Новости науки: 10 событий августа

«Наука – это неустанная многовековая работа мысли: свести вместе посредством системы все познаваемые явления нашего мира», – сказал Альберт Эйнштейн, физик-теоретик. О том, какую работу проделали ученые мира в августе 2022 года, – в нашем обзоре.

Бескорыстные мозги

Переднюю поясную кору головного мозга раньше связывали с этикой и моралью, принятием решений и эмоциями. Теперь же этот список пополнился еще и альтруизмом, то есть склонностью человека помогать другим бескорыстно.

Британские нейрофизиологи из университетов Бирмингена и Оксфорда привлекли к участию в эксперименте 12 мужчин и 26 женщин в возрасте от 18 до 35 лет. Чтобы выяснить уровень эмпатии, за неделю до начала исследования добровольцев попросили заполнить анкету. Затем испытуемым нужно было за три секунды принять решение – получить незначительное вознаграждение и при этом ничего не делать или, приложив усилия, получить больше денег. Причем деньги можно было оставить себе или отдать другому человеку. Те, кто решил потрудиться, должны были сжимать устройство, измеряющее силу хвата, до определенного порога.

В процессе исследования за мозгом добровольцев «следили» с помощью технологии магнитно-резонансной томографии и выясняли, какие области активизировались во время выбора «работать или отдыхать», «оставить деньги себе или отдать другому». Передняя поясная кора активизировалась лишь в том случае, если участник выбирал «работать и отдать деньги».

«До настоящего времени мы не знали, как и почему люди иногда жертвуют деньги или придерживают дверь перед идущим сзади незнакомцем. Мы выявили область мозга, которая активируется тогда, когда люди оказывают помощь окружающим. Ее изучение поможет нам понять, почему некоторые люди безвозмездно помогают незнакомцам, а другие не делают этого», – сказала Патрисия Локвуд, научный сотрудник Бирмингемского университета.

Суперволокно из серебра

Новые инфракрасные оптические волокна, созданные специалистами Уральского федерального университета, могут выдерживать сверхвысокие дозы радиации. Так что применять их можно даже в космосе и на объектах атомной промышленности. Ученые уверены, что срок службы этих волокон будет дольше, чем «жизнь» инфракрасных космических телескопов, в которые волокна встраивают для приема и передачи излучения космических объектов.

Оптические волокна были созданы на основе монокристаллов бромистого и йодистого серебра AgBr – AgI. Их инфракрасный диапазон пропускания – самый широкий на сегодняшний день, а прозрачность соответствует теоретически возможным значениям для кристаллов этой системы. При этом оптические потери волокон имеют предельно низкие значения. «Это открывает перспективу применения световодов из полученных волокон в условиях интенсивного ионизирующего излучения. То есть не только в традиционной области оптоэлектроники, но и в лазерной хирургии, эндоскопической и диагностической медицине, при определении составов опасных отходов атомной промышленности, в космосе», – пояснила Лия Жукова, главный научный сотрудник лаборатории волоконных технологий и фотоники УрФУ, профессор кафедры физической и коллоидной химии УрФУ.

Также световоды из волокон можно использовать для создания безопасного оборудования, способного заменить аппараты магнитно-резонансной томографии и рентгенографии. В частности, подобные световоды способны заменить большие и дорогие металлодетекторы, что позволит людям даже не ощущать на себе процесс досмотра.

В лесу страдала елочка…

Северные бореальные леса, которые в основном состоят из хвойных деревьев, могут сильно пострадать, если климат потеплеет даже на 1,6 градуса. В этом случае уменьшится количество осадков. Как следствие, саженцы будут меньше расти и больше гибнуть, а на их место придут древесные кустарники.

