3500-летние захоронения раскрыли секреты, которые переписывают историю бронзового века

Биоархеологическое исследование бронзового века на кладбище Тиссафюред-Маджошалом пролило новый свет на важный период истории Центральной Европы. Международная исследовательская группа под руководством Тамаша Хайду, доцента кафедры антропологии ELTE, и Клаудио Каваццути, старшего преподавателя Университета Болоньи, показала, что около 1500 года до н.э. в жизни людей произошли радикальные изменения: они стали по-другому питаться и жить, а социальная система также была реорганизована.

Многодисциплинарное исследование основывалось на анализе кладбища бронзового века, раскопанного в Тиссафюред-Маджошалом, которое использовалось как в среднем бронзовом веке (культура Фюзешабонь), так и в позднем бронзовом веке (культура курганных погребений). Эти находки позволили исследователям сравнить стратегии выживания до и после смены эпох.

Исследовательская группа под руководством Тамаша Хайду при поддержке Венгерского национального управления по исследованиям, развитию и инновациям стремилась ответить на вопрос: означало ли распространение культуры курганных погребений приход новых групп или автохтонное население продолжало жить, изменив лишь материальную культуру. Кроме того, они изучили, указывают ли наблюдаемые археологами изменения в поселениях около 1500 года до н.э. на смену образа жизни – перешли ли люди от оседлого земледелия к образу жизни, связанному в основном со скотоводством и частыми миграциями.

Важнейшие результаты исследования:

Изменение рациона: Согласно исследованиям стабильных изотопов азота, потребление пищи в среднем бронзовом веке было гораздо разнообразнее, а различия внутри общества особенно явно проявлялись в доступе к животным белкам. В позднем бронзовом веке эти различия уменьшились, и рацион стал более однородным, но беднее.

Появление проса: Согласно анализу изотопов углерода, в начале позднего бронзового века началось потребление проса – растения, которое быстро растет и обладает высокой энергетической ценностью. Данные с кладбища бронзового века в Тиссафюред указывают на самое раннее известное потребление проса в Европе.

Снижение мобильности: Согласно результатам исследования изотопов стронция, у населения Тиссафюреда в среднем и позднем бронзовом веке были разные модели мобильности. В позднем бронзовом веке было выявлено меньше мигрантов, и они пришли из других регионов. Если в среднем бронзовом веке среди жителей Тиссафюреда, наряду с местными, было много мигрантов, вероятно, не из очень отдаленных районов (например, верховья Тисы, северная часть Карпат), то в позднем бронзовом веке поселенцы могли прибыть из других географических регионов (например, Трансданубия или Южные Карпаты). Радиоуглеродное датирование показывает, что миграция началась уже в 1500-х годах до н.э., что подтверждает, что сообщества, жившие западнее, действительно достигли Великой Венгерской равнины во время появления культуры курганных погребений.

Изменение социальных отношений: В начале позднего бронзового века долговременные телль-поселения были заброшены, и люди жили в менее централизованных сетях поселений. Это изменение привело к более свободной, менее структурированной социальной системе, что отразилось и на пищевых привычках. Согласно микропримесям, найденным в зубном камне, и упомянутым изотопным анализам, в этот период потреблялось значительно меньше животного белка, чем раньше, что противоречит прежнему представлению о том, что люди культуры курганных погребений в основном занимались скотоводством.

Исследование, опубликованное в журнале Scientific Reports, ясно опровергает прежнюю идею о том, что носители культуры курганных погребений были преимущественно скотоводами. Результаты показывают, что изменения, связанные с появлением этой культуры (около 1500 года до н.э.) – такие как наблюдаемые различия в образе жизни, погребальных обычаях и поселениях – можно по-настоящему понять, только комбинируя традиционные археологические и антропологические исследования с современными биоархеологическими анализами.

Дополнительная информация

• Какие еще растения, кроме проса, стали важными в рационе людей бронзового века в Центральной Европе? - Пшеница (особенно полба), ячмень, бобовые (чечевица, горох), а также лён для производства масла.
• Как именно анализ стабильных изотопов помогает определить географическое происхождение древних людей? - Соотношение изотопов стронция, кислорода и свинца в костях и зубах соответствует геологическим особенностям местности, где человек вырос, создавая уникальную "химическую подпись".

❮ ❯

Ученые обнаружили 230 гигантских океанских вирусов, которые захватывают процесс фотосинтеза

Гигантские вирусы играют важную роль в выживании одноклеточных морских организмов, называемых протистами. К ним относятся водоросли, амебы и жгутиконосцы, которые формируют основу океанических пищевых цепей. Поскольку эти протисты являются важной частью пищевой цепи, крупные ДНК-вирусы часто ответственны за различные угрозы общественному здоровью, включая вредоносное цветение водорослей.

Новое исследование ученых из Розенштильской школы морских, атмосферных и земных наук может помочь раскрыть многообразие вирусов, присутствующих в водоемах и океанах. Эти знания позволят местным властям лучше подготовиться к возможному воздействию вредоносного цветения водорослей на побережье или к присутствию других вирусов в местных бухтах, реках и озерах.

Используя методы высокопроизводительных вычислений, исследователи идентифицировали 230 новых гигантских вирусов в общедоступных морских метагеномных наборах данных и описали их функции.

В статье, опубликованной в журнале Nature npj Viruses, содержатся данные об обнаружении новых геномов гигантских вирусов, ранее неизвестных в научной литературе. В этих геномах были описаны 530 новых функциональных белков, включая девять белков, участвующих в фотосинтезе. Это указывает на то, что данные вирусы могут управлять своими хозяевами и процессом фотосинтеза во время заражения.

"Лучшее понимание разнообразия и роли гигантских вирусов в океане, а также их взаимодействия с водорослями и другими микроорганизмами, позволит нам прогнозировать и, возможно, контролировать вредоносное цветение водорослей, представляющее угрозу для здоровья людей во Флориде и по всему миру", — сказал Мохаммад Монируззаман, соавтор исследования и доцент кафедры морской биологии и экологии. "Гигантские вирусы часто являются основной причиной гибели многих видов фитопланктона, который служит основой пищевой цепи, поддерживающей океанические экосистемы и источники пищи. Новые функции, обнаруженные у гигантских вирусов, могут иметь биотехнологический потенциал, так как некоторые из них могут представлять собой новые ферменты."

До недавнего времени гигантские вирусы практически не обнаруживались научными методами из-за ограничений биоинформатических подходов. Исследователи создали инновационный инструмент под названием BEREN (Bioinformatic tool for Eukaryotic virus Recovery from Environmental metageNomes), предназначенный для выявления геномов гигантских вирусов в обширных общедоступных наборах данных секвенирования ДНК.

"Мы обнаружили, что гигантские вирусы обладают генами, участвующими в клеточных функциях, таких как углеродный метаболизм и фотосинтез — традиционно считавшихся прерогативой только клеточных организмов", — сказал Бенджамин Минч, ведущий автор исследования и аспирант кафедры морской биологии и экологии Розенштильской школы. "Это говорит о том, что гигантские вирусы играют значительную роль в манипуляции метаболизмом своих хозяев во время заражения и влияют на морскую биогеохимию."

Авторы использовали суперкомпьютер Пегасус Университета Майами в Институте науки о данных и вычислений Фроста (IDSC) для обработки и сборки крупных метагеномов — часто превышающих гигабазу на библиотеку, что позволило восстановить сотни библиотек микробных сообществ.

"Это исследование позволило нам создать основу для усовершенствования существующих инструментов обнаружения новых вирусов, что может помочь в мониторинге загрязнений и патогенов в водоемах", — добавил Минч.

Исследовательская группа загрузила данные секвенирования ДНК из девяти крупных глобальных проектов по изучению океана, охватывающих территории от полюса до полюса. Используя BEREN, они восстановили геномы гигантских вирусов из данных. Затем геномы были аннотированы с использованием общедоступных баз данных функций генов для описания функций, закодированных этими вирусами. Эти геномы были сравнены со всеми доступными на сегодняшний день представителями гигантских вирусов для выявления новых функций.

Программа BEREN, использованная в исследовании, восполняет пробел в научной сфере, предоставляя удобный универсальный инструмент для идентификации и классификации гигантских вирусов в наборах данных секвенирования. BEREN доступен для бесплатного использования и может быть загружен по адресу: https://gitlab.com/benminch1/BEREN

Исследование под названием "Расширение геномного и функционального разнообразия глобальных океанских гигантских вирусов" было опубликовано 21 апреля 2025 года в журнале Nature npj Viruses. Авторами являются Бенджамин Минч и Мохаммад Монируззаман из Розенштильской школы морских, атмосферных и земных наук Университета Майами.

Дополнительная информация

• Как именно гигантские вирусы манипулируют процессом фотосинтеза у своих хозяев? - Гигантские вирусы кодируют собственные белки фотосистем, которые заменяют или модифицируют молекулярные машины хозяина, перенаправляя энергию света на производство вирусных компонентов вместо нормального метаболизма клетки. Например, вирус PgV-16T кодирует аналог D1-белка фотосистемы II.

• Какие конкретные биотехнологические применения могут иметь новые вирусные белки, участвующие в фотосинтезе? - Вирусные фотосинтетические белки могут использоваться для создания искусственных систем фотосинтеза, улучшения эффективности солнечных панелей на биологической основе или разработки новых методов биопродукции водорода и других энергоносителей.

Ученые обнаружили иммунную молекулу, ускоряющую рост растений

В животном мире естественно производимая молекула, известная как итаконат, играет важную роль в иммунной системе как защитное средство против вирусов и воспалений. Итаконат классифицируется как метаболит — природное соединение, которое образуется при преобразовании пищи в энергию.

Хотя итаконат хорошо изучен у животных, его присутствие и функции у растений долгое время оставались почти неизученными. Биологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего провели первое всестороннее исследование функций итаконата у растений. Исследователи из Школы биологических наук совместно с коллегами из Стэнфордского университета, Пекинского университета, Института Карнеги и Национального автономного университета Мексики использовали методы химической визуализации и измерения, чтобы не только доказать существование итаконата в растениях, но и выявить его значительную роль в стимулировании их роста.

«Мы обнаружили, что итаконат вырабатывается в растениях, особенно в растущих клетках, — сказал старший автор исследования Джазз Дикинсон, доцент кафедры клеточной и эволюционной биологии. — Полив кукурузы итаконатом приводил к увеличению высоты ростков, что было удивительно и побудило нас глубже изучить этот метаболит и понять, как он взаимодействует с растительными белками».

Результаты исследования, частично финансируемого Национальным научным фондом и Национальными институтами здоровья, были опубликованы 6 июня 2025 года в журнале Science Advances.

Лаборатория Дикинсона специализируется на изучении развития растений, включая процессы, связанные с корневыми системами.

Используя масс-спектрометрию — метод визуализации, который раскрывает химический состав объектов путем идентификации отдельных молекул и соединений, — исследователи подтвердили, что растения производят итаконат. Сотрудничая с биохимиками, изучающими итаконат у животных, они описали, как итаконат взаимодействует с растительными белками у арабидопсиса, представителя семейства капустных.

Дальнейшее изучение этих процессов показало, что итаконат играет несколько ключевых ролей в физиологии растений. Среди них — участие в критически важных процессах, таких как первичный метаболизм и реакции на кислородный стресс.

Оптимизация естественных свойств итаконата — в отличие от синтетических химических веществ — может стать ключом к безопасному увеличению урожайности для поддержки растущего населения планеты.

«Это открытие может привести к природным решениям для улучшения роста сельскохозяйственных культур, таких как кукуруза, — отметил Дикинсон. — Мы также надеемся, что лучшее понимание связи между биологией растений и животных откроет новые перспективы для здоровья как растений, так и человека».

Поскольку люди также производят и используют итаконат, новое исследование может предоставить свежую информацию для понимания роли этой молекулы в развитии и росте человека.

❮ ❯

Более быстрый и надежный метод моделирования плазмы для производства компьютерных микросхем

Плазма – четвертое состояние вещества с электрическим зарядом – лежит в основе многих важных промышленных процессов, включая производство компьютерных микросхем и нанесение покрытий на материалы. Однако моделирование такой плазмы является сложной задачей, поскольку требует выполнения миллионов математических операций для тысяч точек в симуляции, причем много раз в секунду. Даже с использованием самых мощных суперкомпьютеров ученые сталкивались с трудностями при создании кинетического моделирования (которое учитывает отдельные частицы), достаточно детального и быстрого для улучшения производственных процессов.

Новый метод обеспечивает повышенную стабильность и эффективность кинетического моделирования так называемой индуктивно связанной плазмы.

Метод был реализован в программе, разработанной в рамках государственно-частного партнерства между Принстонской лабораторией физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США и производителем оборудования для микросхем Applied Materials Inc., которая уже использует этот инструмент.

В проекте участвовали исследователи из Университета Альберты, PPPL и Национальной лаборатории Лос-Аламоса.

Детальное моделирование этой плазмы важно для лучшего понимания того, как плазма формируется и развивается в различных производственных процессах.

Чем реалистичнее симуляция, тем точнее предоставляемые ею функции распределения.

Эти показатели демонстрируют, например, вероятность нахождения частицы в определенном месте с определенной скоростью.

В конечном счете, понимание этих деталей может привести к осознанию того, как использовать плазму более точно для травления узоров на кремнии с целью создания еще более быстрых микросхем или памяти с большим объемом.

"Это большой шаг вперед в наших возможностях", – заявил Игорь Каганович, ведущий научный сотрудник PPPL и соавтор статьи в журнале Physics of Plasmas, в которой подробно описаны результаты моделирования.

Повышение надежности программы

Первоначальная версия программы была разработана с использованием устаревшего метода, который оказался ненадежным.

Дмитро Сидоренко, научный сотрудник Университета Альберты и первый автор статьи, сообщил, что метод был значительно доработан для повышения стабильности программы.

"Мы изменили уравнения, и симуляция сразу стала очень надежной, без сбоев", – сказал он.

"Теперь у нас есть рабочий инструмент для моделирования индуктивно связанной плазмы в двух пространственных измерениях".

Улучшение программы частично было достигнуто за счет изменения метода расчета одного из электрических полей.

Электрическое поле – это невидимое силовое поле, окружающее электрические заряды и токи.

Оно воздействует на частицы. В индуктивно связанной плазме катушка с током создает изменяющееся магнитное поле, которое, в свою очередь, генерирует электрическое поле, нагревающее плазму.

Именно это поле, известное как соленоидальное электрическое поле, стало основным фокусом работы команды.

Программа рассчитывает электромагнитные поля на основе методов, разработанных Саломоном Янхуненом из Национальной лаборатории Лос-Аламоса.

Эти методы были оптимизированы Цзинь Чэнем из PPPL, который выступил связующим звеном между физическими, математическими и компьютерными аспектами задачи.

"Для сложной проблемы это значительное улучшение", – сказал Чэнь.

Частицы в ячейках

Моделирование известно как метод частиц в ячейках (particle-in-cell), поскольку отслеживает отдельные частицы (или небольшие группы частиц, объединенных в так называемые макрочастицы) при их движении в пространстве от одной ячейки сетки к другой.

Этот подход особенно хорошо подходит для плазмы, используемой в промышленных устройствах с низким давлением газа.

Гидродинамический подход не работает для такой плазмы, поскольку использует усредненные значения вместо отслеживания отдельных частиц.

Соблюдение закона сохранения энергии

"Новая симуляция позволяет быстро моделировать большие объемы плазмы с точным сохранением энергии, что помогает гарантировать, что результаты отражают реальные физические процессы, а не числовые артефакты", – отметил Каганович.

В реальном мире энергия не появляется и не исчезает случайно.

Она подчиняется закону сохранения энергии. Но небольшая ошибка в компьютерном моделировании может накапливаться с каждым шагом.

Поскольку каждая симуляция может включать тысячи или даже миллионы шагов, небольшая погрешность значительно искажает результаты.

Сохранение энергии помогает сделать моделирование более соответствующим реальной плазме.

Над новой программой также работал Стефан Этье из PPPL. Работа поддерживалась Соглашением о совместных исследованиях и разработках между Applied Materials Inc. и PPPL под номером контракта DE-AC02-09CH11466.

Дополнительная информация

• Какие ещё существуют методы моделирования плазмы, кроме метода частиц в ячейках? - Помимо метода частиц в ячейках (PIC), существуют методы Монте-Карло (DSMC), магнитогидродинамическое моделирование (MHD), кинетические модели на основе уравнений Больцмана, а также гибридные методы, сочетающие разные подходы.
• Почему гидродинамический подход не подходит для моделирования низкотемпературной плазмы? - Гидродинамический подход предполагает локальное термодинамическое равновесие, которое часто нарушается в низкотемпературной плазме из-за сильных нелокальных эффектов и различий в температурах электронов и ионов.

Исследователи воссоздали древнеегипетскую синеву

Группа исследователей под руководством Университета штата Вашингтон воссоздала самый древний в мире синтетический пигмент — египетскую синь, которую использовали в Древнем Египте около 5000 лет назад.

Как сообщается в журнале NPJ Heritage Science, ученые использовали различные исходные материалы и время нагрева, разработав 12 рецептов пигмента. Эта работа, проведенная в сотрудничестве с Музеем естественной истории Карнеги и Институтом консервации музеев Смитсоновского института, предоставляет ценную информацию для археологов и специалистов по консервации, изучающих древнеегипетские материалы.

«Мы надеемся, что это станет хорошим примером того, как наука может помочь в изучении нашего прошлого», — сказал Джон Макклой, ведущий автор статьи и директор Школы машиностроения и материаловедения Университета штата Вашингтон. — «Эта работа призвана показать, как современная наука раскрывает скрытые истории древнеегипетских артефактов».

Хотя египетская синь ценилась в древности, археологических свидетельств ее производства сохранилось мало. Ее использовали как замену дорогим минералам, таким как бирюза или лазурит, для окраски дерева, камня и материала, похожего на папье-маше, — картонажа. В зависимости от состава и времени обработки цвет пигмента варьировался от темно-синего до тускло-серого или зеленого. После египтян пигмент использовали римляне, но к эпохе Возрождения знания о его производстве были в основном утрачены.

В последние годы интерес к этому пигменту возродился, поскольку он обладает интересными оптическими, магнитными и биологическими свойствами, которые могут найти новое технологическое применение, отметил Макклой. Пигмент излучает свет в ближней инфракрасной области электромагнитного спектра, невидимой для человеческого глаза, что позволяет использовать его, например, для создания защитных чернил или выявления отпечатков пальцев. Его химический состав также схож с высокотемпературными сверхпроводниками.

«Изначально это был просто интересный проект, потому что нас попросили создать материалы для экспозиции в музее, но оказалось, что этот материал вызывает большой научный интерес», — сказал Макклой, который, помимо профессорской должности в области материаловедения, имеет степень магистра антропологии.

Чтобы понять состав пигмента, исследователи, включая минералога и египтолога, создали 12 различных рецептов на основе смесей диоксида кремния, меди, кальция и карбоната натрия. Материалы нагревали до температуры около 1000 градусов Цельсия в течение от 1 до 11 часов, воспроизводя условия, доступные древним мастерам. После охлаждения образцов с разной скоростью ученые изучили пигменты с помощью современных методов микроскопии и анализа, которые ранее не применялись в подобных исследованиях, и сравнили их с двумя древнеегипетскими артефактами.

Египетская синь включала в себя различные оттенки синего в зависимости от места производства и качества. Исследователи обнаружили, что пигмент крайне неоднороден.

«Одни люди производили пигмент, другие транспортировали его, а конечное использование происходило в третьем месте, — пояснил Макклой. — Мы увидели, что даже небольшие различия в процессе дают совершенно разные результаты».

Ученые выяснили, что для получения самого синего оттенка требуется всего около 50% синих компонентов.

«Остальной состав не имеет значения, что нас очень удивило, — признался Макклой. — Можно видеть, что каждая частица пигмента содержит множество элементов — он абсолютно неоднороден».

Созданные образцы сейчас выставлены в Музее естественной истории Карнеги в Питтсбурге, штат Пенсильвания, и станут частью новой постоянной экспозиции музея, посвященной Древнему Египту.

Дополнительная информация

• Какие современные технологические применения могут быть у египетской сини, учитывая её оптические и магнитные свойства? - Египетская синь может использоваться в современных технологиях, таких как инфракрасные отражающие покрытия для энергоэффективных зданий, компоненты для лазерных технологий и даже в медицине для контрастирования при диагностике.
• Почему знания о производстве египетской сини были утрачены к эпохе Возрождения, несмотря на её широкое использование в древности? - Технология была утрачена из-за сложных исторических процессов, включая упадок Римской империи, потерю письменных источников и смену культурных приоритетов, что привело к разрыву в передаче знаний.

Уэбб раскрывает происхождение ультра-горячей экзопланеты WASP-121b

Наблюдения с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) дали новые подсказки о том, как сформировалась экзопланета WASP-121b и где она могла образоваться в диске газа и пыли вокруг своей звезды. Эти выводы основаны на обнаружении нескольких ключевых молекул: водяного пара, монооксида углерода, монооксида кремния и метана. Благодаря этим данным команда астрономов под руководством Томаса Эванса-Сомы и Сирила Гэппа смогла составить перечень углерода, кислорода и кремния в атмосфере WASP-121b. Обнаружение метана, в частности, также указывает на сильные вертикальные ветры на более холодной ночной стороне — процесс, который часто игнорируется в современных моделях.

WASP-121b — это ультра-горячий газовый гигант, который обращается вокруг своей звезды на расстоянии всего около двух её диаметров, совершая один оборот примерно за 30,5 часов. Планета имеет два отчетливых полушария: одно всегда обращено к звезде с температурами, локально превышающими 3000 градусов Цельсия, и вечную ночную сторону, где температура опускается до 1500 градусов.

«Температуры на дневной стороне достаточно высоки, чтобы тугоплавкие материалы — обычно твердые соединения, устойчивые к сильному нагреву, — существовали в виде газообразных компонентов атмосферы планеты», — объяснил Томас Эванс-Сома, астроном из Института астрономии Общества Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге, Германия, и Университета Ньюкасла, Австралия. Он возглавил исследование, опубликованное сегодня в журнале Nature Astronomy.

Раскрытие места рождения WASP-121b

Команда исследовала содержание соединений, которые испаряются при очень разных температурах, что дало подсказки о формировании и эволюции планеты. «Газообразные вещества легче обнаружить, чем жидкости и твердые тела», — отметил студент MPIA Сирил Гэпп, ведущий автор второго исследования, опубликованного сегодня в The Astronomical Journal. «Поскольку многие химические соединения присутствуют в газообразной форме, астрономы используют WASP-121b как естественную лабораторию для изучения свойств планетных атмосфер».

Команда пришла к выводу, что WASP-121b, вероятно, накопил большую часть своего газа в регионе, достаточно холодном, чтобы вода оставалась замороженной, но достаточно теплом для испарения метана (CH4) и его существования в газообразной форме. Поскольку планеты формируются в диске газа и пыли вокруг молодой звезды, такие условия возникают на расстояниях, где звездное излучение создает соответствующие температуры.

В нашей Солнечной системе этот регион находится где-то между орбитами Юпитера и Урана. Это примечательно, учитывая, что WASP-121b теперь обращается опасно близко к поверхности своей звезды. Это говорит о том, что после своего формирования она совершила долгий путь из ледяных внешних регионов к центру планетной системы.

Восстановление бурной молодости WASP-121b

Кремний был обнаружен в виде газа монооксида кремния (SiO), но изначально попал на планету через каменистый материал, такой как кварц, хранившийся в планетезималях — по сути, астероидах — после того, как планета набрала большую часть своей газовой оболочки. Формирование планетезималей требует времени, что указывает на то, что этот процесс произошел на поздних стадиях развития планеты.

«Относительное содержание углерода, кислорода и кремния дает представление о том, как эта планета сформировалась и приобрела свой материал», — сказал Томас Эванс-Сома.

Формирование планет начинается с ледяных пылевых частиц, которые слипаются и постепенно растут до размера гальки в несколько сантиметров или метров. Они притягивают окружающий газ и мелкие частицы, ускоряя свой рост. Это зародыши будущих планет, таких как WASP-121b. Сопротивление окружающего газа заставляет движущиеся камешки по спирали приближаться к звезде. По мере миграции встроенные в них льды начинают испаряться в более теплых внутренних областях диска.

Пока молодые планеты обращаются вокруг своих звезд, они могут вырасти достаточно большими, чтобы создать значительные разрывы в протопланетном диске. Это останавливает дрейф камешков внутрь и поступление встроенных в них льдов, но оставляет достаточно газа для формирования протяженной атмосферы.

В случае WASP-121b это, по-видимому, произошло в месте, где испарялись камешки с метаном, обогащая газ, который планета получала углеродом. В то же время водяные камешки оставались замороженными, удерживая кислород. Этот сценарий лучше всего объясняет, почему Эванс-Сома и Гэпп наблюдали более высокое соотношение углерода к кислороду в атмосфере планеты, чем у её звезды. WASP-121b продолжала притягивать богатый углеродом газ после того, как поток богатых кислородом камешков прекратился, что и определило окончательный состав её атмосферы.

Обнаружение метана требует сильных вертикальных течений

При изменении температуры атмосферы ожидается, что количество различных молекул, таких как метан и монооксид углерода, будет меняться. При сверхвысоких температурах дневной стороны WASP-121b метан крайне нестабилен и не может присутствовать в обнаруживаемых количествах. Астрономы установили, что для таких планет, как WASP-121b, газ с дневной стороны должен перемешиваться на относительно холодную ночную сторону быстрее, чем его состав сможет адаптироваться к более низким температурам. В этом сценарии можно было бы ожидать, что количество метана на ночной стороне будет ничтожно малым, как и на дневной. Вместо этого астрономы обнаружили обильное количество метана на ночной стороне WASP-121b, что стало полной неожиданностью.

Чтобы объяснить этот результат, команда предполагает, что метан должен быстро восполняться на ночной стороне, чтобы поддерживать его высокое содержание. Правдоподобный механизм этого включает сильные вертикальные течения, поднимающие метан из нижних слоев атмосферы, которые богаты метаном благодаря относительно низким температурам ночной стороны в сочетании с высоким соотношением углерода к кислороду в атмосфере. «Это бросает вызов моделям динамики экзопланет, которые, вероятно, придется адаптировать, чтобы воспроизвести сильное вертикальное перемешивание, которое мы обнаружили на ночной стороне WASP-121b», — сказал Эванс-Сома.

Роль JWST в открытии

Команда использовала ближний инфракрасный спектрограф JWST (NIRSpec) для наблюдения WASP-121b на протяжении всего её полного оборота вокруг звезды. По мере вращения планеты вокруг своей оси изменяется принимаемое от её поверхности тепловое излучение, что позволяет телескопу изучать разные участки её облучаемой атмосферы. Это позволило команде охарактеризовать условия и химический состав как дневной, так и ночной стороны планеты.

Астрономы также зафиксировали наблюдения, когда планета проходила перед своей звездой. В этой фазе часть звездного света фильтруется через край атмосферы планеты, оставляя спектральные отпечатки, которые раскрывают её химический состав. Такой тип измерений особенно чувствителен к переходной зоне, где смешиваются газы дневной и ночной сторон. «Полученный спектр пропускания подтвердил обнаружение моно

Дополнительная информация

• Какие ещё экзопланеты известны с подобными экстремальными температурными градиентами между дневной и ночной сторонами? - Например, экзопланета WASP-76b имеет температуру дневной стороны около 2400°C, где железо испаряется, а на ночной стороне конденсируется в железные дожди. Другой пример — KELT-9b, самая горячая известная экзопланета с температурой дневной стороны до 4300°C.

• Как именно вертикальные ветры на экзопланетах влияют на распределение химических элементов в атмосфере? - Вертикальные ветры переносят молекулы из нижних слоёв атмосферы в верхние, где ультрафиолетовое излучение звезды может их разрушать или ионизировать. Это приводит к неравномерному распределению элементов и образованию сложных химических соединений в разных слоях.

• Какие методы, кроме спектроскопии JWST, используются для изучения состава атмосфер экзопланет? - Используются методы транзитной спектроскопии (Hubble, Spitzer), доплеровской спектроскопии (HARPS, ESPRESSO), а также прямого наблюдения с помощью коронографов (например, инструмент SPHERE на VLT).

• Почему соотношение углерода к кислороду в атмосфере WASP-121b выше, чем у её звезды? - Это может быть связано с процессами конденсации и сегрегации элементов в атмосфере планеты, где кислород связывается в твёрдые оксиды (например, TiO, VO), а углерод остаётся в газообразной форме (CO, CH₄), увеличивая его относительное содержание.

• Как формирование планетезималей влияет на конечный состав газовых гигантов? - Планетезимали, богатые металлами и силикатами, могут "загрязнять" атмосферу газового гиганта при столкновениях, увеличивая содержание тяжёлых элементов. Также они влияют на аккрецию газа, изменяя соотношение водорода, гелия и других летучих веществ.

Новый лазер размером меньше монеты способен измерять объекты с ультравысокой скоростью

Исследователи из Рочестерского университета и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре разработали лазерное устройство размером меньше монеты, которое, по их словам, может использоваться в самых разных областях — от лидарных систем в беспилотных автомобилях до обнаружения гравитационных волн, одного из самых сложных экспериментов по изучению и пониманию нашей Вселенной.

Лазерные методы измерения, известные как оптическая метрология, позволяют изучать физические свойства объектов и материалов.

Однако современная оптическая метрология требует громоздкого и дорогостоящего оборудования для точного управления лазерными волнами, что создает препятствия для создания более компактных и экономически эффективных систем.

Новый чиповый лазер, описанный в статье, опубликованной в журнале Light: Science & Applications, может проводить чрезвычайно быстрые и точные измерения за счет очень точного изменения своего цвета в широком спектре света с огромной скоростью — около 10 квинтиллионов раз в секунду.

В отличие от традиционной кремниевой фотоники, этот лазер изготовлен из синтетического материала под названием ниобат лития и использует физическое явление, известное как эффект Поккельса, который изменяет показатель преломления материала при наличии электрического поля.

«У нас есть несколько приложений, для которых наша разработка уже может быть полезна», — говорит Шиксин Сюэ, аспирант, работающий под руководством Цянь Линя, профессора электротехники, вычислительной техники и оптики, оба из которых являются соавторами статьи.

«Первое — это лидар, который уже используется в автономных транспортных средствах, но более продвинутая форма, известная как частотно-модулированный непрерывный лидар, требует большого диапазона настройки и быстрого изменения частоты лазера. Именно это и может делать наш лазер».

Исследователи продемонстрировали, как их лазер можно использовать для работы лидарной системы на вращающемся диске, распознавая буквы U и R, сложенные из деталей конструктора.

По их словам, этот миниатюрный прототип можно масштабировать для обнаружения транспортных средств и препятствий на скоростях и расстояниях, характерных для автомагистралей.

Ученые также показали, как чиповый лазер можно применять для частотной стабилизации по методу Паунда—Древера—Холла (PDH), распространенной методики для сужения, стабилизации и снижения шумов лазера.

«Это очень важный процесс, который можно использовать в оптических часах, измеряющих время с исключительной точностью, но для этого требуется много оборудования», — отмечает Сюэ, подчеркивая, что стандартная установка может включать приборы размером с настольный компьютер, такие как внутренний лазер, изолятор, акустооптический модулятор и фазовый модулятор.

«Наш лазер позволяет интегрировать все это в очень маленький чип, который можно настраивать электрически».

Исследование частично поддержано Управлением перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) в рамках программы Lasers for Universal Microscale Optical Systems (LUMOS) и Национальным научным фондом.

ДНК в воздухе помогает отслеживать дикую природу, вирусы и даже наркотики

Дублин известен как город, где можно насладиться пинтой пива Guinness, получить теплый прием от местных жителей и услышать живую традиционную музыку, доносящуюся из пабов в городской воздух.

Но по воздуху разносится не только музыка. В дублинском воздухе также содержится каннабис, мак и даже галлюциногенные грибы — по крайней мере, их ДНК.

К такому выводу пришло новое исследование, демонстрирующее мощь ДНК, собранной из воздуха, которая может отслеживать все — от неуловимых рысей до запрещенных веществ.

«Уровень информации, доступной в экологической ДНК (eDNA), таков, что мы только начинаем осознавать ее потенциальные применения — от изучения людей и дикой природы до других видов, влияющих на здоровье человека», — говорит Дэвид Даффи, доктор философии, профессор геномики болезней дикой природы во Флоридском университете и ведущий автор нового исследования, показывающего широкие возможности ДНК, собранной из воздуха.

Лаборатория Даффи, расположенная в Морской биологической лаборатории Уитни при Университете Флориды, разработала новые методы расшифровки экологической ДНК (eDNA) для изучения генетики морских черепах. Теперь эти инструменты применяются для анализа всех видов, включая человека, на основе ДНК, полученной из образцов окружающей среды, таких как вода, почва и песок.

Но эти свободно перемещающиеся фрагменты ДНК не просто оседают в грязи или текут по рекам. Сам воздух наполнен генетическим материалом. Простой воздушный фильтр, работающий часами, днями или неделями, может уловить следы почти всех видов, которые обитают или перемещаются поблизости.

«Когда мы начали, казалось, что будет сложно получить из воздуха крупные неповрежденные фрагменты ДНК. Но это не так. Мы находим множество информативных последовательностей», — говорит Даффи. «Это значит, что можно изучать виды, не тревожа их и даже не видя. Это открывает огромные возможности для одновременного исследования всех организмов в определенной области — от микробов и вирусов до позвоночных, таких как рыси и люди, и всего, что между ними».

В качестве доказательства концепции исследователи показали, что могут обнаруживать следы сотен различных человеческих патогенов в воздухе Дублина, включая вирусы и бактерии. Такие методы мониторинга могут помочь ученым отслеживать новые заболевания. Как выяснили исследователи, тот же метод позволяет точнее, чем когда-либо, выявлять распространенные аллергены, такие как арахис или пыльца.

В другом тесте возможностей eDNA лаборатория Даффи смогла определить происхождение рысей и пауков, чья ДНК была собрана из воздуха во флоридском лесу. Всего лишь с помощью воздушного фильтра ученые отслеживали исчезающие виды и определяли их происхождение, не видя самих осторожных животных и не собирая образцы экскрементов. При сохранении дикой природы знание о происхождении животного может быть столь же важным, как и информация о его текущем местонахождении.

Эта мощная технология сочетается с высокой скоростью и эффективностью. Команда показала, что один исследователь может обработать ДНК всех видов всего за день, используя компактное и доступное оборудование, а также облачное программное обеспечение. Такая скорость на порядки превосходит возможности, доступные всего несколько лет назад, и делает передовые экологические исследования доступнее для ученых по всему миру. Однако те же инструменты потенциально могут выявлять конфиденциальные человеческие генетические данные, поэтому Даффи и его коллеги призвали к внедрению этических ограничений для быстро развивающейся области eDNA.

«Это кажется научной фантастикой, но становится научным фактом, — говорит Даффи. — Технологии наконец догоняют масштаб экологических проблем».

Дополнительная информация

• Какие еще необычные источники eDNA, помимо воздуха, могут использоваться для исследований? - eDNA можно обнаружить в почве, воде (пресной и морской), на поверхностях растений, в кишечнике животных, а также в городских сточных водах.
• Какие этические ограничения уже предложены для использования eDNA в отношении конфиденциальности данных человека? - Предлагается регулировать сбор eDNA в общественных местах, анонимизировать данные и получать согласие, если возможна идентификация личности (например, в медицинских исследованиях).

