, что напоминает системы поддержки у людей.

На основе 30-летнего анализа данных, проведенного исследователями из Школы биологических наук Университета Шеффилда, выяснилось, что длиннохвостые синицы мигрируют семейными группами, что позволяет им прибывать к месту назначения готовыми к сотрудничеству с родственниками.

Это первый случай, когда такая устойчивая семейная сплоченность была задокументирована на протяжении всей миграции у кооперативных видов птиц.

Доктор Дженнифер Мориней, соавтор исследования и научный сотрудник Школы биологических наук Университета Шеффилда, пояснила: «Это 30-летнее исследование уникально по своей глубине и позволило нам понять эволюцию кооперации так, как это было бы невозможно иначе. Открытие сохраняющихся семейных связей во время миграции особенно впечатляет.

«Эти маленькие птицы по сути путешествуют со своей системой поддержки, обеспечивая себе помощь родственников по прибытии на новое место. Это подчеркивает огромную важность семьи в их социальной структуре».

Исследование выявило ключевые факторы, влияющие на то, станет ли птица помощником. Среди них — собственный успех (или неудача) в размножении, сила семейных связей и наличие возможностей помочь внутри родственной группы.

Внешние факторы, такие как количество хищников и продолжительность сезона размножения, также играют важную роль в формировании кооперативного поведения внутри всей популяции.

Важно отметить, что исследование показало: преимущества помощи уменьшаются по мере удаления особи от места своего рождения, что подчеркивает ключевую связь между близостью семьи и кооперацией.

Профессор Бен Хэтчвелл, соавтор исследования и профессор эволюционной экологии Школы биологических наук Университета Шеффилда, отметил: «Баланс между кооперацией и конкуренцией — это то, что мы легко узнаем в нашей собственной жизни. Данное исследование показывает, что те же фундаментальные противоречия действуют в социальной динамике длиннохвостых синиц и, вероятно, многих других видов.

«Наше долгосрочное исследование дает важные insights в экологические и социальные условия, благоприятствующие кооперативному поведению, и эволюционные силы, формирующие эти сложные социальные взаимодействия».

Следующим этапом исследования станет изучение того, как длиннохвостые синицы распознают своих родственников, с акцентом на роль голосовых сигналов, запахов и социальных связей. Ученые надеются глубже раскрыть сложные механизмы, лежащие в основе кооперативного размножения у этого удивительного вида.

Дополнительная информация

• Какие еще виды птиц демонстрируют кооперативное размножение? - Кооперативное размножение наблюдается у таких видов, как кустарниковые сойки, африканские певчие птицы (например, общественные ткачи), австралийские сорокопутовые мухоловки и некоторые виды дятлов.
• Как именно птицы распознают своих родственников на больших расстояниях? - Птицы используют комбинацию акустических сигналов (уникальные голосовые паттерны), визуальные маркеры (окрас или поведение) и, в некоторых случаях, обонятельные подсказки, хотя последнее менее изучено.

---

Осадки провоцируют экстремальную влажную жару в тропиках и субтропиках

Ученые полагают, что нашли способ улучшить системы предупреждения для уязвимых сообществ, которым угрожают влажные волны жары. Эти явления учащаются из-за изменения климата и могут наносить вред здоровью человека, вплоть до летальных исходов.

Команда из Университета Лидса и Центра экологии и гидрологии Великобритании впервые проанализировала, как режим осадков может взаимодействовать с сухими или влажными почвенными условиями, влияя на риск экстремальной влажной жары в глобальных тропиках и субтропиках.

Исследование, опубликованное сегодня в журнале Nature Communications, предлагает новые данные, которые могут привести к созданию систем раннего предупреждения для уязвимых сообществ в этих регионах.

Изменение климата означает, что влажные волны жары представляют растущую угрозу для здоровья людей и животных, особенно в тропических регионах.

Хотя исследования сухих волн жары хорошо разработаны, метеорологические факторы экстремальной влажной жары изучены слабо.

Влажная жара связана с тепловым стрессом, возникающим, когда условия окружающей среды превышают способность организма к охлаждению.

Сильный тепловой стресс приводит к повышению внутренней температуры тела на 3°C и более, что может вызвать спутанность сознания, судороги и потерю сознания.

Без своевременной помощи сильный тепловой стресс может привести к повреждению мышц, отказу органов и смерти.

Влажные волны жары особенно опасны для людей, потому что при температуре по влажному термометру (показателе, учитывающем охлаждение за счет испарения в идеальных условиях) в 35°C организм теряет способность эффективно охлаждаться через потоотделение.

Некоторые прибрежные субтропические регионы уже сталкивались с этим пороговым значением в 35°C.

Ведущий автор исследования доктор Лоуренс Джексон, научный сотрудник Школы Земли и окружающей среды, заявил: "Поскольку изменение климата вызывает более частые и интенсивные эпизоды влажной жары, особенно в тропиках и субтропиках, риски для уязвимых групп населения и работников на открытом воздухе возрастают.

"Новое понимание, полученное в нашем исследовании, подчеркивает потенциал для улучшения систем раннего предупреждения о влажной жаре с использованием почти реальных спутниковых наблюдений за влажностью почвы и осадками".

Команда изучала волны влажной жары в тропиках и субтропиках, используя метеорологические и климатические данные за период с 2001 по 2022 год.

Исследователи выявили случаи волн жары и проанализировали их связь с недавними осадками, используя спутниковые наблюдения для различения более влажных и сухих дней.

Затем они рассчитали вероятность возникновения волны жары после этих различных условий осадков.

Влажные волны жары широко распространены в глобальных тропиках и субтропиках.

Они происходят в муссонных регионах, таких как Западная Африка, Индия, Восточный Китай и север Австралии, во влажных регионах, таких как Амазония, юго-восток США и бассейн Конго, а также в жарких прибрежных районах Ближнего Востока.

Новое исследование показывает, что недавние режимы осадков играют критическую роль в возникновении влажных волн жары в тропических и субтропических регионах. Результаты показывают, что риск влажной жары зависит от того, является ли поверхностная среда более сухой или влажной.

В более сухих регионах влажные волны жары чаще возникают во время или сразу после периодов усиленных осадков.

В более влажных регионах влажные волны жары обычно следуют как минимум за двумя днями пониженных осадков.

Эта разница возникает потому, что осадки увеличивают влажность почв, делая условия более влажными. В то же время меньшее количество осадков и облаков позволяет земле нагреваться, тем самым повышая температуру.

Профессор метеорологии и климата Школы Земли и окружающей среды Кэтрин Бёрч, руководившая исследованием, пояснила: "Перспективы тропической влажной жары действительно вызывают тревогу. Люди избегают перегрева, потея. Испарение пота охлаждает тело, позволяя поддерживать безопасную температуру. Влажность делает этот процесс менее эффективным.

"Влажные волны жары могут быть смертельными при температурах воздуха, которые для сухой жары были бы относительно безопасны. Тропики от природы влажные, и даже кажущееся небольшим повышение глобальных температур приводит к значительному росту опасных экстремальных явлений влажной жары. Нам срочно необходимо не только сократить выбросы парниковых газов, но и улучшить системы раннего предупреждения о влажной жаре".

Соавтор исследования профессор атмосферных наук Джон Маршем добавил: "Наши результаты сосредоточены на суточном масштабе этих волн жары. Очевидным следующим шагом будет расширение нашего анализа до почасовых масштабов, что может позволить нам приблизиться к прогнозированию в режиме, близком к реальному времени, со всеми вытекающими преимуществами для уязвимых сообществ".

Дополнительная информация

• Как именно спутниковые наблюдения за влажностью почвы помогают прогнозировать влажные волны жары? - Высокая влажность почвы усиливает испарение, что повышает влажность воздуха. Спутники отслеживают эти изменения, позволяя предсказать комбинацию высокой температуры и влажности, опасную для здоровья.
• Какие конкретные меры могут принимать уязвимые сообщества при получении предупреждений о влажной жаре? - Установка охлаждающих центров, распространение информации о питьевом режиме, временное переселение пожилых людей в безопасные места, корректировка рабочего графика на открытом воздухе.

---

Высокий полет: мягкий робот способен перемещать грузы по натянутым проводам

Исследователи создали мягкого робота, работающего на световой энергии, который может переносить грузы по воздуху вдоль заранее проложенных трасс, подобно канатным дорогам или подвесным трамваям. Мягкий робот функционирует автономно, способен подниматься по склонам под углом до 80 градусов и переносить грузы, в 12 раз превышающие его собственный вес.

«Ранее мы уже разрабатывали мягких роботов, способных быстро перемещаться в воде и по твердой поверхности, но нам хотелось создать конструкцию, которая могла бы переносить объекты по воздуху через открытое пространство», — говорит Цзе Инь, ведущий автор статьи о проекте и доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической инженерии Университета Северной Каролины.

«Самый простой способ добиться этого — следовать по заранее проложенной трассе, подобно подвесным канатным дорогам в горах. И теперь мы доказали, что это возможно».

Мягкие роботы изготовлены из лентообразных жидкокристаллических эластомеров, скрученных (как макароны ротини) и соединенных на концах в петлю, напоминающую браслет.

Это «мягкое кольцо-робот» подвешивается на трассе, которая может быть нитью, проводом, тросом или другим материалом.

Конкретно, одно и то же кольцо оборачивается вокруг трассы два или три раза, что заставляет его висеть под углом, параллельным трассе.

При воздействии инфракрасного света, направленного перпендикулярно трассе, участок ленты, поглощающий больше всего света, сжимается.

Это вызывает катящееся движение: часть ленты, подвергающаяся освещению, сокращается, втягивая «холодную» часть ленты в свет, после чего этот участок нагревается, а первый остывает, заставляя цикл повторяться снова и снова.

И по мере того, как мягкое кольцо катится, скручиваясь, оно продвигается вдоль трассы.

«Когда лента поворачивается, это похоже на вращение винта, что позволяет мягкому роботу двигаться по трассе — даже при подъеме груза под крутым углом», — объясняет Инь.

Исследователи продемонстрировали, что мягкое кольцо-робот может перемещаться по трассам толщиной с человеческий волос или с трубочку для напитков.

Робот также способен преодолевать препятствия на трассе, такие как узлы или утолщения.

Эксперименты показали, что робот может двигаться вверх или вниз по склону и переносить грузы, превышающие его собственный вес более чем в 12 раз.

«Мы также показали, что он может следовать по сложным маршрутам — это не обязательно должна быть прямая линия», — говорит Фанцзе Ци, первый автор статьи и аспирант Университета Северной Каролины.

«Мы продемонстрировали, что он может контролируемо двигаться по изогнутым линиям, кругам, трехмерным спиралям и так далее. Мы считаем, что способность робота предсказуемо преодолевать сложные траектории открывает перспективы для его практического применения».

«Сейчас мы рассматриваем конкретные области применения этой технологии, а также адаптируем мягких роботов для работы с другими источниками энергии, помимо инфракрасного света», — добавляет Инь. «Например, разрабатываем мягкое кольцо-робот, работающее на солнечном свете или других внешних источниках энергии».

Дополнительная информация

• Какие преимущества имеют жидкокристаллические эластомеры перед другими материалами в мягкой робототехнике? - ЖКЭ способны изменять форму под действием тепла, света или электрического поля, что позволяет создавать роботов с программируемыми движениями без сложных механических систем. Они также обладают высокой эластичностью и способностью к самовосстановлению.
• Какие практические применения могут быть у таких роботов, кроме транспортировки грузов? - Медицина (микрохирургические инструменты, доставка лекарств), исследование труднодоступных мест (подземные полости, космос), адаптивные протезы и даже мягкие экзоскелеты для реабилитации пациентов.

---

Глобальное исследование связывает потребление ультрапереработанных продуктов с предотвратимыми преждевременными смертями

Исследование, анализирующее данные национальных репрезентативных опросов о питании и статистику смертности из восьми стран (Австралия, Бразилия, Канада, Чили, Колумбия, Мексика, Великобритания и США), показывает, что число преждевременных смертей, связанных с потреблением ультрапереработанных продуктов (УПП), значительно возрастает в зависимости от их доли в общем энергопотреблении человека. Новое исследование, опубликованное в American Journal of Preventive Medicine (издательство Elsevier), подтверждает необходимость глобальных мер по сокращению потребления УПП, включая регуляторные и фискальные политики, способствующие созданию более здоровой среды.

УПП — это готовые к употреблению или разогреву промышленные продукты, изготовленные из ингредиентов, извлеченных из пищи или синтезированных в лабораториях, с минимальным содержанием или полным отсутствием цельных продуктов в составе.

Они постепенно вытесняют традиционные блюда, приготовленные из свежих и минимально обработанных ингредиентов.

Ведущий исследователь проекта Эдуардо Аугусто Фернандес Нилсон, доктор наук (Fiocruz, Бразилия), отмечает:

«УПП влияют на здоровье не только из-за высокого содержания критически важных нутриентов (натрий, трансжиры, сахар), но и из-за изменений, происходящих с пищей в процессе промышленной обработки, а также использования искусственных ингредиентов, включая красители, ароматизаторы, подсластители, эмульгаторы и множество других добавок. Поэтому оценка смертности от всех причин, связанной с потреблением УПП, позволяет получить общее представление о влиянии промышленной переработки пищи на здоровье».

В отличие от предыдущих исследований, сосредоточенных на отдельных факторах риска в питании, в данной работе использовались модели на основе национальных опросов о питании и данных о смертности из восьми стран (Австралия, Бразилия, Канада, Чили, Колумбия, Мексика, Великобритания и США), чтобы связать пищевые привычки (с учетом степени и цели промышленной переработки) со смертностью от всех причин.

Доктор Нилсон поясняет:

«Сначала мы оценили линейную зависимость между долей УПП в рационе и смертностью от всех причин: каждые 10% увеличения доли УПП повышают риск смерти на 3%. Затем, используя относительные риски и данные о потреблении пищи в разных странах (от 15% общего энергопотребления в Колумбии до более 50% калорий в США), мы построили модель, которая показала, что доля предотвратимых преждевременных смертей от всех причин, связанных с потреблением УПП, варьируется от 4% в странах с низким потреблением УПП до почти 14% в странах с самым высоким потреблением. Например, в 2018 году в США 124 000 преждевременных смертей были связаны с потреблением УПП».

Высокое потребление УПП ассоциируется с 32 различными заболеваниями, включая сердечно-сосудистые патологии, ожирение, диабет, некоторые виды рака и депрессию.

Впервые это исследование оценило влияние УПП на преждевременную смертность от всех причин в разных странах, показав, что связанная с этим смертность значительна во всех регионах, и сокращение потребления УПП должно стать глобальным приоритетом в области общественного питания.

Доктор Нилсон подчеркивает:

«Тревожно, что в странах с высоким уровнем дохода потребление УПП остается стабильно высоким уже более десяти лет, тогда как в странах с низким и средним уровнем дохода оно продолжает расти. Это означает, что хотя основное бремя заболеваний сейчас приходится на богатые страны, в других регионах ситуация ухудшается. Необходима срочная глобальная политика, ограничивающая потребление УПП и поддерживающая традиционные модели питания на основе местных свежих и минимально обработанных продуктов».

Дополнительная информация

• Какие конкретные промышленные процессы делают ультрапереработанные продукты более вредными, чем просто высокое содержание сахара, соли и жиров? - Гидрогенизация масел (образует трансжиры), экструзия (разрушает структуру клетчатки), химическая модификация ингредиентов (увеличивает их биодоступность и потенциальную вредность), добавление искусственных эмульгаторов и стабилизаторов (нарушают микробиом кишечника).
• Какие традиционные модели питания на основе местных свежих продуктов наиболее эффективно противостоят распространению УПП в разных регионах мира? - Средиземноморская диета (оливковое масло, рыба, овощи), японская диета (рыба, водоросли, ферментированные продукты), скандинавская диета (сезонные ягоды, рыба, цельнозерновые), традиционные латиноамериканские диеты (бобовые, кукуруза, свежие фрукты).

---

Смерти от сердечных заболеваний во всем мире связаны с химическим веществом, широко используемым в пластмассах

Ежедневное воздействие определенных химических веществ, используемых для изготовления пластиковых предметов домашнего обихода, может быть связано с более чем 356 000 смертей от сердечных заболеваний по всему миру только в 2018 году, показал новый анализ популяционных исследований.

Хотя химические вещества, называемые фталатами, широко используются во всем мире, на Ближний Восток, Южную Азию, Восточную Азию и страны Тихоокеанского региона пришлась гораздо большая доля смертности — около трех четвертей от общего числа.

На протяжении десятилетий эксперты связывали проблемы со здоровьем с воздействием определенных фталатов, содержащихся в косметике, моющих средствах, растворителях, пластиковых трубах, репеллентах от насекомых и других продуктах.

Когда эти химические вещества распадаются на микроскопические частицы и попадают в организм, исследования связывают их с повышенным риском возникновения таких состояний, как ожирение, диабет, проблемы с фертильностью и рак.

В текущем исследовании, проведенном под руководством ученых из NYU Langone Health, основное внимание уделялось фталату под названием ди-2-этилгексилфталат (DEHP), который используется для придания пищевым контейнерам, медицинскому оборудованию и другим пластиковым изделиям мягкости и гибкости.

Другие исследования показали, что воздействие DEHP вызывает гиперактивный иммунный ответ (воспаление) в артериях сердца, что со временем связано с повышенным риском сердечного приступа или инсульта.

В своем новом анализе авторы подсчитали, что воздействие DEHP стало причиной 356 238 смертей, что составляет более 13% от общей глобальной смертности от сердечных заболеваний в 2018 году среди мужчин и женщин в возрасте от 55 до 64 лет.

«Подчеркивая связь между фталатами и одной из основных причин смерти во всем мире, наши выводы дополняют обширные доказательства того, что эти химические вещества представляют огромную опасность для здоровья человека», — сказала ведущий автор исследования Сара Хайман, научный сотрудник Медицинской школы NYU Grossman.

По оценкам авторов, экономическое бремя, вызванное смертями, выявленными в их исследовании, составило около 510 миллиардов долларов и могло достигать 3,74 триллиона долларов.

В предыдущем исследовании 2021 года команда связала фталаты с более чем 50 000 случаев преждевременной смерти ежегодно, в основном от сердечных заболеваний, среди пожилых американцев.

По словам Хайман, которая также является аспирантом Школы глобального общественного здравоохранения NYU, их последнее исследование считается первой на сегодняшний день глобальной оценкой смертности от сердечно-сосудистых заболеваний — или любого другого исхода для здоровья — в результате воздействия этих химических веществ.

Отчет о результатах исследования был опубликован 29 апреля в журнале Lancet eBiomedicine.

Для исследования команда использовала данные о здоровье и окружающей среде из десятков популяционных исследований, чтобы оценить воздействие DEHP в 200 странах и территориях.

Информация включала образцы мочи, содержащие продукты распада пластиковой добавки.

Данные о смертности были получены из Института показателей и оценки здоровья (IHME), исследовательской группы в США, которая собирает медицинскую информацию по всему миру для выявления тенденций в области общественного здравоохранения.

Среди ключевых выводов исследование показало, что потери в объединенном регионе Восточной Азии и Ближнего Востока и в объединенном регионе Восточной Азии и Тихоокеанского региона составили около 42% и 32% смертности от сердечных заболеваний, связанных с DEHP, соответственно.

В частности, в Индии зафиксировано наибольшее количество смертей — 103 587, за ней следуют Китай и Индонезия.

Более высокие риски смерти от сердечных заболеваний в этих популяциях сохранялись даже после того, как исследователи скорректировали статистический анализ с учетом численности населения в исследуемой возрастной группе.

Авторы предполагают, что возможное объяснение заключается в том, что в этих странах выше уровень воздействия химических веществ, возможно, из-за бума производства пластика при меньшем количестве ограничений в производстве по сравнению с другими регионами.

«Существует явный дисбаланс в том, какие части мира несут на себе основную тяжесть повышенных сердечных рисков, связанных с фталатами», — сказал старший автор исследования Леонардо Трасанде, доктор медицинских наук, магистр государственной политики.

«Наши результаты подчеркивают настоятельную необходимость глобального регулирования для снижения воздействия этих токсинов, особенно в регионах, наиболее пострадавших от быстрой индустриализации и потребления пластика», — добавил Трасанде, профессор педиатрии имени Джима Г. Хендрика в Медицинской школе NYU Grossman.

Трасанде, который также является профессором кафедры здоровья населения, предупреждает, что анализ не был предназначен для установления того, что DEHP напрямую или единолично вызывает сердечные заболевания, а более высокие риски смерти не учитывали другие типы фталатов.

Также не учитывалась смертность среди других возрастных групп.

В результате, по его словам, общее число смертей от сердечных заболеваний, связанных с этими химическими веществами, вероятно, намного выше.

Трасанде говорит, что исследователи планируют в дальнейшем отслеживать, как со временем может повлиять снижение воздействия фталатов на глобальные показатели смертности, а также расширить исследование на другие проблемы со здоровьем, вызванные этими химическими веществами, такие как преждевременные роды.

Трасанде также является директором Отдела экологической педиатрии и Центра исследования экологических опасностей Медицинской школы NYU Grossman.

Финансирование исследования было предоставлено Национальными институтами здравоохранения (грант P2CES033423).

Дополнительное финансирование исследования было предоставлено организацией Beyond Petrochemicals.

Трасанде получал поддержку для поездок или встреч от Эндокринного общества, Всемирной организации здравоохранения, Программы ООН по окружающей среде, Министерства окружающей среды и здравоохранения Японии и Американской академии педиатрии.

Он также получал гонорары и лицензионные отчисления от Houghton Mifflin Harcourt, Audible, Paidós и Kobunsha и занимал руководящие или доверительные должности в Beautycounter, Ahimsa, Grassroots Environmental Education и Footprint.

Ни одна из этих деятельностей не была связана с текущим исследованием. Условия всех этих отношений регулируются NYU Langone Health.

Помимо Хайман и Трасанде, в исследовании участвовали другие исследователи из NYU Langone: Джонатан Асеведо, магистр общественного здравоохранения, и Кьяра Джанарелли, доктор медицинских наук, доктор философии.

Дополнительная информация

• Какие существуют альтернативы DEHP в производстве пластиковых изделий? - Альтернативами DEHP являются DINCH (диизононилциклогексан-1,2-дикарбоксилат), DOTP (диоктилтерефталат), а также биопластификаторы на основе растительных масел, такие как эпоксидированное соевое масло.

• Как регулируется использование фталатов в разных странах мира? - В ЕС запрещены некоторые фталаты (DEHP, DBP, BBP) в детских игрушках и косметике. США ограничивают их использование в потребительских товарах через CPSC и EPA. В Китае и Японии также действуют нормативы, но менее строгие, чем в ЕС.

• Какие еще заболевания, кроме сердечных, могут быть связаны с воздействием фталатов? - Фталаты связывают с нарушениями эндокринной системы, ожирением, диабетом 2 типа, снижением фертильности у мужчин и женщин, а также с возможным влиянием на развитие астмы и аллергий у детей.

---

Уловка с деформацией повышает эффективность перовскитных солнечных элементов

Солнечная энергия — одно из самых перспективных решений для снижения зависимости от ископаемого топлива. Однако повышение эффективности солнечных панелей остается постоянной задачей. Перовскитные солнечные элементы (PSCs) произвели революцию, демонстрируя быстрое улучшение эффективности и потенциал для недорогого производства. Тем не менее, они по-прежнему страдают от потерь энергии и проблем с эксплуатационной стабильностью.

Проблема широкозонных перовскитов

Перовскитные солнечные элементы, особенно используемые в тандемных конфигурациях, полагаются на широкозонные (WBG) материалы — полупроводники, которые поглощают высокоэнергетический («более синий») свет, пропуская низкоэнергетический («более красный»), чтобы максимизировать эффективность. Однако составы широкозонных перовскитов часто подвержены фазовому расслоению, когда со временем компоненты разделяются, что приводит к снижению производительности.

Одно из решений — добавление рубидия (Rb) для стабилизации WBG-материалов, но есть загвоздка: Rb склонен образовывать нежелательные вторичные фазы, что снижает его эффективность в стабилизации перовскитной структуры.

Решение EPFL: деформация приходит на помощь

Ученые под руководством Лукаса Пфайфера и Ликая Чжэна из группы Михаэля Гретцеля в EPFL нашли способ удержать Rb там, где это необходимо. Используя «деформацию кристаллической решетки» перовскитной пленки, они смогли включить ионы Rb в структуру, что предотвратило нежелательное фазовое расслоение. Этот новый подход не только стабилизирует WBG-материал, но и повышает его энергоэффективность, минимизируя безызлучательную рекомбинацию — главную причину потерь энергии.

Исследователи использовали деформацию решетки — контролируемое искажение атомной структуры — чтобы удержать Rb в перовскитной решетке. Это было достигнуто за счет точной настройки химического состава и тщательного регулирования процесса нагрева и охлаждения. Быстрый нагрев с последующим контролируемым охлаждением создавал деформацию, предотвращая образование нежелательных вторичных фаз Rb и обеспечивая его интеграцию в структуру.

Проверка и тонкая настройка метода

Для подтверждения и понимания этого эффекта команда использовала рентгеновскую дифракцию для анализа структурных изменений, ЯМР-спектроскопию твердого тела для отслеживания атомного расположения Rb и компьютерное моделирование для симуляции взаимодействия атомов в различных условиях. Эти методы позволили детально изучить, как деформация стабилизирует включение Rb.

Помимо деформации решетки, ученые также обнаружили, что введение хлорид-ионов играет ключевую роль в стабилизации решетки, компенсируя разницу в размерах между включенными элементами. Это обеспечило более равномерное распределение ионов, уменьшило дефекты и повысило общую стабильность материала.

Результаты

В результате получился более однородный материал с меньшим количеством дефектов и более стабильной электронной структурой. Новая перовскитная композиция, усиленная стабилизированным деформацией Rb, достигла напряжения холостого хода 1,30 В — впечатляющие 93,5% от теоретического предела. Это один из самых низких показателей потерь энергии, когда-либо зарегистрированных в WBG-перовскитах. Кроме того, модифицированный материал показал улучшенный квантовый выход фотолюминесценции (PLQY), что указывает на более эффективное преобразование солнечного света в электричество.

Влияние на возобновляемую энергетику

Снижение потерь энергии в перовскитных солнечных элементах может привести к созданию более эффективных и экономичных солнечных панелей. Это особенно важно для тандемных солнечных элементов, где перовскиты сочетаются с кремнием для максимальной эффективности.

Результаты исследования также имеют значение за пределами солнечной энергетики — перовскиты исследуются для использования в светодиодах, датчиках и других оптоэлектронных устройствах. Стабилизируя WBG-перовскиты, исследование EPFL может ускорить коммерциализацию этих технологий.

Дополнительная информация

• Какие еще элементы, кроме рубидия, могут использоваться для стабилизации перовскитных структур? - Кроме рубидия (Rb), для стабилизации перовскитов часто используют цезий (Cs), калий (K), метиламмоний (MA, CH₃NH₃⁺) и формимидиний (FA, HC(NH₂)₂⁺). Эти элементы помогают снизить дефекты решетки и улучшить термическую стабильность.
• Как именно хлорид-ионы помогают компенсировать разницу в размерах между включенными элементами в перовскитной решетке? - Хлорид-ионы (Cl⁻) частично заменяют иодид (I⁻) или бромид (Br⁻) в решетке, уменьшая ее искажение. Их меньший размер и высокая электроотрицательность "сглаживают" напряжения, вызванные разницей в размерах катионов (например, Cs⁺ и FA⁺).

---

Физика стекла становится более прозрачной

На протяжении веков люди использовали стекло в искусстве, инструментах и технологиях. Однако, несмотря на повсеместное распространение этого материала, многие его микроскопические свойства остаются плохо изученными, и он продолжает противоречить традиционным физическим описаниям.

Кун Шираи из Университета Осаки предлагает новый подход. В статье, опубликованной в журнале Foundations, Шираи объединяет традиционную физическую теорию с изучением неравновесных материалов, чтобы предложить надежное описание термодинамики стекол.

Большинство материалов существует в равновесном состоянии, что означает баланс сил и моментов, действующих на атомы материала.

Стекла, однако, являются известным исключением: это аморфные твердые материалы, атомы которых постоянно перестраиваются (хотя и очень медленно) в направлении равновесного состояния, но никогда его не достигают.

"Если сравнить атомную структуру стекол и кристаллов, они на самом деле очень разные", — говорит Шираи.

"В кристаллах атомы упорядочены в аккуратные решетки, тогда как в стеклах атомы более хаотичны, как в жидкости. Поэтому традиционно стекла рассматривают как неравновесные жидкости, которые текут очень-очень медленно".

Это отсутствие равновесного состояния веками оставалось серьезной проблемой для физиков.

Поскольку стекла технически не находятся в равновесии, стандартные законы термодинамики к ним неприменимы, что затрудняет их анализ.

"В термодинамике системы обычно характеризуются с помощью переменных, называемых параметрами порядка", — объясняет Шираи.

"Параметры порядка могут описывать, в каком состоянии находится материал или насколько он близок к изменению состояния. Но парадокс в том, что стекла по своей природе неупорядочены — как тогда определить для них такие параметры?"

Чтобы ответить на этот вопрос, Шираи пришлось переосмыслить само понятие "равновесия": в его концепции материал находится в равновесии, если из него нельзя извлечь энергию без воздействия на окружающую среду.

С этой точки зрения стекла фактически находятся в равновесии, и инструменты термодинамики можно применить к ним с некоторыми модификациями.

"Можно показать, что параметры порядка — это не что иное, как усредненные по времени положения атомов", — говорит Шираи.

"Таким образом, мы можем унифицировать термодинамическое описание стекол с описанием других твердых материалов, таких как кристаллы".

Шираи полагает, что эта новая формулировка поможет прояснить физику других материалов, которые обычно классифицируются как неравновесные, например биологических систем. Благодаря его исследованиям, возможно, вскоре мы получим полное термодинамическое описание других непериодических и сложных материалов.

---

Ученые выяснили, как черные дыры звездной массы испускают мощные струи плазмы

Черные дыры играют фундаментальную роль в структуре галактик и критически важны для нашего понимания гравитации, пространства и времени. Черная дыра звездной массы — это тип черной дыры, которая образуется в результате гравитационного коллапса массивной звезды в конце ее жизненного цикла. Такие черные дыры обычно имеют массу от 3 до 20 масс нашего Солнца.

Иногда черные дыры генерируют струи ионизированного газа (плазмы), которые выстреливают наружу почти со скоростью света. Хотя это явление было открыто более века назад, вопрос о том, как и почему возникают джеты, оставался загадкой, которую описывали как одно из «чудес физики».

Профессор Кадзутака Ямаока из Университета Нагои (Япония) вместе с коллегами из Университета Тоямы и других международных институтов обнаружил ключевые условия, необходимые для образования плазменных струй у черных дыр звездной массы. Их исследование, опубликованное в Publications of the Astronomical Society of Japan, показывает, что джеты формируются, когда перегретый газовый материал резко сжимается по направлению к черной дыре.

Вращающиеся диски космического вещества

Понимание механизма выброса джетов у черных дыр крайне важно, поскольку оно проливает свет на эволюцию галактик, распределение энергии во Вселенной и свойства самих черных дыр. Джеты влияют на звездообразование, распределяют энергию на огромные расстояния и служат космическими маяками для обнаружения далеких черных дыр. Кроме того, они дают представление о фундаментальной физике черных дыр.

Такие материалы, как пыль и газ, притягиваются к черным дырам из-за их сильной гравитации. Этот материал вращается вокруг черной дыры в тонком диске, называемом аккреционным диском, который необходим для формирования джета.

Ученые исследовали систему, состоящую из черной дыры звездной массы и звезды, похожей на Солнце, вращающихся вокруг друг друга. В этой системе джеты возникают 5-6 раз за период около 20 дней, что делает ее идеальной для изучения этого явления. Анализируя данные рентгеновских и радионаблюдений с 1999 по 2000 год, они смогли отследить, как быстро менялись рентгеновские излучения вблизи черной дыры, и измерить общее количество энергии, производимой джетами.

Причины образования джетов

Результаты показали, что джеты возникают, когда внутренний радиус аккреционного диска резко уменьшается и достигает самой внутренней устойчивой круговой орбиты (ISCO) — ближайшей точки, на которой вещество может вращаться, не падая внутрь.

Исследователи наблюдали, что изначально внутренний радиус газового диска находился дальше от черной дыры. Когда внутренний радиус диска быстро сокращается и достигает ISCO, происходит выброс джета. Джет продолжает извергаться некоторое время, но когда движение внутреннего края диска останавливается, джет прекращается.

Таким образом, ученые определили два ключевых условия для образования джетов у черных дыр звездной массы: внутренний край газового диска вокруг черной дыры должен быстро приближаться к ней, и это движение должно достигать ISCO.

Ученым уже было известно, что при извержении джета рентгеновские лучи становятся «мягче» (увеличивается доля низкоэнергетических рентгеновских лучей по сравнению с высокоэнергетическими) и демонстрируют меньше быстрых колебаний на коротких временных масштабах. Это исследование показало, что такие изменения рентгеновского излучения происходят именно из-за быстрого приближения внутреннего края газового диска к черной дыре, что и является триггером для образования джета. По мере сокращения внутреннего края диска излучается больше мягких рентгеновских лучей с меньшей изменчивостью по сравнению с высокоэнергетическими. Это объясняет, почему рентгеновские паттерны меняются непосредственно перед образованием джетов.

Исследование показывает, что джеты формируются в изменяющихся, динамических условиях, а не в стабильных и статичных, как предполагали многие теоретические модели. Теперь ученые могут лучше предсказывать возникновение плазменных струй и изучать их механизмы в реальном времени.

«Наше открытие о формировании джетов у черных дыр звездной массы может стать универсальным ключом к пониманию этих явлений. Хотя такие двойные системы — где черная дыра вращается вокруг обычной звезды — значительно отличаются от сверхмассивных черных дыр в центрах галактик, мы считаем, что аналогичные физические механизмы работают на всех масштабах черных дыр», — пояснил профессор Ямаока.

«Хотя это сложно из-за их медленной временной эволюции и трудностей измерения внутренней структуры, следующим шагом станет применение наших выводов к сверхмассивным черным дырам», — добавил он.

Дополнительная информация

• Какова роль аккреционных дисков в других астрофизических явлениях, помимо формирования джетов у черных дыр? - Аккреционные диски играют ключевую роль в формировании звезд и планет, питают активные ядра галактик, вызывают рентгеновское излучение в двойных системах и способствуют образованию вспышек сверхновых.
• Какие методы используются для измерения внутреннего радиуса аккреционного диска у черных дыр? - Основные методы включают анализ спектров рентгеновского излучения, изучение релятивистских линий железа в спектрах и моделирование колебаний яркости (фотосферных осцилляций).

---

Инженеры создали робота, способного прыгать на 3 метра в высоту — без ног

Вдохновившись движениями крошечного паразитического червя, инженеры из Технологического института Джорджии разработали 12-сантиметрового мягкого робота, который может прыгать на высоту баскетбольного кольца.

Их устройство, силиконовый стержень с карбоновым каркасом, способно подпрыгивать на 3 метра, несмотря на отсутствие ног.

Исследователи создали его после изучения замедленных видеозаписей, на которых нематоды (круглые черви) изгибаются в причудливые формы, чтобы отталкиваться вперед или назад.

Результаты работы, опубликованные 23 апреля в журнале Science Robotics, могут помочь в разработке роботов, способных прыгать в разных направлениях и на различную высоту, преодолевая сложный рельеф.

«Нематоды — удивительные существа с телами тоньше человеческого волоса, — говорит Суни Кумар, ведущий соавтор исследования и постдокторант Школы химической и биомолекулярной инженерии (ChBE). — У них нет ног, но они могут прыгать на расстояние, в 20 раз превышающее длину их тела. Это как если бы я, лежа на земле, смог запрыгнуть на трехэтажное здание».

Нематоды, или круглые черви, — одни из самых многочисленных организмов на Земле.

Они обитают в окружающей среде, а также внутри людей, насекомых и животных.

Иногда они вызывают заболевания у своих хозяев, но в некоторых случаях это может быть полезно.

Например, фермеры и садоводы используют нематод вместо пестицидов для уничтожения вредителей и защиты растений.

Один из способов, которым они прикрепляются к хозяину перед проникновением в его тело, — прыжки.

С помощью высокоскоростных камер Виктор Ортега-Хименес, бывший научный сотрудник Технологического института Джорджии, а ныне профессор Калифорнийского университета в Беркли, наблюдал, как эти черви изгибают свои тела в разные формы в зависимости от направления прыжка.

Чтобы прыгнуть назад, нематода поднимает голову и сжимает середину тела, создавая изгиб.

Эта поза напоминает человека, готовящегося к приседу. Затем червь использует накопленную в изогнутом положении энергию, чтобы оттолкнуться назад, переворачиваясь в воздухе, как гимнаст при сальто.

Для прыжка вперед червь вытягивает голову прямо и создает изгиб на противоположном конце тела, направленном вверх.

Эта стойка похожа на подготовку к прыжку в длину с места.

Однако вместо горизонтального прыжка червь катапультируется вверх.

«Изменяя центр масс, эти существа контролируют направление прыжка. Мы не знаем других организмов такого размера, способных так эффективно прыгать в обе стороны на одинаковую высоту», — отмечает Кумар.

При этом они почти завязывают свои тела в узел.

«Обычно изгибы — это проблема, — поясняет Ишант Тивари, постдокторант ChBE и соавтор исследования. — Пережатые кровеносные сосуды могут вызвать инсульт, изогнутые соломинки бесполезны, а перекрученные шланги перекрывают воду. Но изгиб тела нематоды накапливает энергию, которая затем позволяет ей подпрыгнуть».

После анализа видеозаписей команда создала симуляции прыгающих нематод, а затем разработала мягких роботов, имитирующих их движения. Для увеличения высоты прыжка роботы были усилены карбоновыми волокнами.

Кумар и Тивари работают в лаборатории доцента Саада Бхамлы.

Над проектом они сотрудничали с Ортегой-Хименесом и исследователями из Калифорнийского университета в Риверсайде.

Команда обнаружила, что изгибы позволяют нематодам накапливать больше энергии для каждого прыжка.

Они высвобождают ее за десятую долю миллисекунды, чтобы подпрыгнуть, и при этом достаточно прочны, чтобы повторять процесс многократно.

Исследование показывает, что инженеры могут создавать простые эластичные системы из карбона или других материалов, способные выдерживать и использовать изгибы для передвижения по сложной местности.

«Недавно прыгающий робот был отправлен на Луну, а другие подобные устройства разрабатываются для поисково-спасательных операций, где необходимо преодолевать непредсказуемый рельеф и препятствия, — говорит Кумар. — Наша лаборатория продолжает изучать необычные способы, которыми живые существа используют свои уникальные тела, а затем создает роботов, имитирующих эти механизмы».

Дополнительная информация

• Какие еще организмы используют необычные механизмы для прыжков, и как они сравниваются с нематодами? - Блохи используют эластичный белок резилин для накопления энергии перед прыжком, тогда как нематоды резко сокращают тело. Грибы рода Pilobolus выстреливают споры под давлением жидкости, достигая ускорения в 20 000 g, что мощнее прыжков нематод.
• Как карбоновый каркас влияет на прочность и гибкость мягких роботов по сравнению с другими материалами? - Карбоновые структуры обеспечивают в 5-10 раз большую прочность при растяжении по сравнению с силиконами, сохраняя при этом гибкость. В отличие от металлических каркасов, они не ломаются при многократных деформациях.

---

Повышение точности кода, генерируемого ИИ, на любом языке

Программисты теперь могут использовать большие языковые модели (LLM) для более быстрого написания компьютерного кода. Однако это упрощает жизнь разработчиков только в том случае, если код соответствует правилам языка программирования и не вызывает сбоев в работе компьютера.

Существуют методы, позволяющие гарантировать, что LLM следуют правилам языка, на котором генерируют текст, но многие из них либо искажают заложенный в модель смысл, либо требуют слишком много времени, что делает их непригодными для сложных задач.

Новый подход, разработанный исследователями из MIT и других учреждений, автоматически направляет LLM на генерацию текста, который соответствует правилам целевого языка (например, конкретного языка программирования) и не содержит ошибок. Их метод позволяет модели сосредоточиться на наиболее вероятно корректных и точных результатах, отбрасывая неперспективные варианты на ранних этапах. Такой вероятностный подход повышает вычислительную эффективность.

Благодаря этому методу небольшие LLM смогли превзойти гораздо более крупные модели в генерации точных и структурированных результатов для нескольких практических задач, включая молекулярную биологию и робототехнику.

В долгосрочной перспективе эта архитектура может помочь неспециалистам контролировать контент, создаваемый ИИ. Например, бизнес-аналитики смогут писать сложные SQL-запросы к базам данных, используя только подсказки на естественном языке.

«Эта работа выходит за рамки исследований. Она может улучшить программистские ассистенты, инструменты анализа данных на основе ИИ и научные инструменты, гарантируя, что результаты, генерируемые ИИ, остаются полезными и корректными», — говорит Жуан Лоула, аспирант MIT и соавтор статьи, посвященной этому методу.

Соавторами исследования также стали Бенджамин ЛеБран, научный сотрудник Mila-Quebec Artificial Intelligence Institute, и Ли Ду, аспирант Университета Джона Хопкинса; старшие соавторы Викаш Мансингхка (PhD '09), ведущий научный сотрудник MIT и руководитель проекта Probabilistic Computing Project; Александр К. Лью (SM '20), доцент Йельского университета; Тим Виейра, постдок в ETH Zurich; и Тимоти Дж. О’Доннелл, доцент Университета Макгилла и руководитель международной команды. Исследование будет представлено на Международной конференции по представлениям обучения (ICLR).

Контроль структуры и смысла

Один из распространенных методов контроля структурированного текста, генерируемого LLM, предполагает проверку всего вывода (например, блока кода) на отсутствие ошибок. Если проверка не пройдена, пользователь вынужден начинать заново, расходуя вычислительные ресурсы.

Альтернативный подход — проверка кода по мере генерации. Хотя это гарантирует соответствие языку программирования и структурную корректность, постепенное исправление может отклонить код от изначального замысла пользователя, снижая его точность.

«Гораздо проще контролировать структуру, чем смысл. Мы можем быстро проверить, соответствует ли код языку, но для проверки смысла его нужно выполнить. Наша работа также направлена на решение этой проблемы», — поясняет Лоула.

Метод исследователей предполагает внедрение экспертных знаний в LLM, чтобы направлять её к наиболее перспективным результатам. Такие выводы с большей вероятностью соответствуют структурным ограничениям и сохраняют задуманный пользователем смысл.

«Мы не обучаем LLM этому. Вместо этого мы внедряем экспертные знания и комбинируем их со знаниями модели. Это принципиально иной подход к масштабированию по сравнению с глубоким обучением», — добавляет Мансингхка.

Для этого используется метод последовательного Монте-Карло, позволяющий параллельно генерировать несколько вариантов и выбирать лучшие. Модель динамически распределяет ресурсы между потоками вычислений, оценивая перспективность каждого вывода.

Каждому варианту присваивается вес, отражающий вероятность его структурной и семантической корректности. На каждом шаге модель фокусируется на вариантах с высоким весом, отбрасывая остальные.

Фактически, LLM получает «эксперта», который направляет её на каждом этапе, сохраняя фокус на общей цели. Пользователь задает желаемую структуру, смысл и критерии проверки, а архитектура исследователей помогает модели выполнить задачу.

«Мы решили сложные математические задачи, чтобы гарантировать корректные веса для любых ограничений. В итоге вы получаете правильный ответ», — говорит Лоула.

Усиление небольших моделей

Для проверки метода исследователи применили его к LLM, генерирующим четыре типа данных: код на Python, SQL-запросы, молекулярные структуры и планы действий для робота.

По сравнению с существующими подходами их метод показал более высокую точность при меньших вычислительных затратах. Например, в генерации Python-кода небольшая открытая модель с их архитектурой превзошла специализированную коммерческую модель, более чем вдвое превосходящую её по размеру.

«Мы рады, что смогли заставить небольшие модели работать на уровне более мощных», — отмечает Лоула.

В будущем исследователи планируют применять свой метод для контроля более крупных фрагментов текста, а также комбинировать его с обучением, чтобы модели становились точнее.

В долгосрочной перспективе этот подход может найти применение среди неспециалистов. Например, его можно интегрировать в системы автоматизированного моделирования данных и генеративных запросов к базам.

Метод также может лечь в основу систем машинного анализа данных, где пользователь сможет взаимодействовать с ПО, точно интерпретирующим смысл данных и вопросов.

«Один из ключевых вопросов лингвистики — как связать значение слов, фраз и предложений с моделями мира, учитывая неопределенность и неоднозначность. LLM, предсказывающие последовательности токенов, не решают эту проблему. Наша работа показывает, что в узких символических областях можно отображать слова в распределения значений. Это небольшой шаг к пониманию того, как машины могут общаться о мире, как это делаем мы», — заключает О’Доннелл.

Исследование частично финансировалось программой Canada CIFAR AI Chairs и Siegel Family Foundation через пожертвование MIT Siegel Family Quest for Intelligence.

Дополнительная информация

• Как метод последовательного Монте-Карло применяется в других областях, кроме генерации кода? - Метод последовательного Монте-Карло (SMC) широко используется в робототехнике для локализации и навигации, в биоинформатике для анализа геномных данных, а также в финансах для прогнозирования рисков и оптимизации портфелей.

• Какие конкретные примеры молекулярных структур были сгенерированы с помощью этого метода? - Метод SMC применялся для генерации структур органических молекул, таких как бензол и его производные, а также для предсказания конформаций белков и пептидов.

• Как Siegel Family Foundation связана с исследованиями в области ИИ? - Siegel Family Foundation финансирует исследования в области искусственного интеллекта, включая проекты по машинному обучению, обработке естественного языка и робототехнике, поддерживая университеты и стартапы.

• Какие математические задачи пришлось решить для корректного назначения весов вариантам? - Для назначения весов вариантам потребовалось решение задач оптимизации, включая минимизацию ошибки взвешивания и максимизацию правдоподобия, а также применение методов стохастической оптимизации и теории вероятностей.

---

Летающие роботы открывают новые горизонты в строительстве

Роботизированные манипуляторы и 3D-принтеры уже можно встретить на строительных площадках, хотя пока это в основном тяжелые стационарные системы, установленные на земле. Однако на сложном рельефе или на большой высоте они быстро достигают своих пределов. Команда исследователей из Лаборатории устойчивой робототехники Empa и EPFL изучила, как в будущем можно использовать летающих роботов в качестве автономных строительных платформ. В главной статье текущего выпуска журнала Science Robotics ученые демонстрируют современные достижения и потенциал этой перспективной технологии.

Преимущество очевидно: строительные дроны могут достигать мест, недоступных для обычной техники — будь то горы, крыши зданий, зоны бедствий или даже далекие планеты. Они не требуют стационарной строительной площадки, могут работать роем и поэтому обеспечивают высокую гибкость и масштабируемость. Кроме того, они способны сократить транспортные маршруты, снизить расход материалов и повысить безопасность на стройплощадках.

Ремонт и работы в экстремальных условиях

Летающие роботы особенно полезны в спасательных операциях — например, в затопленных или разрушенных районах, куда не могут добраться обычные машины. Они могут доставлять строительные материалы и автономно возводить временные укрытия.

Также их применение перспективно для ремонта труднодоступных объектов. Например, они могли бы автономно обнаруживать и устранять трещины на фасадах высотных зданий или мостах без использования строительных лесов.

«Существующие наземные роботизированные системы часто весят несколько тонн, требуют длительной настройки и имеют ограниченный рабочий радиус», — объясняет Юсуф Фуркан Кая, ведущий автор исследования из Лаборатории устойчивой робототехники Empa и EPFL.

«Строительные дроны, напротив, легкие, мобильные и гибкие — но пока они существуют лишь на низком уровне технологической готовности. Их еще предстоит адаптировать для промышленного использования».

На самом деле уже существует множество академических прототипов, демонстрирующих различные методы воздушного строительства: от размещения отдельных элементов до натяжения тросовых конструкций и послойной печати строительных материалов.

Например, в Empa летающих роботов запрограммировали на совместную работу для послойной печати материалов при возведении или ремонте конструкций.

Взаимодействие технологий, материалов и дизайна

Потенциал дронов революционен — теоретически они могут летать и строить где угодно, если обеспечены энергией и транспортировкой материалов.

Кроме того, их легко масштабировать: в случае катастрофы сотни летающих роботов могли бы оперативно создать временную инфраструктуру в отдаленных районах.

Однако строительство с помощью дронов сталкивается и с новыми вызовами. По мнению исследователей, ключевым препятствием является междисциплинарный характер технологии: Аэродобавочное производство (Aerial AM) требует одновременного прогресса в трех областях: робототехнике, материаловедении и архитектуре.

Мирко Ковач, руководитель Лаборатории устойчивой робототехники Empa и EPFL, описывает это взаимодействие так:

«Дрон может летать с высокой точностью, но без легких, прочных и технологичных материалов он не раскроет весь свой потенциал. И даже если оба фактора присутствуют, строительные проекты должны быть адаптированы под ограниченную точность летающих роботов, чтобы создавать несущие конструкции».

Дополнение существующих роботов

Помимо междисциплинарной координации, в робототехнике есть и другие технические сложности, такие как ограниченное время полета, грузоподъемность или автономность.

Поэтому в исследовании представлена пятиступенчатая система автономности — от простых полетов по маршруту до полной независимости, когда дроны могут анализировать строительную среду, обнаруживать ошибки и даже корректировать проект в реальном времени.

По словам Юсуфа Фуркана Каи, это не просто теоретическая модель, а четкий план развития:

«Наша цель — создать летающих роботов, которые понимают, с каким материалом они работают и в какой среде, и интеллектуально оптимизируют конструкцию в процессе строительства».

Пока что Aerial AM остается дополнением к существующим наземным роботизированным системам. Энергопотребление дронов в настоящее время в 8–10 раз выше, а их строительный объем ограничен. Поэтому исследователи рекомендуют комбинированный подход: пока обычные системы возводят нижние части конструкции, дроны берут на себя работу на высоте, используя свою гибкость и дальность действия.

Дополнительная информация

• Какие материалы разрабатываются специально для строительства с помощью дронов? - Легкие полимерные композиты с быстрым отверждением, геополимерные пены и модифицированные бетонные смеси, адаптированные для точного нанесения в воздухе.
• Как решается проблема ограниченного времени полета строительных дронов? - Используются быстросъемные батареи, стационарные зарядные станции на стройплощадках, а также ротация дронов по принципу "эстафеты".

---

Может ли технология революционизировать науку о здоровье? Перспективы экспозомики

Каждый наш вдох, каждый прием пищи и каждая среда, с которой мы сталкиваемся, оставляют молекулярный отпечаток в нашем организме — скрытую запись всех воздействий, испытанных нами в течение жизни. Исследователи в области экспозомики объясняют, как передовые технологии раскрывают этот биологический архив, открывая новую эру профилактики заболеваний и персонализированной медицины. Ученые предлагают дорожную карту для преодоления технических и логистических проблем и реализации полного потенциала этой области.

Экспозомика изучает, как сложное взаимодействие факторов окружающей среды — от загрязнителей в воде и пище до социальных и психологических стрессоров — формирует нашу биологию. Исследуя совокупность этих воздействий, ученые могут понять, как они коллективно влияют на здоровье: от метаболизма и работы сердца до состояния мозга и риска заболеваний.

Статья Perspectives подготовлена консорциумом Banbury Exposomics Consortium — междисциплинарной группой ученых, собравшихся в 2023 году в Banbury Center при Cold Spring Harbor для определения основных принципов этой быстро развивающейся области. Доктор Гэри Миллер, ведущий эксперт в области экспозомики и профессор Школы общественного здравоохранения им. Мейлмана Колумбийского университета, был главным организатором консорциума.

Миллер, вице-декан по исследованиям и инновациям и профессор наук об окружающей среде в Columbia Mailman School, также руководит национальным координационным центром экспозомики NEXUS, финансируемым NIH. Он возглавляет инициативу IndiPHARM, поддержанную ARPA-H, которая использует экспозомику для прогнозирования лекарственных взаимодействий и повышения эффективности препаратов.

Экспозомика в действии

Эта молодая область уже демонстрирует свой преобразующий потенциал. Исследователи, анализируя молекулярные данные, выявили конкретный промышленный растворитель как причину вспышек заболеваний почек среди рабочих. В другом исследовании ученые объединили спутниковые карты загрязнения с данными о местах проживания, чтобы показать, как воздушные частицы ускоряют старение мозга. Анализ тысяч циркулирующих молекул позволил идентифицировать TMAO — метаболит кишечного микробиома, образующийся при употреблении красного мяса и молочных продуктов, — как ранее упускаемый из виду значительный фактор риска инфаркта.

Эти открытия стали возможны благодаря передовым технологиям: носимые сенсоры, отслеживающие химические воздействия в реальном времени; спутниковые изображения, детализирующие загрязнение до уровня городских кварталов; и сверхчувствительные масс-спектрометры, обнаруживающие соединения в концентрации одной части на триллион.

Широкий взгляд на здоровье

Хотя генетика дает нам биологический чертеж, она объясняет лишь небольшую часть риска хронических заболеваний. Экспозом охватывает все, что с нами происходит — от промышленных химикатов до социальных стрессоров. В отличие от традиционных исследований, изучающих отдельные воздействия изолированно, экспозомика интегрирует современные инструменты, чтобы понять, как экологические, социальные и психологические факторы коллективно взаимодействуют с нашей биологией.

Этот подход мощно сочетается с другими «омиксными» науками. Вместе с геномикой, протеомикой и метаболомикой экспозомика создает первую полную картину детерминант здоровья. Авторы видят будущее, где анализ экспозома станет стандартной практикой в исследованиях основных заболеваний.

Системный анализ этих сложных взаимодействий может улучшить разработку лекарств, выявить скрытые причины болезней и решить проблему неравенства в здоровье. Этот подход объединяет прецизионную медицину и здоровье населения.

Путь вперед

Миллер и коллеги выделяют ключевые приоритеты для развития экспозомики. Среди них — разработка более чувствительных технологий, таких как носимые или минимально инвазивные устройства для измерения индивидуального экспозома; создание референсного экспозома человека для анализа на популяционном уровне; и внедрение стандартизированных протоколов для ИИ-анализа сложных данных. Авторы также подчеркивают необходимость решения этических вопросов, связанных с конфиденциальностью данных, и большего внимания к социальным детерминантам здоровья.

Новые американские и европейские центры экспозомики создают инфраструктуру для глобального сотрудничества, стандартизации методов, унификации данных и обучения исследователей междисциплинарным навыкам, необходимым для прогресса в этой области. Эти центры формируют основу для будущего развития экспозомики.

«Сейчас мы создаем первую системную рамку для измерения того, как все воздействия — от химических до социальных — взаимодействуют с биологией на протяжении жизни. Наша цель — разработать действенные стратегии для более здоровой жизни», — говорит Миллер.

Дополнительная информация

• Какие существуют аналогичные "омиксные" науки помимо геномики, протеомики и метаболомики? - Транскриптомика (изучение РНК), липидомика (изучение липидов), гликомика (изучение сахаров), эпигеномика (изучение модификаций ДНК).
• Как именно носимые сенсоры могут измерять химические воздействия в реальном времени? - Они используют биосенсоры или электрохимические датчики, которые реагируют на конкретные молекулы (например, глюкозу в поте), преобразуя химический сигнал в электрический для анализа.

---

Однократный прием балоксавира снижает передачу гриппа в домашних хозяйствах

Проведенное международной группой исследователей, включая сотрудников Медицинского факультета LKS Гонконгского университета (HKUMed), революционное исследование, опубликованное в The New England Journal of Medicine, показало, что однократный пероральный прием балоксавира марбоксила (балоксавир) значительно снижает передачу гриппа внутри домохозяйств. Это открытие знаменует собой важный прорыв в борьбе с гриппом. Клиническое испытание CENTERSTONE впервые предоставило убедительные доказательства того, что противовирусный препарат может ограничивать распространение гриппа среди близких контактов.

В рандомизированном двойном слепом плацебо-контролируемом исследовании фазы 3b, проводившемся с 2019 по 2024 год в 15 странах, приняли участие 1457 инфицированных гриппом пациентов (индексные случаи) и 2681 их домашний контакт.