Ученые из Мичиганского университета (США) провели эксперимент, чтобы это доказать. На протяжении пяти лет они изучали воздействие тепла на 4500 саженцев пяти широколиственных и четырех хвойных деревьев. Их посадили среди травянистой, кустарниковой и папоротниковой растительности. Специалисты воссоздали парочку возможных сценариев потепления климата: на 1,6 градуса и на 3,1 градуса Цельсия. А еще на случайно выбранных участках они уменьшили количество выпадающих осадков на 30% с помощью брезентовых тентов. Была и контрольная группа, которая росла как обычно.

Потепление само по себе или с меньшим количеством осадков увеличило смертность молодняка всех девяти видов деревьев, сократило рост хвойных. Однако некоторые широколистные породы чувствовали себя при умеренном потеплении неплохо. Но их в бореальных лесах немного. Поэтому они вряд ли смогут заполнить пустые места от погибших хвойных собратьев. Ученые уверены, что «новое состояние» бореального леса – замена сосен древесными кустарниками, которые уже сейчас активно продвигаются на север.

«Современные южные бореальные леса могут достичь переломного момента даже при незначительном потеплении климата, что приведет к серьезному изменению состава с потенциальными неблагоприятными последствиями для здоровья и разнообразия региональных лесов. Эти воздействия могут уменьшить способность наших лесов производить древесину, быть домом разнообразных растений, микробов и животных, сдерживать наводнения и, что, возможно, наиболее важно, поглощать углерод из воздуха», – отмечает Питер Райх, автор исследования, директор Института биологии глобальных изменений в Школе окружающей среды и устойчивого развития Мичиганского университета.

Вам стейк жука или ножку?

На заседании Американского химического общества было представлено исследование южнокорейских ученых, которые создали мясо из… личинок мучных хрущаков (жуки семейства чернотелок. – Прим. ред.). В обычной жизни этих насекомых используют в лабораториях для опытов.

«Рост цен на мясо и глобальное потепление заставили нас по-новому взглянуть на возможность употребления в пищу насекомых. Их тело содержит в себе все необходимые жирные кислоты, витамины, минералы и белки. Мы надеемся, что разработанная нами методика обработки личинок мучных хрущаков приведет к появлению искусственных аналогов мяса и «мясных соусов» на базе этих насекомых», – сказал Чо Ынхи, профессор университета Вонкван в Иксане (Южная Корея).

Ученые проанализировали изменения вкуса и аромата личинок хрущаков при жарке, пропаривании или других способах приготовления. То же самое они сделали и с говядиной. Исследователям было важно выделить летучие молекулы, которые придают мясной вкус и аромат. Личинки, приготовленные на пару, распространяли сильный аромат сладкой кукурузы, а жареные варианты были близки к аромату креветок. Вкусовые соединения, образующиеся при обжаривании, включают пиразины, спирты и альдегиды. Они образуются при приготовлении мяса и морепродуктов. Ученые добавили важную деталь – пожарили целые или перемолотые личинки, предварительно сдобрив их сахаром и несколькими нужными реагентами. В результате пасту из белков личинок с закрытыми глазами можно и не отличить от мяса по вкусу и аромату.

Ученые надеются, что это открытие поможет бороться с изменениями климата и сделает подобную продукцию дешевле.

Упал, очнулся – Африка

Австралийские ученые из Университета Кертина нашли доказательства того, что континенты на Земле сформировались в местах падения огромных астероидов. Эта гипотеза будоражила умы ученых уже давно, но наконец-то ее смогли доказать. Для этого геологи изучили кристаллы цирконов – остатков древней коры, которые сохранились лучше всего.

«Мы изучили кристаллы цирконов из древнейших пород земной коры, залегающих в регионе Пилбара на западе Австралии. Доли изотопов кислорода в них указывают на то, что породы коры были частично переплавлены в результате падения гигантского небесного тела на Землю примерно 3,6 млрд лет назад», – сообщил доктор Тим Джонсон, научный сотрудник Университета Кертин.