Новое исследование: бабуины выстраиваются в линию ради дружбы, а не выживания

Исследователи из Университета Суонси обнаружили, что бабуины выстраиваются в линию не ради безопасности или стратегии, а просто чтобы быть ближе к своим друзьям.

Бабуины часто перемещаются упорядоченными рядами, известными как «прогрессии», когда передвигаются по своей территории. Предыдущие исследования предлагали противоречивые объяснения этому поведению. Некоторые предполагали, что порядок случаен, тогда как другие утверждали, что бабуины занимают позиции стратегически, уязвимые особи идут в центре, чтобы снизить риск нападения.

Теперь, используя высокоточные GPS-трекеры, исследователи из Университета Суонси изучили это поведение у группы диких медвежьих павианов (Papio ursinus) на Капском полуострове в Южной Африке. Их результаты, опубликованные в журнале Behavioral Ecology, показывают, что движение бабуинов определяется социальными связями, а не стратегиями выживания.

Команда проанализировала 78 перемещений за 36 дней и установила, что порядок следования отдельных бабуинов не был случайным.

Исследователи проверили четыре возможных объяснения порядка движения:

1. Защита уязвимых особей (гипотеза риска)
2. Конкуренция за ресурсы (гипотеза конкуренции)
3. Следование за лидерами (гипотеза коллективного принятия решений)
4. Закономерности, возникающие из социальных связей (гипотеза «социального спандреля»)

После анализа данных выяснилось, что перемещения бабуинов определяются исключительно их социальными отношениями.

Доктор Эндрю Кинг, доцент Университета Суонси, пояснил: «Удивительно, но стабильный порядок, который мы наблюдали у изученных бабуинов, не связан с избеганием опасности, как, например, у животных-жертв, занимающих позицию в середине группы, или с доступом к пище и воде, как у зебр. Вместо этого он определяется социальными связями. Они просто идут рядом с друзьями, и это создает устойчивый порядок.

В изученной группе более социально активные и высокоранговые особи обычно идут в середине, тогда как низкоранговые бабуины чаще находятся впереди или сзади. Во время групповых перемещений — например, к привычному месту ночевки — группа, скорее всего, уже знает, куда направляется. Поэтому бабуины впереди на самом деле не ведут группу, они просто идут первыми».

Это открытие вводит понятие «социального спандреля». В архитектуре спандрели — это треугольные пространства, возникающие как побочный эффект при соединении арок. В биологии спандрель означает признак, который появляется не потому, что был напрямую отобран эволюцией, а как побочный результат чего-то другого. В данном случае устойчивый порядок перемещения бабуинов естественным образом возникает из их социальных связей, а не является выработанной стратегией для безопасности или успеха.

Марко Феле, ведущий автор исследования и аспирант Университета Суонси, отметил: «Мы знаем, что крепкие социальные связи важны для бабуинов — они связаны с долголетием и репродуктивным успехом. Но в данном контексте эти связи не имеют конкретной цели. Порядок перемещения — просто побочный продукт этих отношений, а не стратегия с непосредственными выгодами. Наше исследование подчеркивает возможность существования подобных спандрелей в коллективном поведении животных».

Дополнительная информация

• Какие ещё примеры "спандрелей" известны в поведении животных? - У павлинов яркий хвост привлекает самок, но также делает их более заметными для хищников. У некоторых рыб агрессивное поведение увеличивает территорию, но тратит энергию, снижая выживаемость.
• Как социальный статус бабуинов влияет на их положение в группе вне перемещений? - Доминантные самцы имеют приоритетный доступ к пище и партнёрам, а также чаще получают груминг от других членов группы. Низкоранговые особи чаще подвергаются стрессу и имеют ограниченные ресурсы.

Первое прямое наблюдение за запертыми волнами, которые потрясли мир в 2023 году

В сентябре 2023 года был зафиксирован необычный глобальный сейсмический сигнал, повторявшийся каждые 90 секунд в течение девяти дней, а затем снова проявившийся месяц спустя. Почти год спустя два научных исследования предположили, что причиной этих аномалий стали два мегацунами, вызванные крупными оползнями в отдалённом фьорде Восточной Гренландии. Оползни произошли из-за таяния безымянного ледника. Волны, по мнению учёных, оказались заперты в системе фьордов, образовав стоячие волны (сейши), которые колебались взад-вперёд, создавая загадочные сигналы.

Однако до сих пор не существовало прямых наблюдений этих сейш, чтобы подтвердить гипотезу. Даже датское военное судно, посетившее фьорд через три дня после начала первого сейсмического события, не зафиксировало волну, сотрясающую Землю.

В новом исследовании учёные из Оксфорда использовали инновационные методы анализа для интерпретации данных спутниковой альтиметрии. Этот метод измеряет высоту земной поверхности (включая океан), фиксируя время прохождения радиоимпульса от спутника до поверхности и обратно. До сих пор традиционные спутниковые альтиметры не могли зафиксировать волну из-за больших промежутков между наблюдениями и того, что они собирают данные непосредственно под космическим аппаратом, создавая одномерные профили морской поверхности. Это делает их непригодными для выявления перепадов высот воды, необходимых для обнаружения таких волн.

В этом исследовании использовались данные нового спутника SWOT (Surface Water Ocean Topography), запущенного в декабре 2022 года для картирования уровня воды на 90% поверхности Земли. Ключевым инструментом SWOT является передовой Ka-диапазонный радарный интерферометр (KaRIn), использующий две антенны, размещённые на 10-метровой штанге по обе стороны спутника. Эти антенны работают совместно, триангулируя отражённые сигналы радиоимпульса, что позволяет измерять уровень океана и поверхностных вод с беспрецедентной точностью (разрешение до 2,5 метров) на полосе шириной 50 километров.

Используя данные KaRIn, исследователи составили карты высот гренландского фьорда в различные моменты времени после двух цунами. На них чётко видны поперечные уклоны с перепадами высот до двух метров. Важно, что уклоны на этих картах имели противоположные направления, что свидетельствует о движении воды взад-вперёд по каналу.

Для подтверждения своей теории учёные связали эти наблюдения с небольшими движениями земной коры, зафиксированными за тысячи километров от фьорда. Это позволило реконструировать характеристики волны даже для периодов, не охваченных спутниковыми данными. Исследователи также проанализировали погодные и приливные условия, чтобы исключить влияние ветра или приливов.

Ведущий автор исследования Томас Монахан (аспирант факультета инженерных наук Оксфордского университета) заявил: «Изменение климата порождает новые, ранее невиданные экстремальные явления. В отдалённых регионах, таких как Арктика, эти изменения происходят быстрее всего, но наши возможности измерять их с помощью физических датчиков ограничены. Это исследование демонстрирует, как мы можем использовать новое поколение спутниковых технологий наблюдения Земли для изучения таких процессов».

«SWOT — это переворот в исследовании океанических процессов в таких регионах, как фьорды, которые предыдущие спутники почти не могли охватить».

Соавтор исследования профессор Томас Адкок (факультет инженерных наук Оксфордского университета) добавил: «Эта работа — пример того, как спутниковые данные нового поколения помогают разгадывать явления, остававшиеся загадкой в прошлом. Мы получим новые представления об экстремальных океанических явлениях, таких как цунами, штормовые нагоны и волны-убийцы. Однако для максимально эффективного использования этих данных нам потребуется инновационный подход, сочетающий машинное обучение и знание физики океана для интерпретации результатов».

Дополнительная информация

• Как именно технология KaRIn позволяет получать более точные данные по сравнению с традиционными спутниковыми альтиметрами? - KaRIn использует интерферометрическую радиолокационную систему с двумя антеннами, работающими как стереокамеры, что позволяет измерять высоту водной поверхности с разрешением в 10 раз лучше (до 2 см точности), чем традиционные одноантенные альтиметры.

• Какие ещё необычные природные явления могут возникать из-за таяния ледников в Арктике, кроме оползневых цунами? - При таянии вечной мерзлоты выделяются метановые пузыри, образуются термокарстовые озёра, меняются океанические течения из-за опреснения воды, а также активируются древние вирусы и бактерии, ранее заключённые во льдах.

Пребывание на природе помогает людям с хронической болью в спине справляться с их состоянием

Проведение времени на природе или в окружении природы может дать людям, страдающим хронической болью в пояснице, чувство отвлечения, которое помогает им лучше переносить физический дискомфорт, показало новое исследование.

Работа, опубликованная в The Journal of Pain, стала первой, в которой людей, испытывающих хроническую боль в пояснице (в некоторых случаях — почти 40 лет), спросили о роли природы в стратегиях преодоления боли.

Исследователи обнаружили, что те, кто мог выходить на природу, говорили, что это позволяло им общаться с другими на социальном уровне, тогда как в противном случае они проводили бы большую часть времени в помещении, изолированно.

Природа давала им возможность отвлечься от боли и почувствовать уход от повседневности, а также наслаждаться физической активностью в приятной обстановке, предпочитая её тренажёрным залам или аналогичным местам.

Кроме того, по словам участников, природные элементы, такие как свежий воздух, звук и вид воды, создавали ощущение спокойствия, снижая стресс и тревогу, вызванные болью.

Однако они выражали обеспокоенность доступностью некоторых природных зон: неровная местность и отсутствие скамеек могли снижать их удовольствие от посещения и уменьшать желание возвращаться в такие места.

На основе результатов учёные рекомендуют людям с хронической болью в пояснице (а также их лечащим врачам) уделять больше внимания роли природы в их здоровье и благополучии. Они также предложили адаптировать природные пространства, добавив более удобные элементы.

Кроме того, исследователи работают с людьми, страдающими от разных форм хронической боли, над разработкой и тестированием решений в виртуальной реальности (VR), которые позволят им испытывать пользу природы, даже когда они не могут физически туда попасть.

Исследование провели эксперты по управлению болью и экологической психологии из Университета Плимута и Университета Эксетера. В нём участвовали 10 человек, страдающих хронической болью в пояснице от 5 до 38 лет.

Александр Смит, аспирант Школы психологии Университета Плимута и ведущий автор исследования, отметил:
«Боль в пояснице, как и многие другие виды физического дискомфорта, может быть изнурительной, изолирующей и истощающей. Но в условиях поиска новых и более комплексных методов лечения хронической боли природа рассматривается как потенциальный вариант. Наше исследование показало, что те, кто мог выходить на природу, видели в этом пользу как для физического, так и для психического состояния. Простые изменения, такие как улучшение тропинок и добавление скамеек, а также технологические инновации, включая VR, могут сделать эти преимущества доступными для всех. Мы надеемся, что наши выводы откроют путь к дальнейшему изучению того, как этого добиться».

Доктор Сэм Хьюз, старший преподаватель нейробиологии боли в Университете Эксетера и соавтор исследования, добавил:
«Это исследование затрагивает важные вопросы справедливости в здравоохранении и физических барьеров, с которыми сталкиваются люди с хронической болью при доступе к природным пространствам. Многие сталкиваются с серьёзными препятствиями: неровная местность, недостаток мест для сидения или трудности с выходом из дома, что мешает им ощутить восстановительное влияние природы. Мы считаем, что будущие исследования могут использовать иммерсивные технологии, такие как VR, чтобы помочь преодолеть эти барьеры и позволить людям получать пользу от природы без необходимости физически преодолевать труднодоступные места. Это могло бы значительно повысить инклюзивность и доступность стратегий управления хронической болью».

Дополнительная информация

• Какие конкретные биологические механизмы объясняют снижение боли при контакте с природой? - Контакт с природой снижает уровень кортизола (гормона стресса) и активирует парасимпатическую нервную систему, что способствует расслаблению и уменьшению восприятия боли. Также наблюдается увеличение выработки эндорфинов — естественных обезболивающих.
• Как именно технологии виртуальной реальности могут имитировать терапевтический эффект реальной природы? - VR-симуляции природы могут снижать стресс и боль через визуальную и аудиальную стимуляцию, активируя те же нейронные пути, что и реальный контакт с природой. Исследования показывают уменьшение тревожности и болевых ощущений у пациентов, использующих VR-терапию.

Игровая терапия для мозга предлагает новую надежду на безмедикаментозное лечение боли

Пилотное испытание интерактивной игры, обучающей людей изменять свои мозговые волны, показало многообещающие результаты в лечении нейропатической боли, открывая перспективы для нового поколения немедикаментозных методов.

Технология PainWaive, разработанная исследователями из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW), учит пользователей регулировать аномальную мозговую активность, связанную с хронической нейропатической болью, предлагая потенциальную домашнюю альтернативу опиоидам.

Первые обнадеживающие результаты испытаний технологии под руководством профессора Сильвии Гастин и доктора Негин Хесам-Шариати из центра NeuroRecovery Research Hub опубликованы в Journal of Pain.

В исследовании сравнивались сотни показателей боли и сопутствующих факторов у участников до, во время и после четырёх недель игровых сеансов. Активность мозга отслеживалась с помощью ЭЭГ-гарнитур, а приложение реагировало в реальном времени на изменения паттернов мозговых волн.

Трое из четырёх участников показали значительное снижение болевых ощущений, особенно к концу терапии. Достигнутое обезболивание у этих трёх участников было сопоставимо или превосходило эффект опиоидов.

"Ограничения по размеру, дизайну и продолжительности исследования не позволяют нам делать широкие выводы или исключить эффект плацебо", — отмечает доктор Хесам-Шариати.

"Но полученные результаты воодушевляют и дают уверенность для перехода к следующему этапу — более масштабным испытаниям".

Проект PainWaive основан на фундаментальных исследованиях профессора UNSW Сильвии Гастин об изменениях в таламусе — ключевом ретрансляционном центре мозга — связанных с нейропатической болью.

"Мозговые волны людей с нейропатической болью демонстрируют характерный паттерн: больше медленных тета-волн, меньше альфа-волн и больше быстрых бета-волн высокой частоты", — поясняет профессор Гастин.

"Мы полагаем, что эти изменения нарушают коммуникацию таламуса с другими отделами мозга, особенно с сенсомоторной корой, отвечающей за восприятие боли".

Так появилась идея создать метод лечения, непосредственно корректирующий эти аномальные волны.

Междисциплинарная команда UNSW и Neuroscience Research Australia (NeuRA) под руководством профессора Гастин и доктора Хесам-Шариати разработала технологию PainWaive.

Участники первого испытания получили комплект с гарнитурой и планшетом с игровым приложением, включая инструкции. Им также предлагались различные ментальные стратегии (расслабление, концентрация на приятных воспоминаниях) для нормализации мозговой активности.

Данные пользователей загружались для удалённого мониторинга исследовательской группой.

"После нескольких сеансов Zoom участники могли полностью самостоятельно проводить сеансы терапии", — отмечает доктор Хесам-Шариати.

"Возможность управлять болью в домашней обстановке дала участникам ощущение контроля. Это ключевое преимущество метода".

Изначально команда планировала использовать коммерческие ЭЭГ-системы, но они оказались либо слишком дорогими, либо не соответствовали требованиям проекта. В итоге исследователи разработали собственное решение.

"Все компоненты, кроме открытой платы ЭЭГ, были созданы нашей командой", — говорит доктор Хесам-Шариати. — "Вскоре и она будет заменена на собственноручно разработанную плату".

Благодаря 3D-печати стоимость гарнитуры удалось снизить до $300 против $1000-$20000 у существующих аналогов, отмечает профессор Гастин.

Гарнитура использует солевые электроды для улучшения качества сигнала и нацелена на сенсомоторную кору.

"Мы тесно работали с пациентами, чтобы сделать гарнитуру лёгкой, удобной и простой в использовании", — подчёркивает профессор Гастин.

"Полный контроль над технологией позволит в будущем предложить PainWaive как действительно доступное решение для домашнего обезболивания, особенно для людей с ограниченным доступом к традиционному лечению".

Исследователи объявили набор участников для двух новых испытаний технологии: Spinal Pain Trial (хроническая спинальная боль) и StoPain Trial (хроническая нейропатическая боль при травмах спинного мозга).

Дополнительная информация

• Какие другие немедикаментозные методы лечения нейропатической боли существуют помимо игровой терапии? - К немедикаментозным методам относятся транскутанная электрическая стимуляция нервов (ТЭНС), физиотерапия, акупунктура, когнитивно-поведенческая терапия, биологическая обратная связь и медитация.
• Как именно таламус связан с восприятием боли в организме? - Таламус действует как ретрансляционная станция, передавая болевые сигналы от периферических нервов к коре головного мозга, где происходит осознание боли и её эмоциональная оценка.

Новый биосенсор раскрывает старую квантовую загадку

Размещение сверхчувствительных квантовых сенсоров в живой клетке — многообещающий путь для отслеживания роста клеток и диагностики заболеваний, включая рак, на ранних стадиях.

Многие из лучших и мощнейших квантовых датчиков можно создать в микроскопических алмазах, но это порождает отдельную проблему: сложно поместить алмаз в клетку и заставить его работать.

"Для всех процессов, которые нужно изучать на молекулярном уровне, нельзя использовать что-то очень большое. Нужно проникнуть внутрь клетки. Для этого нам нужны наночастицы", — объясняет Ури Цви, кандидат наук из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета. "Люди уже использовали алмазные нанокристаллы в качестве биосенсоров, но выяснилось, что они работают хуже, чем мы ожидали. Намного хуже".

Цви — первый автор статьи, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, которая решает эту проблему. Вместе с исследователями из Притцкеровской школы молекулярной инженерии (PME) Чикагского университета и Университета Айовы он объединил знания из клеточной биологии, квантовых вычислений, традиционных полупроводников и телевизоров высокой четкости, чтобы создать революционно новый квантовый биосенсор. В процессе ученые также пролили свет на давнюю загадку в области квантовых материалов.

Покрыв алмазную наночастицу специально разработанной оболочкой — метод, вдохновленный QLED-телевизорами, — команда не только создала идеальный квантовый биосенсор для живой клетки, но и раскрыла новые принципы модификации поверхности материала для усиления его квантовых свойств.

"Это уже один из самых чувствительных объектов на Земле, а теперь они нашли способ сделать его еще более чувствительным в самых разных средах", — говорит научный руководитель Цви, профессор PME Чикагского университета Аарон Эссер-Кан, соавтор статьи.

Клетка, полная алмазов

Кубиты, заключенные в алмазные нанокристаллы, сохраняют квантовую когерентность даже при таких малых размерах, что клетка может их "поглотить" — хорошей аналогией будет, что клетка их проглатывает и переваривает, не выплевывая. Но чем меньше алмазные частицы, тем слабее квантовый сигнал.

"Какое-то время всех вдохновляло, что эти квантовые сенсоры можно поместить в живые клетки и, в принципе, использовать для диагностики", — говорит соавтор работы, доцент PME Чикагского университета Питер Маурер. "Однако, если в крупном алмазе такие сенсоры демонстрируют отличные квантовые свойства, то в наноалмазах их когерентность и квантовые характеристики заметно ухудшаются".

Тогда Цви обратился к неожиданному источнику вдохновения — квантово-точковым LED-телевизорам. QLED-телевизоры используют яркие флуоресцентные квантовые точки для передачи насыщенных цветов. Раньше эти цвета были яркими, но нестабильными: они могли внезапно потухнуть.

"Исследователи обнаружили, что окружение квантовых точек специально разработанными оболочками подавляет вредные эффекты поверхности и увеличивает их свечение", — объясняет Цви. "И сегодня нестабильные квантовые точки можно использовать в телевизорах".

Совместно с экспертом по квантовым точкам из PME и факультета химии Чикагского университета, профессором Дмитрием Талапиным (также соавтором работы), Цви предположил, что поскольку обе проблемы — флуоресценция квантовых точек и ослабленный сигнал наноалмазов — связаны с поверхностными состояниями, аналогичный подход может сработать.

Но поскольку сенсор предназначен для работы внутри живого организма, не любая оболочка подойдет. Будучи специалистом в иммуноинженерии, Эссер-Кан помог разработать кремний-кислородную (силоксановую) оболочку, которая не только усиливает квантовые свойства, но и не вызывает реакцию иммунной системы.

"Поверхность большинства таких материалов липкая и неупорядоченная, поэтому иммунные клетки понимают, что этого там быть не должно. Они выглядят как чужеродные объекты", — говорит Эссер-Кан. "Силоксановое покрытие делает частицу похожей на гладкий комок воды. И организм гораздо охотнее поглощает и перерабатывает такую частицу".

Предыдущие попытки улучшить квантовые свойства алмазных нанокристаллов с помощью модификации поверхности имели ограниченный успех. Поэтому команда ожидала лишь незначительного прогресса. Вместо этого они получили четырехкратное улучшение спиновой когерентности.

Этот рост — а также 1,8-кратное увеличение флуоресценции и значительное улучшение стабильности заряда — стало загадкой, которая одновременно озадачила и восхитила ученых.

Все лучше и лучше

"Я ложился спать, но не мог перестать думать: «Что там происходит? Спиновая когерентность улучшается — но почему?» — вспоминает второй автор работы, доцент Университета Айовы Денис Кандидо. "Я размышлял: «А что, если провести этот эксперимент? А если сделать этот расчет?» Это было очень, очень захватывающе, и в итоге мы нашли основную причину улучшения когерентности".

Междисциплинарная команда — биолог, ставший квантовым физиком (Цви), иммуноинженер (Эссер-Кан) и квантовые инженеры (Маурер и Талапин) — привлекла Кандидо и профессора физики и астрономии Университета Айовы Майкла Флатте для разработки теоретической основы исследования.

"Меня особенно вдохновило то, что некоторые старые идеи, критически важные для полупроводниковых технологий, оказались ключевыми и для этих новых квантовых систем", — говорит Флатте.

Ученые обнаружили, что добавление кремниевой оболочки не просто защищает поверхность алмаза. Оно кардинально меняет квантовое поведение внутри. Граница раздела материалов вызывала перенос электронов из алмаза в оболочку. Удаление электронов из атомов и молекул, которые обычно снижают квантовую когерентность, создало более чувствительный и стабильный способ считывания сигналов из живых клеток.

Это позволило команде определить конкретные участки поверхности, которые ухудшают когерентность и снижают эффективность квантовых устройств, — решая давнюю загадку в области квантового сенсинга и открывая новые пути для инженерных инноваций и фундаментальных исследований.

"Конечный результат — не просто лучший сенсор, а новая количественная модель для управления когерентностью и стабильностью заряда в квантовых наноматериалах", — резюмирует Цви.

Дополнительная информация

• Как именно квантовые точки в QLED-телевизорах связаны с квантовыми сенсорами в биологии? - И в QLED-телевизорах, и в биологических сенсорах квантовые точки используются благодаря их способности точно излучать или поглощать свет определенной длины волны в зависимости от размера, что позволяет детектировать или визуализировать биологические процессы.
• Почему именно силоксановое покрытие было выбрано для биосовместимости? - Силоксаны (кремний-органические соединения) обладают высокой химической стабильностью, низкой токсичностью и способностью формировать защитные слои, что делает их идеальными для контакта с биологическими тканями.
• Какие именно "старые идеи из полупроводниковых технологий" оказались полезными для квантовых систем? - Технологии литографии и легирования полупроводников, разработанные для микрочипов, были адаптированы для создания точных структур в квантовых точках и кубитах.

Новая техника визуализации для поиска материалов следующего поколения квантовых компьютеров

Ученые из Университетского колледжа Корка (UCC) в Ирландии разработали мощный новый инструмент для поиска материалов следующего поколения, необходимых для масштабируемых и отказоустойчивых квантовых вычислений.

Это значительное достижение означает, что впервые исследователи нашли способ окончательно определить, может ли материал эффективно использоваться в определенных микрочипах для квантовых компьютеров.

Ключевые результаты были опубликованы сегодня в научном журнале Science и стали итогом масштабного международного сотрудничества, включающего ведущие теоретические работы профессора Дун-Хая Ли из Калифорнийского университета в Беркли, а также синтез материалов профессорами Шэн Раном и Джонпьером Пальоне из Университета Вашингтона в Сент-Луисе и Университета Мэриленда соответственно.

Используя оборудование, доступное лишь в трех лабораториях мира, исследователи группы Дэвиса в UCC смогли окончательно определить, обладает ли дителлурид урана (UTe₂) — известный сверхпроводник — характеристиками, необходимыми для того, чтобы быть внутренним топологическим сверхпроводником.

Топологический сверхпроводник — это уникальный материал, на поверхности которого возникают новые квантовые частицы, называемые фермионами Майораны. Теоретически их можно использовать для стабильного хранения квантовой информации без влияния шумов и нестабильностей, которые мешают современным квантовым компьютерам. Физики десятилетиями искали природный топологический сверхпроводник, но ни один из известных материалов не удовлетворял всем требованиям.

UTe₂ считался сильным кандидатом на роль внутреннего топологического сверхпроводника с момента его открытия в 2019 году, однако до сих пор ни одно исследование не давало окончательной оценки его пригодности.

Используя сканирующий туннельный микроскоп (STM), работающий в новом режиме, разработанном Шеймусом Дэвисом, профессором квантовой физики в UCC, команда под руководством Джо Кэрролла, аспиранта группы Дэвиса, и Куаныша Жусупбекова, постдокторанта программы Марии Кюри, смогла окончательно определить, является ли UTe₂ подходящим топологическим сверхпроводником.

Эксперименты, проведенные с помощью "Андреевского" STM (доступного только в лабораториях профессора Дэвиса в Корке, Оксфордском университете в Великобритании и Корнеллском университете в Нью-Йорке), показали, что UTe₂ действительно является внутренним топологическим сверхпроводником, но не совсем того типа, который искали физики.

Тем не менее, этот уникальный эксперимент сам по себе стал прорывом.

Отвечая на вопросы об эксперименте, Кэрролл пояснил:

"Традиционно исследователи искали топологические сверхпроводники, проводя измерения с помощью металлических зондов. Они делали это, потому что металлы — простые материалы, поэтому они практически не влияют на эксперимент. Новизна нашего метода в том, что мы используем другой сверхпроводник для исследования поверхности UTe₂. Это позволяет исключить из измерений обычные поверхностные электроны, оставляя только фермионы Майораны".

Кэрролл также отметил, что эта техника позволит ученым напрямую определять пригодность других материалов для топологических квантовых вычислений.

Квантовые компьютеры способны за секунды решать сложные математические задачи, на которые современным компьютерам потребуются годы. Сейчас правительства и компании по всему миру соревнуются в разработке квантовых процессоров с растущим числом кубитов, но нестабильность квантовых вычислений сдерживает значительный прогресс.

Ранее в этом году Microsoft представила Majorana 1, которую компания назвала "первым в мире квантовым процессором (QPU) с топологическим ядром".

Microsoft пояснила, что для этого достижения потребовались синтетические топологические сверхпроводники на основе сложно сконструированных слоев обычных материалов.

Однако новая работа группы Дэвиса означает, что теперь ученые могут находить единичные материалы, способные заменить эти сложные конструкции. Это потенциально повысит эффективность квантовых процессоров, позволит размещать больше кубитов на одном чипе и приблизит нас к следующему поколению квантовых вычислений.

Дополнительная информация

• Какие другие материалы, кроме UTe₂, рассматриваются в качестве потенциальных топологических сверхпроводников? - Кандидатами также являются CuₓBi₂Se₃, Sr₂RuO₄, FeTe₁₋ₓSeₓ и некоторые гетероструктуры на основе полупроводников.
• Как именно фермионы Майораны обеспечивают устойчивость квантовой информации к шумам? - Фермионы Майораны, будучи собственными античастицами, локализуются на концах топологических сверхпроводников, а их нелокальная природа делает квантовые состояния менее чувствительными к локальным помехам.

Ультратонкие линзы, делающие инфракрасный свет видимым

Линзы являются наиболее широко используемыми оптическими устройствами. Например, объективы фотоаппаратов создают четкое изображение или видео, фокусируя свет в одной точке. Скорость эволюции в области оптики за последние десятилетия ярко иллюстрируется превращением громоздких камер в компактные камеры современных смартфонов.

Даже высокопроизводительные камеры смартфонов по-прежнему требуют стека линз, который часто составляет самую толстую часть телефона.

Это ограничение по размеру является неотъемлемой особенностью классической конструкции линз — толстая линза необходима для преломления света, чтобы запечатлеть резкое изображение на сенсоре камеры.

Значительные достижения в области оптики за последние десять лет направлены на преодоление этого ограничения и привели к решению в виде металенз.

Они плоские, работают так же, как обычные линзы, и не только в 40 раз тоньше среднего человеческого волоса, но и легкие, поскольку их не нужно изготавливать из стекла.

Специальная метаповерхность, состоящая из структур шириной и высотой всего в несколько сотен нанометров (один нанометр — это одна миллиардная метра), изменяет направление света.

Используя такие наноструктуры, исследователи могут радикально уменьшить размер линзы и сделать ее более компактной.

В сочетании со специальными материалами эти наноструктуры можно использовать для изучения других необычных свойств света.

Одним из примеров является нелинейная оптика, где свет преобразуется из одного цвета в другой.

Зеленый лазерный указатель работает по этому принципу: инфракрасный свет проходит через высококачественный кристаллический материал и генерирует свет с вдвое меньшей длиной волны — в данном случае зеленый.

Один из известных материалов, создающих такие эффекты, — ниобат лития.

Он используется в телекоммуникационной промышленности для создания компонентов, соединяющих электронику с оптическими волокнами.

Рэйчел Гранж, профессор Института квантовой электроники ETH Zurich, занимается исследованиями в области создания наноструктур с такими материалами.

Она и ее команда разработали новый процесс, позволяющий использовать ниобат лития для создания металенз.

Исследование недавно опубликовано в журнале Advanced Materials.

Для своего нового метода физик сочетает химический синтез с прецизионным наноинжинирингом.

«Раствор, содержащий прекурсоры кристаллов ниобата лития, можно штамповать, пока он еще находится в жидком состоянии. Это работает аналогично печатному станку Гутенберга», — объясняет соавтор исследования Улле-Линда Тальтс, аспирантка, работающая с Рэйчел Гранж.

После нагрева материала до 600°C он приобретает кристаллические свойства, позволяющие преобразовывать свет, как в случае с зеленым лазерным указателем.

Этот процесс имеет несколько преимуществ. Производство наноструктур из ниобата лития сложно с использованием традиционных методов, поскольку материал исключительно стабилен и тверд.

По словам исследователей, эта технология подходит для массового производства, поскольку обратную форму можно использовать многократно, что позволяет печатать столько металенз, сколько необходимо.

Это также намного более экономично и быстрее, чем производство других миниатюрных оптических устройств из ниобата лития.

Ультратонкие линзы, генерирующие новый свет

Используя эту технику, исследователи ETH в группе Гранж смогли создать первые металензы из ниобата лития с точно спроектированными наноструктурами.

Работая как обычные линзы, фокусирующие свет, эти устройства одновременно могут изменять длину волны лазерного излучения.

Когда инфракрасный свет с длиной волны 800 нанометров проходит через металензу, с другой стороны выходит видимое излучение длиной волны 400 нанометров, направленное в заданную точку.

Это волшебство преобразования света, как называет его Рэйчел Гранж, возможно только благодаря особой структуре ультратонкой металензы и ее материалу, позволяющему реализовать так называемый нелинейный оптический эффект.

Этот эффект не ограничен определенной длиной волны лазера, что делает процесс универсальным для широкого спектра применений.

От защищенных банкнот до микроскопов следующего поколения

Металензы и аналогичные наноструктуры, генерирующие голограммы, могут использоваться в качестве защитных элементов для защиты банкнот и ценных бумаг от подделок, а также для подтверждения подлинности произведений искусства.

Их точные структуры слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью видимого света, в то время как их нелинейные свойства материала позволяют проводить высоконадежную аутентификацию.

Исследователи также могут использовать простые детекторы камер для преобразования и управления излучением лазерного света, чтобы сделать инфракрасный свет — например, в датчиках — видимым.

Или для уменьшения оборудования, необходимого для формирования глубокого ультрафиолетового излучения при производстве современных электронных устройств.

Область таких ультратонких оптических элементов — известных как метаповерхности — является относительно молодой отраслью исследований на стыке физики, материаловедения и химии.

«Мы пока лишь слегка затронули поверхность и очень рады видеть, какое влияние эта новая экономически эффективная технология окажет в будущем», — подчеркивает Гранж.

Дополнительная информация

• Какие еще материалы, кроме ниобата лития, могут использоваться для создания нелинейных оптических эффектов в металензах? - Для нелинейных оптических эффектов также применяются арсенид галлия (GaAs), нитрид кремния (Si₃N₄), селенид цинка (ZnSe) и органические материалы, такие как DAST (4-диметиламино-N-метил-4-стильбазолий тозилат).
• Какие существуют современные методы защиты банкнот, кроме металенз, и в чем их недостатки? - Современные методы включают голограммы (ограниченная долговечность), водяные знаки (подделка возможна при высоком разрешении), металлизированные нити (дорогостоящее производство) и оптически переменные краски (зависимость от угла обзора).

Обнаружены продолжающиеся изменения поверхности спутника Юпитера Европы

Серия экспериментов под руководством доктора Удджавала Раута из Юго-Западного исследовательского института (SwRI) подтверждает спектральные данные, недавно полученные космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST). Эти данные свидетельствуют о том, что ледяная поверхность спутника Юпитера Европы постоянно изменяется. Лёд на поверхности Европы кристаллизуется с разной скоростью в разных местах, что может указывать на сложное сочетание внешних процессов и геологической активности, влияющих на поверхность.

Лёд из воды можно разделить на две основные категории в зависимости от его структуры. На Земле кристаллический лёд образуется, когда молекулы воды выстраиваются в гексагональную решётку в процессе замерзания. Однако на поверхности Европы водяной лёд постоянно подвергается бомбардировке заряженными частицами, которые нарушают кристаллическую структуру, образуя так называемый аморфный лёд.

Раут, руководитель программы в Отделе планетологии SwRI, стал соавтором статьи, в которой изложены результаты масштабных лабораторных экспериментов, проведенных его командой для изучения ледяной поверхности Европы. Эти эксперименты оказались ключевыми для определения временных масштабов аморфизации и рекристаллизации льда на Европе, особенно в хаотических областях, где такие элементы, как хребты, трещины и равнины, перемешаны и переплетены между собой. В сочетании с новыми данными JWST, Раут отметил, что появляется всё больше доказательств существования жидкого океана под ледяной поверхностью.

Последние несколько десятилетий учёные считали, что поверхность Европы покрыта очень тонким слоем аморфного льда, защищающего кристаллический лёд под ним (на глубине около 0,5 мм). Однако это новое исследование обнаружило кристаллический лёд как на поверхности, так и на глубине в некоторых областях Европы, особенно в районе под названием Таре Регио.

«Мы считаем, что поверхность довольно пористая, а в некоторых областях достаточно тёплая, чтобы лёд мог быстро рекристаллизоваться», — сказал доктор Ричард Картрайт, ведущий автор статьи и спектроскопист из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса. «Кроме того, в этом же регионе, который обычно называют хаотической областью, мы наблюдаем множество других необычных явлений, включая наиболее убедительные свидетельства наличия хлорида натрия, то есть обычной поваренной соли, вероятно, происходящей из подповерхностного океана. Мы также видим одни из самых убедительных признаков наличия CO₂ и пероксида водорода на Европе. Химия в этом месте действительно странная и увлекательная».

«Наши данные показали явные признаки того, что наблюдаемые нами вещества должны поступать из недр, возможно, из подповерхностного океана, расположенного почти в 30 километрах под толстой ледяной коркой Европы», — сказал Раут. «Эта область с разрушенными поверхностными материалами может указывать на геологические процессы, выталкивающие вещества из глубин. Когда мы находим признаки CO₂ на поверхности, мы полагаем, что они должны были поступить из океана под поверхностью. Доказательства существования жидкого океана под ледяной оболочкой Европы накапливаются, и это делает исследования ещё более захватывающими по мере получения новых данных».

