Новости науки: 10 событий марта

«Ученый без трудов – дерево без плодов», – писал Саади, персидский поэт и мыслитель XIII века. Давайте посмотрим, какие плоды принесли в марте труды наших с вами современников, ученых XXI века.

Генетики додавили картошку

Ученые из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана и Института исследований селекции растений имени Макса Планка в Кельне (Германия) расшифровали геном картофеля. Это помогло вычленить ключевые участки ДНК, связанные с ростом и стойкостью к болезням.

До сегодняшнего дня считалось, что картофель плохо поддается селекции. Поэтому вывести какой-нибудь сорт, не поддающийся грибковым и бактериальным болезням и неинтересный для вредителей, было сложно. Хотя, например, с рисом или пшеницей ученые далеко продвинулись еще в 50–60-х годах прошлого века, добившись повышения урожайности. В случае с картофелем аналогичного успеха добиться не удавалось. Причина – в сложности строения ДНК: у людей наследуется по одной копии каждой хромосомы от отца и от матери, а у картофеля – по две копии каждой хромосомы от каждого «родителя», что делает картошку видом с четырьмя копиями каждой хромосомы. Вот поэтому создать удачную комбинацию генов в данном случае не так-то просто.

Но благодаря современным технологиям секвенирования ДНК и алгоритмам анализа генетической информации специалисты смогли, наконец-то, подробно изучить ДНК корнеплода. Для этого взяли большое количество клеток пыльцы, поскольку в них содержатся всего две случайные копии каждой хромосомы, что несколько облегчило изучение. После этого исследователи создали виртуальную копию генома, в котором оказалось около 3,1 млрд нуклеотидов и более 38 тысяч генов. А затем внимательно изучили историю эволюции.

«Картофель становится все более популярным продуктом по всему миру, включая даже азиатские страны, где рис всегда был основой традиционного стола. Опираясь на эту работу, теперь мы можем вывести с помощью генетики новые разновидности картофеля, более урожайные и устойчивые к изменению климата. Это может иметь огромное влияние на обеспечение продовольственной безопасности в ближайшие десятилетия», – отметил профессор Корбиниан Шнеебергер из Института имени Макса Планка.

Глобальное потепление реально убивает

Специалисты университетского колледжа Лондона и Университета Рединга уверены, что при глобальном потеплении всего на 2 °C уровень смертности значительно возрастет.

При нынешнем уровне глобального потепления, которое составляет около 1,21 °C, происходит небольшое снижение смертности зимой, а летом серьезного роста пока не наблюдается. Но стоит температуре подскочить на 2 °C, как в Англии и Уэльсе в самые жаркие дни года вместо 117 смертей в день их станет примерно 166. А если температура повысится на 3 °C, то во время волн тепла риск смертности увеличится на 75%.

В своей работе ученые проанализировали прогнозы климата Великобритании на 2018 год (UKCP18) с данными о современной температуре и смертности, чтобы предсказать изменения смертности, связанной с температурой.

«Большая часть этого прироста будет связана с учащением и усилением волн жары, однако дальнейшее увеличение среднегодовых температур приведет к тому, что люди начнут чаще умирать и в обычные летние дни. Это сильно затруднит прогнозирование того, как поменяется ситуация в будущие столетия, если средняя температура вырастет еще на один градус Цельсия», – отметил Кэтти Хуан, научный сотрудник университетского колледжа Лондона.

Так вот откуда у пауков уши торчат

Слуховые органы млекопитающих чрезвычайно разнообразны по анатомии, но при этом все они состоят из клеточной ткани и являются частью тела животных. А вот паук-кругопряд Larinioides sclopetarius не сумел развить свои органы слуха с помощью паутины.

Ученые из Бигментонского университета и Корнельского университета (США) обнаружили, что тонкая паутина действует как сверхострая акустическая антенна, улавливающая вызванные звуком движения частиц воздуха, что эффективнее, чем акустическая чувствительность всех ранее известных барабанных перепонок. Чувствуя движение нитей паутины, паук обнаруживает источник воздушной звуковой волны, например излучаемой приближающейся добычей или хищниками.

Чтобы разобраться в этом, исследователи позволили сплести паукам паутину внутри прямоугольной деревянной рамки в полностью звукоизолированной камере. А затем принялись издавать звуки на расстоянии 3 метров от паутины, чтобы посмотреть за реакцией пауков. Затем источник звука перемещали, располагая под углом 45° на более близком расстоянии. Пауки при этом все равно со 100%-ной точностью определяли, откуда шел звук. И реагировали: приседали, вытягивали тело, выставляли передние лапы, резко меняли направление тела.

С помощью лазерной виброметрии ученые измерили более 1000 мест на паутине и выяснили, что та передает звук почти с максимальной физической эффективностью в сверхшироком диапазоне частот.

Авторы исследования полагают, что оно поможет сделать сверхчувствительные микрофоны для слуховых аппаратов и мобильных телефонов.

А вы говорите: «Деревенщина!..»

Люди, выросшие в сельской местности или пригородах, обладают лучшими навыками пространственной навигации, чем те, что выросли в городах, особенно в городах с классической «сетчатой» схемой застройки. К такому выводу пришли ученые из Университетского колледжа Лондона (Великобритания), Лионского университета (Франция) и Университета Восточной Англии. Они затеяли исследование с участием почти 400 тысяч человек из 38 стран мира. Испытуемые играли в мобильную видеоигру Sea Hero Quest, которая была разработана для изучения болезни Альцгеймера. Участник должен был провести лодку в виртуальном пространстве, найдя контрольные точки, которые указаны на карте, и обойдя все препятствия.