Небесное тело достигало диаметра 25–30 км. После его столкновения с нашей планетой образовалась громадная выемка и произошел раскол коры, который запустил тектонику плит и геологические процессы. Мощные удары одного или пары таких астероидов частично расплавили почти все породы земной коры на территории современной Австралии, запустив гидротермальные метаморфозы.

Исследования показали, что астероиды «били» Землю какое-то время, потом их количество снизилось. Так что платформы сохранились, а не расплавились под их напором.

Сладких снов, паучок

Ученые из Гарвардского университета (США) под руководством эколога-бихевиориста и эволюциониста Даниэлы Ресслер описали ночное поведение паука-скакуна (Evarcha arcuata, Salticidae), который на ночь подвешивает себя вниз головой на паутине. Эта поза и бездействие паука предполагают, что членистоногое спит.

Эти пауки не могут двигать хрусталиками глаз, но двигают сетчаткой во время фазы быстрого сна. Чтобы это выяснить, исследователи наблюдали за 34 молодыми, только что появившимися паучками, у которых отсутствует пигментация в экзоскелете, что позволило непосредственно увидеть движения сетчатки. За паучками следила специально обученная нейросеть, а ученые затем тщательно изучали полученные записи. В результате исследователи отметили состояние, очень похожее на фазу быстрого сна у наземных позвоночных. Более того, движения сетчатки глаза паука совпадало с подергиваниями и изгибаниями жвал и ног. Известно, что у людей движения глаз во время быстрого сна связаны со снами. То есть глаза двигаются, когда есть какая-то «картинка», которую мы видим во сне. Получается, что и пауки, возможно, видят сны.

Рассекая воздух

Ученые Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК) вместе с коллегами из Ульсанского университета (Южная Корея) придумали новый способ контроля за чистотой воздуха в мегаполисах.

Воздух в крупных городах требуется постоянно «держать на контроле», чтобы вовремя выявить нарушения и принять меры. Стационарные станции наблюдения – не лучший вариант. Они предназначены для регулярного отбора проб воздуха в определенных точках. Но этих данных недостаточно для точной оценки уровня аэрозольного загрязнения атмосферы. Лучше использовать гибкие системы мониторинга, которые получают информацию с большого количества мобильных датчиков, которые можно размещать на средствах передвижения и волонтерах.

На сегодняшний день качество показаний мобильных недорогих датчиков значительно уступает стационарным датчикам. Поэтому стоит компенсировать низкую точность и надежность этих узлов с помощью новых подходов к проектированию и настройке системы в целом.

«Мы рассмотрели время обнаружения некой зоны загрязнения системой мобильных датчиков как случайную, вероятностную величину и впервые разработали практический способ определения этой вероятности в самой общей ситуации, зная только характеристики используемых датчиков. Полученная функция распределения позволяет в рамках «умного города» оценить эффективность системы мониторинга и оптимизировать ее еще на этапе проектирования, чисто расчетными методами», – рассказал Андрей Матерухин, декан факультета геоинформатики и информационной безопасности МИИГАиК.

Путь к похудению лежал не через желудок

Американские ученые из Стэндфордского и Пенсильванского университетов впервые испробовали электрическую стимуляцию мозга для борьбы с перееданием на двух добровольцах. Эти женщины страдали тяжелой формой ожирения и компульсивным перееданием. К сожалению, до сих пор не было понятно, как с таким перееданием справиться. Специалисты решили использовать для этих целей электрическую стимуляцию мозга. Она хорошо работает у пациентов с лекарственно-устойчивой эпилепсией, болезнью Паркинсона.

Для начала ученые работали в лаборатории – записывали мощность колебаний в прилежащих ядрах у пациенток. Прилежащее ядро – это группа нейронов, отвечающих, в частности, за самоконтроль, чувство удовольствия, формирование зависимости. Добровольцам предлагали пищу со шведского стола, сплошь уставленного калорийными блюдами. И как только у участников эксперимента происходил срыв, активность мозга записывалась. Выяснилось, что в этих случаях возрастала низкочастотная (2–8 герц) активность левого вентрального прилежащего ядра. Ученые получали данные и во время обычного приема пищи, не стимулируя срывы у исследуемых. В этом случае активности прилежащих ядер не было.