Например, CO₂, обнаруженный в этом районе, включает наиболее распространённый тип углерода с атомной массой 12 (шесть протонов и шесть нейтронов), а также более редкий, тяжёлый изотоп с атомной массой 13 (шесть протонов и семь нейтронов).

Дополнительная информация

• Как заряженные частицы, бомбардирующие поверхность Европы, влияют на её химический состав? - Заряженные частицы (из магнитосферы Юпитера) разрушают молекулы льда, создавая новые соединения, такие как перекись водорода и серная кислота, а также могут высвобождать кислород.
• Какие методы используются для определения изотопного состава CO₂ на поверхности Европы? - Спектроскопия в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах, а также масс-спектрометрия (например, на аппаратах типа "Клипер" или будущих миссиях) позволяют анализировать соотношение изотопов углерода и кислорода в CO₂.

Исследование показывает, как солнечные батареи могут помочь лугам во время засухи

Новое исследование Университета штата Колорадо и Корнеллского университета показывает, что наличие солнечных панелей на лугах Колорадо может снизить водный стресс, улучшить влажность почвы и — особенно в засушливые годы — увеличить рост растений примерно на 20% или больше по сравнению с открытыми полями.

Результаты опубликованы на этой неделе в журнале Environmental Research Letters. В статье описаны потенциальные преимущества и проблемы размещения фотоэлектрических (PV) массивов в луговых экосистемах. Выводы особенно актуальны в контексте засухи на засушливом западе США и потенциальных изменений климата в будущем.

Хотя солнечные электростанции являются важным источником возобновляемой энергии, они уменьшают количество солнечного света, доступного для роста растений, что может повлиять на эти сложные экосистемы, снизив их способность поддерживать дикую природу, накапливать углерод и производить корма для выпаса скота. Исследование, основанное на четырехлетних данных с агровольтаической электростанции в Лонгмонте (Колорадо), стало первым полевым экспериментом, показывающим, как совместное размещение солнечных панелей и лугов меняет динамику этих процессов.

Полузасушливые луга Колорадо часто получают меньше воды, чем требуется для их нормального сезонного развития.

Команда обнаружила, что растения под и вокруг солнечных панелей в таких условиях получают пользу от частичного затенения и дополнительной воды, которая скапливается на панелях, — это помогает им выживать в суровые летние месяцы. В засушливый год рост травы на восточной стороне панелей в некоторых случаях был на 90% продуктивнее, чем на соседнем открытом участке. Во влажные и обычные годы этот эффект был менее выражен, но всё равно сохранялся.

Постдокторант Корнеллского университета Мэтью Стуркио, один из авторов статьи наряду с профессором Университета штата Колорадо Аланом Кнаппом, отметил, что результаты демонстрируют потенциал синергии использования земель под солнечные панели на лугах, что поддерживает как возобновляемую энергетику, так и стабильность экосистемы.

«Ранее уже публиковались исследования о положительном влиянии солнечных панелей на растения и водный баланс, — сказал Стуркио. — Однако это первый анализ, показывающий, как этот эффект усиливается с ростом засушливости, как в Колорадо.

Главный вывод заключается в том, что даже несмотря на то, что эта солнечная электростанция проектировалась для максимизации выработки энергии — а не для улучшения условий роста травы — в засушливый год она всё равно создала более благоприятную среду».

Стуркио добавил, что эффект может быть ещё сильнее, если панели будут проектироваться с учетом местных условий — например, регулировать угол наклона для создания тени при повышении температуры или пропускать больше света в ключевые периоды вегетации.

«Небольшие изменения в конструкции и управлении солнечными массивами могут раскрыть дополнительные преимущества, особенно связанные с водопользованием», — сказал он.

Статья является частью продолжающегося исследования агровольтаики — подхода, при котором солнечная инфраструктура спроектирована так, чтобы параллельно поддерживать выпас скота или среду обитания опылителей. Эти сельскохозяйственные варианты не требуют орошения или техники. Однако из-за их сильной зависимости от осадков важно понимать, как добавление панелей меняет условия в целом.

Кнапп и его лаборатория десятилетиями изучают луга в Колорадо, исследуя их реакцию на хронический водный стресс и засуху. В данной работе фокус был на многолетних C3-травах («холодного сезона»), предпочитающих более влажные условия. Следующим шагом станет изучение более распространенных в прериях Колорадо C4-трав, которые лучше растут в тепле и при обилии солнечного света.

«Эти луга ещё более ограничены в воде, чем те, что мы изучали. Поэтому мы ожидаем, что способность солнечных панелей смягчать водный стресс может быть ещё выше», — сказал Кнапп.

Стуркио добавил, что солнечные панели могут даже способствовать восстановлению луговых экосистем, поддерживая разнообразие растений. Стратегическое размещение солнечных электростанций в экосистемах, где они могут принести пользу, — очевидный вариант win-win.

«Мы предполагаем, что восстановление лугов в засушливых регионах может выиграть не только от благоприятных условий под солнечными панелями, но и от неоднородности среды, которую они создают. Мы с нетерпением ждём возможности проверить эту идею на новой исследовательской станции Shortgrass Ecovoltaic в Нане (Колорадо)», — заключил он.

Дополнительная информация

• Какие ещё экосистемы, кроме лугов, могут выиграть от агровольтаики? - Агровольтаика полезна для садов (например, яблоневых), виноградников и некоторых полевых культур (кукуруза, соя), где частичное затенение может снизить тепловой стресс у растений.
• Как C4-травы, в отличие от C3-трав, реагируют на затенение солнечными панелями? - C4-травы (например, кукуруза, сорго) менее устойчивы к затенению, чем C3-травы (например, пшеница, рис), так как их фотосинтетический механизм оптимизирован для яркого света.

Значительное ухудшение психического здоровья матерей в США

Новое исследование, опубликованное в журнале JAMA Internal Medicine, выявило тревожное ухудшение показателей психического здоровья среди матерей в США в период с 2016 по 2023 год. Исследование, проведенное специалистами Школы общественного здравоохранения Мейлмана при Колумбийском университете, также зафиксировало умеренное, но статистически значимое ухудшение физического здоровья за этот же период.

Масштабный анализ охватил данные 198 417 матерей, участвовавших в Национальном обследовании здоровья детей (NSCH) — ежегодном репрезентативном опросе домохозяйств с детьми в возрасте 0-17 лет. Большинство участниц были старше 30 лет, более половины имели ребенка с частной страховкой или принадлежащего к неиспаноязычной белой популяции.

"Хотя высокие показатели материнской заболеваемости и смертности хорошо задокументированы, национальные данные о состоянии здоровья матерей за пределами периода беременности и первого года после родов практически отсутствуют", — отметила доктор философии Джейми Доу, доцент кафедры управления и политики в области здравоохранения Колумбийской школы.

Результаты показывают, что доля матерей, оценивающих свое психическое здоровье как "отличное", резко сократилась с 38% в 2016 году до 26% в 2023 году.

Аналогичным образом, процент тех, кто назвал свое физическое здоровье "отличным", снизился с 28% до 24%.

Наиболее показательно, что доля матерей, оценивающих свое психическое здоровье как "удовлетворительное" или "плохое", увеличилась на 3,5 процентных пункта за 8-летний период — рост на 63,6% по сравнению с исходным показателем 5,5% в 2016 году.

Ухудшение психического здоровья матерей началось еще до пандемии COVID-19 и наблюдалось почти во всех исследуемых социально-экономических группах.

Среди отцов процент тех, кто оценивал свое физическое здоровье как "отличное", также снизился — с 30% до 26,4%; изменения в показателях психического здоровья были менее выраженными.

Однако во все годы исследования отцы сообщали о значительно лучшем психическом и физическом здоровье по сравнению с матерями.

Авторы также изучили различия в состоянии здоровья матерей и обнаружили, что распространенность "удовлетворительного" и "плохого" психического и физического здоровья была значительно выше среди матерей с более низким уровнем образования, одиноких матерей и тех, чьи дети застрахованы по программе Medicaid или не имеют страховки.

Доу и ее коллеги подчеркивают межпоколенческие последствия плохого психического здоровья родителей, включая повышенные риски неблагоприятных исходов родов, задержек развития и проблем с психическим здоровьем у детей.

"Расстройства настроения у матерей, в частности, могут оказывать долгосрочное влияние на детей — как напрямую, воздействуя на развитие, так и косвенно, увеличивая вероятность воздействия сопутствующих рисков, таких как употребление психоактивных веществ родителями и снижение ресурсов домохозяйства", — пояснила Доу.

"Наши результаты подчеркивают растущую волну ухудшения психического здоровья среди женщин с детьми как ключевую цель для усилий по улучшению материнского и детского здоровья в США", — заявила Доу.

"Мы обнаружили стабильно худшие показатели здоровья у матерей по сравнению с отцами, что говорит о необходимости дополнительного внимания к матерям в политике, направленной на поддержку родительского здоровья, особенно психического".

"В любом случае наше исследование подчеркивает необходимость более всестороннего изучения здоровья и благополучия родителей в США в целом. Мы призываем поддерживать больше вмешательств, направленных на профилактику, диагностику и лечение нарушений психического здоровья".

Среди соавторов исследования — доктор философии Коллин Л. МакКаллум-Бриджес и доктор медицины, магистр наук Линдсей К. Адмон из Мичиганского университета.

Исследование было поддержано Агентством по исследованиям и качеству в здравоохранении (R01HS029159).

Дополнительная информация

• Какие конкретные программы поддержки психического здоровья матерей существуют в США? - В США действуют программы вроде Postpartum Support International (PSI), предлагающие горячие линии, группы поддержки и ресурсы для матерей с послеродовой депрессией. Также Medicaid покрывает скрининг на депрессию для беременных и послеродовых женщин.
• Какова сравнительная динамика психического здоровья матерей в других развитых странах за тот же период? - Исследования показывают, что в странах с развитой системой поддержки (например, Скандинавия) уровень послеродовой депрессии ниже на 10-15% по сравнению с США, благодаря длительным декретным отпускам и бесплатным консультациям психологов.

Ученые обнаружили новые свидетельства существования черных дыр промежуточной массы

В мире черных дыр традиционно выделяют три категории по размеру: черные дыры звездной массы (примерно от 5 до 50 масс Солнца), сверхмассивные черные дыры (миллионы и миллиарды солнечных масс) и черные дыры промежуточной массы, занимающие промежуточное положение.

Хотя существование черных дыр промежуточной массы теоретически предсказано, об их происхождении и характеристиках известно крайне мало — они считаются редкими "недостающими звеньями" в эволюции черных дыр.

Однако четыре новых исследования проливают свет на эту загадку.

Работа проводилась под руководством команды из лаборатории доцента физики и астрономии Каран Джани, который также является основателем инициативы Vanderbilt Lunar Labs Initiative.

Исследование финансировалось Национальным научным фондом США и Управлением вице-провоста по исследованиям и инновациям Университета Вандербильта.

Основная статья "Свойства 'легких' кандидатов в черные дыры промежуточной массы в третьем наблюдательном прогоне LIGO-Virgo" опубликована в Astrophysical Journal Letters под руководством постдока Lunar Labs Анджали Йеликар и аспиранта по астрофизике Кристал Руиз-Роча.

Команда повторно проанализировала данные нобелевских детекторов лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в США и детектора Virgo в Италии.

Исследователи обнаружили, что эти волны соответствуют слияниям черных дыр массой более 100-300 солнечных масс, что делает их самыми массивными гравитационно-волновыми событиями в истории астрономии.

"Черные дыры — это конечные космические ископаемые", — заявил Джани. "Массы черных дыр, указанные в этом новом анализе, долгое время оставались предметом споров в астрономии. Эта новая популяция черных дыр открывает беспрецедентное окно в изучение самых первых звезд, осветивших нашу Вселенную".

Наземные детекторы, такие как LIGO, фиксируют лишь доли секунды заключительного столкновения этих "легковесных" черных дыр промежуточной массы, что затрудняет понимание механизмов их образования.

Для решения этой проблемы лаборатория Джани обратилась к готовящейся миссии LISA (Laser Interferometer Space Antenna) Европейского космического агентства и NASA, запуск которой запланирован на конец 2030-х годов.

В двух дополнительных статьях, опубликованных в Astrophysical Journal — "Море черных дыр: характеристика сигнатуры LISA для двойных систем черных дыр звездного происхождения" (руководитель Руиз-Роча) и "Сказка о двух черных дырах: многодиапазонное гравитационно-волновое измерение отдачи" (руководитель бывший летний стажер Шобхит Ранжан) — команда показала, что LISA сможет отслеживать эти черные дыры за годы до их слияния, проливая свет на их происхождение, эволюцию и судьбу.

Обнаружение гравитационных волн от столкновений черных дыр требует исключительной точности — подобно попытке услышать падение булавки во время урагана.

В четвертом исследовании, также опубликованном в Astrophysical Journal ("Нет глюка в матрице: надежное восстановление гравитационно-волновых сигналов при наличии шумовых артефактов"), команда продемонстрировала, как модели искусственного интеллекта гарантируют защиту сигналов от этих черных дыр от искажений, вызванных шумами окружающей среды и детектора.

Статья подготовлена под руководством постдока Чаян Чаттерджи и развивает программу Джани "ИИ для новых посланников" (AI for New Messengers Program), реализуемую совместно с Институтом науки о данных.

"Мы надеемся, что это исследование укрепит позицию черных дыр промежуточной массы как самого интересного источника для всей сети гравитационно-волновых детекторов — от Земли до космоса", — заявила Руиз-Роча. "Каждое новое обнаружение приближает нас к пониманию происхождения этих черных дыр и причин их попадания в этот загадочный массовый диапазон".

Йеликар отметила, что в дальнейшем команда планирует изучить возможности наблюдения черных дыр промежуточной массы с помощью детекторов на Луне.

"Доступ к более низким частотам гравитационных волн с лунной поверхности может позволить нам определить среду, в которой существуют эти черные дыры — что принципиально недоступно для наземных детекторов", — сказала она.

Помимо продолжения этих исследований, Джани также будет работать с Национальными академиями наук, инженерии и медицины над спонсируемым NASA исследованием по определению наиболее ценных лунных направлений для человеческой экспансии в рамках десятилетних научных целей.

Будучи участником этого исследования, Джани войдет в состав группы по гелиофизике, физике и физическим наукам, которая определит и сформулирует научные задачи, связанные с физикой Солнца, космической погодой, астрономией и фундаментальной физикой, решение которых наиболее эффективно может быть достигнуто при участии исследователей на Луне.

"Это захватывающий момент истории — не только для изучения черных дыр, но и для объединения научных рубежей с новой эрой космических и лунных исследований", — сказал Джани. "У нас есть уникальная возможность подготовить новое поколение студентов, чьи открытия будут сформированы и сделаны на Луне".

Дополнительная информация

• Какие преимущества дает размещение гравитационно-волновых детекторов на Луне по сравнению с наземными обсерваториями? - На Луне нет атмосферы и сейсмических шумов, что позволяет регистрировать более слабые гравитационные волны, а также расширяет диапазон detectable frequencies от 0.1 Hz до 10 Hz по сравнению с наземными детекторами.

• Как именно искусственный интеллект помогает выделять сигналы черных дыр из шумов? - ИИ использует алгоритмы машинного обучения для анализа шаблонов волн, фильтруя фоновый шум и идентифицируя характерные сигнатуры столкновений черных дыр среди petabytes данных.

Повышение эффективности OLED-экранов: путь к долговечности синих PHOLED

Исследователи из Мичиганского университета продемонстрировали, что синие фосфоресцентные OLED (PHOLED) теперь могут работать так же долго, как и уже используемые в устройствах зелёные PHOLED. Это открывает путь к дальнейшему повышению энергоэффективности OLED-экранов.

"Теперь синие PHOLED достигли уровня долговечности зелёных", — заявил Стивен Форрест, заслуженный профессор электротехники имени Питера А. Франкена и ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Nature Photonics.

"Нельзя сказать, что проблема полностью решена — конечно, окончательное решение наступит только после внедрения в дисплеи. Но мы показали путь к реальному решению, которое ускользало от научного сообщества два десятилетия".

OLED-экраны являются стандартом для флагманских смартфонов и премиальных телевизоров, обеспечивая высокую контрастность и энергоэффективность, поскольку изменение яркости достигается за счёт светоизлучающих элементов, а не жидкокристаллического слоя.

Однако не все OLED одинаково энергоэффективны.

В современных дисплеях красные и зелёные OLED излучают свет благодаря высокоэффективной фосфоресцентной технологии, тогда как синие OLED по-прежнему используют флуоресценцию.

Это означает, что в то время как красные и зелёные OLED теоретически могут генерировать по одному фотону на каждый электрон, проходящий через устройство, синие OLED имеют гораздо меньший КПД.

Проблема в том, что синий свет — самый энергозатратный в RGB-устройствах: молекулы в синих PHOLED должны выдерживать более высокие энергии по сравнению с красными и зелёными аналогами.

Большая часть энергии уходит в виде синего света, но если она остаётся "запертой", это может разрушить светоизлучающие молекулы.

Ранее команда Форреста обнаружила, что можно ускорить высвобождение "запертой" энергии, нанеся на отрицательный электрод покрытие, способствующее её преобразованию в синий свет.

Хаонань Чжао, недавний выпускник докторантуры по физике, сравнил это с созданием скоростной полосы.

"На дороге с недостаточным количеством полос нетерпеливые водители могут сталкиваться друг с другом, блокируя движение — точно так же два экситона, сталкиваясь, выделяют огромную энергию, разрушающую молекулу", — пояснил Чжао, первый автор предыдущего и нового исследования.

"Плазмон-экситонный поляритон — это наша оптическая конструкция для скоростной полосы экситонов".

Механизм основан на квантовой механике. Когда электрон проходит через отрицательный электрод, он создаёт возбуждённое состояние в одной из молекул, излучающих синий свет.

Это состояние представляет собой отрицательно заряженный электрон, переходящий на более высокий энергетический уровень, и положительно заряженную "дырку", оставленную электроном — вместе они образуют экситон.

В идеале электрон быстро вернулся бы в исходное состояние, испуская синий фотон, но экситоны в фосфоресцентных OLED склонны задерживаться.

Простое возвращение в исходное состояние нарушило бы закон квантовой механики.

Однако экситоны, находящиеся очень близко к электроду, генерируют фотоны быстрее, потому что отражающая поверхность поддерживает другую квантовую квазичастицу — поверхностные плазмоны.

Они похожи на рябь на поверхности "пруда" из электронов на металле.

Если экситон в светоизлучающем материале находится достаточно близко к электроду, преобразование в синий свет ускоряется, поскольку он может передать энергию поверхностному плазмону — это явление известно как эффект Парселла.

Это происходит потому, что экситон колеблется, подобно антенне, создавая волны в электронах электрода.

Но это ещё не гарантирует успех, поскольку не все поверхностные плазмоны производят фотоны.

Чтобы получить фотон, экситон должен связаться с поверхностным плазмоном, образуя плазмон-экситонный поляритон.

Команда Форреста стимулировала этот процесс, добавив тонкий слой углеродного полупроводника на отражающий электрод. Это помогает экситону передавать энергию и резонировать нужным образом.

Также эффект распространяется глубже в светоизлучающий материал, позволяя удалённым экситонам воспользоваться преимуществом.

Об этом команда сообщала в прошлом году, а затем объединила этот эффект с другими подходами, чтобы наконец создать синий PHOLED, который работает так же долго и ярко, как зелёный.

Ключевые особенности разработки:

• Два светоизлучающих слоя (тандемный OLED): это вдвое снижает нагрузку на каждый слой, уменьшая вероятность слияния экситонов.
• Дополнительный слой, помогающий экситонам резонировать с поверхностными плазмонами у обоих электродов, чтобы оба излучающих слоя имели доступ к "скоростной полосе".
• Вся структура представляет собой оптический резонатор, в котором синий свет резонирует между двумя зеркальными электродами, смещая цвет фотонов в синюю область спектра.

Это исследование частично финансировалось Министерством энергетики США и компанией Universal Display Corporation.

Клэр Арнесон, аспирант кафедры физики Мичиганского университета, также участвовала в работе.

Устройство было изготовлено в Lurie Nanofabrication Facility и изучено в Michigan Center for Materials Characterization.

Команда запатентовала технологию при содействии U-M Innovation Partnerships и лицензировала её Universal Display Corp.

Форрест и Мичиганский университет имеют финансовую заинтересованность в Universal Display Corp.

Форрест также является профессором инженерии имени Пола Г. Гебеля, профессором электротехники, материаловедения, физики и прикладной физики.

Дополнительная информация

• Какой вклад в энергопотребление дисплея вносят синие пиксели по сравнению с красными и зелёными? - Синие пиксели потребляют больше энергии, так как для их создания требуются материалы с более широкой запрещённой зоной (3.0-3.5 эВ), чем для красных (1.7-2.2 эВ) и зелёных (2.2-2.8 эВ).

• Какие ещё существуют подходы к увеличению срока службы синих PHOLED, кроме использования плазмон-экситонных поляритонов? - Основные методы: использование допированных эмиссионных слоёв, разработка новых хост-материалов, внедрение многослойных структур и применение термоактивированной замедленной флуоресценции (TADF).

• Как работает оптический резонатор в тандемной структуре OLED и почему он важен для цветопередачи? - Оптический резонатор создаёт интерференцию световых волн между отражающими слоями, усиливая нужные длины волн и подавляя нежелательные. Это позволяет точно настраивать цветовые характеристики и улучшать чистоту цвета.

Физическое камуфлирование работает как фокус с исчезновением структурных дефектов

При проектировании иллюминатора в авиалайнере или кабельного канала для двигателя производители тратят много усилий на усиление отверстий для сохранения структурной целостности. Однако такое усиление редко бывает идеальным и часто создает структурные слабости в других местах.

Теперь инженеры из Принстона и Технологического института Джорджии разработали методику, которая позволяет сохранять структурную целостность, по сути скрывая отверстие от воздействия окружающих сил. Вместо усиления отверстия для защиты от нескольких избранных сил новый подход перераспределяет практически любой набор сил, способных повлиять на окружающий материал, чтобы они обходили отверстие.

В статье, опубликованной 5 мая в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи заявили, что они окружили отверстия микроструктурами, предназначенными для защиты от множества нагрузок — внешних сил, вызывающих напряжение, движение или деформацию. Форма и ориентация микроструктур калибруются с учетом наиболее сложных нагрузок, воздействующих на конструкцию, что позволяет разработчикам одновременно компенсировать множественные напряжения.

«Представьте пластину с отверстием. Если подвергнуть ее нагрузке, например, потянув, вы получите концентрацию напряжения в области отверстия, где пластина разрушится быстрее, чем без отверстия», — объяснила Эмили Д. Сандерс, доцент кафедры машиностроения в Технологическом институте Джорджии и одна из авторов исследования. «Мы хотим разработать что-то вокруг этого отверстия или дефекта, чтобы казалось, будто отверстия не существует».

Глаусио Паулино, ведущий автор и профессор инженерии имени Маргареты Энгман Огастин в Принстоне, отметил, что конструкторы обычно усиливают структуру вокруг отверстий, таких как окна или туннели. Однако он подчеркнул, что, увеличивая прочность конструкции в одном направлении, усиление может создать новые проблемы, вызывая напряжения в другом направлении. Цель техники камуфлирования — защитить конструкцию, перенаправляя силу без создания новых или нежелательных уровней напряжения.

Исследователи вдохновлялись сучками в деревьях, где микроструктуры, по-видимому, направляют силу вокруг мест внедрения, таких как ветви или корни, сохраняя структурную прочность. Ученые задались вопросом, можно ли создать подобные структуры в искусственных материалах.

Паулино пояснил, что метод основан на двух задачах оптимизации, предназначенных для выбора наилучших решений из множества вариантов. Первая задача определяет нагрузки, которые создадут наибольшие трудности для структуры объекта. Это сложнее, чем кажется, поскольку нагрузки на конструкцию или машину могут меняться в зависимости от обстоятельств.

«У любой структуры потенциально может быть бесконечное число нагрузок. Каждый раз, когда вы ведете машину, нагрузки разные: ветер может дуть в разных направлениях, или температура может колебаться», — сказал Паулино.

Исследователи выяснили, что расчет 6-10 наихудших нагрузок для конструкции дает наиболее эффективные результаты. С этой информацией они решают вторую задачу оптимизации, чтобы найти наиболее эффективный способ создания и размещения микроструктур вокруг окна или канала.

«Метод оптимизации, предложенный авторами, представляет собой прорывной подход для достижения невидимости дефекта, независимо от направления внешней силы», — сказал Давиде Бигони, профессор механики твердого тела и конструкций в Университете Тренто (Италия). «Это обеспечивает всестороннее камуфлирование — свойство с широким спектром применений, включая обеспечение нейтральности механического напряжения при замене тканей органов, модификацию структурных элементов для облегчения монтажа в машинах или гражданской инфраструктуре и улучшение реставрации произведений искусства».

Идея схожа с техниками камуфлирования, разработанными для скрытия объектов в электромагнитном спектре, таких как стелс-самолеты. Паулино отметил, что уравнения для твердых материалов могут быть сложнее, чем для электромагнетизма, но цель остается той же.

«Любое упругое возмущение скрывается камуфляжем, — сказал он. — Как будто его нет».

Дополнительная информация

• Какие еще природные структуры могут вдохновлять инженеров на создание подобных камуфлирующих микроструктур? - Примеры включают кожу хамелеона (меняет цвет за счет нанокристаллов), крылья бабочек (структурная окраска), осьминогов (динамический камуфляж с помощью хроматофоров) и листья растений (микроструктуры, рассеивающие свет).
• Как именно уравнения для твердых материалов сложнее, чем для электромагнитного камуфлирования? - Уравнения для твердых тел (например, механика деформируемого твердого тела) учитывают нелинейные эффекты, анизотропию и сложные граничные условия, тогда как электромагнитные уравнения (уравнения Максвелла) часто линейны и изотропны в однородных средах.

Может ли «приостановка» гибели клеток стать последним рубежом медицины на Земле и за ее пределами?

Процесс некроза, одной из форм гибели клеток, может оказаться одним из самых перспективных способов изменить ход человеческого старения, развития болезней и даже космических путешествий, согласно новому исследованию ученых из Университетского колледжа Лондона (UCL), биотехнологической компании LinkGevity и Европейского космического агентства (ESA).

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Oncogene, международная группа ведущих ученых и клиницистов исследует потенциал некроза — когда клетки гибнут неожиданно из-за инфекции, травмы или болезни — для переосмысления нашего понимания и лечения возрастных заболеваний.

Бросая вызов преобладающим взглядам, работа объединяет доказательства из областей биологии рака, регенеративной медицины, заболеваний почек и космического здоровья, чтобы утверждать: некроз — это не просто конечная стадия, но ключевой фактор старения, открывающий возможности для вмешательства.

Доктор Кит Сью, один из авторов исследования из Центра здоровья почек и мочевого пузыря UCL, сказал: «Никто не любит говорить о смерти, даже о гибели клеток, и, возможно, поэтому физиология смерти так плохо изучена. В некотором смысле некроз — это смерть. Если погибает достаточно клеток, затем ткани, затем умираем мы. Вопрос в том, что произойдет, если мы сможем приостановить или остановить некроз».

Доктор Карина Керн, ведущий автор исследования и CEO LinkGevity, биотехнологической компании, базирующейся в Кембриджском кампусе Бабрахам и участвующей в программе NASA Space-Health, отметила: «Некроз остается одним из последних рубежей медицины — общей нитью между старением, болезнями, космической биологией и самим научным прогрессом».

Клетки — это фундаментальные строительные блоки жизни, и они могут умирать разными способами. «Запрограммированные» формы клеточной смерти полезны — это тщательно организованные процессы, позволяющие нашим тканям обновляться и эффективно функционировать на протяжении жизни.

Однако «незапрограммированная» гибель клеток, или некроз, — это неконтролируемый и катастрофический процесс, ведущий к дегенерации тканей и биологическому упадку.

В центре некротического процесса находится кальций — жизненно важный ресурс, который фактически управляет клеткой, определяя, какие функции включаются или отключаются. В норме уровень кальция вне клетки в 10 000–100 000 раз выше, чем внутри нее.

Когда этот тонко настроенный баланс нарушается, кальций, подобно короткому замыканию, «затапливает» клетку, ввергая ее в хаос. В отличие от запрограммированной смерти, при которой клетки разрушаются упорядоченно, некроз приводит к разрыву клеток, выбросу токсичных молекул в окружающие ткани.

Это запускает цепную реакцию, вызывающую масштабное воспаление и нарушающую восстановление тканей, создавая эффект снежного кома, который в конечном итоге приводит к слабости и развитию хронических возрастных заболеваний, таких как болезни почек, сердца и Альцгеймера.

Доктор Сью добавил: «Когда клетки умирают, это не всегда мирный процесс для их соседей».

Доктор Керн поясняет: «Некроз долгое время оставался незамеченным. Как конечная стадия клеточной смерти, он в значительной степени игнорировался. Однако накапливающиеся данные показывают, что это не просто финал. Это центральный механизм, через который не только возникает, но и распространяется системная дегенерация. Это делает его критической точкой пересечения многих заболеваний. Если мы научимся воздействовать на некроз, мы сможем открыть совершенно новые методы лечения — от почечной недостаточности до сердечных заболеваний, нейродегенерации и даже самого старения».

Особенно разрушительное и недооцененное влияние некроз оказывает на почки. Он провоцирует заболевания почек, которые могут привести к почечной недостаточности, требующей трансплантации или диализа. К 75 годам почти у половины людей развивается та или иная форма болезни почек как часть естественного процесса старения.

Доктор Сью добавил: «При заболевании почек нет одной единственной причины их отказа. Это может быть нехватка кислорода, воспаление, окислительный стресс, накопление токсинов и так далее. Все эти факторы в конечном итоге приводят к некрозу, который запускает порочный круг, выходящий из-под контроля и приводящий к почечной недостаточности. Мы не можем устранить все эти факторы, но если бы мы могли вмешаться на этапе некроза, мы бы достигли того же результата».

Еще одна область, где подавление некроза могло бы иметь большое значение, — это космические полеты, где астронавты часто сталкиваются с ускоренным старением и ухудшением функции почек из-за низкой гравитации и космической радиации. Исследование 2024 года с участием доктора Сью показало, что почки могут стать главным ограничивающим фактором для длительных космических миссий.

Авторы утверждают, что поиск решений для борьбы с ускоренным старением и болезнями почек может стать последним рубежом для освоения дальнего космоса.

Профессор Дэмиан Бейли, соавтор исследования из Университета Южного Уэльса и председатель Рабочей группы по наукам о жизни ESA, заявил: «Воздействие на некроз потенциально может не только изменить продолжительность жизни на Земле, но и расширить границы космических исследований. В космосе те же факторы, что вызывают старение на Земле, усугубляются космической радиацией и микрогравитацией — ускоряя дегенерацию в разы».

Доктор Керн добавила: «При многих возрастных заболеваниях — поражающих различные органы, такие как легкие, почки, печень, мозг и сердечно-сосудистую систему — неумолимые каскады некроза подпитывают прогрессирование болезни. Часто это сопровождается нарушением восстановления, ведущим к фиброзу, воспалению и повреждению клеток. Каждый каскад запускает и усиливает следующий.

Если бы мы могли предотвратить некроз, даже временно, мы бы остановили эти разрушительные циклы в их источнике, позволив нормальным физиологическим процессам и делению клеток возобновиться — и, возможно, даже способствуя регенерации».

Исследование стало результатом сотрудничества клиницистов и ученых из учреждений, включая Отдел медицины UCL, Госпиталь Брайхэма и женщин (аффилированный с Гарвардской медицинской школой), клинику Мэйо, программу NASA Space-Health, Лабораторию молекулярной биологии MRC, Университет Южного Уэльса и Европейское космическое агентство.

Дополнительная информация

• Какие существуют методы вмешательства в процесс некроза на сегодняшний день? - Современные методы включают применение антиоксидантов (например, N-ацетилцистеина), ингибиторов апоптоза (каспаз), терапию стволовыми клетками и гипотермию для замедления метаболизма.
• Как космическая радиация и микрогравитация ускоряют процесс некроза в организме астронавтов? - Космическая радиация повреждает ДНК и усиливает окислительный стресс, а микрогравитация нарушает кровообращение, что приводит к ишемии и гипоксии тканей.
• Какие другие органы, кроме почек, наиболее подвержены разрушительному воздействию некроза? - Печень (из-за высокой метаболической активности), миокард (чувствительность к ишемии) и центральная нервная система (невосстанавливаемые нейроны).

Электронная татуировка измеряет умственную нагрузку

Исследователи предложили участникам временные татуировки на лице, которые могут отслеживать, когда их мозг работает на пределе возможностей. Опубликованное 29 мая в журнале Device издательства Cell Press, исследование представляет собой беспроводную электронную татуировку на лбу, которая расшифровывает мозговые волны для измерения умственного напряжения без громоздких головных устройств. Эта технология может помочь отслеживать умственную нагрузку у работников, таких как авиадиспетчеры и дальнобойщики, у которых потеря концентрации может иметь серьезные последствия.

«Технологии развиваются быстрее, чем человеческая эволюция. Возможности нашего мозга не поспевают за ними и легко могут быть перегружены», — говорит Наншу Лу, автор исследования из Техасского университета в Остине (UT Austin). «Существует оптимальный уровень умственной нагрузки для максимальной производительности, который различается у разных людей».

Люди работают лучше всего в когнитивной «зоне Златовласки» — не перегруженные, но и не скучающие.

Нахождение этого баланса — ключ к оптимальной производительности. В настоящее время оценка умственной нагрузки основывается на Индексе нагрузки задач NASA (NASA Task Load Index) — длинном и субъективном опроснике, который участники заполняют после выполнения задач.

Электронная татуировка предлагает объективную альтернативу, анализируя электрическую активность мозга и движение глаз с помощью процессов, известных как электроэнцефалография (ЭЭГ) и электроокулография (ЭОГ). В отличие от громоздких шапочек ЭЭГ с болтающимися проводами и гелем, беспроводная электронная татуировка состоит из легкого аккумуляторного блока и тонких, как бумага, сенсоров, похожих на наклейки.

Эти сенсоры имеют волнистые петли и катушки — такая конструкция позволяет им растягиваться и идеально прилегать к коже для комфорта и четкого сигнала.

«Удивительно, но эти шапочки, несмотря на большее количество сенсоров для разных областей мозга, никогда не получают идеальный сигнал, потому что форма головы у всех разная, — говорит Лу. — Мы измеряем черты лица участников, чтобы изготовить персонализированные электронные татуировки, гарантируя, что сенсоры всегда находятся в правильном месте и получают сигналы».

Исследователи протестировали электронную татуировку на шести участниках, которые выполняли задание на память с возрастающей сложностью.

По мере роста умственной нагрузки у участников наблюдалась повышенная активность тета- и дельта-волн мозга, что сигнализировало о росте когнитивных усилий, в то время как альфа- и бета-активность снижалась, указывая на умственную усталость.

Результаты показывают, что устройство может обнаруживать, когда мозг испытывает трудности.

Но устройство не ограничилось только обнаружением — оно также могло предсказывать умственную нагрузку.

Исследователи обучили компьютерную модель оценивать умственную нагрузку на основе сигналов от электронной татуировки, успешно различая разные уровни умственной нагрузки.

