Новости науки: 10 событий июля

«Целью всей деятельности интеллекта является превращение некоторого «чуда» в нечто постигаемое…», – говорил Альберт Эйнштейн (1879–1955), великий швейцарский, немецкий и американский физик-теоретик и общественный деятель-гуманист. О том, какие чудеса увидели и совершили современные ученые, узнаем в новостях науки июля.

И на пыль нашли управу

Ученые Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) предложили способ утилизации отходов металлургии. В этом, как ожидается, помогут предварительная специальная подготовка и брикетирование.

При производстве стали обязательно появляются побочные продукты – цинкосодержащая пыль и замасленная окалина. И не просто появляются: их масса составляет миллионы тонн, которые складируются в шламонакопителях, отстойниках и отвалах.

«Переработка пыли электродуговых печей если и ведется, то по наиболее распространенной технологии вельцевания: нагрева во вращающихся трубчатых печах с восстановителем. И только в том случае, если в пыли отсутствует хлор. Большая часть накапливаемой пыли содержит хлор. Для того чтобы безопасно для людей и окружающей среды извлекать из нее цинк, необходимо предварительно удалять токсичное вещество. Еще одна проблема: после вельцевания остается дополнительный побочный продукт производства в виде железосодержащего клинкера. Утилизация замасленной окалины, в свою очередь, ограничена из-за наличия в ней некондиционного масла», – отмечает Юрий Капелюшин, заведующий лабораторией проблем физикохимии и газодинамики ЮУрГУ.

Сотрудники университета предложили перерабатывать эти отходы при помощи предварительной специальной подготовки и прессования кусков материала. При этом для утилизации пыли электродуговых печей необходимо еще удалить хлор, что снижает риск формирования токсичных веществ при дальнейшей утилизации. А значит, можно будет создать вторичное сырье – металлизированные брикеты для производства чугуна и стали. Замасленная же окалина как отличный источник оксида железа сможет частично заменить руду или кокс благодаря содержащемуся в ней маслу. В результате выиграют металлургические комбинаты, занимающиеся выплавкой чугуна или стали, и прокатные цеха.

Музыка нас связала, музыка нас развила

Психологи Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (МГУ) уверенно заявляют, что музыкальное образование дошкольников самым позитивным образом влияет не только на развитие памяти, внимания, речевых и моторных навыков, но и на эмоциональную компетентность.

Ученые на протяжении двух лет сравнивали эмоциональное развитие детей, посещающих занятия по музыке и не посещающих их. Изначально различий не было, но в конце наблюдения специалисты выявили значительный рост понимания эмоций у первой группы волонтеров. Изучение музыки развивает эмпатию, что помогает детям лучше управлять эмоциями в жизни, понимать чувства других, легче заводить знакомства и выстраивать качественные отношения.

Сначала дети учат мелодии с говорящими названиями и однозначно понятными словами. Связываются воедино настроение композиции и ее сюжет. Например, исполняя мелодию песни «Улыбка» из мультфильма «Крошка Енот», преподаватели советовали ребенку представлять пляшущие облака, кузнечика со скрипкой и смеющихся друзей. Это помогает настроиться на радостный лад и передать его при исполнении мелодии.

«В процессе обучения музыке ребенок узнает, что определенные эмоции можно испытывать, если представить или вспомнить ситуацию, которая их вызывает, и что эти воспоминания также могут служить причиной возникновения эмоций», – объясняет Анастасия Якушина, преподаватель кафедры психологии образования и педагогики факультета психологии МГУ.

Развитие эмоциональной компетентности, в свою очередь, является одной из составляющих гармоничного развития ребенка.

Птица цвета ультрамарин

Ученые уже давно размышляли о том, почему птицы, живущие ближе к тропикам, столь ярко окрашены, а те, что обитают в других местах, наоборот, выглядят менее броско. Вот и ученые Филдовского музея естественной истории в Чикаго (США) тоже решили это выяснить. Они изучили структуры геномов и оперения 9409 видов птиц, известных на сегодняшний день. Свой окрас птицы получают благодаря либо пигменту определенного цвета, либо расположению клеточных структур, которые придают перьям переливающийся оттенок.