Затем сделали то же самое, но в «полевых» условиях. Получили аналогичные лабораторным реакции во время срывов и во время обычного приема пищи.

Затем участницам эксперимента имплантировали электроды в правое и левое прилежащие ядра и провели глубокую высокочастотную стимуляцию на частоте 125 герц. Высокая частота была выбрана не случайно: известно, что только она может подавить низкочастотные колебания. Стимуляция приводилась около 400 раз в день при появлении нежелательной активности в прилежащих ядрах.

В результате через полгода у женщин на 80% снизилась частота срывов. Более того, пациентки похудели – на 6 и 8 килограммов соответственно (или на 4,5 и 5,8% соответственно от общей массы тела).

Не ложись налево

Американские ученые разработали компьютерную систему, которая рассчитывает, как таблетка растворяется в пищеварительной системе. Содержимое желудка, перистальтика и желудочный сок играют важную роль в биодоступности лекарства, сокращения желудка могут задавать сложные траектории движения таблетки. В результате скорость растворения таблеток различается, и препарат из них высвобождается неравномерно.

Модель под названием StomachSim, разработанная исследователями из Университета Джонса Хопкинса, способна имитировать то, что происходит внутри желудка, когда он переваривает пищу и лекарства. StomachSim точно рассчитывает, как происходит высвобождение препарата по мере его продвижения через пищевод, желудок и кишечник. Учитываются многие параметры, которые могут повлиять на скорость растворения таблеток.

Многое в этой ситуации, как выяснилось, зависит от позы, которую принимает человек после того, как выпьет лекарство. Если тело наклоняется вправо, растворение происходит на первых этапах продвижения через систему пищеварения. В позе лежа на правом боку таблетки растворялись за 10 минут. А вот наклон влево эти процессы значительно замедляет: требуется уже более 100 минут. Если тело наклонялось на 45 градусов назад, процессы чуть ускорялись, но были все же не столь стремительными, как при наклоне тела вправо: 23 минуты. Примерно столько же времени необходимо для высвобождения препарата, когда пациент стоит.

Моделирование показывает, что изменение позы потенциально может оказывать значительное (до 83%) влияние на скорость опорожнения активного фармацевтического ингредиента в двенадцатиперстную кишку.

И на Марсе будет репа колоситься!

Одной из главных проблем будущих миссий человека на Марс будет сложность отправки необходимых расходных материалов с Земли. А значит, нужно производить эти материалы с использованием марсианских ресурсов – почвы, воды, питательных веществ и солнечной радиации. Но на данный момент низкое содержание питательных веществ в марсианской почве и высокая соленость воды делают их непригодными для выращивания продовольственных культур.

Ученые из Университета штата Айова (США) попытались найти выход из этой ситуации. И разработали простую и эффективную стратегию обработки почвы. Выяснилось, что растения люцерны хорошо растут в почве, имитирующей марсианский базальтовый реголит, с ограниченным содержанием питательных веществ. Да, люцерну нельзя есть, но ее можно использовать в качестве биоудобрения для поддержания роста и производства репы, редьки или салата.

А для полива ученые предлагают использовать опресненную воду, которую можно получить с помощью морских цианобактерий Synechococcus sp. Дополнительно специалисты опреснили воду с помощью фильтрации через вулканические породы базальтового типа.

Результат налицо: репа росла на 190% лучше, чем в почве без удобрений, а рассада дала здоровые корнеплоды. Редька и листья салата тоже показали хорошие результаты: рост лучше на 311 и 79% соответственно. И вода сыграла свою роль: семена репы, поливаемые соленой водой, не прорастали в течение семи дней. А вот те, что поливали опресненной и отфильтрованной водой, дали всходы через три дня.