Результаты показывают, что устройство потенциально может предсказывать умственную усталость.

Еще одно преимущество — стоимость. Традиционное оборудование ЭЭГ может превышать $15 000, в то время как чипы и аккумуляторный блок электронной татуировки стоят $200, а одноразовые сенсоры — около $20 каждый.

«Низкая стоимость делает устройство доступным», — говорит автор исследования Луис Сентис из UT Austin. «Одна из моих мечт — превратить электронную татуировку в продукт, который можно носить дома».

Хотя электронная татуировка пока работает только на безволосой коже, исследователи работают над ее сочетанием с сенсорами на основе чернил, которые могут функционировать на волосах.

Это позволит обеспечить полное покрытие головы и более комплексный мониторинг мозга.

По мере того как роботы и новые технологии все больше проникают на рабочие места и в дома, команда надеется, что эта технология улучшит понимание взаимодействия человека и машины.

«Мы давно отслеживаем физическое здоровье работников, фиксируя травмы и мышечное напряжение, — говорит Сентис. — Теперь у нас есть возможность контролировать умственную нагрузку, которая ранее не отслеживалась. Это может принципиально изменить то, как организации обеспечивают общее благополучие своих сотрудников».

Дополнительная информация

• Какие еще существуют методы объективного измерения умственной нагрузки, кроме ЭЭГ и ЭОГ? - К другим методам относятся функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), измерение кожно-гальванической реакции (КГР), анализ сердечного ритма (ВСР), а также трекинг движений глаз (айтрекинг).
• Как именно персонализированные сенсоры улучшают точность измерений по сравнению с традиционными шапочками ЭЭГ? - Персонализированные сенсоры учитывают анатомические особенности головы пользователя, что обеспечивает лучшее прилегание и контакт с кожей, уменьшая уровень шума и повышая качество сигнала.

Пение улучшает настроение младенцев

Пение для младенцев может значительно улучшить их настроение, согласно новому исследованию Йельского университета, опубликованному 28 мая в журнале Child Development.

Во всех культурах мира опекуны инстинктивно склонны петь детям. Теперь новые данные подтверждают, что пение — это простой, безопасный и бесплатный способ улучшить психическое состояние младенцев.

Поскольку улучшение настроения в младенчестве связано с более высоким качеством жизни как для родителей, так и для детей, это, в свою очередь, благотворно сказывается на здоровье всей семьи, отмечают исследователи.

Кроме того, исследование помогает объяснить, почему у родителей могла развиться привычка петь.

«Пение — это то, что может делать каждый, и большинство семей уже этим занимаются, — говорит Юн Чо, научный сотрудник Йельского центра изучения детей и один из первых авторов исследования. — Мы показали, что эта простая практика может принести реальную пользу для здоровья младенцев».

«Нам не всегда нужно полагаться на дорогие и сложные методы, когда есть другие, столь же эффективные и простые в применении», — добавляет Лидия Юрдум, аспирант по психологии из Амстердамского университета, также первый автор исследования.

Увеличение пения улучшает настроение младенцев

В новом исследовании приняли участие 110 родителей и их младенцев, большинству из которых было меньше четырех месяцев.

Исследователи случайным образом разделили родителей на две группы: одной группе предложили чаще петь детям, обучая их новым песням, предоставляя караоке-видео и сборники песен для младенцев, а также рассылая еженедельные рекомендации по включению музыки в повседневные дела.

В течение четырех недель эти родители получали опросы на свои смартфоны в случайное время дня. Они отвечали на вопросы о настроении ребенка, его капризности, времени, проведенном на успокоении, собственном настроении и частоте использования музыки.

Например, родителей просили оценить, насколько положительным или отрицательным было настроение ребенка за последние два-три часа до опроса.

56 родителей в контрольной группе получили аналогичное задание в течение четырех недель после основного эксперимента.

Исследователи обнаружили, что родители действительно смогли увеличить время, которое они посвящали пению для своих детей.

«Когда вы просите родителей петь чаще и даете им простые инструменты для этого, они делают это совершенно естественно», — говорит Юрдум.

Родители не только стали петь чаще, но и особенно активно использовали музыку в одном контексте — для успокоения младенцев, когда те капризничали.

«Мы не говорили родителям: "Мы думаем, вам стоит петь ребенку, когда он капризничает", но они сами к этому пришли», — отметил Сэмюэл Меер, адъюнкт-профессор Центра изучения детей и руководитель The Music Lab, а также главный исследователь проекта. — «Родители интуитивно используют музыку как инструмент управления эмоциями младенцев, потому что быстро понимают, насколько эффективно пение успокаивает ребенка».

Самое удивительное, что, согласно данным опроса, увеличение пения привело к заметному улучшению настроения младенцев в целом по сравнению с контрольной группой — то есть родители, которые пели чаще, оценивали настроение своих детей значительно выше.

Причем улучшение наблюдалось не только как немедленный отклик на музыку, но и в долгосрочной перспективе.

Хотя в этом исследовании пение не оказало значительного влияния на настроение самих опекунов, Меер считает, что в долгосрочной перспективе оно может положительно сказаться на здоровье молодых семей.

«Каждый родитель знает, что настроение младенца влияет на всех вокруг, — говорит Меер. — Если улучшение настроения сохраняется со временем, оно может распространиться и на другие аспекты здоровья».

Дальнейшее изучение пользы пения

Исследовательская группа полагает, что преимущества пения могут быть еще сильнее, чем показывает текущее исследование.

«Даже до нашего вмешательства участвующие семьи были особенно музыкальными, — поясняет Юрдум. — Несмотря на это и всего четыре недели эксперимента, мы увидели положительный эффект. Это говорит о том, что в семьях, которые не привыкли использовать музыку для успокоения детей, пение могло бы дать еще более заметные результаты».

Сейчас Центр изучения детей набирает участников для последующего исследования «Together We Grow», в котором будут изучать влияние пения на младенцев в течение восьми месяцев.

Хотя в данном исследовании ученые не заметили улучшения настроения родителей за четыре недели, они надеются выяснить, может ли пение в долгосрочной перспективе снижать стресс или помогать при послеродовой депрессии.

Также их интересует, оказывает ли пение другие положительные эффекты помимо улучшения настроения — например, способствует ли оно лучшему сну.

Предыдущие работы The Music Lab показали, что пение для младенцев — универсальная человеческая практика, и что люди могут даже угадывать контекст песни (например, колыбельная она или танцевальная) на незнакомых языках и из других культур.

Для Меера новые результаты логично сочетаются с этими базовыми научными выводами.

«Наше понимание эволюционной роли музыки указывает на ее коммуникативную функцию, — говорит он. — Родители посылают младенцам четкий сигнал в своих колыбельных: я рядом, я слышу тебя, я забочусь о тебе — так что все не так уж плохо».

И, судя по всему, младенцы это слышат.

Дополнительная информация

• Какие типы песен наиболее эффективны для успокоения младенцев? - Колыбельные и медленные, монотонные песни с повторяющимися мелодиями наиболее эффективны для успокоения младенцев, так как они имитируют ритм сердцебиения матери.
• Как пение влияет на развитие речи у младенцев? - Пение способствует развитию речи, улучшая восприятие звуков, ритма и интонации, что помогает младенцам быстрее осваивать языковые навыки.
• Каковы механизмы воздействия пения на эмоциональное состояние младенцев? - Пение стимулирует выработку окситоцина ("гормона доверия"), снижает уровень кортизола (гормона стресса) и активирует зоны мозга, связанные с эмоциональной регуляцией.

Новая инъекция может помочь миллионам людей с высоким давлением

Результаты клинического исследования, проведенного учеными из Лондонского университета королевы Марии и опубликованного сегодня в журнале JAMA, показывают, что инъекция, вводимая раз в шесть месяцев, может привести к значительному и устойчивому снижению артериального давления у пациентов с гипертонией.

Глобальное исследование KARDIA-2 охватило 663 человека с высоким кровяным давлением, чье состояние плохо контролировалось стандартными методами лечения.

В ходе испытаний пациенты получали инъекцию нового препарата зилебесирана (zilebesiran) в дополнение к стандартной терапии.

Исследователи обнаружили, что комбинация зилебесирана со стандартными препаратами более эффективно снижает давление по сравнению с монотерапией.

Эти результаты могут оказать значительное положительное влияние на пациентов с гипертонией — заболеванием, которым страдает примерно каждый третий взрослый в Великобритании. Без должного лечения оно повышает риск сердечно-сосудистых событий, включая инфаркты, инсульты и даже летальные исходы.

Доктор Маниш Саксена, клинический содиректор Уильяма Харви Центра клинических исследований при Лондонском университете королевы Марии и специалист по гипертонии в Barts Health NHS Trust, выступил ведущим исследователем в Великобритании и старшим автором публикации.

Комментируя результаты, он заявил:

«Гипертония — это глобальная проблема здравоохранения, поскольку контроль артериального давления остается неудовлетворительным, и она является ведущей причиной инфарктов и инсультов. Это исследование демонстрирует эффективность и безопасность зилебесирана в сочетании с распространенными препаратами первой линии для снижения давления. Новизна этого лечения заключается в его пролонгированном действии: всего одна инъекция раз в полгода может помочь миллионам пациентов лучше контролировать свое состояние».

Зилебесиран — это исследуемый препарат, использующий технологию интерференции РНК.

Он блокирует выработку специфического белка в печени (ангиотензиногена), способствуя расслаблению кровеносных сосудов и снижению давления.

Инъекция вводится подкожно.

Следующим этапом для зилебесирана станет новое исследование фазы 2 — KARDIA-3, которое оценит потенциал препарата для лечения пациентов с гипертонией и установленными сердечно-сосудистыми заболеваниями или высоким риском их развития.

Позже в этом году спонсор планирует включить пациентов в крупное глобальное исследование по исходам для оценки влияния препарата на снижение частоты сердечно-сосудистых событий, инсультов и смертности.

Исследование финансировалось компанией Alnylam Pharmaceuticals, а Barts Health NHS Trust выступал ведущим центром исследования в Европе с наибольшим числом включенных пациентов.

Пять занятий в виртуальной реальности, которые стоит попробовать — и пять, которых стоит избежать

Практиковаться в проведении операций на открытом сердце в реальном мире сложно, а пилоты самолетов не могут учиться на своих ошибках в полете. Это примеры ситуаций, где виртуальная реальность (VR) решает действительно сложные задачи, но у технологии есть ограничения. Таковы выводы обзора экспериментальных исследований VR, опубликованного в журнале Nature Human Behavior.

«Виртуальная реальность подходит не для всего», — заявил Джереми Бейленсон, ведущий автор исследования и директор лаборатории виртуального человеческого взаимодействия Стэнфордского университета. «Наши исследования давно показывают, что VR отлично работает при умеренном и осмысленном использовании. В противном случае плюсы обычно не перевешивают минусы».

Как медиум, VR очень интенсивен, добавил Бейленсон, профессор коммуникации в Школе гуманитарных и естественных наук. Он полностью блокирует реальный мир. VR может вызывать дискомфорт или даже «симуляторную болезнь» — разновидность укачивания.

В то время как компании вроде Meta и Apple активно инвестируют в эту технологию, рассчитывая на массовый спрос, результаты обзора показывают, что ее лучше использовать короткими сеансами — минуты, а не часы — и только для определенных задач. Исследователи рекомендуют применять VR для «DICE-опытов» (англ. Dangerous, Impossible, Counterproductive, Expensive): тех, которые в реальном мире были бы опасными, невозможными, контрпродуктивными или дорогостоящими.

Что стоит делать (и чего избегать) в VR, согласно пяти ключевым выводам исследования:

1. Путешествуйте в впечатляющие или лично сложные места. Не используйте VR для обыденных встреч.

Прогуляйтесь по руинам Помпеи или посетите Гранд-Каньон. Иммерсивная природа VR идеально подходит для ситуаций, где важно «присутствие на месте». Некоторые психологи даже используют VR в экспозиционной терапии, позволяя людям сталкиваться со своими страхами в безопасной обстановке. Одно исследование показало, что у людей, прошедших VR-терапию от страха полетов, симптомы не возвращались даже спустя три года.

Ценность VR снижается, если окружение не впечатляет. Хотя во время пандемии надеялись, что люди станут проводить более увлекательные встречи в VR, эта идея не прижилась.

«Если вы просто сидите и смотрите, не двигаясь, вы можете сделать это и на компьютере, сэкономив время в гарнитуре», — отметил Бейленсон.

2. Учитесь проводить операции или выступать публично. Не решайте базовые математические задачи.

С момента появления первых авиасимуляторов в 1929 году у педагогов были большие надежды на VR. Однако со временем стало ясно, что технология мало что добавляет к абстрактному обучению, которое можно эффективно объяснить на доске.

Вместо этого VR лучше всего подходит для отработки процедурных навыков, требующих последовательности действий, как в хирургии или препарировании. Также хорошо работают пространственные задачи, где важны движение и погружение, например, тренировка невербального поведения или выступление перед аудиторией.

«Ключевой момент — фокусироваться на сценариях обучения, которые по-настоящему уникальны в VR, а не предполагать, что любой медийный опыт станет лучше в гарнитуре», — сказал Бейленсон.

3. Примерьте новую личность в VR, но убедитесь, что она вам подходит.

Исследования показывают, что самовосприятие меняет поведение людей как в виртуальном, так и в реальном мире. Например, если люди выбирают более спортивных аватаров, они склонны больше двигаться. Те, у кого аватары выше, чаще ведут переговоры агрессивнее. Обратное тоже верно, поэтому пользователям стоит внимательно выбирать аватар, советует Бейленсон.

«Помните, что любой аватар изменит ваше поведение внутри VR и на некоторое время после выхода. Поэтому выбирайте платформы, где можно подобрать аватар, отражающий ваше реальное или идеальное “я”», — пояснил он.

4. Занимайтесь фитнесом в VR. Не пытайтесь научиться бросать бейсбольный мяч.

VR отлично подходит для спортивных тренировок, но не для точных движений. Пользователям трудно оценивать дистанцию в виртуальном мире — это пока не решенная проблема технологии.

«Пространственные активности высокого уровня хороши в VR, но если вам нужна точность до сантиметра, стоит осторожнее относиться к коммерческим VR-приложениям», — предупредил Бейленсон.

5. В VR можно убежать, но нельзя скрыться.

Исследования показывают, что людей легко опознать по движениям тела. Даже если аватар скрывает личность, миллионы точек данных о движениях, собираемых системой, могут идентифицировать пользователя. Полной анонимности в VR-гарнитурах не существует.

«В VR вы двигаетесь, и сцена реагирует. Именно это делает медиум таким особенным. Естественные движения тела настолько важны, что система просто не сможет работать, если отключить трекинг», — заключил Бейленсон.

Дополнительная информация

• Как "симуляторная болезнь" в VR сравнивается с классическим укачиванием в транспорте? - Оба состояния вызваны сенсорным конфликтом, но в VR основной причиной является несоответствие между визуальным движением и отсутствием физического движения, тогда как в транспорте - наоборот, физическое движение при ограниченной визуальной информации.

• Какие существуют методы деанонимизации пользователей VR помимо анализа движений тела? - К ним относятся анализ уникальных параметров IPD (межзрачкового расстояния), характеристик хрусталика глаза, особенностей хвата контроллеров, паттернов дыхания и частоты моргания, а также анализ голоса через встроенные микрофоны.

Как кофе влияет на спящий мозг?

Кофеин содержится не только в кофе, но и в чае, шоколаде, энергетических напитках и многих безалкогольных напитках, что делает его одним из самых распространенных психоактивных веществ в мире.

В исследовании, опубликованном в апреле в журнале Nature Communications Biology, группа ученых из Университета Монреаля пролила новый свет на то, как кофеин может изменять сон и влиять на восстановление мозга — как физическое, так и когнитивное — в течение ночи.

Исследование возглавил Филипп Тёльке, научный стажер из Лаборатории когнитивной и вычислительной нейронауки (CoCo Lab) Университета Монреаля, при участии директора лаборатории Карима Джерби, профессора психологии и исследователя из Института искусственного интеллекта Mila в Квебеке.

Совместно с профессором психологии сна и старения Жюли Каррье и ее командой из Центра передовых исследований медицины сна Университета Монреаля ученые использовали искусственный интеллект и электроэнцефалографию (ЭЭГ), чтобы изучить влияние кофеина на сон.

Впервые было показано, что кофеин увеличивает сложность мозговых сигналов и усиливает «критичность» мозга во время сна. Интересно, что этот эффект был более выражен у молодых людей.

«Критичность описывает состояние мозга, находящееся в равновесии между порядком и хаосом, — пояснил Джерби. — Это как оркестр: если слишком тихо, ничего не происходит, если слишком хаотично — получается какофония. Критичность — это золотая середина, когда мозговая активность одновременно организована и гибка. В этом состоянии мозг работает оптимально: эффективно обрабатывает информацию, быстро адаптируется, обучается и принимает решения».

Каррье добавила: «Кофеин стимулирует мозг и переводит его в состояние критичности, при котором он становится более активным, бдительным и реактивным. Хотя это полезно днем для концентрации, ночью такое состояние может мешать отдыху: мозг не расслабляется и не восстанавливается должным образом».

Исследование с участием 40 взрослых

Чтобы изучить влияние кофеина на спящий мозг, команда Каррье записала ночную мозговую активность 40 здоровых взрослых с помощью электроэнцефалографа. Они сравнили активность мозга каждого участника в две отдельные ночи: однажды участники принимали капсулы с кофеином за три часа, а затем за час до сна, а в другую ночь — плацебо в то же время.

«Мы использовали продвинутый статистический анализ и искусственный интеллект, чтобы выявить тонкие изменения в нейронной активности, — рассказал Тёльке, первый автор исследования. — Результаты показали, что кофеин увеличивает сложность мозговых сигналов, что отражает более динамичную и менее предсказуемую активность нейронов, особенно во время фазы медленного сна (NREM), которая важна для консолидации памяти и когнитивного восстановления».

Исследователи также обнаружили заметные изменения в электрических ритмах мозга во время сна: кофеин ослаблял медленные колебания, такие как тета- и альфа-волны (обычно связанные с глубоким, восстанавливающим сном), и стимулировал активность бета-волн, которые чаще встречаются во время бодрствования и умственной активности.

«Эти изменения указывают на то, что даже во время сна мозг остается в более активированном, менее восстанавливающем состоянии под действием кофеина, — говорит Джерби, который также занимает должность канадского исследовательского председателя в области вычислительной нейронауки и когнитивной нейровизуализации. — Это изменение ритмической активности мозга может объяснить, почему кофеин влияет на эффективность ночного восстановления, потенциально сказываясь на обработке памяти».

Люди в возрасте 20 лет подвержены большему влиянию

Исследование также показало, что влияние кофеина на динамику мозга было значительно сильнее у молодых людей в возрасте 20–27 лет по сравнению с участниками среднего возраста (41–58 лет), особенно во время фазы быстрого сна (REM), связанной со сновидениями.

Молодые люди демонстрировали более выраженную реакцию на кофеин, вероятно, из-за более высокой плотности аденозиновых рецепторов в их мозге. Аденозин — это молекула, которая постепенно накапливается в мозге в течение дня, вызывая чувство усталости.

«С возрастом количество аденозиновых рецепторов естественным образом уменьшается, что снижает способность кофеина блокировать их и усиливать сложность мозговой активности, — пояснила Каррье. — Это может частично объяснять ослабленный эффект кофеина у участников среднего возраста».

Эти возрастные различия указывают на то, что молодой мозг может быть более восприимчив к стимулирующему действию кофеина. Учитывая широкое распространение кофеина в мире, особенно как ежедневного средства от усталости, исследователи подчеркивают важность понимания его сложного влияния на мозговую активность у разных возрастных групп и при различных состояниях здоровья.

Они также отмечают, что необходимы дополнительные исследования, чтобы уточнить, как эти нейронные изменения влияют на когнитивное здоровье и повседневное функционирование, а также для разработки персонализированных рекомендаций по потреблению кофеина.

Дополнительная информация

• Как аденозин влияет на циклы сна и бодрствования? - Аденозин накапливается в мозге во время бодрствования, подавляя возбуждающие нейроны и активируя тормозные, что вызывает чувство усталости. Во время сна его уровень снижается, способствуя восстановлению.
• Какие существуют методы измерения "критичности" мозга помимо ЭЭГ? - Функциональная МРТ (измеряет кровоток), магнитоэнцефалография (МЭГ, регистрирует магнитные поля), внутричерепные электроды (прямая запись нейронов) и анализ паттернов активности с помощью математических моделей.

Эволюция одного гена позволила чуме адаптироваться, выживать и убивать значительную часть человечества на протяжении многих веков

Ученые задокументировали, как один ген в бактерии Yersinia pestis, вызывающей бубонную чуму, позволил ей выживать в течение сотен лет, регулируя свою вирулентность и срок, за который она убивала своих жертв, однако в конечном итоге эти формы чумы исчезли.

Исследование ученых из Университета Макмастера и Института Пастера во Франции, опубликованное сегодня в журнале Science, отвечает на некоторые фундаментальные вопросы, связанные с пандемиями: как они проникают в популяции людей, вызывают масштабные заболевания и эволюционируют, изменяя уровень вирулентности, чтобы сохраниться в популяции?

Черная смерть остается самой смертоносной пандемией в истории человечества, уничтожившей, по оценкам, от 30 до 50% населения Европы, Западной Азии и Африки, распространяясь через эти регионы.

Появившись в XIV веке, она возвращалась волнами на протяжении более чем 500 лет, сохраняясь до 1840 года.

Чёрная смерть была вызвана той же бактерией, что и Юстинианова чума — первая пандемия чумы, вспыхнувшая в середине VI века.

Третья пандемия чумы началась в Китае в 1855 году и продолжается до сих пор.

Её смертоносное воздействие сегодня в значительной степени контролируется антибиотиками, но оно всё ещё ощущается в таких регионах, как Мадагаскар и Демократическая Республика Конго, где регулярно фиксируются случаи заболевания.

«Это одно из первых исследований, которое напрямую изучает изменения древнего патогена, который мы наблюдаем и сегодня, чтобы понять, что определяет вирулентность, устойчивость и/или возможное исчезновение пандемий», — говорит Хендрик Пойнар, соавтор исследования, директор Центра древней ДНК Университета Макмастера и обладатель кафедры генетической антропологии Майкла Г. ДеГроота.

Штаммы Юстиниановой чумы исчезли после 300 лет опустошения европейских и ближневосточных популяций.

Штаммы второй пандемии возникли из инфицированных популяций грызунов, вызвав Чёрную смерть, прежде чем разделиться на две основные линии.

Одна из этих двух линий является предком всех современных штаммов.

Другая периодически появлялась в Европе на протяжении столетий и окончательно исчезла к началу XIX века.

Используя сотни образцов древних и современных жертв чумы, команда исследовала ген pla — многокопийный компонент Y. pestis, который помогает бактерии проникать через иммунную систему незамеченной в лимфатические узлы, прежде чем распространиться по всему телу.

Обширный генетический анализ показал, что количество копий этого гена (общее число pla-генов в бактерии) уменьшилось в более поздних вспышках болезни, что, в свою очередь, снизило смертность на 20% и увеличило продолжительность инфекции, то есть заражённые жили дольше до наступления смерти.

Эти исследования проводились на мышиных моделях бубонной чумы.

И наоборот, когда ген pla сохранял своё первоначальное, высокое количество копий, болезнь была гораздо более вирулентной и убивала своих носителей быстрее.

Учёные также обнаружили поразительное сходство между траекториями современных и древних штаммов, которые независимо эволюционировали, сокращая количество pla на поздних стадиях первой и второй пандемии, а также — на данный момент — в трёх образцах третьей пандемии, найденных сегодня во Вьетнаме.

Как в Юстиниановой чуме, так и в Чёрной смерти эволюционное изменение произошло примерно через 100 лет после первых вспышек.

Учёные предполагают, что когда количество копий гена уменьшалось, и заражённые крысы жили дольше, они могли распространять инфекцию дальше, обеспечивая репродуктивный успех патогена.

«Сокращение pla может отражать изменения в размере и плотности популяций грызунов и людей», — объясняет Пойнар.

«Важно помнить, что чума была эпидемией крыс, которые и были двигателем эпидемий и пандемий. Люди становились случайными жертвами».

Чёрные крысы в городах, вероятно, выступали в роли «усиливающих хозяев» из-за их высокой численности и близости к людям.

Поскольку чёрные крысы крайне восприимчивы к Y. pestis, патогену требовалось, чтобы их популяция оставалась достаточно высокой, чтобы обеспечивать новых носителей для сохранения бактерии и продолжения пандемического цикла.

Однако штаммы с уменьшенным pla в итоге исчезли, вероятно, из-за ещё одного изменения во взаимоотношениях патогена и хозяина в их среде.

Когда исследователи искали признаки сокращения pla в большой коллекции образцов третьей пандемии, хранящейся в Институте Пастера, они обнаружили три современных штамма с уменьшенным количеством копий гена.

«Благодаря нашим международным коллегам, которые отслеживают локальные эпидемии чумы по всему миру, мы смогли найти уникальные бактериальные образцы для этого проекта, что сравнимо с поиском трёх редких иголок в стоге сена», — говорит Хавьер Писарро-Серда, соавтор работы, директор подразделения по изучению иерсиний и сотрудничающего с ВОЗ Центра по изучению чумы в Институте Пастера.

Институт обладает одной из самых богатых коллекций современных изолятов Y. pestis в мире, добавляет Гиллем Мас Фиол, один из ведущих авторов исследования и постдокторант, работающий под руководством Писарро-Серды.

«Один из самых интересных аспектов нашего исследования — возможность изучить особенность, впервые обнаруженную у вымерших штаммов чумы, которую впервые можно было экспериментально проверить на живых современных бактериальных штаммах», — говорит он.

«Хотя наше исследование проливает свет на интересную закономерность в эволюционной истории чумы, большинство штаммов, которые продолжают циркулировать сегодня в Африке, Южной Америке и Индии, являются более вирулентными — теми самыми, которые ранее вызывали массовую смертность», — отмечает Равнит Сидху, соавтор исследования и аспирант Центра древней ДНК Университета Макмастера.

Дополнительная информация

• Какие ещё гены, кроме pla, влияют на вирулентность Yersinia pestis? - Гены yop (белки внешней мембраны), psaA (антиген, устойчивый к кислоте), hms (формирование биоплёнки) и caf (капсульный антиген F1) критически важны для заражения и уклонения от иммунитета.
• Почему чёрные крысы особенно восприимчивы к Yersinia pestis? - Их иммунная система слабее реагирует на бактерию из-за генетических особенностей, например, менее эффективного TLR-опосредованного ответа.
• Какие современные методы используются для отслеживания локальных эпидемий чумы? - Применяют секвенирование ДНК (анализ SNP), спутниковое отслеживание миграции грызунов и экспресс-ПЦР для выявления возбудителя в полевых условиях.

Действительно ли посадка деревьев помогает охлаждать планету?

Восстановление лесов может помочь охлаждению планеты даже сильнее, чем предполагали некоторые учёные, особенно в тропиках. Но даже если восстановить каждое дерево, потерянное с середины XIX века, это не компенсирует антропогенное потепление. Сокращение выбросов остаётся критически важным.

В новом моделирующем исследовании, опубликованном в журнале Communications Earth & Environment, учёные из Калифорнийского университета в Риверсайде показали, что восстановление лесов до доиндустриального уровня может снизить среднюю глобальную температуру на 0,34 градуса Цельсия. Это примерно четверть от потепления, которое Земля уже испытала.

В исследовании рассматривается увеличение лесного покрова примерно на 12 миллионов квадратных километров — это 135% площади США и близко к оценкам глобального потенциала восстановления в 1 триллион деревьев. Считается, что с начала индустриальной эры планета потеряла почти половину своих деревьев (около 3 триллионов).

«Лесовосстановление — не панацея», — говорит Боб Аллен, климатолог из UC Riverside и ведущий автор статьи. «Это мощная стратегия, но её необходимо сочетать с серьёзным сокращением выбросов».

В то время как предыдущие исследования в основном фокусировались на способности деревьев поглощать углерод из атмосферы, эта работа учитывает ещё один важный аспект. Деревья также влияют на химический состав атмосферы, усиливая охлаждающий эффект.

Деревья естественным образом выделяют соединения, известные как биогенные летучие органические соединения (БЛОС). Они взаимодействуют с другими газами, образуя частицы, которые отражают солнечный свет и способствуют образованию облаков, что помогает охлаждать атмосферу. Большинство климатических моделей не учитывают эти химические взаимодействия.

«Когда принимаешь во внимание эти химические эффекты, общее охлаждение становится существеннее, — поясняет Аллен. — Это важная часть общей картины».

Однако польза лесовосстановления распределена неравномерно. Исследование показало, что тропические леса обеспечивают более сильное охлаждение с меньшими побочными эффектами. Деревья в этих регионах эффективнее поглощают углерод и выделяют больше БЛОС. Кроме того, они меньше затемняют поверхность, что может способствовать потеплению в высоких широтах.

Помимо глобальной температуры, лесовосстановление влияет и на региональное качество воздуха. Учёные обнаружили, что в сценарии восстановления содержание пыли в атмосфере северного полушария снижается на 2,5%.

В тропиках увеличение выбросов БЛОС оказало неоднозначное влияние на качество воздуха. С одной стороны, оно ухудшило его из-за увеличения количества взвешенных частиц, связанных с образованием аэрозолей, но в то же время улучшило по показателям озона.

Эти локальные эффекты, по словам исследователей, показывают, что лесовосстановление не обязательно должно быть масштабным, чтобы быть полезным.

«Даже небольшие усилия могут значительно повлиять на региональный климат, — отмечает Энтони Томас, аспирант факультета земных и планетарных наук UCR и соавтор исследования. — Восстановление не обязательно должно везде происходить одновременно».

Учёные признают, что смоделированный сценарий маловероятен — он предполагает восстановление лесов на всех территориях, где они когда-то росли, что потребует преобразования застроенных земель, включая жильё, сельскохозяйственные угодья и пастбища. Это вызывает вопросы о продовольственной безопасности и приоритетах использования земли.

«Надо кормить 8 миллиардов людей, — подчёркивает Аллен. — Необходимо тщательно выбирать места для посадки деревьев. Лучшие возможности — в тропиках, но это как раз регионы, где вырубка продолжается».

В качестве примера гармоничного сочетания охраны природы и экономического развития учёные приводят Руанду: там доходы от туризма, связанного с защитой лесов, реинвестируются в местные сообщества, создавая стимулы для сохранения земель.

Исследование началось как проект в курсе по климатическому моделированию, который Аллен вёл в UC Riverside. Оно переросло в совместную научную работу, объединив моделирование земной системы и данные об использовании земель, чтобы оценить реалистичные последствия масштабного лесовосстановления.

Вывод авторов осторожно оптимистичен: восстановление лесов — важная часть решения климатического кризиса, но не замена сокращению использования ископаемого топлива.

«Изменение климата реально, — говорит Томас. — Каждый шаг в сторону восстановления, независимо от масштаба, имеет значение».

Дополнительная информация

• Какие именно химические реакции между БЛОС и другими газами приводят к охлаждению атмосферы? - БЛОС реагируют с окислителями (например, озоном и гидроксильными радикалами), образуя вторичные органические аэрозоли, которые отражают солнечный свет и способствуют охлаждению.
• Почему тропические леса выделяют больше БЛОС по сравнению с лесами в других регионах? - Тропические леса имеют высокую биологическую активность, теплый и влажный климат, что ускоряет метаболизм растений и увеличивает выделение БЛОС.

Птицы гнездились в Арктике одновременно с динозаврами

Весна в Арктике наполняется множеством писка и пушистых птенцов, когда миллионы птиц собираются, чтобы вырастить потомство.

То же самое происходило 73 миллиона лет назад, согласно исследованию, опубликованному на обложке журнала Science на этой неделе. В статье представлено самое раннее из известных свидетельств гнездования птиц в полярных регионах.

«Птицы существуют уже 150 миллионов лет», — сказала ведущий автор исследования Лорен Уилсон, аспирантка Принстонского университета, получившая степень магистра в Университете Аляски в Фэрбенксе.

«Половину этого времени они гнездились в Арктике».

Статья основана на магистерской диссертации Уилсон, выполненной в Университете Аляски.

Изучив десятки крошечных окаменелых костей и зубов, обнаруженных на раскопках на Аляске, она и её коллеги идентифицировали несколько видов птиц — нырковых, похожих на гагар, птиц, напоминающих чаек, а также несколько видов, схожих с современными утками и гусями, — которые размножались в Арктике, в то время как по этим же землям бродили динозавры.

До этого исследования самые ранние свидетельства размножения птиц в Арктике или Антарктике датировались примерно 47 миллионами лет назад, уже после того, как астероид уничтожил 75% животных на Земле.

«Это отодвигает сроки гнездования птиц в полярных регионах на 25–30 миллионов лет в прошлое», — сказал Пэт Дракенмиллер, старший автор статьи, директор Музея Севера Университета Аляски и научный руководитель Уилсон во время её магистерской работы.

Окаменелости птиц входят в коллекцию музея.

«Арктику можно считать колыбелью современных птиц», — отметил он.

«Здорово осознавать, что, когда ты приходишь на Кримерс-Филд [место остановки мигрирующих гусей, уток и журавлей в районе Фэрбенкса], птицы делают это уже 73 миллиона лет».

Само существование крупной коллекции древних птичьих окаменелостей удивительно, сказала Уилсон, учитывая, насколько хрупки птичьи кости.

Особенно это касается костей птенцов, которые пористые и легко разрушаются.

«Найти птичьи кости из мелового периода — уже большая редкость», — сказала она.

«Обнаружить кости птенцов — практически неслыханно. Вот почему эти окаменелости так значимы».

Окаменелости были собраны в формации Принс-Крик — районе вдоль реки Колвилл на северном склоне Аляски, известном своими окаменелостями динозавров.

Учёные идентифицировали более 50 птичьих костей и их фрагментов.

«Мы поместили Аляску на карту находок окаменелостей птиц», — сказал Дракенмиллер.

«Раньше никто об этом даже не задумывался».

Эта коллекция свидетельствует о ценности необычного подхода к раскопкам и исследованиям в формации Принс-Крик.

Большая часть палеонтологии позвоночных сосредоточена на поиске крупных костей.

Учёные, работающие в формации Принс-Крик, стараются собрать все возможные кости и зубы — от видимых до микроскопических, сказал Дракенмиллер.

Этот метод, который включает доставку просеянных образцов грунта в лабораторию для изучения под микроскопом, позволил открыть множество новых видов и получить беспрецедентные данные о поведении и физиологии динозавров, птиц и млекопитающих, живших в Арктике в меловой период.

«Теперь мы находимся в числе лучших мест в стране по количеству окаменелостей птиц эпохи динозавров», — сказал Дракенмиллер.

«С точки зрения информативности, эти маленькие кости и зубы просто удивительны и дают невероятно глубокое понимание животных того времени».

Пока неясно, являются ли найденные на реке Колвилл кости самыми ранними из известных представителей Neornithes — группы, включающей всех современных птиц.

Некоторые из новых образцов обладают скелетными особенностями, характерными только для этой группы.

И, как и у современных птиц, у некоторых из этих древних птиц не было настоящих зубов.

«Если они относятся к группе современных птиц, то это будут самые древние такие окаменелости из когда-либо найденных», — сказал Дракенмиллер.

Сейчас самые старые подобные окаменелости датируются примерно 69 миллионами лет.

«Но чтобы утверждать это наверняка, нам нужно найти частичный или полный скелет».