Данные об окраске и распространении птиц ученые объединили с генеалогическим древом на основе ДНК, полученную информацию ввели в систему компьютерного моделирования, чтобы понять принципы распространении радужности оперения птиц. Ярко окрашенные птицы из тропиков миллионы лет назад часто прилетали в другие регионы, а затем разветвлялись на все большее количество различных видов. Полученная компьютерная модель также рассказала о предках современных птиц. Выяснилось, что яркая окраска и связанные с ней наноструктуры в перьях 415 раз появлялись в процессе эволюции пернатых, причем не только у их тропических представителей. Дальнейшие исследования показали, что радужные перья имели первые представители подкласса веерохвостых птиц (Neornithes), жившие 80 млн лет назад.

«В прошлом мы уже находили ископаемые свидетельства того, что в мезозойскую эру на Земле существовали птицы и динозавры с ярким переливчатым оперением. На их существование, в частности, указывают некоторые окаменевшие перья и пигментные структуры, обнаруженные внутри этих находок. Эти отпечатки перьев являются важным аргументом в пользу того, что предок всех птиц действительно был ярко окрашен», – пояснил Чэд Элиасон, старший научный сотрудник Филдовского музея Чикаго.

Получается, что ранее ученые ошибались, считая, что предки птиц, живущих сейчас, выглядели бледно и незаметно.

В ледяном семействе прибавление!

Исследователи из Института промышленных наук Токийского университета (Япония) обнаружили новый тип льда, похожий по своей структуре на редкий «Лед 0». Напомним, на сегодняшний день физики выделяют около 20 различных форм льда с различными структурой, плотностью, температурой плавления и другими свойствами.

Процесс формирования обнаруженной формы льда запускается на поверхности переохлажденной воды. Исследователи выяснили это с помощью разработанной ими компьютерной модели капли воды, которая позволяет изучить процесс роста микроскопических кристаллов льда, способствующих превращению жидкой влаги в твердый лед. До сих пор ученые пытались выяснить, возможно ли протекание этого процесса не только в толще воды, но и в слоях, близких к поверхности. Оказалось, что существует неизвестный ранее процесс формирования льда в очень тонкой прослойке воды размером в несколько нанометров.

«Мы выявили, что отрицательное давление, вызванное поверхностным натяжением, приводит к обогащению пятичленной кольцевой среды в подповерхностных областях, что, в свою очередь, способствует локальному структурному упорядочению в форме предшественников, подобных типу «Лед 0». Эти предшественники демонстрируют уникальные кольцевые топологии, которые включают пяти-, шести- и семичленные кольца. В отличие от обычных форм льда, которые состоят исключительно из шестичленных колец, структуры, подобные типу «Лед 0», демонстрируют значительно более высокую совместимость с жидкой водой по сравнению с обычным льдом из-за их топологического сходства, тем самым снижая межфазную энергию, необходимую для зарождения льда. Кроме того, они выступают в качестве предшественников обычного льда», – отметили авторы в своей работе.

Хадзиме Танака, профессор Университета Токио и один из авторов исследования, подчеркивает важность полученных данных. Он отмечает, что «результаты, касающиеся механизма поверхностной кристаллизации воды, внесут значительный вклад в различные области, включая климатические исследования и науки, связанные с производством и хранением продуктов питания, где кристаллизация воды играет решающую роль».

Травоядные съели свой возраст?

Всего восемь недель соблюдения веганской диеты снижают биологический возраст. К такому выводу пришли ученые Стэнфордского университета (США).

Связали они это с метилированием ДНК, то есть модификацией молекулы ДНК, при которой сама структура кодируемого белка не меняется, но может измениться активность некоторых генов. Повышенные уровни метилирования некоторое время назад ученые связали со старением. Это выяснилось в ходе эксперимента с 21 парой близнецов, средний возраст которых составил 40 лет. Один близнец из пары полностью переходил на растительный рацион, второй же питался как обычно, употребляя и мясо, и яйца, и молочные продукты.

Авторы с помощью анализа образцов крови, собранных у участников в начале исследования, а затем на четвертой и восьмой неделе эксперимента, выяснили, как диета повлияла на уровни метилирования ДНК. В итоге у участников-веганов отметили снижение оценок биологического возраста, так называемых эпигенетических часов старения. Также у них «омолодились» сердце, гормональная система, печень и другие системы организма, снизился уровень холестерина на 19%, уровень инсулина в крови – на 20%, а вес уменьшился в среднем на 4,2 кг.