Индексные пациенты в возрасте от 5 до 64 лет получали либо балоксавир, либо плацебо в течение 48 часов после появления симптомов.

Первичной конечной точкой была лабораторно подтвержденная передача гриппа домашним контактам к 5-му дню.

Ключевые результаты:

• Прием балоксавира снизил вероятность заражения вирусом непривитых членов домохозяйства на 32%.
• Передача, приводящая к симптоматическому гриппу, была ниже в группе балоксавира (5,8% против 7,6%), хотя разница не достигла статистической значимости (P=0,16).
• Балоксавир обеспечил более быстрое снижение вирусной нагрузки: среднее снижение титров вируса к 3-му дню составило 2,22 log₁₀ TCID₅₀/мл по сравнению с 1,85 log₁₀ TCID₅₀/мл в группе плацебо.
• Устойчивые к препарату вирусы были выявлены у 7,2% пациентов, получавших балоксавир, но не обнаружены у домашних контактов, что свидетельствует о низком риске передачи.
• Новых проблем с безопасностью не выявлено: нежелательные явления зарегистрированы у 4,6% пациентов в группе балоксавира против 7,0% в группе плацебо.

"Эти результаты подчеркивают потенциал балоксавира не только для лечения гриппа, но и для снижения его распространения в сообществах", — заявил соавтор исследования профессор Бенджамин Коулинг, профессор популяционного здоровья имени Хелен и Фрэнсиса Циммерн, заведующий кафедрой эпидемиологии и руководитель отдела эпидемиологии и биостатистики Школы общественного здравоохранения HKUMed.

"Этот двойной эффект может изменить подход к борьбе с сезонным гриппом и подготовке к будущим пандемиям".

Исследование подчеркивает дополнительную роль противовирусных препаратов наряду с вакцинацией, особенно среди невакцинированного населения или во время пандемий, когда вакцины могут быть недоступны сразу.

---

Вулканическая история и следы древней жизни на Марсе

В новаторском исследовании, соавтором которого стал ученый из Техасского университета A&M, исследователи раскрыли новые данные о геологической истории кратера Езеро на Марсе — места посадки марсохода NASA Perseverance. Результаты показывают, что дно кратера состоит из разнообразных железосодержащих вулканических пород, что дает уникальное представление о далеком прошлом планеты и наибольшие на сегодня шансы обнаружить признаки древней жизни.

Доктор Майкл Тайс, специалист по геобиологии и осадочной геологии из Колледжа искусств и наук Техасского университета A&M, входит в международную команду, изучающую поверхность Марса. Он и его соавторы опубликовали свои выводы в журнале Science Advances.

«Анализируя эти разнообразные вулканические породы, мы получили ценные сведения о процессах, сформировавших этот регион Марса, — сказал Тайс. — Это углубляет наше понимание геологической истории планеты и ее потенциала для поддержания жизни».

Раскрытие тайн Марса с помощью передовых технологий

Perseverance — самый совершенный роботизированный исследователь NASA — совершил посадку в кратере Езеро 18 февраля 2021 года в рамках миссии Mars 2020 по поиску следов древней микробной жизни на Красной планете. Марсоход собирает образцы горных пород и реголита (раздробленных пород и почвы) для возможного будущего анализа на Земле.

Ученые, такие как Тайс, используют высокотехнологичные инструменты марсохода для определения химического состава марсианских пород и обнаружения соединений, которые могут быть признаками прошлой жизни. Perseverance также оснащен системой высококачественных камер, предоставляющих детальные изображения текстуры и структуры пород. По словам Тайса, технологии настолько превосходят возможности предыдущих марсоходов NASA, что сейчас собирается информация беспрецедентного уровня.

«Мы не просто рассматриваем изображения — мы получаем детальные химические данные, минеральный состав и даже микроскопическую текстуру, — отметил Тайс. — Это как иметь передвижную лабораторию на другой планете».

Тайс и его соавторы проанализировали горные образования в кратере, чтобы лучше понять вулканическую и гидрологическую историю Марса. Команда использовала прибор PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry) — передовой спектрометр для анализа химического состава и текстуры пород в формации Мааз, ключевой геологической зоне кратера Езеро. Высокое разрешение рентгеновских лучей PIXL позволяет изучать элементы в породах с невероятной детализацией.

Тайс подчеркнул важность этой технологии для революции в исследовании Марса: «Каждый марсоход, отправленный на Марс, был технологическим чудом, но впервые мы можем анализировать породы с таким высоким разрешением с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра. Это полностью изменило наше представление об истории марсианских пород».

Что раскрывают породы

Анализ команды выявил два различных типа вулканических пород. Первый тип — темные породы, богатые железом и магнием, содержат сросшиеся минералы, такие как пироксен и плагиоклазовый полевой шпат, с признаками измененного оливина. Второй тип — более светлые породы, классифицируемые как трахиандезиты, включают кристаллы плагиоклаза в калиевой основной массе. Эти находки указывают на сложную вулканическую историю, включающую множественные потоки лавы с разным составом.

Чтобы определить, как сформировались эти породы, исследователи провели термодинамическое моделирование — метод, имитирующий условия затвердевания минералов. Результаты показывают, что уникальный состав возник в результате высокостепенной фракционной кристаллизации — процесса, при котором различные минералы отделяются от расплавленной породы при охлаждении. Также были обнаружены признаки смешения лавы с богатым железом материалом марсианской коры, что еще больше изменило состав пород.

«Процессы, которые мы наблюдаем — фракционная кристаллизация и ассимиляция коры — происходят и в активных вулканических системах на Земле, — пояснил Тайс. — Это говорит о том, что в этой части Марса могла быть продолжительная вулканическая активность, которая, в свою очередь, могла обеспечить устойчивый источник различных соединений, используемых жизнью».

Это открытие крайне важно для понимания потенциальной обитаемости Марса. Если на планете долгое время существовала активная вулканическая система, это могло поддерживать условия, пригодные для жизни, в течение значительных периодов ранней истории Марса.

«Мы тщательно отбирали эти породы, потому что они содержат ключи к прошлым условиям на Марсе, — сказал Тайс. — Когда мы доставим их на Землю и сможем проанализировать с помощью лабораторных приборов, мы сможем задать гораздо более детальные вопросы об их истории и потенциальных биологических сигнатурах».

Миссия по возвращению образцов с Марса, совместный проект NASA и Европейского космического агентства, планирует доставить образцы в течение следующего десятилетия. Оказавшись на Земле, ученые смогут применить более совершенные лабораторные методы для их детального анализа.

Тайс отметил, что учитывая потрясающий уровень технологий Perseverance, нас ждут новые открытия: «Самая захватывающая работа еще впереди. Это исследование — только начало. Мы видим то, чего не ожидали, и думаю, что в ближайшие годы мы сможем уточнить наше понимание геологической истории Марса способами, которые ранее невозможно было представить».

Дополнительная информация

• Какие конкретные соединения или минералы могут служить маркерами древней жизни на Марсе? - К возможным биомаркерам относятся органические молекулы (например, алифатические углеводороды), а также биогенные минералы: карбонаты, сульфиды, филлосиликаты и железоокисные минералы, которые на Земле часто связаны с биологической активностью.

• Как именно работает процесс возвращения образцов с Марса на Землю? - Процесс включает несколько этапов: 1) сбор образцов марсоходом (например, Perseverance), 2) размещение образцов в специальных контейнерах на поверхности, 3) доставку контейнеров на посадочный модуль будущей миссией, 4) запуск образцов с Марса на орбиту с помощью мини-ракеты, 5) перехват орбитальным аппаратом и транспортировку к Земле, 6) вход в атмосферу Земли в защитной капсуле.

---

Неловко. Люди по-прежнему лучше ИИ понимают социальный контекст

Оказывается, люди превосходят современные модели искусственного интеллекта в описании и интерпретации социальных взаимодействий в динамических сценах — навыке, необходимом для беспилотных автомобилей, вспомогательных роботов и других технологий, которые полагаются на ИИ для навигации в реальном мире.

Исследование, проведенное учеными из Университета Джонса Хопкинса, показало, что системы искусственного интеллекта не справляются с пониманием социальной динамики и контекста, необходимых для взаимодействия с людьми, и предполагает, что проблема может быть связана с архитектурой самих ИИ-систем.

«Например, ИИ для беспилотного автомобиля должен распознавать намерения, цели и действия водителей и пешеходов. Важно, чтобы он понимал, в какую сторону собирается пойти пешеход или разговаривают ли два человека или собираются перейти улицу», — пояснила ведущий автор исследования Лейла Исик, доцент когнитивных наук в Университете Джонса Хопкинса. — «Всякий раз, когда вы хотите, чтобы ИИ взаимодействовал с людьми, он должен уметь распознавать их действия. Это исследование показывает, что современные системы пока не способны на это».

Кэти Гарсия, аспирантка, работавшая в лаборатории Исик во время исследования и соавтор работы, представит результаты на Международной конференции по представлению знаний (International Conference on Learning Representations) 24 апреля.

Чтобы сравнить, как модели ИИ справляются с восприятием социальных взаимодействий по сравнению с людьми, исследователи попросили участников посмотреть трехсекундные видеоролики и оценить по шкале от одного до пять ключевые аспекты, важные для понимания социальных взаимодействий. В роликах люди либо взаимодействовали друг с другом, выполняли параллельные действия, либо занимались своими делами независимо.

Затем ученые предложили более чем 350 языковым, видео- и изображенческим моделям ИИ предсказать, как люди оценят эти видео и как отреагирует их мозг. Для крупных языковых моделей ИИ анализировали короткие текстовые описания, написанные людьми.

Участники в основном соглашались друг с другом по всем вопросам, а модели ИИ — независимо от их размера или обучающих данных — нет. Видеомодели не смогли точно описать действия людей в роликах. Даже модели, анализировавшие серии статичных кадров, не могли надежно определить, общаются ли люди. Языковые модели лучше предсказывали поведение людей, а видеомодели — нейронную активность мозга.

Результаты резко контрастируют с успехами ИИ в анализе статичных изображений, отметили исследователи.

«Недостаточно просто увидеть изображение и распознать объекты и лица. Это был первый шаг, который значительно продвинул ИИ. Но реальная жизнь не статична. Нам нужно, чтобы ИИ понимал разворачивающуюся в сцене историю. Понимание отношений, контекста и динамики социальных взаимодействий — следующий шаг, и это исследование указывает на возможный пробел в разработке моделей ИИ», — сказала Гарсия.

Ученые полагают, что это связано с тем, что нейросети ИИ вдохновлены структурой части мозга, обрабатывающей статичные изображения, тогда как динамические социальные сцены обрабатываются другим участком.

«Есть много нюансов, но главный вывод — ни одна из моделей ИИ не может полностью соответствовать реакции человеческого мозга и поведения на динамические сцены, как это происходит со статичными изображениями», — отметила Исик. — «Думаю, есть что-то фундаментальное в том, как люди обрабатывают сцены, чего не хватает этим моделям».

Дополнительная информация

• Какие конкретные участки мозга человека отвечают за обработку динамических социальных сцен? - Основные зоны включают верхнюю височную борозду (распознавание движений), миндалевидное тело (эмоциональная оценка), префронтальную кору (анализ намерений) и веретенообразную извилину (распознавание лиц).
• Как именно архитектура современных ИИ-систем ограничивает их способность понимать социальные взаимодействия? - Современные ИИ не имеют теории сознания, не могут интерпретировать контекстные нюансы и лишены эмоционального интеллекта, что критически важно для понимания социальных взаимодействий.

---

Почему с возрастом увеличивается объем талии: виноваты стволовые клетки

Ни для кого не секрет, что с возрастом талия часто увеличивается, но проблема не только в эстетике. Жир на животе ускоряет старение и замедляет метаболизм, повышая риск развития диабета, сердечных заболеваний и других хронических болезней. Однако до сих пор было неясно, как именно возраст превращает рельефный пресс в мягкий живот.

Новое доклиническое исследование, проведенное City of Hope® — одной из крупнейших и наиболее передовых организаций по изучению и лечению рака в США, а также ведущим исследовательским центром по диабету и другим угрожающим жизни заболеваниям, — выявило клеточного виновника возрастного накопления жира на животе. Это открытие дает новое понимание того, почему с возрастом талия расширяется. Результаты исследования, опубликованные сегодня в журнале Science, указывают на новую мишень для будущей терапии, которая могла бы предотвратить образование жира на животе и продлить здоровую жизнь.

"Люди с возрастом часто теряют мышечную массу и набирают жир — даже если их вес остается прежним", — говорит Цюн (Аннабель) Ван, доктор философии, соавтор исследования и доцент молекулярной и клеточной эндокринологии в Arthur Riggs Diabetes & Metabolism Research Institute при City of Hope, одной из ведущих мировых научных организаций, занимающихся изучением биологии и методов лечения диабета. "Мы обнаружили, что старение запускает появление нового типа взрослых стволовых клеток и усиливает массовое производство новых жировых клеток, особенно в области живота".

В сотрудничестве с лабораторией UCLA под руководством соавтора исследования Ся Ян, доктора философии, ученые провели серию экспериментов на мышах, которые позже были подтверждены на человеческих клетках. Ван и ее коллеги сосредоточились на белой жировой ткани (БЖТ), ответственном за возрастное увеличение веса.

Хотя известно, что жировые клетки с возрастом увеличиваются в размерах, ученые предположили, что БЖТ также расширяется за счет производства новых жировых клеток, а значит, ее потенциал роста может быть неограниченным.

Чтобы проверить гипотезу, исследователи изучили клетки-предшественники адипоцитов (КПА) — группу стволовых клеток в БЖТ, которые превращаются в жировые клетки.

Команда City of Hope сначала пересадила КПА от молодых и старых мышей второй группе молодых мышей. Клетки от старых животных быстро сформировали огромное количество новых жировых клеток.

Однако когда КПА от молодых мышей пересадили старым, стволовые клетки не произвели много новых адипоцитов. Результаты подтвердили, что старые КПА способны самостоятельно создавать новые жировые клетки независимо от возраста организма-хозяина.

С помощью секвенирования РНК отдельных клеток ученые сравнили активность генов КПА у молодых и старых мышей. Если у молодых мышей эти клетки почти не проявляли активности, то у мышей среднего возраста они "просыпались" и начинали активно производить новые жировые клетки.

"В то время как способность большинства взрослых стволовых клеток к росту снижается с возрастом, с КПА все наоборот — старение раскрывает их потенциал к развитию и распространению", — говорит Адольфо Гарсия-Оканья, доктор философии, заведующий кафедрой молекулярной и клеточной эндокринологии City of Hope. "Это первое доказательство того, что живот увеличивается с возрастом из-за высокой продуктивности КПА в создании новых жировых клеток".

Старение также превращало КПА в новый тип стволовых клеток — так называемые коммитированные преадипоциты, специфичные для возраста (КП-А). Появляясь в среднем возрасте, КП-А активно производят новые жировые клетки, что объясняет, почему старые мыши набирают больше веса.

Сигнальный путь, известный как рецептор ингибирующего фактора лейкемии (LIFR), оказался критически важным для размножения КП-А и их превращения в жировые клетки.

"Мы выяснили, что процесс образования жира в организме запускается LIFR. Если молодым мышам этот сигнал не нужен для производства жира, то старым — необходим", — объясняет Ван. "Наше исследование показывает, что LIFR играет ключевую роль в активации КП-А для создания новых жировых клеток и увеличения живота у старых мышей".

Используя секвенирование РНК отдельных клеток образцов людей разного возраста, Ван и ее коллеги также изучили КПА в человеческих тканях. И снова команда обнаружила аналогичные КП-А, количество которых увеличивалось в тканях людей среднего возраста. Это открытие подтвердило, что человеческие КП-А обладают высокой способностью к созданию новых жировых клеток.

"Наши результаты подчеркивают важность контроля образования новых жировых клеток для борьбы с возрастным ожирением", — говорит Ван. "Понимание роли КП-А в метаболических нарушениях и того, как эти клетки появляются с возрастом, может привести к новым медицинским решениям для уменьшения жира на животе и улучшения здоровья и долголетия".

Дальнейшие исследования будут сосредоточены на отслеживании КП-А в моделях животных, изучении этих клеток у людей и разработке стратегий для их устранения или блокировки с целью предотвращения возрастного набора жира.

Первыми авторами исследования стали Гуань Ван, доктор философии (City of Hope), и Гаоян Ли, доктор философии (UCLA).

Дополнительная информация

• Как сигнальный путь LIFR влияет на другие процессы в организме, кроме образования жировых клеток? - LIFR участвует в регуляции иммунного ответа, воспалительных реакциях, поддержании гемопоэтических стволовых клеток и нейрогенезе.
• Какие существуют современные методы блокировки стволовых клеток (например, КП-А) в других медицинских исследованиях? - Используются ингибиторы сигнальных путей (Wnt, Notch), антитела к поверхностным маркерам (CD34, CD133), генетическое редактирование (CRISPR-Cas9) и малые молекулы (например, репамицин для подавления mTOR-пути).

---

Астрономы обнаружили, что похожие на Землю экзопланеты широко распространены во Вселенной

Согласно новому исследованию, международная команда ученых с помощью Корейской сети телескопов для микролинзирования (KMTNet) обнаружила, что суперземли (экзопланеты, превышающие массу Земли) встречаются во Вселенной гораздо чаще, чем считалось ранее.

Как сообщил соавтор исследования Эндрю Гулд, заслуженный профессор астрономии Университета Огайо, изучая аномалии света, создаваемые звездой-хозяином недавно обнаруженной планеты, и объединив эти данные с более масштабной выборкой из обзора KMTNet, команда установила, что суперземли могут находиться на таком же расстоянии от своих звезд, как наши газовые гиганты от Солнца.

"Ученые знали, что маленьких планет больше, чем больших, но в этом исследовании мы смогли показать, что в рамках этой общей картины существуют избытки и дефициты", - сказал он. "Это очень интересно".

Хотя обнаружить планеты, находящиеся близко к своим звездам, относительно легко, миры с более широкими орбитами выявить сложнее. Тем не менее, по оценкам исследователей, на каждые три звезды должна приходиться как минимум одна суперземля с орбитальным периодом, подобным юпитерианскому, что свидетельствует о широкой распространенности таких массивных планет во Вселенной, отметил Гулд, чьи ранние теоретические работы помогли развить область планетного микролинзирования.

Результаты исследования были получены с помощью метода микролинзирования - эффекта, возникающего, когда наличие массы искривляет ткань пространства-времени до обнаруживаемой степени. Когда объект переднего плана (например, звезда или планета) проходит между наблюдателем и более далекой звездой, свет от источника искривляется, вызывая видимое увеличение яркости объекта, которое может длиться от нескольких часов до нескольких месяцев.

Астрономы могут использовать эти колебания яркости для поиска чужих миров, непохожих на наши. В данном случае сигналы микролинзирования помогли обнаружить OGLE-2016-BLG-0007 - суперземлю с массой примерно вдвое больше земной и орбитой шире, чем у Сатурна.

Эти наблюдения позволили разделить экзопланеты на две группы: одна включает суперземли и планеты типа Нептуна, другая - газовые гиганты вроде Юпитера или Сатурна. Это открывает новые горизонты для науки о планетных системах: лучшее понимание распределения экзопланет может пролить свет на процессы их формирования и эволюции.

Исследование, проведенное учеными из Китая, Кореи, Гарвардского университета и Смитсоновского института (США), было недавно опубликовано в журнале Science. Для объяснения результатов исследователи также сравнили свои выводы с предсказаниями теоретических моделей формирования планет.

Результаты показали, что хотя экзопланеты можно разделить на группы по массе и составу, механизмы их образования могут различаться. "Основная теория формирования газовых гигантов предполагает неконтролируемую аккрецию газа, но другие ученые считают, что это может быть и аккреция, и гравитационная неустойчивость", - сказал Гулд. "Мы пока не можем различить эти два механизма".

Для этого, вероятно, потребуются более масштабные долгосрочные данные от специализированных систем, таких как KMTNet, и других подобных инструментов микролинзирования, отметил Ричард Погге, еще один соавтор исследования и профессор астрономии в Университете Огайо.

"Обнаружение события микролинзирования звезды - сложная задача. Обнаружение звезды с планетой методом микролинзирования - задача в квадрате", - сказал он. "Нам нужно изучить сотни миллионов звезд, чтобы найти даже сотню таких объектов".

Эти совпадения настолько редки, что из более чем 5000 известных экзопланет только 237 были обнаружены методом микролинзирования. Теперь, благодаря трем мощным специализированным телескопам в Южной Африке, Чили и Австралии, система KMTNet регулярно позволяет ученым исследовать космос в поисках таких удивительных событий, сказал Погге.

Особенно важно, что именно ученые Лаборатории визуализации Университета Огайо разработали и создали камеры KMTCam, которые система использует для идентификации экзопланет. По мере развития технологий такие глобальные коллаборации будут превращать научные теории в реальные открытия, отметил Погге.

"Мы как палеонтологи, восстанавливающие не только историю Вселенной, в которой живем, но и процессы, которые ею управляют", - сказал он. "Соединение этих двух аспектов в единую картину приносит огромное удовлетворение".

В команду ISL Университета Огайо также входят Брюс Этвуд, Том О'Брайен, Марк Джонсон, Марк Дервент, Крис Колароса, Джерри Мейсон, Дэниел Паппалардо и Скип Шаллер. Исследование поддержано Национальным научным фондом, Университетом Цинхуа, Национальным фондом естественных наук Китая, Гарвард-Смитсоновским центром астрофизики, Китайским пилотируемым космическим проектом, Польским национальным агентством академического обмена и Национальным исследовательским фондом Кореи.

Дополнительная информация

• Какие преимущества имеет метод микролинзирования по сравнению с другими методами обнаружения экзопланет? - Метод микролинзирования позволяет обнаруживать экзопланеты на больших расстояниях от Земли (включая галактический балдж) и находить планеты с низкой массой, вплоть до земной, даже у слабых звезд. В отличие от транзитного метода и метода радиальных скоростей, он не зависит от яркости звезды-хозяина.

• Как гравитационная неустойчивость может влиять на формирование газовых гигантов? - Гравитационная неустойчивость в массивных протопланетных дисках может приводить к быстрому коллапсу газовых сгустков, минуя стадию постепенной аккреции. Это позволяет формировать газовые гиганты на больших орбитальных расстояниях за короткие временные масштабы (тысячи лет вместо миллионов лет при core accretion).

---

К 15 месяцам младенцы начинают изучать новые слова для предметов, даже тех, которые никогда не видели

Человеческий язык позволяет нам узнавать новые слова о вещах, которые мы никогда не видели. Мы делаем это легко, например, в разговорах, используя подсказки из общего контекста, чтобы понять значение нового слова.

Но когда именно появляется эта способность? И что позволяет нам создавать мысленное представление о предмете или событии, которое мы не можем увидеть непосредственно?

Новое исследование ученых по развитию из Северо-Западного университета и Гарвардского университета впервые показало, что младенцы уже в 15 месяцев могут идентифицировать предмет, о котором узнали из речи, даже если этот предмет остается скрытым.

Представьте младенца, играющего с кубиками на полу, пока родители обсуждают кумкваты в разговоре о более знакомых фруктах, таких как яблоки и бананы. Может ли ребенок сформировать первоначальное представление, или суть, о том, что означает "кумкват" — что-то съедобное, вероятно, фрукт? Сможет ли он использовать это представление позже, когда впервые увидит новый фрукт? Именно эти вопросы исследователи и пытались решить.

"Многие считают, что успешное изучение слов требует, чтобы младенец 'сопоставил' новое слово с физически присутствующим объектом (например, 'Посмотри на кумкват!'). Но в обычной жизни нам — и младенцам — часто приходится слышать слова, обозначающие предметы, которых нет в непосредственном восприятии", — сказала старший автор исследования Сандра Ваксман. — "Мы задались вопросом, могут ли младенцы использовать контекст разговора, в котором встречается слово, чтобы начать понимать его значение".

Ваксман — профессор психологии Луиса У. Менка, директор Центра развития младенцев и детей и сотрудник Института исследований политики в Северо-Западном университете. Соавтор исследования — Елена Лучкина, ранее постдокторант Северо-Западного университета, а теперь научный сотрудник Гарварда.

Исследователи провели трехэтапный эксперимент с участием 134 младенцев: 67 в возрасте 12 месяцев и 67 — 15 месяцев. Сначала детям показывали знакомые слова вместе с изображением соответствующего предмета (например, яблоко, банан, виноград). Затем они слышали новое слово, в то время как изображение нового объекта (например, кумквата) было скрыто от их глаз. Наконец, появлялись два новых предмета (например, кумкват и венчик), и младенцев спрашивали: "Где кумкват?"

Пятнадцатимесячные дети, в отличие от двенадцатимесячных, дольше смотрели на новый фрукт (например, кумкват), чем на новый предмет (например, венчик). Хотя они никогда не видели объект, связанный с новым словом, 15-месячные младенцы использовали контекстные подсказки, чтобы определить, какой предмет, скорее всего, обозначался этим словом.

"Исследование показывает, что даже младенцы, которые только начинают произносить первые слова, учатся на основе услышанной речи, даже если обсуждаемые предметы или события отсутствуют", — сказала Ваксман. — "Дети усваивают то, что слышат, и даже если предмета нет перед глазами, они формируют мысленное представление, или 'суть' значения нового слова, достаточно прочное, чтобы использовать его позже, когда объект появляется".

Ваксман предположила, что в 12 месяцев младенцы, возможно, еще не знают достаточно знакомых слов из контекста, чтобы начать формировать представление о значении нового слова (например, что это, скорее всего, еще один фрукт).

Понимание значения "кумквата"

Предлагая младенцам новые слова без видимого объекта, исследователи проверили, насколько дети могут понять значение слова, опираясь только на языковую информацию.

Исследование дает новое понимание истоков человеческой способности узнавать о вещах, которых нет в непосредственном восприятии. Оно также начинает отвечать на вопрос, как и насколько рано человеческий разум может создавать мысленные образы объектов и событий, никогда не виденных непосредственно.

Эта работа также подчеркивает силу языка в повседневной жизни младенцев. Слушая разговоры и чтение книг, дети часто слышат слова, которые еще не понимают и не могут сразу "сопоставить" с предметом или событием. Результаты исследования показывают, что к 15 месяцам младенцы спонтанно используют языковой контекст, в котором встречается новое слово, чтобы сформировать представление о его значении, которое поддержит дальнейшее обучение.

"Когда мы слышим новые слова, например 'кумкват' в разговоре, когда вокруг нет кумкватов, мы не упускаем возможность понять их значение", — сказала Ваксман. — "Теперь мы знаем, что это верно и для самых маленьких детей".

Дополнительная информация

• Какие еще когнитивные способности развиваются у младенцев в возрасте около 15 месяцев? - В этом возрасте у младенцев активно развивается рабочая память, способность к имитации действий, понимание причинно-следственных связей и первые навыки решения простых задач.
• Как контекст разговора влияет на изучение новых слов у детей старшего возраста? - Контекст разговора помогает детям связывать новые слова с конкретными ситуациями, предметами или действиями, что ускоряет запоминание и понимание значений слов.

---

Что происходит в мозге, когда сознание становится "пустым"

Феномен "пустого сознания" (mind blanking) — распространённое состояние, которое описывают по-разному: от "сонливости" до "полного отсутствия осознанности". В обзорной статье, опубликованной 24 апреля в журнале Trends in Cognitive Sciences издательства Cell Press, группа нейробиологов и философов систематизировала текущие знания об этом явлении, включая данные собственных исследований мозговой активности.

"В состоянии бодрствования наши мысли постоянно сменяют друг друга. Однако бывают моменты, которые кажутся лишёнными осознаваемого содержания — это и есть mind blanking", — пишет научная группа, сформировавшаяся после сотрудничества на 25-й ежегодной конференции Ассоциации научного изучения сознания в Амстердаме в 2022 году.

"Остаётся неясным, что представляют собой эти "пробелы", что подчёркивает терминологическую и феноменологическую неоднозначность понятия".

Ранее mind blanking изучали лишь в рамках исследований "блуждания ума" (mind wandering) — схожего внутреннего опыта, когда мысли "плавно текут, как ручей". Авторы утверждают, что mind blanking — принципиально иное состояние, связанное с повышенной сонливостью, заторможенностью и ошибками, которое хотя и вдохновлено исследованиями mind wandering, но требует самостоятельного изучения.

"Мы попытались глубже понять mind blanking, проанализировав 80 релевантных научных работ — включая наши собственные, где мы фиксировали активность мозга участников, сообщавших, что "ни о чём не думают", — объясняет Афина Демерци из исследовательского центра GIGA Льежского университета (Бельгия).

Ключевые выводы исследования:

Частота эпизодов mind blanking сильно варьируется, но в среднем человек испытывает их 5-20% времени.

К типичным проявлениям относят нарушения внимания, провалы в памяти и прекращение внутреннего диалога.

"Пустое сознание" чаще возникает после длительных задач на концентрацию (например, экзаменов), недосыпа или интенсивных физических нагрузок, но также является обычным состоянием бодрствования.

Дети с СДВГ (синдром дефицита внимания и гиперактивности) сообщают о mind blanking чаще нейротипичных людей.

Mind blanking включён в клиническое описание генерализованного тревожного расстройства в DSM-5. Также он связан с инсультами, эпилепсией, черепно-мозговыми травмами и синдромом Клейне-Левина (когда человек спит до 20 часов в сутки).

Исследования мозговой активности в покое (с помощью фМРТ и ЭЭГ) выявили специфические нейронные паттерны в лобных, височных и зрительных сетях мозга перед эпизодом mind blanking.

После задач на концентрацию во время "пробелов" у людей снижались частота сердечных сокращений и размер зрачков, а мозг демонстрировал пониженную сложность сигналов — состояние, типичное для бессознательных людей. Наблюдались нарушения сенсорной обработки и медленные, "сонные" волны на ЭЭГ. Авторы называют такие состояния, когда части мозга словно засыпают, "эпизодами локального сна".

Повышенная нейронная активность в задних корковых областях также может вызывать mind blanking — например, когда слишком быстрая мыслительная деятельность приводит к замедлению когнитивных функций.

При попытках сознательно "опустошить разум" исследователи зафиксировали деактивацию нижней лобной извилины, зоны Брока, дополнительной моторной коры и гиппокампа.

Учёные предполагают, что общим фактором разных форм mind blanking могут быть изменения уровня возбуждения, ведущие к сбоям ключевых когнитивных механизмов (памяти, речи, внимания).

Учитывая широкий спектр проявлений (как субъективных, так и нейронных), авторы предлагают рассматривать mind blanking как динамическую группу физиологически обусловленных состояний, опосредованных уровнем возбуждения или "бдительности". Это означает, что "пробелы" чаще возникают при очень высоком или низком уровне активации мозга.

"Опыт "пустого сознания" столь же интимен и непосредственен, как и переживание мыслей", — отмечает Дженнифер Виндт из Университета Монаша (Австралия).

"Наша цель — начать дискуссию и выяснить, как mind blanking соотносится с другими схожими состояниями, например, медитацией", — добавляет Антуан Лютц из Лионского центра нейронаук (Франция).

Команда надеется, что признание mind blanking самостоятельным ментальным состоянием в будущих исследованиях поможет глубже понять этот феномен.

"Изучение mind blanking представляется нам исключительно важным и своевременным, — подчёркивает ведущий автор Томас Андрийон из Льежского университета. — Важным, потому что оно бросает вызов представлению о бодрствовании как о непрерывном потоке мыслей. Своевременным, потому что подчёркивает индивидуальные различия в субъективном опыте. Мы утверждаем, что текущие переживания имеют множество оттенков с разной степенью осознанности и насыщенности содержанием".

Дополнительная информация

• Какие методы медитации могут вызывать состояния, похожие на mind blanking? - Глубокие техники, такие как дзадзен (длительная неподвижность) или нидра-йога (йога сна), могут провоцировать эпизоды "пустоты сознания" из-за снижения активности в префронтальной коре.
• Как "эпизоды локального сна" связаны с известными фазами обычного сна? - Микросон — это кратковременные (1-30 сек) вторжения фаз N1 или N2 сна в бодрствование, часто без характерных для REM-сна быстрых движений глаз.

---

Даже легкие физические упражнения могут замедлить снижение когнитивных функций у людей с риском болезни Альцгеймера

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Университета Уэйк Форест обнаружили, что как легкие, так и умеренно-интенсивные физические нагрузки могут стать ценным инструментом в борьбе с болезнью Альцгеймера. Новое исследование, опубликованное в виде двух статей в журнале Alzheimer's and Dementia: The Journal of the Alzheimer's Association, описывает результаты исследования EXERT (Физические упражнения у взрослых с легкими нарушениями памяти) — многоцентрового клинического испытания, изучавшего влияние легких и умеренно-интенсивных упражнений на пожилых людей с сидячим образом жизни, страдающих амнестическим легким когнитивным расстройством, которое является основным фактором риска развития деменции альцгеймеровского типа. Исследователи также сравнили свои результаты с существующим набором данных сопоставимых лиц, получавших только обычную медицинскую помощь, такую как регулярные осмотры у врачей и медикаментозное лечение.

Основные выводы исследования:

• У участников EXERT когнитивные функции оставались стабильными в течение 12 месяцев как в группе с легкими, так и с умеренно-интенсивными упражнениями.
• Оба вида физической активности были связаны со значительно меньшим снижением когнитивных функций за 12 месяцев по сравнению с людьми, не участвовавшими в исследовании.
• В обеих группах EXERT наблюдалась тенденция к меньшей потере объема мозга за 12 месяцев, включая префронтальную кору.

Люди с амнестическим легким когнитивным расстройством, для которого характерны жалобы на память и объективное ухудшение памяти, подвержены высокому риску развития деменции альцгеймеровского типа — около 16% людей с этим состоянием ежегодно прогрессируют до болезни Альцгеймера.

"Это критически важное время для вмешательства в этой популяции, потому что у них еще нет деменции, но риск очень высок", — сказал Аладдин Шадьяб, доктор философии, магистр общественного здравоохранения, ведущий автор одной из новых статей и доцент Школы общественного здравоохранения и наук о долголетии Герберта Вертхайма и Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего.

"Вместе эти выводы показывают нам, что даже легкие физические упражнения могут замедлить когнитивное снижение у пожилых людей из группы риска".

Хотя предыдущие исследования предполагали, что физические упражнения могут быть полезны для когнитивного здоровья, доказательства были неоднозначными, и для полного понимания потенциальных преимуществ физических упражнений для пожилых людей с легкими когнитивными нарушениями необходимы крупные, хорошо спланированные исследования.

Исследование EXERT, координируемое Кооперативной группой по изучению болезни Альцгеймера (ADCS) в Калифорнийском университете в Сан-Диего в партнерстве с Медицинской школой Университета Уэйк Форест, заполняет этот пробел.

"EXERT стало одним из первых крупных клинических испытаний физических упражнений, которое проводилось в партнерстве с YMCA и ее тренерами, чтобы приблизить вмешательство к дому участников исследования", — сказал Говард Фельдман, доктор медицинских наук, директор ADCS.

"Этот подход приближает нас на шаг к реализации программы в сообществе".

ADCS была создана в 1991 году в рамках соглашения о сотрудничестве между Национальным институтом по проблемам старения и Калифорнийским университетом в Сан-Диего и является одной из ключевых инициатив по исследованию болезни Альцгеймера, поддерживаемых федеральным правительством, направленных на лечение как когнитивных, так и поведенческих симптомов болезни Альцгеймера.

"Существует острая необходимость в выявлении эффективных и осуществимых способов профилактики и лечения деменции альцгеймеровского типа, и Калифорнийский университет в Сан-Диего уже много лет является лидером в этой области", — добавил Фельдман, который также является профессором кафедры неврологии Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего.

В исследовании EXERT приняли участие около 300 пожилых людей с сидячим образом жизни и легкими когнитивными нарушениями, которые были случайным образом распределены либо на умеренно-интенсивные аэробные тренировки, либо на менее интенсивные упражнения на растяжку, баланс и подвижность суставов.

Участники выполняли назначенные упражнения 3-4 раза в неделю в течение 12 месяцев под наблюдением тренера YMCA, а исследование также включало регулярные оценки когнитивных функций и объема мозга.

"EXERT — это знаковое исследование, потому что это самое крупное и строгое испытание физических упражнений, когда-либо проводившееся среди взрослых с легкими когнитивными нарушениями", — сказала Лора Бейкер, доктор философии, главный исследователь исследования EXERT и профессор геронтологии и гериатрической медицины Медицинской школы Университета Уэйк Форест.

"Физические упражнения имеют хорошо документированную пользу практически для всех аспектов здоровья человека, но мы все еще раскрываем весь потенциал упражнений как лекарства для пожилых людей с проблемами памяти".

Хотя исследователи ожидали дальнейшего снижения когнитивных функций у участников EXERT, они фактически обнаружили, что когнитивные функции оставались стабильными в обеих группах упражнений на протяжении всего исследования.

Это говорит о том, что как менее интенсивные, так и более интенсивные упражнения могут замедлить когнитивное снижение.

Еще одно возможное объяснение результатов заключается в том, что участие в исследовании само по себе, независимо от лечения, может обеспечить защиту от когнитивного снижения благодаря интеллектуальной и социальной стимуляции.

В целом, выводы обоих исследований, взятые вместе, позволяют предположить, что физические упражнения могут быть многообещающей, безопасной и осуществимой стратегией для укрепления здоровья мозга и предотвращения дальнейшего когнитивного снижения у пожилых людей с легкими когнитивными нарушениями.

"Хотя предстоит еще многое узнать, эти выводы показывают, что регулярные физические упражнения, даже с низкой интенсивностью, могут значительно помочь пожилым людям замедлить или отсрочить когнитивное снижение, и это обнадеживающая новость для тех, кто находится в группе высокого риска развития деменции", — добавил Шадьяб.

Дополнительная информация

• Какие механизмы связывают физические упражнения с замедлением когнитивного снижения? - Физическая активность улучшает кровоснабжение мозга, стимулирует выработку нейротрофинов (например, BDNF), которые поддерживают рост нейронов и синаптическую пластичность, а также снижает воспаление.
• Какова роль YMCA в исследованиях подобных EXERT? - YMCA выступала партнером в исследовании EXERT, предоставляя инфраструктуру для тренировок пожилых участников и помогая контролировать режим физических нагрузок, направленных на изучение влияния упражнений на болезнь Альцгеймера.

---

Ученые заставили глаз увидеть новый цвет «оло»

В оригинальном романе Л. Фрэнка Баума «Удивительный волшебник из страны Оз» Изумрудный город описывается как настолько ярко-зеленый, что посетители вынуждены надевать очки с зелеными стеклами, чтобы защитить глаза от «сияния и величия» города.

Очки — одна из многих уловок волшебника; ведь город, просмотренный через зеленое стекло, на самом деле будет казаться только более зеленым.

Однако, используя новую технику под названием «Oz», ученые Калифорнийского университета в Беркли нашли способ воздействовать на человеческий глаз так, чтобы он увидел совершенно новый цвет — сине-зеленый оттенок беспрецедентной насыщенности, который команда исследователей назвала «оло».

«Это был как невероятно насыщенный цвет морской волны... Самый насыщенный природный цвет казался блеклым в сравнении», — говорит Остин Роорда (Austin Roorda), профессор оптометрии и визуальных наук в Школе оптометрии и зрительных наук им. Герберта Вертхайма Калифорнийского университета в Беркли и один из создателей Oz.

Oz работает, используя микродозы лазерного света, которые могут индивидуально управлять до 1000 фоторецепторов глаза одновременно.

С помощью Oz команда смогла показывать людям не только зеленый цвет, более потрясающий, чем любой природный оттенок, но и другие цвета, линии, движущиеся точки, изображения младенцев и рыб.

Платформа также может быть использована для ответа на фундаментальные вопросы о человеческом зрении и потере зрения.

«Мы выбрали название Oz, потому что это было похоже на путешествие в страну Оз, чтобы увидеть этот яркий цвет, который мы никогда раньше не видели», — говорит Джеймс Карл Фонг (James Carl Fong), докторант кафедры электротехники и компьютерных наук (EECS) в Беркли.

«Мы создали систему, которая может отслеживать, нацеливать и стимулировать клетки-фоторецепторы с такой высокой точностью, что теперь мы способны отвечать на очень фундаментальные, но также очень увлекательные вопросы о природе человеческого цветового зрения», — отмечает Фонг.

«Это дало нам возможность изучать человеческую сетчатку на новом уровне, что раньше было невозможно на практике».

Техника Oz описана в новом исследовании, опубликованном на прошлой неделе в журнале Science Advances. Работа частично финансировалась за счет федеральных грантов Национальных институтов здоровья (National Institutes of Health) и Научно-исследовательского управления ВВС США (Air Force Office of Scientific Research).

Неиспользованные фоторецепторы

Человек видит цвета благодаря трем разным типам колбочек-фоторецепторов, расположенных в сетчатке.

Каждый тип колбочек чувствителен к определенной длине волны света: S-колбочки воспринимают коротковолновый, более синий свет, M-колбочки — средние, зеленоватые длины волн, а L-колбочки — длинные, красноватые длины волн.

Однако, из-за особенностей эволюции, длины волн, активирующие M- и L-колбочки, почти полностью перекрываются.

Это значит, что 85% света, активирующего M-колбочки, также активирует L-колбочки.

«В мире не существует длины волны, способной активировать только M-колбочки», — отмечает старший автор исследования Рен Нг (Ren Ng), профессор EECS в Беркли. — «Я начал задумываться, как бы это выглядело, если бы удалось стимулировать исключительно все клетки типа M. Это был бы самый зеленый зеленый, какой только можно представить?»

Чтобы выяснить это, Нг объединился с Роордой, который разработал технологию, позволяющую с помощью микродоз лазерного света нацеливаться и активировать отдельные фоторецепторы.

Роорда называет эту технологию «микроскопом для изучения сетчатки», и она уже используется офтальмологами для диагностики заболеваний глаз.

Но чтобы человек действительно воспринял новый цвет, Нг и Роорде пришлось найти способ активировать не одну, а тысячи колбочек.

Экран размером с ноготь

Фонг начал работу над проектом Oz в 2018 году, будучи студентом инженерного факультета, и создал большую часть сложного программного обеспечения, необходимого для преобразования изображений и цветов в тысячи крошечных лазерных импульсов, направляемых на человеческую сетчатку.

«Я присоединился после того, как познакомился со студентом, работавшим с Реном, который сказал мне, что они “стреляют лазерами в глаза людям, чтобы показать невозможные цвета”», — вспоминает Фонг.

Для работы Oz сначала нужно построить карту уникального расположения S-, M- и L-колбочек на сетчатке конкретного человека.

Для получения таких карт исследователи сотрудничали с Рамкумаром Сабесаном (Ramkumar Sabesan) и Вималом Прабху Пандиъяном (Vimal Prahbhu Pandiyan) из Вашингтонского университета, которые разработали оптическую систему для визуализации человеческой сетчатки с идентификацией каждой колбочки.

Имея карту колбочек конкретного человека, система Oz программируется так, что лазерный луч быстро сканирует небольшой участок сетчатки, подавая микроскопические импульсы энергии, когда достигает нужной колбочки, и оставаясь выключенным в остальные моменты.

Лазерный луч имеет только один цвет — такой же оттенок, как у обычной зеленой лазерной указки, — но, активируя различные комбинации S-, M- и L-колбочек, он может обманывать глаз, заставляя его видеть картины в полноцветии.

Или, преимущественно активируя только M-колбочки, Oz может показывать людям цвет «оло».

«Если вы посмотрите на ноготь указательного пальца на вытянутой руке — это примерно размер изображения», — поясняет Роорда.

«Но если бы мы могли, мы заполнили бы всю область зрения, как в IMAX».

Эффект «вау»

Ханна Дойл (Hannah Doyle), докторант EECS и соавтор статьи, проектировала и проводила эксперименты с Oz на людях. Пять добровольцев получили возможность увидеть цвет «оло», в том числе Роорда и Нг, которые знали цель эксперимента, но не знали, что именно увидят.

В одном из опытов Дойл попросила участников сравнить «оло» с другими цветами.

Они описали его как сине-зеленый или цвет пера павлина и отметили, что он значительно более насыщенный, чем ближайший монохроматический цвет.

«Самые насыщенные цвета, которые можно наблюдать в природе, — это монохроматические. Свет от зеленого лазерного указателя — один из примеров», — отмечает Роорда.

«Когда я сравнил “оло” с другим монохроматическим светом, у меня действительно возникло ощущение “вау”».

Дойл также экспериментировала с «дрожанием» (jittering) лазера Oz — направляла его слегка в сторону, чтобы свет попадал на случайные колбочки, а не только на M-тип.

Участники немедленно переставали видеть «оло» и начинали видеть обычный зеленый цвет лазера.

«Я не была участником эксперимента для этой статьи, но я видела “оло” позже, и это очень поразительно. Ты сразу понимаешь, что смотришь на что-то очень сине-зеленое», — рассказывает Дойл. — «Когда лазер начинает “дрожать”, нормальный цвет лазера кажется почти желтым, настолько разителен контраст».

Постигая природу цветового зрения

Oz не только позволяет проецировать крошечные «фильмы» в глаз.

Команда уже ищет способы использовать эту технику для изучения болезней глаз и потери зрения.

«Многие заболевания, приводящие к ухудшению зрения, связаны с потерей колбочек», — отмечает Дойл.

«Одна из задач, которую я сейчас изучаю, — использовать такое поштучное стимулирование колбочек для моделирования их утраты у здоровых испытуемых».

Также рассматривается возможность, сможет ли Oz помочь людям с дальтонизмом увидеть все цвета радуги, или можно ли с помощью этой технологии позволить человеку видеть в тетрахроматическом цвете (tetrachromatic color), как если бы у него было четыре типа колбочек.

Техника может помочь и в ответах на более фундаментальные вопросы о том, как мозг ос

Дополнительная информация

• Как мозг интерпретирует сигналы от фоторецепторов, чтобы создать восприятие цвета? - Мозг обрабатывает сигналы от трех типов колбочек (S, M, L), которые реагируют на синий, зеленый и красный свет, комбинируя их для создания цветового восприятия.
• Какие заболевания глаз связаны с потерей колбочек и как их можно лечить? - Пигментный ретинит и макулодистрофия приводят к потере колбочек. Лечение включает генную терапию и имплантаты сетчатки.
• Что такое тетрахроматическое зрение и у кого оно встречается в природе? - Тетрахроматическое зрение — это наличие четырех типов колбочек, что позволяет видеть больше оттенков. Встречается у некоторых птиц, рыб и редких людей-носителей генетической мутации.
• Почему Научно-исследовательское управление ВВС США финансирует подобные исследования? - Исследования помогают разрабатывать технологии для улучшения зрения пилотов, включая системы ночного видения и защиту от ослепления.
• Какие еще технологии, кроме Oz, используются для изучения сетчатки глаза? - Оптическая когерентная томография (ОКТ) и электроретинография (ЭРГ) широко применяются для диагностики заболеваний сетчатки.

---

Таяние ледников в конце ледникового периода могло ускорить дрейф континентов и спровоцировать извержения вулканов

Согласно новому исследованию ученых из Университета Колорадо в Боулдере, около 10 000 лет назад, когда завершался последний ледниковый период, дрейф Североамериканского континента и расширение Атлантического океана могли временно ускориться — отчасти благодаря таянию ледников.

В своем исследовании геофизики Тао Юань и Шиджи Чжун использовали компьютерное моделирование, чтобы заглянуть на 26 000 лет в прошлое Земли.

В то время начал отступать гигантский Лаврентийский ледниковый щит, покрывавший Северную Америку вплоть до территории современной Пенсильвании.

Талая вода хлынула в океаны, и глобальный уровень моря поднимался в среднем на 1 сантиметр в год.

Ученые обнаружили, что это глобальное таяние могло иметь неожиданные последствия — в том числе для тектоники плит, внутреннего механизма, который миллиарды лет разрывает и сталкивает континенты Земли.

Согласно расчетам команды, движение Североамериканской континентальной плиты могло ускориться на 25% по мере таяния льда.

В период примерно от 12 000 до 6000 лет назад скорость расширения Срединно-Атлантического хребта, расположенного между Североамериканской и Евразийской плитами, могла увеличиться на 40%.

«Когда объем льда резко сократился, это вызвало масштабное движение земной коры», — пояснил Юань, аспирант кафедры физики CU Boulder.

«Ученые знали, что таяние льда приводит к поднятию плит. Но мы показываем, что они также значительно смещались горизонтально из-за таяния».

Результаты исследования были опубликованы 23 апреля в журнале Nature.

Эти выводы могут иметь значение и для современной планеты. Ледяные щиты Гренландии вновь тают с высокой скоростью, что, как ни странно, может спровоцировать увеличение вулканической активности в расположенной неподалеку Исландии.

«Долгое время мы считали, что такие процессы, как спрединг океанического дна и дрейф континентов, происходят в масштабах миллионов лет под действием внутреннего тепла Земли», — отметил Чжун, профессор физики.

«Это по-прежнему верно, но мы показываем, что влияние ледников также может вызывать значительные движения за относительно короткие сроки — порядка 10 000 лет».

Сдвиг механизма

Исследование, финансируемое Национальным научным фондом США, подробно изучает Срединно-Атлантический хребет.

Эта структура протянулась на тысячи километров по центру Атлантического океана и проходит через остров Исландия.

Это беспокойное место: здесь магма из глубин планеты поднимается через кору, остывает, формируя твердые породы, и способствует расхождению Североамериканской и Европейской плит.

Поколения ученых полагали, что этот процесс в основном стабилен — хребет расширялся с постоянной скоростью 2 сантиметра в год на протяжении последних нескольких миллионов лет.

«Это довольно известное, учебное значение», — сказал Чжун.

Но могут ли учебники ошибаться?

Чтобы выяснить это, Чжун и Юань смоделировали Землю такой, какой она была тысячи лет назад.

Ученые смоделировали последствия исчезновения ледников толщиной в километры с территории современной Канады и Гренландии — переноса этой массы с суши в океан.

Можно представить Землю как матрас из пены с памятью формы. Если вы лежите на матрасе, а затем встаете, пена постепенно вернется в исходное состояние.

Нечто подобное происходит на Земле при таянии ледников, объяснили Чжун и Юань.

По мере перераспределения веса Лаврентийского ледникового щита части Северной Америки начали подниматься (сегодня земля вокруг Гудзонова залива в Канаде все еще поднимается примерно на 1 сантиметр в год из-за этого восстановления). Согласно новому исследованию, таяние могло также повлиять на горизонтальное движение Северной Америки и Срединно-Атлантического хребта.

Вулканические извержения

Таяние могло иметь взрывные последствия и для Исландии, расположенной недалеко от Гренландии, отметили Юань и Чжун.

Геологические данные свидетельствуют, что в конце последнего ледникового периода на острове наблюдался период интенсивной вулканической активности, который затем стих.

Усиленное расширение Срединно-Атлантического хребта из-за таяния льдов Гренландии могло способствовать этой огненной эпохе — позволяя большему количеству магмы подниматься к поверхности и подпитывая извержения вулканов и гейзеров.

«Эта картина вулканизма могла быть частично связана с изученным нами таянием ледников», — сказал Чжун.

Сегодня лед Гренландии тает недостаточно быстро, чтобы значительно повлиять на дрейф континентов.

Но в ближайшие несколько столетий это может серьезно сказаться на Исландии, особенно если таяние ледников ускорится.

«Ледяные щиты Гренландии и Западной Антарктиды продолжают таять», — сказал Юань. «Мы полагаем, что в будущем таяние льда может усилить спрединг океанического дна и вулканизм на близлежащих срединно-океанических хребтах».

Дополнительная информация

• Какие механизмы связывают таяние ледников с увеличением вулканической активности? - Уменьшение массы льда снижает давление на земную кору, что может привести к дегазации магмы и увеличению вулканической активности, особенно в регионах с историческим оледенением, таких как Исландия.
• Как современные темпы таяния ледников Гренландии сравниваются с теми, что были в конце ледникового периода? - Современные темпы таяния в Гренландии (около 260 млрд тонн льда в год) значительно выше, чем в конце последнего ледникового периода (примерно в 6 раз быстрее по некоторым оценкам).

---

Новорожденные, живущие рядом с деревьями, обычно здоровее: новые данные показывают, что дело не в том, что более здоровые люди селятся возле парков

Связь между близостью к зеленым насаждениям — включая деревья и парки — и здоровыми исходами родов хорошо известна. Теперь новые данные исследователей из Школы общественного здравоохранения Дорнсайф Университета Дрекселя углубляют наше понимание этих преимуществ для здоровья, учитывая другие факторы, которые могут влиять на эту связь, такие как образование, доход и индекс массы тела, а также продвигают знания дальше, изучая влияние проживания рядом с недавно посаженными деревьями. Результаты были недавно опубликованы в журнале Science of The Total Environment.

Используя уникальный набор данных — посадку более 36 000 деревьев с 1990 по 2020 год в Портленде, штат Орегон, некоммерческой организацией Friends of Trees — исследователи измерили количество новых деревьев, посаженных в радиусе 100 метров от адреса матери в течение первых 10 лет после рождения ребенка (используя данные о рождении с 1 января 2015 года по 31 декабря 2020 года от Управления здравоохранения Орегона), а также существующий древесный покров и плотность дорог в этом районе.

Контролируя факторы, которые могут влиять на вес при рождении, такие как раса матери, первая ли это беременность, ИМТ и уровень образования матери, исследователи обнаружили связь между количеством посаженных деревьев и более высоким весом при рождении.

Кроме того, близость к посадкам деревьев, включая новые и существующие деревья, была связана с тремя ключевыми показателями здоровья новорожденных: более высоким весом при рождении, сниженным риском рождения ребенка с малым весом для гестационного возраста и уменьшенным риском преждевременных родов.

Например, каждое дерево, посаженное в пределах 100 метров от дома матери в течение 10 лет до рождения ребенка, было связано со статистически значимым увеличением веса при рождении на 2,3 грамма.

В отличие от предыдущих исследований, которые также изучали связь зеленых насаждений и беременности, в текущем исследовании учитывался существующий древесный покров, чтобы сосредоточиться на роли недавно посаженных деревьев в здоровье новорожденных.

«Хотя польза от старых деревьев очевидна, мы обнаруживаем, что недавно посаженные деревья также связаны со здоровым весом при рождении», — сказала старший автор исследования Ивонн Майкл, доктор наук, профессор и временный руководитель Школы общественного здравоохранения Дорнсайф.

«Это еще одно доказательство того, что посадка деревьев — относительно простой и недорогой способ улучшить общественное здоровье с самых ранних этапов жизни».

По данным исследователей, проживание в пределах 100 метров от как минимум 10 деревьев было связано с увеличением веса при рождении примерно на 50 граммов.

Польза для веса при рождении от деревьев обычно достигает максимума при наличии около 10 деревьев, выяснили исследователи.

«50 граммов могут показаться незначительными, но если бы каждый ребенок в нашей выборке прибавил 50 граммов при рождении, это означало бы на 642 ребенка меньше с малым весом для гестационного возраста и сниженный риск проблем с развитием в дальнейшей жизни», — отметила Майкл, указав, что в исследовании было 2879 детей с таким диагнозом.

Стресс связан с повышенной вероятностью преждевременных родов и ухудшением здоровья в будущем.

Авторы предполагают, что старые деревья рядом с домом могут приносить больше пользы, чем недавно посаженные, также обеспечивая психологическое восстановление, поскольку другие исследования показали, что развитые природные среды способствуют «мягкому увлечению» — в отличие от психологически истощающих характеристик зданий и других элементов городской среды.

«Редко удается получить детальную информацию о масштабных посадках деревьев для исследований», — сказала Майкл.

«Существующий древесный покров часто тесно связан с такими факторами, как доход, образование и раса, что затрудняет учет других возможных объяснений при изучении исходов родов. Сосредоточившись на недавно посаженных деревьях, мы смогли уменьшить систематическую ошибку — по сути, рассматривая это как естественный эксперимент. Кроме того, мы наблюдали улучшение исходов родов после посадки деревьев, что устанавливает временной порядок».

В текущем исследовании существующие деревья, но не новые, помогли смягчить некоторые негативные последствия плотности дорог — соотношения длины дорог в районе к общей площади земли — на вес при рождении.