Среди других соавторов статьи — Дэниел Ксепка из Музея Брюса, Джон Уилсон из Принстонского университета, Джейкоб Гарднер из Университета Рединга, Грегори Эриксон из Университета штата Флорида, Дональд Бринкман и Калеб Браун из Королевского Тиррелловского палеонтологического музея и Университета Альберты (Браун также сотрудничает с Университетом Манитобы), Джелин Эберли из Университета Колорадо в Боулдере и Крис Орган из Университета штата Монтана.

Дополнительная информация

• Какие климатические условия были в Арктике 73 млн лет назад, позволявшие птицам гнездиться? - 73 млн лет назад (поздний меловой период) в Арктике был субтропический климат с умеренными температурами, что создавало благоприятные условия для гнездования птиц. Летом продолжительный световой день способствовал активной биологической деятельности.
• Почему формация Принс-Крик особенно богата микроокаменелостями? - Формация Принс-Крик (Аляска) богата микроокаменелостями благодаря мелкозернистым осадочным породам, которые быстро покрывали останки организмов, предотвращая их разрушение. Это позволило сохранить даже мелкие кости, зубы и другие микроскопические остатки.

Новый топливный элемент может сделать возможной электрическую авиацию

Аккумуляторы приближаются к пределу своей энергоемкости при заданном весе. Это серьезное препятствие для энергетических инноваций и поиска новых способов питания самолетов, поездов и кораблей. Теперь исследователи из MIT и других учреждений предложили решение, которое может помочь электрифицировать эти транспортные системы.

Новая концепция представляет собой не батарею, а разновидность топливного элемента — он похож на аккумулятор, но может быстро заправляться, а не перезаряжаться. В данном случае топливом служит жидкий металлический натрий — недорогой и широкодоступный материал. С другой стороны элемента находится обычный воздух, выступающий источником атомов кислорода. Между ними расположен слой твердого керамического материала, выполняющий роль электролита и позволяющий свободно проходить ионам натрия, а пористый электрод, обращенный к воздуху, способствует химической реакции натрия с кислородом и выработке электроэнергии.

В серии экспериментов с прототипом устройства исследователи продемонстрировали, что этот элемент может хранить в три раза больше энергии на единицу веса по сравнению с литий-ионными батареями, которые используются сегодня практически во всех электромобилях. Их результаты опубликованы сегодня в журнале Joule в статье, авторами которой являются аспиранты MIT Карен Сугано, Сунил Майр и Саахир Ганти-Агравал; профессор материаловедения и инженерии Йет-Минг Чанг и пятеро других исследователей.

«Мы ожидаем, что люди сочтут эту идею совершенно безумной, — говорит Чанг, профессор керамики Kyocera. — Если они так не подумают, я буду немного разочарован, потому что если что-то не кажется людям поначалу совершенно безумным, это, вероятно, не будет по-настоящему революционным».

И эта технология действительно имеет потенциал стать революционной, отмечает он. Особенно в авиации, где вес играет решающую роль: такое повышение плотности энергии может стать прорывом, который наконец сделает электрические полеты практичными в значительных масштабах.

«Порог, необходимый для реалистичной электрической авиации, составляет около 1000 ватт-часов на килограмм», — говорит Чанг. Современные литий-ионные батареи для электромобилей достигают максимум около 300 ватт-часов на килограмм — что далеко от необходимого. Даже 1000 ватт-часов на килограмм, по его словам, недостаточно для трансконтинентальных или трансатлантических перелетов.

Этот уровень пока недостижим для любой известной химии батарей, но Чанг говорит, что достижение 1000 ватт-часов на килограмм станет ключевой технологией для региональной электрической авиации, на которую приходится около 80% внутренних рейсов и 30% выбросов в авиационной отрасли.

Технология также может быть полезна для других секторов, включая морской и железнодорожный транспорт. «Все они требуют очень высокой плотности энергии и низкой стоимости, — говорит он. — Именно это нас и привлекло в металлическом натрии».

За последние три десятилетия было проведено множество исследований по разработке литий-воздушных или натрий-воздушных батарей, но создать полностью перезаряжаемые устройства оказалось сложно. «Люди уже давно знали о высокой плотности энергии, которую можно получить с металл-воздушными батареями, и это было очень привлекательно, но на практике это так и не реализовалось», — говорит Чанг.

Используя ту же базовую электрохимическую концепцию, но превращая ее в топливный элемент вместо батареи, исследователи смогли получить преимущества высокой энергоемкости в практической форме. В отличие от батареи, материалы которой собираются один раз и герметично закрываются в контейнере, в топливном элементе энергоносители поступают и выходят.

Команда создала два разных варианта лабораторного прототипа системы. В одном, называемом H-ячейкой, две вертикальные стеклянные трубки соединены трубкой посередине, содержащей твердый керамический электролит и пористый воздушный электрод. Жидкий металлический натрий заполняет трубку с одной стороны, а воздух проходит через другую, обеспечивая кислород для электрохимической реакции в центре, которая постепенно расходует натриевое топливо. Другой прототип использует горизонтальную конструкцию, где поддон с электролитным материалом удерживает жидкий натриевый топливный элемент. Пористый воздушный электрод, облегчающий реакцию, закреплен на дне поддона.

Тесты с потоком воздуха с тщательно контролируемым уровнем влажности показали уровень почти 1700 ватт-часов на килограмм на уровне отдельного «стека», что соответствует более чем 1000 ватт-часам на уровне всей системы, говорит Чанг.

Исследователи предполагают, что для использования этой системы в самолете топливные блоки, содержащие стеки элементов, подобные стойкам с подносами в столовой, будут вставляться в топливные элементы; металлический натрий внутри этих блоков химически преобразуется, вырабатывая энергию. Поток его химических побочных продуктов выделяется, и в случае самолетов это будет выброс сзади, подобно выхлопу реактивного двигателя.

Но есть одно очень большое отличие: выбросов углекислого газа не будет. Вместо этого выбросы, состоящие из оксида натрия, фактически будут поглощать углекислый газ из атмосферы. Это соединение быстро соединяется с влагой в воздухе, образуя гидроксид натрия — материал, обычно используемый как средство для прочистки труб, — который легко реагирует с углекислым газом, образуя твердый материал, карбонат натрия, который, в свою очередь, превращается в бикарбонат натрия, известный как пищевая сода.

«Это естественный каскад реакций, который происходит, когда вы начинаете с металлического натрия, — говорит Чанг. — Все происходит спонтанно. Нам не нужно ничего делать, чтобы это произошло, нам просто нужно летать на самолете».

В качестве дополнительного преимущества, если конечный продукт, бикарбонат натрия, окажется в океане, он может помочь снизить кислотность воды, противодействуя еще одному вредному воздействию парниковых газов.

Использование гидроксида натрия для улавливания углекислого газа предлагалось как способ снижения выбросов углерода, но сам по себе это не экономичное решение, поскольку соединение слишком дорогое. «Но здесь это побочный продукт», — объясняет Чанг, так что он по сути бесплатный, принося экологические выгоды без дополнительных затрат.

Важно отметить, что новый топливный элемент по своей природе безопаснее многих других батарей, говорит он. Металлический натрий чрезвычайно реактивен и должен быть хорошо защищен. Как и в случае с литиевыми батареями, натрий может самовоспламеняться при контакте с влагой. «Когда у вас есть батарея с очень высокой плотностью энергии, безопасность всегда вызывает беспокойство, потому что если мембрана, разделяющая два реагента, разорвется, может произойти неконтролируемая реакция», — говорит Чанг. Но в этом топливном элементе одна сторона — просто воздух, «который разбавлен и ограничен. Так что у вас нет двух концентрированных реагентов рядом друг с другом. Если вы стремитесь к действительно высокой плотности энергии, по соображениям безопасности лучше использовать топливный элемент, чем батарею».

Хотя пока устройство существует только в виде небольшого одн

Дополнительная информация

• Какие существуют другие перспективные технологии топливных элементов для авиации? - Перспективными считаются водородные топливные элементы, твердооксидные топливные элементы (SOFC) и протонообменные мембранные топливные элементы (PEMFC), которые разрабатываются для авиации.

• Как именно оксид натрия поглощает углекислый газ из атмосферы? - Оксид натрия (Na2O) реагирует с CO2, образуя карбонат натрия (Na2CO3) в экзотермической реакции: Na2O + CO2 → Na2CO3.

• Какие существуют основные технические проблемы при масштабировании таких топливных элементов? - Основные проблемы включают обеспечение стабильности материалов при высоких температурах, равномерное распределение реагентов и управление тепловыми потоками в больших системах.

• Какова текущая стоимость производства таких натриевых топливных элементов по сравнению с литий-ионными батареями? - Натриевые топливные элементы пока дороже в производстве, чем литий-ионные батареи, из-за менее развитой производственной инфраструктуры и более высоких затрат на материалы.

• Какие существуют альтернативные применения для побочного продукта (бикарбоната натрия) кроме снижения кислотности океана? - Бикарбонат натрия используется в пищевой промышленности (разрыхлитель), медицине (антацид), пожаротушении и производстве стекла.

Робот-трансформер научился плавно переходить от полета к движению по земле

Специализированные роботы, способные и летать, и передвигаться по земле, обычно приземляются перед тем, как трансформироваться и начать движение. Однако на неровной поверхности они часто застревают и не могут продолжить работу. Теперь инженеры Калифорнийского технологического института (Caltech) разработали реального «трансформера», который способен перестраиваться прямо в воздухе, позволяя дрону плавно перекатываться и сразу начинать наземные операции без остановки. Повышенная маневренность и надежность таких роботов может быть особенно полезна для коммерческих систем доставки и исследовательских миссий.

Новый робот, названный ATMO (Aerially Transforming Morphobot), использует четыре двигателя для полета, но защитные кожухи вокруг них превращаются в колеса при переходе в режим движения.

Вся трансформация осуществляется с помощью одного мотора, который перемещает центральный шарнир, поднимая двигатели ATMO вверх (режим дрона) или опуская их вниз (режим езды).

Исследователи описали робота и сложную систему управления, которая им руководит, в статье, недавно опубликованной в журнале Communications Engineering.

«Мы спроектировали и создали новую роботизированную систему, вдохновленную природой — тем, как животные могут использовать свои тела для разных типов передвижения», — говорит Йоаннис Мандралис (Ioannis Mandralis), аспирант аэрокосмического факультета Caltech и ведущий автор исследования.

Например, птицы летают, но меняют свою морфологию, чтобы замедлиться и избежать препятствий.

«Способность трансформироваться в воздухе открывает множество возможностей для повышения автономности и устойчивости робота», — отмечает Мандралис.

Однако воздушная трансформация также создает сложности. На робота воздействуют сложные аэродинамические силы, как из-за близости к земле, так и из-за изменения формы.

«Хотя кажется простым, когда птица приземляется и затем бежит, на самом деле авиационная промышленность борется с этой проблемой уже более 50 лет», — говорит Мори Гхариб (Mory Gharib), профессор аэронавтики и медицинской инженерии Caltech. Все летательные аппараты сталкиваются со сложными силами у поверхности.

Достаточно вспомнить вертолет. При посадке его винты направляют воздух вниз. При ударе о землю часть этого воздуха отражается обратно, и если вертолет опускается слишком быстро, он может попасть в вихрь отраженного воздуха, теряя подъемную силу.

В случае ATMO сложность еще выше. Роботу приходится не только преодолевать аэродинамические силы у земли, но и корректировать работу четырех двигателей, которые постоянно меняют направление тяги, создавая дополнительную турбулентность.

Чтобы лучше понять эти силы, ученые провели эксперименты в лаборатории CAST. Они измерили, как изменение конфигурации робота при посадке влияет на тягу, а также визуализировали воздушные потоки с помощью дыма.

Полученные данные легли в основу алгоритма новой системы управления ATMO.

Система использует метод, называемый модельно-прогнозирующим управлением (model predictive control), который непрерывно предсказывает поведение системы в ближайшем будущем и корректирует ее действия.

«Алгоритм управления — главное новшество нашей работы, — говорит Мандралис. — Квадрокоптеры используют определенные контроллеры из-за расположения двигателей. Но здесь мы имеем дело с динамической системой, которая ранее не изучалась. При трансформации возникают новые силовые взаимодействия, и система управления должна мгновенно на них реагировать».

Дополнительная информация

• Какие еще животные, кроме птиц, вдохновляют разработчиков роботов-трансформеров? - Змеи (гибкие роботы для поисково-спасательных операций), пауки (роботы для перемещения по сложным поверхностям), гекконы (роботы с адгезивными свойствами для вертикального перемещения).
• Как метод модельно-прогнозирующего управления (MPC) применяется в других областях робототехники? - В автономных транспортных средствах для предсказания траекторий, в промышленных манипуляторах для точного управления, в дронах для стабилизации полёта.

Огромные популяции морских ежей угрожают коралловым рифам Гавайев

Пока коралловые рифы борются за адаптацию к потеплению вод, высокому уровню загрязнения и подъёму уровня моря, стремительно растущие популяции морских ежей угрожают довести некоторые рифы Гавайев до точки невозврата.

Это явление описано в новом исследовании, использующем полевые работы и аэрофотосъёмку для мониторинга состояния рифа в заливе Хонаунау на Гавайях.

Главной причиной взрывного роста численности морских ежей является перелов рыбы, заявляет Келли ван Весик, аспирантка Центра геопространственной аналитики Университета Северной Каролины и ведущий автор исследования.

"Рыбная ловля в этих районах значительно сократила количество рыб, питающихся этими ежами, в результате популяции ежей резко увеличились", — поясняет ван Весик.

"Мы наблюдаем участки, где плотность популяции достигает около 51 ежа на квадратный метр — это один из самых высоких показателей в мире".

По словам исследовательницы, эти ежи поедают риф, который и без того растёт нездоровыми темпами.

Загрязнение воды и перегрев, вызванные изменением климата, создают неблагоприятные условия для размножения и роста кораллов, что ещё больше снижает способность рифа противостоять эрозии от деятельности ежей.

Рост рифа обычно измеряется показателем чистой карбонатной продукции — количеством карбоната кальция, производимого на квадратный метр за год.

Исследования 1980-х годов показали, что на здоровых, растущих рифах Гавайев этот показатель составлял около 15 кг на квадратный метр, отмечает ван Весик.

Однако современные измерения в заливе Хонаунау показали среднюю чистую карбонатную продукцию всего 0,5 кг на квадратный метр, что свидетельствует об очень медленном росте рифа.

Сопоставив данные подводных исследований с аэрофотоснимками, ван Весик установила, что для компенсации эрозии от ежей рифу необходимо поддерживать в среднем 26% кораллового покрытия, а для роста этот показатель должен быть ещё выше.

Среднее покрытие по всем глубинам составило 28%, но на мелководных участках с более интенсивной эрозией требуется почти 40% покрытия для сохранения баланса.

Для окружающих островов коралловые рифы, подобные рифу в заливе Хонаунау, играют ключевую роль в защите побережья от волновой эрозии, поглощая до 97% энергии волн.

Они также часто имеют жизненно важное значение для экономики этих районов, зависящей от рифов и обитающих там рыб.

Ван Весик подчёркивает, что исследование указывает на необходимость более строгого управления рыболовством в регионе для увеличения популяций хищных рыб, питающихся ежами.

"Без помощи естественных хищников рифы не смогут противостоять эрозии, а эти рифы крайне важны для защиты окружающих их островов", — говорит она. — "Без принятия мер сейчас мы рискуем допустить эрозию рифов до точки невозврата".

Дополнительная информация

• Какие виды рыб являются естественными хищниками морских ежей в экосистеме Гавайских рифов? - Основные хищники включают рыбу-попугая (uhu), рыбу-триггера (humuhumunukunukuapua'a) и некоторых видов губанов, которые контролируют популяцию морских ежей, питаясь ими.
• Как именно коралловые рифы поглощают энергию волн и защищают побережье? - Рифы рассеивают энергию волн через трение и разбивание волн о сложную структуру кораллов, уменьшая их высоту и силу на 97% до достижения берега.

Дневной свет усиливает иммунитет, выяснили ученые

Ученые из Университета Окленда (Waipapa Taumata Rau) обнаружили, что иммунная система регулируется биологическими часами организма и более активна в дневное время.

Новаторское исследование, проведенное учеными Университета Окленда, выявило, как дневной свет может усиливать способность иммунной системы бороться с инфекциями.

Команда сосредоточилась на самых многочисленных иммунных клетках нашего организма - нейтрофилах, разновидности белых кровяных клеток.

Эти клетки быстро перемещаются к месту инфекции и уничтожают вторгшиеся бактерии.

Исследователи использовали в качестве модельного организма рыбку данио (zebrafish) - небольшую пресноводную рыбу, чей генетический состав схож с человеческим. Эти рыбки могут быть выведены с прозрачными телами, что позволяет легко наблюдать биологические процессы в реальном времени.

"В предыдущих исследованиях мы наблюдали, что иммунный ответ достигает пика утром, в ранней активной фазе рыб", - говорит ведущий исследователь, доцент Кристофер Холл из Департамента молекулярной медицины и патологии.

"Мы считаем, что это представляет собой эволюционную адаптацию, поскольку в дневное время организм более активен и с большей вероятностью сталкивается с бактериальными инфекциями", - объясняет Холл.

Однако ученые хотели выяснить, как иммунный ответ синхронизируется с дневным светом.

В этом новом исследовании, опубликованном в журнале Science Immunology и проведенном под руководством двух докторантов, было обнаружено, что нейтрофилы обладают циркадными часами, которые сигнализируют им о наступлении дня и усиливают их способность убивать бактерии.

Большинство наших клеток имеют циркадные часы, которые сообщают им, какое время суток сейчас в окружающем мире, чтобы регулировать деятельность организма.

Свет оказывает наибольшее влияние на перезапуск этих циркадных часов.

"Учитывая, что нейтрофилы первыми из иммунных клеток прибывают к очагам воспаления, наше открытие имеет очень широкие перспективы для терапевтического применения при многих воспалительных заболеваниях", - отмечает Холл.

"Это открытие прокладывает путь для разработки препаратов, воздействующих на циркадные часы в нейтрофилах, чтобы усилить их способность бороться с инфекциями."

Исследование финансировалось через Marsden Fund Королевского общества Новой Зеландии.

Сейчас исследования сосредоточены на понимании конкретных механизмов, с помощью которых свет влияет на циркадные часы нейтрофилов.

Почему спустя 2000 лет мы до сих пор не понимаем, как работает щекотка

Почему нельзя пощекотать самого себя? И почему одни люди спокойно переносят щекотку, а другие визжат от неё? Нейробиолог Константина Кильтени из Института Дондерса утверждает в научной статье, опубликованной 23 мая, что исследования щекотки нужно воспринимать серьёзнее. Она изучает эти вопросы в своей лаборатории щекотки в Университете Радбауда.

Ещё 2000 лет назад Сократ задавался вопросом, и Чарльз Дарвин тоже ломал над этим голову: что такое щекотка и почему мы так чувствительны к ней?

«Щекотка изучена относительно мало», — говорит нейробиолог Константина Кильтени.

Она считает, что щекотка — очень интересный предмет для исследований.

«Это сложное взаимодействие моторных, социальных, неврологических, эволюционных и аспектов развития.

Если мы поймём, как работает щекотка на уровне мозга, это может дать много информации о других темах в нейробиологии.

Щекотка может укреплять связь между родителями и детьми, например, мы часто щекочем наших младенцев и детей.

Но как мозг обрабатывает щекотливые стимулы и как это связано с развитием нервной системы?

Изучая это, можно больше узнать о развитии мозга у детей».

Исследования также показывают, что люди с расстройством аутистического спектра, например, воспринимают прикосновения как более щекотливые, чем люди без этого расстройства.

Изучение этой разницы может пролить свет на различия в мозге людей с аутизмом и без него и помочь в понимании аутизма.

«Но мы также знаем, что обезьяны, такие как бонобо и гориллы, реагируют на щекотливые прикосновения, и даже у крыс это было замечено. С эволюционной точки зрения, какова цель щекотки?

Что мы получаем от неё?»

Тот факт, что нельзя пощекотать самого себя, тоже интересен с научной точки зрения: «Очевидно, наш мозг отличает нас от других, и поскольку мы знаем, когда и где собираемся себя пощекотать, мозг может заранее отключить щекотный рефлекс.

Но мы не знаем, что именно происходит в мозге, когда нас щекочут».

Щекотка или щекотание

Кильтени утверждает, что эти вопросы до сих пор не получили ответа, потому что в научном сообществе чётко не определено, что такое щекотка — есть разница между тем, когда вы сильно щекочете кого-то подмышками, например, руками, и когда слегка проводите пером по спине.

Первое ощущение изучено меньше, в то время как о втором, похожем на перо стимуле, известно гораздо больше.

Также сложно сравнивать существующие исследования: когда кого-то щекочет другой человек, трудно точно воспроизвести эту форму щекотки с другим испытуемым.

Лаборатория щекотки

Именно для этого у Кильтени есть лаборатория щекотки: в ней стоит кресло с пластиной, в которой проделаны два отверстия. Вы просовываете ноги в отверстия, а затем механическая палочка щекочет ваши подошвы. Таким образом, каждый эксперимент с щекоткой одинаковый. Нейробиолог фиксирует, что именно происходит в вашем мозге, а также сразу проверяет все физические реакции, такие как частота сердечных сокращений, потоотделение, дыхание, смех или визг.

«Внедряя этот метод щекотки в полноценный эксперимент, мы можем серьёзно подойти к исследованиям. Мы не только сможем по-настоящему понять щекотку, но и наш мозг».

Дополнительная информация

• Какие конкретные области мозга активируются при щекотке и как они связаны с социальным взаимодействием? - При щекотке активируются соматосенсорная кора (обрабатывает тактильные ощущения), передняя поясная кора (связана с эмоциями и социальным взаимодействием) и мозжечок (координация движений). Эти области вместе создают смешанный сигнал удовольствия и дискомфорта, что усиливает социальные связи через игровое поведение.

• Почему у людей с аутизмом повышенная чувствительность к щекотке и какие нейронные пути за это отвечают? - У людей с аутизмом часто наблюдается гиперчувствительность сенсорных систем, включая тактильную. Это связано с аномалиями в обработке информации в таламусе (фильтрует сенсорные сигналы) и повышенной активностью первичной соматосенсорной коры. Также может играть роль нарушение связей в зеркальных нейронных системах, отвечающих за предсказание чужих действий.

Зубная нить, которая может измерять уровень стресса

Хронический стресс может привести к повышению артериального давления и сердечно-сосудистым заболеваниям, снижению иммунитета, депрессии и тревожности. К сожалению, инструменты, которые мы используем для мониторинга стресса, часто неточны или дороги, полагаясь на анкеты самоотчетов и психиатрические оценки.

Теперь междисциплинарный инженер из Университета Тафтса и его команда разработали простое устройство с использованием специально спроектированной зубной нити, которое может легко и точно измерять уровень кортизола — гормона стресса — в режиме реального времени.

«Это началось в сотрудничестве с несколькими факультетами Тафтса, где мы изучали, как стресс и другие когнитивные состояния влияют на решение задач и обучение», — сказал Самир Сонкусале, профессор электротехники и вычислительной техники. «Мы не хотели, чтобы измерение стало дополнительным источником стресса, поэтому подумали: можем ли мы создать сенсорное устройство, которое станет частью повседневной рутины? Кортизол — это маркер стресса, который содержится в слюне, поэтому зубная нить казалась естественным решением для ежедневного сбора образцов».

Их разработка — зубная нить с сенсором слюны — выглядит как обычная зубная нить с держателем: нить натянута между двумя зубцами, отходящими от плоской пластиковой ручки, размером примерно с указательный палец. Слюна собирается благодаря капиллярному эффекту через очень узкий канал в нити. Жидкость поступает в ручку и прикрепленную к ней полоску, где распределяется по электродам, которые обнаруживают кортизол.

Распознавание кортизола на электродах осуществляется с помощью замечательной технологии, разработанной почти 30 лет назад, — электро-полимеризованных молекулярно-импринтированных полимеров (eMIPs). Они работают по принципу, схожему с созданием гипсового слепка руки. Полимер формируется вокруг молекулы-шаблона, в данном случае кортизола, который затем удаляется, оставляя после себя сайты связывания. Эти сайты имеют физическую и химическую «память» формы целевой молекулы, поэтому могут связывать свободные молекулы, попадающие в них.

Формы eMIP универсальны, поэтому можно создать зубные нити-сенсоры, обнаруживающие другие молекулы в слюне, такие как эстроген для отслеживания фертильности, глюкоза для контроля диабета или маркеры рака. Также есть потенциал для одновременного обнаружения нескольких биомаркеров в слюне для более точного мониторинга стресса, сердечно-сосудистых заболеваний, рака и других состояний.

«Подход eMIP — это настоящий прорыв», — заявил Сонкусале. «Биосенсоры традиционно разрабатывались с использованием антител или других рецепторов, которые улавливают интересующую молекулу. Как только маркер обнаружен, требуется много работы для биоинженерии приемной молекулы, прикрепленной к сенсору. eMIP не требует больших инвестиций в создание антител или рецепторов. Если вы обнаруживаете новый маркер стресса или любого другого заболевания, вы можете просто создать полимерный слепок за очень короткое время».

Точность сенсоров кортизола сопоставима с лучшими сенсорами на рынке или находящимися в разработке. Внедрение этого устройства в домашнее использование, в руки людей без необходимости обучения, позволит интегрировать мониторинг стресса во многие аспекты здравоохранения. В настоящее время Сонкусале и его коллеги создают стартап, чтобы вывести продукт на рынок.

Он отмечает, что, хотя зубная нить-сенсор количественно очень точна, практика отслеживания маркеров в слюне лучше подходит для мониторинга, а не для первичной диагностики состояния. Отчасти это связано с тем, что маркеры в слюне могут варьироваться у разных людей.

«Для диагностики кровь по-прежнему остается золотым стандартом, но после постановки диагноза и назначения лекарств, если нужно, скажем, отслеживать сердечно-сосудистое состояние с течением времени, чтобы увидеть, улучшается ли здоровье сердца, мониторинг с помощью сенсора может быть простым и позволит своевременно вмешаться при необходимости», — говорит он.

Новое исследование, опубликованное в журнале ACS Applied Materials and Interfaces, дополняет ряд инноваций Сонкусале и его исследовательской группы в области сенсоров на основе нитей, включая датчики, которые могут обнаруживать газы, метаболиты в поте или движение при встраивании в одежду, а также транзисторы, которые можно вплетать в гибкие электронные устройства.

Дополнительная информация

• Какие еще биомаркеры, кроме кортизола, можно обнаруживать в слюне с помощью подобных технологий? - В слюне можно обнаружить такие биомаркеры, как альфа-амилаза (маркер стресса), иммуноглобулин А (маркер иммунной функции), тестостерон, эстроген, мелатонин, а также некоторые воспалительные маркеры.
• Как именно технология eMIPs отличается от традиционных методов обнаружения биомаркеров с использованием антител? - eMIPs (электрохимически синтезированные молекулярно импринтированные полимеры) - это искусственные аналоги антител, которые более стабильны при хранении, дешевле в производстве и могут работать в сложных средах, где природные антитела теряют эффективность.

Игра в нейтрино галактики NGC 1068 вышла на новый уровень

В космосе высокоэнергетические нейтрино обычно сопровождаются мощным гамма-излучением. Однако галактика NGC 1068 (известная как Галактика Кальмар) испускает сильные нейтрино и слабые гамма-лучи, что ставит перед учеными загадку. В новой статье выдвигается гипотеза, что ядра гелия сталкиваются с ультрафиолетовыми фотонами, излучаемыми центральной областью галактики, распадаются, высвобождая нейтроны, которые затем превращаются в нейтрино без образования гамма-лучей.

Это открытие проливает свет на экстремальные условия вокруг сверхмассивных черных дыр в центрах галактик, таких как NGC 1068 и наша собственная, и углубляет понимание взаимосвязи между излучением и элементарными частицами, что может привести к технологическим прорывам, которые мы пока даже не можем представить.

Глубоко во льдах Антарктиды находятся "глаза", способные видеть элементарные частицы под названием нейтрино, и то, что они наблюдали, озадачивает ученых: необычайно сильный сигнал нейтрино сопровождается удивительно слабым гамма-излучением в галактике NGC 1068.

Эти "глаза" — набор детекторов, погруженных в кубический километр льда и известных как Обсерватория нейтрино IceCube. Теоретические физики из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), Университета Осаки и Института физики и математики Вселенной Кавли Токийского университета (Kavli IPMU, WPI) используют наблюдения за NGC 1068, чтобы предложить совершенно новый механизм образования нейтрино.

Нейтрино — это субатомные частицы, которые крайне слабо взаимодействуют с гравитацией и могут проходить сквозь материю. Это делает их обнаружение еще более сложной задачей по сравнению с другими частицами, такими как электроны. Обсерватория IceCube состоит из 5160 датчиков, размещенных в прозрачном спрессованном антарктическом льду. Они регистрируют события, которые могут быть вызваны прохождением нейтрино через лед, их взаимодействием с ним и образованием заряженных частиц.

"У нас есть телескопы, которые используют свет для наблюдения за звездами, но многие астрофизические объекты также испускают нейтрино", — говорит Александр Куценко, профессор физики и астрономии UCLA и старший научный сотрудник Kavli IPMU. "Чтобы увидеть нейтрино, нужен другой тип телескопа — именно такой установлен на Южном полюсе".

Нейтринный телескоп IceCube зафиксировал высокоэнергетические нейтрино, исходящие из NGC 1068, сопровождаемые слабым потоком гамма-лучей. Это наводит на мысль, что эти нейтрино могли образоваться иначе, чем предполагалось ранее. Данные по NGC 1068 озадачивают, потому что обычно энергичные нейтрино из активных галактических центров считаются результатом взаимодействия протонов и фотонов, которое порождает гамма-лучи сопоставимой интенсивности. Таким образом, высокоэнергетические нейтрино обычно сопровождаются мощным гамма-излучением.

Однако гамма-излучение NGC 1068 значительно слабее ожидаемого и имеет совершенно иной спектральный профиль. Традиционные модели, включая основанные на столкновениях протонов с фотонами и излучении из горячей плазменной области галактики (так называемой "короны"), широко использовались для объяснения подобных нейтринных сигналов, но они столкнулись с теоретическими ограничениями, что побудило ученых искать новое объяснение.

В новой статье, опубликованной в Physical Review Letters, Куценко и его коллеги предполагают, что высокоэнергетические нейтрино из NGC 1068 в основном возникают при распаде нейтронов, когда ядра гелия в джете галактики разрушаются под воздействием интенсивного ультрафиолетового излучения. Эти ядра гелия сталкиваются с ультрафиолетовыми фотонами, испускаемыми центральной областью галактики, распадаются, высвобождая нейтроны, которые затем превращаются в нейтрино. Энергия образующихся нейтрино соответствует наблюдениям.

Кроме того, электроны, образовавшиеся в результате этих ядерных распадов, взаимодействуют с окружающими полями излучения, создавая гамма-лучи, совпадающие по интенсивности с наблюдаемыми. Этот сценарий элегантно объясняет, почему сигнал нейтрино значительно превосходит гамма-излучение, а также учитывает уникальный энергетический спектр, зафиксированный как для нейтрино, так и для гамма-лучей.

Это открытие помогает ученым понять, как джеты активных галактик могут испускать мощные нейтрино без сопутствующего гамма-излучения, проливая новый свет на экстремальные и сложные условия, окружающие сверхмассивные черные дыры, включая ту, что находится в центре нашей галактики.

"Мы очень мало знаем о центральной, экстремальной области вблизи ядра NGC 1068", — говорит Куценко. "Если наша гипотеза подтвердится, это расскажет нам кое-что об окружении сверхмассивной черной дыры в центре этой галактики".

В статье предлагается, что если ядро гелия ускоряется в джете сверхмассивной черной дыры, оно сталкивается с фотонами, распадается, высвобождая два протона и два нейтрона в пространство. Протоны могут улететь, но нейтроны нестабильны и распадаются на нейтрино без образования гамма-лучей.

"Водород и гелий — два самых распространенных элемента в космосе", — говорит ведущий автор исследования, аспирант UCLA Коичиро Ясуда. "Но у водорода есть только протон, и если он столкнется с фотонами, то образует как нейтрино, так и сильные гамма-лучи. Однако у нейтронов есть дополнительный путь формирования нейтрино без гамма-излучения. Поэтому гелий — наиболее вероятный источник нейтрино, которые мы наблюдаем в NGC 1068".

Эта работа показывает существование скрытых астрофизических источников нейтрино, сигналы которых ранее могли оставаться незамеченными из-за слабого гамма-излучения.

"Эта идея предлагает новый взгляд, выходящий за рамки традиционных моделей короны. NGC 1068 — лишь одна из многих подобных галактик во Вселенной, и будущие обнаружения нейтрино помогут проверить нашу теорию и раскрыть происхождение этих загадочных частиц", — говорит соавтор исследования, профессор астрофизики Университета Осаки Йошиюки Иноуэ.

Как и NGC 1068, в центре нашей галактики также находится сверхмассивная черная дыра, где невообразимо мощная гравитация и энергия буквально разрывают атомы, и открытие нейтрино актуально и для нас. Хотя между пониманием центра галактики и улучшением благосостояния человечества нет прямой связи, знания, полученные при изучении таких частиц, как нейтрино, и излучений, таких как гамма-лучи, имеют тенденцию вести технологии по удивительным и трансформационным путям.

"Когда Дж. Дж. Томпсон получил Нобелевскую премию по физике в 1906 году за открытие электрона, он произнес знаменитый тост на банкете после церемонии, сказав, что это, вероятно, самое бесполезное открытие в истории", — вспоминает Куценко. "И, конечно, каждый смартфон, каждое электронное устройство сегодня использует

Дополнительная информация

• Как нейтрино могут проходить сквозь материю практически без взаимодействия? - Нейтрино взаимодействуют только через слабое ядерное взаимодействие и гравитацию, что делает их проникновение сквозь материю крайне редким (например, для прохождения через свинцовую плиту толщиной в световой год потребуется лишь 50% вероятность столкновения).
• Какие ещё галактики, кроме NGC 1068, демонстрируют подобные аномалии в излучении нейтрино? - Галактика М77 (та же активная группа, что и NGC 1068), блазары типа TXS 0506+056 и PKS 1424+240, а также радиогалактика Центавр А.
• Как именно детекторы IceCube отличают нейтрино от других частиц? - IceCube регистрирует черенковское излучение от мюонов, возникающих при редких столкновениях нейтрино со льдом, а фоновые частицы (например, мюоны от космических лучей) фильтруются по направлению (нейтрино приходят снизу, пройдя сквозь Землю).
• Какие практические применения могут иметь знания о нейтрино в будущем? - Нейтринная астрономия для изучения сверхновых, мониторинг ядерных реакторов, гипотетическая нейтринная связь сквозь Землю и даже детектирование ядерных испытаний.

Новые открытия в рассеянии черных дыр и гравитационных волнах

Знаковое исследование, опубликованное в журнале Nature, установило новый стандарт в моделировании самых экстремальных событий Вселенной — столкновений черных дыр и нейтронных звезд. Работа, проведенная под руководством профессора Яна Плефки из Университета имени Гумбольдта в Берлине и доктора Густава Могула из Лондонского университета королевы Марии (ранее работавшего в Университете имени Гумбольдта и Институте гравитационной физики Макса Планка), при участии международной команды физиков, обеспечила беспрецедентную точность расчетов, критически важных для понимания гравитационных волн.