Сначала обожгло, потом тряхнуло

Не все жители легендарного древнеримского города Помпеи погибли в результате извержения Везувия в 79 году нашей эры. Как выяснили итальянские ученые, некоторые из «счастливчиков» выжили, но ненадолго. Их погубило разрушение зданий при землетрясении.

«Люди, которые не покинули убежища после завершения выбросов вулканического пепла и газов, столкнулись с новой смертельной угрозой – коллапсом и так перегруженных построек под действием землетрясений. Именно так погибли два жителя Помпеев, чьи останки мы обнаружили и изучили», – заявила Валерия Аморетти, научный сотрудник археологического парка «Помпеи».

Многие очевидцы извержения описывали землетрясение. О подземных толчках говорил еще Плиний Младший, великий древнеримский государственный деятель. Но ученым требовались более весомые доказательства, на слово они не верят. Пришлось потратить немало лет, чтобы их найти. Специалисты по археосейсмологии вместе с вулканологами и антропологами обнаружили дом и пекарню, разрушенные в результате землетрясения, а также два скелета 50-летних мужчин, покрытых фрагментами стен. Их переломы рассказали о травмах, которые обычно получают люди вследствие сейсмической активности. К тому же останки мужчин были найдены на отложениях из частиц пепла и пемзы, а не под ними.

«Правильное распознавание причинно-следственной связи имеет решающее значение для анализа взаимодействия между вулканическими и сейсмическими явлениями, а также их воздействия на здания и людей», – сказал доктор Фабрицио Галадини из Национального института геофизики и вулканологии Италии.

Дым двойного назначения

Группа ученых из Китая, Германии и США выяснила, что дым от масштабных лесных пожаров работает как двойной агент: в одних частях стратосферы он разрушает озоновый слой, а в других, наоборот, увеличивает концентрацию озона.

«Наше исследование неожиданно указало на существование механизма, в рамках которого частицы поглощающих тепло аэрозолей могут порождать гигантские вихри, которые существуют в атмосфере на протяжении месяцев. В результате этого частицы аэрозолей поднимаются на разную высоту в стратосферу, где они воздействуют на озоновый слой неодинаковым образом», – заявила Чэн Яфан, профессор Института химии в Майнце (Германия).

Такой вывод помогли сделать данные, полученные инструментом SAGE III на борту МКС и спутниками CALIPSO, Terra и Aqua во время наблюдений за состоянием атмосферы Земли во время массовых лесных пожаров в Австралии в конце 2019 года и начале 2020 года. Выяснилось, что в результате этих пожаров формировался дымовой вихрь высотой 35 км, который втягивал дым в среднюю стратосферу. Это способствовало удвоению существующих в стратосфере частиц аэрозоля, что спровоцировало химические реакции с участием хлора и азота. Все это привело к уменьшению концентрации озона в нижних слоях атмосферы, но усилило его формирование в средней части воздушной прослойки.

«Дым от лесного пожара может существенно изменить ветер и циркуляцию воздуха на высоте десятков километров над землей, что ведет к изменениям в озоновом слое, влияя на жизнь на нашей планете», – пояснил один из авторов исследования Чаокун Ма. А поскольку повышение температуры приводит к увеличению частоты и интенсивности лесных пожаров, образование дымовых вихрей и их воздействие на стратосферу могут стать более частым явлением, что представляет потенциальную опасность для озонового слоя.

Стеклянные бактерии

Японские ученые научились создавать «живое» стекло. Они смогли превратить колонии бактерий E. coli в материю, которая обладает свойствами стеклообразных материалов.

«Сейчас в сообществе активно циркулируют идеи о создании так называемой активной материи, материалов с изменяемыми свойствами, которые состоят из частиц, способных к перемещениям. Открытие бактериального стекла расширяет эту концепцию и указывает на то, что подобными свойствами могут обладать и стеклообразные материалы. В далеком будущем это позволит создать материалы с функциями, которые нельзя придать другим формам материи», – говорит Кацумаса Такэути, доцент Университета Токио.