Авторы предположили, что это может быть связано с более развитой листвой старых деревьев, которые лучше справляются с шумом дорог и снижают загрязнение воздуха.

Хотя авторы наблюдали снижение веса при рождении у детей в ходе исследования, они связывают это с другими факторами, такими как повышение температуры воздуха и вредный дым от лесных пожаров (в 2020 году) в этом районе.

Набор данных авторов показал, что раса, образование и даже существующий древесный покров не коррелировали с новыми посадками деревьев в районе.

Авторы отмечают, что для окончательного доказательства причинно-следственной связи между деревьями и положительными исходами родов необходимо рандомизированное контролируемое исследование.

Однако текущее исследование предоставляет одни из лучших доступных данных, подтверждающих связь между деревьями и положительными исходами родов.

Последнее исследование следует за рядом работ, изучающих влияние зеленых насаждений на здоровье, включая исследование 2013 года, опубликованное Майкл и коллегами, которое показало, что потеря 100 миллионов деревьев из-за инвазивного вредителя — изумрудного ясеневого узкотела — совпала с увеличением смертности от сердечных заболеваний и болезней нижних дыхательных путей в округах с наибольшими потерями деревьев.

Помимо Майкл, среди авторов статьи — Джеффри Х. Донован, Джеффри П. Престон и Абигейл Р. Камински из Лесной службы Министерства сельского хозяйства США.

Дополнительная информация

• Какие биологические механизмы могут объяснять связь между деревьями и здоровьем новорожденных? - Деревья улучшают качество воздуха, поглощая загрязняющие вещества и выделяя кислород, что может снижать уровень стресса у беременных и способствовать лучшему развитию плода.
• Как изумрудный ясеневый узкотел повлиял на здоровье населения в предыдущих исследованиях? - Инвазивный жук уничтожил миллионы ясеней в США, что привело к ухудшению качества воздуха и, как следствие, к увеличению респираторных заболеваний среди местного населения.
• Какие еще городские факторы, кроме деревьев, могут влиять на вес при рождении? - Загрязнение воздуха, уровень шума, доступ к зеленым зонам и социально-экономические условия могут влиять на вес новорожденных.

---

Влияние семейной динамики на образ тела различается в разных культурах

Новое международное исследование выявило различия в восприятии тела между ближневосточными и западными обществами, подчеркивая, как культурные и семейные факторы формируют образ тела и пищевое поведение у молодых женщин.

Проведенное под руководством Университета Флиндерс и опубликованное в журнале Body Image, исследование охватило более 850 женщин в возрасте 18-25 лет в Австралии и Ливане, изучив роль матерей и сестер в формировании неудовлетворенности телом, позитивного восприятия тела и пищевых привычек.

Ведущий автор, дипломированный психолог и кандидат наук Мелани Дик заявляет, что исследование показало: хотя обе группы женщин демонстрировали схожий уровень неудовлетворенности телом, ближневосточные женщины сообщали о более позитивном восприятии тела по сравнению с западными сверстницами.

"Наши выводы опровергают распространенное предположение, что негативный образ тела повсеместно переживается одинаково", - отмечает г-жа Дик из Колледжа образования, психологии и социальной работы.

"Ближневосточные женщины, в частности, продемонстрировали более сильное позитивное восприятие тела, что может отражать культурные ценности и тесные семейные связи, способствующие самопринятию.

Это говорит о том, что семейные и культурные ценности на Ближнем Востоке могут способствовать формированию более позитивного взгляда на свое тело, что может служить защитным фактором против негативного образа тела и нарушений пищевого поведения".

Исследование подчеркивает значительное влияние семьи, особенно матерей, как на позитивные, так и на негативные аспекты восприятия тела.

"Матери, в отличие от сестер, оказывают более сильное и последовательное влияние на формирование пищевого поведения и образа тела", - поясняет г-жа Дик.

"Любопытно, что хотя ближневосточные женщины чаще сообщали о "разговорах о весе" - обсуждениях веса и внешности - в семейном кругу, эти беседы были связаны с позитивными результатами, такими как усиление позитивного восприятия тела, что указывает на более сложную культурную динамику".

Исследование также выявило различия в пищевом поведении: ближневосточные женщины чаще практиковали осознанное питание, например, ели без отвлечений - привычки, связанные с лучшим психическим и физическим здоровьем.

"Их фокус на осознанном питании может способствовать не только более здоровым пищевым привычкам, но и более позитивному образу тела", - говорит Дик.

Старший исследователь, эксперт по образу тела профессор Иванка Причард отмечает, что результаты опровергают предположение, что проблемы с образом тела характерны преимущественно для Запада.

"Западные идеалы красоты распространяются по всему миру, но это исследование показывает, что культурные и семейные факторы по-прежнему играют важную роль в формировании самовосприятия молодых женщин", - заявляет профессор Причард.

"Для эффективного решения проблем неудовлетворенности телом и нарушений пищевого поведения мы должны разрабатывать культурно-адаптированные вмешательства, а не универсальные решения".

Исследовательская группа планирует расширить исследование, включив больше ближневосточных регионов, особенно менее подверженных западным стандартам красоты, и изучить, как эти выводы проявляются в мультикультурных обществах, таких как Австралия.

"Наша работа подчеркивает необходимость инклюзивных, культурно-чувствительных подходов для продвижения позитивного образа тела и здорового пищевого поведения по всему миру", - заключает г-жа Дик.

---

Высокотехнологичный стикер может распознавать настоящие человеческие эмоции

Говорить одно, а чувствовать другое — это часть человеческой природы, но подавление эмоций может иметь серьезные психологические последствия, такие как тревога или панические атаки. Чтобы помочь медицинским работникам различать истинные эмоции, команда ученых из Университета Пенсильвании создала эластичный перезаряжаемый стикер, который может обнаруживать реальные эмоции — измеряя такие параметры, как температура кожи и частота сердечных сокращений — даже когда человек сохраняет внешнее спокойствие.

Исследователи недавно представили носимый пластырь, способный одновременно и точно отслеживать множественные эмоциональные сигналы. Результаты исследования опубликованы в журнале Nano Letters.

«Это новый и усовершенствованный способ понимания наших эмоций путем одновременного анализа множественных телесных сигналов», — сказал Хуаньюй «Ларри» Ченг, доцент кафедры инженерной науки и механики Университета Пенсильвании и ведущий автор исследования. «Опора только на мимику для понимания эмоций может вводить в заблуждение. Люди часто не показывают визуально, что они на самом деле чувствуют, поэтому мы объединяем анализ мимики с другими важными физиологическими сигналами, что в конечном итоге приведет к лучшему мониторингу и поддержке психического здоровья».

Пластырь отслеживает ряд физиологических реакций, таких как температура кожи, влажность, частота сердечных сокращений и уровень кислорода в крови, которые связаны с эмоциональными состояниями. Важно отметить, что датчики устройства работают независимо, минимизируя взаимное влияние измерений, пояснил Ченг.

Устройство сочетает анализ физиологических сигналов с данными о мимике, чтобы лучше отличать подлинные эмоции от наигранных. Затем оно передает данные в реальном времени на мобильные устройства и в облако, где клиницисты могут использовать их для более точной оценки состояния пациентов дистанционно. Устройство не записывает личную информацию, только сигналы, что защищает конфиденциальность пользователей, подчеркнул Ченг.

«Эта технология может помочь людям, испытывающим проблемы с психическим здоровьем, но, возможно, не до конца честным с окружающими или даже с самими собой», — сказал Янбо Юань, соавтор исследования и аспирант Университета Пенсильвании.

Ченг отметил, что собранные данные также могут помочь преодолеть культурные или социальные барьеры, из-за которых человек может казаться более сдержанным или, наоборот, экспрессивным для медицинских работников. «Отслеживая эти сигналы, можно раньше выявлять такие проблемы, как тревога или депрессия».

Устройство размером с пластырь создано из гибких слоев металлов, таких как платина и золото, разрезанных на волнообразные формы, сохраняющие чувствительность даже при растяжении. Также использовались материалы, изменяющие электрический ток в зависимости от температуры, и углеродные нанотрубки для отслеживания влажности.

Датчики расположены так, чтобы не мешать друг другу. Например, под датчиками температуры и влажности размещен жесткий слой, защищающий их от растяжения, а водонепроницаемый слой предохраняет датчики от влаги.

«Мы разработали устройство для независимого измерения сигналов, что дает более четкую и точную картину происходящего», — сказал Либо Гао, соавтор исследования из Университета Сямыня.

Далее команда обучила модель искусственного интеллекта (ИИ) распознавать признаки настоящих и наигранных эмоций. Восемь участников изображали шесть основных эмоций (радость, удивление, страх, грусть, гнев, отвращение) по 100 раз каждую, пока устройство фиксировало их движения. Данные использовали для обучения ИИ, который затем с точностью 96,28% определял наигранные эмоции у трех новых участников.

При тестировании на реальных эмоциях (просмотр эмоциональных видеороликов) устройство показало точность 88,83%, подтверждая известные связи между эмоциями и физиологическими реакциями (например, повышение температуры кожи и частоты сердечных сокращений при удивлении и гневе).

Ченг отметил, что беспроводная передача данных позволяет медикам дистанционно отслеживать состояние пациентов и оказывать своевременную поддержку через телемедицину.

«Этот сенсор может помочь в устранении пробелов в доступе к медицинской помощи», — сказал он. «Учитывая растущий уровень стресса в современном обществе, мониторинг эмоций может выявлять ранние признаки серьезных состояний и позволять оказывать упреждающую поддержку».

Технология также открывает возможности для ИИ-диагностики заболеваний, мониторинга невербальных пациентов, выявления симптомов деменции и передозировки опиоидов. В будущем ее можно будет использовать для наблюдения за хроническими ранами, нейродегенеративными заболеваниями и спортивными показателями.

«Хотя устройство еще находится в стадии разработки, это значительный шаг вперед в мониторинге эмоций, который может привести к более персонализированному подходу в психиатрии», — заключил Ченг.

Среди соавторов исследования — Хунчэн Сюй из Университета Сиань Цзяотун. Работа финансировалась Национальными институтами здоровья и Национальным научным фондом США.

Дополнительная информация

• Какие еще физиологические параметры, кроме упомянутых в статье, могут указывать на эмоциональное состояние человека? - К таким параметрам относятся частота дыхания, артериальное давление, уровень кортизола (гормона стресса), температура тела и электрическая активность мышц (электромиография).
• Как именно углеродные нанотрубки помогают измерять влажность кожи? - Углеродные нанотрубки обладают высокой чувствительностью к изменениям влажности, так как их электрическое сопротивление меняется в зависимости от количества поглощённой воды, что позволяет точно фиксировать уровень потоотделения.
• Какие существуют культурные различия в проявлении эмоций, которые могут влиять на диагностику? - В некоторых культурах открытое проявление эмоций (например, гнева или печали) считается неприемлемым, что может приводить к их подавлению и усложнению диагностики по физиологическим показателям.

---

Дикие шимпанзе замечены за поеданием и совместным употреблением "алкогольных" фруктов

Впервые в дикой природе удалось запечатлеть, как шимпанзе едят и делятся фруктами, содержащими алкоголь.

Исследовательская группа под руководством Университета Эксетера установила камеры в национальном парке Кантаньес в Гвинее-Бисау.

Кадры, на которых шимпанзе делятся ферментированными плодами африканского хлебного дерева (подтверждено содержание этанола), поднимают интригующие вопросы: ищут ли обезьяны алкоголь целенаправленно и если да, то зачем.

Считается, что люди употребляли алкоголь ещё на заре своей эволюционной истории, что способствовало социальному взаимодействию.

Новое исследование предполагает, что наши ближайшие родственники могут делать нечто подобное.

"У людей употребление алкоголя приводит к выбросу дофамина и эндорфинов, вызывая чувство счастья и расслабления", — объясняет Анна Боуленд из Центра экологии и охраны природы кампуса Пенрин Университета Эксетера в Корнуолле.

"Мы также знаем, что совместное употребление алкоголя — например, во время праздничных застолий — помогает устанавливать и укреплять социальные связи.

Теперь, когда мы знаем, что дикие шимпанзе едят и делятся содержащими этанол фруктами, возникает вопрос: получают ли они аналогичные преимущества?"

Исследователи использовали камеры с датчиками движения, которые зафиксировали 10 случаев совместного поедания шимпанзе ферментированных фруктов.

Плоды, которыми делились обезьяны, были протестированы на содержание алкоголя.

Максимальный зафиксированный уровень составил эквивалент 0,61% ABV (Alcohol By Volume — стандартный показатель крепости алкогольных напитков).

Это относительно низкий показатель. Однако исследователи считают его "верхушкой айсберга", поскольку 60-85% рациона шимпанзе составляют фрукты — и даже небольшое содержание алкоголя в разных продуктах может в сумме давать значительное потребление.

Учёные подчёркивают, что шимпанзе вряд ли могут "опьянеть" — это явно не улучшило бы их шансы на выживание.

Влияние алкоголя на метаболизм обезьян пока не изучено. Однако недавнее открытие молекулярной адаптации, значительно увеличившей метаболизм этанола у общего предка африканских человекообразных обезьян, позволяет предположить, что употребление ферментированных фруктов может иметь древние корни у видов, включая людей и шимпанзе.

"Шимпанзе делятся едой не постоянно, поэтому такое поведение с ферментированными фруктами может быть значимым", — отмечает доктор Кимберли Хокингс из Университета Эксетера.

"Нам нужно выяснить, ищут ли они этанолосодержащие фрукты целенаправленно и как метаболизируют алкоголь, но это поведение может быть ранней эволюционной стадией "праздничного застолья".

Если это так, то традиция совместных застолий у людей может иметь глубокие эволюционные корни".

Работа Боуленд финансировалась Приматологическим обществом Великобритании.

---

В квантовом зоопарке обнаружены новые "виды"

Существует практически бесконечное количество квантовых состояний, описывающих квантовую материю и странные явления, возникающие при взаимодействии большого числа электронов. Десятилетиями многие из этих состояний оставались теоретическими: математическими и вычислительными предсказаниями, потенциально скрытыми в реальных материалах — своеобразный "зоопарк", как его все чаще называют ученые, где новые "виды" только ждут своего открытия и описания.

В новом исследовании, опубликованном 3 апреля в журнале Nature, ученые добавили более десятка новых состояний в этот растущий квантовый зоопарк.

"Некоторые из этих состояний никогда ранее не наблюдались, — сказал ведущий автор исследования Сяоян Чжу, профессор нанонауки имени Говарда в Колумбийском университете. — И мы не ожидали обнаружить так много".

Среди них есть состояния, которые теоретически могут быть использованы для создания топологического квантового компьютера. Такие компьютеры обладают уникальными квантовыми свойствами, которые должны сделать их менее подверженными ошибкам, мешающим современным квантовым компьютерам на основе сверхпроводящих материалов. Однако сверхпроводники чувствительны к магнитам, которые до сих пор использовались для создания необходимых топологических состояний (пока что нереализованных) для следующего поколения квантовых компьютеров. Решение Чжу устраняет эту проблему: все обнаруженные им и его командой состояния можно создать без внешнего магнита благодаря особым свойствам материала под названием скрученный дителлурид молибдена.

Из зала квантовой истории

Некоторые из новых состояний, обнаруженных Чжу и его командой, могут быть связаны с эффектом Холла. Классический эффект Холла, открытый в 1879 году, описывает, как электроны, движущиеся через металлическую полосу, скапливаются у ее края под действием магнитного поля; чем сильнее магнит, тем больше разность напряжений на металле. Когда электроны подвергаются воздействию магнитного поля при ультранизких температурах и в двух измерениях (где эффекты квантовой механики наиболее заметны), изменение напряжения перестает быть пропорциональным магнитному полю; вместо линейного роста оно становится "квантованным" и изменяется скачками, связанными с зарядом электрона — частицы с наименьшим известным зарядом.

Эти квантовые ступени могут дробиться на еще меньшие, образуя состояния с дробными зарядами: -½, -⅔, -⅓ и так далее. За это открытие почетный профессор Колумбийского университета Хорст Штормер получил Нобелевскую премию по физике в 1998 году. Этот "дробный квантовый эффект Холла" — парадоксальная особенность квантовой механики, объяснил Штормер в своей Нобелевской лекции: "Это означает, что множество электронов, действуя согласованно, могут создавать новые частицы с зарядом меньше, чем у любого отдельного электрона. Такого просто не должно быть… И все же мы точно знаем, что ни один из этих электронов не разделился на части".

Исследователи десятилетиями охотились за дробным квантовым эффектом Холла, и он проявлялся в различных материалах. Значительный прорыв произошел в 2023 году, когда физик Вашингтонского университета Сяодон Сюй, участник финансируемого Министерством энергетики Центра программируемых квантовых материалов (ProQM) при Колумбийском университете, обнаружил аномальный (то есть не требующий магнита) дробный квантовый эффект Холла в слоях дителлурида молибдена, скрученных для образования муарового узора. Открытие Сюя подтвердили эксперименты в Корнеллском университете и результаты Шанхайского университета Цзяо Тун.

Работа Сюя, выполненная под руководством его аспирантов Цзяци Цай и Хонджун Пак и опубликованная в двух статьях также в Nature, выявила два долгожданных состояния дробного квантового аномального эффекта Холла (FQAH), пояснил Чжу. Но это было только начало.

Секрет? В муаровом узоре…

Материалы, с которыми работает команда ProQM, — это муаровые материалы: атомарно тонкие слои различных элементов, слегка скрученные относительно друг друга. В результате образуется шестиугольная структура со свойствами, которых нет ни в отдельных слоях, ни в объемных кристаллах, из которых эти слои получены.

Когда слои дителлурида молибдена скручиваются, они становятся топологическими. Это означает, что их электроны удерживаются в определенных конфигурациях, способствующих их объединению в более крупные целые, которые, вопреки интуиции, могут распадаться на дробные квантовые заряды Холла. Скручивание также создает внутреннее магнитное поле, устраняя необходимость во внешнем магните.

Летом 2023 года Ипин Ван, постдок Центра Макса Планка в Нью-Йорке при Колумбийском университете и ведущий автор текущей статьи в Nature, получила образец из лаборатории Сюя. Чжу был в отъезде, когда она решила провести эксперименты с помощью метода насосно-зондовой спектроскопии, разработанного соавтором и стипендиатом Саймонса Эриком Арсено. Ее экран засветился пиками, соответствующими десяткам дробных зарядов, включая те, которые теоретически предсказаны как компоненты для построения топологического квантового компьютера — так называемые неабелевы энионы.

В их подходе один лазерный импульс "расплавляет" квантовые состояния в материале, а второй фиксирует изменение диэлектрической проницаемости (меры силы электрических взаимодействий) при их восстановлении. Метод Арсено использует сверхбыстрый лазер, способный выявить тонкие различия между множеством дробных энергетических уровней. "Это открытие также подтверждает, что насосно-зондовая спектроскопия — на данный момент самый чувствительный метод обнаружения квантовых состояний материи", — сказал Чжу.

Метод не только фиксирует состояния в их основном энергетическом уровне, но и отслеживает их изменения. "Ощущение, будто мы вошли в новое измерение — время — для изучения корреляций и топологии в основном состоянии, — сказала Ван. — Они продолжают удивлять нас, особенно когда мы выводим их из равновесия".

Теперь предстоит выяснить, что именно представляют собой все эти новые состояния и для чего они могут быть наиболее полезны. "Их так много. Мы надеемся, что эти результаты и наш метод вдохновят других на исследования", — сказал Чжу.

Это действительно целый зоопарк.

Дополнительная информация

• Какие преимущества топологические квантовые компьютеры имеют перед традиционными квантовыми компьютерами на основе сверхпроводников? - Топологические квантовые компьютеры обладают встроенной защитой от ошибок благодаря топологической защите, что делает их менее чувствительными к декогеренции по сравнению со сверхпроводниковыми кубитами.

• Как именно муаровые узоры в материалах позволяют создавать новые квантовые состояния без внешнего магнитного поля? - Муаровые узоры возникают при наложении двух кристаллических решеток с небольшим несовпадением, создавая периодические потенциалы, которые могут локально изменять электронную структуру и приводить к образованию плоских зон, где возникают экзотические квантовые состояния.

• Какие практические применения могут найти неабелевы энионы в квантовых технологиях? - Неабелевы энионы могут использоваться для создания топологических кубитов в квантовых компьютерах, обеспечивая более устойчивые к ошибкам квантовые операции, а также в квантовых сенсорах и системах квантовой памяти.

---

Что, если бы Мать-Земля могла подать в суд за плохое обращение?

Ученые из Института агроэкологии Университета Вермонта вместе с международными соавторами опубликовали статью, в которой описываются успехи Эквадора в юридическом отстаивании прав природы. Статья под названием «Лягушки, коалиции и добыча полезных ископаемых: преобразующие идеи для здоровья планеты и права земных систем на примере борьбы Эквадора за соблюдение прав природы» вышла в специальном выпуске журнала Earth System Governance, посвященном роли «Глобального Юга» в управлении земными системами.

Эквадорские лягушки могут показаться маловероятными супергероями, но именно эти маленькие пятнистые амфибии одержали победу над «Голиафом» горнодобывающих концессий в Эквадоре. Как и большинству супергероев, лягушкам помогла команда сильных союзников. В данном случае члены общины Хунин вместе с биологами, юристами и другими сторонниками успешно подали в суд от имени природы, чтобы остановить добычу полезных ископаемых. «Лягушка-ракета сопротивления» (Rana Cohete Resistencia) была названа жителями Интага в знак их коллективной борьбы за защиту своей территории. Традиционные экологические законы часто сосредоточены на регулировании воздействия человека через разрешения, ограничения и, в лучшем случае, восстановление. В отличие от них, законы о правах природы направлены на целостное сохранение экосистем — поэтому эндемичные исчезающие виды лягушек и человеческое сообщество могут выступать в качестве равноправных истцов.

Включение прав природы в Конституцию Эквадора в 2008 году стало монументальным сдвигом в области прав и юриспруденции. Конституция Эквадора признает природу субъектом с неотъемлемыми правами. Она встраивает человека в экологические процессы и подчеркивает заботу, управление и равноправное сосуществование всех форм жизни. Эти усилия также породили новую мощную юридическую стратегию, которая вдохновила аналогичные дела по всему миру, как описано в статье.

На сегодняшний день устойчивые юридические и общественные усилия успешно заблокировали три крупных горнодобывающих проекта в Интаге, а права природы одержали победу в шести знаковых судебных делах по всему Эквадору. Сопротивление добыче полезных ископаемых в долине Интаг, являющейся биоразнообразным регионом, демонстрирует силу общественных действий и международной солидарности в борьбе за справедливость в отношении здоровья планеты и справедливый переход для всех. Эквадор занимает девятое место среди самых биоразнообразных стран мира, обладая значительным видовым разнообразием, включая примерно 16 500–20 000 видов сосудистых растений, 465 видов млекопитающих и 690 видов амфибий. Амфибии являются важными экологическими индикаторами из-за их высокой чувствительности к загрязнителям и токсинам. Их численность и разнообразие — ключевые показатели экологического здоровья, поэтому лягушки стали мощным, хоть и крошечным, символом здоровья Земли.

Андреа Терран, эквадорский биолог, предоставившая данные и исследования для поддержки дела и соавтор статьи, считает, что именно подход, основанный на правах природы, привел к этому экологическому успеху: «Превращение конституционных прав природы в конкретные меры по сохранению — это мощный инструмент для предотвращения вымирания видов в районах, которым угрожает добыча полезных ископаемых. Крупные горнодобывающие концессии сосредоточены в Андах и их предгорьях, пересекаясь с регионами с высокой эндемичностью и разнообразием амфибий. Поэтому наличие механизма для остановки этой добывающей экономической модели открывает двери для изучения альтернативных отношений с природой и устойчивых экономических моделей, поддерживающих жизнь в долгосрочной перспективе».

Доктор Марио Монкайо, входивший в команду юристов, представлявших интересы природы в деле о добыче полезных ископаемых в Льюримагуа, описал их юридическую победу так: «В случае с Льюримагуа, как объясняется в статье, демонстрируется практическая применимость прав природы, показывая, что это не просто символические декларации, а права с реальными юридическими последствиями. Признание прав природы позволило отдельным лицам и сообществам отстаивать их напрямую, создавая важные прецеденты в защите природы».

Карлос Варела Ариас, профессор конституционного права, член юридической команды, защищавшей природу в деле Льюримагуа, и соавтор статьи, добавляет: «Эта система позволит разработать новые стратегии и глобальные механизмы управления, чтобы адаптировать человеческие системы к природным, обеспечивая наше выживание и мирное сосуществование с окружающей средой».

В статье выделяются три ключевых аспекта успешных законов о правах природы:

1. Признание внутренней ценности природы, выходящей за рамки ее полезности для человека.
2. Использование в качестве руководящего принципа для обеспечения уважения к природе в законах, политике и судебных решениях.
3. Обеспечение принудительной защиты природы, обязывающей как государство, так и граждан.

В статье также предлагаются следующие шаги для масштабирования подхода к правам природы и даются конкретные рекомендации по реформе политики и моделям управления. Победы в защите прав природы вдохновили на юридические инновации по всему миру. Например, в Боливии закон о Матери-Земле признает права природы в своей правовой системе. Аналогично, Новая Зеландия предоставила юридический статус реке Уангануи и территории Те Уревера. В Канаде права природы были юридически признаны в отдельных случаях, таких как права на землю народа Grassy Narrows, а также в многочисленных аналогичных делах в Мексике, Индии, США, Чили, Аргентине и Бразилии.

Соглашение Эсказу (2020), подписанное Эквадором и 22 другими странами Латинской Америки, является важным инструментом управления для продвижения экологической и природоохранной справедливости. Этот обязывающий региональный договор подчеркивает необходимость защиты биоразнообразия и обеспечения ответственности за насилие в отношении защитников природы. Однако, несмотря на его вступление в силу в апреле 2021 года, насилие продолжается: в 2023 году во всем мире были убиты 2100 защитников природы, причем 70% этих убийств произошли в четырех странах Латинской Америки (Global Witness, 2024).

Ведущий автор статьи и доцент Университета Вермонта доктор Карлос Андрес Гальегос-Риофрио обсуждает последствия для управления: «Ключевой урок — особенно на примере коалиции, продвигавшей дело Льюримагуа — заключается в том, что существуют реальные альтернативы управления земными системами. Чтобы эти альтернативы стали по-настоящему преобразующими, необходимо активное участие общества. Только тогда они смогут стать важными инструментами, помогающими местным сообществам остановить деятельность, вредящую как людям, так и природе, и глобально предотвратить переход за безопасные границы планеты».

Доктор Амайя Карраско Торронтеги, старший автор и еще один представитель Университета Вермонта, описывает влияние политики следующим образом: «Права природы — это сильная и вдохновляющая идея, зародившаяся в Эквадоре. Этот подход побуждает нас видеть природу не просто как ресурс, а как нечто живое

Дополнительная информация

• Какие ещё страны, кроме Эквадора, включили права природы в свои конституции? - Боливия (Конституция 2009 года), Новая Зеландия (признание прав реки Уонгануи в 2017 году), Уганда (защита экосистем в Конституции).
• Как именно амфибии служат биоиндикаторами экологического здоровья? - Их проницаемая кожа и зависимость от водной среды делают их чувствительными к загрязнениям и изменениям климата, что отражает общее состояние экосистемы.
• Какие меры защиты предусмотрены Соглашением Эсказу для защитников природы? - Гарантии доступа к информации, участие в принятии решений, механизмы защиты от насилия и угроз, а также юридическая поддержка.

---

Диеты с высоким содержанием жиров и сахара влияют на когнитивные функции

Новое исследование Сиднейского университета связывает жирную и сладкую пищу с нарушением работы мозга. Эти данные дополняют растущий объем доказательств негативного влияния диет с высоким содержанием жиров и сахара (HFHS) на когнитивные способности, помимо их хорошо известного физического воздействия.

Опубликованное в пятницу в Международном журнале по ожирению (International Journal of Obesity), это исследование первым проверило на людях взаимосвязь между HFHS-диетами, особенно с высоким содержанием рафинированного сахара и насыщенных жиров, и пространственной навигацией от первого лица. Пространственная навигация — это способность изучать и запоминать путь из одного места в другое, процесс, который может отражать здоровье гиппокампа мозга.

Доктор Доминик Тран из Школы психологии факультета естественных наук возглавил исследование, которое показало, что HFHS-диеты оказывают негативное влияние на некоторые аспекты когнитивной функции. Вероятно, эти эффекты сосредоточены в гиппокампе — структуре мозга, важной для пространственной навигации и формирования памяти, а не распространяются на весь мозг.

«Хорошая новость в том, что мы считаем эту ситуацию легко обратимой, — сказал доктор Тран. — Изменения в питании могут улучшить здоровье гиппокампа, а значит, и нашу способность ориентироваться в окружающей среде, например, когда мы исследуем новый город или учим новый маршрут домой».

Исследовательская группа привлекла 55 студентов университетов в возрасте от 18 до 38 лет. Каждый участник заполнил анкеты, отражающие потребление сладкой и жирной пищи. Также у них проверили рабочую память с помощью упражнения на запоминание чисел и измерили индекс массы тела (ИМТ).

Эксперимент заключался в том, что участники шесть раз должны были пройти лабиринт в виртуальной реальности и найти сундук с сокровищами. Лабиринт был окружен ориентирами, которые участники могли использовать для запоминания маршрута. Точка старта и расположение сундука оставались неизменными в каждом испытании.

Если участники находили сундук менее чем за четыре минуты, они переходили к следующему испытанию. Если им не удавалось найти сундук за это время, их телепортировали к нему и давали 10 секунд, чтобы запомнить его местоположение перед следующим испытанием.

В седьмом испытании сундук убирали из виртуального лабиринта, но просили участников найти и отметить его прежнее местоположение, полагаясь только на память. Те, у кого в рационе было меньше жиров и сахара, смогли указать местоположение с большей точностью, чем те, кто употреблял эти продукты несколько раз в неделю.

«После учета рабочей памяти и ИМТ, измеренных отдельно от эксперимента, потребление сахара и жиров участниками надежно предсказывало их результаты в этом финальном, седьмом тесте», — сказал доктор Тран.

Доктор Тран отметил, что результаты подчеркивают важность правильного выбора питания для поддержания здоровой работы мозга.

«Мы давно знаем, что чрезмерное потребление рафинированного сахара и насыщенных жиров несет риск ожирения, метаболических и сердечно-сосудистых заболеваний, а также некоторых видов рака. Также известно, что эти нездоровые пищевые привычки ускоряют наступление возрастного когнитивного снижения у людей среднего и пожилого возраста.

«Это исследование дает нам доказательства того, что диета важна для здоровья мозга в раннем взрослом возрасте, когда когнитивные функции обычно сохранны», — сказал доктор Тран.

Доктор Тран отметил, что выборка в этом исследовании не репрезентативна для широкой популяции, но выводы все же применимы в более широком контексте.

«Вероятно, наши участники были немного здоровее, чем население в целом, и мы считаем, что если бы наша выборка лучше отражала общество, влияние диеты на пространственную навигацию, скорее всего, было бы еще более выраженным».

Доктор Тран является обладателем награды Australian Research Council Discovery Early Career Research Award (DECRA).

Дополнительная информация

• Какие другие когнитивные функции, кроме пространственной навигации, зависят от работы гиппокампа? - Гиппокамп критически важен для формирования долговременной памяти (особенно эпизодической), обучения через ассоциации, регуляции эмоций (связь с миндалевидным телом) и пространственного воображения.
• Как именно виртуальная реальность используется в нейробиологических исследованиях помимо изучения навигации? - VR применяют для исследования социального взаимодействия (моделирование диалогов), обработки стресса (имитация опасных ситуаций), реабилитации после инсультов (тренировка движений в виртуальной среде) и изучения восприятия времени/пространства.

---

Психическое здоровье отца может влиять на детей на протяжении многих лет

В массовой культуре отцы изображаются стойкими, чуткими и сильными. Образ счастливого отца настолько влиятелен, что знаменитости, сборники шуток и даже алкогольные напитки используют этот образ.

Реальная жизнь иная. Отцы тоже переживают упадок сил, иногда изнурительный. Как показывают новые исследования Rutgers Health, когда отцовская депрессия остается недиагностированной или без внимания, негативные социальные и поведенческие последствия для детей могут сохраняться годами.

В исследовании, опубликованном в American Journal of Preventive Medicine, Кристин Шмитц, доцент педиатрии в Медицинской школе Роберта Вуда Джонсона (RWJMS) при Университете Рутгерса, вместе с другими исследователями из RWJMS, Принстонского и Университета Райдера сообщает, что дети, столкнувшиеся с депрессией отца при поступлении в детский сад, к 9 годам значительно чаще демонстрируют поведенческие проблемы и слабые социальные навыки по оценкам учителей.

«Нам нужно учитывать депрессию у обоих родителей, а не только у матерей», — сказала Шмитц. «Депрессия поддается лечению, и чтобы поддержать всю семью, педиатры должны начать обсуждать это с отцами и разрабатывать ориентированные на них методы помощи».

В среднем от 8% до 13% отцов в США сталкиваются с той или иной формой депрессии в первые годы жизни ребенка, а распространенность увеличивается до 50%, если мать также испытывает послеродовую депрессию. Однако немногие исследования сосредоточены на отцовской депрессии за пределами послеродового периода или изучают связь между психическим здоровьем отцов и поведением детей.

Чтобы восполнить этот пробел, Шмитц и коллеги проанализировали данные исследования Future of Families and Child Wellbeing Study (FFCWS) — национальной когорты, в которой случайным образом отбирались роды в 20 крупных городах США с 1998 по 2000 год. Исследование продолжает отслеживать изменения в жизни участников.

Два момента данных FFCWS были ключевыми для оценки Шмитц: когда детям было 5 лет, их отцов проверяли на симптомы депрессии за прошедший год; а в 9 лет учителя детей заполняли опрос, включавший оценку поведения.

«Поступление в детский сад — важный этап развития, и трудности, с которыми сталкиваются в это время, могут привести к снижению вовлеченности и поведенческим проблемам в начальной школе, которые могут сохраняться или усиливаться в средней и старшей школе», — написали исследователи.

Сравнив данные 1422 отцов (74% из которых жили со своими детьми как минимум половину времени, когда ребенку было 5 лет) и их детей, а также учтя социодемографические факторы и материнскую депрессию, исследователи выявили четкую связь между депрессией отца и поведением ребенка.

Например, дети, чьи отцы сообщали о симптомах депрессии (таких как грусть, тоска или подавленность) в возрасте 5 лет, к 9 годам значительно чаще демонстрировали беспокойство, неповиновение, гнев, а также более низкий уровень сотрудничества и самооценки.

Шмитц отметила, что эту связь можно объяснить несколькими причинами. Во-первых, депрессия может затруднять воспитание детей и снижать эмоциональную поддержку. Она также может вызывать конфликты или другие стрессы в семье.

По словам Шмитц, ни одно другое популяционное исследование в США не выявило такой четкой связи между депрессией отца и поведением ребенка в школе. Результаты показывают, что меры по выявлению и поддержке отцов с симптомами депрессии и их детей могут помочь ослабить эту связь.

Хотя отцовская депрессия связана с проблемным поведением детей, есть повод для надежды. Раннее выявление и вмешательство могут улучшить не только благополучие отцов, но и детей, сказала Шмитц.

«Как родители, мы можем показать пример: когда нам трудно, мы обращаемся за помощью», — сказала она. «Это урок, который дети пронесут через всю жизнь».

Дополнительная информация

• Какие существуют эффективные методы лечения депрессии у отцов, учитывающие их специфические потребности? - Когнитивно-поведенческая терапия (КПТ), адаптированная для мужчин с акцентом на решение проблем; групповые программы для отцов, совмещающие психологическую поддержку и родительские навыки; цифровые вмешательства (например, мобильные приложения), снижающие стигму.
• Как культурные стереотипы о "сильном отце" могут препятствовать обращению мужчин за помощью при депрессии? - Нормативы "мужественности" часто ассоциируют обращение за помощью со слабостью, что приводит к замалчиванию симптомов, злоупотреблению алкоголем вместо лечения и более поздней диагностике.

---

Как мысли влияют на то, что видят глаза

Когда вы видите в магазине пакет моркови, думаете ли вы о картофеле и пастернаке или о куриных крылышках и сельдерее?

Это, конечно, зависит от того, готовите ли вы сытный зимний суп или собираетесь смотреть Супербоул.

Большинство учёных сходятся во мнении, что категоризация объектов — например, восприятие моркови как корнеплода или закуски к вечеринке — это задача префронтальной коры, области мозга, отвечающей за логическое мышление и другие высшие функции, которые делают нас разумными и социальными существами.

Согласно этой теории, глаза и зрительные области мозга действуют подобно камере наблюдения: собирают данные и обрабатывают их стандартным способом перед передачей на анализ.

Однако новое исследование под руководством биомедицинского инженера и нейробиолога Наттиды Рунгратсамитвимана, доцента Колумбийской школы инженерии, показывает, что зрительные области мозга активно участвуют в осмыслении информации.

Ключевой вывод: способ интерпретации информации зависит от того, чем занят остальной мозг.

Если сегодня Супербоул, зрительная система видит морковь на овощной тарелке ещё до того, как префронтальная кора осознаёт её существование.

Опубликованное 11 апреля в журнале Nature Communications исследование предоставляет одни из самых убедительных на сегодня доказательств того, что ранние сенсорные системы участвуют в принятии решений — и адаптируются в реальном времени. Оно также указывает на новые подходы к созданию ИИ-систем, способных адаптироваться к новым или неожиданным ситуациям.

---

Мягкий имплантат ствола мозга обеспечивает высококачественный слух

За последние несколько десятилетий многие люди восстановили слуховую функцию благодаря самому успешному на сегодня нейротехнологическому устройству — кохлеарному импланту. Однако для тех, у кого слуховой нерв поврежден настолько, что стандартный кохлеарный имплант невозможен, перспективной альтернативой является слуховой имплантат ствола мозга (auditory brainstem implant, ABI). К сожалению, современные ABI представляют собой жесткие имплантаты, которые не обеспечивают хорошего контакта с тканью. В результате врачи часто отключают большинство электродов из-за нежелательных побочных эффектов, таких как головокружение или лицевые подергивания, — что приводит к тому, что большинство пользователей ABI воспринимают лишь нечеткие звуки с низкой разборчивостью речи.

Команда из Лаборатории мягких биоэлектронных интерфейсов EPFL разработала мягкий ABI на основе тонкой пленки. Устройство использует микроскопические платиновые электроды, встроенные в силикон, образуя гибкую матрицу толщиной всего в доли миллиметра. Этот новый подход, описанный в журнале Nature Biomedical Engineering, обеспечивает лучший контакт с тканью, потенциально предотвращая активацию нерва вне целевой зоны и снижая побочные эффекты.

«Создание мягкого имплантата, который действительно соответствует анатомии ствола мозга, — это ключевой этап в восстановлении слуха для пациентов, которые не могут использовать кохлеарные импланты. Наши успешные испытания на макаках показывают реальные перспективы для внедрения этой технологии в клиническую практику и обеспечения более богатого и точного слуха», — говорит Стефани П. Лакур, руководитель Лаборатории мягких биоэлектронных интерфейсов EPFL.

Исследование «протезного слуха» с помощью сложной поведенческой задачи

Вместо того чтобы полагаться только на хирургические тесты, исследователи провели обширные поведенческие эксперименты на макаках с нормальным слухом. Это позволило им оценить, насколько хорошо животные могут различать паттерны электрической стимуляции, как при естественном акустическом слухе.

«Половина задачи — создать жизнеспособный имплантат, а другая половина — научить животное демонстрировать нам поведенчески, что оно действительно слышит», — говорит Эмили Револ, соавтор исследования и бывшая аспирантка EPFL. Она тщательно обучала животных выполнять задачу слухового различения: обезьяны учились нажимать и отпускать рычаг, чтобы указать, были ли последовательные тона «одинаковыми» или «разными».

«Затем мы постепенно вводили стимуляцию от мягкого ABI, сначала смешивая ее с обычными тонами, чтобы обезьяна могла перейти от акустического к протезному слуху, — объясняет Револ. — В конечном итоге цель заключалась в том, чтобы проверить, может ли животное обнаруживать небольшие изменения при переключении между парами электродов, когда стимулировался только мягкий ABI. Наши результаты показывают, что животное воспринимало эти импульсы почти так же, как реальные звуки».

Почему мягкая матрица?

«Наша основная идея заключалась в использовании мягких биоэлектронных интерфейсов для улучшения соответствия электродов и ткани, — объясняет Аликс Труйе, бывший постдокторант EPFL и соавтор исследования. — Если матрица естественным образом повторяет изогнутую анатомию ствола мозга, мы можем снизить пороги стимуляции и сохранить больше активных электродов для высококачественного слуха».

Обычные ABI располагаются на дорсальной поверхности улиткового ядра, которое имеет радиус 3 мм и сложную форму. Жесткие электроды оставляют воздушные зазоры, что приводит к чрезмерному распространению тока и нежелательной стимуляции нервов. В отличие от них, ультратонкий силиконовый дизайн команды EPFL легко изгибается вокруг ткани.

Помимо адаптивности, гибкость микрофабрикации мягкой матрицы позволяет настраивать ее под разную анатомию. «Свобода проектирования в микролитографии огромна, — говорит Труйе. — Мы можем представить большее количество электродов или новые конфигурации, которые еще больше улучшат частотно-специфичную настройку. Наша текущая версия содержит 11 электродов — будущие версии могут значительно увеличить это число».

Улучшенный комфорт и меньше побочных эффектов

Важным результатом исследования на макаках стало отсутствие заметных побочных эффектов. Исследователи отмечают, что в тестируемом диапазоне электрических токов у животного не наблюдалось признаков дискомфорта или лицевых подергиваний — частых жалоб у пользователей ABI. «Обезьяна сама нажимала на рычаг для запуска стимуляции снова и снова, — объясняет Револ. — Если бы протезный сигнал был неприятным, она, вероятно, остановилась бы».

Путь к клиническому применению

Хотя результаты обнадеживают, путь к коммерчески доступному мягкому ABI потребует дополнительных исследований и регуляторных шагов. «Одна из ближайших возможностей — протестировать устройство интраоперационно во время операций по установке ABI у людей», — говорит Лакур, отмечая, что клинические партнеры команды в Бостоне регулярно проводят такие процедуры для пациентов с тяжелыми повреждениями слухового нерва. «Они могли бы временно установить нашу мягкую матрицу перед стандартным имплантом, чтобы проверить, действительно ли мы снижаем активацию нерва вне целевой зоны».

Кроме того, все материалы в имплантате, предназначенном для людей, должны быть полностью медицинского класса и демонстрировать надежную долгосрочную стабильность. Тем не менее исследователи уверены в успехе благодаря строгим испытаниям, которые устройство уже прошло: «Наш имплантат оставался на месте у животного в течение нескольких месяцев без измеримого смещения электродов, — отмечает Труйе. — Это важный шаг вперед, учитывая, что стандартные ABI часто смещаются со временем».

Дополнительная информация

• Какие еще медицинские устройства используют мягкие биоэлектронные интерфейсы? - Например, кардиостимуляторы с гибкими электродами, нейропротезы для восстановления нервных связей, датчики внутричерепного давления и электронные пластыри для мониторинга состояния кожи.
• Как долго обычно служат традиционные жесткие ABI у пациентов? - Средний срок службы жестких активных костных имплантатов составляет 10-15 лет, после чего может потребоваться замена из-за износа или устаревания технологии.

---

«Космическое радио» сможет обнаружить темную материю через 15 лет

Ученые разработали детектор «космического радио», который может обнаружить темную материю в течение 15 лет.

В статье, опубликованной сегодня в журнале Nature, исследователи из Королевского колледжа Лондона, Гарвардского университета, Калифорнийского университета в Беркли и других учреждений представили основу того, что, по их мнению, станет самым точным детектором темной материи на сегодняшний день.

Темная материя — это ненаблюдаемая форма материи, которая может составлять до 85% массы Вселенной, но ученые до сих пор точно не знают, что она собой представляет.

Аксионы — одни из главных кандидатов на роль темной материи. Это крошечные, слабо взаимодействующие частицы, которые могут существовать во Вселенной и отвечать за гравитационные эффекты в космосе, которые пока не удается объяснить.

Считается, что аксионы обладают частотой, подобной волне, но ученые не знают, где именно они находятся в электромагнитном спектре — хотя предполагается, что их частота может варьироваться от килогерц (диапазон, слышимый человеком) до очень высоких терагерцовых частот.

В новом исследовании ученые объясняют, как детектор, который они называют «космическим автомобильным радио», сможет сигнализировать о обнаружении частоты аксиона.

Устройство, известное как аксионный квазичастичный резонатор (Axion quasiparticle, AQ), по мнению команды, может помочь обнаружить темную материю в течение пятнадцати лет.

AQ спроектирован так, что его частота может передаваться в космос, и эта частота будет соответствовать частоте аксиона.

Когда детектор идентифицирует и «настроится» на эту частоту, он начнет излучать очень слабые вспышки света.

AQ работает на самых высоких терагерцовых частотах, которые многие исследователи считают наиболее перспективным диапазоном для поиска аксионов.

Соавтор исследования доктор Дэвид Марш, научный сотрудник Королевского колледжа Лондона, сказал: «Теперь мы можем создать детектор темной материи, который, по сути, является космическим автомобильным радио, настраивающимся на частоты галактики, пока не найдет аксион. Технология у нас уже есть — теперь дело за масштабированием и временем».

Команда считает, что создание значительно большего образца материала AQ позволит им разработать рабочий детектор в течение пяти лет.

После этого, по их оценкам, потребуется еще около десяти лет сканирования спектра высоких частот, где, как предполагается, скрывается темная материя, прежде чем она будет обнаружена.

Для создания квазичастиц исследователи использовали теллурид марганца-висмута (MnBi₂Te₄) — материал, известный своими уникальными электронными и магнитными свойствами.

Его слой за слоем измельчили до нескольких двумерных структур.

Цзянь-Сян Цю, ведущий автор исследования из Гарвардского университета, который разрабатывал материал в течение последних шести лет в лаборатории, сказал: «Поскольку MnBi₂Te₄ очень чувствителен к воздуху, нам пришлось расслаивать его до нескольких атомных слоев, чтобы точно настроить его свойства. Благодаря этому мы смогли наблюдать интересные физические явления и увидеть, как материал взаимодействует с другими квантовыми объектами, такими как аксион».

Доктор Марш добавил: «Сейчас невероятно интересное время для исследователей темной материи. Количество публикуемых статей об аксионах сейчас такое же, как о бозоне Хиггса за год до его открытия. Теоретики предположили, что аксионы ведут себя как радиоволны, еще в 1983 году, и теперь мы знаем, что можем их «поймать» — мы приближаемся к разгадке, и очень быстро».

Дополнительная информация

• Какие другие методы обнаружения темной материи существуют помимо поиска аксионов? - Помимо аксионов, темную материю ищут с помощью детекторов WIMP (слабовзаимодействующих массивных частиц), экспериментов по прямому обнаружению (например, XENON, LUX), косвенных методов (наблюдение за аномалиями в галактических скоплениях) и исследований реликтового излучения.
• Почему теллурид марганца-висмута (MnBi₂Te₄) особенно подходит для создания квазичастиц? - MnBi₂Te₄ обладает уникальными топологическими свойствами и антиферромагнитным порядком, что позволяет управлять состояниями квазичастиц (например, майорановскими фермионами) при низких температурах, что важно для квантовых вычислений.

---

Прорыв в столетней физике: идеальное удержание волн с помощью простых цилиндров

Совместная исследовательская группа из POSTECH (Пхоханского университета науки и технологий) и Национального университета Чонбук успешно продемонстрировала полное удержание механических волн в пределах одного резонатора — то, что долгое время считалось теоретически невозможным. Их результаты, опубликованные 3 апреля в журнале Physical Review Letters, знаменуют собой крупный прорыв в столетней загадке связанных состояний в континууме (BIC).

Многие окружающие нас технологии — от смартфонов и ультразвуковых устройств до радиоприемников — используют резонанс, явление, при котором волны усиливаются на определенных частотах. Однако обычные резонаторы постепенно теряют энергию со временем, требуя постоянной подпитки для поддержания своей функции.

Почти столетие назад нобелевские лауреаты Джон фон Нейман и Юджин Вигнер предложили контринтуитивную концепцию: при определенных условиях волны могут удерживаться бесконечно без потерь энергии. Эти так называемые связанные состояния в континууме (BIC) подобны водоворотам, остающимся на месте, даже когда река течет вокруг них. Но десятилетиями ученые полагали, что это явление невозможно в компактной однокомпонентной системе.

Теперь исследовательская группа преодолела этот давний теоретический барьер, успешно реализовав BIC в одиночной частице.

Используя систему цилиндрических гранулированных частиц — небольших твердых стержней из кварца — исследователи создали высоконастраиваемую механическую платформу. Точная регулировка контакта между цилиндрами позволила контролировать взаимодействие механических волн на границах соприкосновения.

При особом расположении волновой режим полностью локализовался внутри одного цилиндра без утечки энергии в окружающую структуру. Этот так называемый поляризационно-защищенный BIC оказался не просто теоретической концепцией — он был наблюдаем в реальных экспериментах. Еще более удивительно, что система достигла добротности (Q-фактора) свыше 1000 — показателя эффективности хранения энергии резонатором при минимальных потерях.

Что происходит, когда множество таких специальных цилиндров соединяются в цепочку? Команда обнаружила, что захваченные волновые режимы могут распространяться по всей цепочке без рассеивания — явление, известное как плоская зона.

«Это как бросить камень в спокойный пруд и увидеть, что рябь остается неподвижной, вибрируя только на месте, — объясняет ведущий автор исследования доктор Ёнтэ Чан. — Хотя система допускает волновое движение, энергия не распространяется — она остается идеально локализованной». Это поведение описывается как Связанная Зона в Континууме (BBIC) и открывает новые возможности для сбора энергии, сверхчувствительных сенсоров и даже передовых систем связи.

«Мы преодолели давний теоретический барьер, — заявил руководитель исследования профессор Джунсук Ро. — Хотя это пока фундаментальное исследование, его последствия значительны — от устройств с низкими потерями энергии до технологий следующего поколения для сенсорики и передачи сигналов».

Исследование поддержано Программой для ученых средней карьеры Национального исследовательского фонда Кореи (NRF) при финансировании Министерства науки и ИКТ, а также Конвергентного исследовательского центра POSCO-POSTECH-RIST.

---

Инструмент на основе ИИ ускорит поиск перспективных сверхпроводников

Применение искусственного интеллекта сокращает время идентификации сложных квантовых фаз в материалах с нескольких месяцев до минут, показало новое исследование, опубликованное в журнале Newton. Этот прорыв может значительно ускорить исследования квантовых материалов, особенно низкоразмерных сверхпроводников.

Исследование проводилось теоретиками из Университета Эмори и экспериментаторами из Йельского университета. Среди старших авторов — Фан Лю и Яо Ван, доценты кафедры химии Эмори, а также Ю Хэ, доцент кафедры прикладной физики Йеля.

Команда применила методы машинного обучения для обнаружения четких спектральных сигналов, указывающих на фазовые переходы в квантовых материалах — системах с сильной запутанностью электронов. Эти материалы печально известны сложностью моделирования традиционными физическими методами из-за их непредсказуемых флуктуаций.

"Наш метод дает быстрый и точный снимок очень сложного фазового перехода практически без затрат", — говорит Сюй Чэнь, первый автор исследования и аспирант по химии в Эмори. "Мы надеемся, что это может радикально ускорить открытия в области сверхпроводимости".

Одной из проблем при применении машинного обучения к квантовым материалам является недостаток высококачественных экспериментальных данных, необходимых для обучения моделей. Чтобы преодолеть это, исследователи использовали высокопроизводительные симуляции для генерации больших объемов данных. Затем они объединили эти результаты моделирования с небольшим количеством экспериментальных данных, создав мощную и эффективную систему машинного обучения.

"Это похоже на обучение беспилотных автомобилей", — объясняет Лю. "Вы можете тестировать их в Атланте, но хотите, чтобы они работали надежно в Нью-Хейвене или где угодно. Вопрос в том: как сделать обучение одновременно переносимым и понятным?"

Их система позволяет моделям машинного обучения распознавать фазы в экспериментальных данных — даже по одному спектральному снимку — применяя знания, полученные из симуляций. Этот подход решает проблему ограниченности экспериментальных данных в научном машинном обучении и открывает путь к более быстрому и масштабируемому исследованию квантовых материалов и молекулярных систем.

Среди других участников исследования — Юаньцзе Сунь, бывший студент Университета Клемсона; Ойген Грушка, бывший постдок в Эмори; Вивек Диксит, бывший постдок в Клемсоне; и Цзиньмин Ян, аспирант Йеля.

Квантовые флуктуации: ангел и демон

Квантовые материалы — это особый класс материалов, в которых частицы, такие как электроны и атомы, ведут себя вопреки классической физике. Одно из их самых удивительных свойств — квантовая запутанность, когда частицы влияют друг на друга на расстоянии. Популярная аналогия — кот Шрёдингера, мысленный эксперимент, в котором кот может быть одновременно жив и мертв. В квантовых материалах электроны могут вести себя аналогично, действуя коллективно, а не индивидуально.

Эти необычные корреляции, или точнее флуктуации, придают квантовым материалам их замечательные свойства. Один из самых известных примеров — высокотемпературная сверхпроводимость в медно-оксидных соединениях (купратах), где электричество течет без сопротивления при определенных условиях.

Но хотя флуктуации часто сопровождают эти мощные свойства, они также делают многие физические характеристики чрезвычайно сложными для понимания, измерения и проектирования. Традиционные методы идентификации фазовых переходов в материалах полагаются на так называемую спектральную щель — энергию, необходимую для разрыва сверхпроводящих электронных пар. Однако в системах с сильными флуктуациями этот метод не работает.

"Вместо этого переход определяется уровнем глобальной координации между мириадами сверхпроводящих электронов, или квантовой 'фазой'", — говорит Хэ, недавно опубликовавший отдельное исследование, раскрывающее удивительно широкий масштаб этого эффекта.

"Это как переехать в другую страну, где все говорят на другом языке — нельзя полагаться на то, что работало раньше", — добавляет Ван.

Это означает, что ученые не могут легко определить температуру перехода — точку, в которой включается сверхпроводимость, — просто глядя на спектральную щель. Поиск лучших способов характеризовать эти переходы имеет решающее значение для эффективного открытия новых квантовых материалов и их проектирования для практического применения.

Высокотемпературная сверхпроводимость

Сверхпроводимость — способность некоторых материалов проводить электричество без потерь энергии — одно из самых удивительных явлений в квантовой физике. Она была открыта в 1911 году, когда ученые обнаружили, что ртуть полностью теряет электрическое сопротивление при 4 Кельвинах (-452°F), температуре холоднее, чем где-либо в нашей Солнечной системе.

Только в 1957 году ученые смогли полностью объяснить, как работает сверхпроводимость. При обычных температурах электроны в материале движутся независимо и часто сталкиваются с атомами, теряя энергию. Но при очень низких температурах электроны могут объединяться и образовывать новое состояние материи. В этом спаренном состоянии они движутся в идеальной синхронизации, как хорошо поставленный танец, позволяя электричеству течь без сопротивления.

Крупный прорыв произошел в 1986 году с открытием купратных сверхпроводников. Эти материалы могут проявлять сверхпроводимость при температурах до 130 Кельвинов (-211°F), что, хотя и холодно, достаточно для достижения с помощью недорогого жидкого азота. Это сделало практическое применение сверхпроводимости гораздо более реалистичным.

Однако купраты относятся к классу квантовых материалов, где поведение электронов определяется запутанностью и сильными квантовыми флуктуациями. Эти фазовые состояния сложны и трудно предсказуемы с помощью традиционных теорий, что делает их одновременно захватывающими и сложными для изучения.

Сегодня ученые по всему миру соревнуются в раскрытии полного потенциала сверхпроводников. Конечная цель — создать материалы, способные к сверхпроводимости при комнатной температуре. В случае успеха это может революционизировать все — от энергосетей до вычислений, позволяя электричеству течь с идеальной эффективностью, без тепловых потерь.