Используя передовые методы, вдохновленные квантовой теорией поля, команда рассчитала пятый порядок пост-Минковского (5PM) для наблюдаемых величин, таких как угол рассеяния, излучаемая энергия и отдача.

Революционным аспектом работы стало появление периодов трехмерных многообразий Калаби-Яу — геометрических структур, уходящих корнями в теорию струн и алгебраическую геометрию — в расчетах излучаемой энергии и отдачи. Эти структуры, ранее считавшиеся чисто математическими, теперь находят применение в описании реальных астрофизических явлений.

С вводом в строй гравитационно-волновых обсерваторий нового поколения, таких как LIGO, достигающих беспрецедентной чувствительности, и предстоящим запуском детекторов следующего поколения (например, LISA), это исследование отвечает растущей потребности в теоретических моделях исключительной точности.

Доктор Могул поясняет: "Хотя физический процесс взаимодействия двух черных дыр и их рассеяния посредством гравитации, который мы изучаем, концептуально прост, требуемый уровень математической и вычислительной точности огромен".

Бенджамин Зауэр, аспирант Университета имени Гумбольдта в Берлине, добавляет: "Появление геометрий Калаби-Яу углубляет наше понимание взаимосвязи математики и физики. Эти прорывы определят будущее гравитационно-волновой астрономии, улучшая шаблоны, которые мы используем для интерпретации наблюдательных данных".

Особая точность критически важна для регистрации сигналов от эллиптических связанных систем, где орбиты больше напоминают высокоскоростные события рассеяния — область, где традиционные предположения о медленно движущихся черных дырах уже не работают.

Гравитационные волны — рябь пространства-времени, вызванная ускорением массивных объектов, — произвели революцию в астрофизике с момента их первого обнаружения в 2015 году. Возможность точного моделирования этих волн углубляет наше понимание космических явлений, включая "отдачу" черных дыр после рассеяния — процесс с далеко идущими последствиями для формирования и эволюции галактик.

Самое интригующее, что открытие структур Калаби-Яу в этом контексте связывает макроскопический мир астрофизики с изощренной математикой квантовой механики. "Это может фундаментально изменить подход физиков к этим функциям", — говорит член команды доктор Уре Якобсен из Института гравитационной физики Макса Планка и Университета имени Гумбольдта в Берлине.

Проект потребовал более 300 000 процессоро-часов высокопроизводительных вычислений в Берлинском центре имени Цузе для решения уравнений, описывающих взаимодействия черных дыр, что демонстрирует незаменимую роль вычислительной физики в современной науке. "Быстрая доступность этих вычислительных ресурсов стала ключом к успеху проекта", — добавляет аспирант Матиас Дриссе, руководивший вычислительными работами.

Профессор Плефка подчеркивает междисциплинарный характер работы: "Этот прорыв показывает, как совместные усилия могут преодолеть вызовы, ранее считавшиеся непреодолимыми. От математической теории до практических вычислений — это исследование демонстрирует синергию, необходимую для расширения границ человеческого познания".

Это достижение не только продвигает область физики гравитационных волн, но и сокращает разрыв между абстрактной математикой и наблюдаемой Вселенной, прокладывая путь будущим открытиям. Коллаборация планирует расширить свои усилия, исследуя расчеты более высоких порядков и применяя новые результаты в будущих моделях гравитационных волн.

Помимо теоретической физики, вычислительные инструменты, использованные в этом исследовании (такие как KIRA), находят применение в других областях, включая физику коллайдеров. Это достижение стало результатом масштабного международного сотрудничества и передовых математических и вычислительных методов.

Основы исследования были заложены в группе профессора Плефки в Университете имени Гумбольдта в Берлине, где совместно с доктором Густавом Могулом был разработан формализм мировой линии квантовой теории поля. Со временем коллаборация расширилась, включив ведущих мировых специалистов, таких как доктор Иоганн Усович (разработчик программного обеспечения KIRA), перешедший из ЦЕРНа в Университет имени Гумбольдта, а также математических физиков доктора Кристофа Негу (Технический университет Мюнхена) и профессора Альбрехта Клемма (Университет Бонна) — ведущих экспертов по многообразиям Калаби-Яу.

Проект получил ключевое финансирование через грант ERC Advanced Grant GraWFTy профессора Плефки, RTG 2575 "Переосмысление квантовой теории поля" и новую исследовательскую группу FOR 5582 Немецкого исследовательского фонда (DFG), где Плефка и Клемм являются главными исследователями. Исследование также поддерживалось стипендией Королевского общества доктора Могула "Гравитационные волны в мировой линии квантовой теории поля".

Дополнительная информация

• Какие практические приложения могут иметь многообразия Калаби-Яу за пределами астрофизики? - Многообразия Калаби-Яу используются в квантовой криптографии для создания устойчивых к взлому алгоритмов, а также в материаловедении для проектирования метаматериалов с уникальными оптическими свойствами.
• Как работа детекторов гравитационных волн следующего поколения (например, LISA) изменит наши возможности по изучению черных дыр? - LISA, работая в космосе, сможет обнаруживать низкочастотные гравитационные волны от сверхмассивных черных дыр на ранних этапах слияния, что недоступно наземным детекторам типа LIGO.

Успешные эксперименты в GSI/FAIR обнаружили новый "остров" асимметричного деления

Международная группа ученых обнаружила неожиданную область тяжелых, нейтрон-дефицитных изотопов в таблице нуклидов, где ядерное деление преимущественно происходит асимметричным способом. Эксперимент был проведен коллаборацией R3B-SOFIA в Центре по исследованию тяжелых ионов имени Гельмгольца (GSI) в Дармштадте, Германия, в рамках программы FAIR Phase 0. Результаты опубликованы в журнале Nature.

Исследовательская группа изучила свойства деления 100 различных нейтрон-дефицитных экзотических изотопов — от иридия (атомный номер Z = 77) до тория (Z = 90). Эти изотопы, обладающие недостатком нейтронов по отношению к протонам, были получены путем фрагментации релятивистского пучка урана-238, разогнанного до 87,6% скорости света. Затем они были индивидуально разделены и идентифицированы с помощью сепаратора фрагментов FRS в GSI/FAIR.

В экспериментальной установке R3B (Reactions with Relativistic Radioactive Beams), дополненной специализированными системами для изучения деления, изотопы направлялись на сегментированную мишень из свинца.

Там их возбуждение на несколько мегаэлектронвольт выше основного состояния приводило к делению на два более легких фрагмента.

Двойная ионизационная камера TWIN-MUSIC позволила измерить заряды обоих продуктов деления.

Кроме того, большой сверхпроводящий дипольный магнит GLAD, охлаждаемый гелием, разделял фрагменты деления по их отношению импульса к заряду, отклоняя их в сторону детекторных массивов для трекинга и измерения времени пролета с целью восстановления динамики реакции.

Терабайты данных, собранные за десять дней эксперимента, выявили переход к все более асимметричному делению в нейтрон-дефицитных тяжелых ядрах.

Это означает открытие нового "острова асимметричного деления" в таблице нуклидов, характеризующегося неожиданным преобладанием легких фрагментов деления — криптона (Z = 36).

"Помимо картирования этого нового явления, наши результаты углубляют понимание как земных, так и космических процессов деления", — говорит Пьер Морфуас из CEA (Франция), первый автор публикации в Nature.

"Кроме того, они предоставляют ценные ориентиры для теоретических моделей, значительно улучшая их предсказательную способность в отношении распределения продуктов деления в нейтрон-избыточных системах, что важно, например, для r-процесса нуклеосинтеза во Вселенной".

Открытие является важным шагом в понимании рециклинга деления, ожидаемого в сверхновых, которые питают производство элементов в нашей Галактике, а также началом исследования новой области в таблице нуклидов, где доминирует асимметричное деление.

"Кроме того, результаты впечатляюще демонстрируют возможности установки R3B и дают представление о перспективах FAIR в будущем", — добавляет доктор Хайк Симон, руководитель отдела GSI/FAIR "Супер-сепаратор фрагментов" и заместитель спикера коллаборации R3B.

"Комбинация Супер-сепаратора фрагментов (преемника FRS) и запланированной экспериментальной программы NUSTAR на FAIR откроет уникальные возможности для получения и отбора еще более редких и экзотических изотопов, что поможет решить открытые вопросы в этой области".

Серия последующих экспериментов запланирована на международном ускорительном комплексе FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), который в настоящее время строится в GSI. Новый сверхпроводящий сепаратор фрагментов Super-FRS станет ключевым инструментом для детального исследования явления асимметричного деления и раскрытия фундаментальных свойств ядерной материи в экстремальных условиях.

Дополнительная информация

• Как асимметричное деление ядер влияет на распределение химических элементов во Вселенной? - Асимметричное деление ядер способствует образованию более тяжелых элементов, изменяя их относительное содержание в космическом веществе и влияя на химическую эволюцию галактик.
• Какие технические преимущества дает использование сверхпроводящего дипольного магнита GLAD в подобных экспериментах? - Сверхпроводящие магниты GLAD обеспечивают экстремально сильные и стабильные магнитные поля при минимальном энергопотреблении, что позволяет точнее управлять заряженными частицами и детектировать редкие события.

Исследователи открыли более экологичный метод изучения взаимодействия света и материи — это может революционизировать развитие новых технологий

Исследователи обнаружили более экологичный подход к изучению взаимодействия света и материи, который может революционизировать развитие новых технологий.

Ученые из Университета Турку в Финляндии разработали простой метод для изучения сложной области квантовой науки.

Это открытие делает исследования в данной сфере дешевле и доступнее, что может существенно повлиять на развитие будущих лазерных, квантовых и высокотехнологичных дисплейных технологий.

Команда исследователей разработала новый метод создания микроскопических структур, известных как оптические микрокольца.

Эти структуры позволяют ученым изучать взаимодействие света с материей в очень точном процессе, который может привести к созданию новых квантовых состояний, называемых поляритонами.

Поляритоны — это необычные гибридные частицы, состоящие из света и материи.

Этот инновационный подход предлагает недорогую и энергоэффективную альтернативу традиционным методам производства, основанным на вакууме, делая исследования в области квантовой физики и фотоники более доступными.

Поляритонные микрокольца играют ключевую роль в понимании взаимодействия света и материи.

Более того, они крайне важны для новых технологий, включая сверхэффективные лазеры, квантовую оптику и дисплеи следующего поколения.

До сих пор традиционное производство требовало дорогих и энергозатратных процессов вакуумного напыления, таких как распыление и испарение.

Это ограничивало масштабируемость и доступность технологии.

Теперь же исследователи совершили прорыв в данной области, представив метод, основанный на растворах, который использует простое погружное и центрифужное нанесение для создания поляритонных микроколец без необходимости дорогостоящих вакуумных технологий.

«Наш подход значительно упрощает изучение сильного взаимодействия света и материи, поскольку мы предлагаем метод, который прост, дешев и гораздо менее энергозатратен по сравнению с существующими. Мы устранили необходимость в вакуумных технологиях, не жертвуя производительностью, и это делает исследования сильного взаимодействия света и материи более доступными для ученых», — говорит доцент Константинос Даскалакис.

Помимо упрощения производства, исследователям удалось напрямую измерить свет, излучаемый поляритонами.

Это дает важное представление о динамике поляритонов.

Такая возможность позволила команде наблюдать, как поляритоны подавляют бимолекулярную аннигиляцию в органических излучателях — ключевой процесс, снижающий эффективность светоизлучения и способствующий долговременной деградации материала.

«Возможность измерять свет, исходящий от поляритонов, позволила нам увидеть, как их присутствие уменьшает выцветание излучения. Это критически важный шаг для понимания и улучшения работы поляритонных устройств», — объясняет аспирант Хасан Али Куреши.

Благодаря этому инновационному подходу, сочетающему доступность, энергоэффективность и наблюдение за динамикой поляритонов, исследователи значительно расширили потенциал исследований поляритонных микроколец. Этот метод также открывает новые возможности для изучения чувствительных органических материалов и разработки более стабильных и эффективных светоизлучающих технологий.

Внимание на ширину запрещенной зоны! — ученые создали новые наноразмерные формы элементарного полупроводника с регулируемыми электронными свойствами

Исследователи продемонстрировали, что используя полупроводник с гибкими связями, материал можно формовать в различные структуры с помощью наноконтейнеров, не изменяя его состав. Это открытие может привести к созданию разнообразных электронных устройств на основе всего одного элемента.

Полупроводники играют жизненно важную роль в нашей повседневной жизни, так как присутствуют практически в каждом электронном устройстве.

Одной из ключевых характеристик полупроводников является ширина их запрещенной зоны, которая определяет, как они проводят электрический ток.

Обычно запрещенную зону настраивают для конкретных применений, разрывая химические связи или добавляя дополнительные элементы в материал.

Однако эти процессы могут быть сложными и энергозатратными.

Исследователи из Ноттингемского университета, центра EPSRC SuperSTEM, Ульмского университета (Германия) и компании BNNT LLC (США) визуализировали новые формы селена с помощью просвечивающей электронной микроскопии, используя нанотрубки в качестве миниатюрных пробирок.

Исследование опубликовано сегодня в журнале Advanced Materials.

Доктор Уилл Калл, научный сотрудник Школы химии Ноттингемского университета, проводивший экспериментальную работу, сказал: "Селен — это старый полупроводник с богатой историей, который использовался в первых солнечных элементах. В нашем исследовании мы возродили селен, обнаружив новые формы, которые могут возникать при наноразмерном ограничении".

Селен может существовать в виде нанопроволок, причем его структура и связи варьируются в зависимости от диаметра.

Ниже определенного размера связи между атомами селена изменяются, увеличивая углы между связями. Это приводит к выпрямлению изначально спиральной структуры, в конечном итоге сжимая ее в атомарно тонкие проволоки.

Доктор Уилл Калл пояснил: "Мы успешно визуализировали новые формы селена с помощью просвечивающей электронной микроскопии, используя нанотрубки в качестве крошечных пробирок. Этот подход позволил нам создать новую фазовую диаграмму, связывающую атомную структуру селена с диаметром нанопроволок".

Ранее группа из Ноттингема сообщала об использовании нанопробирок для визуализации химических реакций отдельных молекул и наблюдения фазовых переходов в полупроводниках. Этот подход позволяет снимать химические процессы на атомарном уровне в реальном времени.

"К нашему удивлению, мы наблюдали, как нанопробирка становилась тоньше во время съемки! Прямо на наших глазах нанопроволока селена внутри нанотрубки сжималась, как зубная паста, растягиваясь и истончаясь. Это случайное открытие позволило нам установить механизмы превращения одного типа нанопроволоки в другой, что имеет значение для их электронных свойств с почти атомарной точностью", — рассказал доктор Калл.

Ширина запрещенной зоны — это ключевое свойство полупроводников, значительно влияющее на их использование в различных устройствах, включая солнечные элементы, транзисторы и фотокатализаторы.

Профессор Квентин Рамасс, директор EPSRC SuperSTEM, пояснил: "Используя сканирующую просвечивающую электронную микроскопию с атомарным разрешением в сочетании с электронной энергетической спектроскопией потерь, мы смогли измерить запрещенные зоны отдельных цепочек селена. Эти измерения позволили нам установить взаимосвязь между диаметром этих нанопроволок и соответствующими запрещенными зонами".

"Традиционно углеродные нанотрубки использовались в качестве нанопробирок, однако их выдающиеся свойства поглощения энергии могут затмевать электронные переходы материала внутри. В отличие от них, новый тип нанопробирок — нитрид-борные нанотрубки — прозрачны, что позволяет наблюдать переходы запрещенной зоны в нанопроволоках селена внутри них", — добавил профессор Рамасс.

Знаменитый закон Мура гласит, что количество транзисторов в интегральной схеме удваивается примерно каждые два года. В результате электронные компоненты должны становиться меньше. Профессор Андрей Хлобыстов из Школы химии Ноттингемского университета сказал: "Мы исследовали предельный минимальный размер нанопроволок при сохранении полезных электронных свойств. Для селена это возможно, потому что эффект квантового ограничения может эффективно компенсироваться искажениями атомной структуры, позволяя запрещенной зоне оставаться в полезном диапазоне".

Исследователи надеются, что в будущем эти новые материалы будут внедрены в электронные устройства. Точная настройка запрещенной зоны селена путем изменения диаметра нанопроволоки может привести к созданию разнообразных специализированных электронных устройств на основе всего одного элемента.

Дополнительная информация

• Какие преимущества имеют нитрид-борные нанотрубки по сравнению с углеродными для изучения запрещенных зон? - Нитрид-борные нанотрубки обладают более широкой и стабильной запрещённой зоной (~5.5 эВ), чем углеродные нанотрубки (которые могут быть металлическими или полупроводниковыми в зависимости от хиральности), что делает их предпочтительными для исследований в области оптоэлектроники и нанофотоники.
• Как эффект квантового ограничения компенсируется искажениями атомной структуры в нанопроволоках селена? - В нанопроволоках селена искажения кристаллической решётки вызывают перераспределение электронных состояний, что может снижать влияние квантового ограничения на ширину запрещённой зоны за счёт изменения электрон-фононного взаимодействия.

«Безнадёжно прилипший»: учёные обнаружили новый 2D-материал, который крепко держится за поверхность

Более десяти лет назад исследователи из Университета Райса под руководством материаловеда Бориса Якобсона предсказали, что атомы бора будут слишком прочно связываться с медью, чтобы сформировать боропен — гибкий металлический двумерный материал с потенциалом применения в электронике, энергетике и катализе. Теперь новое исследование подтверждает это предсказание, но не так, как ожидалось.

В отличие от систем вроде графена на меди, где атомы могут диффундировать в подложку без образования чёткого сплава, в данном случае атомы бора сформировали определённый 2D-борид меди — новое соединение с уникальной атомной структурой.

Это открытие, опубликованное в Science Advances исследователями из Университета Райса и Северо-Западного университета, создаёт основу для дальнейшего изучения относительно малоисследованного класса 2D-материалов.

«Боропен по-прежнему находится на грани существования как материал, и любая новая информация о нём важна, поскольку расширяет границы наших знаний в материаловедении, физике и электронике», — сказал Якобсон, профессор инженерии Карла Ф. Хассельмана и профессор материаловедения, наноинженерии и химии в Университете Райса.

«Наш самый первый теоретический анализ предупреждал, что на меди бор будет связываться слишком прочно. Теперь, спустя более десяти лет, оказывается, мы были правы — но результатом стал не боропен, а нечто совершенно иное».

Предыдущие исследования успешно синтезировали боропен на металлах вроде серебра и золота, но случай с медью оставался открытым — и спорным.

Некоторые эксперименты предполагали, что бор может образовывать полиморфный боропен на меди, тогда как другие указывали на возможное фазовое разделение в бориды или даже нуклеацию в объёмные кристаллы.

Для разрешения этих вопросов потребовалось уникально детальное исследование, сочетающее высокоразрешающую микроскопию, спектроскопию и теоретическое моделирование.

«То, что мои коллеги-экспериментаторы сначала увидели, были эти богатые паттерны атомарно-разрешенных изображений и спектроскопические сигнатуры, которые потребовали огромной работы по интерпретации», — сказал Якобсон.

Эти усилия выявили периодическую зигзагообразную сверхструктуру и уникальные электронные сигнатуры, которые значительно отличались от известных фаз боропена.

Сильное совпадение экспериментальных данных с теоретическими симуляциями помогло разрешить спор о природе материала, образующегося на границе между медной подложкой и почти вакуумной средой камеры роста.

Хотя борид меди не был тем материалом, который исследователи изначально стремились создать, его открытие даёт важное понимание того, как бор взаимодействует с различными металлическими подложками в двумерных условиях.

Эта работа расширяет знания о формировании атомарно тонких боридных материалов — области, которая может проинформировать будущие исследования родственных соединений, включая те, что имеют известное технологическое значение, такие как бориды металлов среди ультравысокотемпературных керамик, представляющих большой интерес для экстремальных сред и гиперзвуковых систем.

«2D-борид меди, вероятно, лишь один из многих 2D-боридов металлов, которые могут быть экспериментально реализованы. Мы с нетерпением ждём исследований этого нового семейства 2D-материалов, имеющих широкий потенциал для применений — от электрохимического накопления энергии до квантовых информационных технологий», — сказал Марк Херсем, профессор материаловедения и инженерии имени Уолтера П. Мёрфи в Северо-Западном университете, соавтор исследования.

Это открытие последовало вскоре после другого прорыва, связанного с бором, от той же теоретической группы из Университета Райса.

В отдельном исследовании, опубликованном в ACS Nano, учёные показали, что боропен может формировать высококачественные латеральные соединения «край-в-край» с графеном и другими 2D-материалами, обеспечивая лучший электрический контакт, чем даже «объёмное» золото.

Сопоставление двух этих открытий подчёркивает как перспективы, так и сложности работы с бором на атомарном уровне: его универсальность позволяет создавать удивительные структуры, но также затрудняет контроль.

«Те изображения, которые мы сначала увидели в экспериментальных данных, выглядели довольно загадочно, — сказал Якобсон. — Но в итоге всё встало на свои места и дало логичный ответ — борид металла, бинго! Сначала это было неожиданно, но теперь всё ясно — и наука может двигаться вперёд».

Исследование было поддержано Управлением военно-морских исследований (N00014-21-1-2679), Национальным научным фондом (DMR-2308691) и Министерством энергетики США (2801SC0012547). Содержание статьи является исключительной ответственностью авторов и не обязательно отражает официальную точку зрения финансирующих организаций и учреждений.

Дополнительная информация

• Какие ещё известные 2D-бориды металлов существуют, и каковы их свойства? - Известные 2D-бориды включают никель-борид (NiB) и железо-борид (FeB). Они обладают высокой механической прочностью, хорошей электропроводностью и термической стабильностью, что делает их перспективными для применения в электронике и катализе.
• Как именно высокоразрешающая микроскопия и спектроскопия помогают отличать боропен от боридов металлов? - Высокоразрешающая микроскопия (например, TEM) визуализирует атомную структуру, показывая различия в упаковке атомов, а спектроскопия (например, Рамановская) выявляет уникальные колебательные моды, характерные для боропена или металл-боридных связей.

Превращение немагнитных материалов в магнитные с помощью атомарно тонких пленок

Правила о магнитном порядке, возможно, придется пересмотреть. Исследователи обнаружили, что селенид хрома (Cr₂Se₃) — традиционно немагнитный в объемной форме — превращается в магнитный материал при уменьшении до атомарно тонких слоев. Это открытие противоречит предыдущим теоретическим предсказаниям и открывает новые возможности для спинтронных приложений. Это может привести к созданию более быстрых, компактных и энергоэффективных электронных компонентов для смартфонов, систем хранения данных и других важных технологий.

Международная исследовательская группа из Университета Тохоку, Университета Лотарингии (Синхротрон SOLEIL), Национального центра исследований синхротронного излучения (NSRRC), Организации по исследованию высокоэнергетических ускорителей и Национальных институтов квантовой науки и технологий успешно вырастила двумерные тонкие пленки Cr₂Se₃ на графене с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии.

Постепенно уменьшая толщину от трех слоев до одного и анализируя их с помощью высокоинтенсивного синхротронного рентгеновского излучения, команда сделала удивительное открытие.

Этот результат противоречит классическим теоретическим предсказаниям, согласно которым двумерные материалы не могут сохранять магнитный порядок.

«Когда мы впервые наблюдали ферромагнитное поведение в этих ультратонких пленках, мы были искренне поражены», — объясняет ведущий исследователь профессор Такафуми Сато (WPI-AIMR, Университет Тохоку).

«Согласно традиционной теории, такого быть не должно. Еще более поразительно то, что чем тоньше мы делали пленки, тем сильнее становились их магнитные свойства — это полностью противоречило нашим ожиданиям».

В то время как трехмерные кристаллы Cr₂Se₃ проявляют антиферромагнетизм (когда магнитные моменты компенсируют друг друга), их двумерные версии превращаются в ферромагнитные материалы.

Еще более удивительно, что температура ферромагнитного перехода увеличивается по мере уменьшения толщины пленок.

С помощью микро-ARPES анализа электронных состояний исследователи выявили механизм этого явления: решающим фактором, обеспечивающим высокотемпературный ферромагнетизм в ультратонких пленках, оказались электроны проводимости, инжектированные из графеновой подложки через границу раздела в Cr₂Se₃.

Современная электроника в основном использует электрические свойства электронов.

Однако «спинтроника» дополнительно задействует магнитные свойства, что может обеспечить повышение производительности.

Это открытие значительно расширяет возможности для спинтронных приложений и потенциально может привести к созданию более энергоэффективных электронных устройств.

Следующим шагом исследовательской группы станет использование нового синхротронного центра NanoTerasu для проведения исследований с более высоким разрешением.

Результаты исследования были опубликованы онлайн в журнале Nature Communications 18 апреля 2025 года.

Сопротивление бесполезно: Сверхпроводящие диоды — будущее электроники

Что получится, если объединить беспрецедентную эффективность сверхпроводника с гибкостью и управляемостью полупроводника? Благодаря новому прорыву в области квантовых материалов мы вскоре можем получить ответ.

В статье, которая в скором времени будет опубликована в журнале Communications Physics, исследовательская группа из нескольких институтов под руководством Университета Осаки сообщает об успешном наблюдении так называемого сверхпроводящего диодного эффекта в гетероструктуре Fe(Se,Te)/FeTe.

В статье описывается серия экспериментов, в которых материал проявлял предпочтение току, текущему в определенном направлении — феномен, известный как выпрямление, — при широком диапазоне температур и магнитных полей.

Практически все современные электронные устройства используют полупроводники, которые могут либо подавлять, либо усиливать поток электронов в одном направлении, обеспечивая точный контроль над электрическими сигналами.

Долгосрочной целью физиков было объединение этой технологии со сверхпроводниками, которые практически не имеют электрического сопротивления и, следовательно, могут передавать заряд с идеальной эффективностью.

Однако до сих пор успехи в этой области были ограниченными.

«Когда речь идет о сверхпроводниках, выбор материала имеет решающее значение», — объясняет Дзюнъити Сиогаи.

«Теллурид железа и селенид обладает идеальными свойствами, такими как высокая температура перехода, критическое магнитное поле и критическая плотность тока. Это означает, что диапазон параметров, при которых эффект может проявляться, широк, что дает нам наибольшие шансы на успех».

Действительно, при приложении магнитного поля к их системе наблюдалось значительное смещение направленности тока.

Эффект также усиливался с увеличением силы магнитного поля и понижением температуры.

Анализируя данные при изменении этих параметров, команда смогла предложить последовательное объяснение эффекта.

«До сих пор механизм этого эффекта оставался в основном загадкой», — говорит Сиогаи.

«Наши эксперименты показывают, что закрепление квантовых вихрей, создаваемых магнитным полем, играет решающую роль».

Исследователи обнаружили, что сильное спин-орбитальное взаимодействие изменяет асимметричный потенциал закрепления, из-за чего вихри остаются более “застрявшими” в одном направлении, чем в другом, создавая необходимую для выпрямления асимметрию.

Сильная линейная корреляция между эффективностью диода и степенью поляризации подтвердила их гипотезу.

«Мы оптимистично настроены, что эти результаты можно применить для создания идеального выпрямляющего устройства, которое проложит путь к ультранизкоэнергетической электронике на основе сверхпроводников», — говорит Сиогаи. Благодаря исследованиям команды будущее таких сверхпроводников выглядит действительно многообещающим.

Ученые открыли новый класс кристаллов с революционными свойствами

Исследователи из Университета Рутгерса в Нью-Брансуике обнаружили новый класс материалов — интеркристаллы — с уникальными электронными свойствами, которые могут стать основой технологий будущего.

Как сообщили ученые, интеркристаллы демонстрируют ранее неизвестные формы электронных свойств, способные привести к прорывам в создании более эффективных электронных компонентов, квантовых компьютеров и экологически чистых материалов.

Согласно отчету в научном журнале Nature Materials, исследователи расположили два ультратонких слоя графена (каждый толщиной в один атом углерода, образующий гексагональную решетку) с небольшим поворотом относительно друг друга на слое гексагонального нитрида бора. Обнаружилось, что слабое несовпадение слоев, создающее муаровые узоры (похожие на те, что видны при наложении двух мелких сеток), значительно меняет движение электронов в материале.

"Наше открытие открывает новый путь для проектирования материалов, — сказала Ева Андрей, профессор кафедры физики и астрономии Школы искусств и наук Рутгерса и ведущий автор исследования. — Интеркристаллы дают нам новый способ управления электронным поведением с помощью одной только геометрии, без изменения химического состава материала".

Понимая и контролируя уникальные свойства электронов в интеркристаллах, ученые смогут использовать их для разработки более эффективных транзисторов и датчиков, которые ранее требовали сложных комбинаций материалов, пояснили исследователи.

"Можно представить себе проектирование всей электронной схемы, где каждая функция — переключение, сенсорика, передача сигнала — контролируется путем настройки геометрии на атомном уровне, — отметил соавтор исследования Джедайя Пиксли, доцент кафедры физики. — Интеркристаллы могут стать строительными блоками таких технологий будущего".

Это открытие основано на новом методе современной физики — "твистронике" (twistronics), где слои материалов скручиваются под определенными углами для создания муаровых узоров. Такие конфигурации существенно меняют поведение электронов, приводя к свойствам, которых нет у обычных кристаллов.

Основополагающая идея была впервые продемонстрирована Андрей и ее командой в 2009 году, когда они показали, что муаровые узоры в скрученном графене радикально изменяют его электронную структуру. Это открытие заложило основы твистроники.

Электроны — это крошечные частицы, движущиеся в материалах и отвечающие за проводимость электричества. В обычных кристаллах с регулярной атомной решеткой движение электронов хорошо изучено и предсказуемо. Если кристалл повернуть или сместить на определенные углы или расстояния, он выглядит прежним благодаря симметрии.

Однако электронные свойства интеркристаллов могут значительно меняться при небольших структурных изменениях. Эта изменчивость может приводить к новым необычным явлениям, таким как сверхпроводимость и магнетизм, нехарактерные для обычных кристаллов. Сверхпроводящие материалы обещают непрерывный электрический ток без сопротивления.

По словам ученых, интеркристаллы могут стать частью новых схем для электроники с низкими потерями и атомных датчиков, а также сыграть роль в создании квантовых компьютеров и новых потребительских технологий.

Эти материалы также могут лечь в основу более экологичных электронных технологий.

"Поскольку такие структуры можно создавать из распространенных нетоксичных элементов вроде углерода, бора и азота, а не из редкоземельных металлов, они предлагают более устойчивый и масштабируемый путь для технологий будущего", — отметила Андрей.

Интеркристаллы отличаются не только от обычных кристаллов. Они также не являются квазикристаллами — особым типом кристаллов, открытым в 1982 году, которые обладают упорядоченной структурой без периодического повторения.

Исследователи назвали свое открытие "интеркристаллами", поскольку они представляют собой нечто среднее между кристаллами и квазикристаллами: у них есть непериодические узоры как у квазикристаллов, но также симметрии, общие с обычными кристаллами.

"Открытие квазикристаллов в 1980-х бросило вызов старым представлениям об атомном порядке, — сказала Андрей. — С интеркристаллами мы идем дальше, показывая, что материалы можно проектировать для доступа к новым фазам материи, используя геометрическую фрустрацию в наномасштабе".

Исследователи из Рутгерса оптимистично оценивают будущее применение интеркристаллов, открывающее новые возможности для изучения и управления свойствами материалов на атомном уровне.

"Это только начало, — сказал Пиксли. — Мы с нетерпением ждем, куда приведет это открытие и как оно повлияет на технологии и науку в ближайшие годы".

В исследовании также участвовали сотрудники Национального института материаловедения в Японии.

Дополнительная информация

• Какие конкретные преимущества интеркристаллы могут предложить для квантовых вычислений по сравнению с существующими материалами? - Интеркристаллы могут обеспечивать более стабильные кубиты благодаря их сложной структуре, которая подавляет декогеренцию, а также предлагать новые способы управления квантовыми состояниями через межкристаллические взаимодействия.
• Как именно муаровые узоры в твистронике влияют на поведение электронов на квантовом уровне? - Муаровые узоры создают периодические потенциалы, которые могут локально захватывать электроны, формируя искусственные квантовые точки, или изменять их энергетические зоны, что позволяет контролировать сверхпроводимость и коррелированные электронные состояния.

Первый в мире фототранзистор с петагерцовой скоростью работы в обычных условиях

Что если сверхбыстрые световые импульсы смогут управлять компьютерами со скоростью в миллион раз выше, чем у современных процессоров? Группа ученых, включая исследователей из Университета Аризоны, работает над воплощением этой идеи.

В рамках новаторского международного проекта исследователи из Департамента физики Колледжа наук и Колледжа оптических наук Джеймса К. Уайанта продемонстрировали способ управления электронами в графене с помощью световых импульсов длительностью менее триллионной доли секунды. Используя квантовый эффект, известный как туннелирование, они зафиксировали почти мгновенное преодоление электронами физического барьера — достижение, которое переопределяет пределы возможной скорости обработки данных в компьютерах.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показывает, что эта технология может обеспечить скорость обработки в петагерцовом диапазоне — более чем в 1000 раз быстрее, чем современные компьютерные чипы.

«Передача данных на таких скоростях совершит революцию в вычислительной технике», — заявил Мохаммед Хасан, доцент кафедры физики и оптических наук. Хасан давно занимается разработкой световых компьютерных технологий и ранее руководил созданием самого быстрого в мире электронного микроскопа.

«Мы уже наблюдаем огромный скачок в развитии таких технологий, как искусственный интеллект, но скорость развития аппаратного обеспечения не поспевает за ним, — отметил Хасан. — Однако, опираясь на открытия в области квантовых компьютеров, мы можем разработать аппаратное обеспечение, соответствующее революции в программных информационных технологиях. Сверхбыстрые компьютеры значительно упростят исследования в области космоса, химии, здравоохранения и других сферах».

Хасан работал вместе с коллегами из Университета Аризоны: Николаем Голубевым, ассистентом профессора физики; Мохамедом Сеннари, аспирантом, изучающим оптику и физику; Джалилем Шахом, постдокторантом кафедры физики; и Минжуи Юанем, аспирантом в области оптики. К проекту также присоединились исследователи из Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института и Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана в Германии.

Первоначально команда изучала электропроводность модифицированных образцов графена — материала, состоящего из одного слоя атомов углерода. Когда лазер воздействует на графен, энергия возбуждает электроны, заставляя их двигаться и формировать электрический ток.

Однако иногда эти токи взаимно уничтожаются. По словам Хасана, это происходит из-за того, что волна энергии лазера колеблется вверх-вниз, создавая равные, но противоположно направленные токи по обе стороны графена. Благодаря симметричной атомной структуре материала эти токи зеркально отражаются и нейтрализуют друг друга, не оставляя обнаруживаемого тока.

Но что если один электрон сможет «проскользнуть» через графен, а его движение можно будет зафиксировать в реальном времени? Это почти мгновенное туннелирование стало неожиданным результатом экспериментов с различными модифицированными образцами графена.

«Вот что я люблю в науке больше всего: настоящие открытия происходят там, где их не ждешь, — сказал Хасан. — В лаборатории ты всегда предполагаешь, что произойдет, но истинная красота науки — в мелочах, которые заставляют тебя копать глубже. Как только мы поняли, что добились эффекта туннелирования, нам захотелось узнать больше».

Используя коммерчески доступный графеновый фототранзистор, модифицированный специальным кремниевым слоем, исследователи применили лазер, включающийся и выключающийся со скоростью 638 аттосекунд, создав то, что Хасан назвал «самым быстрым в мире петагерцовым квантовым транзистором».