Плотные бактерии кишечной палочки обладают определенными качествами, которые роднят их с коллоидным стеклом. Коллоиды – это вещества, состоящие из мелких частиц, взвешенных в жидкости: например, чернила. Когда эти частицы становятся более плотными, они образуют стеклообразное состояние. Исследователи размножали бактерии E. coli в ограниченном пространстве и выяснили, что те проявляют схожие характеристики. Вещество переходит в стеклообразное состояние, в результате чего движение частиц ограничивается. Однако, в отличие от других твердых тел, частицы не образуют фиксированных узоров, а беспорядочно перемешаны. Это похоже на молекулярную структуру стекла.

Главной задачей исследователей было создать среду, в которой бактерии могли бы процветать и размножаться, образуя плотную популяцию. Для этого команда использовала ранее разработанное ими устройство, позволяющее равномерно распределять питательные вещества через пористую мембрану ко всем бактериям. Затем исследователи наблюдали за E. coli под микроскопом в течение 5–6 часов. Количество бактерий увеличивалось. В итоге они оказались как бы запертыми и не могли свободно перемещаться, со временем перейдя в стекловидное состояние.

В долгосрочной перспективе исследователи надеются, что эти результаты будут способствовать разработке материалов с новыми функциональными возможностями, а также помогут нам понять природу биопленок (их создают слипающиеся микроорганизмы, образуя слои на поверхностях) и естественных бактериальных колоний.

Темная история

Исследовательская группа вычислительной космологии факультета астрономии и астрофизики Университета Валенсии (Испания) разработала новую методику измерения массы темной материи в галактиках.

«Проблема определения точной массы скоплений галактик является одним из самых острых и старых вопросов в астрономии. Разработанный нами подход в целом не уступает в точности замеров уже существующим методикам определения массы скоплений галактик. Это позволит использовать его для независимой проверки текущих оценок того, как много темной материи присутствует в различных космологических структурах, а также для проверки общепринятых теорий устройства Вселенной», – пишут исследователи.

Предложенный метод начинается с анализа компьютерного моделирования, охватывающего большой объем Вселенной, включая скопления галактик и гигантские ударные волны, возникающие во время ее формирования, то есть так называемые аккреционные шоки. Общая масса скоплений, радиус аккреционной ударной волны и ее интенсивность тесно связаны. «Эти ударные волны являются следствием сильного замедления и последующего нагрева обычной материи, которая достигает сверхзвуковых скоростей из-за гравитационного воздействия, порождаемого темной материей. Предлагаемый нами метод позволит измерить общую массу скопления, 85% которого, как мы знаем, соответствует темной материи», – объясняет физик Дэвид Валлес Перес, автор статьи.

Результат работы открывает двери к созданию нового научного метода, более точного и надежного, позволяющего изучать темную материю – фундаментальный фактор космологической модели Большого взрыва.

Кто говорит? Твой внутренний голос!

Российские исследователи из Сколтеха, Федерального центра нейрохирургии Минздрава РФ, Сеченовского университета и МГУ имени М. В. Ломоносова смогли получить сигналы от внутреннего голоса человека.

«Нейроученые постепенно переходят от концепции, что есть область мозга, которая отвечает за ту или иную функцию, к концепции, что за функцию отвечает некоторая сеть динамически взаимодействующих областей. И в решении моторных задач, например, участвует множество областей, что подтверждается и нашими результатами. Возникает интересный вопрос: если функции не локализованы в одном месте, а распределены по коре, можем ли мы зарегистрировать электрическую активность мозга и понять, что он пытается сделать, не зная заранее, какого рода намерение мы ищем?» – говорит Николай Сыров, один из авторов исследования, старший научный сотрудник Центра нейробиологии и нейрореабилитации имени Владимира Зельмана в Сколтехе.

В экспериментах приняли участие двое пациентов, страдающих эпилепсией, которым по медицинским показаниям имплантировали в мозг электрод, поскольку он помогает найти очаг эпилептической активности. В первом эксперименте испытуемые писали на планшете цифры, во втором – сначала произносили слова вслух, затем беззвучно «проговаривали» их, а потом лишь воображали произнесение слов, не шевеля при этом ни губами, ни языком. Во время экспериментов велась непрерывная запись мозговой активности.

В итоге был обнаружен пресловутый внутренний голос. Правда, он был довольно слаб, но ведь эта активность фактически является сигналом речи за вычетом движения органов артикуляции и слуха. Данный сигнал можно связать с извлечением слов из «библиотеки» памяти. Это исследование поможет нейроинтерфейсам, «читающим мысли», лучше понимать намерения пользователя.