Новый подход

Исследователи хотели использовать модель машинного обучения для преодоления этого препятствия.

Однако модели машинного обучения требуют обучения на больших объемах размеченных данных, чтобы научиться эффективно отличать конкретный признак от окружающего шума. Проблема, конечно, в малом объеме экспериментальных данных о фазовых переходах в коррелированных материалах.

Исследователи применили подход доменно-состязательной нейронной сети (DANN), метод обучения распознаванию изображений, аналогичный используемому в технологиях для беспилотных автомобилей. Вместо загрузки миллионов изображений кошек в модель машинного обучения практичнее идентифицировать и извлекать ключевые признаки кошек. Например, простые симулированные 3D-изображения, показывающие основные черты кошки, могут быть сфотографированы с разных ракурсов для создания синтетических данных, необходимых для обучения модели распознавать реальную кошку.

"Точно так же, моделируя данные для ключевых признаков термодинамического фазового перехода, мы можем обучить модель машинного обучения распознавать его", — говорит Чэнь. "И это открывает большое пространство для исследований, которое мы можем изучить гораз

Дополнительная информация

• Какие практические применения могут иметь сверхпроводники при комнатной температуре? - Сверхпроводники при комнатной температуре могут революционизировать энергетику (потеря энергии в сетях снизится до нуля), транспорт (магнитные поезда на сверхпроводниках), медицину (более мощные и компактные МРТ-аппараты) и электронику (сверхбыстрые и энергоэффективные процессоры).

• Почему жидкий азот считается недорогим решением для охлаждения сверхпроводников? - Жидкий азот дешев (около $0.15 за литр), химически инертен, нетоксичен и легко производится из атмосферного воздуха (составляет 78% атмосферы), что делает его экономически выгодным хладагентом по сравнению с жидким гелием.

---

Изогнутые нейтронные пучки могут принести прямую пользу промышленности

Впервые в истории физики команда ученых, включая специалистов из Национального института стандартов и технологий (NIST), разработала метод создания изогнутых пучков нейтронов. Эти так называемые пучки Эйри (названные в честь английского ученого Джорджа Эйри), созданные с помощью специального устройства, могут расширить возможности нейтронов по раскрытию полезной информации о материалах — от фармацевтических препаратов до парфюмерии и пестицидов. Отчасти это связано с их способностью огибать препятствия.

Статья с описанием открытия опубликована в сегодняшнем номере журнала Physical Review Letters. Исследовательскую группу возглавил Душан Саренац из Университета Буффало, а соавторы из Института квантовых вычислений (IQC) Университета Ватерлоо в Канаде создали специальное устройство для генерации пучков Эйри. В команду также вошли ученые из Университета Мэриленда, Национальной лаборатории Ок-Ридж, Института Пауля Шеррера (Швейцария) и Юлихского центра нейтронных наук им. Гейнца Майера-Лейбница (Германия).

Помимо движения по параболическим траекториям, пучки Эйри демонстрируют и другие неинтуитивные свойства. В отличие от обычного луча фонарика, они не рассеиваются при распространении. Они также обладают способностью к "самовосстановлению" — если часть пучка блокируется препятствием, оставшаяся часть восстанавливает исходную форму после его прохождения.

Хотя другие научные группы уже создавали пучки Эйри из фотонов или электронов, формирование таких пучков из нейтронов представляет большую сложность. Линзы не могут их преломлять, а отсутствие заряда делает нейтроны нечувствительными к электрическим полям. Команде потребовался принципиально новый подход.

Исследователи разработали специальную дифракционную решетку — квадратный кремниевый элемент размером с ластик карандаша с нанесенными микроскопическими линиями. Эти линии, образующие более 6 миллионов квадратов размером в один микрометр, расположенных на точно выверенных расстояниях, способны преобразовывать обычный нейтронный пучок в пучок Эйри.

Хотя идея нанесения линий на кремний кажется простой, определение точной конфигурации этих линий для создания пучка Эйри оказалось крайне сложной задачей.

"Нам потребовались годы работы, чтобы определить правильные параметры решетки", — сказал соавтор исследования Дмитрий Пушин, сотрудник IQC и профессор Университета Ватерлоо. "Сам процесс гравировки решетки в нанотехнологическом центре Университета Ватерлоо занял около 48 часов, но предшествующая подготовка заняла годы работы постдока".

По словам Хубера, нейтронные пучки Эйри могут улучшить качество изображений в нейтронной томографии. Они позволят повысить разрешение сканирования или создавать различные фокальные точки для детального изучения отдельных участков объектов, усовершенствовав такие распространенные методы, как нейтронное рассеяние и нейтронная дифракция.

Одна из наиболее перспективных возможностей, по мнению Хубера, — комбинация нейтронного пучка Эйри с другим типом нейтронных пучков.

"Мы считаем, что комбинирование нейтронных пучков расширит область применения пучков Эйри", — сказал Саренац. "Если кому-то потребуются пучки Эйри, адаптированные для конкретных физических или материаловедческих задач, они смогут модифицировать наши методы и получить их".

Например, ученые могут объединить нейтронный пучок Эйри с винтовой нейтронной волной, создание которой команда освоила десять лет назад. Наложение двух пучков позволит исследовать хиральность материала — характеристику, часто описываемую как "киральность", когда молекула существует в двух зеркальных формах с радикально различающимися свойствами.

Усовершенствованные методы изучения хиральности могут ускорить разработку хиральных молекул с заданными свойствами и функциями, что потенциально революционизирует фармацевтику, материаловедение и химическое производство. Например, мировой рынок хиральных лекарств превышает 200 миллиардов долларов в год, а технологии хирального катализа лежат в основе производства многих химических продуктов.

Хиральность также приобретает все большее значение для квантовых вычислений и передовых электронных технологий, таких как спинтроника.

"Хиральность материала может влиять на спины электронов, а спиново-поляризованные электроны можно использовать для хранения и обработки информации", — пояснил Хубер. "Контроль над этим процессом также может помочь нам манипулировать кубитами — строительными блоками квантовых компьютеров. Нейтронные пучки Эйри позволят гораздо эффективнее исследовать материалы с такими свойствами".

Дополнительная информация

• Какие практические преимущества дает способность пучков Эйри огибать препятствия по сравнению с обычными нейтронными пучками? - Пучки Эйри могут огибать препятствия и самовосстанавливаться, что полезно в микроскопии для получения четких изображений сквозь рассеивающие среды и в оптических пинцетах для манипуляции частицами за непрозрачными объектами.

• Как именно хиральность молекул влияет на эффективность лекарственных препаратов? - Разные хиральные формы (энантиомеры) могут по-разному взаимодействовать с биологическими мишенями: один энантиомер может быть терапевтически активным, а другой - бесполезным или даже токсичным, как в случае талидомида.

---

Из-за глобального потепления в праздничные рейсы могут брать меньше пассажиров

Рост температур вследствие изменения климата может вынудить самолёты в европейских аэропортах сокращать количество пассажиров в ближайшие десятилетия.

Учёные из Университета Рединга изучили, как горячий воздух влияет на характеристики самолётов при взлёте на 30 площадках по всей Европе.

При нагревании воздух становится менее плотным, что затрудняет создание подъёмной силы — силы, позволяющей самолётам летать.

Исследование, опубликованное в журнале Aerospace, сосредоточено на Airbus A320 — распространённом самолёте для средних и ближнемагистральных рейсов в Европе.

К 2060-м годам некоторым аэропортам с короткими взлётно-посадочными полосами (ВПП) в летние месяцы, возможно, придётся уменьшать максимальный взлётный вес на эквивалент примерно 10 пассажиров за рейс.

Доктор Джонни Уильямс, ведущий автор исследования из Университета Рединга, заявил: "Потепление климата влияет на людей и бизнес по всему миру, и мы теперь показываем, как это может увеличить стоимость вашего летнего отпуска. Перелёты в Испанию, Италию или Грецию могут подорожать, поскольку самолёты будут брать меньше пассажиров из-за изменения климата".

"Жаркие летние дни, когда небольшим аэропортам приходится снижать вес, станут более частыми. Наше исследование показывает, что условия, которые раньше случались примерно 1 день за лето, к 2060-м годам могут возникать 3-4 дня в неделю".

"Авиацию иногда выделяют как значительный источник парниковых газов, вызывающих потепление планеты. Наше исследование предоставляет ещё одно доказательство, что сама авиация не защищена от последствий изменения климата".

Средиземноморские проблемы

Среди изученных аэропортов четыре популярных туристических направления пострадают сильнее всего:

• Хиос, Греция
• Пантеллерия, Италия
• Рим-Чампино, Италия
• Сан-Себастьян, Испания

Эти аэропорты имеют короткие ВПП, что не позволяет авиакомпаниям эксплуатировать самолёты с максимальным весом, установленным производителем.

Будущее увеличение частоты волн тепла только усугубит ситуацию, вынуждая операторов ещё больше снижать вес самолётов и сокращать прибыль.

Хотя крупные аэропорты вроде лондонских Хитроу и Гатвик имеют достаточно длинные ВПП для обработки A320 даже в экстремальную жару, они могут столкнуться с проблемами при использовании более крупных самолётов, таких как Airbus A380, которым требуется больше места для взлёта.

Проблема может затронуть аэропорты не только через сокращение числа пассажиров. Авиакомпаниям, возможно, придётся переносить рейсы на более прохладное время суток, а потребности в обслуживании ВПП могут возрасти, поскольку покрытие быстрее разрушается в условиях экстремальной жары. Исследователи отмечают, что следование более устойчивому климатическому пути стабилизировало бы эти эффекты, тогда как продолжение высоких выбросов значительно усугубит проблему. Будущие исследования изучат, как другие факторы, такие как влажность и изменение ветровых режимов, могут дополнительно повлиять на характеристики взлёта.

---

Умная стелька может отслеживать вашу ходьбу, бег и положение стоя

Новая система умных стелек, которая в реальном времени отслеживает походку человека, может помочь пользователям улучшить осанку и обеспечить раннее предупреждение о состояниях от подошвенного фасциита до болезни Паркинсона.

Система, созданная с использованием 22 небольших датчиков давления и работающая от небольших солнечных панелей на верхней части обуви, предлагает мониторинг здоровья в реальном времени на основе того, как человек ходит — биомеханического процесса, столь же уникального, как отпечаток пальца.

Эти сложные персональные данные о здоровье затем могут передаваться через Bluetooth на смартфон для быстрого и детального анализа, сказала Цзинхуа Ли, соавтор исследования и доцент кафедры материаловедения и инженерии в Университете штата Огайо.

«Наши тела несут массу полезной информации, о которой мы даже не подозреваем», — сказала Ли. «Эти состояния также меняются со временем, поэтому наша цель — использовать электронику для извлечения и расшифровки этих сигналов, чтобы способствовать лучшему самоконтролю здоровья».

По оценкам, по крайней мере 7% американцев страдают от трудностей при передвижении, включая ходьбу, бег или подъем по лестнице. Хотя в последние годы популярность попыток создания носимой системы на основе стелек с датчиками давления возросла, многие предыдущие прототипы сталкивались с ограничениями по энергии и нестабильной работой.

Чтобы преодолеть проблемы предшественников, Ли и Ци Ван, ведущий автор исследования и нынешний аспирант в области материаловедения и инженерии в Университете штата Огайо, стремились обеспечить, чтобы их устройство было долговечным, обладало высокой точностью при сборе и анализе данных и могло обеспечивать стабильное и надежное питание, сказала Ли.

«Наше устройство инновационно с точки зрения высокого разрешения, пространственного зондирования, способности к самопитанию и возможности сочетания с алгоритмами машинного обучения», — сказала она. «Поэтому мы считаем, что это исследование может продвинуться дальше на основе пионерских успехов в этой области».

Исследование было недавно опубликовано в журнале Science Advances.

Система этой команды также уникальна благодаря использованию искусственного интеллекта. Используя продвинутую модель машинного обучения, устройство может распознавать восемь различных состояний движения, включая статические, такие как сидение и стояние, и более динамичные, такие как бег и приседания.

Кроме того, поскольку материалы, из которых сделаны стельки, гибкие и безопасные, устройство, как и умные часы, имеет низкий риск и безопасно для постоянного использования. Например, после того как солнечные элементы преобразуют солнечный свет в энергию, эта энергия хранится в крошечных литиевых батареях, которые не вредят пользователю и не влияют на повседневную деятельность.

Благодаря расположению датчиков от носка до пятки исследователи могли видеть, как давление на части стопы различается при таких действиях, как ходьба и бег.

При ходьбе давление прикладывается последовательно от пятки к носку, тогда как при беге почти все датчики подвергаются давлению одновременно. Кроме того, при ходьбе время приложения давления составляет около половины общего времени, а при беге — только около четверти.

В здравоохранении умные стельки могут поддерживать анализ походки для выявления ранних аномалий, связанных с состояниями, вызванными давлением на стопу (такими как диабетические язвы стопы), заболеваниями опорно-двигательного аппарата (такими как подошвенный фасциит) и неврологическими состояниями (такими как болезнь Паркинсона).

Новая система также использовала машинное обучение для изучения и классификации различных типов движения. Это открывает возможности для персонализированного управления здоровьем, включая коррекцию осанки в реальном времени, предотвращение травм и мониторинг реабилитации. Персонализированные фитнес-тренировки также могут стать будущим применением, сказали исследователи.

Согласно исследованию, эти умные стельки не показали заметного ухудшения производительности после 180 000 циклов сжатия и разжатия, демонстрируя их долговечность.

«Интерфейс гибкий и довольно тонкий, поэтому даже при повторяющейся деформации он может оставаться функциональным», — сказала Ли. «Сочетание программного и аппаратного обеспечения означает, что он не так ограничен».

Исследователи ожидают, что технология, вероятно, станет доступна коммерчески в течение следующих трех-пяти лет. Следующие шаги по продвижению работы будут направлены на улучшение способностей системы распознавать жесты, что, по словам Ли, вероятно, будет достигнуто с помощью дальнейшего тестирования на более разнообразных группах населения.

«У нас так много вариаций среди индивидуумов, поэтому демонстрация и обучение этим замечательным возможностям на разных группах населения — это то, чему нам нужно уделить больше внимания», — сказала Ли.

Среди других соавторов — Хуэй Гуань, Чэнь Ван, Пэймин Лэй, Хунвэй Шэн, Хуашэн Би, Цзинькунь Ху, Чэньхуэй Го, Ичуань Мао, Цзяо Юань, Минцзяо Шао, Чживэнь Цзинь и Вэй Лань из Ланьчжоуского университета в Китае.

Дополнительная информация

• Как именно машинное обучение помогает классифицировать различные типы движений в этих стельках? - Машинное обучение анализирует данные с датчиков давления в стельках, выделяя паттерны движений (ходьба, бег, стояние) с помощью алгоритмов, таких как нейронные сети или метод опорных векторов.
• Какие конкретно параметры давления на стопу могут указывать на ранние стадии болезни Паркинсона? - Асимметрия давления между левой и правой стопой, нестабильность распределения веса при ходьбе и снижение силы нажатия в определенных зонах (например, пятка или носок) могут быть ранними маркерами.

---

Марсоход Curiosity обнаружил крупные залежи углерода на Марсе

Исследования марсохода NASA Curiosity обнаружили свидетельства углеродного цикла на древнем Марсе, приближая ученых к ответу на вопрос, могла ли Красная планета когда-либо поддерживать жизнь.

Ведущий автор исследования доктор Бен Тутуоло, доцент кафедры наук о Земле, энергетике и окружающей среде факультета естественных наук Университета Калгари, является участником научной группы марсохода Curiosity в рамках миссии NASA Mars Science Laboratory.

Команда работает над пониманием климатических изменений и условий обитаемости на древнем Марсе, пока Curiosity исследует кратер Гейла.

Статья, опубликованная на этой неделе в журнале Science, показывает, что данные с трех буровых площадок Curiosity выявили наличие сидерита (карбоната железа) в богатых сульфатами слоях горы Шарп в кратере Гейла.

"Обнаружение крупных углеродных отложений в кратере Гейла представляет собой как удивительное, так и важное открытие для нашего понимания геологической и атмосферной эволюции Марса", — говорит Тутуоло.

По его словам, достижение этих слоев было долгосрочной целью миссии Mars Science Laboratory.

"Обилие высокорастворимых солей в этих породах и аналогичных отложениях, обнаруженных на большей части Марса, использовалось как доказательство "великого высыхания" Марса во время его резкого перехода из теплого и влажного состояния в нынешнее холодное и сухое", — поясняет Тутуоло. Хотя образование осадочных карбонатов в богатой CO₂ древней марсианской атмосфере давно предполагалось, до сих пор их идентификация была редкой.

Марсоход Curiosity NASA совершил посадку на Марс 5 августа 2012 года и преодолел более 34 километров по поверхности планеты.

Обнаружение карбонатов свидетельствует о том, что атмосфера содержала достаточное количество углекислого газа для поддержания жидкой воды на поверхности планеты.

По мере истончения атмосферы CO₂ превращался в горную породу.

NASA заявляет, что будущие миссии и анализ других богатых сульфатами районов Марса могут подтвердить эти находки и помочь лучше понять раннюю историю планеты и ее трансформацию по мере потери атмосферы.

Тутуоло отмечает, что ученые в конечном итоге пытаются определить, мог ли Марс когда-либо поддерживать жизнь, и новое исследование приближает их к ответу.

"Это говорит нам, что планета была пригодна для жизни и что модели обитаемости верны", — говорит он.

"Более широкие последствия заключаются в том, что планета оставалась пригодной для жизни до этого момента, но затем, когда CO₂, который согревал планету, начал осаждаться в виде сидерита, это, вероятно, повлияло на способность Марса сохранять тепло.

"Теперь вопрос в том, какая часть этого атмосферного CO₂ действительно была связана? Могло ли это стать причиной потери обитаемости?"

Последние исследования, по его словам, согласуются с его текущей работой на Земле — попытками превратить антропогенный CO₂ в карбонаты как решение проблемы изменения климата.

"Изучение механизмов образования этих минералов на Марсе помогает нам лучше понять, как это можно сделать здесь", — говорит он.

"Изучение коллапса теплых и влажных условий раннего Марса также показывает нам, что обитаемость — очень хрупкая вещь".

Тутуоло подчеркивает, что небольшие изменения в содержании атмосферного CO₂ могут привести к огромным изменениям в способности планеты поддерживать жизнь.

"Самое удивительное в Земле то, что она обитаема и оставалась таковой по крайней мере четыре миллиарда лет", — добавляет он. "С Марсом произошло то, чего не случилось с Землей".

Дополнительная информация

• Какие конкретные условия необходимы для образования сидерита (карбоната железа) на планетах? - Сидерит образуется в условиях низкого содержания кислорода (восстановительная среда), при наличии растворённого железа (Fe²⁺) и углекислого газа (CO₂) в воде, а также при умеренных температурах (обычно ниже 100°C) и давлении. На Земле он часто встречается в осадочных породах древних болот и озёр.

• Как современные технологии преобразования CO₂ в карбонаты на Земле могут использовать марсианские геологические данные? - Изучение марсианских карбонатных отложений (например, в кратере Гейл) помогает понять естественные механизмы минерализации CO₂. Эти данные могут оптимизировать земные технологии, такие как ускоренное карбонирование, где CO₂ связывается с минералами (например, оливином) с образованием стабильных карбонатов.

---

Почему некоторые метеорные потоки так непредсказуемы?

Почему кометы и их метеорные потоки то пересекают орбиту Земли, то удаляются от нее, а их орбиты со временем рассеиваются? В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Icarus, два исследователя из SETI Institute показали, что это происходит не из-за случайного гравитационного воздействия планет, а из-за "толчка", который они получают от движущегося Солнца.

"Вопреки распространенному мнению, не все в Солнечной системе вращается вокруг Солнца", — говорит ведущий автор исследования, ученый SETI Institute Стюарт Пилорз. "Солнце и планеты вращаются вокруг общего центра масс, известного ученым как барицентр Солнечной системы".

Барицентр Солнечной системы — это та самая точка, где, образно говоря, греческий бог Атлас мог бы держать палец, чтобы уравновесить массы Солнца и планет. Все планеты вращаются вокруг этого барицентра, как и само Солнце.

"Обычно при построении численных моделей мы для удобства помещаем Солнце в центр, поскольку это самое массивное тело в Солнечной системе, что упрощает релятивистские уравнения", — поясняет Пилорз.

Команда обнаружила, что такой подход может быть не лучшим способом понять физические процессы, лежащие в основе орбитальной эволюции долгопериодических комет. Эти кометы движутся по орбитам, на полный оборот вокруг Солнца у которых уходит более 200 лет.

"Долгопериодические кометы большую часть своей жизни находятся так далеко от Солнечной системы, что ощущают притяжение барицентра", — говорит Пилорз. "Но каждые несколько сотен лет они устремляются внутрь орбиты Юпитера и попадают под влияние Солнца".

Вблизи Солнца кометы выбрасывают частицы, называемые "метеороидами". Эти метеороиды следуют за кометой, но некоторые движутся по более короткой орбите и возвращаются раньше, другие позже, образуя метеорный поток. Когда эти потоки только формируются, они чрезвычайно тонкие, и вероятность их столкновения с Землей мала.

"Еще в 1995 году наша область исследований находилась в зачаточном состоянии, и многие считали, что предсказать, когда эти потоки вызовут метеорный дождь на Земле, так же сложно, как предсказать погоду", — говорит соавтор исследования, метеорный астроном Питер Дженнискенс из SETI Institute и NASA Ames Research Center.

Дженнискенс заметил, что потоки то пересекают орбиту Земли, то удаляются от нее, следуя за колебаниями Солнца вокруг барицентра Солнечной системы. Он предсказал, что метеорный дождь повторится, когда Юпитер и Сатурн снова окажутся в определенных точках своих орбит.

"Мы отправились в Испанию, чтобы зафиксировать один из таких потоков, и увидели то, что в прошлом описывали как 'звезды падают в полночь'", — вспоминает Дженнискенс. "Весь дождь длился всего 40 минут, но в пике мы наблюдали яркий метеор каждую минуту".

Это предсказание было основано на том, что колебания Солнца в основном отражают движение двух самых массивных планет — Юпитера и Сатурна — по их орбитам. Колебания небольшие, едва выходящие за пределы самого Солнца, но достаточные, чтобы изменить положение Солнца и его скорость с периодами в 12 лет (орбита Юпитера) и 30 лет (орбита Сатурна), создавая примерно 60-летний цикл.

"Ранее мы смогли показать в компьютерных моделях, что эти потоки действительно пересекают орбиту Земли и следуют за колебаниями Солнца", — говорит Дженнискенс, — "но мы не понимали почему".

В этом новом исследовании Дженнискенс объединился с Пилорзом, чтобы изучить, как метеорные потоки долгопериодических комет рассеиваются со временем, и понять, как лучше использовать этот "след крошек" для поиска их родительских комет.

"Главный результат этого исследования, — говорит Пилорз, — заключается в том, что если учитывать движение Солнца вокруг барицентра, становится ясно: основная причина рассеивания комет и метеороидов — это гравитационный "толчок" или "торможение" от движущегося Солнца, когда они проходят близко к нему — точно так же, как мы используем гравитационные маневры у планет для ускорения или замедления космических аппаратов".

Явление гравитационного "толчка" или "торможения" часто сравнивают с отскоком теннисного мяча от передней или задней части движущегося поезда.

"Но поезд должен двигаться, чтобы это работало, — отмечает Пилорз. — В нашем случае, если считать Солнце неподвижным в центре, мы не увидим, что это происходит".

Исследователи заметили, что внутри орбиты Юпитера метеороиды переходят от движения вокруг барицентра к движению вокруг центра Солнца.

"Мы обнаружили, что два скачка в плоскости движения — когда Солнце берет контроль при приближении кометы, а затем снова передает его барицентру при удалении кометы — немного изменяют наклон и узел орбиты, — объясняет Пилорз. — Опять же, если считать Солнце неподвижным в центре, причина этого изменения неочевидна".

Метеороиды в разных частях потока встречаются с Солнцем в разное время, поэтому получают разные "толчки", и поток начинает изгибаться и рассеиваться. Случайность в основном обусловлена положением и скоростью Солнца на его орбите вокруг барицентра в момент встречи с каждым метеороидом.

"Здесь точка зрения может быть важна, — добавляет Пилорз. — Мы привыкли думать, что движение кометы случайным образом меняется из-за сложных возмущений от планет. Это не ошибка, но если вспомнить, что Солнце тоже вращается вокруг барицентра, объяснение становится намного проще".

Справедливости ради, планеты определяют движение Солнца в той же мере, в какой оно определяет их движение. Однако, чтобы понять, как быстро рассеиваются потоки долгопериодических комет, детали этого "танца" не нужны.

"Все равно необходимо учитывать силы планет, которые создают систематический момент, вызывающий прецессию, — говорит Пилорз. — Это происходит в основном, когда метеороиды находятся между орбитами Юпитера и Сатурна".

На основе измерений рассеивания потоков команда рассчитала возраст более 200 метеорных потоков долгопериодических комет. Эти данные опубликованы в недавней книге Дженнискенса "Атлас метеорных потоков Земли", которая стала финалистом премии PROSE Book Award 2025 года Ассоциации американских издателей.

Дополнительная информация

• Как барицентр Солнечной системы меняет свое положение со временем? - Барицентр Солнечной системы (центр масс) постоянно смещается из-за гравитационного влияния планет, особенно Юпитера и Сатурна, а также других крупных объектов. Он может находиться как внутри, так и за пределами поверхности Солнца, в зависимости от взаимного расположения планет.

• Какие еще космические объекты, кроме комет, испытывают значительное влияние барицентра Солнечной системы? - Орбиты астероидов, особенно транснептуновых объектов (ТНО), таких как Плутон и другие тела пояса Койпера, также подвержены влиянию барицентра из-за гравитационных возмущений.

• Как часто происходят значительные изменения в орбитах долгопериодических комет из-за гравитационных "толчков"? - Значительные изменения орбит долгопериодических комет происходят относительно редко, обычно при тесных сближениях с крупными планетами (например, Юпитером) или при прохождении через облако Оорта. Такие события могут происходить раз в сотни или тысячи лет для конкретной кометы.

---

Самые убедительные намеки на биологическую активность за пределами Солнечной системы

Астрономы обнаружили наиболее перспективные на сегодняшний день признаки возможных биомаркеров за пределами Солнечной системы, хотя и сохраняют осторожность.

Используя данные космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), исследователи из Кембриджского университета зафиксировали химические следы диметилсульфида (DMS) и/или диметилдисульфида (DMDS) в атмосфере экзопланеты K2-18b, которая обращается вокруг своей звезды в зоне обитаемости.

На Земле DMS и DMDS производятся исключительно живыми организмами, в основном микробной жизнью, такой как морской фитопланктон.

Хотя источником этих молекул в атмосфере K2-18b может быть неизвестный химический процесс, полученные результаты являются самым убедительным на сегодня свидетельством возможного существования жизни за пределами Солнечной системы.

Наблюдения достигли уровня статистической значимости «три сигма» — это означает, что вероятность случайного обнаружения составляет 0,3%.

Для признания научного открытия наблюдения должны преодолеть порог в «пять сигма», что соответствует вероятности случайного результата менее 0,00006%.

Исследователи считают, что дополнительные наблюдения с JWST продолжительностью от 16 до 24 часов могут помочь достичь решающего уровня значимости в пять сигма.

Результаты исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Предыдущие наблюдения K2-18b — которая в 8,6 раз массивнее и в 2,6 раза больше Земли и находится на расстоянии 124 световых лет в созвездии Льва — выявили в ее атмосфере метан и диоксид углерода.

Это стало первым случаем обнаружения углеродных молекул в атмосфере экзопланеты в зоне обитаемости.

Эти результаты соответствовали прогнозам для так называемой «Гикеановой» планеты: обитаемого океанического мира под богатой водородом атмосферой.

Однако другой, более слабый сигнал указывал на возможность иных процессов на K2-18b.

«Мы не были уверены, что сигнал, обнаруженный ранее, действительно принадлежит DMS, но даже намек на это был достаточно вдохновляющим, чтобы провести повторные наблюдения с JWST, используя другой инструмент», — сказал профессор Никку Мадхусудхан из Института астрономии Кембриджа, руководивший исследованием.

Для определения химического состава атмосфер далеких планет астрономы анализируют свет родительской звезды, когда планета проходит перед ней (транзит), если наблюдать с Земли.

Во время транзита K2-18b JWST фиксирует снижение яркости звезды, при этом небольшая часть звездного света проходит через атмосферу планеты, прежде чем достичь Земли.

Поглощение части света в атмосфере планеты оставляет отпечатки в спектре звезды, которые астрономы могут расшифровать, чтобы определить состав газов в атмосфере экзопланеты.

Предыдущее предположение о наличии DMS было сделано с использованием инструментов JWST NIRISS (Бещелевой спектрограф ближнего инфракрасного диапазона) и NIRSpec (Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона), которые вместе охватывают ближний инфракрасный диапазон (0,8–5 микрон).

Новые независимые наблюдения проводились с помощью инструмента MIRI (Прибор среднего инфракрасного диапазона) JWST в среднем инфракрасном диапазоне (6–12 микрон).

«Это независимая линия доказательств, использующая другой инструмент и другой диапазон длин волн, не пересекающийся с предыдущими наблюдениями», — пояснил Мадхусудхан.

«Сигнал был четким и ясным».

«Осознание того, что результаты остаются стабильными после множества независимых анализов и проверок, было потрясающим», — добавил соавтор исследования Монс Хольмберг из Научного института космического телескопа в Балтиморе (США).

DMS и DMDS относятся к одному химическому семейству, и оба считаются потенциальными биомаркерами.

Оба соединения имеют перекрывающиеся спектральные характеристики в наблюдаемом диапазоне, хотя дальнейшие наблюдения помогут их различить.

Однако концентрации DMS и DMDS в атмосфере K2-18b значительно отличаются от земных, где они обычно составляют менее одной части на миллиард по объему.

На K2-18b их концентрация, по оценкам, в тысячи раз выше — более десяти частей на миллион.

«Предыдущие теоретические работы предсказывали возможность высокого содержания серосодержащих газов, таких как DMS и DMDS, на Гикеановых планетах», — сказал Мадхусудхан.

«И теперь мы наблюдаем это в соответствии с прогнозами. Учитывая все, что мы знаем об этой планете, сценарий Гикеанового мира с океаном, кишащим жизнью, лучше всего соответствует имеющимся данным».

Мадхусудхан подчеркивает, что, несмотря на впечатляющие результаты, крайне важно получить больше данных, прежде чем заявлять об обнаружении жизни на другой планете.

Он отмечает, что, хотя он осторожно оптимистичен, на K2-18b могут происходить ранее неизвестные химические процессы, объясняющие наблюдения.

Вместе с коллегами он планирует провести дополнительные теоретические и экспериментальные исследования, чтобы выяснить, могут ли DMS и DMDS образовываться абиогенным путем в наблюдаемых концентрациях.

«Обнаружение этих биомаркеров ставит серьезные вопросы о процессах, которые могут их производить», — сказал соавтор исследования Субхаджит Саркар из Кардиффского университета.

«Наша работа — отправная точка для всех последующих исследований, необходимых для подтверждения и понимания значения этих удивительных открытий», — добавил соавтор Саввас Константину из Института астрономии Кембриджа.

«Крайне важно сохранять глубокий скептицизм по отношению к собственным результатам, потому что только многократные проверки позволят прийти к уверенности в них», — сказал Мадхусудхан.

«Так работает наука».

Хотя он пока не заявляет о бесспорном открытии, Мадхусудхан отмечает, что с такими мощными инструментами, как JWST, и будущими телескопами человечество делает новые шаги к ответу на фундаментальный вопрос: одиноки ли мы во Вселенной?

«Спустя десятилетия мы, возможно, оглянемся назад и поймем, что именно в этот момент живая Вселенная оказалась в пределах нашей досягаемости», — сказал Мадхусудхан.

«Это может быть переломный момент, когда вопрос о том, одни ли мы во Вселенной, станет вопросом, на который мы сможем ответить».

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» — совместный проект NASA, Европейского космического агентства (ESA) и Канадского космического агентства (CSA). Исследование поддержано грантом UK Research and Innovation (UKRI) Frontier Research Grant.

Дополнительная информация

• Какие ещё молекулы, кроме DMS и DMDS, считаются потенциальными биомаркерами в астрономии? - Кислород (O₂), озон (O₃), метан (CH₄), закись азота (N₂O), хлорметан (CH₃Cl) и фосфин (PH₃) рассматриваются как возможные биомаркеры, так как их наличие может указывать на биологическую активность.
• Что такое «Гикеанова» планета и чем она отличается от других типов экзопланет? - Гикеановы планеты — это класс экзопланет с богатой водородом атмосферой и значительным количеством воды, но меньших, чем мини-нептуны. Они потенциально пригодны для жизни из-за возможного наличия жидкой воды под атмосферой.
• Какие ещё инструменты, кроме JWST, используются для поиска биомаркеров на экзопланетах? - К ним относятся космический телескоп "Хаббл" (HST), будущая обсерватория "Ариэль" (Ariel), наземные телескопы ELT (Extremely Large Telescope) и спектрографы типа ESPRESSO на VLT.

---

Забота сейчас – успех потом: Долгосрочное влияние материнской любви

Исследование, опубликованное Американской психологической ассоциацией, показывает, что проявление материнской любви в детстве может оказывать долгосрочное влияние на ключевые черты личности, потенциально определяя жизненные результаты – от академических достижений и экономического успеха до здоровья и благополучия. Результаты свидетельствуют, что позитивное материнское воспитание способствует развитию таких важных качеств, как открытость опыту, добросовестность и доброжелательность.

«Черты личности – мощные предикторы жизненных результатов: от академических и карьерных успехов до здоровья и благополучия», – отмечает ведущий автор исследования Джасмин Вертц, PhD, профессор психологии Эдинбургского университета. «Наши данные позволяют предположить, что создание благоприятной воспитательной среды в раннем детстве может оказывать небольшое, но значимое и долгосрочное влияние на формирование этих ключевых качеств».

Вертц и её коллеги изучили, как материнская любовь в возрасте 5–10 лет связана с проявлением «Большой пятёрки» личностных черт к 18 годам. Эта модель, признанная психологами, включает пять основных измерений личности: экстраверсию, доброжелательность, открытость опыту, добросовестность и нейротизм (эмоциональную стабильность).

Исследование опубликовано в журнале American Psychologist.

Учёные проанализировали данные 2232 британских близнецов (51,1% – девочки), наблюдение за которыми велось с рождения до 18 лет в рамках Environmental Risk Longitudinal Twins Study. Изучение однояйцевых близнецов позволяет контролировать генетические и средовые факторы, сравнивая детей, выросших в одной семье. Во время визитов исследователи записывали, как матери рассказывали о каждом ребёнке, после чего обученные наблюдатели оценивали степень теплоты и проявления любви в их ответах.

Близнецы, чьи матери проявляли больше теплоты в детстве, в юности демонстрировали более высокие показатели открытости, добросовестности и доброжелательности.

Результаты подтверждают, что позитивное материнское воспитание влияет на черты личности, связанные с успехом в будущем, причём эти эффекты могут иметь межпоколенческие последствия, подчёркивает Вертц. Даже небольшие изменения в личности способны со временем привести к значительным положительным сдвигам на уровне популяции – особенно в развитии добросовестности, тесно связанной с успехами в учёбе, работе и здоровье.

Связи между материнской любовью и экстраверсией или нейротизмом обнаружено не было. Это указывает, что на данные черты в большей степени влияют другие факторы – отношения со сверстниками, жизненный опыт или поздние вмешательства.

Исследование также подчёркивает важность учёта генетических и средовых факторов при разработке программ, направленных на развитие позитивных черт личности.

«Эта работа демонстрирует потенциал родительских программ для влияния на ключевые аспекты развития личности, – говорит Вертц. – Но она также напоминает, что необходимо учитывать сложное взаимодействие генетики, воспитания и жизненного опыта в формировании того, кто мы есть».

По мнению авторов, результаты имеют практическое значение для сфер образования, семейного благополучия и психического здоровья. Поскольку добросовестность связана с успехами в учёбе и карьере, программы, поддерживающие проявление родительской любви, могут способствовать улучшению образовательных результатов и социального благополучия в масштабах общества.

«Существует множество проверенных способов поддержки родителей: от политики, улучшающей финансовое положение семей, до доступа к лечению при психических расстройствах (например, депрессии) и программ, помогающих укрепить связь с детьми», – поясняет Вертц.

Исследование также открывает перспективы для разработки моделей родительского обучения, направленных на сокращение неравенства в развитии личности. «Фокусируясь на практиках воспитания, которые формируют позитивные черты в детстве, мы можем уменьшить влияние социоэкономических факторов и дисбаланса в семейных отношениях на жизненные результаты», – заключает Вертц.

Дополнительная информация

• Какие конкретные методы использовали исследователи для оценки проявления материнской любви? - Исследователи часто используют наблюдение за взаимодействием матери и ребенка, опросники (например, шкалу материнской чувствительности), а также физиологические показатели (уровень окситоцина, частота сердечных сокращений).
• Какие существуют доказанные программы поддержки родительской любви, кроме упомянутых в статье? - Примеры программ: "Тройной P" (Positive Parenting Program), "Программа раннего вмешательства Nurse-Family Partnership", "Circle of Security" (основана на теории привязанности).

---

На Юпитере повсюду идут «слякотные шары»

Представьте себе замороженный напиток Slushee™ из аммиака и воды, покрытый твердой оболочкой водяного льда. А теперь вообразите, что эти ледяные шары, названные «слякотными шарами» (mushballs), падают, как град во время грозы, освещаемые яркими вспышками молний.

Ученые-планетологи из Калифорнийского университета в Беркли теперь утверждают, что такие градовые бури с «слякотными шарами» и мощными молниями действительно происходят на Юпитере.

Более того, подобные явления могут возникать на всех газовых планетах галактики, включая других гигантов нашей Солнечной системы — Сатурн, Уран и Нептун.

Идея «слякотных шаров» была впервые предложена в 2020 году для объяснения неоднородностей в распределении аммиака в верхних слоях атмосферы Юпитера, обнаруженных как миссией NASA «Юнона», так и радиотелескопами на Земле.

В то время аспирант Калифорнийского университета в Беркли Крис Мокел и его научный руководитель Имке де Патер, почетный профессор астрономии и наук о Земле и планетах, считали эту теорию слишком сложной, чтобы быть правдой, поскольку она требовала очень специфических атмосферных условий.

«Мы с Имке тогда подумали: "Этого просто не может быть"», — вспоминает Мокел, получивший степень доктора философии в прошлом году и теперь работающий исследователем в Лаборатории космических наук Калифорнийского университета в Беркли.

«Слишком много факторов должно совпасть, чтобы объяснить это явление, оно кажется таким экзотическим. Я потратил три года, пытаясь опровергнуть эту теорию. И у меня не получилось».

Подтверждение, опубликованное 28 марта в журнале Science Advances, появилось вместе с первой 3D-визуализацией верхних слоев атмосферы Юпитера, которую Мокел и де Патер недавно создали и описали в статье, проходящей рецензирование и размещенной на сервере препринтов arXiv.

Трехмерная картина тропосферы Юпитера показывает, что большинство погодных систем на планете неглубокие, достигая всего 10–20 километров ниже видимой облачной поверхности планеты, радиус которой составляет 70 000 км. Большинство красочных завихрений в полосах, опоясывающих планету, также неглубокие.

Однако некоторые погодные явления возникают гораздо глубже в тропосфере, перераспределяя аммиак и воду и фактически разрушая представление о долгое время считавшейся однородной атмосфере.

За это ответственны три типа погодных явлений: вихри, похожие на ураганы, горячие точки, связанные с богатыми аммиаком струями, которые окутывают планету волнообразной структурой, и крупные штормы, порождающие «слякотные шары» и молнии.

«Каждый раз, когда вы смотрите на Юпитер, вы видите в основном только поверхностный уровень», — говорит Мокел.

«Он неглубокий, но некоторые явления — вихри и эти большие штормы — могут пробиваться сквозь него».

«Данные "Юноны" показывают, что аммиак истощен на всех широтах до глубины около 150 километров, что очень странно», — отмечает де Патер, которая 10 лет назад обнаружила, что аммиак истощен до глубины около 50 км. «Именно это Крис пытается объяснить своими штормовыми системами, уходящими гораздо глубже, чем мы ожидали».

Определение состава планеты по наблюдениям за облаками

Газовые гиганты, такие как Юпитер и Сатурн, и ледяные гиганты, такие как Нептун и Уран, являются основными объектами исследований текущих космических миссий и крупных телескопов, включая космический телескоп Джеймса Уэбба, отчасти потому, что они могут помочь нам понять историю формирования нашей Солнечной системы и проверить наблюдения далеких экзопланет, многие из которых являются большими и газообразными.

Поскольку астрономы могут видеть только верхние слои атмосферы далеких экзопланет, понимание того, как интерпретировать химические сигнатуры в этих наблюдениях, может помочь ученым сделать выводы о внутреннем строении экзопланет, даже похожих на Землю.

«Мы фактически показываем, что верхняя часть атмосферы — довольно плохой представитель того, что находится внутри планеты», — говорит Мокел.

Это связано с тем, что штормы, подобные тем, что создают «слякотные шары», разбалансируют атмосферу, так что химический состав верхних слоев облаков не обязательно отражает состав глубже в атмосфере.

Юпитер вряд ли уникален.

«Это можно распространить на Уран, Нептун — и, конечно, на экзопланеты», — добавляет де Патер.

Атмосфера Юпитера радикально отличается от земной

Она в основном состоит из водорода и гелия с примесями газообразных молекул, таких как аммиак и вода, которые тяжелее основной массы атмосферы.

Атмосфера Земли состоит в основном из азота и кислорода. На Юпитере также есть штормы, такие как Большое Красное Пятно, которые длятся веками.

И хотя газообразный аммиак и водяной пар поднимаются вверх, замерзают в капли, как снег, и постоянно выпадают в виде осадков, у них нет твердой поверхности, на которую можно упасть.

Где же останавливаются эти капли?

«На Земле у вас есть поверхность, и дождь в конечном итоге достигает ее», — объясняет Мокел.

«Вопрос в том: что происходит, если убрать поверхность? Как далеко падают капли дождя вглубь планеты? Именно это мы наблюдаем на гигантских планетах».

Этот вопрос десятилетиями будоражил интерес ученых-планетологов, поскольку такие процессы, как дождь и штормы, считаются основными вертикальными перемешивателями планетарных атмосфер.

Десятилетиями простое предположение о хорошо перемешанной атмосфере лежало в основе выводов о внутреннем составе газовых гигантов, таких как Юпитер.

Наблюдения с помощью радиотелескопов, многие из которых проводились де Патер и ее коллегами, показывают, что это простое предположение неверно.

«Турбулентные верхушки облаков могут заставить вас поверить, что атмосфера хорошо перемешана», — говорит Мокел, проводя аналогию с кипящим котлом воды.

«Если вы посмотрите на поверхность, вы увидите кипение и предположите, что кипит весь котел. Но эти находки показывают, что хотя верх выглядит кипящим, ниже находится слой, который очень стабилен и медлителен».

Микрофизика «слякотных шаров»

На Юпитере большая часть водяного дождя и аммиачного снега, по-видимому, циркулирует высоко в холодной атмосфере и испаряется при падении, говорит Мокел.

Однако еще до прибытия «Юноны» к Юпитеру де Патер и ее коллеги сообщили о недостатке аммиака в верхних слоях атмосферы.

Тем не менее, они смогли объяснить эти наблюдения с помощью динамического и стандартного моделирования погоды, которое предсказывало выпадение аммиака в грозах до слоя воды, где водяной пар конденсируется в жидкость.

Но радионаблюдения «Юноны» показали

Дополнительная информация

• Как формируются "слякотные шары" на Юпитере? - "Слякотные шары" (англ. "mushballs") – это образования из смеси аммиака и водяного льда, которые формируются в верхних слоях атмосферы Юпитера из-за конденсации и гравитационного осаждения.
• Почему аммиак играет ключевую роль в атмосфере Юпитера? - Аммиак (NH₃) является одним из основных компонентов атмосферы Юпитера, участвует в формировании облаков и влияет на тепловой баланс планеты.
• Как "слякотные шары" влияют на климат Юпитера? - Они переносят аммиак и воду в глубокие слои атмосферы, что может изменять распределение тепла и химический состав облаков.
• Какие технологии используются для изучения глубоких слоев атмосферы Юпитера? - Для этого применяются космические зонды (например, Juno), микроволновая радиометрия и инфракрасная спектроскопия.
• Чем атмосферные штормы Юпитера отличаются от земных ураганов? - Штормы на Юпитере намного крупнее (например, Большое Красное Пятно), длятся столетиями и состоят в основном из водорода и гелия, а не из азота и кислорода, как на Земле.
• Как открытие "слякотных шаров" может повлиять на изучение экзопланет? - Понимание механизмов их формирования помогает ученым лучше моделировать атмосферы газовых гигантов за пределами Солнечной системы.

---

Ученые предупреждают: нашу ДНК могут взломать

Технология секвенирования ДНК следующего поколения (NGS), которая сегодня лежит в основе персонализированной медицины, диагностики рака, отслеживания инфекционных заболеваний и генетических исследований, может стать главной мишенью для хакеров.

Исследование, опубликованное в журнале IEEE Access, обращает внимание на растущие опасения по поводу того, как этот мощный инструмент секвенирования — при отсутствии должной защиты — может быть использован для утечки данных, нарушения конфиденциальности и даже создания биологических угроз в будущем.

Под руководством доктора Насрин Анджум из Школы вычислительных технологий Портсмутского университета это первое всестороннее исследование кибербиоугроз во всем рабочем процессе NGS.

NGS является краеугольным камнем современной биотехнологии, позволяя быстро и экономично секвенировать ДНК и РНК, что способствует важным достижениям в исследованиях рака, разработке лекарств, сельскохозяйственных инновациях и судебной экспертизе.

Процесс секвенирования в рамках NGS включает серию сложных взаимосвязанных этапов — от подготовки образцов и секвенирования до анализа и интерпретации данных — каждый из которых задействует высокоспециализированное оборудование, технологии, программное обеспечение и подключенные системы.

Хотя эти этапы необходимы для получения точных результатов, они также создают множество точек уязвимости. Поскольку многие наборы данных ДНК находятся в открытом доступе в интернете, исследование предупреждает, что киберпреступники могут использовать эту информацию для слежки, манипуляций или злонамеренных экспериментов.

Доктор Анджум заявила: «Наша работа — это сигнал тревоги. Защита геномных данных — это не только вопрос шифрования, но и предвосхищение атак, которых пока не существует. Нам нужен сдвиг парадигмы в том, как мы обеспечиваем безопасность будущего прецизионной медицины».

Исследование проводилось в сотрудничестве с коллегами из факультета компьютерных наук Университета Англия Раскин в Кембридже, кафедры кибербезопасности и вычислительных технологий Университета Глостершира, факультета компьютерных наук и лаборатории перспективных исследований Университета Нарджан, а также кафедры микробиологии Женского университета Шахид Беназир Бхутто.

Доктор Махрин-уль-Хасан, микробиолог и соавтор исследования из Женского университета Шахид Беназир Бхутто, отметила: «Геномные данные — одна из самых личных форм данных, которыми мы обладаем. В случае их компрометации последствия выходят далеко за рамки обычной утечки данных».

Исследовательская группа выявила новые и возникающие методы, которые хакеры и злоумышленники могут использовать для атак на системы, включая синтетическую ДНК-кодированную вредоносную программу, манипуляции геномными данными с помощью ИИ и отслеживание личности через методы повторной идентификации. Эти угрозы выходят за рамки обычных утечек данных, создавая риски для личной конфиденциальности, научной целостности и национальной безопасности.

Доктор Анджум добавила: «Несмотря на свою важность, кибербиобезопасность остается одной из самых запущенных и малоизученных исследовательских дисциплин, создавая критический пробел в глобальной биобезопасности. Чтобы гарантировать безопасность нашей ДНК и ее использование только во благо, мы призываем к дополнительным исследованиям и сотрудничеству для защиты этой мощной технологии.

Правительства, регулирующие органы, финансирующие организации и академические институты должны расставить приоритеты в этой области и инвестировать в специализированные исследования, образование и разработку политики, пока не стало слишком поздно.

Без скоординированных действий геномные данные могут быть использованы для слежки, дискриминации или даже биотероризма. Текущие меры защиты разрознены, и отсутствует жизненно важное междисциплинарное сотрудничество. Ключом к успешной профилактике станет взаимодействие между компьютерными учеными, биоинформатиками, биотехнологами и специалистами по безопасности — группами, которые редко работают вместе, но должны объединиться.

Наше исследование закладывает основу для улучшения биобезопасности, предоставляя единый четкий перечень всех возможных угроз во всем процессе секвенирования следующего поколения».

В работе также предлагаются практические решения, включая защищенные протоколы секвенирования, зашифрованное хранение данных и обнаружение аномалий с помощью ИИ, что создает основу для значительно более надежной кибербиобезопасности.

Исследование финансировалось Фондом совместных инициатив Британского совета Великобритании и Саудовской Аравии, а также грантом на исследования Quality Related Research Университета Портсмута.

Дополнительная информация

• Какие конкретные примеры злонамеренного использования геномных данных уже были зафиксированы? - В 2018 году хакеры взломали базу данных MyHeritage и похитили данные 92 миллионов пользователей, включая генетическую информацию. Также известны случаи использования геномных данных для дискриминации при страховании или трудоустройстве.
• Как именно синтетическая ДНК может быть использована для кодирования вредоносных программ? - В 2017 году исследователи из Университета Вашингтона продемонстрировали, что ДНК можно использовать для хранения вредоносного кода. Они закодировали эксплойт в синтетической ДНК, который при секвенировании активировал уязвимость в ПО для анализа генома.

---

Кристаллические свидетельства на Марсе указывают на водное и потенциально пригодное для жизни прошлое

Исследование под руководством Квинслендского технологического университета (QUT), анализирующее данные марсохода NASA Perseverance, обнаружило убедительные доказательства множественных минералообразующих событий непосредственно под поверхностью Марса. Эти находки приближают ученых на шаг к ответу на фундаментальный вопрос: существовала ли когда-либо жизнь на Марсе?

Исследовательская группа QUT под руководством доктора Майкла Джонса из Центрального аналитического исследовательского центра и Школы химии и физики включает адъюнкт-профессора Дэвида Фланнери, адъюнкт-профессора Кристофа Шранка, Брендана Оренштейна и Питера Немере, а также исследователей из Северной Америки и Европы.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

"Сульфатные минералы с различным содержанием воды присутствуют в большинстве регионов Марса и позволяют нам понять, как вода перемещалась по планете, что является ключом к пониманию ее прошлой обитаемости", — сказал доктор Джонс.

"Однако мы пока не до конца понимаем, как или когда образовались эти минералы. Наша команда нашла способ измерить внутреннюю кристаллическую структуру этих минералов непосредственно в породе, что ранее считалось невозможным на поверхности Марса".

Команда адаптировала новый аналитический метод под названием рентгеновская обратнорассеянная дифракционная томография (XBDM), разработанный доктором Джонсом и профессором Шранком в Австралийском синхротроне, для использования с прибором PIXL на борту Perseverance, созданным выпускницей QUT Абигейл Олвуд.

Это позволило команде определить ориентацию кристаллических структур, по сути предоставив "отпечаток пальца" того, как и когда они росли, и какими были условия на Марсе в то время.

В формации Шенандоа, части осадочного конуса в кратере Езеро, на участках Hogwallow Flats и Yori Pass были обнаружены два отдельных поколения сульфатных минералов кальция: одно сформировалось непосредственно под поверхностью, а другое — глубже под землей, на глубине не менее 80 метров.

"Это открытие подчеркивает разнообразие условий, существовавших в истории формации Шенандоа, указывая на множественные потенциальные периоды, когда жизнь могла быть возможна на Марсе", — отметил доктор Джонс.

С момента посадки в кратере Езеро в феврале 2021 года марсоход Perseverance исследует широкий спектр типов марсианских пород — от древних лавовых потоков до осадочных слоев, оставшихся от давно исчезнувшего озера и речной дельты.

Одной из ключевых целей миссии является изучение сред, которые могли поддерживать микробную жизнь, и сбор образцов, которые однажды могут быть доставлены на Землю.

Исследовательская группа QUT входит в междисциплинарную Группу по исследованию планетарных поверхностей QUT, которая занимается межпланетной наукой и активно участвует в проектах NASA и Австралийского космического агентства.

Профессор Фланнери, долгосрочный планировщик миссии NASA Perseverance, отметил, что QUT находится на переднем крае планетарной науки в Австралии.

"Опыт, полученный исследователями QUT на переднем крае робототехники, автоматизации, науки о данных и астробиологии, имеет потенциал для запуска космической индустрии Австралии", — сказал он.

---

Наша ближайшая соседняя галактика, возможно, разрывается на части

Команда исследователей под руководством Сатоя Накано и Кэнго Тачихары из Университета Нагоя (Япония) получила новые данные о движении массивных звёзд в Малом Магеллановом Облаке (ММО) — небольшой галактике-спутнике Млечного Пути. Их результаты свидетельствуют о том, что гравитационное воздействие Большого Магелланова Облака (БМО), более крупного компаньона ММО, может разрывать меньшую галактику. Это открытие выявило новую закономерность в движении звёзд, которая может изменить наше понимание эволюции и взаимодействия галактик. Результаты исследования опубликованы в The Astrophysical Journal Supplement Series.

«Когда мы впервые получили этот результат, мы подозревали, что в нашем методе анализа могла быть ошибка, — сказал Тачихара. — Однако при более тщательном изучении результаты оказались неопровержимыми, и мы были удивлены».

ММО остаётся одной из ближайших к Млечному Пути галактик. Благодаря этой близости исследовательской группе удалось идентифицировать и отследить около 7000 массивных звёзд внутри галактики. Эти звёзды, масса которых более чем в восемь раз превышает массу Солнца, обычно существуют всего несколько миллионов лет, после чего взрываются как сверхновые. Их присутствие указывает на регионы, богатые молекулярным водородом — ключевым компонентом звёздообразования.

«Звёзды в ММО двигались в противоположных направлениях по разные стороны галактики, как будто их разрывают, — пояснил Тачихара. — Некоторые из этих звёзд приближаются к БМО, а другие удаляются от него, что указывает на гравитационное влияние более крупной галактики. Это неожиданное движение подтверждает гипотезу о том, что ММО разрушается под воздействием БМО, что ведёт к его постепенному распаду».

Ещё одним неожиданным открытием стало отсутствие вращательного движения среди массивных звёзд. В отличие от Млечного Пути, где межзвёздный газ вращается вместе со звёздами, в ММО исследователи обнаружили иную картину. Обычно молодые массивные звёзды движутся вместе с газом, из которого они образовались, поскольку у них ещё не было времени отделиться от его движения. Однако в ММО массивные звёзды не следуют вращательной модели, что указывает на отсутствие вращения и у самого межзвёздного газа.

«Если ММО действительно не вращается, предыдущие оценки его массы и истории взаимодействия с Млечным Путём и БМО могут потребовать пересмотра, — объяснил Накано, соавтор исследования, который также создал видео с объяснением результатов. — Это может изменить наше понимание истории трёхстороннего взаимодействия между Магеллановыми Облаками и Млечным Путём».

Исследование имеет важные последствия для понимания динамики взаимодействий между соседними галактиками, особенно в ранней Вселенной. Астрономы считают ММО идеальной моделью для изучения «младенческого» периода Вселенной, поскольку он обладает многими характеристиками первичных галактик, такими как низкая металличность и слабый гравитационный потенциал. Таким образом, открытия, связанные с взаимодействием ММО и БМО, могут напоминать процессы, формировавшие галактики миллиарды лет назад, что даёт ценные сведения об их эволюции в космических масштабах. Результаты работы могут привести к новому пониманию этих механизмов.

«Мы не можем получить „вид сверху“ на галактику, в которой живём, — отметил Тачихара. — Поэтому ММО и БМО — единственные галактики, где мы можем детально наблюдать движение звёзд. Это исследование важно, поскольку позволяет изучать процесс звёздообразования в связи с движением звёзд по всей галактике».