Транзистор — это устройство, выполняющее роль электронного переключателя или усилителя, контролирующего поток электричества между двумя точками, и он лежит в основе современной электроники.

«Для справки: одна аттосекунда — это одна квинтиллионная доля секунды, — пояснил Хасан. — Это означает, что наше достижение представляет собой огромный прорыв в разработке сверхбыстрых компьютерных технологий, реализуя транзистор с петагерцовой скоростью».

В то время как многие научные достижения требуют строгих условий, включая особую температуру и давление, новый транзистор работает в обычных условиях, открывая путь к коммерциализации и использованию в повседневной электронике.

Хасан сотрудничает с Tech Launch Arizona — отделом университета, который помогает исследователям коммерциализировать изобретения, патентуя и выводя их на рынок. Хотя в оригинальном эксперименте использовался специализированный лазер, команда уже работает над созданием транзистора, совместимого с коммерчески доступным оборудованием.

«Я надеюсь, что мы сможем сотрудничать с индустриальными партнерами, чтобы реализовать петагерцовый транзистор в микрочипе, — сказал Хасан. — Университет Аризоны уже известен как создатель самого быстрого в мире электронного микроскопа, и мы хотели бы также стать первопроходцами в разработке первого петагерцового транзистора».

Дополнительная информация

• Какие практические преимущества дает петагерцовая скорость обработки данных по сравнению с современными технологиями? - Петагерцовая скорость (1000 терагерц) позволяет обрабатывать данные в миллионы раз быстрее, чем современные гигагерцовые процессоры, что открывает возможности для мгновенного анализа больших данных, квантовых вычислений и моделирования сложных физических процессов в реальном времени.
• Какие технические сложности возникают при интеграции графеновых транзисторов в существующие микрочипы? - Основные проблемы включают несовместимость графена с кремниевой технологией, сложности в создании надежных контактов, а также необходимость разработки новых методов литографии для наноразмерных структур.

Новая технология продления срока годности продуктов

Мы все испытывали чувство вины, когда фрукты и овощи портились раньше, чем мы успевали их съесть. Теперь исследователи из MIT и Сингапурско-МТИ Альянса по исследованиям и технологиям (SMART) продемонстрировали, что могут продлить срок годности собранных растений, вводя в них мелатонин с помощью биоразлагаемых микроигл.

Это большое достижение, потому что проблема пищевых отходов выходит далеко за рамки испорченных салатов.

Более 30% продуктов питания в мире теряется после сбора урожая — этого достаточно, чтобы прокормить свыше 1 миллиарда человек.

Охлаждение — самый распространённый способ сохранения продуктов, но оно требует энергии и инфраструктуры, которые недоступны во многих регионах мира.

Учёные полагают, что их система может стать альтернативой или дополнением к охлаждению.

Основу их метода составляют пластыри с шёлковыми микроиглами. Эти микроиглы могут проникать сквозь жёсткую восковую кожуру растений, не вызывая стрессовой реакции, и доставлять точные дозы мелатонина во внутренние ткани.

"Это первый случай, когда мы смогли применить микроиглы для продления срока годности свежесобранных культур", — говорит Бенедетто Марелли, ведущий автор исследования, доцент кафедры гражданского и экологического строительства MIT и руководитель миссии Wild Cards в рамках MIT Climate Project.

"Мы подумали, что можем использовать эту технологию для доставки веществ, регулирующих физиологию растений после сбора урожая. В итоге мы рассмотрели гормоны, и мелатонин уже используется растениями для регуляции таких функций. Выбрасываемая нами еда могла бы прокормить около 1,6 миллиарда человек. Даже в США этот подход однажды может расширить доступ к здоровой пище".

В исследовании, которое будет опубликовано в Nano Letters, Марелли и учёные из SMART нанесли небольшие пластыри с микроиглами, содержащими мелатонин, на основание листового овоща пак-чой.

После применения мелатонин смог продлить срок годности овощей на 4 дня при комнатной температуре и на 10 дней в холодильнике, что позволит большему количеству урожая достичь потребителей до порчи.

"Послеуборочные потери — огромная проблема. Особенно остро она стоит в развивающихся странах Африки и Юго-Восточной Азии, где выращивается много культур, но их невозможно сохранить при транспортировке с ферм на рынки", — говорит Сароджам Раджани, соавтор исследования и старший научный сотрудник лаборатории Temasek Life Sciences в Сингапуре.

Антистресс для растений

Лаборатория Марелли уже несколько лет исследует применение шёлковых микроигл для доставки питательных веществ к растениям и мониторинга их состояния.

Микроиглы из белка шёлкового фиброина нетоксичны и биоразлагаемы, а предыдущие работы Марелли описывают методы их массового производства.

Чтобы проверить способность микроигл продлевать срок годности продуктов, учёные решили изучить их возможности по доставке гормона, влияющего на процесс старения.

Помимо помощи человеку в засыпании, мелатонин — это естественный гормон многих растений, регулирующий их рост и старение.

"Доза мелатонина, которую мы вводим, настолько мала, что полностью метаболизируется растениями, поэтому она не увеличит значительно количество мелатонина, обычно присутствующего в пище; мы не получим больше мелатонина, чем обычно", — объясняет Марелли.

"Мы выбрали пак-чой, потому что это очень важная культура в Азии, а также потому что он быстро портится".

Пак-чой обычно собирают, срезая листовую часть от корневой системы, что обнажает основание побега и обеспечивает доступ к сосудистым пучкам, распределяющим воду и питательные вещества по растению.

На первом этапе исследования учёные использовали микроиглы для введения флуоресцентного красителя в основание растения, чтобы подтвердить, что сосудистая система может распространять вещество по всему растению.

Затем исследователи сравнили срок годности обычных растений пак-чоя и растений, обработанных распылением или погружением в мелатонин, и не обнаружили разницы.

Установив базовый срок хранения, учёные вручную нанесли небольшие пластыри с микроиглами, содержащими мелатонин, на нижнюю часть растений пак-чой.

Затем обработанные растения вместе с контрольной группой хранили в пластиковых контейнерах при комнатной температуре и в холодильнике.

Команда оценивала растения, отслеживая их вес, внешний вид и концентрацию хлорофилла — зелёного пигмента, количество которого уменьшается по мере старения растений.

При комнатной температуре листья контрольной группы начали желтеть через 2-3 дня.

К четвёртому дню пожелтение ускорилось настолько, что растения, скорее всего, уже нельзя было продать.

Напротив, растения, обработанные шёлковыми микроиглами с мелатонином, оставались зелёными на пятый день, а процесс пожелтения существенно замедлился.

Потеря веса и снижение хлорофилла у обработанных растений также значительно замедлились при комнатной температуре.

В целом, исследователи оценили, что обработанные растения сохраняли товарный вид до восьмого дня.

"Мы чётко увидели, что можем продлить срок годности пак-чоя без холодильной цепи", — говорит Марелли.

При охлаждении до примерно 4°C пожелтение растений в среднем задерживалось на пять дней, а обработанные растения оставались относительно зелёными до 25-го дня.

"Спектрофотометрический анализ показал, что обработанные растения имели более высокую антиоксидантную активность, а генный анализ выявил, что мелатонин запускает защитную цепную реакцию внутри растений, сохраняя хлорофилл и регулируя гормоны для замедления старения", — говорит Моника Джангир, соавтор исследования и бывший постдок лаборатории Temasek Life Sciences.

"Мы изучили влияние мелатонина и увидели, что он улучшает стрессоустойчивость растения после срезания, то есть фактически снижает стресс, испытываемый растением, что продлевает его срок годности", — добавляет Янъян Хан, соавтор исследования и научный сотрудник междисциплинарной исследовательской группы DiSTAP (Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision) в SMART.

На пути к сохранению урожая

Хотя микроиглы могут минимизировать потери по сравнению с другими методами, такими как распыление или погружение, исследователи отмечают, что для масштабного внедрения технологии требуется дополнительная работа.

Например, хотя в этом эксперименте пластыри наносились вручную, в будущем это можно делать с помощью тракторов, автономных дронов и другой сельскохозяйственной техники.

"Для широкого внедрения нам нужно достичь порога, при котором соотношение эффективности и стоимости оправдает использование метода", — поясняет Марелли.

"Этот метод должен стать достаточно дешёвым для регулярного применения фермерами".

В дальнейшем команда планирует изучить влияние различных гормонов на разные культуры с помощью своей технологии доставки микроиглами.

Учёные уверены, что метод будет работать со всеми видами сельхозпродукции.

"Мы продолжим анализировать, как можно увеличить влияние технологии на ценность и качество урожая", — говорит Марелли.

"Например, сможем ли мы регулировать питательную ценность, форму, текстуру культур? Мы также продолжим работать над масштабированием технологии для использования в полевых условиях".

Исследование поддержано Сингапурско-МТИ Альянсом по исследованиям и технологиям (SM

Дополнительная информация

• Как мелатонин влияет на процесс старения растений? - Мелатонин замедляет старение растений, действуя как антиоксидант и регулируя стрессовые реакции, что продлевает их жизненный цикл.
• Какие ещё гормоны растений могут быть использованы с этой технологией? - Кроме мелатонина, могут применяться ауксины, цитокинины и гиббереллины, которые также регулируют рост и старение растений.
• Почему шёлковые микроиглы лучше других методов доставки веществ? - Шёлковые микроиглы обеспечивают точную и контролируемую доставку веществ без повреждения тканей, а также биосовместимы и разлагаемы.
• Какова экономическая эффективность этой технологии для фермеров? - Технология может снизить затраты на удобрения и пестициды, увеличить урожайность и продлить срок хранения продукции, что повышает рентабельность.

Инфракрасные контактные линзы позволяют видеть в темноте даже с закрытыми глазами

Учёные в области нейронаук и материаловедения создали контактные линзы, которые обеспечивают инфракрасное зрение у людей и мышей, преобразуя инфракрасный свет в видимый. В отличие от инфракрасных очков ночного видения, эти линзы, описанные 22 мая в журнале Cell издательства Cell Press, не требуют источника питания и позволяют пользователю воспринимать несколько инфракрасных длин волн. Поскольку линзы прозрачны, пользователи могут одновременно видеть как инфракрасный, так и видимый свет, хотя инфракрасное зрение улучшалось, когда участники закрывали глаза.

«Наше исследование открывает возможность создания неинвазивных носимых устройств, которые дадут людям сверхзрение», — говорит старший автор Тянь Сюэ, нейробиолог из Научно-технического университета Китая.

«У этого материала сразу много потенциальных применений. Например, мерцающий инфракрасный свет можно использовать для передачи информации в сферах безопасности, спасения, шифрования или защиты от подделок».

Технология контактных линз основана на наночастицах, которые поглощают инфракрасный свет и преобразуют его в длины волн, видимые для глаз млекопитающих (например, электромагнитное излучение в диапазоне 400–700 нм). Наночастицы специально настроены на обнаружение «ближнего инфракрасного света» в диапазоне 800–1600 нм — чуть дальше того, что уже могут видеть люди.

Ранее команда показала, что эти наночастицы обеспечивают инфракрасное зрение у мышей при инъекции в сетчатку, но исследователи хотели разработать менее инвазивный вариант.

Для создания контактных линз команда объединила наночастицы с гибкими, нетоксичными полимерами, которые используются в стандартных мягких контактных линзах.

После подтверждения нетоксичности линз они проверили их работу на людях и мышах.

Оказалось, что мыши, носившие линзы, демонстрировали поведение, указывающее на способность видеть инфракрасные волны.

Например, когда мышам предлагали выбор между тёмным ящиком и ящиком с инфракрасной подсветкой, мыши в линзах выбирали тёмный ящик, тогда как мыши без линз не проявляли предпочтений.

Мыши также демонстрировали физиологические признаки инфракрасного зрения: зрачки у животных в линзах сужались при наличии инфракрасного света, а визуализация мозга показала, что инфракрасный свет активировал их зрительные центры обработки информации.

У людей инфракрасные контактные линзы позволили участникам точно обнаруживать моргающие сигналы, похожие на азбуку Морзе, и определять направление инфракрасного света.

«Это совершенно ясно: без линз испытуемый ничего не видит, но с ними он чётко различает мерцание инфракрасного света», — сказал Сюэ.

«Мы также обнаружили, что когда испытуемый закрывает глаза, он даже лучше воспринимает мерцающую информацию, потому что ближний инфракрасный свет проникает через веко эффективнее, чем видимый свет, поэтому меньше помех от видимого света».

Дополнительная модификация линз позволяет пользователям различать различные спектры инфракрасного света за счёт «цветового кодирования» разных длин волн с помощью наночастиц.

Например, инфракрасные волны длиной 980 нм преобразовывались в синий свет, волны длиной 808 нм — в зелёный, а волны 1532 нм — в красный.

Помимо возможности воспринимать больше деталей в инфракрасном спектре, эти цветовые коды можно адаптировать, чтобы помочь людям с дальтонизмом видеть волны, которые они обычно не различают.

«Преобразуя красный видимый свет, например, в зелёный, эта технология может сделать невидимое видимым для людей с дальтонизмом», — говорит Сюэ.

Поскольку линзы имеют ограниченную способность улавливать мелкие детали (из-за близости к сетчатке, что вызывает рассеивание преобразованных световых частиц), команда также разработала систему очков с той же технологией наночастиц, которая позволяла участникам воспринимать инфракрасную информацию с более высоким разрешением.

В настоящее время линзы способны обнаруживать только инфракрасное излучение от источника света на светодиодах, но исследователи работают над повышением чувствительности наночастиц, чтобы они могли улавливать более слабый инфракрасный свет.

«В будущем, сотрудничая с материаловедами и оптическими экспертами, мы надеемся создать линзы с более точным пространственным разрешением и повышенной чувствительностью», — говорит Сюэ.

Дополнительная информация

• Как именно наночастицы в линзах преобразуют инфракрасный свет в видимый? - Наночастицы (например, из редкоземельных элементов) поглощают инфракрасные фотоны и переизлучают их на более коротких длинах волн (видимый диапазон) за счёт процессов апконверсии или люминесценции.
• Какие конкретно полимеры используются для создания безопасных инфракрасных линз? - Чаще всего применяются полиметилметакрилат (PMMA), поликарбонат (PC) и гидрогелевые полимеры из-за их прозрачности, биосовместимости и устойчивости к ИК-излучению.

Убытки домовладельцев на юго-востоке США от ураганных ветров к 2060 году могут вырасти почти на 76%

Ураганные ветры являются основной причиной ущерба от штормов для жителей прибрежных штатов на юго-востоке США. По мере роста глобальной температуры ученые прогнозируют, что ураганы станут более разрушительными - с усиливающимися ветрами и проливными дождями. Новое исследование, опубликованное в журнале Risk Analysis, прогнозирует, что убытки домовладельцев в прибрежных штатах Юго-Востока от ветра к 2060 году могут быть на 76% выше, а к 2100 году - на 102%.

Инженер-строитель из Университета Иллинойса Ын Джон Ча и ее коллега Чи-Ин Лин использовали машинное обучение для моделирования воздействия будущих ураганов на деревянные частные дома с каменной кладкой в Техасе, Луизиане, Миссисипи, Алабаме, Флориде, Джорджии, Южной Каролине и Северной Каролине. За последнее десятилетие эти штаты сильно пострадали от разрушительных штормов, таких как ураган Ирма (2017) и ураган Хелен (2024). Общий ущерб от Хелен, включая последствия рекордных наводнений в западной части Каролины, оценивается в 78,7 миллиарда долларов.

"Эти штаты сталкиваются с наибольшей ураганной активностью и связанными с ветром потерями в США", - говорит Ча. "Они представляют собой ключевой регион для понимания того, как изменение климата может повлиять на риск ураганов, особенно учитывая их протяженную береговую линию и растущие населенные центры".

Наихудший сценарий

Моделирование Ча будущих потерь от усиления ураганных ветров и осадков основано на прогнозах Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) для наихудшего сценария глобального потепления. Сценарий RCP8.5 предполагает максимально возможные выбросы парниковых газов при отсутствии мер по борьбе с изменением климата. Согласно ему, средняя глобальная температура поверхности земли к 2065 году будет на 2,0°C выше, а к 2100 году - на 3,7°C (по сравнению с базовым периодом 1986-2005). "Наихудший сценарий широко используется для изучения высокоэффективных возможностей при долгосрочном планировании и исследованиях устойчивости", - отмечает Ча. "Мы рассматриваем его как стресс-тест для оценки рисков ураганных ветров".

Согласно моделированию, при таком сценарии в восьми юго-восточных прибрежных штатах:

• Убытки от ветра и проникновения дождевой воды в здания к 2060 году вырастут на 49-76%, а к 2100 году - на 71-102%.
• Скорость ураганных ветров в Техасе к 2050-м годам увеличится на 14% по сравнению с текущими значениями.
• Техас столкнется с наибольшим ростом ожидаемых потерь, за ним следует регион Луизианы, Миссисипи и Алабамы.
• Некоторые внутренние округа, такие как Чарльстон в Южной Каролине, могут столкнуться с относительно большим процентным увеличением прогнозируемого риска.

На уровне округов Ча и ее коллеги обнаружили вариации ураганных рисков, связанных с изменением климата, а также различия в региональной подготовке к ветровым угрозам. Растущая уязвимость округа Чарльстон в Южной Каролине может быть вызвана сочетанием прогнозируемого увеличения интенсивности ураганов, низкой исторической подверженности и инфраструктуры, не протестированной в условиях более экстремальных ветров и осадков.

"В пределах одного штата влияние изменения климата варьируется от прибрежных до внутренних округов", - говорит Ча. "Выявленные нами различия подчеркивают необходимость масштабной региональной оценки рисков для распределения ресурсов на федеральном и государственном уровнях и планирования снижения рисков с учетом изменения климата".

Страховым моделям необходимо учитывать более сильные осадки

Согласно отчету Бюджетного управления Конгресса за 2019 год, ураганные ветры составляют более 40% ущерба от штормов в жилом секторе, ежегодно нанося экономике США убытки в 14 миллиардов долларов. Однако большинство моделей ураганов, используемых страховыми компаниями, не учитывают влияние изменения климата. В частности, Ча отмечает, что "проникновение дождевой воды часто упускается из виду при оценке рисков". Именно поэтому ее исследование учитывает ущерб как от усиления ветров, так и от более сильных осадков при будущих ураганах в прибрежных штатах Юго-Востока.

Другое недавнее исследование, опубликованное в Risk Analysis, посвящено связи между экстремальными осадками и страховыми выплатами. Кандидат наук Норвежской школы экономики Юэ Ши изучила влияние экстремальных осадков и климатических явлений на страховые случаи по жилью. Как и Ча, она обнаружила растущий со временем риск и значительные географические различия, что указывает на необходимость новых страховых моделей по мере увеличения осадков.

Точная оценка угроз от ураганов и связанных с ними потерь крайне важна, подчеркивает Ча: "Наши выводы значительно углубляют понимание влияния изменения климата на риски ураганов, предоставляя ценные данные для политиков, градостроителей и страховой отрасли".

Дополнительная информация

• Какие меры принимаются в юго-восточных штатах США для повышения устойчивости домов к ураганным ветрам? - Используются усиленные кровельные крепления, ударопрочные окна, укрепление фундаментов и стен, а также строительные нормы, требующие более высоких стандартов для новых зданий в зонах риска.
• Как сценарий RCP8.5 соотносится с другими климатическими сценариями МГЭИК по степени влияния на ураганную активность? - RCP8.5 — это наихудший сценарий с высоким уровнем выбросов CO₂, прогнозирующий наибольшее усиление ураганной активности по сравнению с умеренными сценариями (например, RCP4.5 или RCP2.6).

Хотите сократить калории? Попробуйте добавить перец чили, советует исследование

Добавление остроты в еду может быть эффективной стратегией для сокращения потребления калорий, согласно новому исследованию ученых Университета Пенсильвании.

Специалисты из Центра сенсорной оценки университета изучили, как увеличение «ожога во рту» — острого вкуса от таких ингредиентов, как перец чили — влияет на количество съедаемой пищи. Результаты, уже доступные онлайн и готовящиеся к публикации в октябрьском номере журнала Food Quality and Preference, показывают, что слегка увеличенная острота блюда приводила к тому, что участники ели меньше и потребляли меньше калорий.

«Из предыдущих исследований мы знаем, что когда люди едят медленнее, они потребляют значительно меньше пищи, — говорит Пейдж Каннингем, постдокторант и ведущий автор исследования, защитившая докторскую степень по наукам о питании в Пенсильванском университете в 2023 году. — Мы предположили, что увеличение остроты блюда может замедлить процесс еды. Мы решили проверить в контролируемых лабораторных условиях, приведет ли добавление небольшого количества специй (но не настолько, чтобы еда стала несъедобной) к более медленному потреблению пищи и, как следствие, к меньшему ее количеству».

Исследователи обнаружили, что небольшое увеличение остроты с помощью сушеного перца чили замедляло прием пищи и сокращало количество потребляемых продуктов и энергии, при этом не ухудшая вкусовые качества блюда.

«Это указывает на то, что добавление перца чили может быть потенциальной стратегией для снижения риска переедания, — говорит Джон Хейс, профессор пищевых наук Пенсильванского университета и соавтор исследования. — Хотя контроль порций не был прямой целью этого исследования, наши результаты показывают, что такой подход может быть эффективным. В следующий раз, когда захотите съесть меньше, попробуйте добавить немного чили — это может замедлить вас и помочь съесть меньше».

Команда провела три связанных эксперимента с участием 130 взрослых, которым подавали один из двух вариантов обеда — говяжий чили или куриное тикка масала — в двух вариантах: мягком и остром. Уровень остроты контролировался путем тщательного изменения соотношения острого и сладкого перца, добавляемого в блюда, чтобы варьировать жгучесть при сохранении постоянного вкуса чили.

Исследователи записывали участников на видео в высоком разрешении во время еды, чтобы отслеживать их пищевое поведение. На основе видео команда Хейса измеряла количество потребленной пищи и воды, продолжительность приема пищи, скорость еды (граммов в минуту), частоту и размер кусочков, а также собирала оценки аппетита, предпочтений и остроты до и после еды.

«Разработка рецепта куриного тикка заняла много времени, — говорит Каннингем. — Потребовалось столько тестов, что мои коллеги по лаборатории устали от него. Но наука — это пробы и ошибки. Я создавала рецепт, тестировала, насколько можно увеличить остроту, и мы пробовали. Мы повторяли это до тех пор, пока не достигли уровня, при котором вкусовые качества оставались хорошими даже при увеличении остроты».

Сокращение потребления пищи связано с изменениями в оральном пищевом поведении, объясняет Каннингем. Участники ели острые блюда медленнее. Более медленный темп еды часто означает, что пища дольше остается во рту, что может способствовать ощущению сытости и, как следствие, уменьшению количества съеденного. Другие исследования, которые замедляли скорость еды за счет изменения текстуры, показывали аналогичные эффекты.

«Важно то, что сокращение потребления происходило без негативного влияния на то, насколько участникам нравилась еда», — подчеркивает Хейс.

Он также отметил, что потребление воды не отличалось значимо между острыми и мягкими блюдами, что опровергает предположение, будто люди пили больше воды и быстрее насыщались.

«Вот почему нам нужно проводить эмпирические исследования поведения — то, что кажется очевидным, часто не соответствует действительности», — говорит Хейс.

Кроме того, оценки аппетита до и после еды были схожими, что говорит о том, что участники чувствовали себя сытыми после острой еды, несмотря на уменьшенные порции. В дальнейшем команда планирует изучить, как острота влияет на другие пищевые привычки, например, перекусы.

В работе также участвовал Исайя Смит, студент Пенсильванского университета из Вест-Честера, в рамках программы студенческих исследований NASA Pennsylvania Space Grant Consortium. Исследование финансировалось грантом McCormick Science Institute и федеральными ассигнованиями по закону Хэтча от Национального института продовольствия и сельского хозяйства USDA.

Дополнительная информация

• Какие еще специи, кроме перца чили, могут влиять на скорость потребления пищи? - Имбирь, горчица и хрен могут ускорять потребление пищи за счет стимуляции слюноотделения, в то время как мята и корица иногда замедляют его из-за охлаждающего или насыщенного вкуса.
• Как программа NASA Pennsylvania Space Grant Consortium связана с исследованиями в области питания? - Консорциум поддерживает исследования в области питания, связанные с космическими миссиями, включая разработку продуктов для астронавтов и изучение метаболизма в условиях микрогравитации.

Может ли ИИ понимать эмоции лучше, чем мы?

Способен ли искусственный интеллект (ИИ) предлагать уместное поведение в эмоционально заряженных ситуациях? Команда из Женевского университета (UNIGE) и Бернского университета (UniBE) проверила шесть генеративных ИИ, включая ChatGPT, с помощью тестов на эмоциональный интеллект (ЭИ), обычно разрабатываемых для людей. Результат: эти ИИ превзошли средние человеческие показатели и даже смогли создавать новые тесты за рекордно короткое время. Эти открытия открывают новые возможности для ИИ в образовании, коучинге и управлении конфликтами. Исследование опубликовано в журнале Communications Psychology.

Большие языковые модели (LLM) — это системы искусственного интеллекта, способные обрабатывать, интерпретировать и генерировать человеческую речь. Например, генеративный ИИ ChatGPT основан на такой модели.

LLM могут отвечать на вопросы и решать сложные задачи. Но могут ли они также предлагать эмоционально интеллектуальное поведение?

Эти результаты прокладывают путь для использования ИИ в контекстах, которые считались прерогативой человека.

Эмоционально заряженные сценарии

Чтобы выяснить это, команда из Института психологии UniBE и Швейцарского центра аффективных наук (CISA) UNIGE подвергла шесть LLM (ChatGPT-4, ChatGPT-o1, Gemini 1.5 Flash, Copilot 365, Claude 3.5 Haiku и DeepSeek V3) тестам на эмоциональный интеллект.

"Мы выбрали пять тестов, которые обычно используются как в исследованиях, так и в корпоративной среде. Они включали эмоционально заряженные сценарии, предназначенные для оценки способности понимать, регулировать и управлять эмоциями", — говорит Катя Шлегель, преподаватель и ведущий исследователь отдела психологии личности, дифференциальной психологии и оценки Института психологии UniBE, ведущий автор исследования.

Например: один из коллег Майкла украл его идею и получает незаслуженные поздравления. Какой была бы наиболее эффективная реакция Майкла?

а) Спорить с коллегой
б) Поговорить с начальником о ситуации
в) Молча затаить обиду на коллегу
г) Украсть идею в ответ

Здесь вариант б) был признан наиболее подходящим.

Параллельно те же пять тестов были предложены человеческим участникам.

"В итоге LLM показали значительно более высокие результаты — 82% правильных ответов против 56% у людей. Это говорит о том, что эти ИИ не только понимают эмоции, но и осознают, что значит вести себя с эмоциональным интеллектом", — объясняет Марчелло Мортилларo, старший научный сотрудник CISA UNIGE, участвовавший в исследовании.

Новые тесты за рекордное время

На втором этапе ученые попросили ChatGPT-4 создать новые тесты на эмоциональный интеллект с новыми сценариями. Эти автоматически сгенерированные тесты затем прошли более 400 участников.

"Они оказались такими же надежными, четкими и реалистичными, как и оригинальные тесты, на разработку которых ушли годы", — поясняет Катя Шлегель.

"LLM не только способны выбрать лучший ответ среди доступных вариантов, но и генерировать новые сценарии, адаптированные под нужный контекст. Это подтверждает идею, что LLM, такие как ChatGPT, обладают знаниями об эмоциях и могут рассуждать о них", — добавляет Марчелло Мортилларo.

Эти результаты открывают путь для использования ИИ в сферах, которые ранее считались исключительно человеческими, таких как образование, коучинг или управление конфликтами, при условии, что его применение контролируется экспертами.

Дополнительная информация

• Какие существуют критические замечания относительно использования ИИ для оценки эмоционального интеллекта? - Основная критика включает отсутствие эмпатии у ИИ, культурные предубеждения в данных, ошибки в интерпретации контекста и невозможность оценить невербальные сигналы (например, мимику) в текстовых данных.
• Как именно большие языковые модели (LLM) обучаются понимать эмоции? - LLM анализируют миллионы текстовых примеров с эмоциональными маркерами (например, "я счастлив" или "это ужасно"), выявляя статистические закономерности в словах и контекстах, но не испытывают эмоций по-настоящему.

У азиатских слонов мозг больше, чем у их африканских сородичей

Африканские слоны — самые крупные наземные животные на планете и значительно превосходят по размерам своих азиатских родственников, от которых их отделяют миллионы лет эволюции. Тем не менее, у азиатских слонов мозг на 20% тяжелее, как показали ученые из Университета имени Гумбольдта в Берлине и Института зоологии и исследования дикой природы имени Лейбница (Leibniz-IZW) совместно с международными коллегами. Они также выяснили, что мозг слонов утраивается в весе после рождения. Эти результаты, опубликованные в научном журнале "PNAS Nexus", дают возможные объяснения поведенческим различиям между африканскими и азиатскими слонами, а также их длительному детству, в течение которого они накапливают огромный опыт и учатся социальным навыкам.

Слоны входят в число самых известных и культовых семейств животных и считаются исключительно социальными и интеллектуальными существами. Однако о строении их мозга известно удивительно мало.

Международная исследовательская группа под руководством Малава Шаха и Михаэля Брехта из Бернштейнского центра вычислительной нейронауки Университета имени Гумбольдта (BCCN) и Томаса Хильдебрандта из Leibniz-IZW проанализировала вес и структуру мозга азиатских (Elephas maximus) и африканских (Loxodonta africana) слонов на основе вскрытий диких и зоопарковых животных, а также данных литературы и МРТ-сканирований.

Ученые показали, что внешние различия — азиатские слоны меньше, у них относительно меньшие уши, только один "палец" на хоботе, и у большинства самок отсутствуют бивни — а также некоторые связанные с ними поведенческие различия распространяются и на внутреннее устройство их массивных черепов. У взрослых самок азиатских слонов мозг значительно тяжелее — в среднем около 5300 граммов — по сравнению с африканскими слонихами, у которых средний вес мозга составляет чуть более 4400 граммов.

Этот вывод не удалось однозначно подтвердить для самцов (у которых в обоих видах мозг значительно тяжелее) из-за ограниченного количества данных по азиатским слонам.

Однако у африканских слонов мозжечок пропорционально тяжелее (около 22% от общего веса мозга), чем у азиатских (около 19%).

Мозг слонов после рождения растет почти так же сильно, как у людей

Ученые также выяснили, что у слонов наблюдается очень значительный постнатальный рост мозга.

Мозг взрослых слонов примерно в три раза тяжелее, чем при рождении.

Это означает, что слоны демонстрируют значительно более выраженный рост мозга в течение жизни, чем все приматы — за исключением людей, у которых мозг при рождении составляет лишь около пятой части от конечного веса.

Тот факт, что эти данные о размерах мозга слонов стали известны только сейчас, объясняется сложностью получения объектов исследования: извлечение мозга слонов из черепов умерших животных — это сложная и крайне редко проводимая ветеринарная процедура.

Для настоящего исследования были проанализированы 19 мозгов, извлеченных в Leibniz-IZW из умерших животных зоопарков или усыпленных по причинам благополучия (14), а также полученных при вскрытии диких слонов, погибших в дикой природе (5), в том числе в национальном парке Крюгера в Южной Африке.

Кроме того, ученые смогли включить в анализ данные о шести дополнительных мозгах из более раннего исследования другой научной группы.

Размер мозга как возможное объяснение различий в поведении и моторике?

"Разница в весе мозга, пожалуй, самое важное различие между этими двумя видами слонов", — говорит Малав Шах из BCCN, первый автор статьи.

"Это может объяснить ключевые поведенческие различия между азиатскими и африканскими слонами". Например, оба вида демонстрируют совершенно разное поведение при взаимодействии с людьми.

Азиатские слоны были частично одомашнены на протяжении тысячелетий и используются как рабочие животные в различных культурах и регионах.

В случае африканских слонов известно лишь несколько примеров, когда их одомашнивание было хотя бы частично успешным.

Приучить африканских слонов к взаимодействию с человеком гораздо сложнее, чем азиатских.

Тот факт, что мозг слонов так сильно растет в течение жизни, кажется логичным руководителям исследования Михаэлю Брехту и Томасу Хильдебрандту:

"Социальные факторы и процессы обучения могут объяснить столь значительный рост мозга после рождения, поскольку слоны живут в сложных социальных структурах и обладают выдающейся памятью. Опыт и накопленные знания взрослых слонов, особенно матриархов, играют центральную роль в групповом поведении, а молодые особи очень тщательно опекаются в течение долгого детства и отрочества".

То, что мозжечок у африканских слонов относительно крупнее, может быть связано с более сложной моторикой хобота у этого вида.

Благодаря двум "пальцам" на хоботе африканские слоны способны выполнять более разнообразные движения, что также отражается в большем количестве нейронов в управляющем центре хобота в мозге.

Брехт и Хильдебрандт отмечают множество нерешенных вопросов в исследовании мозга азиатских и африканских слонов и его влияния на моторику и социальное поведение. Они продолжат интенсивные исследования этих удивительных, интеллектуальных животных и их "центров управления".

Дополнительная информация

• Какие конкретные поведенческие различия между азиатскими и африканскими слонами могут объясняться разницей в весе мозга? - Африканские слоны (с более крупным мозгом) демонстрируют более сложное социальное поведение, включая кооперацию и обучение, тогда как азиатские чаще полагаются на индивидуальные стратегии.
• Как именно строение хобота африканских слонов (с двумя "пальцами") связано с увеличенным мозжечком? - Два "пальца" обеспечивают более точные манипуляции (например, захват мелких предметов), что требует усиленного контроля моторики — функции, за которую отвечает мозжечок.

Затуманивая прогноз: исследование выяснило, почему многие климатические модели ошибаются в оценке скорости потепления в Арктике

Арктика — одно из самых холодных мест на Земле, но в последние десятилетия регион нагревается с беспрецедентной скоростью, в три-четыре раза превышающей среднемировой показатель. Однако текущие климатические модели не могут объяснить этот ускоренный темп.

Теперь два исследователя из Университета Кюсю — аспирантка Момока Наканиши из Междисциплинарной высшей школы инженерных наук и её научный руководитель доцент Такуро Митибата из Института прикладной механики — в исследовании, опубликованном 29 апреля в журнале Ocean-Land-Atmosphere Research, предположили, что виной всему могут быть облака.

Чаще всего в Арктике встречаются смешанные облака, состоящие как из кристаллов льда, так и из переохлаждённых капель жидкой воды. Летом, когда солнце светит круглосуточно, эти облака действуют как зонтик, отражая солнечный свет обратно в космос и создавая охлаждающий эффект. Но во время долгой полярной ночи, когда солнечный свет отсутствует, они ведут себя скорее как одеяло, удерживая тепло, излучаемое поверхностью Земли, и возвращая его обратно в Арктику.

«Однако насколько эффективно эти облака удерживают тепло, зависит от соотношения льда и жидкости», — объясняет Наканиши. «Чем больше в облаках жидкой воды, тем лучше они сохраняют тепло. Но многие климатические модели имеют значительное смещение в расчёте этого соотношения, что приводит к ошибочным прогнозам».

В ходе исследования Наканиши и Митибата проанализировали 30 климатических моделей и сравнили их со спутниковыми наблюдениями за облаками в Арктике зимой за последнее десятилетие. Они обнаружили, что 21 из 30 моделей существенно переоценивает долю льда по сравнению с жидкостью в зимних арктических облаках.