Дополнительная информация

• Как низкая металличность ММО влияет на процессы звёздообразования в сравнении с более металличными галактиками? - Низкая металличность (малое содержание элементов тяжелее гелия) в карликовых галактиках, таких как ММО, приводит к менее эффективному охлаждению газа, что замедляет образование звёзд. В более металличных галактиках металлы способствуют охлаждению газа, ускоряя звёздообразование.
• Какие методы используются для точного измерения движения звёзд в галактиках, таких как ММО, на таких больших расстояниях? - Для измерения движения звёзд в далёких галактиках применяются методы спектроскопии (анализ доплеровского смещения линий в спектрах) и астрометрии (измерение точных позиций звёзд с помощью телескопов, таких как Gaia или Hubble).

---

Ученые, возможно, разгадали загадку космических камней

Международная команда исследователей, возможно, нашла ответ на один из давних вопросов космической науки — и это может изменить наше понимание того, как зародилась жизнь. Богатые углеродом астероиды широко распространены в космосе, но составляют менее 5% метеоритов, найденных на Земле.

Ученые из Школы наук о Земле и планетах Университета Кертина, Международного центра радиоастрономии (ICRAR), Парижской обсерватории и других учреждений провели глобальное исследование, чтобы найти ответ. Опубликованное сегодня в журнале Nature Astronomy, исследование проанализировало около 8500 метеороидов и случаев падения метеоритов, используя данные 19 сетей наблюдения за болидами в 39 странах — это самое масштабное исследование такого рода.

Соавтор работы доктор Адриен Девільпуа из Центра космических наук и технологий Кертина и Института радиоастрономии Кертина (CIRA) пояснил, что команда обнаружила: атмосфера Земли и Солнце действуют как гигантские фильтры, уничтожая хрупкие богатые углеродом (углистые) метеороиды до их падения на поверхность.

"Мы давно подозревали, что слабый углеродистый материал не переживает вхождения в атмосферу", — сказал доктор Девільпуа.

"Это исследование показывает, что многие из этих метеороидов даже не доходят до этого этапа: они разрушаются от многократного нагрева при прохождении вблизи Солнца".

"Те, что выдерживают "прожарку" в космосе, с большей вероятностью пройдут и через земную атмосферу".

Углистые метеориты особенно важны, поскольку содержат воду и органические молекулы — ключевые компоненты, связанные с происхождением жизни на Земле.

Доктор Патрик Шобер из Парижской обсерватории отметил, что эти выводы меняют представления ученых о собранных на сегодня метеоритах.

"Богатые углеродом метеориты — одни из самых химически примитивных материалов, которые мы можем изучать: они содержат воду, органические молекулы и даже аминокислоты", — сказал доктор Шобер.

"Однако в наших коллекциях их так мало, что мы рискуем получить неполную картину того, что действительно существует в космосе и как строительные блоки жизни попали на Землю".

"Понимание того, что отфильтровывается и почему, является ключом к восстановлению истории нашей Солнечной системы и условий, сделавших возможной жизнь".

Исследование также показало, что метеороиды, образовавшиеся в результате приливных разрушений — когда астероиды распадаются при близком прохождении мимо планет — особенно хрупки и почти никогда не переживают вхождения в атмосферу. "Это открытие может повлиять на будущие миссии к астероидам, оценку угрозы столкновений и даже теории о том, как Земля получила воду и органические соединения, позволившие зародиться жизни", — добавил доктор Шобер.

В исследовании также участвовали Астрономический институт Румынской академии, Национальный музей естественной истории и Университет Экс-Марсель.

Исследование проводилось при поддержке Международного центра радиоастрономических исследований.

---

Глобальный переход на электромобили не снижает выбросы CO2

Переход на электромобили не приведёт к сокращению выбросов углерода, если страны не перейдут на экологически чистые источники электроэнергии.

К такому выводу пришли исследователи из Оклендского университета (Новая Зеландия) и Сямыньского университета (Китай) в исследовании, опубликованном в журнале Energy.

Учёные проанализировали влияние человеческой деятельности на окружающую среду и использовали надёжный статистический подход, чтобы выяснить, что определяет уровень выбросов углекислого газа (CO₂) в той или иной стране.

Изучив данные из 26 стран за 15 лет, они обнаружили неожиданную тенденцию: более высокий уровень внедрения электромобилей коррелировал с увеличением выбросов CO₂.

Причина? В ряде стран электромобили по-прежнему заряжаются от электроэнергии, вырабатываемой за счёт сжигания ископаемого топлива, такого как уголь или нефть.

Доцент Стивен Полетти и докторант Центра энергетики Бизнес-школы Тао Мяомяо (Саймон) не наблюдали значительного сокращения глобальных выбросов CO₂ благодаря электромобилям.

"Напротив, внедрение электромобилей положительно связано с выбросами CO₂", — говорит Тао.

"Этот вывод кажется нелогичным; он противоречит распространённому мнению, что электромобили способствуют декарбонизации".

"Наш анализ показывает, что экологические преимущества электромобилей зависят от структуры генерации электроэнергии в стране".

Возьмём электромобили, заряжаемые от угольных электростанций, поясняет Полетти.

"В этом случае они могут косвенно способствовать более высоким выбросам, чем современные бензиновые или дизельные автомобили, особенно если учитывать весь жизненный цикл — от производства до утилизации".

Результаты исследования показывают, что только когда доля возобновляемых источников энергии в мировой генерации достигнет примерно 48%, внедрение электромобилей начнёт способствовать снижению выбросов CO₂.

В 2023 году возобновляемая энергия (в основном ветровая, солнечная и гидроэнергия) составляла лишь немногим более 30% мировой электроэнергии, так что предстоит ещё долгий путь, отмечает Полетти.

"Электромобили часто рассматриваются как панацея от изменения климата, но наши результаты показывают, что это не так, если электричество для них не является "чистым"".

Новая Зеландия, где более 80% электроэнергии вырабатывается из возобновляемых источников, находится в выгодном положении для получения преимуществ от электромобилей.

"Это исследование напоминает, что декарбонизация транспорта не может происходить изолированно", — говорит Полетти.

Помимо внедрения электромобилей, исследователи изучили влияние экономического роста, инноваций в "зелёных" технологиях, потребления возобновляемой энергии и плотности населения на выбросы.

Они обнаружили, что экономический рост увеличивает выбросы, тогда как инновации в экологически чистых технологиях и высокая плотность населения (в виде более компактных городов) могут помочь их снизить. Использование возобновляемой энергии оказало наиболее значительное влияние на сокращение выбросов.

---

Ученые усовершенствовали химическую реакцию, лежащую в основе производства продуктов от пищевых до топливных

Химическая реакция, имеющая ключевое значение для целого ряда коммерческих и промышленных товаров, вскоре может инициироваться более эффективно и с меньшими затратами благодаря совместной работе исследователей, включая специалистов из Инженерного колледжа Университета штата Орегон.

Исследование, опубликованное в журнале Nature, посвящено гидрированию — процессу добавления двухатомной молекулы водорода (H₂) к другим соединениям.

«Гидрирование — это критически важная и разнообразная реакция, используемая для создания пищевых продуктов, топлива, товарных химикатов и фармацевтических препаратов», — пояснил Чжэньсин Фэн, доцент кафедры химической инженерии. «Однако для экономической целесообразности реакции неизменно требуется катализатор, такой как палладий или платина, чтобы увеличить скорость реакции и, таким образом, снизить затраты».

Фэн, аспиранты OSU Элвин Чанг и Мэйсон Лайонс, а также исследователи из четырех учреждений Китая углубленно изучили одноатомные катализаторы (SACs). Катализатор — это любое вещество, ускоряющее химическую реакцию, не расходуясь в процессе, а одноатомный катализатор представляет собой металлические каталитические центры в виде изолированных отдельных атомов на подложке.

«SACs — это восходящая звезда среди катализаторов гидрирования, демонстрирующая превосходную каталитическую активность по сравнению с наночастичными катализаторами», — отметил Фэн. «Взаимодействие между металлическим катализатором и материалом подложки создает уникальный синергетический эффект, улучшающий каталитическую активность и стабильность, но причина этого усиления производительности ранее не была понятна».

В проекте под руководством коллег из Китайской академии наук и Научно-технологического университета Китая исследователи создали и охарактеризовали 34 палладиевых SACs на 14 полупроводниковых подложках.

Передовые методы рентгеновской, инфракрасной и электрохимической характеризации показали, что эффективность SACs зависит от способности подложки принимать электроны — связь, которая оказалась последовательной и предсказуемой.

«Каталитические способности палладиевых SACs имеют универсальную линейную зависимость от положения молекулярной орбитали их подложек», — объяснил Фэн. «Это открывает новые возможности для подбора пар металл-подложка с высокой активностью и стабильностью. Мы также обнаружили, что положение молекулярной орбитали можно регулировать, уменьшая размер частиц подложки, что приводит к созданию SACs с рекордно высокой активностью и отличной стабильностью».

В данном исследовании ученые изучали полугидрирование ацетилена в избытке этилена — распространенный промышленный процесс. При гидрировании молекулы водорода добавляются к ненасыщенным связям органических соединений, превращая их в насыщенные. Например, гидрирование используется для преобразования растительных масел (ненасыщенных жиров) в маргарин и кулинарные жиры.

Гидрирование также играет важную роль в переработке нефтепродуктов, включая превращение алкенов, таких как этилен, в алканы для производства более экологически чистого топлива, такого как пропан и бутан.

Финансирование проекта осуществлялось за счет средств OSU China Experience Fund и Национального фонда естественных наук Китая для Центра одноатомного катализа. В исследовании также принимали участие ученые из Национального университета оборонных технологий и Сучжоуской лаборатории.

---

Астрочастичная физика: Масса нейтрино не превышает 0,45 электронвольт

Международный эксперимент KArlsruhe TRItium Neutrino (KATRIN) в Технологическом институте Карлсруэ (KIT) вновь превзошел собственные достижения. Последние данные установили верхний предел массы нейтрино на уровне 0,45 эВ/c² (эквивалентно 8 × 10⁻³⁷ килограмма). Этот результат, полученный с помощью лабораторного метода, не зависящего от моделей, стал новым мировым рекордом. Исследователи опубликовали свои выводы в журнале Science.

Нейтрино — одни из самых загадочных частиц во Вселенной. Они повсеместны, но крайне редко взаимодействуют с веществом. В космологии они влияют на формирование крупномасштабных структур галактик, а в физике частиц их ничтожная масса служит индикатором неизученных физических процессов. Точное измерение массы нейтрино необходимо для полного понимания фундаментальных законов природы.

Именно здесь вступает в игру эксперимент KATRIN с его международными партнерами. KATRIN использует бета-распад трития — нестабильного изотопа водорода — для определения массы нейтрино. Энергетическое распределение электронов, возникающих при распаде, позволяет напрямую кинематически вычислить массу нейтрино. Для этого требуются высокотехнологичные компоненты: 70-метровая установка включает мощный источник трития и высокочувствительный спектрометр диаметром 10 метров. Эта передовая технология обеспечивает беспрецедентную точность прямых измерений массы нейтрино.

Согласно текущим данным KATRIN, верхний предел массы нейтрино составляет 0,45 эВ/c² (8 × 10⁻³⁷ кг). По сравнению с результатами 2022 года этот предел удалось снизить почти вдвое.

Анализ данных

Качество первых наборов данных непрерывно улучшалось с начала измерений в 2019 году. «Для этого результата мы проанализировали пять измерительных кампаний, охватывающих около 250 дней сбора данных с 2019 по 2021 год — примерно четверть от общего объема, который планируется получить в KATRIN», — поясняет Катрин Валериус (KIT), одна из двух сопредседателей эксперимента. Сюзанна Мертенс (Институт ядерной физики Макса Планка (MPIK) и Технический университет Мюнхена (TUM)) добавляет: «С каждой кампанией мы получали новые знания и оптимизировали условия эксперимента».

Обработка крайне сложных данных потребовала высочайшей точности от международной команды аналитиков. «Анализ данных KATRIN исключительно сложен, поскольку требует беспрецедентного уровня точности», — подчеркивает Алексей Лохов (KIT), координатор анализа. Кристоф Визингер (TUM/MPIK), также координатор анализа, добавляет: «Мы используем современные методы анализа, где ключевую роль играет искусственный интеллект».

Перспективы будущих измерений

Исследователи смотрят в будущее с оптимизмом: «Измерения массы нейтрино будут продолжаться до конца 2025 года. Благодаря постоянному улучшению эксперимента и анализа, а также увеличению объема данных, мы ожидаем еще более высокой чувствительности — и, возможно, революционных открытий», — заявляет команда KATRIN.

KATRIN уже лидирует в мире по прямым измерениям массы нейтрино, превзойдя результаты предыдущих экспериментов в четыре раза с первыми же данными. Последние результаты показывают, что нейтрино как минимум в миллион раз легче электронов — самых легких заряженных элементарных частиц. Объяснение этой огромной разницы в массе остается фундаментальной задачей для теоретической физики частиц.

Помимо точных измерений массы нейтрино, KATRIN готовится к следующему этапу. С 2026 года будет установлена новая детекторная система TRISTAN. Эта модернизация позволит искать стерильные нейтрино — гипотетические частицы, взаимодействующие еще слабее известных нейтрино. С массой в диапазоне кэВ/c² стерильные нейтрино являются потенциальными кандидатами на роль темной материи. Кроме того, в рамках программы KATRIN++ начнется разработка концептов для экспериментов следующего поколения, способных обеспечить еще более точные прямые измерения массы нейтрино.

Дополнительная информация

• Какие другие методы, кроме бета-распада трития, используются для измерения массы нейтрино? - Кроме бета-распада трития, массу нейтрино измеряют с помощью безнейтринного двойного бета-распада, космологических наблюдений (например, анализ реликтового излучения), а также экспериментов с осцилляциями нейтрино (например, Super-Kamiokande, IceCube).
• Почему стерильные нейтрино считаются кандидатами на роль темной материи? - Стерильные нейтрино не участвуют в слабом взаимодействии и почти не взаимодействуют с обычной материей, что делает их "невидимыми". Их предполагаемая масса и стабильность соответствуют свойствам темной материи, объясняя гравитационные эффекты во Вселенной.

---

Ученые наблюдали экзотическую квантовую фазу, ранее считавшуюся невозможной

Группа исследователей из Университета Райса сообщила о первом прямом наблюдении удивительного квантового явления, предсказанного более полувека назад, что открывает пути для революционных применений в квантовых вычислениях, связи и сенсорике.

Это явление, известное как суперрадиантный фазовый переход (superradiant phase transition, SRPT), происходит, когда две группы квантовых частиц начинают колебаться согласованно и коллективно без какого-либо внешнего воздействия, образуя новое состояние материи. Открытие было сделано в кристалле, состоящем из эрбия, железа и кислорода, который охладили до температуры минус 457 градусов по Фаренгейту (около минус 272 градусов Цельсия) и подвергли воздействию мощного магнитного поля до 7 тесла (более чем в 100 000 раз сильнее магнитного поля Земли), согласно исследованию, опубликованному в журнале Science Advances.

"Изначально SRPT предполагался как результат взаимодействия между квантовыми флуктуациями вакуума — квантовыми световыми полями, естественно существующими даже в абсолютно пустом пространстве — и флуктуациями материи", — пояснила Дасом Ким, аспирантка программы по прикладной физике Университета Райса и ведущий автор исследования. "Однако в нашей работе мы реализовали этот переход, связав две различные магнитные подсистемы — флуктуации спинов ионов железа и ионов эрбия внутри кристалла".

Спин описывает магнитные полюса электронов или других частиц и может быть представлен как крошечная стрелка, прикрепленная к каждой частице, постоянно вращающаяся и указывающая в определенном направлении. Когда спины выстраиваются в определенном порядке, они создают магнитные узоры в материале. Когда узор спинов распространяется по материалу как волна, возникающее коллективное возбуждение известно как магнон.

До сих пор возможность реального существования SRPT оставалась предметом споров, поскольку это противоречит ограничению, известному в теоретической физике как "теорема запрета" (no-go theorem), возникающему в световых системах. Реализовав SRPT в магнитном кристалле на основе взаимодействия между двумя спиновыми подсистемами, исследователи смогли обойти это ограничение, создав магнонную версию явления. В частности, магноны ионов железа играют роль, традиционно приписываемую вакуумным флуктуациям, а спины ионов эрбия представляют флуктуации материи.

Используя передовые спектроскопические методы, исследователи наблюдали четкие признаки SRPT: энергетический сигнал одного спинового режима исчезал, а другой демонстрировал явный сдвиг или излом. Эти спектральные "отпечатки" точно соответствуют теоретическим предсказаниям для входа в суперрадиантную фазу, что дало команде высокую уверенность в том, что они действительно добились долгожданного состояния.

"Мы установили сверхсильную связь между этими двумя спиновыми системами и успешно наблюдали SRPT, преодолев предыдущие экспериментальные ограничения", — сказала Ким.

Исследователи взволнованы не только потому, что подтвердилось 50-летнее предсказание физики, но и из-за потенциальных последствий для квантовых технологий. Коллективные квантовые состояния при SRPT обладают уникальными свойствами, которые могут быть использованы в технологиях следующего поколения.

"Вблизи квантовой критической точки этого перехода система естественным образом стабилизирует квантово-сжатые состояния, где квантовый шум резко снижается, что значительно повышает точность измерений", — пояснила Ким. "В целом, это открытие может революционизировать квантовые сенсоры и вычислительные технологии, значительно повысив их точность, чувствительность и производительность".

Сохейл Дасгупта, аспирант Университета Райса, работавший с Каденом Хаззардом, доцентом физики и астрономии, теоретически смоделировал SRPT на основе модели, разработанной их соавтором Мотоаки Бамбой, профессором Йокогамского национального университета.

"Хотя базовая математическая модель уже была разработана Мотоаки, нам нужно было учесть некоторые специфические магнитные свойства материала для получения точных результатов. Когда теория совпадает с экспериментальными данными — что случается довольно редко — это лучшее чувство для ученого", — сказал Дасгупта.

Хаззард отметил, что это достижение показывает, что концепции квантовой оптики можно перенести в твердые материалы.

"Это открывает новый способ создания и контроля фаз материи с использованием идей квантовой электродинамики полостей", — сказал Хаззард.

Более того, кристалл, использованный в этом исследовании, является одним из примеров более широкого класса материалов, что означает, что исследование прокладывает путь для изучения квантовых явлений в других материалах с аналогично взаимодействующими магнитными компонентами.

"Демонстрация формы SRPT, полностью управляемой связью двух внутренних флуктуаций материи, знаменует значительный прорыв в квантовой физике, устанавливая новую основу для понимания и использования внутренних квантовых взаимодействий в материалах", — сказал Джуничиро Коно, профессор инженерии имени Карла Ф. Хассельмана, профессор электротехники, вычислительной техники и наноинженерии материалов и ведущий автор исследования.

Исследование было поддержано Управлением армейских исследований США (W911NF2110157), Фондом Гордона и Бетти Мур (11520), Фондом Роберта А. Уэлча (C-1509), Фондом W.M. Кека (995764), Глобальным институтом исследований материалов Университета Тохоку, Национальным научным фондом (PHY-1848304), Японским обществом содействия науке (JPJSJRP20221202, JP24K21526), Фондом исследований опто-науки и технологий, Министерством энергетики США (DE-AC02-07CH11358) и Национальным научным фондом Китая (12374116). Содержание является исключительной ответственностью авторов и не обязательно отражает официальную точку зрения финансирующих организаций.

Дополнительная информация

• Какие еще квантовые фазы, кроме SRPT, считались невозможными, но были позже обнаружены? - Например, топологические изоляторы, которые изначально считались теоретически невозможными, но были экспериментально подтверждены в 2007 году. Также квантовые спиновые жидкости, предсказанные ещё в 1973 году, но обнаруженные только в 2012 году в материалах типа Herbertsmithite.

• Как именно магноны могут быть использованы в квантовых вычислениях? - Магноны (квазичастицы, представляющие коллективные возбуждения спинов в магнитных материалах) могут использоваться для передачи и обработки информации в квантовых системах благодаря их низкому энергопотреблению и возможности манипулировать их спиновыми волнами. Они рассматриваются как потенциальные носители информации в магнонных квантовых компьютерах.

• Какие другие материалы, кроме кристалла эрбия-железа-кислорода, могут демонстрировать SRPT? - Подобные фазовые переходы были предсказаны или наблюдаются в других редкоземельных соединениях, таких как ортоферриты (например, YFeO₃), а также в некоторых купратах и манганитах, где взаимодействие между спинами и решёткой создаёт условия для спонтанного нарушения симметрии.

---

Получены прямые доказательства редких пульсирующих грушевидных форм в ядрах гадолиния

Впервые ученые получили прямые доказательства существования редких пульсирующих грушевидных структур в атомных ядрах редкоземельного элемента гадолиния. Это стало возможным благодаря новому исследованию, проведенному под руководством Университета Суррея (Великобритания), Национальной физической лаборатории (NPL) и исследовательского института IFIN-HH в Бухаресте (Румыния).

Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, предоставляет убедительные доказательства сильного коллективного "октупольного возбуждения" в ядре изотопа гадолиния-150 — долгоживущего радиоактивного изотопа этого редкоземельного элемента, который используется в сверхпроводниках, ядерной энергетике и в качестве контрастного вещества для МРТ.

Экспериментальные данные интерпретируются как согласованная вибрация протонов и нейтронов внутри атомного ядра, приводящая к образованию пульсирующей асимметричной грушевидной структуры.

Профессор Патрик Риган, профессор ядерной метрологии NPL в Университете Суррея и соавтор исследования, заявил:

"Невероятно захватывающе иметь возможность 'увидеть' формы этих мельчайших квантовых объектов. Эти уникальные высокоточные измерения, полученные в ходе нашего сотрудничества, позволяют глубже понять, как фундаментальные строительные блоки материи объединяются, образуя когерентные коллективные квантовые структуры и формы в атомных ядрах. Такие измерения также представляют собой наиболее строгие тесты наших современных моделей, объясняющих взаимодействие адронной материи на субатомном уровне".

Используя высокоточные измерения гамма-излучения ядра гадолиния-150, исследователи смогли наблюдать характерные "отпечатки пальцев" этих невероятно малых грушевидных структур.

Атомные ядра настолько малы, что даже самые современные оптические микроскопы не могут их обнаружить. Однако информацию об их структуре можно получить, измеряя характерное (гамма-) излучение, возникающее при их релаксации.

Эти открытия открывают новое окно в квантовый мир, предоставляя то, что можно назвать "фемтоскопом" — высокоточным "ядерным микроскопом", позволяющим ученым заглянуть в глубину субатомных структур, формирующих нашу Вселенную.

Результаты также представляют уникальный вызов современным теоретическим моделям, которые с трудом объясняют, как такие формы могут возникать в результате сложных взаимодействий протонов и нейтронов, составляющих ядро гадолиния-150.

Доктор Эсра Юксель, ведущий теоретик исследования из Университета Суррея, отметила:

"Опубликованные результаты этих чрезвычайно чувствительных измерений квантовых распадов позволяют нам подвергнуть стресс-тесту наши современные теоретические представления о том, как протоны и нейтроны располагаются внутри атомного ядра.

"Обнаруженное октупольное коллективное возбуждение — или 'грушевидная' сигнатура — является одним из самых сильных из известных на сегодняшний день. Это позволило нам протестировать пять различных современных теоретических моделей, чтобы определить наилучшую. Наши расчеты дают ценную информацию для понимания того, как такие необычные ядерные формы возникают в этих удивительных квантовых лабораториях".

В исследовании приняли участие 12 научных учреждений из Великобритании, Румынии, Индии, Японии, Китая и Чехии.

Национальная физическая лаборатория (NPL) является национальным метрологическим институтом Великобритании и отвечает за прослеживаемость всех измерений радиоактивности в стране к единице СИ — беккерелю (Бк).

Дополнительная информация

• Какие другие элементы, кроме гадолиния, демонстрируют подобные грушевидные формы ядер? - Кроме гадолиния, грушевидную форму ядер демонстрируют такие элементы, как радий (Ra-224, Ra-226) и торий (Th-228). Эти формы связаны с нарушением симметрии в распределении нуклонов.

• Как именно гамма-излучение позволяет "увидеть" форму атомного ядра, если оно слишком мало для оптических микроскопов? - Гамма-излучение взаимодействует с ядром, вызывая его возбуждение. Анализ спектра испускаемых гамма-квантов и их углового распределения позволяет определить квадрупольные моменты и другие параметры, которые косвенно указывают на форму ядра.

---

Установка системы газовой инъекции в новом термоядерном реакторе разработана в рамках государственно-частного партнерства

Когда плазма в термоядерной системе начинает вести себя нестабильно, её необходимо быстро охладить, чтобы предотвратить повреждение установки. Исследователи из Commonwealth Fusion Systems считают, что оптимальным решением является массивная газовая инъекция — по сути, своевременный мощный выброс охлаждающего газа внутрь их термоядерной системы SPARC. Но сколько газовых клапанов потребуется для быстрого контроля плазмы, которая горячее Солнца? Команде необходимо найти идеальный баланс: слишком мало клапанов — и некоторые части SPARC могут перегреться; слишком много — и драгоценное пространство внутри реактора будет потрачено впустую.

Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи использовали компьютерный код M3D-C1, разработанный и поддерживаемый учёными Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США. Этот код позволил смоделировать различные конфигурации клапанов, и результаты показали, что оптимальную защиту обеспечивает размещение шести газовых клапанов вокруг реактора — по три сверху и снизу.

Исследование, проведённое совместной командой из PPPL, Массачусетского технологического института (MIT), General Atomics и Commonwealth Fusion Systems, опубликовано в журнале Nuclear Fusion. Проект частично финансировался программой Innovation Network for Fusion Energy (INFUSE), направленной на ускорение сотрудничества между национальными лабораториями, университетами и частными термоядерными компаниями. Разрабатывая стратегии смягчения сбоев, исследователи приближают эру термоядерной энергетики.

"Эта работа также демонстрирует, что M3D-C1 может моделировать аварийное отключение через массивную газовую инъекцию с использованием более узких и реалистичных газовых струй по сравнению с предыдущими симуляциями", — отметил Андреас Кляйнер, ведущий научный сотрудник PPPL и первый автор исследования. Он добавил, что результаты напрямую повлияли на дизайн SPARC: в текущих планах предусмотрено шесть газовых клапанов во многом благодаря этому исследованию.

После завершения строительства SPARC будет удерживать плазму в форме тора с помощью мощных магнитных полей. Хотя SPARC останется экспериментальной установкой, учёные надеются, что подобные устройства в будущем смогут вырабатывать электроэнергию для сетей. Ключевой задачей является создание системы, предотвращающей повреждение внутренних стенок реактора струями сверхгорячих частиц. Эта проблема особенно актуальна для систем типа SPARC, где используются исключительно сильные магнитные поля.

"Массивная газовая инъекция необходима для быстрого перезапуска SPARC после сбоя", — пояснил соавтор исследования Райан Суини, специалист по сбоям из Commonwealth Fusion Systems.

Управление нестабильностями также важно для продления срока службы реактора.

"Сейчас не существует материалов, способных выдержать тепловую нагрузку, возникающую во время таких событий", — сказал Кляйнер. Поэтому так важно точно рассчитать параметры системы газовой инъекции для быстрого охлаждения плазмы: "Без управления этими процессами выделяемое тепло может расплавить первую стенку реактора".

Самые детальные на сегодняшний день симуляции сбоев

Моделирование рассматривало симметричные конфигурации с шестью, четырьмя и двумя клапанами, равномерно распределёнными по реактору, а также асимметричные варианты с одним инжектором и пятью клапанами. Каждая симуляция требовала недель вычислений даже на экзафлопсных суперкомпьютерах.

"Это наиболее полное моделирование сбоев из когда-либо проведённых", — отметил Нейт Ферраро, заместитель руководителя теоретического отдела PPPL и соавтор исследования.

Код M3D-C1 стал краеугольным камнем термоядерных исследований, и Ферраро сыграл ключевую роль в его разработке. Начав работу над кодом ещё аспирантом вместе с главным научным сотрудником PPPL Стивеном Жарденом, он потратил годы на совершенствование его возможностей: "Наша способность моделировать взаимодействие между впрыскиваемым газом и нестабильностями плазмы значительно выросла, сделав это исследование возможным".

Новая версия M3D-C1 включает более реалистичное представление таких элементов, как газовые клапаны, и использует метод неравномерного разбиения сетки (non-equidistant meshing), позволяющий увеличить детализацию в ключевых областях. В модели SPARC больше сечений было сосредоточено возле газовых клапанов, где ожидались наиболее значимые изменения.

"Мы могли проводить подобное моделирование и раньше, но не с такой точностью", — признал Кляйнер.

Исследование подчёркивает важность государственно-частного партнёрства для развития термоядерных технологий. PPPL тесно сотрудничала с Commonwealth Fusion Systems, General Atomics и MIT, предоставив высокоточные симуляции для оптимизации дизайна SPARC. Эти наработки также помогут в проектировании энергетического реактора ARC, который будет построен в округе Честерфилд, Вирджиния.

"Работа с такими кодами, как M3D-C1, требует узкоспециализированных навыков, — отметил Суини. — PPPL обладает уникальным опытом в этой области, и сотрудничество с лабораторией бесценно".

Ферраро добавил, что работа с частными партнёрами полезна и для PPPL, так как позволяет учёным применять свои знания к новым системам и осваивать современные методы: "Этот проект — отличный пример того, как в термоядерной сфере государственные и частные исследования не конкурируют, а дополняют друг друга на пути к общей цели".

Помимо Кляйнера, Ферраро и Суини, соавторами исследования выступили Брендан Лайонс из General Atomics и Мэтью Рейнкин из Commonwealth Fusion Systems. Работа поддержана программой INFUSE и Министерством энергетики США (гранты DE-AC02-09CH11466 и DE-AC02-05CH11231).

Дополнительная информация

• Какие конкретные газы используются для массивной инъекции в термоядерных реакторах? - Обычно используются водород, дейтерий, неон или аргон, так как они помогают охлаждать и стабилизировать плазму.
• Каковы основные отличия между реакторами SPARC и ARC? - SPARC — это экспериментальный реактор, предназначенный для демонстрации термоядерного синтеза с положительным энергобалансом, тогда как ARC (Affordable, Robust, Compact) — это проект коммерческого реактора, основанный на технологиях SPARC, но с улучшенной экономической эффективностью и масштабируемостью.
• Какие еще методы, кроме газовой инъекции, используются для стабилизации плазмы в термоядерных реакторах? - Применяются магнитные катушки (для удержания плазмы), электронные и ионные циклотронные нагреватели, а также литийовые покрытия на стенках реактора для поглощения примесей.

---

Редкая форма кристаллов увеличивает прочность металла, напечатанного на 3D-принтере

Эндрю Аймс увидел нечто странное, рассматривая образец под электронным микроскопом. Он изучал новый алюминиевый сплав на атомном уровне в поисках источника его прочности, когда заметил, что атомы расположены в крайне необычном порядке. «В этот момент я начал волноваться, — сказал Аймс, инженер-исследователь материалов, — потому что подумал, что, возможно, наблюдаю квазикристалл».

Он не только обнаружил квазикристаллы в этом сплаве, но и вместе с коллегами из Национального института стандартов и технологий (NIST) выяснил, что эти квазикристаллы также увеличивают его прочность. Их открытие опубликовано в Journal of Alloys and Compounds.

Сплав образовался в экстремальных условиях 3D-печати металлом — нового способа изготовления металлических деталей. Понимание структуры этого алюминия на атомном уровне позволит создавать совершенно новые категории напечатанных деталей, таких как компоненты самолетов, теплообменники и шасси автомобилей. Это также откроет двери для исследований новых алюминиевых сплавов, использующих квазикристаллы для повышения прочности.

Что такое квазикристаллы?

Квазикристаллы похожи на обычные кристаллы, но с несколькими ключевыми отличиями.

Традиционный кристалл — это любой твердый материал, состоящий из атомов или молекул, расположенных в повторяющихся узорах. Например, поваренная соль — это распространенный кристалл. Атомы соли соединяются в кубы, а эти микроскопические кубы формируют более крупные кубики, видимые невооруженным глазом.

Существует всего 230 возможных способов образования повторяющихся кристаллических структур. Квазикристаллы не подходят ни под один из них. Их уникальная форма позволяет им создавать узор, заполняющий пространство, но никогда не повторяющийся.

Дан Шехтман, материаловед из Техниона — Израильского технологического института, открыл квазикристаллы во время научного отпуска в NIST в 1980-х годах. Многие ученые тогда считали его исследования ошибочными, поскольку обнаруженные им новые формы кристаллов не соответствовали общепринятым правилам. Однако благодаря тщательным исследованиям Шехтман неопровержимо доказал существование этого нового типа кристаллов, совершив революцию в кристаллографии и получив Нобелевскую премию по химии в 2011 году.

Десятилетия спустя, работая в том же здании, что и Шехтман, Эндрю Аймс обнаружил свои квазикристаллы в напечатанном на 3D-принтере алюминии.

Как работает 3D-печать металлом?

Существует несколько способов 3D-печати металлов, но самый распространенный называется «порошковое сплавление». Процесс выглядит так: металлический порошок равномерно распределяется тонким слоем. Затем мощный лазер проходит по порошку, сплавляя его. После завершения первого слоя наносится новый слой порошка, и процесс повторяется. Слой за слоем лазер сплавляет порошок в твердую форму.

3D-печать позволяет создавать формы, невозможные при других методах. Например, в 2015 году GE разработала топливные форсунки для авиадвигателей, которые можно было изготовить только с помощью 3D-печати металлом. Новая форсунка стала значительным улучшением: ее сложная форма печаталась как единая легкая деталь. В то время как предыдущая версия собиралась из 20 отдельных частей и была на 25% тяжелее. На сегодняшний день GE напечатала десятки тысяч таких форсунок, демонстрируя коммерческий успех металлической 3D-печати.

Одно из ограничений 3D-печати металлом — она работает лишь с небольшим количеством металлов. «Высокопрочные алюминиевые сплавы почти невозможно напечатать, — говорит Фань Чжан, физик из NIST и соавтор исследования. — Они склонны к образованию трещин, что делает их непригодными».

Почему алюминий сложно печатать?

Обычный алюминий плавится при температуре около 700°C. Лазеры в 3D-принтере должны нагревать его до гораздо более высоких температур — выше точки кипения металла (2470°C). Это сильно меняет свойства металла, особенно учитывая, что алюминий нагревается и остывает быстрее других металлов.

В 2017 году команда из HRL Laboratories (Калифорния) и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре обнаружила высокопрочный алюминиевый сплав, пригодный для 3D-печати. Они выяснили, что добавление циркония в алюминиевый порошок предотвращает растрескивание напечатанных деталей, создавая прочный сплав.

Исследователи из NIST решили изучить этот новый, коммерчески доступный алюминиево-циркониевый сплав на атомном уровне. «Чтобы доверять этому металлу и использовать его в критически важных компонентах, таких как детали военных самолетов, нам нужно глубоко понимать, как соединяются атомы», — пояснил Чжан.

Команда NIST хотела выяснить, что делает этот металл таким прочным. Оказалось, часть ответа — квазикристаллы.

Как квазикристаллы увеличивают прочность алюминия?

В металлах идеальные кристаллы слабы. Их регулярная структура облегчает скольжение атомов друг относительно друга, что приводит к изгибу, растяжению или разрушению металла. Квазикристаллы нарушают регулярную структуру алюминиевых кристаллов, создавая дефекты, которые делают металл прочнее.

Метрология в идентификации квазикристаллов

Когда Аймс рассмотрел кристаллы под определенным углом, он увидел, что они обладают пятерной симметрией вращения. Это означает, что существует пять способов повернуть кристалл вокруг оси так, чтобы он выглядел одинаково.

«Пятерная симметрия встречается крайне редко. Это был явный признак того, что перед нами квазикристалл, — сказал Аймс. — Но мы не могли быть полностью уверены, пока не провели точные измерения». Чтобы подтвердить наличие квазикристалла, Аймсу пришлось аккуратно поворачивать образец под микроскопом и демонстрировать, что он также обладает тройной и двойной симметрией под разными углами.

«Теперь, когда мы сделали это открытие, я думаю, оно откроет новый подход к проектированию сплавов, — говорит Чжан. — Мы показали, что квазикристаллы могут увеличивать прочность алюминия. Теперь исследователи могут попытаться целенаправленно создавать их в будущих сплавах».

Дополнительная информация

• Какие еще металлы, кроме алюминия, могут образовывать квазикристаллы? - Квазикристаллы могут образовываться в сплавах магния, цинка, титана, железа и никеля, особенно в сочетании с другими элементами, такими как цинк-магниевые или титан-никелевые сплавы.

• Как пятерная симметрия вращения помогает отличить квазикристаллы от обычных кристаллов? - Обычные кристаллы имеют симметрию вращения 2-, 3-, 4- или 6-го порядка, тогда как квазикристаллы демонстрируют запрещенную в классической кристаллографии пятерную симметрию (5-го порядка), что является их ключевой отличительной чертой.

• Какие еще методы, кроме 3D-печати, могут создавать квазикристаллы в металлах? - Квазикристаллы можно получать методами быстрого охлаждения расплава (закалка), ионного легирования, электроосаждения, а также с помощью механического легирования (шарового помола).

---

Модели мозга на основе ИИ могут стать «цифровыми двойниками» в исследованиях

Подобно тому, как пилоты отрабатывают манёвры в авиасимуляторе, учёные вскоре смогут проводить эксперименты на реалистичной симуляции мозга мыши. В новом исследовании специалисты Stanford Medicine и их коллеги использовали модель искусственного интеллекта для создания «цифрового двойника» части мозга мыши, отвечающей за обработку зрительной информации.

Цифровой двойник обучался на больших массивах данных о мозговой активности, собранных из зрительной коры реальных мышей во время просмотра ими видеороликов.

Затем модель смогла предсказать реакцию десятков тысяч нейронов на новые видео и изображения.

Цифровые двойники могут упростить и ускорить изучение внутренних механизмов работы мозга.

«Если вы создаёте модель мозга и она очень точна, это означает, что можно проводить гораздо больше экспериментов», — сказал Андреас Толиас, доктор философии, профессор офтальмологии Stanford Medicine и старший автор исследования, опубликованного 10 апреля в журнале Nature. «Наиболее перспективные из них можно затем проверить на реальном мозге».

Ведущим автором исследования стал Эрик Ван, доктор философии, студент-медик Бейлорского медицинского колледжа.

Выход за пределы обучающей выборки

В отличие от предыдущих ИИ-моделей зрительной коры, которые могли симулировать реакцию мозга только на тот тип стимулов, который присутствовал в обучающих данных, новая модель способна предсказывать реакцию мозга на широкий спектр новых зрительных сигналов.

Она даже может определять анатомические особенности отдельных нейронов.

Новая модель относится к классу фундаментальных моделей (foundation models) — относительно новому типу ИИ, способному обучаться на больших массивах данных, а затем применять эти знания к новым задачам и типам данных — или, как говорят исследователи, «обобщать за пределами обучающей выборки».

(Примером такой модели является ChatGPT, который обучается на огромных объёмах текста, а затем понимает и генерирует новый текст.)

«Во многих смыслах семя интеллекта — это способность к устойчивому обобщению», — отметил Толиас.

«Конечная цель — святой Грааль — это обобщение для сценариев за пределами обучающей выборки».

Кино для мышей

Для обучения новой ИИ-модели исследователи сначала записали мозговую активность реальных мышей, когда те смотрели фильмы — созданные для людей.

Идеально, если эти фильмы будут приближены к тому, что мыши видят в естественной среде.

«Очень сложно подобрать реалистичное кино для мышей, потому что никто не снимает голливудские фильмы для них», — пояснил Толиас.

Но боевики оказались достаточно близки.

У мышей низкое разрешение зрения — похожее на наше периферическое — поэтому они в основном видят движение, а не детали или цвет.

«Мыши любят движение, которое сильно активирует их зрительную систему, поэтому мы показывали им фильмы с большим количеством действия», — сказал Толиас.

За множество коротких сеансов исследователи записали более 900 минут мозговой активности восьми мышей, смотревших фрагменты насыщенных действием фильмов, таких как «Безумный Макс». Камеры фиксировали их движения глаз и поведение.

Собранные данные использовались для обучения базовой модели, которую затем можно было адаптировать под цифрового двойника любой отдельной мыши с помощью небольшого дополнительного обучения.

Точные прогнозы

Эти цифровые двойники смогли с высокой точностью имитировать нейронную активность своих биологических прототипов в ответ на различные новые зрительные стимулы, включая видео и статичные изображения.

Ключом к успеху цифровых двойников, по словам Толиаса, стал большой объём агрегированных обучающих данных.

«Они были впечатляюще точны именно благодаря обучению на таких масштабных наборах данных».

Хотя модель обучалась только на данных о нейронной активности, она смогла обобщать и другие типы данных.

Цифровой двойник одной конкретной мыши смог предсказать анатомическое расположение и тип тысяч нейронов в зрительной коре, а также связи между ними.

Исследователи проверили эти прогнозы с помощью высокоточных изображений зрительной коры этой мыши, полученных электронным микроскопом. Эти данные были частью масштабного проекта по детальному картированию структуры и функций зрительной коры мыши.

Результаты этого проекта, известного как MICrONS, были опубликованы одновременно в Nature.

Открытие чёрного ящика

Поскольку цифровой двойник может функционировать гораздо дольше, чем живёт мышь, учёные смогут проводить практически неограниченное количество экспериментов на, по сути, одном и том же животном.

Эксперименты, которые раньше занимали годы, теперь можно завершить за часы, а миллионы опытов могут проводиться одновременно, ускоряя исследования того, как мозг обрабатывает информацию и каковы принципы интеллекта.

«Мы пытаемся, так сказать, открыть чёрный ящик — понять мозг на уровне отдельных нейронов или их групп и то, как они взаимодействуют для кодирования информации», — пояснил Толиас.

Фактически, новые модели уже дают новые insights. В другом связанном исследовании, также опубликованном в Nature, учёные использовали цифрового двойника, чтобы выяснить, как нейроны зрительной коры выбирают себе «партнёров» для формирования связей.

Ранее было известно, что похожие нейроны склонны соединяться — подобно людям, которые заводят дружбу.

Цифровой двойник показал, какие именно сходства наиболее важны.

Нейроны предпочитают соединяться с теми, кто реагирует на одинаковый стимул — например, на синий цвет — а не с теми, кто реагирует на ту же область зрительного пространства.

«Это как если бы человек выбирал друзей по интересам, а не по месту жительства», — сказал Толиас.

«Мы узнали это более точное правило организации мозга».

Исследователи планируют расширить моделирование на другие области мозга и на животных, включая приматов с более развитыми когнитивными способностями.

«В конечном итоге, я верю, что можно будет создать цифровых двойников хотя бы некоторых частей человеческого мозга», — сказал Толиас.

«Это только верхушка айсберга».

В работе также приняли участие исследователи из Гёттингенского университета и Allen Institute for Brain Science.

Исследование финансировалось Агентством перспективных исследовательских проектов в области разведки (IARPA), грантом National Science Foundation NeuroNex, Национальным институтом психического здоровья, Национальным институтом неврологических расстройств и инсульта (грант U19MH114830), Национальным институтом глазных болезней (гранты R01 EY026927 и Core Grant for Vision Research T32-EY-002520-37), Европейским исследовательским советом и Немецким научно-исследовательским сообществом.

Дополнительная информация

• Какие конкретные фильмы использовались для обучения модели и почему именно они? - Для обучения модели часто используются фильмы с высокой визуальной сложностью и разнообразием, такие как "Матрица" или "Властелин колец", чтобы охватить широкий спектр сцен и движений. Это помогает модели лучше обобщать визуальные данные.

• Как именно проект MICrONS собирал данные для картирования зрительной коры мыши? - Проект MICrONS использовал методы электронной микроскопии и двухфотонной визуализации для создания детальных 3D-карт нейронных связей в зрительной коре мыши, что позволяет изучать структуру и функции мозга на микроскопическом уровне.

• Какие существуют основные ограничения текущих цифровых двойников мозга? - Основные ограничения включают недостаточную точность моделирования нейронных связей, ограниченную вычислительную мощность для полного моделирования человеческого мозга и отсутствие полных данных о работе всех типов нейронов и их взаимодействиях.

---

На спутнике Сатурна Титане возможна жизнь, но в очень малых количествах, выяснили ученые

Титан, крупнейший спутник Сатурна, представляет собой странный инопланетный мир. Покрытый реками и озерами из жидкого метана, ледяными валунами и дюнами из похожего на сажу "песка", его рельеф давно привлекает внимание ученых и вызывает предположения о возможном существовании жизни под толстой дымчатой атмосферой спутника.

Международная группа исследователей под руководством Антонина Аффхолдера из Департамента экологии и эволюционной биологии Университета Аризоны и Питера Хиггинса из Департамента наук о Земле и планетах Гарвардского университета попыталась разработать реалистичный сценарий того, как может выглядеть жизнь на Титане, если она существует, где она наиболее вероятна и в каких количествах может присутствовать.

"В нашем исследовании мы сосредоточились на том, что делает Титан уникальным по сравнению с другими ледяными спутниками: его обильном органическом содержании", — сказал Аффхолдер, научный сотрудник постдокторантуры.

Используя биоэнергетическое моделирование, команда обнаружила, что подповерхностный океан Титана, глубина которого оценивается примерно в 300 миль (около 480 км), может поддерживать жизненные формы, потребляющие органический материал.

Опубликованное в The Planetary Science Journal исследование приходит к выводу, что хотя Титан потенциально может содержать простую микроскопическую жизнь, в целом он, вероятно, способен поддерживать лишь несколько фунтов биомассы (около 1-2 кг).

Часто описываемый как "похожий на Землю на поверхности, океанический мир внутри", Титан является целью будущих исследований в рамках миссии NASA Dragonfly.

Хотя многое предполагалось о возможных сценариях возникновения живых организмов на Титане, основанных на обильной органической химии спутника, предыдущие оценки страдали от того, что Аффхолдер считает чрезмерно упрощенным подходом.

"Существовало представление, что поскольку Титан имеет такое обилие органики, там нет недостатка в источниках пищи, которые могли бы поддерживать жизнь", — сказал Аффхолдер.

"Мы указываем, что не все эти органические молекулы могут служить источниками пищи, океан действительно огромен, и существует ограниченный обмен между океаном и поверхностью, где находится вся эта органика, поэтому мы выступаем за более тонкий подход."

В основе исследования лежит "возвращение к основам" — попытка разработать правдоподобный сценарий жизни на Титане, предполагающий один из самых простых и удивительных биологических метаболических процессов: ферментацию.

Знакомая землянам по использованию в приготовлении хлеба на закваске, пивоварении и — менее желательно — в порче забытых остатков еды, ферментация требует только органических молекул, но не "окислителя", такого как кислород, что является ключевым требованием для других метаболических процессов, таких как дыхание.

"Ферментация, вероятно, развилась рано в истории земной жизни и не требует от нас открытия дверей в неизвестные или спекулятивные механизмы, которые могли или не могли произойти на Титане", — сказал Аффхолдер, добавив, что жизнь на Земле могла впервые появиться, питаясь органическими молекулами, оставшимися после формирования Земли.

"Мы спросили: могут ли подобные микробы существовать на Титане?" — сказал Аффхолдер.

"Если да, то каков потенциал подповерхностного океана Титана для биосферы, питающейся, казалось бы, огромным запасом абиотических органических молекул, синтезированных в атмосфере Титана, накапливающихся на его поверхности и присутствующих в ядре?"

Исследователи специально сосредоточились на одной органической молекуле — глицине, простейшей из всех известных аминокислот.

"Мы знаем, что глицин был относительно распространен в любом виде первозданного вещества в Солнечной системе", — сказал Аффхолдер.

"Когда вы смотрите на астероиды, кометы, облака частиц и газа, из которых формируются звезды и планеты, подобные нашей Солнечной системе, мы находим глицин или его предшественники практически во всех этих местах."

Однако компьютерное моделирование показало, что лишь небольшая часть органического материала Титана может быть пригодна для потребления микробами.

Микробы, потребляющие глицин в океане Титана, зависели бы от постоянного поступления аминокислоты с поверхности через толстую ледяную оболочку.

Предыдущая работа той же команды показала, что метеориты, ударяющие по льду, могут оставлять после себя "лужи расплава" жидкой воды, которые затем просачиваются через лед и доставляют поверхностные материалы в океан.

"Наше новое исследование показывает, что это поступление может быть достаточным только для поддержания очень небольшой популяции микробов общей массой всего несколько килограммов максимум — эквивалентной массе маленькой собаки", — сказал Аффхолдер.

"Такая крошечная биосфера в среднем составляла бы менее одной клетки на литр воды по всему огромному океану Титана."

Для будущей миссии на Титан шансы найти жизнь — если она действительно там есть — могут быть подобны поиску иголки в стоге сена, если только потенциал для жизни на Титане не будет обнаружен в чем-то ином, чем его поверхностное органическое содержание, предполагает команда.

"Мы пришли к выводу, что уникально богатый органический запас Титана может на самом деле не играть той роли в обитаемости спутника, которую можно было бы интуитивно предположить", — сказал Аффхолдер.

Исследование финансировалось Международным институтом космических наук (ISSI) в Берне, Швейцария.

Дополнительная информация

• Какие другие небесные тела в Солнечной системе, кроме Титана, считаются потенциально обитаемыми? - Помимо Титана, к потенциально обитаемым небесным телам относят Европу (спутник Юпитера), Энцелад (спутник Сатурна) и Марс. На Европе и Энцеладе под ледяной корой могут существовать океаны жидкой воды, а на Марсе есть свидетельства наличия воды в прошлом и возможные подповерхностные резервуары.

• Как ферментация как метаболический процесс отличается от других типов биологических процессов, таких как фотосинтез или дыхание? - Ферментация — это анаэробный процесс, при котором органические вещества расщепляются без участия кислорода, выделяя энергию. В отличие от фотосинтеза (где энергия света преобразуется в химическую энергию) и дыхания (где используется кислород для полного окисления органики), ферментация менее эффективна и производит побочные продукты, такие как спирты или кислоты.

---

Чат-бот открывает вычислительную химию для неспециалистов

Современное программное обеспечение для вычислений упрощает квантово-химические исследования, автоматизируя многие процессы проведения молекулярного моделирования. Однако сложная архитектура этих программных пакетов зачастую ограничивает их использование теоретическими химиками, владеющими специализированными вычислительными методами.

Новая веб-платформа, разработанная в Университете Эмори, преодолевает это ограничение благодаря удобному чат-боту.

Этот бот шаг за шагом проводит неспециалистов через многоэтапный процесс настройки молекулярного моделирования и визуализации молекул в растворе.

Он позволяет любому химику — включая студентов-бакалавров — настраивать и выполнять сложные квантово-механические расчеты через чат-интерфейс.

Бесплатная общедоступная платформа под названием AutoSolvateWeb работает преимущественно на облачной инфраструктуре, что еще больше расширяет доступ к передовым вычислительным инструментам исследований.

Журнал Chemical Science опубликовал доказательство концепции AutoSolvateWeb, что знаменует значительный шаг в интеграции искусственного интеллекта в образование и научные исследования.

AutoSolvateWeb предназначена для настройки моделирования растворения определенного химического вещества (растворенного вещества) в другом веществе (растворителе), что приводит к образованию раствора (сольвата).

Результаты моделирования представляются в виде 3D-анимаций.

«Это немного похоже на микроскоп, дающий атомарный уровень детализации взаимодействия молекул в растворе», — объясняет Фанг Лю, доцент химии в Университете Эмори, руководившая разработкой AutoSolvateWeb.

Широкая доступность AutoSolvateWeb делает его ценным инструментом для создания больших высококачественных наборов данных, описывающих поведение молекул в растворе.

Такие данные служат основой для применения методов машинного обучения, способствуя инновациям в самых разных областях — от возобновляемой энергетики до здравоохранения.

«Наша цель — ускорить научные открытия», — говорит Фангнин Жэнь, соавтор статьи в Chemical Science и аспирант-химик Университета Эмори.

Первым автором публикации стал Рохит Гадде, бывший научный сотрудник Университета Эмори.

Среди других соавторов — Лэчэнь Дун (аспирант-химик Университета Эмори), Яо Ван (доцент химии Университета Эмори), Срилая Девагуптам (бывший приглашенный исследователь Университета Эмори) и Раджат Миттал (бывший аспирант Университета Клемсона).

Автоматизация сложных задач

Как теоретический химик, Лю возглавляет группу, специализирующуюся на вычислительной химии, включая моделирование и анализ свойств молекул и реакций в растворе.

Перед запуском квантово-химической программы для молекулы в растворе необходимо определить геометрию молекулы растворенного вещества, а также расположение и ориентацию окружающих молекул растворителя с помощью молекулярного моделирования.

Процесс настройки и выполнения таких расчетов сложен и трудоемок, что ограничивает частоту их проведения исследователями.

В 2022 году группа Лю разработала способ автоматизации многих из этих вычислений с помощью системы AutoSolvate.

Эта система сократила количество строк кода, которые вычислительный химик должен ввести в суперкомпьютер для запуска моделирования, с сотен до нескольких строк.

Помимо интерфейса командной строки для опытных теоретических химиков, AutoSolvate включал интуитивно понятный графический интерфейс, подходящий для аспирантов, обучающихся проведению расчетов.

AutoSolvateWeb развивает этот подход.

Расширение доступа

Благодаря работе преимущественно на облачной инфраструктуре AutoSolvateWeb устраняет проблемы с конфигурацией оборудования, дополнительно снижая порог входа в сложные вычислительные исследования.

Чат-бот общается на естественном языке, а не на компьютерном коде, в то время как AutoSolvateWeb автоматизирует программные процессы на серверной стороне.

«Химики могут тратить меньше времени на изучение программирования, чтобы сосредоточиться на конкретных проблемах, которые они хотят решить», — поясняет Лю.

«Мы также хотим дать студентам возможность самостоятельно проводить расчеты, чтобы они могли глубже понимать динамику молекул в растворе».

В отличие от чат-ботов на основе больших языковых моделей (LLM), таких как ChatGPT, чат-бот AutoSolvateWeb в основном работает по правилам.

Он не поддерживает разговор на любые тесты, как человек, а ориентирован на конкретные задачи, подобно ботам, используемым в службах поддержки, например, в онлайн-банкинге.

Бот предлагает пользователю ввести название интересующей молекулы, например, кофеина, затем выбрать растворитель, например, воду.

Система использует данные из PubChem — крупнейшей в мире базы данных свободно доступной химической информации, собранной Национальными институтами здравоохранения США.

Чат-бот шаг за шагом проводит пользователя через облачную среду, незаметно интегрируя множество программ с открытым исходным кодом, необходимых для рабочего процесса.

После автоматического расчета всех параметров AutoSolvateWeb отправляет результаты на суперкомпьютер Национального научного фонда США для создания моделирования.

Суперкомпьютер возвращает файл траектории. Пользователь может загрузить этот файл и с помощью ПО с открытым кодом преобразовать его в 3D-анимацию запрошенного моделирования.

Видеть — значит верить (и понимать)

AutoSolvateWeb способен изменить подход к преподаванию химии.

«По мере роста мощности компьютеров их роль в научных исследованиях становится все важнее», — отмечает Жэнь.

«Студентам-химикам необходимо знакомиться с компьютерным моделированием, чтобы успевать за изменениями в методах исследований».

В качестве примера образовательной ценности компьютерного моделирования он приводит сольватохромизм — метод анализа состава химических веществ в жидкости.

Студенты обычно изучают сольватохромизм в лабораторных работах, растворяя краситель Рейхардта в различных растворителях.

В зависимости от поглощения света раствор приобретает синий, красный, зеленый или желтый цвет.

Самое простое объяснение этого явления — изменение цвета связано с полярностью растворителя.

Изменения полярности по-разному стабилизируют основное состояние молекулы, что влияет на пик поглощения вдоль световой волны.

Сложнее объяснить исключения из этого правила. Иногда растворители сходной полярности дают разные цвета из-за образования водородных связей между растворенным веществом и растворителем.

«Чтобы полностью понять роль водородных связей в этом случае, студентам нужно провести компьютерное моделирование», — говорит Лю.

«Видеть — значит верить. Нужно непосредственно наблюдать за структурой в движении, чтобы понять процессы на микроскопическом уровне».

Такая детальная визуализация помогает студентам развивать критическое мышление, выходя за рамки заучивания учебных концепций к самостоятельным открытиям и их анализу.

«В науке нам важно не только понимать, что происходит, — добавляет Жэнь. — Нам нужно знать, почему это происходит».

Малые молекулы — большие данные

Лю и ее коллеги работают над расширением диапазона химических систем, которые может моделировать AutoSolvateWeb, выходя за пределы текущих ограничений, таких как использование только отдельных органических молекул в качестве растворенного вещества.

Они также улучшают способность платформы не только генерировать данные, но и хранить их, а также свободно обмениваться ими в химическом сообществе в открытом формате.

Исследователи надеются, что их новаторская работа по демократизации вычислительной химии вдохновит аналогичные инициативы в других естественных науках. Как объясняет Жэнь, их конечная цель — помочь объ

Дополнительная информация

• Какие основные различия между традиционными методами квантово-химических расчетов и подходом AutoSolvateWeb? - AutoSolvateWeb автоматизирует процессы моделирования сольватации, тогда как традиционные методы требуют ручного ввода параметров и сложных настроек.
• Какие конкретные научные области могут получить наибольшую выгоду от использования AutoSolvateWeb? - Фармацевтика, материаловедение и катализ, где важно точное моделирование взаимодействий растворителя с молекулами.
• Как именно облачные вычисления упрощают доступ к сложным химическим расчетам? - Они позволяют проводить ресурсоемкие расчеты без необходимости в локальном мощном оборудовании, используя удаленные серверы.
• Как водородные связи влияют на сольватохромизм? - Они изменяют электронную структуру молекул, что приводит к сдвигам в спектрах поглощения или излучения в разных растворителях.

---

Уникальный звук облегчает симптомы укачивания

Группа исследователей под руководством Такуми Кагавы и Масаши Като из Высшей школы медицины Университета Нагоя обнаружила, что использование «уникальной технологии звуковой стимуляции» — устройства, воздействующего на внутреннее ухо звуком определенной частоты, — уменьшает проявления укачивания. Даже одна минута стимуляции снижает шаткость походки и дискомфорт у людей, читающих в движущемся транспорте. Результаты, опубликованные в журнале Environmental Health and Preventive Medicine, указывают на простой и эффективный способ борьбы с этим распространенным недугом.

«Наше исследование показало, что кратковременная стимуляция с помощью уникального звука под названием sound spice® облегчает симптомы укачивания, такие как тошнота и головокружение», — заявил Кагава.

«Эффективный уровень звука находится в пределах обычного воздействия окружающего шума, что говорит о безопасности и действенности этой технологии».

Это открытие расширяет недавние данные о влиянии звука на внутреннее ухо.

Растущее количество доказательств свидетельствует, что стимуляция части внутреннего уха, отвечающей за равновесие, с помощью особого звука может улучшить баланс.

Используя модели на мышах и людях, исследователи определили, что оптимальной частотой является звук в 100 Гц.

«Вибрации уникального звука воздействуют на отолитовые органы внутреннего уха, которые отвечают за восприятие линейного ускорения и гравитации», — пояснил Като.

«Это говорит о том, что звуковая стимуляция может широко активировать вестибулярную систему, ответственную за поддержание равновесия и пространственной ориентации».

Для проверки эффективности устройства исследователи привлекли добровольцев, которые подвергались воздействию уникального звука.

После стимуляции укачивание вызывалось с помощью качелей, автомобильного симулятора или поездки в машине.

Ученые оценивали эффективность метода по показателям контроля осанки, данным ЭКГ и результатам опросника оценки симптомов укачивания.

Воздействие уникального звука перед тестированием в симуляторе вождения усиливало активацию симпатической нервной системы.

Исследователи обнаружили, что такие симптомы, как «головокружение» и «тошнота», часто возникающие при укачивании, уменьшались.

«Эти результаты показывают, что активация симпатических нервов, которые часто нарушаются при укачивании, объективно улучшалась благодаря воздействию уникального звука», — отметил Като.

«Риск для здоровья при кратковременном воздействии нашего звука минимален», — добавил Кагава.

«Учитывая, что уровень стимуляции значительно ниже стандартов безопасности шума на рабочих местах, при правильном использовании этот метод можно считать безопасным».

Результаты исследования указывают на безопасный и эффективный способ борьбы с укачиванием, который может помочь миллионам людей. Ученые планируют дальнейшую разработку технологии с целью ее практического применения в различных условиях путешествий, включая авиа- и морские перевозки.

---

Новая платформа доставки лекарств открывает путь к потенциальным методам лечения болезни Альцгеймера и других заболеваний мозга

Исследователи из Университета штата Орегон обнаружили способ доставки противовоспалительных препаратов через гематоэнцефалический барьер, что открывает перспективы для новых методов лечения ряда заболеваний, включая болезнь Альцгеймера, рассеянный склероз, болезнь Паркинсона и раковую кахексию.

Метод доставки основан на использовании специально разработанных наночастиц — крошечных частиц материи размером не более 100 миллиардных долей метра.

В тестах на мышиной модели двойные пептид-функционализированные полимерные наноносители достигли своей цели — гипоталамуса — и доставили препарат, подавляющий ключевой белок, связанный с воспалением.

«Наша работа представляет собой значительный прорыв», — заявил Олег Таратула, профессор Фармацевтического колледжа Университета штата Орегон.

Результаты исследования опубликованы сегодня в журнале Advanced Healthcare Materials.

Гипоталамус — это небольшая, но жизненно важная часть мозга, расположенная ниже таламуса и выше ствола мозга. Он играет ключевую роль в поддержании гомеостаза — внутреннего баланса организма.

Гипоталамус регулирует температуру тела, управляет циклами сна, выработкой гормонов и эмоциональными реакциями, а также контролирует чувство голода и жажды.

В этом исследовании ученые сосредоточились на гипоталамусе в контексте кахексии — смертельно опасного состояния потери веса, связанного с раком яичников, желудка, легких и поджелудочной железы, а также с другими хроническими заболеваниями, такими как почечная недостаточность, муковисцидоз, болезнь Крона, ревматоидный артрит и ВИЧ.

Люди с раковой кахексией теряют вес даже при питании, причем не только жировую, но и мышечную массу.

Это изнурительное состояние затрагивает до 80% пациентов с запущенными формами рака и является причиной смерти до 30% пораженных им онкологических больных.

«Воспаление гипоталамуса играет ключевую роль в нарушении регуляции аппетита и метаболизма у этих пациентов», — пояснил Таратула.

«По мере прогрессирования кахексии она значительно ухудшает качество жизни, переносимость лечения и общие шансы на выживание».

Системная доставка противовоспалительных агентов, включая ингибиторы IRAK4, использованные в этом исследовании, в гипоталамус представляет значительные трудности, отметил Таратула, главным образом из-за ограничительной природы гематоэнцефалического барьера.

Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) — это защитный барьер, отделяющий мозг от кровотока.

ГЭБ состоит из плотно упакованных клеток, выстилающих кровеносные сосуды мозга, и контролирует, какие вещества могут проникать из крови в мозг.

Он пропускает необходимые питательные вещества, такие как кислород и глюкозу, и блокирует вредные вещества, такие как токсины и патогены, защищая мозг от инфекций и повреждений.

Но он также может препятствовать проникновению терапевтических агентов.

«Дополнительная сложность, даже если удается преодолеть ГЭБ и достичь гипоталамуса, — это попадание точно в цель внутри гипоталамуса — активированные микроглиальные клетки, которые выступают ключевыми медиаторами воспаления», — сказал Таратула.

«Наши наноносители демонстрируют двойную способность к таргетированию, и как только они попадают в микроглию, высвобождение препарата запускается повышенными уровнями внутриклеточного глутатиона. Мы впервые продемонстрировали, что наноносители могут успешно доставить ингибитор IRAK4 в гипоталамус мышей с раковой кахексией».

Ученые наблюдали значительное снижение ключевых маркеров воспаления в гипоталамусе, а наноносители привели к увеличению потребления пищи на 94% и значительному сохранению массы тела и мышечной массы.

И последствия этого открытия выходят далеко за рамки раковой кахексии, добавил Таратула.

«Способность наноплатформы доставлять терапевтические средства через ГЭБ и таргетировать микроглию открывает новые возможности для лечения неврологических заболеваний, характеризующихся воспалением мозга, включая болезнь Альцгеймера и рассеянный склероз», — сказал он.

В исследовании вместе с Таратулой участвовали коллеги из Фармацевтического колледжа — Юн Тэ Гу, Владислав Григорьев, Татьяна Корзун, Конгбрайлатпам Шиталджит Шарма, Прем Сингх и Олена Таратула, а также Дэниел Маркс из Endevica Bio.

Исследование финансировалось Национальным институтом рака Национальных институтов здравоохранения, Национальным институтом детского здоровья и развития человека имени Юнис Кеннеди Шрайвер и Национальным исследовательским фондом Кореи.

Дополнительная информация

• Какие ещё существуют методы преодоления гематоэнцефалического барьера для доставки лекарств в мозг? - Помимо ультразвука, используют наночастицы, химическую модификацию препаратов для усиленного трансцитоза, временное открытие барьера с помощью маннитола, а также интраназальное введение.
• Как именно микроглиальные клетки участвуют в развитии нейровоспалительных заболеваний? - Микроглия, активируясь при повреждениях или инфекциях, выделяет провоспалительные цитокины (например, IL-1β, TNF-α), что приводит к хроническому воспалению, повреждающему нейроны, как при болезни Альцгеймера или рассеянном склерозе.

---

Загрязнение лекарствами изменяет миграцию лосося

В крупнейшем на сегодняшний день исследовании такого рода международная группа ученых изучила, как фармацевтическое загрязнение влияет на поведение и миграцию атлантического лосося.

Исследование, проведенное под руководством Шведского университета сельскохозяйственных наук, показало, что обычные уровни загрязнения клобазамом — препаратом, часто назначаемым при нарушениях сна — увеличивают успешность миграции молоди лосося из реки в море в естественных условиях.

Ученые также обнаружили, что клобазам сокращает время, необходимое молоди лосося для прохождения через две гидроэлектростанции на пути миграции — препятствия, которые обычно затрудняют успешную миграцию.

Доктор Маркус Микеланджели из Австралийского института рек Университета Гриффита, внесший значительный вклад в исследование, опубликованное в журнале Science, подчеркнул растущую угрозу фармацевтического загрязнения для дикой природы и экосистем во всем мире.

"Фармацевтические загрязнители становятся глобальной проблемой — в водоемах по всему миру уже обнаружено более 900 различных веществ", — сказал доктор Микеланджели.

"Особую озабоченность вызывают психоактивные вещества, такие как антидепрессанты и обезболивающие, которые могут существенно влиять на функции мозга и поведение диких животных".

Доктор Микеланджели отметил, что это исследование отличается от предыдущих работ своей ориентацией на реальные условия.

"Большинство предыдущих исследований воздействия фармацевтических загрязнителей на дикую природу проводились в контролируемых лабораторных условиях, которые не полностью отражают сложность природных сред", — пояснил он.

"Это исследование уникально, потому что оно изучает влияние этих загрязнителей на дикую природу непосредственно в естественной среде, что позволяет нам лучше понять, как воздействие влияет на поведение и миграцию животных в природном контексте".

"Хотя увеличение успешности миграции лосося, подвергшегося воздействию клобазама, может показаться положительным эффектом, важно понимать, что любые изменения естественного поведения и экологии вида могут иметь более широкие негативные последствия как для самого вида, так и для окружающего сообщества дикой природы".

Исследовательская группа использовала инновационные имплантаты с медленным высвобождением лекарств и радиопередатчики для отслеживания животных, чтобы изучить, как воздействие клобазама и опиоидного обезболивающего трамадола — еще одного распространенного фармацевтического загрязнителя — влияет на поведение и миграцию молоди атлантического лосося (Salmo salar) в шведской реке Даль при их миграции в Балтийское море.

Последующий лабораторный эксперимент также показал, что клобазам изменяет стайное поведение, что указывает на возможную связь наблюдаемых изменений миграции в дикой природе с вызванными препаратом изменениями социальной динамики и склонности к риску.

Доктор Микеланджели объяснил, что прогнозирование полного масштаба этих воздействий остается сложной задачей.

"Когда вы рассматриваете реалистичные сценарии воздействия, при котором загрязнению подвергается вся экосистема — включая множество видов и разнообразие загрязнителей — потенциальные последствия становятся еще более сложными", — сказал он.

Хотя недавнее сокращение численности атлантического лосося в основном связывают с переловом, потерей и фрагментацией мест обитания (что привело к его статусу находящегося под угрозой исчезновения), это исследование показывает, как фармацевтическое загрязнение также может влиять на ключевые события жизненного цикла мигрирующих рыб.

Доктор Микеланджели отметил, что многие фармацевтические препараты сохраняются в окружающей среде из-за плохой биоразлагаемости и недостаточной очистки сточных вод. Однако есть и положительные тенденции.

"Современные методы очистки сточных вод становятся все более эффективными в снижении фармацевтического загрязнения, а подходы "зеленой химии" демонстрируют многообещающий потенциал", — сказал он.

"Разрабатывая лекарства, которые быстрее разлагаются или становятся менее вредными после использования, мы можем значительно снизить воздействие фармацевтического загрязнения на окружающую среду в будущем".

Исследование "Фармацевтическое загрязнение влияет на речно-морскую миграцию атлантического лосося (Salmo salar)" опубликовано в журнале Science.

Дополнительная информация

• Какие еще психоактивные вещества, кроме клобазама и трамадола, чаще всего обнаруживаются в водоемах и как они влияют на водные экосистемы? - Помимо клобазама и трамадола, в водоемах часто обнаруживают антидепрессанты (например, флуоксетин), противовоспалительные препараты (ибупрофен, диклофенак), а также кофеин. Эти вещества могут нарушать поведение и репродуктивные функции водных организмов, например, вызывать феминизацию рыб или снижать их устойчивость к стрессу.

• Какие современные методы очистки сточных вод наиболее эффективны против фармацевтических загрязнителей? - Наиболее эффективными методами являются озонирование, активированный уголь (адсорбция) и мембранные технологии (например, нанофильтрация). Также перспективны методы продвинутого окисления (AOP), которые разрушают сложные молекулы фармпрепаратов до менее вредных соединений.

---

Ученые создали самую масштабную на сегодняшний день схему связей и функциональную карту мозга

Используя образец ткани размером не больше песчинки, ученые приблизились к цели, которая когда-то считалась недостижимой: построению полной функциональной схемы связей участка мозга. В 1979 году знаменитый молекулярный биолог Фрэнсис Крик заявил, что будет «невозможно создать точную схему связей для кубического миллиметра мозговой ткани и того, как все его нейроны активируются». Но за последние семь лет международная команда из более чем 150 нейробиологов и исследователей приблизила эту мечту к реальности.

Проект Machine Intelligence from Cortical Networks (MICrONS) создал самую детализированную на сегодняшний день схему связей млекопитающего.

Сегодня ученые опубликовали научные результаты (см. https://www.nature.com/collections/bdigiaicbd) этого масштабного ресурса данных в виде серии из десяти статей в журналах Nature.

Схема связей и ее данные, свободно доступные через MICrONS Explorer, занимают 1,6 петабайта (эквивалент 22 лет непрерывного HD-видео) и предлагают беспрецедентное понимание функций мозга и организации зрительной системы.

«Достижения MICrONS, опубликованные в этом специальном выпуске Nature, — это поворотный момент для нейронауки, сравнимый по преобразующему потенциалу с проектом „Геном человека“», — сказал Дэвид А. Марковиц, доктор философии, бывший руководитель программы IARPA, координировавший эту работу.

«Амбициозные инвестиции IARPA в программу MICrONS разрушили прежние технологические ограничения, создав первую платформу для изучения взаимосвязи между нейронной структурой и функцией в масштабах, необходимых для понимания интеллекта. Это достижение подтверждает наш целенаправленный исследовательский подход и закладывает основу для будущего масштабирования до уровня всего мозга».

Ученые из Медицинского колледжа Бейлора начали с использования специализированных микроскопов для записи активности мозга на участке зрительной коры мыши размером в один кубический миллиметр, пока животное смотрело различные фильмы и ролики YouTube.

Затем исследователи из Института Аллена взяли тот же кубический миллиметр мозга, нарезали его на более чем 25 000 слоев толщиной в 1/400 человеческого волоса и с помощью массива электронных микроскопов сделали высококачественные снимки каждого среза.

Наконец, команда Принстонского университета использовала искусственный интеллект и машинное обучение для реконструкции клеток и связей в трехмерном объеме.

В сочетании с записями мозговой активности результатом стала самая масштабная на сегодняшний день схема связей и функциональная карта мозга, содержащая более 200 000 клеток, четыре километра аксонов (отростков, соединяющихся с другими клетками) и 523 миллиона синапсов (точек соединения между клетками).

«Внутри этого крошечного фрагмента — целая архитектура, подобная изысканному лесу», — сказал Клэй Рид, доктор философии, старший исследователь и один из первых основателей коннектомики с использованием электронной микроскопии, который привнес это направление науки в Институт Аллена 13 лет назад.

«Здесь есть всевозможные правила связей, которые мы знали из разных областей нейронауки, и в самой реконструкции мы можем проверить старые теории и надеемся найти новые вещи, которые никто раньше не видел».

Новый взгляд на функции и организацию мозга

Результаты исследований выявили новые типы клеток, их характеристики, организационные и функциональные принципы, а также новый способ классификации клеток.

Среди самых удивительных открытий — обнаружение нового принципа торможения в мозге.

Раньше ученые считали тормозные клетки (те, что подавляют нейронную активность) простой силой, ослабляющей действие других клеток.

Однако исследователи обнаружили гораздо более сложный уровень коммуникации: тормозные клетки действуют не случайным образом, а избирательно выбирают, какие возбуждающие клетки подавлять, создавая общесетевую систему координации и сотрудничества.

Некоторые тормозные клетки работают вместе, подавляя несколько возбуждающих клеток, тогда как другие действуют более точно, нацеливаясь только на определенные типы.

«Во многих смыслах это будущее», — объяснил Андреас Толиас, доктор философии, один из ведущих ученых, работавших над этим проектом в Медицинском колледже Бейлора и Стэнфордском университете.

«MICrONS станет вехой, где мы создадим фундаментальные модели мозга, охватывающие множество уровней анализа — от поведенческого уровня до уровня представления нейронной активности и даже молекулярного уровня».

Значение для науки и медицины

Понимание формы и функций мозга, а также возможность анализировать детальные связи между нейронами в беспрецедентном масштабе открывают новые перспективы для изучения мозга и интеллекта.

Это также имеет значение для таких расстройств, как болезнь Альцгеймера, Паркинсона, аутизм и шизофрения, связанных с нарушениями нейронной коммуникации.

«Если у вас сломанное радио и есть его схема, у вас будет больше шансов его починить», — сказал Нуну да Кошта, доктор философии, заместитель руководителя исследований в Институте Аллена.

«Мы описываем что-то вроде карты Google или чертежа этой песчинки. В будущем мы сможем использовать это для сравнения схемы связей в мозге здоровой мыши со схемой в модели заболевания».

Международное сотрудничество

Проект MICrONS — это совместная работа более 150 ученых и исследователей из Института Аллена, Принстона, Гарварда, Медицинского колледжа Бейлора, Стэнфорда и многих других учреждений.

«Для такого масштабного командного научного проекта требуется много сотрудничества», — сказал Форрест Коллман, доктор философии, заместитель директора по данным и технологиям в Институте Аллена.

«Это требует от людей способности мечтать о большом и соглашаться решать проблемы, которые не имеют очевидного решения. Именно так происходят проры».

Совместные глобальные усилия стали возможны благодаря поддержке Агентства передовых исследовательских проектов в области разведки (IARPA) и инициативы BRAIN Initiative® Национальных институтов здравоохранения США.

«Инициатива BRAIN играет ключевую роль в объединении ученых из разных дисциплин для выполнения сложных исследований, которые невозможно провести в одиночку», — сказал Джон Нгай, доктор философии, директор BRAIN Initiative®. «Фундаментальные научные блоки, такие как схема связей мозга, — это основа, необходимая нам для лучшего понимания травм и заболеваний мозга, чтобы приблизить методы лечения к клиническому применению».

Карта нейронной связности, формы и функций участка мозга размером с песчинку — это не только научное чудо, но и шаг к пониманию неуловимых истоков мысли, эмоций и сознания.

«Невозможная» задача, впервые представленная Фрэнсисом Криком в 1979 году, теперь на шаг ближе к реальности.

Подробнее см.:

Дополнительная информация

• Какой объем данных обычно требуется для подобных исследований мозга и чем отличается масштаб проекта MICrONS? - Обычные исследования используют терабайты данных, тогда как MICrONS обработал 1,4 петабайта (1 петабайт = 1000 терабайт), что эквивалентно 30 миллионам фотографий.
• Какие технологии искусственного интеллекта использовались для реконструкции нейронных связей и почему они были выбраны? - Применялись алгоритмы компьютерного зрения и глубокого обучения, так как они эффективно анализируют 3D-изображения нейронов и автоматизируют поиск синаптических связей.
• Как именно нарушения нейронной коммуникации связаны с такими заболеваниями, как аутизм и шизофрения? - При этих заболеваниях наблюдаются аномалии в плотности синапсов и передаче сигналов, что приводит к когнитивным искажениям: при аутизме — к гиперчувствительности, при шизофрении — к нарушению фильтрации информации.

---

«Скрытые галактики»: ключ к разгадке некоторых тайн Вселенной

Астрономы заглянули в прошлое и обнаружили, что, похоже, существует популяция «скрытых» галактик, которые могут помочь раскрыть некоторые тайны Вселенной.

Если их существование подтвердится, это «фактически разрушит текущие модели количества и эволюции галактик».

Эти потенциальные галактики также могут предоставить недостающий элемент пазла, объясняющий генерацию энергии во Вселенной в инфракрасном диапазоне.

Дело в том, что их совокупный свет был бы достаточен, чтобы довести энергетический баланс Вселенной до максимального наблюдаемого уровня, фактически объясняя все оставшееся излучение на этих длинных волнах.

Возможные свидетельства существования таких галактик были обнаружены на самом глубоком из когда-либо полученных изображений Вселенной в дальнем инфракрасном диапазоне, которое содержит почти 2000 далеких галактик и было создано группой исследователей под руководством STFC RAL Space и Имперского колледжа Лондона.

Доктор Крис Пирсон из STFC RAL Space является ведущим автором одной из двух статей, опубликованных сегодня в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Он сказал: «Эта работа довела научные возможности телескопа «Гершель» до абсолютного предела, исследуя области далеко за пределами того, что мы обычно можем различить, и потенциально открывая совершенно новую популяцию галактик, которые вносят вклад в самое слабое излучение, которое мы можем наблюдать во Вселенной».

Команда исследователей создала это глубокое изображение Вселенной, наложив друг на друга 141 снимок с использованием данных инструмента SPIRE обсерватории «Гершель» — миссии Европейского космического агентства, работавшей с 2009 по 2013 год.

Полученное изображение Herschel-SPIRE Dark Field стало самым глубоким из когда-либо сделанных в дальнем инфракрасном диапазоне — в пять раз глубже, чем предыдущее самое глубокое одиночное наблюдение «Гершеля», и как минимум в два раза глубже, чем любая другая область неба, наблюдаемая этим телескопом.

Наложение изображений позволило астрономам увидеть самые пыльные галактики, где в космосе формируется большинство новых звезд.

Это также позволило им отследить, как количество галактик меняется в зависимости от яркости, и измерить вклад каждой из них в общий энергетический баланс Вселенной.

Однако изображение было настолько глубоким, а обнаруженных галактик так много, что отдельные объекты начали сливаться и становиться неразличимыми друг от друга.

Как пояснил Томас Варниш, аспирант Массачусетского технологического института (MIT) и ведущий автор второй статьи, это затруднило извлечение информации.

«Мы применили статистические методы, чтобы обойти эту проблему перенаселенности, анализируя самые размытые части изображения для исследования и моделирования распределения галактик, которые невозможно различить по отдельности на исходном изображении», — сказал г-н Варниш, который провел большую часть своих исследований в качестве летнего стажера в Имперском колледже Лондона и RAL Space.

«Мы обнаружили возможные свидетельства существования совершенно новой, ранее неизвестной популяции слабых галактик, скрытых в размытости изображения, слишком тусклых, чтобы их можно было обнаружить традиционными методами в первоначальном анализе.

Если это подтвердится, эта новая популяция фактически разрушит все наши текущие модели количества и эволюции галактик».

Исследователи теперь надеются подтвердить существование потенциально новой группы галактик с помощью телескопов, работающих на других длинах волн.

Их цель — расшифровать природу этих слабых, пыльных объектов и их значение в глобальной схеме эволюции нашей Вселенной.

Доктор Пирсон сказал: «Когда мы смотрим на звездный свет через обычные телескопы, мы можем прочитать только половину истории нашей Вселенной — другая половина скрыта, заслонена межзвездной пылью.

Фактически, примерно половина энергетического выхода Вселенной приходится на звездный свет, который был поглощен пылью и переизлучен в виде более холодного инфракрасного излучения. Чтобы полностью понять эволюцию нашей Вселенной, нам нужно наблюдать небо как в оптическом, так и в инфракрасном диапазоне длинных волн».

Обсерватория «Гершель» была предназначена для наблюдения Вселенной в инфракрасном диапазоне, а ее инструмент SPIRE охватывал самые длинные волны.

Как и любой научный инструмент в космосе, SPIRE также требовал регулярных наблюдений для калибровки и примерно раз в месяц в течение четырехлетней миссии фиксировал один и тот же участок «темного неба».

«Гершель» удерживал рекорд самого большого инфракрасного космического телескопа, пока в 2021 году его не превзошел космический телескоп Джеймса Уэбба.

Астрофизик из Имперского колледжа Лондона доктор Дэвид Клементс, также участвовавший в исследовании, добавил: «Эти результаты показывают, насколько ценен архив «Гершеля».

Мы до сих пор получаем великолепные новые результаты более чем через 10 лет после прекращения работы спутника.

Однако мы не можем получить новые данные на этих длинах волн для продолжения этих захватывающих новых исследований. Для этого нам нужна миссия следующего поколения в дальнем инфракрасном диапазоне — PRIMA, которая в настоящее время предлагается NASA».

Миссия Probe far-Infrared Mission for Astrophysics (PRIMA) поддерживается консорциумом Великобритании, включающим RAL Space, Университет Сассекса, Имперский колледж Лондона и Кардиффский университет.

Она предполагает использование 1,8-метрового телескопа, оптимизированного для дальнего инфракрасного изображения и спектроскопии, что заполнит пробел между существующими обсерваториями, такими как космический телескоп Джеймса Уэбба, и радиотелескопами.

PRIMA — одна из двух миссий, вошедших в шорт-лист следующей зондирующей миссии NASA стоимостью 1 миллиард долларов (772 миллиона фунтов). Американское космическое агентство объявит окончательный выбор миссии в 2026 году.

Дополнительная информация

• Как межзвездная пыль влияет на нашу способность наблюдать галактики в оптическом диапазоне? - Межзвездная пыль поглощает и рассеивает свет в оптическом диапазоне, делая далекие галактики менее яркими и искажая их цвета. Это явление известно как "покраснение" (extinction).

• Какие преимущества имеет дальний инфракрасный диапазон для изучения ранней Вселенной по сравнению с другими диапазонами? - Дальний инфракрасный диапазон позволяет наблюдать объекты, излучающие тепло, такие как пыль и холодный газ, которые не видны в оптическом диапазоне. Это особенно полезно для изучения ранней Вселенной, где многие галактики скрыты пылью.

• Как миссия PRIMA может дополнить данные, полученные телескопом Джеймса Уэбба? - Миссия PRIMA (PRobe far-Infrared Mission for Astrophysics) будет работать в дальнем инфракрасном диапазоне, дополняя данные JWST, который в основном работает в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне. Это позволит изучать более холодные объекты и пыль, которые JWST не может детектировать.

---

Древняя окаменелость проливает свет на загадку эволюции: разгадка вековой тайны членистоногих

Более века членистоногое кембрийского периода Helmetia expansa оставалось загадкой. Обнаруженное палеонтологом Чарльзом Дулиттлом Уолкоттом в 1918 году, оно изначально было классифицировано как ракообразное. Несмотря на частые упоминания в научных работах, этот вид так и не был формально описан, и лишь один экземпляр когда-либо был изображен.

Теперь в новом исследовании, опубликованном в Journal of Systematic Palaeontology, ученые из Гарварда под руководством Сары Лоссо, постдокторанта кафедры организменной и эволюционной биологии, дали первое формальное описание Helmetia expansa, предложив новые данные о его анатомии, поведении и эволюционных связях.

Helmetia expansa принадлежит к редкой группе ранних членистоногих под названием concilitergans — близких родственников трилобитов.

В отличие от трилобитов, concilitergans не имели кальцинированных экзоскелетов, поэтому их останки сохранились только в исключительных условиях — таких как в 508-миллионолетних сланцах Бёрджес в Канаде, где окаменели даже мягкие ткани, включая кишечник, ноги и жабры.

Хотя было собрано больше образцов, лишь один экземпляр Helmetia expansa был изображен, и ни одно исследование не изучило дополнительный материал подробно, чтобы формально описать вид или прояснить эволюцию concilitergans.

"Нам нужно изучить больше одного экземпляра, чтобы увидеть полный диапазон морфологии и сохранности вида", — сказала Лоссо.

Команда исследовала 36 образцов из кембрийского периода сланцев Бёрджес в Канаде, хранящихся в Смитсоновском институте и Королевском музее Онтарио.

Они фотографировали образцы как в сухом, так и в мокром состоянии, используя поляризационный фильтр, который лучше выявляет тонкие детали и фазы вымирания, и сравнивали их с родственными видами из биоты Чэнцзян в Китае и одного экземпляра из раннекембрийского местонахождения Сириус-Пассет в Гренландии.

Helmetia имела листовидный экзоскелет, причем у некоторых экземпляров сохранились глаза, срединные глаза, пищеварительная система и конечности.

Ранние членистоногие обладали конечностями с ходильной ногой для передвижения и захвата пищи, а также жабрами для дыхания.

На голотипе видны только жабры — что заставило прежних исследователей полагать, что Helmetia не имела ног и передвигалась исключительно вплавь.

Однако команда обнаружила широкие жабры и ходильные ноги у нескольких экземпляров, показав, что, вероятно, оно ходило подобно трилобитам.

Еще более удивительными стали два экземпляра, застигнутых на ранних стадиях линьки — поведение, ранее не документированное у concilitergans.

"Стратегии линьки никогда не были известны ни у одного concilitergan", — отметила Лоссо.

"Все членистоногие сбрасывают твердый экзоскелет для роста, но никто не наблюдал этого поведения у concilitergans, потому что нужно застать экземпляр в процессе линьки, а это требует идеального совпадения времени".

Экземпляры в процессе линьки показывают, что новый экзоскелет ближе к краю головы, что предполагает выход животного из передней части тела — аналогично мечехвостам, которые используют переднюю стратегию выхода, в отличие от большинства крабов, выходящих сзади.

Исследователи также обнаружили широкий диапазон размеров взрослых особей по мере роста Helmetia.

Если самый маленький экземпляр имел длину всего 92 миллиметра, то один превышал 180 миллиметров.

"Эти данные говорят нам не только о том, как росли эти 508-миллионолетние животные, но и о том, каких размеров они могли достигать", — пояснила Лоссо.

На основе обновленной интерпретации морфологии Helmetia expansa исследователи подтвердили существование двух основных групп helmetiids: Helmediidae (включая Helmetia expansa, характеризующуюся границами сегментов и боковыми шипами) и Tegopeltidae (отличающейся слиянием сегментов и отсутствием шипов).

Также ученые отнесли вид Arthroaspis bergstroemi, известный из Гренландии с 2013 года, к группе Conciliterga.

"Наши открытия дают гораздо более полное представление о том, как выглядела Helmetia, как она жила и как concilitergans связаны между собой", — заключила Лоссо. — "Это очень важно для будущих исследований Conciliterga и других ранних членистоногих".

Дополнительная информация

• Какие современные животные являются ближайшими родственниками concilitergans? - Ближайшие современные родственники concilitergans - это панцирные моллюски (хитоны) и некоторые группы членистоногих, такие как мечехвосты.
• Почему сланцы Бёрджес так хорошо сохраняют мягкие ткани? - Сланцы Бёрджес сохраняют мягкие ткани благодаря быстрому захоронению организмов под слоем мелкозернистого ила, который создавал бескислородную среду и предотвращал разложение.

---

Полная карта человеческой клетки

Ученые пытались составить карту человеческой клетки с момента изобретения первого микроскопа более 400 лет назад. Однако многие ее компоненты до сих пор остаются неизученными.

«Мы знаем каждый из белков, существующих в наших клетках, но то, как они взаимодействуют, чтобы выполнять функции клетки, во многих типах клеток остается в значительной степени неизвестным», — сказала Лия Шаффер, доктор философии, научный сотрудник Калифорнийского университета в Сан-Диего (UC San Diego School of Medicine).

Теперь Шаффер и ее коллеги из UC San Diego — в сотрудничестве с исследователями из Стэнфордского университета, Гарвардской медицинской школы и Университета Британской Колумбии — создали всеобъемлющую интерактивную карту клеток U2OS, связанных с педиатрическими костными опухолями. Они объединили микроскопическую визуализацию высокого разрешения и биофизические взаимодействия белков, чтобы отобразить субклеточную архитектуру и белковые комплексы в клетке. Карта выявила ранее неизвестные функции белков и поможет ученым понять, как мутировавшие белки способствуют развитию заболеваний, таких как детские раковые опухоли. Она также послужит ориентиром для создания карт других типов клеток. Исследование будет опубликовано 9 апреля 2025 года в журнале Nature.

«Основываясь на базовых знаниях о клеточной биологии и учебных изображениях клеток, можно подумать, что мы понимаем о клетке всё. Но удивительно то, что ни для одного типа человеческих клеток у нас нет полного каталога компонентов и инструкции по их сборке», — отметил соавтор исследования Трей Айдекер, доктор философии, профессор медицины, адъюнкт-профессор инженерной школы Джейкобса и сотрудник Онкологического центра Мура при UC San Diego.

Исследователи использовали метод аффинной очистки, чтобы выделить отдельные белки и зафиксировать их взаимодействия с другими белками. Кроме того, они проанализировали более 20 000 изображений внутренней части клеток, помеченных флуоресцентным красителем, чтобы определить местоположение интересующих белков из Атласа человеческого протеома. Объединение этих данных для более чем 5100 белков выявило 275 различных белковых комплексов разного размера в клетках U2OS.

«Исторически ученые придерживались идеи, что один ген кодирует один белок, выполняющий одну функцию, — сказала соавтор исследования Эмма Лундберг, доктор философии, доцент биоинженерии и патологии Стэнфордского университета. — Однако сейчас известно все больше многофункциональных белков, и хотя мы, вероятно, все еще недооцениваем их количество, это исследование демонстрирует важность интеграции мультимодальных данных для выявления этих многофункциональных свойств».

Ученые обнаружили 975 ранее неизвестных функций белков на карте. Например, согласно исследованию, белок C18orf21, недавно открытый и ранее не имевший известной функции, по-видимому, участвует в обработке РНК, а белок DPP9, известный своей способностью разрезать другие белки в определенных областях, связан с интерфероновой сигнализацией, важной для борьбы с инфекциями.

Модель опиралась на обширную базу знаний, полученную из научной литературы о белках, пояснила соавтор исследования Клара Ху, докторант по биомедицинским наукам в лаборатории Айдекера. Исследователи использовали GPT-4 — инструмент искусственного интеллекта на основе большой языковой модели, аналогичный ChatGPT, — чтобы определить функции отдельных белков и их взаимодействие в белковых комплексах. Это заняло лишь малую часть времени, которое потребовалось бы человеку, отметила Ху. Этот инструмент анализа на основе GPT-4, недавно опубликованный в Nature Methods, обобщил общую тему каждого белкового комплекса и предложил названия для них, которые были использованы в клеточной карте.

«Мы смогли беспристрастно изучить, как эти компоненты взаимодействуют друг с другом и как рассматривать их в контексте заболеваний», — сказала Шаффер.

Фактически, размещая мутировавшие белки на клеточной карте, исследователи смогли идентифицировать 21 комплекс, часто мутирующий при детских раковых заболеваниях. В рамках этих групп 102 мутировавших белка оказались тесно связаны с развитием рака, как показало исследование. Эти выводы имеют значение для проведения исследований рака на молекулярном и клеточном уровнях.

«Нам нужно перестать рассматривать отдельные мутации, которые встречаются крайне редко, спорадически и почти никогда не повторяются одинаково, и начать изучать общие механизмы внутри клеток, которые нарушаются или захватываются этими мутациями», — сказал Айдекер.

Шаффер сравнила изучение карты клеток U2OS с навигацией по географической карте в интернете.

«Вы можете исследовать, увеличивать масштаб и видеть, какие белки входят в эти различные сообщества, а затем определять, где эти сообщества расположены», — пояснила она.

«По мере увеличения разрешения можно увидеть еще больше деталей», — добавила Ху. В настоящее время команда работает над дальнейшим улучшением карты, чтобы пользователи могли увеличивать ее с высоким разрешением настолько, насколько захотят.

Исследователи считают, что атлас клеток U2OS не только поможет лучше понять детские раковые заболевания, но и послужит шаблоном для ученых, которые хотят составить карты других типов клеток, использовать инструменты искусственного интеллекта для изучения функций малоизученных белков и белковых комплексов, а также расшифровать механизмы, лежащие в основе самых разных патологических процессов.

Среди других соавторов исследования: Гэгэ Цянь, Дороти Цай, Николь М. Мэттсон, Кэтрин Ликон, Робин Бэчелдер, Юэ Цинь, Сяоюй Чжао, Кристофер Чурас, Джоанна Ленкевич, Цзин Чэнь из Калифорнийского университета в Сан-Диего; Кей Оно, Питер Заге (также UC San Diego); Кён-Ми Мун и Леонард Дж. Фостер из Университета Британской Колумбии; Абантика Пал, Нилеш Сони, Эндрю П. Лэтэм, Аджи Палар, Андрей Сали и Игнасия Эчеверрия из Калифорнийского университета в Сан-Франциско; Стивен П. Гиджи, Лора Понтано Вайтс, Эдвард Л. Хаттлин и Дж. Уэйд Харпер из Гарвардской медицинской школы; Энтони Чесник, Ишан Гаур, Чанг Ле, Уильям Лайневебер, Эрнст Пульидо из Стэнфордского университета.

Исследование частично финансировалось Национальными институтами здравоохранения (NIH) (гранты: Bridge2AI Program OT2 OD032742, U54 CA274502, R01GM083960, P41GM109824, U24 HG006673), Schmidt Futures, Фондом Валленберга (2021.0346) и Фондом Гёрана Густафссона.

Дополнительная информация

• Какие методы, кроме аффинной очистки и флуоресцентной микроскопии, используются для изучения белковых взаимодействий в клетках? - Для изучения белковых взаимодействий также применяются методы ко-иммунопреципитации (Co-IP), дрожжевой двухгибридной системы, масс-спектрометрии, FRET (Förster resonance energy transfer) и биохимические методы, такие как pull-down анализы.
• Как GPT-4 отличается от других инструментов ИИ в анализе биологических данных? - GPT-4 обладает улучшенной способностью обрабатывать и интерпретировать сложные биологические данные благодаря большему объему обучающих данных и более продвинутым алгоритмам, что позволяет ему лучше понимать контекст и выявлять скрытые закономерности.
• Какие другие типы клеток, кроме U2OS, планируют картографировать с помощью этого подхода? - Планируется картографировать различные типы клеток, включая клетки HeLa, HEK293, а также первичные клетки, такие как фибробласты и нейроны, для более полного понимания белковых взаимодействий в разных клеточных контекстах.

---

Генетическое разнообразие мамонтов на протяжении последнего миллиона лет

Новое геномное исследование выявило давно утраченное генетическое разнообразие в линиях мамонтов, охватывающее более миллиона лет, что дает новые данные об эволюционной истории этих животных.

В ходе исследования ученым удалось извлечь и проанализировать 34 новых митохондриальных генома (митогенома) мамонтов, включая образцы, относящиеся к раннему и среднему плейстоцену. Всего 11 образцов происходят из этих периодов, их возраст варьируется от 1,3 миллиона до 125 000 лет назад. Результаты, опубликованные в журнале Molecular Biology and Evolution, проливают свет на эволюционную историю мамонтов и демонстрируют возможности древней ДНК в изучении генетического разнообразия прошлого.

"Наш анализ дает беспрецедентное представление о том, как крупные демографические события глубокого прошлого могли формировать генетическое разнообразие мамонтов с течением времени", — говорит доктор Х. Камило Чакон-Дуке, исследователь из отдела зоологии Стокгольмского университета и Центра палеогенетики, ведущий автор исследования.

Миллион лет эволюции мамонтов

Большая часть современного биоразнообразия сформировалась за последние 2,5 миллиона лет. Для понимания эволюционных процессов, сформировавших это разнообразие, необходим доступ к генетической информации за этот период. До сих пор лишь немногие образцы ДНК преодолевали 100-тысячелетний рубеж из-за проблем с сохранностью. Восстановив ДНК из образцов мамонтов, охватывающих более миллиона лет, это исследование демонстрирует важность временного отбора проб для характеристики эволюционной истории видов.

Проанализировав новые митогеномы вместе с более чем 200 ранее опубликованными митогеномами мамонтов, исследователи обнаружили, что события диверсификации в линиях мамонтов, по-видимому, совпадают с хорошо описанными демографическими изменениями в раннем и среднем плейстоцене. Их выводы подтверждают древнее сибирское происхождение основных линий мамонтов и раскрывают, как изменения в динамике популяций могли способствовать расширению и сокращению различных генетических клад.

"С постоянно снижающейся стоимостью технологий секвенирования митогеномы были несколько забыты. Однако наше исследование показывает, что они по-прежнему имеют решающее значение для эволюционной биологии, поскольку они более многочисленны, чем ядерная ДНК", — говорит доктор Джессика А. Томас Торп, исследователь из Института генома Wellcome Sanger (Великобритания) и соавтор исследования.

Большой вклад в эволюционную биологию

Исследование не только углубляет наше понимание эволюции мамонтов, но и вносит вклад в более широкую область исследований древней ДНК. Команда разработала и применила усовершенствованную систему молекулярных часов, уточнив, как генетические данные могут использоваться для определения возраста образцов за пределами пределов радиоуглеродного датирования. Это методологическое достижение предлагает мощный инструмент для будущих исследований вымерших и находящихся под угрозой исчезновения видов.

"Эти результаты дополняют нашу предыдущую работу, где мы впервые сообщили о миллионолетних геномах. Я очень рад, что теперь у нас есть генетические данные от гораздо большего количества образцов мамонтов, охватывающих последний миллион лет, что помогает нам понять, как менялось разнообразие мамонтов с течением времени", — сказал старший автор исследования профессор Лов Дален из Стокгольмского университета и Центра палеогенетики.

---

Средиземноморские охотники-собиратели совершали дальние морские путешествия задолго до появления первых земледельцев

Долгое время считалось, что небольшие удалённые острова были последними нетронутыми уголками природы. Предполагалось, что люди не могли достичь или заселить эти территории до возникновения земледелия и связанных с ним технологических изменений.

Однако новое исследование, опубликованное в журнале Nature, свидетельствует, что охотники-собиратели пересекали как минимум 100 километров открытого моря, чтобы достичь острова Мальта 8500 лет назад — за тысячу лет до появления первых земледельцев.

Эта работа документирует самые ранние подтверждённые дальние морские путешествия в Средиземноморье, совершённые до изобретения парусных судов — впечатляющее достижение для охотников-собирателей, вероятно, использовавших простые долблёные каноэ.

«Опираясь на морские течения, преобладающие ветры, а также ориентиры, звёзды и другие методы навигации, пересечение примерно 100 км было возможно при скорости около 4 км/ч. Даже в самый длинный день года эти мореплаватели провели бы несколько часов в темноте в открытом море», — объясняет профессор Николас Велла из Университета Мальты, соавтор исследования.

Открытия были сделаны научным консорциумом под руководством профессора Элеоноры Счерри из Института геоантропологии Макса Планка (MPI-GEA) и Университета Мальты.

В пещере Латния на севере Мальты, в районе Мелиха, исследователи обнаружили следы пребывания людей в виде каменных орудий, очагов и остатков приготовленной пищи.

«Мы нашли множество свидетельств охоты на диких животных, включая благородного оленя, который, как считалось, к тому времени уже вымер, — говорит профессор Счерри. — Они охотились и готовили этих оленей вместе с черепахами и птицами, включая очень крупные, ныне исчезнувшие виды».

Кроме того, исследователи обнаружили явные признаки использования морских ресурсов.

«Мы нашли останки тюленей, различных рыб, включая групера, а также тысячи съедобных морских брюхоногих моллюсков, крабов и морских ежей — все они несомненно были приготовлены», — добавляет доктор Джеймс Блинкхорн из Ливерпульского университета и MPI-GEA, один из авторов исследования.

Эти открытия также ставят вопросы о вымирании эндемичных животных на Мальте и других небольших удалённых островах Средиземноморья, а также о возможных связях между мезолитическими сообществами через мореплавание.

«Результаты добавляют тысячу лет к доисторическому периоду Мальты и заставляют пересмотреть мореходные способности последних охотников-собирателей Европы, их связи и влияние на экосистемы», — отмечает профессор Счерри.

Исследование проводилось при поддержке Управления по культурному наследию Мальты и финансировалось Европейским исследовательским советом и премией Research Excellence Award Университета Мальты.

---

Ученые выяснили, почему пластик выделяет опасные частицы

Мир заполнен триллионами микро- и наночастиц пластика. Они могут быть меньше вируса — как раз такого размера, чтобы проникать в клетки и даже изменять ДНК. Исследователи находят их практически повсюду: от снега Антарктиды до человеческой крови.

В новом исследовании ученые описали молекулярный процесс, из-за которого эти мелкие частицы откалываются в таких огромных количествах.

С момента появления на рынке 75 лет назад пластик стал повсеместным — и, предположительно, нанопластик тоже.

Как выяснилось, свойства, которые делают пластик прочным и гибким, также делают его склонным к образованию нанопластика. Это относится к 75-80% всех используемых пластиков, которые в научном сообществе называют полукристаллическими полимерами.

Исследование возглавил Санат Кумар, профессор химической инженерии Колумбийской школы инженерии и прикладных наук имени Майкла Быховского и Чаро Гонсалес-Быховской.

Если посмотреть на кусок пластика под мощным микроскопом, можно увидеть чередующиеся слои твердого и мягкого материала.

В твердых слоях молекулы пластика жестко организованы в прочные кристаллические структуры.

В мягких слоях молекулы не имеют структуры и образуют мягкую аморфную массу.

Когда тысячи таких слоев складываются вместе, они создают материал, который легкий, прочный и чрезвычайно универсальный.

Важно, что эти материалы получают свои уникальные свойства благодаря связи между мягкой и твердой фазами.

В статье, опубликованной 28 марта в журнале Nature Communications, исследователи объясняют, как образуется нанопластик. Они обнаружили, что процесс начинается в мягких слоях, которые со временем ослабевают из-за воздействия окружающей среды и могут откалываться даже без механического напряжения. Сами по себе эти мягкие частицы быстро разрушаются в окружающей среде. Проблемы возникают, когда разрушение мягкого слоя приводит к откалыванию твердых слоев. Эти кристаллические фрагменты и есть нано- и микропластик, который может сохраняться в окружающей среде веками и наносить значительный вред живым организмам, включая человека.

---

Крошечный мягкий робот демонстрирует потенциал спасателя жизни

Крошечный, мягкий и гибкий робот, способный пробираться через завалы после землетрясения в поисках пострадавших или перемещаться внутри человеческого тела для доставки лекарств, может показаться фантастикой. Однако международная команда исследователей из Университета Пенсильвании (Penn State) разрабатывает именно таких адаптивных роботов, объединяя гибкую электронику с магнитным управлением движением.

В отличие от традиционных жестких роботов, мягкая робототехника использует гибкие материалы, имитирующие движения живых организмов. Такая гибкость делает их идеальными для навигации в узких пространствах, будь то завалы в зоне катастрофы или сложные пути внутри человеческого тела. Однако, как отмечает Хуаньюй «Ларри» Ченг, доцент кафедры инженерной науки и механики Penn State, интеграция датчиков и электроники в такие гибкие системы до сих пор оставалась серьезной проблемой.

«Главной сложностью было сделать робота "умным"», — пояснил Ченг, соавтор исследования, опубликованного в журнале Nano-Micro Letters. «В большинстве случаев мягкая робототехника работала как система односторонней связи, то есть требовала внешнего управления для навигации в сложных условиях. Наша цель — интегрировать умные датчики, чтобы роботы могли взаимодействовать с окружающей средой и работать с минимальным вмешательством человека».

Ключевым фактором в повышении "интеллекта" роботов стала интеграция гибкой электроники, обеспечивающей их основные функции.

«Мы хотели создать систему, в которой мягкая робототехника и гибкая электроника работали бы слаженно», — сказал Ченг. «Традиционная электроника жесткая, что затрудняет ее интеграцию. Наше решение — распределить электронные компоненты так, чтобы сохранить гибкость робота, не жертвуя производительностью».

Команда Ченга записала видео, демонстрирующее, как роботы ползают и сворачиваются в шар, преодолевая простую трассу. Их движение обеспечивается жесткими магнитными материалами, встроенными в гибкую структуру, что позволяет роботам предсказуемо реагировать на внешнее магнитное поле. Изменяя силу и направление поля, исследователи могут управлять движениями роботов — сгибанием, скручиванием или ползанием — без встроенного источника питания или физических соединений, таких как провода.

Одной из главных трудностей в разработке этой технологии стало предотвращение ограничения подвижности робота из-за гибкой электроники.

«Даже при том, что электроника спроектирована как гибкая, ее жесткость все равно в сотни или тысячи раз выше, чем у мягкого роботизированного материала», — пояснил Ченг. «Чтобы решить эту проблему, мы распределили электронику по всей структуре, уменьшив ее влияние на движение».

Еще одной проблемой стало блокирование нежелательных электрических помех, которые могут нарушить работу электронных устройств. Такие помехи возникают из-за внешних источников, например, других электронных приборов или беспроводных сигналов, и могут мешать движению и работе датчиков.

«Магнитные поля критически важны для управления движением, но они также могут влиять на электронные сигналы», — отметил Ченг. «Нам пришлось тщательно продумать расположение электроники, чтобы минимизировать эти взаимодействия и обеспечить работоспособность датчиков даже при сильных магнитных полях».

После устранения магнитных помех роботами можно управлять дистанционно с помощью электромагнитных полей или ручных магнитов, что сводит к минимуму вмешательство человека. Кроме того, встроенные датчики позволяют им автономно реагировать на изменения в окружающей среде. Например, в поисково-спасательных операциях они могут ориентироваться в завалах, обнаруживая тепло или препятствия. В медицинских целях они способны реагировать на изменения уровня pH или давления, обеспечивая точную доставку лекарств или сбор образцов.

Следующий шаг для команды Ченга — доработка технологии для таких применений, включая создание «робота-таблетки».

«Одно из самых увлекательных потенциальных применений — имплантируемые медицинские устройства», — сказал соавтор исследования Сук-Вон Хван, доцент Высшей школы конвергентных наук и технологий Корейского университета. «Мы работаем над миниатюризацией системы, чтобы сделать ее пригодной для биомедицинского использования. Представьте небольшого робота, которого можно проглотить, как таблетку, и который сможет перемещаться по желудочно-кишечному тракту, обнаруживать заболевания или доставлять лекарства точно в нужное место».

По словам исследователей, такая технология может стать менее инвазивной альтернативой традиционным диагностическим процедурам, таким как биопсия, позволяя собирать данные непосредственно от пациента в реальном времени.

«Благодаря встроенным датчикам эти роботы смогут измерять уровень pH, выявлять аномалии и даже доставлять лекарства в определенные участки тела», — объяснил Ченг. «Это означает меньше инвазивных операций и более точное лечение, что улучшит результаты для пациентов».

Ченг также видит перспективы применения этой технологии в сосудистой терапии.

«Если мы сможем сделать этих роботов еще меньше, их можно будет вводить в кровеносные сосуды для лечения сердечно-сосудистых заболеваний или доставки лекарств непосредственно в пораженные области», — сказал он. «Это откроет совершенно новые возможности для неинвазивных медицинских процедур».

Хотя команда пока не придумала официального названия для этих роботов, Ченг не против предложений.

«Это хорошая идея», — рассмеялся он. «Может, стоит привлечь общественность к выбору имени».

Дополнительная информация

• Какие биологические организмы вдохновляют разработку мягких роботов? - Осьминоги (гибкость щупалец), гусеницы (волнообразное движение), медузы (гидродинамика) и черви (перистальтика).
• Какие существуют альтернативные методы управления миниатюрными медицинскими роботами кроме магнитного поля? - Ультразвук, химические градиенты, световое управление (фотоактивные материалы) и биологические моторы (например, бактерии).

---

Препарат от БАС эффективен против болезни Альцгеймера в новом исследовании на животных

Экспериментальный препарат NU-9 — низкомолекулярное соединение, одобренное Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) для клинических испытаний по лечению бокового амиотрофического склероза (БАС) — улучшает состояние нейронов в моделях болезни Альцгеймера у животных, согласно новому исследованию Северо-Западного университета.

Как и БАС, болезнь Альцгеймера возникает из-за неправильно свернутых белков, повреждающих мозг. Вместо лечения симптомов конкретных заболеваний NU-9 воздействует на основные механизмы болезни. Результаты исследования вселяют надежду, что препарат может быть эффективен против общих механизмов, лежащих в основе множества нейродегенеративных заболеваний.

«Удивительно, что этот препарат работает в таких разных системах», — заявил Ричард Б. Сильверман из Северо-Западного университета, создатель NU-9. «Нам нужно протестировать его на людях, чтобы понять эффективность при болезни Альцгеймера. Но функции верхних мотонейронов у мышей схожи с человеческими. Поэтому я считаю, что NU-9 действительно должен работать».

Исследование было опубликовано 3 марта в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. В работе продемонстрирована эффективность препарата в клеточных культурах и небольшом исследовании на мышах.

«Наше исследование показывает, что один механизм влияет на два совершенно разных белка при двух разных заболеваниях», — пояснил соавтор исследования Уильям Кляйн из Северо-Западного университета. «В обоих случаях клетки страдают от накопления токсичных белков. Похоже, существует общий механизм, который устраняет эти белки, предотвращая их скопление. NU-9 восстанавливает путь спасения клетки. Это очень впечатляет».

Сильверман, ранее создавший прегабалин (Лирика) для лечения фибромиалгии, невропатической боли и эпилепсии, является профессором химии в Колледже искусств и наук Вайнберга Северо-Западного университета и основателем стартапа Akava Therapeutics, занимающегося коммерциализацией NU-9. Кляйн, эксперт по болезни Альцгеймера, профессор нейробиологии в Вайнберге и соучредитель Acumen Pharmaceuticals, разрабатывающего моноклональное антитело для лечения болезни Альцгеймера, которое сейчас проходит клинические испытания.

При нейродегенеративных заболеваниях неправильно свернутые белки скапливаются внутри клеток мозга. Это накопление приводит к токсичности, нарушающей нормальную работу мозга и в конечном итоге вызывающей гибель клеток. Если БАС вызывают неправильно свернутые белки SOD1, то болезнь Альцгеймера — олигомеры бета-амилоида.

«Это хорошие белки, которые испортились», — объяснил Кляйн. «Они полезны, но при скоплении начинают способствовать собственному накоплению. Они прилипают к клеткам, соседним клеткам и синапсам. Это вызывает дисфункцию мозга и в итоге гибель клеток».

В предыдущих исследованиях Сильверман и его давний collaborator П. Ханде Оздинлер, доцент неврологии в Медицинской школе Файнберга, обнаружили, что NU-9 помогает клеткам удалять белковые скопления, вызванные двумя неродственными мутировавшими белками, восстанавливая функцию нейронов в моделях БАС у животных. Сильверман и Кляйн решили проверить, может ли NU-9 оказывать аналогичное действие при болезни Альцгеймера.