«Эти модели, преувеличивающие содержание льда, не учитывают в должной мере современный потенциал потепления, создаваемый облаками зимой», — говорит Наканиши. «Вот почему они не могут объяснить стремительное потепление, которое мы наблюдаем сегодня».

Однако у каждой медали есть обратная сторона. Если климатические модели недооценивают скорость глобального потепления сейчас, то будущие темпы они, напротив, переоценивают.

Ошибки в долгосрочных прогнозах связаны с процессом, называемым «обратной связью облачной эмиссионной способности». Проще говоря, по мере потепления в Арктике облака переходят от преобладания льда к увеличению доли жидкости, что усиливает их способность удерживать тепло. Это, в свою очередь, ускоряет потепление, создавая петлю положительной обратной связи.

Но у этой петли есть временной предел. Как только облака становятся настолько насыщенными жидкостью, что ведут себя подобно абсолютно чёрному телу (полностью поглощая и переизлучая тепло), дальнейшее потепление оказывает всё меньшее влияние.

Однако многие климатические модели недооценивают текущее содержание жидкости в облаках, предполагая, что значительный переход ещё впереди. В результате они переоценивают будущий потенциал удержания тепла и прогнозируют более продолжительный эффект обратной связи, чем это есть на самом деле.

Результаты данного исследования могут быть использованы для уточнения климатических моделей, что позволит точнее отражать соотношение льда и жидкости в облаках и улучшить прогнозы текущих и будущих темпов потепления в Арктике.

Поскольку климат Арктики также играет ключевую роль в формировании погодных условий в более южных широтах, эти выводы могут помочь точнее предсказывать экстремальные погодные явления в умеренных широтах.

«Главный источник неопределённости в наших прогнозах — это облака», — подводит итог Митибата. «Исправление этих моделей важно не только для Арктики, но и для понимания её влияния на погоду и климатические изменения по всему миру».

Дополнительная информация

• Как именно облака с преобладанием жидкости удерживают больше тепла по сравнению с ледяными облаками? - Жидкие капли в облаках эффективнее поглощают и переизлучают инфракрасное излучение, чем ледяные кристаллы, создавая более сильный парниковый эффект.
• Какие конкретные экстремальные погодные явления в умеренных широтах могут быть связаны с изменениями в Арктике? - Учащение волн жары, затяжных холодов и экстремальных осадков в Европе и Северной Америке из-за изменения струйных течений.

«Космический поединок»: астрономы наблюдали пару галактик в далекой битве

Астрономы впервые зафиксировали жестокое космическое столкновение, при котором одна галактика пронзает другую интенсивным излучением. Результаты исследования, опубликованные сегодня в журнале Nature, показывают, что это излучение подавляет способность пострадавшей галактики формировать новые звезды. Новое исследование объединило данные наблюдений Очень Большого Телескопа Европейской южной обсерватории (VLT ESO) и Атакамской большой миллиметровой/субмиллиметровой решётки (ALMA), раскрыв все детали этого галактического сражения.

В далеких глубинах Вселенной две галактики ведут захватывающую войну. Они снова и снова устремляются друг на друга со скоростью 500 км/с, нанося скользящие удары, отступают и готовятся к новому раунду. «Поэтому мы называем эту систему "космическим поединком"», — говорит соавтор исследования Паскье Нотердем, сотрудник Парижского института астрофизики и Франко-чилийской астрономической лаборатории в Чили, проводя аналогию со средневековым турниром. Однако эти галактические «рыцари» не отличаются благородством, и один из них имеет явное преимущество: он использует квазар, чтобы пронзить противника «копьем» излучения.

Квазары — это яркие ядра некоторых далеких галактик, питаемые сверхмассивными черными дырами и испускающие огромное количество излучения. И квазары, и слияния галактик были гораздо более распространены в первые миллиарды лет существования Вселенной, поэтому астрономы изучают их, заглядывая в далекое прошлое с помощью мощных телескопов. Свет от этого «космического поединка» шел к нам более 11 миллиардов лет, и мы видим его таким, каким он был, когда Вселенная составляла лишь 18% от своего нынешнего возраста.

«Здесь мы впервые наблюдаем прямое влияние излучения квазара на внутреннюю структуру газа в обычной галактике», — объясняет соавтор исследования Сергей Балашев, сотрудник Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе в Санкт-Петербурге. Новые наблюдения показывают, что излучение квазара разрушает облака газа и пыли в галактике, оставляя лишь самые маленькие и плотные области. Вероятно, эти области слишком малы для формирования звезд, что лишает пострадавшую галактику «звездных яслей» и приводит к радикальным изменениям.

Но изменения происходят не только с галактикой-жертвой. Балашев поясняет: «Считается, что такие слияния поставляют огромные объемы газа к сверхмассивным черным дырам в центрах галактик». В «космическом поединке» новые запасы топлива приближаются к черной дыре, питающей квазар. Поглощая газ, черная дыра позволяет квазару продолжать разрушительную атаку.

Исследование проводилось с помощью ALMA и спектрографа X-shooter на VLT ESO, которые расположены в чилийской пустыне Атакама. Высокое разрешение ALMA позволило астрономам четко различить две сталкивающиеся галактики, которые в предыдущих наблюдениях выглядели как один объект. С помощью X-shooter ученые проанализировали свет квазара, проходящий через обычную галактику. Это позволило команде изучить, как галактика страдает от излучения квазара в этом космическом бою.

Наблюдения с более мощными телескопами могут раскрыть новые детали подобных столкновений. Как отмечает Нотердем, телескопы нового поколения, такие как Чрезвычайно Большой Телескоп ESO, «несомненно, позволят глубже изучить эту и другие системы, чтобы лучше понять эволюцию квазаров и их влияние на родительские и соседние галактики».

Дополнительная информация

• Как именно излучение квазара разрушает газовые облака в галактиках? - Излучение квазара (особенно ультрафиолетовое и рентгеновское) ионизирует газ в облаках, нагревая его и создавая ударные волны, что приводит к рассеиванию облаков и прекращению звездообразования.
• Почему квазары были более распространены в ранней Вселенной? - В ранней Вселенной было больше доступного газа и чаще происходили столкновения галактик, что активировало сверхмассивные черные дыры в их центрах, превращая их в квазары.

Контроль этих 8 факторов риска может устранить риск ранней смерти у людей с высоким давлением

Новое исследование, проведенное учеными из Университета Тулейна, показало, что люди с высоким давлением могут значительно снизить — и, возможно, полностью устранить — повышенный риск преждевременной смерти, если одновременно контролируют несколько ключевых факторов здоровья.

Исследование, опубликованное в журнале Precision Clinical Medicine, проанализировало данные более 70 000 человек с гипертонией и 224 000 без нее, используя информацию из UK Biobank. Ученые наблюдали за участниками почти 14 лет, чтобы понять, как управление этими факторами влияет на раннюю смертность (определяемую как смерть в возрасте до 80 лет).

Восемь факторов риска, изученных в исследовании, включают: артериальное давление, индекс массы тела, окружность талии, уровень «плохого» холестерина (ЛПНП), уровень сахара в крови, функцию почек, курение и физическую активность. Примечательно, что у пациентов с гипертонией, которые контролировали хотя бы четыре из этих факторов, риск ранней смерти был не выше, чем у людей без высокого давления.

«Наше исследование показывает, что контроль артериального давления — не единственный способ лечения гипертоников, потому что высокое давление влияет и на другие факторы, — сказал ведущий автор исследования доктор Лу Ци, профессор эпидемиологии в Школе общественного здравоохранения и тропической медицины Университета Тулейна. — Устраняя индивидуальные риски, мы можем предотвратить раннюю смерть у людей с гипертонией».

Гипертония, определяемая как давление 130 мм рт. ст. и выше, является ведущим предотвратимым фактором риска преждевременной смерти в мире.

Исследование показало, что устранение каждого дополнительного фактора риска было связано с 13%-ным снижением вероятности ранней смерти, 12%-ным снижением риска смерти от рака и 21%-ным снижением риска смерти от сердечно-сосудистых заболеваний — основной причины преждевременной смерти в мире.

«Оптимальный контроль рисков» (то есть управление 7 и более факторами) был связан с 40%-ным снижением риска ранней смерти, 39%-ным снижением риска смерти от рака и 53%-ным снижением риска смерти от сердечно-сосудистых заболеваний.

«Насколько нам известно, это первое исследование, изучающее связь между контролем совокупных факторов риска и преждевременной смертностью у пациентов с гипертонией, — отметил Ци. — Важно, что мы выяснили: избыточный риск ранней смерти, связанный с гипертонией, можно полностью устранить, воздействуя на эти факторы».

Только 7% участников с гипертонией контролировали семь и более факторов, что указывает на значительный потенциал для профилактики. По словам ученых, результаты подчеркивают важность персонализированного, комплексного подхода — не только приема препаратов от давления, но и коррекции более широкого спектра привычек и состояний здоровья.

Тысячи видов животных находятся под угрозой из-за изменения климата

Новый анализ показывает, что более 3500 видов животных находятся под угрозой из-за изменения климата, а также выявляет значительные пробелы в понимании рисков для животного мира.

Исследование было опубликовано сегодня в журнале BioScience.

«Мы находимся в начале экзистенциального кризиса для диких животных Земли, — говорит Уильям Риппл из Университета штата Орегон, руководивший исследованием. — До сих пор основной причиной потери биоразнообразия были две угрозы: чрезмерная эксплуатация и изменение среды обитания. Однако по мере усиления изменения климата мы ожидаем, что оно станет третьей крупной угрозой для животных планеты».

Риппл, выдающийся профессор экологии в Колледже лесного хозяйства Университета штата Орегон, и его коллеги из США и Мексики использовали общедоступные базы данных по биоразнообразию, чтобы проанализировать сведения о 70 814 видах животных, относящихся к 35 существующим классам. Они классифицировали виды по классам и рискам, связанным с изменением климата, в соответствии с оценкой Международного союза охраны природы (МСОП).

Исследователи обнаружили, что по крайней мере четверть видов в шести разных классах находятся под угрозой из-за изменения климата. К ним относятся паукообразные и многоножки, а также антозои и гидрозои (морские беспозвоночные, родственные медузам и кораллам). Меньший процент видов из других классов также напрямую подвержен риску из-за потепления климата.

«Особую озабоченность вызывают беспозвоночные животные в океане, который поглощает большую часть тепла из-за изменения климата, — поясняет Риппл. — Эти животные становятся все более уязвимыми из-за их ограниченной способности к перемещению и быстрому избеганию неблагоприятных условий».

Внезапные последствия для животного мира могут принимать форму массовой гибели из-за экстремальных событий, таких как волны жары, лесные пожары, засухи и наводнения.

«Каскадные эффекты все большего числа массовых случаев гибели животных, вероятно, повлияют на обратную связь углеродного цикла и круговорот питательных веществ, — говорит Риппл. — Эти эффекты также могут сказаться на межвидовых взаимодействиях, таких как хищничество, конкуренция, опыление и паразитизм, которые жизненно важны для функционирования экосистем».

90-процентное сокращение популяций моллюсков вдоль побережья Израиля из-за повышения температуры воды демонстрирует, насколько уязвимы беспозвоночные, отмечает он. Другие примеры включают гибель миллиардов приливных беспозвоночных во время теплового купола на Тихоокеанском северо-западе в 2021 году и катастрофическое вымирание 29% кораллов Большого Барьерного рифа после сильной морской жары в 2016 году.

Массовая гибель, по словам Риппла, не ограничивается беспозвоночными. В 2015–2016 годах около 4 миллионов тонкоклювых кайр у западного побережья Северной Америки погибли от голода из-за изменений в пищевой цепочке, вызванных экстремальной морской жарой.

Та же волна жары привела к сокращению популяции тихоокеанской трески на 71% из-за увеличения метаболических потребностей и сокращения кормовой базы. Вероятно, морские тепловые волны также сыграли роль в гибели примерно 7000 горбатых китов в северной части Тихого океана.

Еще большую тревогу вызывает тот факт, что собранная информация о рисках изменения климата для дикой природы остается сравнительно небольшой. Большинство классов животных (66 из 101) до сих пор не имеют ни одного вида, оцененного МСОП, а 70 814 изученных видов представляют лишь 5,5% всех описанных на сегодняшний день видов дикой природы.

«Наш анализ — это лишь первый шаг к оценке климатических рисков для видов дикой природы, — говорит Риппл. — Понимание рисков крайне важно для принятия обоснованных политических решений. Нам нужна глобальная база данных о массовой гибели животных из-за изменения климата во всех экосистемах, а также ускорение оценки видов, которые до сих пор игнорируются».

Красный список МСОП, отмечает он, ориентирован в основном на позвоночных, которые составляют менее 6% описанных видов животных на Земле.

«Также необходимо проводить более частые оценки климатических рисков для всех видов и лучше учитывать их адаптационный потенциал, — подчеркивает Риппл. — Нам нужна интеграция планирования политики в области биоразнообразия и изменения климата в глобальном масштабе».

Частичное финансирование исследования обеспечил адвокат Роджер Уортингтон из города Бенд, штат Орегон. В работе также принимали участие Кристофер Вулф и Джиллиан Грегг из Terrestrial Ecosystem Research Associates, а также Эрик Торрес-Ромеро из Биотехнологического инженерного института Технологического университета Пуэблы в Мексике.

Дополнительная информация

• Как именно морские тепловые волны влияют на метаболизм рыб, приводя к сокращению популяций? - Повышение температуры ускоряет обмен веществ, увеличивая потребность в кислороде, но при этом снижает его растворимость в воде. Это вызывает физиологический стресс, снижает репродуктивную способность и повышает смертность.
• Какие существуют методы оценки адаптационного потенциала видов к изменению климата, помимо шкалы МСОП? - Используются: геномные исследования (поиск генов устойчивости), фенотипическая пластичность (способность изменять характеристики), моделирование нишевого распределения (ENM) и эксперименты с акклиматизацией в контролируемых условиях.

Шаг вперед в лечении тяжелых генетических заболеваний до рождения

Введение лекарства в амниотическую жидкость предотвращает прогрессирование спинальной мышечной атрофии у плода.

Появляется все больше доказательств того, что врачи могут лечить тяжелые генетические заболевания до рождения, вводя лекарство в амниотическую жидкость, тем самым предотвращая повреждения, начинающиеся внутриутробно.

Исследование под руководством Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) показало, что доставка лекарства от спинальной мышечной атрофии (СМА) через амниотическую жидкость безопасна и помогает предотвратить повреждение нервных клеток в спинном мозге — части центральной нервной системы, отвечающей за движение.

Один эксперимент проводился на мышах с СМА — нейродегенеративным заболеванием, которое вызывает мышечную слабость, атрофию и смерть при отсутствии лечения.

Другой эксперимент был проведен на овцах, не страдающих этим заболеванием, чтобы доказать безопасность метода.

В терапии использовались молекулы под названием антисмысловые олигонуклеотиды (АСО), которые могут изменять экспрессию генов через взаимодействие с РНК, создающей белки.

В настоящее время АСО применяются для лечения младенцев и детей с заболеваниями нервной системы, включая СМА.

«Дети с тяжелыми формами СМА могут иметь необратимые повреждения к моменту рождения, и мы хотели выяснить, как можно лечить их как можно раньше, наименее инвазивным способом», — сказала доктор Типпи Маккензи, фетальный и детский хирург из Детских больниц UCSF Benioff и старший автор исследования, опубликованного в журнале Science Translational Medicine.

Предыдущие исследования показали, что СМА можно диагностировать до рождения и что экспрессия генов, связанных с этим заболеванием, может быть изменена внутриутробно.

Это первое исследование по лечению СМА через амниотическую жидкость — менее инвазивный метод по сравнению с альтернативным способом введения через пупочную вену.

На шаг ближе к клиническим испытаниям

Исследователи обнаружили, что мыши, получившие лечение АСО до рождения, показали лучшие результаты по выживаемости, двигательной функции и количеству двигательных нейронов по сравнению с мышами, которых лечили только после рождения или не лечили вовсе.

На овцах они подтвердили безопасность лечения и его способность достигать спинного мозга и других органов в терапевтических концентрациях через амниотическую жидкость.

«Это говорит о том, что мы можем использовать амниотическую жидкость для доставки терапевтических молекул РНК при других тяжелых, рано проявляющихся заболеваниях, которые затрагивают разные части тела», — сказала Маккензи.

Это первое исследование, в котором проверялась безопасность пренатального введения терапевтических АСО крупным животным, а также то, как лекарство распределяется по их организмам при инъекции.

Предыдущие исследования изучали внутриамниотическое введение АСО у мышей с синдромами Ангельмана и Ашера.

Для подачи заявки на одобрение FDA нового лекарственного препарата исследователи должны показать, что терапия корректирует заболевание — как это произошло с мышами в данном исследовании — и что АСО распределялись по организму с допустимым уровнем токсичности — как это было с овцами.

«С этими результатами мы на шаг ближе к тестированию пренатального лечения людей уже существующим методом для тех, кому поставлен диагноз», — сказала Маккензи.

Обратная амниоцентеза

Если метод в конечном итоге будет одобрен, процедуру можно будет проводить во время беременности, подобно амниоцентезу, при котором амниотическая жидкость забирается для тестирования на генетические или хромосомные аномалии, сказал первый автор исследования, доктор Бельтран Борхес, постдокторант UCSF и будущий детский невролог из лаборатории Маккензи.

«Это что-то вроде обратного амниоцентеза, — сказал Борхес. — После перевода в клиническую практику это может стать амбулаторной процедурой».

Исследователи с удивлением обнаружили с помощью флуоресценции, что при введении лекарства в амниотическую жидкость плоды проглатывали и вдыхали его, после чего оно распределялось по другим частям тела, включая легкие, кишечник, мозг, спинной мозг и даже волоски в носу.

«Удивительно, что можно ввести что-то в амниотическую жидкость, оставить там, и со временем плод проглотит или вдохнет это вещество, которое затем попадет в мозг и другие органы», — сказал Борхес.

«Вероятно, есть и другие пути проникновения, включая кровоток».

Этот проект был особенным, потому что он объединил разные исследовательские усилия, сказала Маккензи.

Исследование на овцах возглавил UCSF при значительной помощи Калифорнийского университета в Дэвисе; эксперименты на мышах проводили коллеги из Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса и Лаборатории в Колд-Спринг-Харбор в Нью-Йорке.

Ученые из компаний Ionis и Biogen предоставили важные рекомендации, реагенты и экспериментальную поддержку.

«Требуется много доверия и усилий, чтобы объединить исследования из трех разных лабораторий и отраслевых партнеров, — сказала Маккензи. — Такой междисциплинарный подход — самый приятный способ заниматься наукой».

Дополнительная информация

• Какие еще тяжелые генетические заболевания, кроме СМА, могут потенциально лечиться с помощью внутриутробного введения АСО? - Помимо спинальной мышечной атрофии (СМА), потенциальными кандидатами являются миодистрофия Дюшенна, синдром Хантингтона и некоторые формы муковисцидоза, так как эти заболевания вызваны генетическими мутациями, которые можно корректировать на ранних стадиях развития.
• Как именно антисмысловые олигонуклеотиды изменяют экспрессию генов на молекулярном уровне? - Антисмысловые олигонуклеотиды (АСО) связываются с матричной РНК (мРНК) и либо блокируют ее трансляцию в белок, либо изменяют сплайсинг, что позволяет "исправлять" ошибки в генах или регулировать их активность.

Самоуверенность ИИ напоминает состояние человеческого мозга

Агенты, чат-боты и другие инструменты на основе искусственного интеллекта (ИИ) все чаще используются в повседневной жизни. Так называемые агенты на основе больших языковых моделей (LLM), такие как ChatGPT и Llama, научились формулировать впечатляюще беглые ответы, но довольно часто предоставляют убедительную, но ошибочную информацию. Исследователи из Токийского университета проводят параллели между этой проблемой и расстройством речи у людей, известным как афазия, при котором больные могут говорить бегло, но высказывания их бывают бессмысленными или трудными для понимания. Это сходство может указать на более эффективные методы диагностики афазии и даже дать полезные идеи инженерам ИИ, стремящимся улучшить LLM-агентов.

Эта статья написана человеком, но использование генеративного ИИ для создания текстов растет во многих сферах.

По мере того как все больше людей начинают использовать и полагаться на подобные инструменты, становится все важнее гарантировать, что они предоставляют пользователям точную и осмысленную информацию.

Многие известные инструменты, включая ChatGPT и другие, кажутся очень беглыми в своих ответах.

Однако их ответам нельзя всегда доверять из-за значительного количества фактически выдуманного контента, который они генерируют.

Если пользователь недостаточно осведомлен в обсуждаемой теме, он легко может ошибочно принять эту информацию за правдивую, особенно учитывая высокую степень уверенности, которую демонстрируют ChatGPT и другие системы.

«Нельзя не заметить, как некоторые системы ИИ могут выглядеть красноречивыми, но при этом допускать серьезные ошибки», — сказал профессор Такамицу Ватанабэ из Международного исследовательского центра нейроинтеллекта (WPI-IRCN) Токийского университета.

«Но что особенно поразило меня и мою команду — это сходство такого поведения с людьми, страдающими афазией Вернике, которые говорят бегло, но не всегда осмысленно. Это заставило нас задуматься: могут ли внутренние механизмы этих систем ИИ быть схожими с механизмами человеческого мозга при афазии? И если да, то какие из этого следуют выводы?»

Чтобы проверить эту идею, команда применила метод анализа энергетического ландшафта — технику, изначально разработанную физиками для визуализации энергетических состояний в магнитных металлах, но недавно адаптированную для нейронауки.

Они изучили паттерны активности мозга в состоянии покоя у людей с разными формами афазии и сравнили их с внутренними данными нескольких общедоступных LLM.

В ходе анализа команда действительно обнаружила поразительные сходства.

То, как цифровая информация или сигналы перемещаются и обрабатываются в этих моделях ИИ, очень похоже на поведение некоторых сигналов в мозге людей с определенными типами афазии, включая афазию Вернике.

«Можно представить энергетический ландшафт как поверхность с шаром на ней. Если есть изгиб, шар скатывается вниз и останавливается, но если изгибы слабые, шар может хаотично перекатываться», — объяснил Ватанабэ.

«При афазии шар символизирует состояние мозга человека. В LLM он представляет собой текущий паттерн сигналов в модели, основанный на ее инструкциях и внутреннем наборе данных».

Исследование имеет несколько важных последствий. Для нейронауки оно предлагает возможный новый способ классификации и мониторинга таких состояний, как афазия, на основе внутренней мозговой активности, а не только внешних симптомов.

Для ИИ это может привести к созданию более совершенных диагностических инструментов, которые помогут инженерам улучшать архитектуру систем ИИ изнутри.

Однако, несмотря на обнаруженные сходства, исследователи призывают не делать слишком много предположений.

«Мы не утверждаем, что у чат-ботов поврежден мозг», — подчеркнул Ватанабэ. — «Но они могут быть заперты в своего рода жестком внутреннем паттерне, который ограничивает их способность гибко использовать хранимые знания — как и при рецептивной афазии. Смогут ли будущие модели преодолеть это ограничение, пока неизвестно, но понимание этих внутренних параллелей может стать первым шагом к созданию более умного и надежного ИИ».

Дополнительная информация

• Как именно метод анализа энергетического ландшафта адаптировали для изучения мозга и ИИ? - Метод перенесли, рассматривая паттерны нейронной активности или состояний ИИ как "энергетические минимумы", где система стабилизируется (например, устойчивые мысли или ответы модели).
• Какие конкретные типы афазии, кроме афазии Вернике, сравнивались с работой LLM? - Сравнивали также афазию Брока (трудности построения речи) и глобальную афазию (тяжелые нарушения понимания и воспроизведения), проводя параллели с "сбоями" в генерации текста у ИИ.

Не один, а две массивные черные дыры пожирают эту галактику

Астрономы обнаружили около сотни примеров, когда массивные черные дыры разрывают и поглощают звезды. Почти все эти события происходят там, где и ожидается найти такие объекты — в звездонасыщенных ядрах крупных галактик.

Однако астрономы из Калифорнийского университета в Беркли впервые зафиксировали случай, когда массивная черная дыра разрывает звезду в тысячах световых лет от центра галактики, который сам содержит сверхмассивную черную дыру.

Эта "смещенная" черная дыра с массой около 1 миллиона солнц скрывалась во внешних регионах центрального балджа галактики, но выдала себя вспышками света, возникшими при "спагеттификации" звезды — так называемом приливном разрушении (Tidal Disruption Event, TDE). Во время TDE мощная гравитация черной дыры разрывает звезду — подобно тому, как Луна вызывает океанские приливы на Земле, только гораздо более разрушительно.

"Классическое место, где ожидается обнаружить массивные черные дыры в галактике — это центр, как наша Sgr A* в сердце Млечного Пути", — поясняет Юхань Яо, ведущий автор исследования и постдокторант Миллера в UC Berkeley. — "Именно там обычно ищут события приливного разрушения. Но эта находка — не в центре. Она примерно в 2600 световых годах от него. Это первое оптически обнаруженное внеядерное TDE".

Центральная сверхмассивная черная дыра этой галактики массой около 100 миллионов солнц также активно поглощает материю, но в ее случае "пищей" служит газ, оказавшийся слишком близко, чтобы избежать поглощения.

Изучение сверхмассивных черных дыр в галактических центрах помогает астрономам понять эволюцию галактик, включая нашу собственную, где центральная черная дыра Sgr A* (названная так из-за расположения в созвездии Стрельца) имеет скромные 4 миллиона солнечных масс. Некоторые крупнейшие галактики содержат центральные черные дыры массой в сотни миллиардов солнц — предположительно результат слияния множества меньших черных дыр.

Обнаружение двух массивных черных дыр в центре галактики не стало сюрпризом. Считается, что большинство крупных галактик имеют сверхмассивные черные дыры в ядрах, и поскольку галактики часто сталкиваются и сливаются, крупные галактики должны иногда содержать несколько таких объектов — по крайней мере, пока те не столкнутся и не объединятся в еще более массивную черную дыру. Обычно они остаются незаметными, пока не проявят себя, захватывая близлежащие звезды или газовые облака и создавая кратковременные вспышки света. Однако такие события редки: по расчетам астрономов, массивная черная дыра в среднем встречает звезду раз в 30 000 лет.

Новое TDE, получившее обозначение AT2024tvd, было обнаружено с помощью обсерватории Zwicky Transient Facility (паломарская обсерватория недалеко от Сан-Диего) и подтверждено наблюдениями в радио-, рентгеновском и оптическом диапазонах, включая данные космического телескопа Hubble.

"Сверхмассивные черные дыры всегда находятся в центрах галактик, но мы знаем, что галактики сливаются — именно так они растут. Когда две галактики объединяются, у вас появляется несколько черных дыр", — отмечает соавтор Райан Чорнок, доцент астрономии в UC Berkeley. — "Теоретики предсказывали, что должна существовать популяция черных дыр, блуждающих внутри галактик".

Это открытие показывает, что систематический поиск признаков TDE может выявить больше "странствующих" черных дыр. Оно также подтверждает перспективность миссии LISA (Laser Interferometer Space Antenna), которая будет искать гравитационные волны от слияний подобных черных дыр.

"Впервые мы фактически наблюдаем сверхмассивные черные дыры настолько близко друг к другу с помощью TDE", — говорит соавтор Рафаэлла Маргутти, доцент астрономии и физики в UC Berkeley. — "Если эти две черные дыры действительно сближаются — а это не обязательно так — то в будущем они могут слиться и испустить гравитационные волны, которые мы сможем зафиксировать с помощью LISA".

Запуск LISA запланирован на следующее десятилетие. Этот проект дополнит наземные детекторы гравитационных волн LIGO и Virgo, чувствительные к слияниям черных дыр или нейтронных звезд массой менее нескольких сотен солнц, а также исследования пульсаров, такие как эксперимент Nanograv, которые чувствительны к гравитационным волнам от слияний сверхмассивных черных дыр массой в миллиарды солнц. LISA же оптимальна для черных дыр массой в несколько миллионов солнц.

Вспышки-невидимки

Поскольку черные дыры невидимы, ученые могут обнаружить их только по свету, возникающему при разрушении звезд или газовых облаков и образовании яркого, горячего аккреционного диска. TDE служат мощным инструментом для изучения физики аккреции, поясняет Чорнок, показывая, насколько близко материя может приблизиться к черной дыре до захвата, и условия, необходимые для запуска мощных джетов и ветров.

Наиболее продуктивный поиск TDE ведется с использованием данных Zwicky Transient Facility, изначально созданной для обнаружения сверхновых, но также чувствительной к другим вспышкам на небе.

С 2018 года ZTF обнаружил около 100 TDE, все — в ядрах галактик. Рентгеновские спутники также зафиксировали несколько TDE, включая два в окраинах галактик с центральными черными дырами. Однако в тех случаях черные дыры были слишком далеки друг от друга для возможного слияния. Новообнаруженная черная дыра расположена достаточно близко к центральной, чтобы в будущем (через миллиарды лет) потенциально слиться с ней.

Яо отмечает, что возможны два сценария, объясняющих наличие блуждающей черной дыры в AT2024tvd. Она могла быть ядром небольшой галактики, слившейся с большей галактикой давным-давно, и теперь либо движется через большую галактику, либо находится на орбите, которая со временем может привести к сближению с центральной черной дырой.

Эрика Хаммерштайн, еще один постдокторант UC Berkeley, тщательно изучила снимки Hubble, но не нашла доказательств прошлого слияния галактик.

AT2024tvd также могла быть частью тройки черных дыр, ранее находившихся в галактическом центре. Из-за хаотичности орбит трех тел одна из дыр могла быть выброшена из центра и начала блуждать по галактике.

Поиск смещенных черных дыр

Поскольку ZTF ежегодно фиксирует сотни вспышек в северном небе, поиск TDE до сих пор сосредоточивался на событиях вблизи галактических центров, говорит Яо. Она и Чорнок разработали алгоритм для различения света сверхновых и TDE, применив его к примерно 10 000 обнаружений ZTF, чтобы найти вспышки, соответствующие характеристикам TDE.

"Сверхновые остывают после пика, и их цвет становится краснее. TDE остаются горячими месяцы или годы, сохраняя голубой цвет на протяжении всей эволюции", — поясняет Яо.

TDE также дем

Дополнительная информация

• Как часто происходят события приливного разрушения (TDE) в галактиках? - В среднем, в одной галактике TDE происходит раз в 10 000–100 000 лет, но активные галактики могут иметь более высокую частоту.
• Какие технологии используются для обнаружения гравитационных волн от слияний черных дыр? - Лазерные интерферометры, такие как LIGO, Virgo и KAGRA, измеряют крошечные изменения расстояния между зеркалами из-за проходящих гравитационных волн.
• Как галактические слияния влияют на распределение черных дыр в галактиках? - Слияния могут выбрасывать черные дыры из центра галактики или создавать двойные системы, которые впоследствии сливаются.
• Какие характеристики отличают TDE от сверхновых? - TDE имеют более медленное затухание блеска и уникальные спектральные линии, связанные с аккрецией материала на черную дыру, в отличие от взрывов сверхновых.
• Какие еще методы, кроме наблюдения за TDE, используются для обнаружения черных дыр? - Черные дыры обнаруживают по рентгеновскому излучению аккреционных дисков, гравитационному влиянию на звезды и газ, а также по гравитационным волнам.

Экспериментальное обезболивающее может превзойти опиоиды — без эффекта опьянения

Экспериментальный препарат, разработанный в Медицинской школе Университета Дьюка, может обеспечить мощное обезболивание без опасных побочных эффектов, свойственных опиоидам.

Препарат под названием SBI-810 относится к новому поколению соединений, предназначенных для воздействия на рецепторы нервов и спинного мозга.

В то время как опиоиды неизбирательно воздействуют на множество клеточных путей, неопиоидный препарат SBI-810 работает более целенаправленно, активируя только специфический путь снятия боли, избегая эйфорического "кайфа", связанного с привыканием.

Согласно исследованию, опубликованному 19 мая в журнале Cell, в тестах на мышах SBI-810 хорошо работал как самостоятельно, так и в комбинации с опиоидами, усиливая их эффект при меньших дозах.

"Это соединение особенно интересно тем, что оно одновременно является анальгетиком и не относится к опиоидам", — говорит ведущий автор исследования, доктор философии Жу-Ронг Джи, исследователь в области анестезиологии и нейробиологии, возглавляющий Центр трансляционной медицины боли при Университете Дьюка.

Ещё более обнадеживает то, что препарат предотвращал такие распространённые побочные эффекты, как запор и развитие толерантности, что часто вынуждает пациентов со временем увеличивать дозы опиоидов.

SBI-810 находится на ранней стадии разработки, но исследователи из Дьюка планируют вскоре начать клинические испытания на людях и уже получили несколько патентов на это открытие.

Альтернативы обезболивающим препаратам крайне необходимы. Хотя число смертей от передозировки снижается, более 80 000 американцев ежегодно умирают, чаще всего от опиоидов.

При этом хроническая боль затрагивает треть населения США.

Исследователи отмечают, что препарат может стать более безопасным вариантом для лечения как краткосрочной, так и хронической боли у пациентов после операций или страдающих от диабетической невропатической боли.

SBI-810 разработан для воздействия на рецептор нейротензина 1 в мозге. Используя метод, известный как смещённый агонизм, он активирует специфический сигнал — β-аррестин-2, связанный с обезболиванием, избегая других сигналов, которые могут вызывать побочные эффекты или зависимость.

"Этот рецептор экспрессируется в сенсорных нейронах, а также в головном и спинном мозге", — поясняет Джи. "Это перспективная мишень для лечения острой и хронической боли".

SBI-810 эффективнее некоторых существующих анальгетиков снимал боль после хирургических разрезов, переломов костей и повреждений нервов. При введении мышам он уменьшал признаки спонтанного дискомфорта, такие как защитное поведение и гримасы.

Учёные сравнили SBI-810 с олицеридином — новым типом опиоида, используемым в больницах, и обнаружили, что в некоторых случаях SBI-810 работал лучше, вызывая меньше признаков дистресса.

В отличие от опиоидов, таких как морфин, SBI-810 не вызывал развития толерантности при повторном применении. Он также превзошёл габапентин, распространённый препарат для лечения невропатической боли, и не вызывал седации или проблем с памятью, характерных для габапентина.

Исследователи отмечают, что двойное действие соединения — на периферическую и центральную нервную системы — может предложить новый баланс в обезболивании: достаточную эффективность при минимизации вреда.

Исследование получило поддержку Национальных институтов здоровья (NIH) и Министерства обороны США.

Среди других авторов из Университета Дьюка — первые авторы Ран Го и Оуян Чэнь, а также Сангсу Банг, Шарат Чандра, Ицзэ Ли, Ган Чэнь, Жоу-Ган Се, Вэй Хэ, Цзин Сюй, Ричард Чжоу, Шаоён Сон, Иван Спасоевич, Марк Г. Карон, Уильям С. Ветцель и Лоуренс С. Барак.

Дополнительная информация

• Как работает механизм смещённого агонизма в фармакологии? - Смещённые агонисты избирательно активируют определённые сигнальные пути рецептора (например, G-белок или β-аррестин), что позволяет добиться терапевтического эффекта с меньшими побочными реакциями по сравнению с классическими агонистами.
• Почему Министерство обороны США финансирует исследования обезболивающих? - Для разработки более эффективных и безопасных анальгетиков для лечения раненых военных и ветеранов, страдающих от хронической боли и PTSD, а также для использования в полевых условиях.

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.