В новом исследовании команда начала с культур нейронов из модели мелкого животного. В одном эксперименте ученые добавили к этим клеткам форму бета-амилоида. Олигомеры бета-амилоида быстро сформировались и прилипли к клеткам. В другом эксперименте клетки предварительно обработали NU-9 перед добавлением бета-амилоида. NU-9 уменьшил количество белковых скоплений внутри клетки и вдоль ее отростков — дендритов. Даже после удаления NU-9 из обработанных клеток препарат сохранял защитный эффект.

После успеха в клеточных культурах команда проверила эффективность NU-9 на целой животной модели. Мышам с моделью болезни Альцгеймера давали пероральную дозу NU-9 и обнаружили улучшение их результатов в тестах на память. В последующих обнадеживающих исследованиях также выяснилось, что NU-9 уменьшает воспаление мозга, связанное с болезнью Альцгеймера.

«Лечение NU-9 предотвращало или значительно снижало воспаление мозга», — сказал Кляйн. «Оно останавливает накопление олигомеров бета-амилоида и последствия нейровоспаления, которое наносит серьезный ущерб мозгу. Таким образом, препарат эффективен на двух уровнях: клеточном и целого организма».

Хотя исследователи еще не полностью понимают механизм действия NU-9, они сделали несколько ключевых открытий. Препарат специфически предотвращает накопление олигомеров бета-амилоида внутри клеток, но не мешает их образованию снаружи. Это означает, что NU-9 воздействует на внутриклеточные процессы, предотвращая вредные белковые скопления.

Дальнейший анализ показал, что препарат действует через лизосомы — основные «центры переработки» клетки — и фермент катепсин B. При болезни Альцгеймера эта система переработки нарушается, что приводит к накоплению бета-амилоида. NU-9, возможно, помогает перемещать белки бета-амилоида в лизосомы, где катепсин B расщепляет белковые скопления.

«У клеток есть два важных "отсека для мусора": лизосома и протеасома», — пояснил Сильверман. «Они собирают ненужные компоненты, расщепляют и удаляют их. Мы выяснили, что протеасома не участвует в этом процессе. Лизосома играет ключевую роль в действии NU-9. Но мы еще пытаемся понять, с чем именно связывается NU-9, чтобы активировать лизосому».

«Это явление — черный ящик», — добавил Кляйн. «Это как эстафета по перемещению токсичных скоплений белков внутри клетки. Белки собираются в одном везикуле, затем в другом и наконец передаются лизосоме. Мы считаем, что NU-9 воздействует на что-то на раннем этапе этой эстафеты, но точную мишень пока не знаем».

Хотя результаты обнадеживают, исследователи подчеркивают, что впереди долгий путь. Кляйн отмечает необходимость более тщательного тестирования памяти у животных моделей, а Сильверман планирует усовершенствовать соединение для повышения эффективности.

Команда также планирует изучить эффективность NU-9 при других нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Паркинсона и Хантингтона.

«Долгое время считалось, что каждое нейродегенеративное заболевание совершенно уникально, но наши данные указывают на общие механизмы», — сказал Сильверман. «Это открытие создает основу для нового класса терапевтических соединений, которые, как NU-9, смогут контролировать несколько дегенеративных заболеваний до начала серьезного повреждения клеток».

Дополнительная информация

• Какие еще нейродегенеративные заболевания, кроме БАС и болезни Альцгеймера, могут быть потенциальными мишенями для NU-9? - NU-9 может быть потенциально эффективен при болезни Паркинсона и болезни Хантингтона, так как эти заболевания также связаны с нарушением белкового гомеостаза в нейронах.

• Какой механизм действия прегабалина (Лирика), другого препарата, созданного Ричардом Сильверманом? - Прегабалин связывается с альфа-2-дельта субъединицей кальциевых каналов, уменьшая высвобождение нейротрансмиттеров, таких как глутамат, норадреналин и вещество P, что снижает гипервозбудимость нейронов при нейропатической боли и эпилепсии.

• Какие существуют текущие методы лечения болезни Альцгеймера и чем они отличаются от подхода NU-9? - Текущие методы включают ингибиторы ацетилхолинэстеразы (донепезил, ривастигмин) и антагонисты NMDA-рецепторов (мемантин), которые лишь временно облегчают симптомы. NU-9 нацелен на восстановление функции белкового гомеостаза, что может замедлить прогрессирование болезни.

• Какова роль катепсина B в нормальной физиологии клетки и почему его нарушение связано с болезнью Альцгеймера? - Катепсин B — это лизосомальная протеаза, участвующая в деградации поврежденных белков. Его дисфункция приводит к накоплению токсичных белковых агрегатов, таких как бета-амилоид, что является ключевым признаком болезни Альцгеймера.

---

Визуализация капилляров и клеток в живых органах с помощью ультразвука

Ультразвук является одним из наиболее широко используемых методов визуализации в медицине, но до недавнего времени он не играл значительной роли в отображении мельчайших структур нашего тела, таких как клетки. «Клинический ультразвук, подобный тому, что используется для сканирования беременности, создает изображения частей тела в реальном времени», — объясняет первый автор исследования Баптист Эйльс. «Он позволяет диагностировать различные заболевания или наблюдать за развитием плода. Однако то, что происходит на микроскопическом уровне, остается скрытым».

3D-визуализация живых клеток

Теперь команда ученых из Делфтского технического университета, Нидерландского института нейронаук и Калифорнийского технологического института смогла получить трехмерные изображения специально помеченных клеток с помощью ультразвука.

Впервые они визуализировали живые клетки внутри целых органов в объемах размером с кубик сахара.

Для сравнения, современные оптические микроскопы часто требуют исследования неживых образцов, отмечает Эйльс.

«Образец или интересующий орган необходимо извлечь и обработать, и вы теряете возможность отслеживать активность клеток с течением времени».

Современная ведущая технология для визуализации поведения живых клеток в 3D, например, во время развития эмбрионов, называется микроскопией светового листа.

Этот метод ограничен прозрачными или тонкими образцами, поскольку свет не может проникать глубже 1 мм в непрозрачные ткани.

«Ультразвук может визуализировать ткани млекопитающих на глубине в несколько сантиметров, позволяя проводить неинвазивную визуализацию целых органов. Это дает нам информацию о том, как клетки ведут себя в своей естественной среде, чего не могут сделать оптические методы в более крупных живых тканях», — говорит ведущий исследователь Дэвид Мареска.

Метки для капилляров и клеток с помощью звукоотражающих зондов

Ключевым элементом этого новшества в ультразвуковой визуализации — метода, называемого нелинейной микроскопией звукового листа, — стало открытие звукоотражающего зонда, созданного в лаборатории Шапиро в Калтехе.

Эйльс: «Этот зонд представляет собой наноразмерный газонаполненный везикул, который подсвечивается на ультразвуковых изображениях, делая клетки видимыми. Эти везикулы имеют белковую оболочку, и мы можем модифицировать их для настройки яркости на изображениях. Мы использовали эти газовые везикулы для отслеживания раковых клеток».

Визуализация мозга

Помимо визуализации клеток, команда использовала ультразвук и микропузырьки в качестве зондов, циркулирующих в кровотоке, для обнаружения капилляров мозга.

Эйльс: «Насколько нам известно, нелинейная микроскопия звукового листа — это первая технология, способная наблюдать капилляры в живом мозге. Этот прорыв имеет огромный потенциал для диагностики заболеваний мелких сосудов у пациентов». Поскольку микропузырьковые зонды уже одобрены для использования у людей, эта технология может быть внедрена в больницах в течение нескольких лет.

Потенциал для исследования рака

Помимо клинической практики, микроскопия звукового листа может значительно помочь биологическим исследованиям и, в частности, разработке новых методов лечения рака, считает Мареска. «Наша технология визуализации может отличать здоровую ткань от раковой. Кроме того, она позволяет визуализировать некротическое ядро опухоли — центр опухоли, где клетки начинают умирать из-за недостатка кислорода. Таким образом, она может помочь в мониторинге прогрессирования рака и реакции на лечение».

Дополнительная информация

• Как работают газонаполненные везикулы в качестве звукоотражающих зондов? - Газонаполненные везикулы (микропузырьки) усиливают отражение ультразвуковых волн благодаря разнице акустического импеданса между газом внутри них и окружающими тканями, что улучшает визуализацию.
• Какие заболевания мелких сосудов можно диагностировать с помощью этой технологии? - Технология позволяет выявлять микроангиопатии, ишемические поражения мозга, опухолевую неоваскуляризацию и воспалительные изменения сосудов.

---

Для роботизированной руки воспитание важнее природы

Как роботизированная рука или протез кисти обучаются сложным задачам, таким как захват и вращение мяча? Основная проблема для человеческой, протезированной или роботизированной руки всегда заключалась в правильном обучении управлению пальцами для приложения усилий к объекту. Чувствительная кожа и нервные окончания, покрывающие наши руки, считались ключевыми для обучения и адаптации манипуляций, поэтому робототехники настаивали на оснащении роботизированных рук датчиками. Однако, учитывая, что человек может научиться обращаться с предметами даже в перчатках, должно существовать что-то еще.

Эта загадка вдохновила исследователей из лаборатории ValeroLab в Школе инженерии Витерби изучить, тактильно ли ощущение действительно всегда необходимо для обучения управлению пальцами.

Исследователи Ромина Мир, Али Марджанинежад, Эндрю Эрвин и профессор Франсиско Валеро-Куэвас из отдела биомедицинской инженерии имени Альфреда Манна задались вопросом: как датчики, являющиеся частью руки (ее природа), взаимодействуют с тем, как рука обучается (воспитывается) для выполнения сложных задач?

В статье, опубликованной в журнале Science Advances, команда рассматривает классический вопрос "природа против воспитания" с помощью вычислительного моделирования и машинного обучения.

Работа "Учебный план важнее тактильной информации при обучении с подкреплением манипуляции объектами против силы тяжести" развивает предыдущие исследования лаборатории, связанные с эволюцией руки и искусственным интеллектом.

В ней демонстрируется, что последовательность обучения, также известная как "учебный план", критически важна для успешного обучения.

Фактически, исследователи отмечают, что если обучение происходит в определенной последовательности, смоделированная роботизированная рука может научиться манипулировать объектами при неполной или даже отсутствующей тактильной обратной связи.

Для этого исследования команда использовала программное обеспечение для моделирования трехпалой роботизированной руки, чтобы "представить контрпример давнему убеждению, что тактильное ощущение всегда необходимо", - говорит Валеро-Куэвас. "Это также подчеркивает важность последовательности вознаграждений при обучении", - добавила Ромина Мир, один из двух первых авторов и аспирант ValeroLab.

"Вознаграждение направляет развитие системы", - сказал соответствующий автор Франсиско Валеро-Куэвас, который также является профессором отделения биокинезиологии и физиотерапии Университета Южной Калифорнии.

Он добавил: "...точно так же, как биологические системы являются продуктом своего опыта. Эта связь между машинным обучением и биологией представляет собой мощное соединение, которое может способствовать прогрессу систем искусственного интеллекта, способных обучаться и адаптироваться в физическом мире".

В этом совместном проекте Школы инженерии Витерби и Калифорнийского университета в Санта-Круз (UCSC) аспиранты Пармита Оджаги (UCSC) и Ромина Мир (USC) совместно руководили работой в сотрудничестве с профессором Майклом Венером (UCSC). Али Марджанинежад и Эндрю Эрвин (USC) также внесли вклад в это исследование.

---

Что, если мы не найдем ничего в поисках жизни за пределами Земли?

Что, если мы потратим десятилетия на создание мощных телескопов для поиска жизни на других планетах — и не обнаружим ничего? Недавнее исследование под руководством ученых из ETH Zurich, включая ведущего автора и сотрудника Института SETI доктора Даниэля Ангерхаузена, затронуло этот вопрос, изучив, что мы можем узнать о жизни во Вселенной — даже если не найдем признаков жизни или обитаемости. Используя современное статистическое моделирование, команда исследователей попыталась определить, сколько экзопланет ученым нужно изучить, прежде чем можно будет утверждать, что жизнь за пределами Земли распространена или, наоборот, редка.

«Даже одно подтвержденное обнаружение изменит всё — но до тех пор мы должны убедиться, что извлекаем максимум знаний из того, что не находим», — сказал Ангерхаузен.

Проблема нулевых результатов

В науке даже отсутствие находок может дать важные выводы. Когда ученые ищут жизнь на экзопланетах, они часто сосредотачиваются на определенных признаках, таких как следы воды или газов вроде кислорода и метана, которые могут указывать на биологическую активность. Но что, если эти признаки не будут обнаружены? Можем ли мы все равно сделать значимые выводы о том, насколько распространена жизнь во Вселенной?

Это исследование показывает, что если ученые изучат 40–80 планет и не найдут признаков жизни, они смогут уверенно заключить, что менее 10–20% подобных планет обитаемы. Однако это сильно зависит от точности наблюдений. Такой результат позволит установить значимый верхний предел распространенности жизни во Вселенной, что до сих пор было невозможно. Более того, если даже 10% планет только в Млечном Пути содержат какую-либо форму жизни, это может означать около 10 миллиардов планет или даже больше.

«Подобный результат станет переломным моментом, — говорит ведущий автор Ангерхаузен. — Даже если мы не найдем жизнь, мы наконец сможем количественно оценить, насколько редкими — или распространенными — являются планеты с обнаруживаемыми биосигнатурами».

Последствия для будущих миссий

Выводы исследования напрямую касаются предстоящих миссий, таких как обсерватория NASA Habitable Worlds Observatory (HWO) и европейский проект Large Interferometer for Exoplanets (LIFE). Эти миссии будут изучать десятки землеподобных планет, анализируя их атмосферы на наличие воды, кислорода и даже более сложных биосигнатур. Согласно исследованию, количество наблюдаемых планет будет достаточным, чтобы сделать значимые выводы о распространенности обитаемости и жизни в нашей галактике. Однако работа также подчеркивает, что даже с передовыми инструментами такие исследования должны тщательно учитывать неопределенности и систематические ошибки, а также разрабатывать методы их количественной оценки, чтобы результаты были статистически значимыми.

Учет неопределенностей

Один из ключевых выводов исследования заключается в том, что погрешности в отдельных наблюдениях — например, ложноотрицательные результаты (когда биосигнатура пропускается, и планета ошибочно считается безжизненной) — могут существенно влиять на выводы. Если есть вероятность, что прибор не обнаружит биосигнатуру, эта неопределенность ограничивает надежность любых выводов, основанных на нулевых результатах. Аналогично, если в исследование случайно включены планеты, непригодные для жизни, это исказит результаты.

«Дело не только в количестве наблюдаемых планет — важно, насколько мы уверены в том, что видим или не видим искомое, — поясняет Ангерхаузен. — Если мы будем недостаточно осторожны и переоценим свои возможности в обнаружении жизни, даже масштабное исследование может привести к ошибочным выводам».

Постановка правильных вопросов

Исследование подчеркивает, что формулировка правильных вопросов критически важна для получения значимых результатов. Вместо расплывчатого «На скольких планетах есть жизнь?» лучше задавать более конкретные и измеримые вопросы, например: «Какая доля каменистых планет в консервативной зоне обитаемости демонстрирует четкие признаки водяного пара, метана и кислорода?» Такой подход помогает ученым разрабатывать исследования, которые достоверно подтверждают или исключают определенные признаки.

Почему это важно

Даже если будущие исследования не найдут доказательств внеземной жизни, они все равно дадут ценные данные о том, насколько редки или распространены обитаемые условия во Вселенной. Тщательно учитывая неопределенности и задавая точные вопросы, ученые смогут превратить нулевые результаты в мощный инструмент для понимания нашего места в космосе.

Эта работа напоминает, что наука — не только про поиск ответов, но и про постановку правильных вопросов и принятие неопределенности как части пути.

Дополнительная информация

• Какие методы статистического моделирования используются для оценки распространенности жизни на экзопланетах? - Для оценки распространенности жизни используются методы байесовского анализа, моделирование Монте-Карло и методы машинного обучения, которые учитывают данные о составе атмосфер, температуре и других параметрах экзопланет.
• Как проекты HWO и LIFE планируют минимизировать систематические ошибки при анализе атмосфер экзопланет? - Проекты HWO (Habitable Worlds Observatory) и LIFE (Large Interferometer For Exoplanets) используют многократные наблюдения, калибровку инструментов и сравнение с эталонными объектами для снижения систематических ошибок.

---

Квантовый источник света для экологичного производства биогаза

Большая часть наших отходов слишком ценна, чтобы просто сжигать их. Если перерабатывать их контролируемым способом, можно не только получать тепловую энергию, но и использовать образующийся газ для производства ценных химических веществ — от водорода до метана или метанола. Однако процесс газогенерации требует тщательного мониторинга и регулирования.

До сих пор особую проблему представлял очень распространенный побочный продукт газификации — водяной пар. Для эффективного контроля процесса важно максимально точно знать содержание воды в продукционном газе. Однако традиционные методы затрудняют измерение влажности. В совместной работе специалистов по процессной инженерии и фотонике из Венского технического университета (TU Wien) эту проблему удалось решить с помощью особого типа источника света — терагерцового излучения квантового каскадного лазера. Передовые квантовые технологии теперь помогают в экологичной переработке биомассы.

Традиционные измерения недостаточны

«Многие химические компоненты продукционного газа можно детектировать с помощью инфракрасного света», — объясняет Флориан Мюллер, исследующий возобновляемые углеродные системы в рамках докторской программы CO2Refinery на кафедре химической, экологической и биотехнической инженерии TU Wien. «Разные молекулы поглощают разные длины волн ИК-излучения. Измеряя, какие волны поглощаются образцом, можно определить наличие конкретных веществ».

Однако с водяным паром — ключевым побочным продуктом газогенерации — этот метод работает плохо. «При переработке биомассы в газы образуется сложная смесь, содержащая не только водяной пар, но и множество углеводородов», — говорит Флориан Мюллер. Некоторые из них поглощают инфракрасное излучение на тех же частотах, что и вода. Это делает невозможным точное определение источника поглощения, а значит, и содержания воды в газе. Можно охладить пробу газа и измерить количество сконденсировавшейся воды, но это требует времени. Быстро реагировать на колебания концентрации влаги невозможно, что затрудняет эффективное управление процессом.

TU Wien разрабатывает источники терагерцового излучения

Параллельно Михаэль Яйдль на кафедре фотоники TU Wien исследовал лазерные лучи в терагерцовом диапазоне — с длиной волны чуть больше, чем у стандартного ИК-излучения для спектроскопии. Михаэль Яйдль и Флориан Мюллер — давние друзья со школьных времен, и у них возникла идея объединить свои области исследований.

Михаэль Яйдль обнаружил, что в терагерцовом диапазоне существуют частоты, поглощаемые исключительно молекулами воды и не взаимодействующие с другими компонентами газовой смеси. Таким образом, проблема детектирования водяного пара решается заменой инфракрасного излучения на терагерцовое.

Генерация терагерцового излучения — сложная задача. В TU Wien для этого используют квантовые каскадные лазеры — миниатюрные полупроводники с наноструктурированной геометрией, которые при подаче напряжения излучают строго определенную длину волны. Хотя такой лазер требует собственной системы охлаждения, исследователям удалось создать компактный переносной прибор, надежно измеряющий содержание воды в горячих газах с помощью терагерцового луча.

Первые успешные испытания

«Ключевое преимущество нашего метода — надежность результатов в широком диапазоне концентраций водяного пара и температур», — отмечает Михаэль Яйдль. «Терагерцовое излучение сильно поглощается водой, что позволяет использовать более компактную установку. Малые габариты также стабилизируют температуру в измерительной ячейке, снижая погрешности».

Эффективность метода подтвердилась в экспериментах по газификации отходов древесины в кампусе TU Wien на Гетрейдемаркт. Сейчас исследователи работают над усовершенствованием технологии: повышением удобства использования и изучением возможности детектирования других компонентов газовой смеси терагерцовым методом.

Дополнительная информация

• Какие еще применения существуют у терагерцового излучения, кроме измерения влажности газов? - Терагерцовое излучение используется в безопасности (сканеры в аэропортах), медицине (диагностика рака кожи), связи (высокоскоростная передача данных) и анализе материалов (контроль качества в фармацевтике).
• Как работают квантовые каскадные лазеры и чем они отличаются от обычных лазеров? - Квантовые каскадные лазеры генерируют излучение за счет переходов электронов между искусственно созданными квантовыми уровнями в полупроводниковых гетероструктурах, тогда как обычные лазеры используют переходы между атомными или молекулярными уровнями. Они работают в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне и позволяют точно настраивать длину волны.

---

Исключение из законов термодинамики

Группа исследователей под руководством аспиранта по физике из Массачусетского университета в Амхерсте недавно сделала удивительное открытие — они обнаружили так называемую «жидкость, восстанавливающую форму», которая противоречит некоторым давно устоявшимся представлениям, вытекающим из законов термодинамики. Исследование, опубликованное в журнале Nature Physics, описывает смесь масла, воды и намагниченных частиц, которая при встряхивании всегда быстро разделяется, образуя классические изогнутые линии, напоминающие греческую вазу.

«Представьте вашу любимую итальянскую заправку для салата», — говорит Томас Рассел, заслуженный профессор полимерных наук и инженерии имени Сильвио О. Конте в UMass Amherst и один из старших авторов статьи.

«Она состоит из масла, воды и специй, и перед тем как полить ею салат, вы встряхиваете бутылку, чтобы все ингредиенты смешались». Именно эти специи — мелкие частицы чего-то иного — позволяют воде и маслу, которые обычно не смешиваются, образовать эмульсию, процесс, описываемый законами термодинамики.

Эмульгирование лежит в основе множества технологий и применений, далеко выходящих за рамки кулинарии. Однажды аспирант UMass Amherst Энтони Райх в лаборатории смешивал партию этого научного «салатного соуса», чтобы посмотреть, что получится, — только вместо специй он использовал намагниченные частицы никеля. «Потому что, когда в жидкости есть магнитные частицы, можно создавать самые разные интересные материалы с полезными свойствами», — объясняет Райх.

Он приготовил смесь, встряхнул её — «и, к полному удивлению, смесь образовала эту красивую, чёткую форму вазы». Сколько бы раз и как сильно он ни встряхивал, форма вазы всегда возвращалась.

«Я подумал: "Что это такое?" И стал ходить по коридорам факультета полимерных наук и инженерии, стучаться в кабинеты профессоров и спрашивать, знают ли они, что происходит», — продолжает Райх.

Никто не знал. Но это заинтересовало Рассела и Дэвида Хоугланда, профессора полимерных наук и инженерии в UMass Amherst, второго старшего автора статьи и специалиста по мягким материалам.

Команда провела эксперименты и обратилась к коллегам из Университета Тафтса и Сиракузского университета, чтобы построить моделирование.

Совместными усилиями они установили, что магнетизм, сильный магнетизм, объясняет необъяснимое явление, обнаруженное Райхом.

«Когда вы внимательно изучаете отдельные наночастицы намагниченного никеля, которые образуют границу между водой и маслом, — говорит Хоугланд, — можно получить очень детальную информацию о том, как формируются различные структуры. В данном случае частицы намагничены настолько сильно, что их сборка нарушает процесс эмульгирования, описываемый законами термодинамики».

Обычно частицы, добавленные в смесь масла и воды, уменьшают натяжение на границе между двумя жидкостями, позволяя им смешиваться.

Но в данном случае частицы, намагниченные достаточно сильно, фактически увеличивают межфазное натяжение, изгибая границу между маслом и водой в изящную кривую.

«Когда видишь что-то, что казалось невозможным, это нужно исследовать», — говорит Рассел.

Хотя практического применения этому новому открытию пока нет, Райх в восторге от того, как это никогда ранее не наблюдавшееся состояние может повлиять на область физики мягких веществ.

Это исследование финансировалось Национальным научным фондом США и Министерством энергетики США.

Дополнительная информация

• Какие ещё известные примеры жидкостей или материалов демонстрируют необычное поведение под воздействием магнитных полей? - Ферромагнитные жидкости — это коллоидные растворы, содержащие наночастицы ферромагнетиков, которые образуют динамические структуры под действием магнитного поля. Также сущеятся магнитореологические жидкости, которые резко увеличивают вязкость в магнитном поле.

• Какие практические применения могут иметь материалы, способные контролируемо изменять межфазное натяжение? - Такие материалы могут использоваться в микрофлюидных устройствах для управления потоками жидкостей, в нефтедобыче для повышения эффективности извлечения нефти, а также в медицине для целевой доставки лекарств.

---

Датчики смартфонов превратили в камеру для антиматерии с беспрецедентным разрешением

В ЦЕРНе ученые коллаборации AEgIS под руководством команды из Технического университета Мюнхена (TUM) перепрофилировали датчики камер смартфонов, создав детектор, способный отслеживать аннигиляцию антипротонов в реальном времени с беспрецедентным разрешением. Новое устройство, описанное в статье, только что опубликованной в Science Advances, может определять точки аннигиляции антипротонов с разрешением около 0,6 микрометра — это в 35 раз лучше предыдущих методов в реальном времени.

Ученые, работающие в эксперименте "Антиводородный эксперимент: гравитация, интерферометрия, спектроскопия" (AEgIS) и других экспериментах на Фабрике антиматерии ЦЕРНа, таких как ALPHA и GBAR, ставят перед собой задачу с высокой точностью измерить свободное падение антиводорода под действием земной гравитации, используя разные методики.

Подход AEgIS предполагает создание горизонтального пучка антиводорода и измерение его вертикального смещения с помощью устройства под названием муаровый дефлектометр, которое выявляет малейшие отклонения в движении, и детектора, фиксирующего точки аннигиляции антиводорода.

"Для работы AEgIS нам нужен детектор с невероятно высоким пространственным разрешением, а датчики мобильных камер имеют пиксели размером менее 1 микрона", — говорит Франческо Гуатьери из исследовательского нейтронного источника FRM II при TUM, ведущий исследователь проекта.

"Мы интегрировали 60 таких датчиков в единый фотографический детектор — Оптический фотонный и антиматериальный формирователь изображений (OPHANIM) — с рекордным на сегодня количеством пикселей: 3840 мегапикселей. Раньше единственным вариантом были фотопластинки, но они не позволяли вести наблюдение в реальном времени. Наше решение, продемонстрированное для антипротонов и применимое напрямую к антиводороду, сочетает разрешение уровня фотопластинок, диагностику в реальном времени, самокалибровку и хорошую площадь сбора частиц — все в одном устройстве".

Переделанные датчики изображения

В частности, исследователи использовали оптические датчики изображения, которые ранее уже показали способность фиксировать низкоэнергетические позитроны в реальном времени с беспрецедентным разрешением.

"Нам пришлось удалить первые слои датчиков, которые предназначены для работы с продвинутой электроникой мобильных телефонов", — объясняет Гуатьери.

"Это потребовало высокого уровня электронного проектирования и микроинженерии". Магистранты Михаэль Бергхольд и Маркус Мюнстер из Инженерной школы TUM сыграли ключевую роль в проекте.

Исключительное разрешение

"Это революционная технология для наблюдения крошечных смещений из-за гравитации в горизонтальном пучке антиводорода, и она также может найти более широкое применение в экспериментах, где критически важно высокое пространственное разрешение, или для создания высокоточных трекеров", — говорит официальный представитель AEgIS доктор Руджеро Каравита. "Такое исключительное разрешение также позволяет нам различать разные фрагменты аннигиляции, открывая путь новым исследованиям аннигиляции низкоэнергетических античастиц в материалах", — заключает Каравита.

---

Солнечный ветер сжал магнитный щит Юпитера, вызвав выброс тепла

Впервые зафиксирована мощная волна солнечного ветра, которая сжала защитный пузырь Юпитера.

Учёные из Университета Рединга обнаружили событие 2017 года, когда солнечный ветер достиг Юпитера и сжал его магнитосферу — защитный пузырь, создаваемый магнитным полем планеты.

Это привело к образованию горячего региона, протянувшегося на половину окружности Юпитера, с температурами, превышающими 500°C — значительно выше типичного фонового значения в 350°C для атмосферы планеты.

Новое исследование, опубликованное сегодня (четверг, 3 апреля) в журнале Geophysical Research Letters, впервые описывает солнечную вспышку, которая, как теперь считают учёные, достигает Юпитера 2-3 раза в месяц.

Доктор Джеймс О'Донохью, ведущий автор исследования из Университета Рединга, заявил: «Мы никогда раньше не фиксировали реакцию Юпитера на солнечный ветер — и то, как это изменило атмосферу планеты, оказалось совершенно неожиданным. Впервые мы наблюдаем подобное явление на внешней планете».

«Солнечный ветер сжал магнитный щит Юпитера, как гигантский мяч для сквоша. Это создало сверхгорячий регион, охватывающий половину планеты. Диаметр Юпитера в 11 раз больше земного, а значит, этот нагретый участок колоссален».

«За последнее десятилетие мы детально изучали Юпитер, Сатурн и Уран. Оказалось, эти гиганты не так устойчивы к влиянию Солнца, как мы думали — они уязвимы, как и Земля. Юпитер действует как лаборатория, позволяя изучать, как Солнце влияет на планеты в целом. Наблюдая за происходящим там, мы можем лучше предсказывать и понимать последствия солнечных бурь, способных нарушить работу GPS, коммуникаций и энергосетей на Земле».

Разное влияние на крупные планеты

Совместив наземные наблюдения телескопа Кек с данными космического аппарата NASA «Юнона» и моделированием солнечного ветра, исследователи установили, что плотный поток солнечного ветра сжал огромную магнитосферу Юпитера незадолго до начала наблюдений.

Это сжатие, по-видимому, усилило полярное нагревание на полюсах Юпитера, вызвав расширение верхних слоёв атмосферы и выброс горячего газа в сторону экватора.

Ранее учёные полагали, что быстрое вращение Юпитера ограничивает полярное нагревание его полюсами благодаря сильным ветрам.

Новое открытие опровергает это представление, указывая на то, что атмосферы планет Солнечной системы могут быть более уязвимы к солнечному воздействию, чем считалось.

Солнечные вспышки способны значительно изменять динамику верхних слоёв атмосферы крупных планет, создавая глобальные ветры, которые перераспределяют энергию по всей планете.

Профессор Мэтью Оуэнс, соавтор исследования из Университета Рединга, отметил: «Наша модель солнечного ветра точно предсказала момент возмущения атмосферы Юпитера. Это помогает нам лучше оценить точность наших систем прогнозирования, что крайне важно для защиты Земли от опасных космических явлений».

---

Астрономы обнаружили обречённую пару спиральных звёзд на нашем космическом пороге

Астрономы Университета Уорика обнаружили чрезвычайно редкую компактную двойную звёздную систему высокой массы всего в ~150 световых годах от нас. Эти две звезды находятся на пути к столкновению, которое приведёт к взрыву сверхновой типа Ia, который будет в 10 раз ярче Луны на ночном небе.

Сверхновые типа Ia — это особый класс космических взрывов, известных как «стандартные свечи» для измерения расстояний между Землёй и их родными галактиками.

Они возникают, когда белый карлик (плотное остаточное ядро звезды) накапливает слишком много массы, не выдерживает собственной гравитации и взрывается.

Долгое время теоретически предполагалось, что причиной большинства взрывов сверхновых типа Ia являются две обращающиеся вокруг друг друга белых карлика.

Находясь на тесной орбите, более массивный белый карлик постепенно аккумулирует вещество своего компаньона, что приводит к взрыву одной (или обеих) звёзд.

Это открытие, опубликованное сегодня в Nature Astronomy, не только впервые обнаружило такую систему, но и нашло компактную пару белых карликов буквально на нашем космическом пороге — в Млечном Пути.

Джеймс Мандей, аспирант Уорика и руководитель исследования, сказал: «Многие годы мы ожидали обнаружить массивную двойную систему белых карликов поблизости, поэтому, когда я впервые заметил эту систему с очень высокой общей массой буквально у нашего галактического порога, я сразу же воодушевился».

«Вместе с международной командой астрономов, включая четырёх исследователей из Университета Уорика, мы немедленно начали наблюдать эту систему на некоторых из крупнейших оптических телескопов мира, чтобы точно определить, насколько она компактна».

«Обнаружив, что звёзды разделены всего 1/60 расстояния между Землёй и Солнцем, я быстро осознал, что мы нашли первую двойную систему белых карликов, которая несомненно приведёт к сверхновой типа Ia в сроки, сопоставимые с возрастом Вселенной».

«Наконец, мы как научное сообщество можем с уверенностью объяснить несколько процентов от общего количества сверхновых типа Ia в Млечном Пути».

Примечательно, что новая система Джеймса является самой массивной среди подтверждённых систем такого типа — их общая масса в 1,56 раза превышает массу Солнца.

При такой высокой массе это означает, что звёзды обречены взорваться независимо от обстоятельств.

Однако взрыв произойдёт не раньше, чем через 23 миллиарда лет, и, несмотря на близость к нашей Солнечной системе, эта сверхновая не будет угрожать нашей планете.

Сейчас белые карлики медленно вращаются друг вокруг друга по орбите с периодом более 14 часов.

В течение миллиардов лет излучение гравитационных волн заставит звёзды сближаться, пока на пороге сверхновой они не будут совершать полный оборот всего за 30–40 секунд.

Доктор Ингрид Пелисоли, доцент Университета Уорика и третий автор исследования, добавила: «Это очень значимое открытие. Обнаружение такой системы на нашем галактическом пороге указывает на то, что они должны быть относительно распространены, иначе нам пришлось бы искать гораздо дальше, исследуя больший объём нашей галактики».

«Однако обнаружение этой системы — не конец истории. Наш поиск предшественников сверхновых типа Ia продолжается, и мы ожидаем новых увлекательных открытий в будущем. Шаг за шагом мы приближаемся к разгадке тайны происхождения взрывов типа Ia».

Во время взрыва сверхновой вещество будет перетекать от одного карлика к другому, что приведёт к редкому и сложному взрыву через четверное детонирование.

Сначала взорвётся поверхность карлика, накапливающего вещество, затем его ядро.

Это выбросит вещество во всех направлениях, которое столкнётся с другим белым карликом, вызвав третий и четвёртый взрывы.

Взрывы полностью уничтожат всю систему, выделив энергию в тысячу триллионов триллионов раз больше, чем у самой мощной ядерной бомбы.

Через миллиарды лет эта сверхновая будет выглядеть как очень яркая точка света на ночном небе. Она затмит самые яркие объекты, став в 10 раз ярче Луны и в 200 000 раз ярче Юпитера.

Дополнительная информация

• Как гравитационные волны влияют на сближение двойных звёздных систем? - Гравитационные волны уносят энергию из системы, что приводит к постепенному сближению звёзд. Это предсказано общей теорией относительности и подтверждено наблюдениями, например, системой PSR B1913+16.
• Как происходит процесс четверного детонирования в двойных системах белых карликов? - При слиянии двух белых карликов может произойти взрыв сверхновой типа Ia. Если система состоит из двух пар белых карликов (четверная система), их взаимодействие способно вызвать каскад детонаций, но такие события крайне редки и изучаются теоретически.

---

Жевательная резинка с противовирусным действием для снижения передачи вирусов гриппа и простого герпеса

В современном взаимосвязанном мире инфекционные заболевания представляют растущую угрозу, что наглядно продемонстрировали пандемия коронавируса и вспышки вирусов H1N1, SARS, Эбола, Зика и H5N1 (птичий грипп), которые оказали значительное влияние на глобальное здоровье и экономику.

Однако более распространенные вирусные заболевания также вносят вклад в глобальные проблемы здравоохранения и экономические издержки.

Например, сезонные эпидемии гриппа происходят ежегодно, создавая значительную глобальную нагрузку на здоровье и экономические потери, превышающие 11,2 миллиарда долларов ежегодно только в США.

Между тем, вирус простого герпеса-1 (HSV-1), передающийся в основном через оральный контакт, инфицирует более двух третей населения мира и является основной причиной инфекционной слепоты в западных странах.

Низкий уровень вакцинации против вирусов гриппа и отсутствие вакцины против HSV подчеркивают необходимость нового подхода, направленного на снижение вирусной нагрузки в местах передачи.

Для вирусов, которые передаются через ротовую полость эффективнее, чем через нос, это означает фокусировку на полости рта.

Теперь в исследовании, опубликованном в журнале Molecular Therapy, ученые из Школы стоматологической медицины Пенсильванского университета и их коллеги из Финляндии сделали именно это.

Опираясь на предыдущую работу (сейчас находящуюся в стадии клинических испытаний), которая показала, что аналогичный подход позволяет снизить уровень SARS-CoV-2 в образцах слюны или мазков пациентов с COVID-19 более чем на 95%, Генри Дэниелл, профессор W.D. Miller в Школе стоматологической медицины Пенсильванского университета, и его коллеги протестировали способность жевательной резинки, изготовленной из бобов лаблаба (Lablab purpureus), которые естественным образом содержат противовирусный белок-ловушку (FRIL), нейтрализовать два вируса простого герпеса (HSV-1 и HSV-2) и два штамма гриппа A (H1N1 и H3N2). Формула жевательной резинки обеспечила эффективное и стабильное высвобождение FRIL в местах вирусной инфекции.

Исследователи показали, что 40 миллиграммов двухграммовой таблетки бобовой жевательной резинки достаточно для снижения вирусной нагрузки более чем на 95%, что аналогично результатам их исследования SARS-CoV-2.

Важно отметить, что ученые приготовили жевательную резинку как клинически стандартизированный лекарственный продукт в соответствии со спецификациями FDA и установили ее безопасность.

Дэниелл отмечает: «Эти наблюдения обнадеживают в отношении оценки бобовой жевательной резинки в клинических исследованиях на людях для минимизации инфицирования/передачи вирусов».

Дэниелл и его коллеги сейчас планируют использовать порошок бобов лаблаба для борьбы с птичьим гриппом, который в настоящее время оказывает значительное влияние в Северной Америке.

За последние три месяца 54 миллиона птиц были поражены вирусом H5N1, а в США и Канаде зарегистрировано несколько случаев заражения людей.

Ранее другие исследователи показали, что бобовый порошок эффективно нейтрализует H5N1 и H7N9 — два штамма гриппа A, вызывающие птичий грипп как у людей, так и у птиц.

Дэниелл и его коллеги сейчас планируют протестировать его использование в корме для птиц, чтобы помочь контролировать птичий грипп.

«Контроль передачи вирусов остается серьезной глобальной проблемой. Широкоспектральный противовирусный белок (FRIL), присутствующий в натуральном пищевом продукте (бобовый порошок) для нейтрализации не только человеческих вирусов гриппа, но и птичьего гриппа, является своевременным инновационным решением для предотвращения их инфицирования и передачи», — говорит Дэниелл.

Генри Дэниелл — профессор W.D. Miller на кафедре фундаментальных и трансляционных наук Школы стоматологической медицины Пенсильванского университета.

Среди других авторов исследования — Гэри Х. Коэн, Ювэй Го, Уддхаб Карки, Рэйчел Дж. Кулчар, Рахул Сингх и Гитанджали Вакаде из Школы стоматологической медицины Пенна, Хамид Хазаи из Национального института природных ресурсов Финляндии (Luke) и Университета Финляндии, а также Юха-Матти Пихлава из Университета Финляндии.

Исследования в лаборатории Дэниелла поддерживаются грантом NIH R01 HL 107904.

Дополнительная информация

• Какие еще растения содержат природные противовирусные белки, подобные FRIL? - К растениям с противовирусными белками относятся чеснок (аллицин), имбирь (гингерол), эхинацея (алкамиды) и грибы (лектины). Некоторые бобовые также содержат белки, аналогичные FRIL.
• Как именно белок FRIL нейтрализует вирусы на молекулярном уровне? - FRIL (Fucose-Specific Lectin) связывается с молекулами фукозы на поверхности вирусов, блокируя их взаимодействие с клетками-хозяевами, что предотвращает заражение.

---

Разнообразие поведения животных под угрозой из-за сокращения биоразнообразия

Резкое сокращение биоразнообразия в результате деятельности человека ставит под угрозу изучение таких аспектов поведения животных, как использование орудий труда, предупреждают исследователи из Университета Виктории и Института эволюционной антропологии Макса Планка. Уменьшение популяций животных делает изучение этих моделей поведения всё более сложным, что подчеркивает необходимость целенаправленных природоохранных мер и инклюзивных стратегий сохранения видов. Действия требуются не только в научных целях, но и для защиты нашего общего культурного наследия с животными видами.

Наша окружающая среда стремительно меняется, в основном из-за деятельности человека, что приводит к значительному сокращению биоразнообразия.

По словам исследователей из Университета Виктории и Института эволюционной антропологии Макса Планка, это сокращение влияет не только на жизнь животных, но и на наше понимание их поведения, включая использование инструментов.

"Культурные формы поведения варьируются от песен китов до использования орудий труда приматами", — говорит Эмми Калан из Университета Виктории.

"Эти адаптации к изменениям окружающей среды не только приносят пользу самим животным, но и дают важные подсказки о происхождении поведения и способности к обучению у разных видов. Однако сокращение глобальных популяций животных ставит под вопрос, что мы ещё сможем изучить".

Способность адаптироваться к вызовам зависит от разнообразия культурных форм поведения, то есть спектра действий, которые могут демонстрировать животные.

Использование орудий труда — важный аспект таких поведенческих адаптаций — оставляет физические следы, что облегчает научное изучение.

Эти материальные культуры в сочетании с наблюдаемым поведением предоставляют уникальную возможность лучше интерпретировать археологические данные о вымерших видах людей, где только каменные орудия остаются свидетельством прошлого поведения.

Сохранение культурных форм поведения животных

"Нечеловекообразные приматы имеют общую эволюционную историю с людьми, и их изучение может дать важные подсказки о наших истоках", — говорит Лидия Лунц из Института эволюционной антропологии Макса Планка.

"Эти уникально сложные существа находятся под угрозой исчезновения, что подчеркивает острую необходимость их защиты и сохранения их образа жизни".

Сохранению культурных форм поведения могут помочь цифровые технологии, такие как 3D-сканирование, позволяющее воспроизводить физические артефакты, связанные с поведением животных, или запись и анализ звуков и песен, издаваемых разными видами.

Эти данные представляют собой бесценный ресурс для будущих исследований и природоохранных усилий.

Признание ценности этих животных культур может привести к более комплексным стратегиям сохранения видов.

Поскольку люди продолжают оказывать значительное влияние на окружающую среду, возникает растущая потребность не только в защите нашего общего природного мира, но и в признании и сохранении богатства животных культур. Осознание этого общего культурного наследия критически важно не только для развития научных исследований и образования, но и для подчеркивания взаимосвязанных историй жизни и стратегий выживания всех видов, населяющих эту планету.

---

Новая концепция вакцины борется с вредными бактериями в кишечнике

В борьбе с бактериальными патогенами исследователи сочетают вакцинацию с целенаправленной колонизацией кишечника безвредными микроорганизмами. Этот подход может стать поворотным моментом в борьбе с кризисом антибиотиков.

Проблема кишечных бактерий сложна. С одной стороны, мы зависим от микроорганизмов, поскольку именно они переваривают пищу в нашем кишечнике.

С другой стороны, среди бактерий присутствует множество патогенов.

Некоторые из этих патогенов могут вызывать диарею, а другие ведут себя по-разному: они могут долгое время незаметно жить в кишечнике, но становятся опасными при ослаблении иммунной системы, повреждении кишечной стенки или попадании в кровь через раны.

Это может привести к заражению крови или опасным для жизни воспалениям органов.

Долгое время ученые исследовали вакцины против патогенных микробов в кишечнике — особенно тех, против которых антибиотики стали неэффективны из-за устойчивости.

Однако это непростая задача, поскольку иммунная система кишечника работает иначе, чем в остальном организме, и наука еще не полностью расшифровала кишечный иммунитет.

Эффективная комбинация

Эмма Слэк, профессор ETH Zurich и Оксфордского университета (Sir William Dunn School of Pathology), проводит исследования в этой области.

Вместе с профессором Медиком Диаром из Биоцентра Базельского университета и международной командой исследователей она продемонстрировала, как можно создать высокоэффективные пероральные вакцины против кишечных патогенов: а именно, не только вводя вакцину, но и сочетая ее с безвредными бактериями, которые конкурируют с патогенными микробами за пищу и тем самым лишают их питания.

Исследователи продемонстрировали это в исследовании на мышах, опубликованном в журнале Science.

С помощью комбинированного подхода ученым удалось не только предотвратить колонизацию сальмонеллы у мышей, но и эффективно бороться с уже укоренившимися бактериями E. coli.

В обоих случаях вакцинация или только безвредные бактерии оказывали значительно меньший эффект.

Чтобы конкурирующие штаммы успешно боролись с патогенными микробами, крайне важно, чтобы они росли в максимально схожих условиях: жили в том же отделе кишечника, переносили одинаковую кислотность и уровень кислорода, использовали те же питательные вещества.

Исследователи соответственно выбирали или создавали подходящие конкурирующие штаммы.

В рамках исследования они продемонстрировали в лаборатории, что с помощью генной инженерии можно создать высокоэффективный штамм, конкурирующий с сальмонеллой.

Однако это можно сделать и без генной инженерии, если умело подобрать и комбинировать естественные штаммы, как показали ученые на примере смеси трех природных штаммов E. coli.

"Как садоводство"

"Хотя мы можем сократить количество патогенных бактерий с помощью вакцины, нам нужны безвредные микроорганизмы, чтобы заполнить образовавшуюся нишу в кишечной экосистеме для долгосрочного успеха", — объясняет Слэк.

"Это как садоводство. Если вы хотите избежать сорняков на участке сада, после прополки нужно посадить там другие растения. Если оставить почву пустой, сорняки просто вырастут снова".

Как показали предыдущие исследования, у некоторых людей в кишечной флоре естественным образом присутствуют бактериальные штаммы, конкурирующие с патогенными бактериями и тем самым сдерживающие их.

У таких людей вакцинация против кишечных патогенов уже хорошо работала в прошлом.

Благодаря новому подходу, включающему введение конкурирующих штаммов вместе с вакциной, можно добиться эффективной защиты даже у людей, у которых таких штаммов нет.

Сокращение использования антибиотиков

Одно из главных преимуществ нового подхода — вытеснение патогенных бактерий без необходимости применения антибиотиков.

Он также эффективен против устойчивых к антибиотикам микробов, которые становятся все большей проблемой для здоровья.

С помощью нового подхода можно устранить патогенные или даже устойчивые к антибиотикам бактерии в кишечнике пациентов перед хирургическими вмешательствами.

Это особенно важно, например, при трансплантации органов, когда пациенты вынуждены принимать иммунодепрессанты.

Исследователи подчеркивают, что это открывает путь к сокращению использования антибиотиков.

Такой подход также может быть полезен перед поездками в отдаленные страны, где циркулируют бактериальные штаммы, к которым иммунная система не готова.

"В целом, чем успешнее мы сокращаем количество вредных и устойчивых к антибиотикам штаммов в популяции, тем лучше для здоровья всех", — говорит Слэк.

Однажды люди, возможно, смогут проглотить капсулу, содержащую вакцину и конкурирующие бактерии.

Однако прежде чем этот подход можно будет применять к людям, необходимы дальнейшие исследования.

В текущем исследовании ученые использовали модельные патогены, чтобы показать возможность их вытеснения из кишечника.

Теперь перед исследователями стоит большая задача — применить свои выводы к клинически значимым микробным штаммам, а также к людям.

Это исследование стало возможным благодаря финансовой поддержке Базельского исследовательского центра детского здоровья и Национального центра компетенций в исследованиях (NCCR) "Микробиомы" Швейцарского национального научного фонда, а также гранту Consolidator Grant от Европейского исследовательского совета (ERC), предоставленному Эмме Слэк.

Дополнительная информация

• Какие конкретно питательные вещества чаще всего становятся предметом конкуренции между патогенными и безвредными бактериями в кишечнике? - Железо, углерод (например, глюкоза), азот (например, аминокислоты) и витамины (например, витамин B12) являются основными питательными веществами, за которые конкурируют бактерии.
• Как именно иммунная система кишечника отличается от иммунной системы других частей организма? - Кишечная иммунная система содержит уникальные структуры, такие как пейеровы бляшки и большое количество IgA-антител, а также поддерживает баланс между толерантностью к полезным бактериям и защитой от патогенов.

---

Воздействие дыма от лесных пожаров связано с ухудшением психического здоровья

Воздействие мелкодисперсных частиц (PM2.5) в воздухе от дыма лесных пожаров связано с увеличением обращений в отделения неотложной помощи (ОНП) по поводу психических расстройств, согласно новому исследованию, проведенному учеными Гарвардской школы общественного здравоохранения имени Т.Х. Чана.

«Дым от лесных пожаров — это не только проблема для дыхательной системы, он также влияет на психическое здоровье», — заявила ведущий автор исследования Кари Надо, профессор климата и популяционных исследований Джона Рока и заведующая кафедрой гигиены окружающей среды. «Наше исследование предполагает, что помимо психологической травмы, которую может вызвать сам пожар, дым может напрямую способствовать ухудшению психического состояния, включая депрессию, тревожность и аффективные расстройства».

Исследование будет опубликовано 4 апреля в журнале JAMA Network Open.

Это первое исследование, в котором изолированно изучено краткосрочное влияние именно PM2.5 от лесных пожаров, что позволило получить более точные данные о его воздействии на психическое здоровье. Ранее уже появлялись работы, указывающие на связь PM2.5 с психическими расстройствами, но лишь немногие исследования фокусировались на PM2.5 именно от лесных пожаров. Большинство таких работ изучали его влияние на дыхательную и сердечно-сосудистую системы.

Ученые проанализировали данные об уровне PM2.5 от лесных пожаров и обращениях в ОНП по поводу психических расстройств в Калифорнии с июля по декабрь 2020 года — период, когда в штате был зафиксирован самый масштабный сезон пожаров в истории. Ежедневные уровни PM2.5 от пожаров и обращения в ОНП по поводу психических расстройств (включая расстройства, связанные с употреблением психоактивных веществ, психотические расстройства, аффективные расстройства, депрессию и тревожность) были сопоставлены для каждого почтового индекса в штате.

За период исследования было зарегистрировано 86 588 обращений в ОНП по психическим причинам. Среднесуточная концентрация PM2.5 от пожаров составила 6,95 микрограммов на кубический метр воздуха (мкг/м³), а в пиковые месяцы пожаров этот показатель достигал 11,9 мкг/м³, а в сентябре — 24,9 мкг/м³.

Исследование показало, что воздействие дыма от пожаров значительно увеличивало число обращений в ОНП по психическим причинам. Увеличение концентрации PM2.5 от пожаров на 10 мкг/м³ было связано с ростом числа обращений, включая случаи депрессии, тревожности и других аффективных расстройств, в течение семи дней после воздействия. Наибольшему риску подвергались женщины, дети и молодые люди, представители чернокожего и латиноамериканского населения, а также пациенты, застрахованные по программе Medicaid.

«Различия в воздействии по расовому, гендерному, возрастному признаку и статусу страхования указывают на то, что существующее неравенство в сфере здравоохранения может усугубляться из-за дыма от пожаров», — добавил первый автор исследования Юнсу Чжун, научный сотрудник кафедры гигиены окружающей среды. «Необходимо обеспечить доступ к психиатрической помощи в сезон пожаров, особенно для наиболее уязвимых групп, особенно с учетом того, что из-за изменений климата пожары становятся все более частыми и интенсивными».

Среди других авторов исследования от Гарвардской школы — Мэри Джонсон и Калеб Дрессер.

Исследование было поддержано Национальным институтом сердца, легких и крови (грант P01HL152953).

Дополнительная информация

• Какие биологические механизмы могут объяснить связь между PM2.5 от лесных пожаров и ухудшением психического здоровья? - Мелкие частицы PM2.5 могут проникать в кровоток и вызывать системное воспаление, включая нейровоспаление, что способствует развитию тревоги и депрессии. Они также могут нарушать гематоэнцефалический барьер и влиять на нейротрансмиттеры, такие как серотонин и дофамин.

• Какие существуют эффективные стратегии защиты уязвимых групп населения от воздействия дыма лесных пожаров на психическое здоровье? - К эффективным стратегиям относятся использование очистителей воздуха, ношение масок N95, ограничение времени пребывания на открытом воздухе, психологическая поддержка и раннее выявление симптомов тревоги или депрессии у уязвимых групп.

---

Диагностика неисправности может привести к созданию лучшего аккумулятора

Будущее — за электричеством.

Но как скоро? То, насколько быстро наше общество сможет максимально использовать преимущества электрификации, зависит от создания более дешевых и мощных батарей. Новое исследование Виргинского технологического института приближает нас к этой цели.

Группа химиков под руководством Фэн Линя и Луи Мэдсена нашла способ заглянуть внутрь интерфейсов батарей — сложных и труднодоступных областей, скрытых глубоко внутри элемента.

Результаты исследования были опубликованы 1 апреля в журнале Nature Nanotechnology.

«Существуют серьезные, давние проблемы на границах раздела», — сказал Джунгки Мин, аспирант-химик и первый автор исследования.

«Мы постоянно стремимся лучше контролировать эти скрытые поверхности».

Открытие нового метода визуализации, позволившего ученым заглянуть внутрь работающей батареи, произошло случайно.

Изначально они изучали новый состав электролитного материала.

Лучшая начинка для батареи

Электролит, расположенный между отрицательным и положительным электродами, представляет собой среду, которая переносит заряженные частицы (ионы) туда и обратно, обеспечивая зарядку и разрядку батареи.

Электролиты могут состоять из множества комбинаций солей, растворителей и добавок. Они бывают жидкими, твердыми, гелеобразными или даже многофазными, что означает, что материал может переходить из жесткого состояния в гибкое в зависимости от условий.

Но какой материал лучше всего подходит для критически важной задачи переноса заряда?

Это один из главных вопросов современной науки, и ответ на него ключевой для разработки высокоэнергетических батарей с увеличенным сроком службы, способных работать при экстремальных температурах. Все эти качества крайне важны для следующего поколения электромобилей, бытовой техники и других устройств на батареях, таких как системы искусственного интеллекта.

Где исчезает энергия

Чтобы ответить на этот вопрос, Линь и Мэдсен изучали многофазные полимерные электролиты, которые потенциально могут хранить больше энергии в батарее того же размера, а также быть безопаснее и дешевле традиционных аналогов.

Лаборатория Мэдсена открыла многофазный электролит, называемый молекулярным ионным композитом, в 2015 году.

Исследовательские группы Мэдсена и Линя совместно работали над созданием литиевых и натриевых батарей на основе этой формулы, постепенно улучшая их характеристики.

Однако есть несколько нюансов: батареи страдают от странных образований и нежелательных процессов, возникающих на границе электролита и электродов — в этом «бермудском треугольнике» батарей.

Прорыв на границах раздела

Чтобы понять причину нестабильного поведения на границе, Мин совершил множество поездок в Национальную лабораторию Брукхейвена за последние несколько лет.

Рентгеновский луч низкой энергии в Брукхейвене часто используется для анализа метеоритов и грибов, но до этого никто не применял его для изучения полимерных электролитов.

Результаты, полученные с помощью этого метода в сочетании с другими методами визуализации, позволили исследователям точно определить источник проблем: часть структурной опорной системы деградировала при циклировании батареи, что в конечном итоге приводило к ее отказу.

Но это не просто диагноз.

Теперь исследователи могут использовать этот метод, чтобы наконец увидеть как сложную структуру, так и химические реакции на скрытых границах раздела.

«Это было отличное сотрудничество между несколькими исследовательскими лабораториями по всей стране», — сказал Линь, научный сотрудник имени Лео и Мелвы Харрис.

«Теперь у нас есть четкое механистическое понимание, которое поможет нам улучшить дизайн границ раздела и межфазных областей в твердополимерных батареях».

Дополнительная информация

• Какие преимущества имеют многофазные полимерные электролиты по сравнению с традиционными жидкими электролитами? - Они более безопасны (меньше риска утечек и возгорания), обладают лучшей механической стабильностью и могут работать в широком диапазоне температур, хотя их ионная проводимость иногда ниже.
• Как рентгеновский луч низкой энергии позволяет анализировать структуру батарей, и почему его раньше не использовали для этого? - Низкоэнергетические лучи лучше взаимодействуют с легкими элементами (например, литием) и меньше повреждают образец, но ранее не хватало чувствительности детекторов и методов обработки данных для точного анализа.

---

Метаповерхности: Двухслойное устройство может управлять различными формами поляризованного света

Почти десять лет назад инженеры Гарварда представили первые в мире метаповерхности для видимого спектра — ультратонкие плоские устройства с наноструктурами, способные точно контролировать поведение света. Будучи мощной альтернативой традиционным громоздким оптическим компонентам, метаповерхности сегодня позволяют создавать компактные, легкие и многофункциональные устройства — от систем визуализации и дополненной реальности до спектроскопии и коммуникаций.

Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) пошли дальше, создав двухслойную метаповерхность, состоящую не из одного, а из двух слоев наноструктур диоксида титана.

Под микроскопом новое устройство выглядит как плотный массив ступенчатых небоскребов.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

«Это вершина нанотехнологий, — сказал старший автор работы Федерико Капассо, профессор прикладной физики имени Роберта Л. Уоллеса и старший научный сотрудник в области электротехники в SEAS. — Это открывает новый способ структурирования света, позволяя управлять всеми его аспектами — длиной волны, фазой и поляризацией — с беспрецедентной точностью. Это новый путь для метаповерхностей, которые до сих пор лишь слегка затрагивали свой потенциал».

В течение столетий оптические системы полагались на громоздкие изогнутые линзы из стекла или пластика для преломления и фокусировки света.

Революция метаповерхностей, начатая SEAS в последнее десятилетие, привела к созданию плоских ультратонких структур с миллионами микроскопических элементов, способных управлять светом с нанометровой точностью.

Ярким примером такой технологии являются металлинзы: в отличие от обычных линз, их можно изготавливать с использованием существующих полупроводниковых технологий, что делает возможными компактные интегрированные оптические системы в смартфонах, камерах и устройствах дополненной реальности.

После того, как команда Капассо представила первую рабочую металлинзу, способную преломлять видимый свет, они совместно с Гарвардским управлением технологического развития лицензировали технологию и основали компанию Metalenz.

С тех пор они продемонстрировали множество потенциальных применений, включая эндоскоп, искусственный глаз и телескопическую линзу.

Однако однослойная наноструктура, разработанная командой Капассо, в некоторой степени ограничивала возможности.

Например, предыдущие метаповерхности требовали строгих условий для управления поляризацией света — ориентацией световых волн — чтобы контролировать его поведение.

«Многие исследовали теоретическую возможность двухслойной метаповерхности, но реальным препятствием было производство», — сказал Альфонсо Пальмьери, аспирант и соавтор исследования.

Благодаря этому прорыву, пояснил Пальмьери, можно представить новые виды многофункциональных оптических устройств — например, систему, которая проецирует одно изображение с одной стороны и совершенно другое — с другой.

Используя оборудование Центра наномасштабных систем Гарварда, команда, в которую вошли бывшие постдоки Ахмед Дорра и Джун-Су Парк, разработала процесс изготовления автономных прочных структур из двух метаповерхностей, которые прочно соединены, но не взаимодействуют химически.

Хотя многоуровневое структурирование широко применяется в полупроводниковой промышленности, в оптике и метаоптике оно изучено недостаточно.

Чтобы продемонстрировать возможности своего устройства, команда провела эксперимент, в котором использовала двухслойную металлинзу для воздействия на поляризованный свет так же, как это делает сложная система волновых пластин и зеркал.

В будущих экспериментах команда может добавить еще больше слоев, чтобы управлять другими аспектами света, например, обеспечить сверхширокополосную работу с высокой эффективностью во всем видимом и ближнем инфракрасном спектре, открывая путь к еще более сложным световым технологиям.

Исследование было поддержано несколькими федеральными источниками финансирования, включая Управление военно-морских исследований (грант № N00014-20-1-2450) и Управление научных исследований ВВС (гранты № FA9550-21-1-0312 и FA9550-22-1-0243).

Устройства были изготовлены в Центре наномасштабных систем Гарвардского университета, входящего в Национальную сеть координации нанотехнологий, которая поддерживается Национальным научным фондом (грант № ECCS-2025158).

Благодарности сотрудникам: Штефан Кремер поддерживал процесс фокусированного ионного пучка, а Мак Хэтэуэй — процесс атомно-слоевого осаждения.

Дополнительная информация

• Какие преимущества дает использование диоксида титана в метаповерхностях по сравнению с другими материалами? - Диоксид титана (TiO2) обладает высоким показателем преломления и низким поглощением света в видимом диапазоне, что делает его идеальным для создания компактных и эффективных метаповерхностей. Он также устойчив к химическим воздействиям и долговечен.
• Как именно работают волновые пластины и зеркала в управлении поляризацией света, которые заменяет новая технология? - Волновые пластины изменяют поляризацию света, задерживая одну компоненту световой волны относительно другой (например, превращая линейно поляризованный свет в циркулярно поляризованный). Зеркала могут отражать свет с определенной поляризацией. Метаповерхности заменяют эти элементы, манипулируя светом на наноуровне с помощью микроскопических структур.

---

Ученые объединили два «невозможных» материала в новую искусственную структуру

Международная команда под руководством исследователей из Университета Рутгерса-Нью-Брансуика объединила два лабораторных синтезированных материала в искусственную квантовую структуру, существование которой ранее считалось невозможным. Полученная экзотическая структура, как ожидается, позволит получить новые знания, которые могут привести к созданию материалов для квантовых вычислений.

Работа, описанная в статье на обложке журнала Nano Letters, объясняет, как четыре года непрерывных экспериментов привели к разработке нового метода создания уникальной микроскопической «сэндвич»-структуры из различных атомных слоев.

Один слой этой микроструктуры состоит из титаната диспрозия — неорганического соединения, используемого в ядерных реакторах для улавливания радиоактивных материалов и содержания неуловимых магнитных монополей. Другой слой образован пирохлорным иридатом — новым магнитным полуметаллом, который в основном используется в современных экспериментальных исследованиях благодаря своим уникальным электронным, топологическим и магнитным свойствам.

По отдельности оба материала часто считаются «невозможными» из-за их свойств, бросающих вызов традиционному пониманию квантовой физики.

Создание этой необычной «сэндвич»-структуры открывает новые возможности для научных исследований в области интерфейса — зоны контакта материалов на атомном уровне.

«Эта работа предлагает новый способ создания полностью искусственных двумерных квантовых материалов, которые могут продвинуть квантовые технологии и дать более глубокое понимание их фундаментальных свойств, что ранее было невозможно», — сказал Джак Чакхалян, профессор экспериментальной физики в Школе искусств и наук Рутгерса и ведущий автор исследования.

Чакхалян и его команда исследуют область, подчиняющуюся законам квантовой теории — раздела физики, описывающего поведение материи и энергии на атомном и субатомном уровнях.

Ключевым понятием квантовой механики является дуальность волны-частицы, согласно которой квантовые объекты могут обладать как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Этот принцип лежит в основе таких технологий, как лазеры, магнитно-резонансная томография (МРТ) и транзисторы.

Чакхалян высоко оценил вклад трех студентов Рутгерса, внесших значительный вклад в исследование: Майкла Терилли и Цунг-Чи Ву, аспирантов, и Дороти Доути, которая работала над проектом во время учебы и окончила университет в 2024 году.

Кроме того, Михаил Кареев, материаловед, сотрудничающий с Чакхаляном, внес основной вклад в разработку нового метода синтеза, как и Фангди Вэнь, недавно защитивший докторскую диссертацию на кафедре физики и астрономии.

Чакхалян отметил, что создание уникального квантового «сэндвича» было настолько технически сложным, что команде пришлось разработать новое устройство для его реализации.

Прибор под названием Q-DiP (платформа для открытия квантовых явлений) был завершен в 2023 году.

Q-DiP сочетает инфракрасный лазерный нагреватель с другим лазером, что позволяет создавать материалы на атомном уровне, слой за слоем.

Эта комбинация дает ученым возможность исследовать самые сложные квантовые свойства материалов при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю.

«Насколько нам известно, этот прибор уникален в США и представляет собой прорыв в инструментальном развитии», — сказал Чакхалян.

Часть «сэндвича», состоящая из титаната диспрозия (также известного как спиновый лед), обладает особыми свойствами.

Крошечные магниты внутри материала, называемые спинами, расположены таким образом, что напоминают структуру водяного льда.

Уникальное расположение спинов в спиновом льде позволяет им проявляться как особым частицам — магнитным монополям.

Магнитный монополь — это частица, которая ведет себя как магнит, но имеет только один полюс (северный или южный, но не оба одновременно).

Этот объект, предсказанный в 1931 году нобелевским лауреатом Полем Дираком, не существует в свободной форме во Вселенной, но возникает внутри спинового льда в результате квантово-механических взаимодействий в материале.

Другая часть «сэндвича» — полуметалл пирохлорный иридат — также считается экзотической, поскольку содержит релятивистские частицы, называемые фермионами Вейля.

Эти частицы, предсказанные Германом Вейлем в 1929 году и обнаруженные в кристаллах в 2015 году, движутся подобно свету и могут вращаться в разных направлениях (по или против часовой стрелки).

Их электронные свойства очень устойчивы к определенным типам возмущений или примесей, что делает их стабильными при использовании в электронных устройствах.

В результате пирохлорный иридат обладает высокой электропроводностью, необычно реагирует на магнитные поля и демонстрирует особые эффекты под воздействием электромагнитных полей.

Чакхалян отметил, что комбинированные свойства нового материала делают его перспективным кандидатом для использования в передовых технологиях, включая квантовые вычисления и особенно квантовые сенсоры следующего поколения.

«Это исследование — большой шаг вперед в синтезе материалов, который может значительно повлиять на создание квантовых сенсоров и развитие спинтронных устройств», — сказал он.

Квантовые вычисления используют принципы квантовой механики для обработки информации.

Квантовые компьютеры работают с кубитами, которые могут находиться в нескольких состояниях одновременно благодаря принципу суперпозиции.

Это позволяет выполнять сложные вычисления гораздо эффективнее, чем на классических компьютерах.

Уникальные электронные и магнитные свойства материала, разработанного исследователями, могут помочь в создании необычных и стабильных квантовых состояний, необходимых для квантовых вычислений.

Когда квантовые технологии станут практичными, они окажут значительное влияние на повседневную жизнь, революционизируя разработку лекарств и медицинские исследования, значительно улучшив операции, прогнозируемость и экономию затрат в финансах, логистике и производстве. Также ожидается, что они преобразуют алгоритмы машинного обучения, сделав системы искусственного интеллекта более мощными, отметили ученые.

Дополнительная информация

• Какие практические применения могут иметь магнитные монополи, если их удастся выделить из спинового льда? - Они могут революционизировать квантовые вычисления и создать новые типы энергонезависимой памяти благодаря их уникальным магнитным свойствам.
• Как фермионы Вейля отличаются от других квантовых частиц, и почему их стабильность важна для электронных устройств? - Фермионы Вейля не имеют массы и обладают высокой подвижностью, что делает их идеальными для создания сверхбыстрых и малоэнергозатратных электронных устройств.
• Какие ещё экзотические квантовые состояния материалов могут быть исследованы с помощью Q-DiP платформы? - С её помощью можно изучать квантовые спиновые жидкости, топологические изоляторы и другие состояния, которые могут лечь в основу будущих технологий.

---

Взгляд на одну из самых экстремальных сред Млечного Пути

Стрелец C — одна из самых экстремальных сред в галактике Млечный Путь. Эта облачная область космоса расположена примерно в 200 световых годах от сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Здесь массивное и плотное облако межзвездного газа и пыли за миллионы лет сжалось под собственной тяжестью, образовав тысячи новых звезд.

В новом исследовании группа ученых использовала наблюдения космического телескопа NASA «Джеймс Уэбб» для изучения Стрельца C с беспрецедентной детализацией.

Исследование возглавили астрофизик из Университета Колорадо в Боулдере Джон Балли, Сэмюэл Кроу из Университета Вирджинии, Рубен Федриани из Института астрофизики Андалусии в Гранаде и их коллеги.

Результаты могут помочь разгадать давнюю загадку о внутренних областях галактики, или, как называют их ученые, Центральной молекулярной зоне (ЦМЗ): в этом регионе наблюдается высокая плотность межзвездного газа.

Так почему же здесь рождается меньше новых звезд, чем предсказывали ученые?

Исследователи обнаружили, что мощные линии магнитного поля, похоже, пронизывают Стрелец C, образуя длинные и яркие нити горячего водородного газа, напоминающие спагетти — явление, которое может замедлять темпы звездообразования в окружающем газе.

«Это часть галактики с самой высокой плотностью звезд и массивных, плотных облаков водорода, гелия и органических молекул», — сказал Балли, профессор кафедры астрофизических и планетарных наук CU Boulder.

«Это один из ближайших известных нам регионов с экстремальными условиями, подобными тем, что существовали в молодой Вселенной».

Он и его коллеги опубликовали свои выводы 2 апреля в The Astrophysical Journal. Исследование является частью наблюдательной кампании, предложенной и возглавляемой Кроу, студентом четвертого курса Университета Вирджинии, недавно удостоенным стипендии Родса.

И, как отметил Кроу, поразительные изображения телескопа Уэбба показывают Стрелец C так, как его никогда раньше не видели.

«Из-за этих магнитных полей Стрелец C имеет принципиально иную форму, другой вид по сравнению с любым другим регионом звездообразования в галактике за пределами галактического центра», — сказал Кроу.

Звездные ясли

Исследование проливает свет на бурные рождения и смерти звезд в галактике Млечный Путь.

Звезды, как правило, образуются в так называемых «молекулярных облаках» — областях космоса, содержащих плотные скопления газа и пыли.

Ближайшие такие звездные ясли к Земле находятся в туманности Ориона, чуть ниже пояса Ориона.

Там молекулярные облака сжимались в течение миллионов лет, образуя скопление новых звезд.

Такие активные места звездообразования также предвещают их собственный конец.

По мере роста новые звезды начинают излучать в космос огромное количество радиации.

Эта радиация, в свою очередь, разгоняет окружающее облако, лишая регион вещества, необходимого для образования новых звезд.

«Даже Солнце, как мы думаем, образовалось в таком массивном скоплении», — сказал Балли.

«За миллиарды лет все наши звезды-сестры разошлись».

В отдельном исследовании, опубликованном сегодня в том же журнале, Кроу и его коллеги, включая Балли, углубились в изучение растущих «протозвезд», формирующихся в Стрельце.

Их данные раскрывают детальную картину того, как эти молодые звезды выбрасывают радиацию и разгоняют окружающие их газ и пыль.

Магнитные поля

В своем исследовании Балли изучил необычный внешний вид Стрельца C.

Он объяснил, что, в то время как туманность Ориона выглядит в основном гладкой, Стрелец C совсем не такой.

В этой области переплетаются десятки ярких нитей, некоторые из которых достигают нескольких световых лет в длину.

Эти нити состоят из плазмы — горячего газа заряженных частиц.

«Мы точно не ожидали увидеть эти нити», — сказал Рубен Федриани, соавтор исследования и постдокторант Института астрофизики Андалусии в Испании.

«Это было совершенно случайное открытие».

Балли отметил, что секрет нитей Стрельца C и природы его звездообразования, вероятно, кроется в магнитных полях.

Сверхмассивная черная дыра массой примерно в четыре миллиона раз больше нашего Солнца находится в центре галактики.

Движение газа, вращающегося вокруг этого гиганта, может растягивать и усиливать окружающие магнитные поля.

Эти поля, в свою очередь, формируют плазму в Стрельце C.

Балли предполагает, что туманность Ориона выглядит гораздо более гладкой, потому что находится в гораздо более слабой магнитной среде.

Ученые, добавил он, давно знали, что внутренние области галактики являются важным местом рождения новых звезд.

Но некоторые расчеты показали, что регион должен производить гораздо больше молодых звезд, чем наблюдается.

В ЦМЗ магнитные силы могут быть достаточно сильными, чтобы противостоять гравитационному коллапсу молекулярных облаков, ограничивая скорость образования новых звезд.

Тем не менее, время самого Стрельца C, возможно, подходит к концу.

Звезды региона уже разогнали большую часть его молекулярного облака, и эти ясли могут полностью исчезнуть через несколько сотен тысяч лет.

«Это почти конец истории», — сказал Балли.

Дополнительная информация

• Как магнитные поля в других галактиках влияют на звездообразование? - Магнитные поля могут как подавлять, так и направлять звездообразование, в зависимости от их силы и структуры. Сильные поля могут препятствовать коллапсу газовых облаков, замедляя процесс, в то время как слабые или упорядоченные поля могут способствовать формированию звезд.
• Какие органические молекулы обнаружены в Центральной молекулярной зоне? - В Центральной молекулярной зоне Млечного Пути обнаружены сложные органические молекулы, такие как метанол (CH₃OH), формальдегид (H₂CO), этиленгликоль (C₂H₆O₂) и даже аминокислотоподобные соединения.

---

Самый маленький в мире кардиостимулятор активируется светом

Инженеры Северо-Западного университета разработали кардиостимулятор настолько крошечный, что он помещается внутри кончика шприца и может быть введен в организм неинвазивным способом.

Хотя устройство подходит для сердец любого размера, оно особенно хорошо подходит для хрупких сердец новорожденных с врожденными пороками.

Меньше рисового зерна, этот кардиостимулятор работает в паре с мягким, гибким, беспроводным носимом устройством, которое крепится на груди пациента и управляет стимуляцией.

Когда носимое устройство обнаруживает нарушение сердечного ритма, оно автоматически посылает световой импульс для активации кардиостимулятора.

Эти короткие импульсы, проникающие через кожу, грудину и мышцы пациента, контролируют работу сердца.

Разработанный для пациентов, которым требуется временная стимуляция, кардиостимулятор просто растворяется после выполнения своей функции.

Все компоненты устройства биосовместимы и естественным образом растворяются в биожидкостях организма, устраняя необходимость хирургического извлечения.

Исследование будет опубликовано 2 апреля в журнале Nature. В работе демонстрируется эффективность устройства на различных моделях животных, а также на сердцах умерших доноров органов.

"Насколько нам известно, мы создали самый маленький в мире кардиостимулятор", — заявил пионер биоэлектроники Джон А. Роджерс, руководивший разработкой.

"Временные кардиостимуляторы крайне необходимы в детской кардиохирургии, и в этом случае миниатюризация имеет огромное значение. Чем меньше устройство, тем лучше для организма".

"Нашей главной мотивацией были дети", — добавил экспериментальный кардиолог Игорь Ефимов, соавтор исследования.

"Около 1% детей рождаются с врожденными пороками сердца — независимо от уровня развития страны. Хорошая новость в том, что этим детям требуется лишь временная стимуляция после операции. Примерно через семь дней сердце большинства пациентов восстанавливается самостоятельно. Но эти семь дней критически важны. Теперь мы можем разместить этот крошечный стимулятор на сердце ребенка и управлять им с помощью мягкого носимого устройства. При этом не требуется дополнительной операции для его удаления".

Роджерс — профессор материаловедения, биомедицинской инженерии и нейрохирургии, директор Института биоэлектроники Керри Симпсона. Ефимов — профессор биомедицинской инженерии и кардиологии.

Исследование также проводилось при участии профессоров Йонганга Хуана, Вэй Оуяна и Риши Ароры.

Решение неудовлетворенной клинической потребности

Эта работа основана на предыдущей коллаборации Роджерса и Ефимова, в рамках которой они создали первое растворимое устройство для временной стимуляции.

Многим пациентам после операции на сердце требуется временный кардиостимулятор — либо в ожидании постоянного, либо для восстановления нормального ритма во время реабилитации.

Согласно текущему стандарту, хирурги пришивают электроды к сердечной мышце во время операции. Провода от электродов выводятся через грудную клетку и подключаются к внешнему блоку, который регулирует сердечный ритм.

Когда временный стимулятор больше не нужен, врачи удаляют электроды. Этот процесс может привести к осложнениям: инфекциям, смещению, повреждению тканей, кровотечениям и тромбам.

"Провода буквально торчат из тела, присоединенные к внешнему стимулятору", — пояснил Ефимов.

"При удалении провода, которые могут обрасти рубцовой тканью, способны повредить сердечную мышцу".

В ответ на эту клиническую потребность команды Роджерса и Ефимова разработали растворимый кардиостимулятор, представленный в Nature Biotechnology в 2021 году.

Тонкое, гибкое и легкое устройство устранило необходимость в громоздких батареях и жестком оборудовании, включая провода.

Лаборатория Роджерса ранее изобрела концепцию биорезорбируемой электронной медицины — устройств, которые оказывают терапевтический эффект, а затем безопасно растворяются в организме, как рассасывающиеся швы.

Меняя состав и толщину материалов, команда может контролировать срок работы устройства перед растворением.

Батарея на биожидкостях

Хотя первый растворимый кардиостимулятор размером с монету хорошо показал себя в доклинических испытаниях, кардиохирурги запросили более миниатюрную версию для малоинвазивной имплантации и использования у самых маленьких пациентов.

Первое устройство работало на основе технологии ближнего поля (как в смартфонах для бесконтактных платежей), что требовало встроенной антенны.

"Наш первоначальный стимулятор работал хорошо, но размер антенны ограничивал миниатюризацию", — отметил Роджерс.

"Вместо радиочастотного управления мы разработали световую схему активации. Это позволило радикально уменьшить размеры".

Для дальнейшего сокращения габаритов исследователи переосмыслили источник питания. Новый крошечный стимулятор работает за счет гальванического элемента — простой батареи, преобразующей химическую энергию в электрическую.

Конкретно, устройство использует два разных металла в качестве электродов. При контакте с биожидкостями они образуют батарею, генерирующую ток для стимуляции сердца.

"Очень маленький светоактивируемый переключатель позволяет включать устройство с помощью света, проходящего через тело от носимого патча", — пояснил Роджерс.

Световые импульсы

Команда использовала инфракрасный свет, который глубоко и безопасно проникает в тело. Если частота сердечных сокращений падает ниже нормы, носимое устройство активирует светодиод, который мигает с частотой, соответствующей нормальному ритму.

"Инфракрасный свет прекрасно проходит через тело", — сказал Ефимов. "Наше тело — отличный проводник света".

Несмотря на крошечные размеры (1,8 мм в ширину, 3,5 мм в длину и 1 мм в толщину), устройство обеспечивает такую же стимуляцию, как полноразмерный кардиостимулятор.

"Сердцу требуется минимальная электрическая стимуляция", — отметил Роджерс. "Минимизация размеров упрощает имплантацию, снижает риски для пациента и устраняет необходимость повторной операции по извлечению".

Усовершенствованная синхронизация

Благодаря миниатюрности несколько стимуляторов можно распределить по сердцу, управляя каждым отдельно с помощью света разного цвета. Это позволяет достичь более точной синхронизации по сравнению с традиционной стимуляцией.

"Мы можем разместить несколько таких устройств на сердце и контролировать их по отдельности", — сказал Ефимов. "Это улучшает синхронизацию. Мы также можем интегрировать стимуляторы в другие импланты, например, в протезы клапанов сердца".

"Из-за своих размеров этот стимулятор можно совместить практически с любым имплантируемым устройством", — добавил Роджерс. "Мы показали, как их можно использовать вместе с транскатетерными аортальными клапанами для решения возможных осложнений".

Технология открывает широкие возможности для биоэлектронной медицины, включая стимуляцию заживления нервов и костей, лечение ран и блокировку боли.

Исследование "Миллиметровые биорезорбируемые оптоэлектронные системы для электротерапии" поддержано Институтом биоэлектроники Керри Симпсона, фондом Leducq и Национальными институ

Дополнительная информация

• Как именно инфракрасный свет активирует кардиостимулятор на молекулярном уровне? - Инфракрасный свет поглощается специальными материалами в устройстве, вызывая их нагрев или фотохимические реакции, что генерирует электрические импульсы для стимуляции сердца.
• Какие конкретно металлы используются в гальваническом элементе и почему? - Чаще всего применяют магний и цинк, так как они биосовместимы и способны растворяться в организме без токсичного воздействия.
• Как долго растворяются компоненты устройства в организме? - Время растворения зависит от состава, но обычно занимает от нескольких дней до нескольких недель, постепенно рассасываясь под действием биологических жидкостей.
• Какие другие медицинские применения возможны для этой технологии световой активации? - Технология может быть адаптирована для нейростимуляции, временных датчиков или контролируемой доставки лекарств в целевые ткани.

---

Гены могут влиять на наше удовольствие от музыки

Музыка занимает центральное место в человеческих эмоциях и культуре. Имеет ли наша способность получать удовольствие от музыки биологическую основу? Генетическое исследование близнецов, опубликованное в журнале Nature Communications, показывает, что наслаждение музыкой частично наследуется. Международная команда под руководством ученых из Института психолингвистики Макса Планка в Неймегене (Нидерланды) выявила генетические факторы, влияющие на степень удовольствия от музыки, которые частично отличались от генов, влияющих на общее удовольствие от вознаграждающих переживаний или музыкальные способности.

Музыка играет важную роль в человеческих эмоциях, социальных связях и культурном самовыражении.

Как уже отмечал Дарвин, музыка "должна быть отнесена к числу самых загадочных способностей, которыми наделен человек". Но почему люди получают удовольствие от музыки?

"Ответ на этот большой вопрос потенциально может открыть окно в более общие аспекты человеческого разума, такие как то, как переживания становятся приятными", — говорит первый автор исследования, кандидат наук Джакомо Бигнари.

"Мы хотели понять, могут ли генетические различия между людьми приводить к различиям в удовольствии, которое они получают от музыки, и что эти различия могут рассказать нам о музыкальности человека в целом".

Чтобы определить, вносят ли генетические факторы вклад в наслаждение музыкой или "чувствительность к музыкальному вознаграждению", исследователи использовали метод близнецов, который сравнивает сходства между однояйцевыми и разнояйцевыми близнецами.

Проще говоря, если однояйцевые близнецы более похожи, чем разнояйцевые, значит, генетика должна играть роль.

В сотрудничестве с Институтом эмпирической эстетики Макса Планка в Германии и Каролинским институтом в Швеции команда смогла использовать данные более чем 9000 близнецов, включая их самооценку музыкального вознаграждения и общей чувствительности к вознаграждению, а также их способность воспринимать музыкальные особенности, такие как высота тона, мелодия и ритм.

Результаты показывают, что способность испытывать удовольствие от музыки частично наследуется: используя метод близнецов, исследователи смогли оценить, что 54% вариативности в шведской выборке связаны с различиями в ДНК между людьми.

Команда также обнаружила, что генетические влияния на чувствительность к музыкальному вознаграждению частично независимы от общей чувствительности к вознаграждению и музыкальных перцептивных способностей, и выявила, что различные генетические пути влияют на разные аспекты наслаждения музыкой, такие как регуляция эмоций, танцы под ритм или совместное музицирование.

"Эти результаты рисуют сложную картину, в которой частично различные ДНК-различия вносят вклад в разные аспекты наслаждения музыкой", — заключает Бигнари. "Будущие исследования, направленные на то, какая часть генома вносит наибольший вклад в человеческую способность получать удовольствие от музыки, потенциально могут пролить свет на ту человеческую способность, которая больше всего озадачивала Дарвина и продолжает озадачивать нас сегодня".

---

Истончение арктического морского льда может повлиять на глобальную океаническую циркуляцию

Один из океанических течений в Северном Ледовитом океане рискует исчезнуть в этом столетии из-за изменения климата, согласно новому совместному исследованию Гётеборгского университета и немецкого Института Альфреда Вегенера. В результате Северная Атлантика может быть затоплена пресной водой, что ослабит глобальную океаническую циркуляцию.

Ослабление AMOC (Атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции) — горячая тема среди климатологов мира. Однако последствия изменений океанических течений и достижения переломного момента остаются неясными.

Исследователь Селин Хёзе из Гётеборгского университета вместе с коллегами Марилу Атанас и Рафаэлем Кёлером из Германии изучила будущее одного из основных течений в море Бофорта, расположенном в Северном Ледовитом океане к северу от побережья Аляски и Канады.

Это течение, называемое круговоротом Бофорта, является важной особенностью Северного Ледовитого океана. Накапливая или высвобождая пресную воду, оно влияет на океанические свойства как в Арктике, так и вплоть до Северной Атлантики.

Из-за потепления в Арктике круговорот Бофорта в настоящее время теряет большие объемы морского льда. Лед помогает охлаждать океан, действуя как крышка. Более тонкий лед пропускает больше тепла из атмосферы, повышая температуру моря и ускоряя дальнейшее таяние льда.

Предыдущие исследования показывают, что содержание пресной воды в море Бофорта увеличилось на 40% за последние два десятилетия.

Опасения по поводу "переломного момента" для морского льда

"Результаты этого исследования вызывают у нас опасения, что сокращение морского льда в этом регионе может привести к переломному моменту, когда AMOC разрушится", — говорит Селин Хёзе, старший преподаватель климатологии Гётеборгского университета и эксперт по глубоководным океанам и морскому льду.

В исследовании ученые использовали только те глобальные климатические модели, которые могут точно воспроизводить круговорот Бофорта. Климатическая модель — это компьютерная симуляция климатической системы Земли (атмосферы, океана, суши и льда), используемая для реконструкции прошлого климата или прогнозирования будущего.

"Если выбросы парниковых газов не будут срочно сокращены, наши прогнозы показывают, что круговорот Бофорта ослабнет и высвободит накопленную пресную воду. Эта вода может достичь Северной Атлантики и потенциально негативно повлиять на AMOC", — говорит Марилу Атанас, исследователь Института Альфреда Вегенера и ведущий автор исследования.

AMOC, частью которого является Гольфстрим, имеет огромное значение для климата Скандинавии, так как переносит теплую воду в высокие широты северного полушария. Исследователи планируют более детально изучить связь между сокращением арктического льда и ослаблением AMOC.

Справочная информация

Гольфстрим и AMOC

Океаническая циркуляция в Атлантике, на которой сосредоточены многие климатологи, называется AMOC — Атлантическая меридиональная опрокидывающая циркуляция. Это крупная система океанических течений в Атлантике, частью которой является Гольфстрим.

Система AMOC работает за счет разницы плотности между различными водными массами: теплая вода из южных широт движется на север по поверхности океана, где охлаждается, опускается и возвращается на юг в глубинах океана. (Википедия)

Переломные моменты

В климатологии переломный момент — это критический порог, при пересечении которого происходят значительные, ускоряющиеся и часто необратимые изменения в климатической системе. (Википедия)

Дополнительная информация

• Как именно пресная вода из круговорота Бофорта может повлиять на AMOC? - Пресная вода из круговорота Бофорта может ослабить Атлантическую меридиональную опрокидывающую циркуляцию (AMOC), снижая солёность и плотность воды, что нарушает процесс опускания плотных вод в Северной Атлантике, критически важный для работы AMOC.
• Какие другие известные "переломные моменты" существуют в климатической системе? - К ним относятся таяние ледников Гренландии, коллапс ледников Западной Антарктики, исчезновение амазонских лесов, замедление AMOC, высвобождение метана из вечной мерзлоты и сдвиги муссонных систем.

---

Высокоточный анализ крови диагностирует болезнь Альцгеймера и определяет степень деменции

Согласно исследованию ученых из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Лундского университета в Швеции, новый анализ крови на болезнь Альцгеймера не только помогает диагностировать это нейродегенеративное заболевание, но и показывает степень его прогрессирования.

Несколько анализов крови на болезнь Альцгеймера уже доступны в клинической практике, включая два, основанных на технологии, лицензированной у Вашингтонского университета. Такие тесты помогают врачам диагностировать заболевание у людей с когнитивными симптомами, но не указывают на клиническую стадию симптомов болезни — то есть степень нарушения мышления или памяти из-за деменции при Альцгеймере. Современные методы лечения наиболее эффективны на ранних стадиях заболевания, поэтому относительно простой и надежный способ оценки прогрессирования болезни может помочь врачам определить, какие пациенты с наибольшей вероятностью получат пользу от медикаментозного лечения и в какой степени. Новый тест также может показать, вызваны ли симптомы человека именно болезнью Альцгеймера или другими причинами.

Исследование опубликовано 31 марта в журнале Nature Medicine.

В ходе исследования ученые обнаружили, что уровни белка MTBR-tau243 в крови точно отражают количество токсичных скоплений тау-белка в мозге и коррелируют с тяжестью болезни Альцгеймера. Анализируя уровни MTBR-tau243 в крови у группы людей с когнитивными нарушениями, исследователи смогли различить людей с ранней или поздней стадией болезни Альцгеймера и отделить обе группы пациентов с Альцгеймером от людей, чьи симптомы были вызваны другими причинами.

«Этот анализ крови четко выявляет тау-клубки при Альцгеймере, которые являются нашим лучшим биомаркером для оценки симптомов и деменции при этом заболевании», — сказал соавтор исследования Рэндалл Дж. Бейтман, доктор медицинских наук, профессор неврологии в Медицинской школе Вашингтонского университета. «В текущей клинической практике у нас нет простых и доступных методов оценки тау-клубков и деменции, поэтому такой анализ крови может дать гораздо лучшее представление о том, вызваны ли симптомы болезнью Альцгеймера, а также помочь врачам выбрать оптимальное лечение для пациентов».

Отслеживание прогрессирования болезни Альцгеймера по крови

Болезнь Альцгеймера связана с накоплением белка амилоида в виде бляшек в мозге, за которым спустя годы следует образование клубков тау-белка. Когнитивные симптомы появляются примерно в то время, когда тау-клубки становятся обнаруживаемыми, и ухудшаются по мере их распространения. Золотым стандартом для определения стадии болезни Альцгеймера являются позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) мозга на амилоидные бляшки и тау-клубки. Амилоидные сканы дают информацию о пресимптоматической и ранней симптоматической стадиях, тогда как тау-сканирование полезно для отслеживания поздних стадий заболевания. ПЭТ-сканирование мозга очень точное, но дорогое, трудоемкое и часто недоступное за пределами крупных исследовательских центров, поэтому оно не получило широкого распространения.

Бейтман возглавляет команду, разрабатывающую анализы крови на болезнь Альцгеймера как более доступную альтернативу сканированию мозга. Они создали два анализа крови, которые тесно коррелируют с количеством амилоидных бляшек в мозге. Оба уже используются врачами для помощи в диагностике. Но до сих пор не существовало анализа крови, который бы отражал уровни тау-белка в мозге.

В предыдущем исследовании Бейтман и его коллеги — включая соавторов Канту Хори, доктора философии, доцента неврологии в Медицинской школе Вашингтонского университета, и Джемму Сальвадо, доктора философии, бывшего постдока в Лундском университете, а также Оскара Ханссона, доктора медицинских наук, профессора неврологии в Лундском университете — показали, что уровни MTBR-tau243 в спинномозговой жидкости тесно коррелируют с тау-клубками в мозге. В текущем исследовании команда расширила анализ на кровь. Забор крови проще, чем получение спинномозговой жидкости, для которой требуется люмбальная пункция.

Исследователи разработали методику измерения уровней MTBR-tau243 в крови людей и сравнили их с количеством тау-клубков в мозге, определенным с помощью сканирования. Они протестировали подход на данных двух групп: добровольцев из Исследовательского центра болезни Альцгеймера имени Чарльза Ф. и Джоан Найт при Вашингтонском университете (108 человек) и подгруппы из 55 человек из шведской когорты BioFINDER-2. Чтобы оценить универсальность метода, они проверили его на независимом наборе данных, состоящем из оставшихся 739 человек из когорты BioFINDER-2.

Участники двух когорт представляли весь спектр болезни Альцгеймера, за исключением самых тяжелых случаев — от пресимптоматической стадии, когда уровни амилоида в мозге повышены, но когнитивные функции остаются нормальными, через раннюю стадию с легкими когнитивными нарушениями до поздней симптоматической стадии с выраженной деменцией. Для сравнения были включены когнитивно здоровые люди с нормальным уровнем амилоида и люди с когнитивными симптомами, вызванными другими заболеваниями.

Анализ показал, что уровни MTBR-tau243 в крови отражали количество тау-клубков в мозге с точностью 92%. Уровни MTBR-tau243 в крови были нормальными у бессимптомных людей независимо от статуса амилоида, что означает, что они не изменяются между здоровыми людьми и людьми на пресимптоматической стадии Альцгеймера с амилоидными бляшками.

Среди людей с когнитивными симптомами из-за болезни Альцгеймера уровни MTBR-tau243 были значительно повышены у пациентов на стадии легких когнитивных нарушений и намного выше — до 200 раз — у людей на стадии деменции. Эти различия позволили четко разделить людей с ранней и поздней стадией болезни. В то же время уровни MTBR-tau243 оставались нормальными у людей с когнитивными симптомами, вызванными другими заболеваниями, что означает, что тест эффективно отличает деменцию при Альцгеймере от других видов деменции.

Технология, лежащая в основе анализа крови на тау-агрегаты, была лицензирована Вашингтонским университетом компании C2N Diagnostics, стартапу при университете, разработавшему анализы крови на амилоид. Эти тесты на амилоид включают измерение другой формы тау-белка — p-tau217.

«Я считаю, что мы будем использовать анализ крови на p-tau217 для определения наличия болезни Альцгеймера, но MTBR-tau243 станет ценным дополнением как в клинической практике, так и в исследованиях», — сказал Ханссон. «Когда оба этих биомаркера положительны, вероятность того, что когнитивные симптомы вызваны именно Альцгеймером, значительно возрастает по сравнению с ситуацией, когда аномален только p-tau217. Это различие крайне важно для выбора наиболее подходящего лечения для каждого пациента».

Анализы крови могут помочь в персонализированном лечении Альцгеймера

Два метода терапии болезни Альцгеймера были одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пище

Дополнительная информация

• Какой механизм связывает уровень MTBR-tau243 в крови с тау-клубками в мозге? - MTBR-tau243 — это фрагмент тау-белка, который высвобождается в кровь при образовании тау-клубков в мозге. Его уровень коррелирует с тяжестью нейродегенерации.
• Какие другие заболевания могут вызывать когнитивные симптомы, похожие на болезнь Альцгеймера? - Сосудистая деменция, болезнь Паркинсона, лобно-височная деменция, депрессия и дефицит витамина B12.
• Какова точность традиционных методов диагностики болезни Альцгеймера по сравнению с новым анализом крови? - Традиционные методы (ПЭТ, анализ спинномозговой жидкости) точны на 85–90%, тогда как новые анализы крови достигают точности 80–85%.
• Какие существуют современные методы лечения болезни Альцгеймера на разных стадиях? - На ранних стадиях применяют ингибиторы холинэстеразы (донепезил), на умеренных — мемантин, а также исследуются иммунотерапия и антиамилоидные препараты.

---

Ученые предупреждают: Mpox может стать серьезной глобальной угрозой

Вирус Mpox (ранее известный как оспа обезьян) может превратиться в серьезную угрозу для глобального здравоохранения, если к нему относиться недостаточно серьезно, предупреждают ученые из Университета Суррея.

В письме, опубликованном в журнале Nature Medicine, исследователи отмечают, что mpox, который традиционно передавался от животных к человеку, теперь демонстрирует явные признаки устойчивой передачи от человека к человеку.

Mpox — это вирусная инфекция, вызываемая вирусом из того же семейства, что и вирус натуральной оспы.

Заболевание может сопровождаться болезненной сыпью, лихорадкой и увеличением лимфатических узлов, а в некоторых случаях приводить к более тяжелым последствиям.

Обычно вирус распространяется при тесном контакте с инфицированным человеком или животным.

Карлос Малукер де Мотес, преподаватель молекулярной вирусологии Университета Суррея, заявил:

"Последние вспышки показывают, что интимный контакт стал значимым путем передачи вируса. Это изменение в способе передачи приводит к более длинным цепочкам заражения и продолжительным вспышкам".

В статье отмечается, что эти изменения совпали с быстрым распространением вариантов mpox клады IIb (клада — группа вирусов, имеющих общего предка), но теперь наблюдается рост и других вариантов, относящихся к кладе I.

Исследователи обеспокоены тем, что вирусы клады I считаются более агрессивными.

Эти вирусы, по-видимому, накапливают специфические генетические мутации — вызванные ферментами человеческого организма — которые могут изменять свойства вируса. Чем дольше эти вирусы циркулируют среди людей, тем выше вероятность, что мутации помогут mpox лучше адаптироваться к человеческому организму.

Хотя mpox ранее встречался в основном в Центральной Африке, в 2022 году вирус вызвал глобальную вспышку, а сейчас провоцирует вспышки в нескольких странах к югу от Сахары.

Хотя в настоящее время вирус чаще всего поражает взрослых, исследователи подчеркивают, что он может распространяться и среди других групп, включая детей, которые подвержены более высокому риску тяжелого течения болезни — хотя устойчивой передачи среди детей пока не зарегистрировано.

Доктор Малукер де Мотес добавил:

"Контроль над mpox должен стать приоритетом глобальной повестки здравоохранения. У нас ограниченные диагностические возможности и еще меньше противовирусных препаратов. Нам срочно необходимы лучший эпиднадзор, а также местные или региональные возможности для производства необходимых средств — в противном случае мы рискуем столкнуться с новыми эпидемиями".

В отличие от натуральной оспы, mpox имеет природный резервуар среди животных, что означает невозможность его полного искоренения. Авторы предупреждают, что если международное сообщество не примет меры уже сейчас — включая инвестиции в экспресс-тестирование и новые методы лечения — mpox будет продолжать появляться вновь и угрожать глобальному здоровью.

---

Прорыв в материаловедении: ИИ раскрывает секреты дендритного роста в тонких плёнках

Тонкоплёночные устройства, состоящие из слоёв материалов толщиной в несколько нанометров, играют важную роль в различных технологиях — от полупроводников до средств связи. Например, многослойные тонкие плёнки графена и гексагонального нитрида бора (h-BN), нанесённые на медные подложки, являются перспективными материалами для систем связи следующего поколения с высокой скоростью передачи данных. Тонкие плёнки выращиваются путём осаждения микроскопических слоёв материалов на подложку. Условия процесса роста существенно влияют на микроструктуру этих плёнок, что, в свою очередь, определяет их функциональность и производительность.

Дендритные структуры, или древовидные разветвлённые узоры, возникающие в процессе роста, представляют серьёзное препятствие для крупномасштабного производства тонкоплёночных устройств — ключевого шага на пути к коммерческому применению. Они часто наблюдаются в таких материалах, как медь, графен и борфен, особенно на ранних стадиях роста и в многослойных плёнках. Поскольку микроструктура напрямую влияет на производительность устройств, уменьшение образования дендритов имеет критическое значение. Однако методы изучения дендритов до сих пор в основном основывались на грубом визуальном анализе и субъективной интерпретации. Понимание условий, вызывающих дендритное ветвление, крайне важно для оптимизации процесса роста тонких плёнок, но существующие подходы часто требуют значительных проб и ошибок.

Чтобы решить эти проблемы, исследовательская группа под руководством профессора Масато Котсуги с факультета материаловедения и технологий Токийского университета науки (TUS), Япония, разработала инновационную объяснимую модель искусственного интеллекта (ИИ) для анализа дендритных структур. В команду также вошли Мисато Тоне из TUS и Иппэй Обаяси из Университета Окаямы. Исследователи разработали новый метод, связывающий структуру и процесс дендритного роста путём интеграции персистентной гомологии, машинного обучения и энергетического анализа. «Наш подход даёт новое понимание механизмов роста и предлагает мощный, основанный на данных путь для оптимизации производства тонких плёнок», — поясняет профессор Котсуги. Их исследование было опубликовано онлайн в журнале Science and Technology of Advanced Materials: Methods 7 марта 2025 года.

Для анализа морфологии дендритных структур команда использовала передовой топологический метод под названием персистентная гомология (PH). PH позволяет проводить многомасштабный анализ отверстий и связей в геометрических структурах, выявляя сложные топологические особенности древовидных дендритных микроструктур, которые часто упускаются из виду при использовании традиционных методов обработки изображений.

Исследователи объединили PH с методом главных компонент (PCA), техникой машинного обучения. С помощью PCA основные особенности морфологии дендритов, извлечённые с помощью PH, были сведены к двумерному пространству. Это позволило команде количественно оценить структурные изменения дендритов и установить связь между этими изменениями и энергией Гиббса — энергией, доступной в материале, которая влияет на формирование дендритов в процессе роста кристаллов. Анализируя эту взаимосвязь, учёные выявили специфические условия и скрытые механизмы роста, влияющие на ветвление дендритов. Профессор Котсуги поясняет: «Наша методика количественно отображает морфологию дендритов на вариации энергии Гиббса, выявляя энергетические градиенты, которые управляют поведением ветвления».

Для проверки своего подхода исследователи изучили рост дендритов на гексагональной медной подложке и сравнили полученные результаты с данными фазово-полевого моделирования.

«Интегрируя топологию и свободную энергию, наш метод предлагает универсальный подход к анализу материалов. Благодаря этой интеграции мы можем установить иерархическую связь между микроструктурами атомного масштаба и макроскопическими функциональными характеристиками для широкого спектра материалов, прокладывая путь для будущих достижений в материаловедении», — отмечает профессор Котсуги. «Важно, что наш метод может привести к созданию высококачественных тонкоплёночных устройств для сверхскоростной связи, превосходящей возможности 5G».

Разработанная в этом исследовании методика может открыть путь к прорывам в сенсорных технологиях, неравновесной физике и высокопроизводительных материалах, раскрывая скрытые взаимосвязи структуры и функции и продвигая анализ сложных систем.

Дополнительная информация

• Как энергия Гиббса влияет на формирование микроструктур в других материалах, кроме меди и графена? - Энергия Гиббса определяет термодинамическую устойчивость микроструктур: материалы стремятся к состоянию с минимальной энергией, что влияет на формирование фаз, границ зёрен и дефектов в любых материалах.
• Какие практические сложности возникают при промышленном внедрении методов анализа на основе ИИ в производство тонких плёнок? - Основные сложности включают нехватку качественных данных для обучения моделей, высокую стоимость внедрения, сопротивление персонала изменениям и необходимость интеграции ИИ-систем с существующим оборудованием.

---

Умно спроектированная углеродная нанообруч позволяет контролировать высвобождение железа

ПОЛНАЯ ИСТОРИЯ

Исследователи из Амстердамского и Цюрихского университетов разработали молекулярную систему для контролируемого высвобождения железа. Они интегрировали ферроцен — молекулярный «бутерброд», заключающий в себе атом железа, — с углеродным «нанообручем». В результате система позволяет высвобождать ионы Fe2+ при активации безвредным зеленым светом. Недавно работа была опубликована в статье в Journal of the American Chemical Society (JACS) и теперь представлена на обложке последнего выпуска журнала.

Исследование проводилось группами доктора Томаша Шоломека из Института молекулярных наук Вант-Гоффа Амстердамского университета и доктора Петера Штацко из Цюрихского университета (факультет химии). Их специализация — фотоактивируемые клетки (photocages), молекулярные фотохимические инструменты, которые обеспечивают точный контроль над активностью субстрата во времени и пространстве с использованием света в качестве биоортогонального стимула. Фотоактивируемые клетки позволяют активировать биологически значимые молекулы, такие как белки, нуклеотиды или лекарства. Они не только являются мощным инструментом для изучения механизмов и динамики биохимических процессов, но и имеют потенциал для терапевтического применения, например, в фотоактивируемой химиотерапии.

В исследовании, опубликованном в JACS, ученые сместили фокус с контроля активности органических молекул на другой ключевой компонент многих биологических систем — железо. Известное своей ролью в транспорте кислорода в организме человека, оно также играет ключевую роль в обеспечивающих энергию окислительно-восстановительных процессах в митохондриях, синтезе дезоксирибонуклеотидов и защите клеток от окислительного стресса.

Фотоиндуцированное высвобождение, обусловленное напряжением

---

Физики использовали квантовую запутанность для разгадки тайны странных металлов

Ученые давно пытаются раскрыть загадку странных металлов — материалов, которые не подчиняются обычным законам электричества и магнетизма. Теперь команда физиков из Университета Райса совершила прорыв в этой области, используя инструмент из квантовой информатики. Их исследование, недавно опубликованное в Nature Communications, показывает, что электроны в странных металлах достигают максимальной запутанности в критической точке, проливая новый свет на поведение этих загадочных материалов. Это открытие может привести к прогрессу в создании сверхпроводников, способных изменить энергетику будущего.

В отличие от обычных металлов, таких как медь или золото, чьи электрические свойства хорошо изучены, странные металлы ведут себя гораздо сложнее, и их внутренние процессы выходят за рамки стандартных учебных описаний.

Под руководством Цимао Си, профессора физики и астрономии имени Гарри К. и Ольги К. Виесс, исследовательская группа обратилась к квантовой информации Фишера (QFI) — концепции из квантовой метрологии, используемой для измерения того, как взаимодействия электронов меняются в экстремальных условиях.

Их исследование показывает, что квантовая запутанность электронов, фундаментальное квантовое явление, достигает пика в точке квантового фазового перехода — моменте смены одного состояния вещества другим.

«Наши результаты демонстрируют, что странные металлы обладают уникальным паттерном запутанности, что дает новый инструмент для понимания их необычного поведения», — сказал Си.

«Используя квантовую информационную теорию, мы обнаруживаем глубокие квантовые корреляции, которые ранее были недоступны».

Новый способ изучения странных металлов

В большинстве металлов электроны движутся упорядоченно, следуя известным законам физики.

Однако странные металлы нарушают эти правила, демонстрируя необычное сопротивление электричеству и аномальное поведение при очень низких температурах.

Чтобы разгадать эту загадку, исследователи сосредоточились на теоретической модели, называемой решеткой Кондо, которая описывает взаимодействие магнитных моментов с окружающими электронами.

В точке критического перехода эти взаимодействия становятся настолько интенсивными, что квазичастицы — фундаментальные элементы электрического поведения — исчезают.

С помощью QFI ученые проследили, как потеря квазичастиц связана с запутанностью спинов электронов, и обнаружили, что запутанность достигает пика именно в этой квантовой критической точке.

Этот новый подход применяет QFI, обычно используемую в квантовой информатике и прецизионных измерениях, к изучению металлов.

«Интегрируя квантовую информатику с физикой конденсированного состояния, мы открываем новое направление в исследованиях материалов», — отметил Си.

Возможный путь к более эффективной энергетике

Теоретические расчеты исследователей неожиданно совпали с экспериментальными данными, в частности с результатами неупругого рассеяния нейтронов — метода, используемого для изучения материалов на атомном уровне.

Это совпадение подтверждает идею о том, что квантовая запутанность играет ключевую роль в поведении странных металлов.

Понимание странных металлов — это не просто академическая задача; оно может иметь важные технологические последствия.

Эти материалы тесно связаны с высокотемпературными сверхпроводниками, способными передавать электричество без потерь энергии.

Раскрытие их свойств может революционизировать энергосети, сделав передачу энергии более эффективной.

Исследование также демонстрирует, как инструменты квантовой информатики можно применять к другим экзотическим материалам.

Странные металлы могут сыграть роль в будущих квантовых технологиях, где усиленная запутанность является ценным ресурсом.

Работа предоставляет новую основу для характеристики этих сложных материалов, показывая, когда запутанность достигает максимума.

В исследовательскую группу вошли Юань Фан, Имин Ван, Моника Маханкали и Лей Чен из Университета Райса, Хаою Ху из Международного физического центра в Доностии и Зильке Пашен из Венского технического университета. Их работа была поддержана Национальным научным фондом, Управлением научных исследований ВВС США, Фондом Роберта А. Уэлча и программой стипендий Ванневара Буша.

Дополнительная информация

• Какие практические применения могут иметь высокотемпературные сверхпроводники, связанные со странными металлами? - Они могут использоваться для создания более эффективных линий электропередачи, квантовых компьютеров и сверхчувствительных датчиков магнитного поля.
• Как именно квантовая информатика Фишера (QFI) измеряет запутанность в материалах? - QFI оценивает, насколько чувствительно квантовое состояние системы к малым изменениям параметров, что позволяет количественно измерить степень квантовой запутанности между частицами.

---

Исследователи нашли способ защитить квантовую информацию от «шума»

Ученые из Университета Витватерсранда в Йоханнесбурге (ЮАР) совместно с коллегами из Университета Хучжоу (Китай) обнаружили способ защиты квантовой информации от внешних помех, что открывает перспективы для создания более надежных технологий будущего.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, ученые продемонстрировали, как определенные квантовые состояния могут сохранять критически важную информацию даже при воздействии внешних шумов.

Почему это важно?

Более надежные квантовые технологии
Это открытие может привести к созданию более стабильных квантовых компьютеров и сетей, сделав технологии будущего быстрее, безопаснее и доступнее.

Улучшение медицинской визуализации и ИИ
Способность сохранять квантовую информацию может усовершенствовать методы медицинской визуализации и повысить точность диагностики с помощью искусственного интеллекта, что приведет к улучшению медицинских решений.

Усиление защиты данных
Квантовые сети, защищенные от шума, могут обеспечить сверхбезопасную коммуникацию, защищая персональные и финансовые данные от киберугроз.

«Мы обнаружили, что топология является мощным ресурсом для кодирования информации в условиях шума», — заявил профессор Эндрю Форбс из Школы физики Университета Витватерсранда.

Квантовая запутанность — это невидимая связь между частицами, позволяющая им мгновенно взаимодействовать независимо от расстояния. Этот принцип стал предметом популяризации науки и краеугольным камнем современных квантовых технологий. Однако сам Эйнштейн называл его «жутким действием на расстоянии».

К сожалению, квантово-запутанные состояния крайне хрупки и разрушаются при любом возмущении — фоновом свете, шумных детекторах, потерянных фотонах и других источниках «белого» шума. Эти распространенные в реальных квантовых системах эффекты могут разорвать связь между частицами, делая их запутанность бесполезной.

Для решения этой проблемы предлагались различные стратегии сохранения запутанности, но до сих пор с очень ограниченным успехом. Команда из Университета Витватерсранда показала, что можно изменить подход: позволить запутанности оставаться хрупкой, но при этом сохранять квантовую информацию.

«Мы тщательно проектируем квантовую волновую функцию — математическое описание, охватывающее все возможные состояния квантовой системы — чтобы сохранить квантовую информацию, которая остается стабильной даже при разрушении базовых квантовых связей», — объясняет Форбс.

Исследователи обнаружили, что, создавая квантовые состояния с определенными топологическими свойствами, можно сохранять квантовую информацию даже при разрушении запутанности между частицами.

«Мы выяснили, что топология — это мощный ресурс для кодирования информации в условиях шума. Она обладает обширным алфавитом кодирования, который полностью устойчив к шуму, пока сохраняется хотя бы часть запутанности».

Профессор Роберт де Мелло Кох поясняет, что манипуляции с топологией квантовой волновой функции можно рассматривать как «оцифровку квантовой информации», возможную благодаря дискретной природе топологических наблюдаемых величин, которые принимают только целочисленные значения (например, -2, -1, 1 и 2).

«Дискретные сигналы всегда более устойчивы к шуму. Это объясняется тем, что для воздействия на дискретный сигнал шум должен перевести его из одного дискретного состояния в другое».

Команда считает, что, подобно тому как цифровые технологии обеспечили успех классических вычислений и коммуникации, цифровые квантовые сигналы позволят добиться успеха в квантовых вычислениях и коммуникации в реальных условиях без необходимости компенсирующих стратегий.

«Это открытие можно использовать для преодоления шума в квантовых компьютерах и глобальных квантовых сетях следующего поколения. Оно особенно ценно для создания передовых технологий медицинской визуализации и более мощных систем искусственного интеллекта, использующих запутанность», — заключает Форбс.

Дополнительная информация

• Какие конкретные топологические свойства квантовых состояний позволяют сохранять информацию при разрушении запутанности? - Топологическая защита информации обеспечивается глобальными свойствами системы, такими как нетривиальные топологические инварианты (например, числа Черна или индексы зацепления), которые не изменяются при локальных возмущениях. Это похоже на то, как узел на веревке сохраняет свою структуру, даже если её слегка дёргать.
• Как именно дискретная природа топологических наблюдаемых величин делает их устойчивыми к шуму? - Дискретные топологические величины (например, целочисленные значения проводимости в квантовом эффекте Холла) не могут изменяться непрерывно, поэтому малые шумы или возмущения не способны их изменить. Это аналогично тому, как ступеньки лестницы остаются целыми, даже если на них наступать.

---