«Мы обнаружили, что взросление за пределами городов, по-видимому, полезно для развития навигационных способностей. На это, как нам кажется, влияет избыточная простота многих уличных сетей в городе», – отметил Хьюго Спирс, профессор Университетского колледжа Лондона, соавтор исследования.

Исследователи проанализировали энтропию (беспорядок) уличных сетей городов, в которых родились и выросли участники эксперимента. Люди, в чьих родных городах была более низкая энтропия, как в Чикаго или Нью-Йорке, хуже справлялись с задачей поиска пути. Те, чьи города имеют менее упорядоченную планировку улиц, например Прага, показали результаты, близкие к результатам тех, кто жил в сельской местности.

Ученые заметили, что нарушение ориентации в пространстве – один из важнейших признаков ранней диагностики болезни Альцгеймера. Конечно, нельзя сказать, что сельские жители меньше подвержены деменции, но это исследование – один из кирпичиков в понимании природы болезни.

Забор сам себя потушит

Исследователи под руководством профессора Хайме Грюнлана Техасского университета A&M создали покрытие, способное минимизировать распространение огня и ущерб от него и лишенное недостатков, связанных с огнезащитными растворами.

Фанеру окунули в водный раствор, содержащий положительно заряженный полимер полиэтилененимин (PEI), мономер гидроксиэтилметакрилатфосфат (HMP) и фотоинициатор, известный как TPO. Затем на несколько минут ее подвергли воздействию ультрафиолетового света, в результате чего TPO превратил HMP в отрицательно заряженный полимер, что в сочетании с PEI образовало полиэлектролитный комплекс.

«Раствор можно заливать в ранцевый опрыскиватель, коим многие люди пользуются для окрашивания деревянного сайдинга или распыления гербицидов. И с его помощью опрыскивать дома, заборы, сараи во время пожароопасного сезона, чтобы защитить строения. Покрытие может уменьшить распространение пламени и образование дыма, а также поможет ограничить ущерб и даст больше времени для эвакуации. В отличие от большинства современных огнезащитных средств ингредиенты нашего раствора безвредны для окружающей среды и стоят дешевле», – говорит Томас Колибаба, один из авторов исследования.

Помимо защиты конструкций и домов, эта технология может быть применена к различным материалам: текстилю, пенополиуретану, деталям, напечатанным на 3D-принтере. «Возможность сделать древесину или древесные композиты «самозатухающими» без изменения каких-либо других полезных свойств будет огромным преимуществом для всех. Леса, дома и здания станут намного безопаснее», – сказал Грюнлан.

Окрашено, зараза!

Внутрибольничные инфекции – важная проблема, с которой до сих пор не удается справиться. Но ученые Томского государственного университета сделали шаг к ее решению. Они разработали новый тип лакокрасочных материалов с биоцидными наночастицами, которые нейтрализуют самые распространенные патогены.

«Биоцидные свойства краскам обеспечивает разработка ученых ТГУ – наночастицы на основе оксида цинка, допированные серебром. В ходе исследований, проведенных ранее, была подтверждена высокая эффективность этих наночастиц против целого ряда патогенов, в частности в отношении вирусов гриппа A/H1N1 и SARS-CoV-2, а также таких распространенных внутрибольничных бактериальных инфекций, как кишечная палочка, золотистый стафилококк, синегнойная палочка и других», – рассказал Александр Ворожцов, проректор ТГУ по научной и инновационной деятельности.

Концентраты наночастиц в ходе испытаний показали 100%-ную эффективность. Теперь исследователи планируют покрасить биоцидными лакокрасочными материалами две больницы в Томске и Томском районе. Затем в течение шести месяцев будут брать смывы с окрашенных и неокрашенных поверхностей, чтобы оценить эффективность составов. Краска представлена двумя составами: с наночастицами серебра и с усовершенствованным и более дешевым составом.

Ядовитая Луна

Если вы вдруг думаете, что Луна – безопасное место для колонизации, спешим вместе с учеными Сеченовского университета и Южно-Российского государственного политехнического университета имени М. И. Платова вас разочаровать. Специалисты изучили грунт, собранный в четырех разных точках спутника Земли, и сравнили его с земными образцами.

«Основа лунной почвы – реголит, который содержит в себе в том числе химические элементы хрома, бериллия, никеля, кобальта, способных в случае длительного контакта оказать негативное влияние на самочувствие и здоровье лунных колонистов, поражая их дыхательную, сердечно-сосудистую и пищеварительную системы», – отметил Иван Иванов, доктор медицинских наук, профессор кафедры медицины труда, авиационной, космической и водолазной медицины Сеченовского университета. Добавьте сюда раздражение кожи, поражения печени, почек и центральной нервной системы.

Это стоит учитывать при планировании внеземной базы, чтобы трезво оценивать лунную пыль, которая будет попадать на скафандры и оборудование. И конечно, предстоит понять, как обеззаразить персонал и технику лунных колонизаторов.

А почему, собственно, точит?

«И в восточной, и в западной культурах есть поговорки в духе «Вода камень точит». Такие высказывания говорят о том, что надо быть настойчивым и, даже если ты слаб, постоянство приведет к результату. Но когда у вас есть что-то мягкое, как капля воды, ударяющееся обо что-то твердое, как камень, вы задаетесь вопросом: «Почему это падение вызывает повреждения?» Этот вопрос мотивировал нас к проведению соответствующего исследования», – объяснил Сян Ченг, старший автор статьи и доцент кафедры химической инженерии и материаловедения Миннесотского университета (США).

До сих пор воздействие капель анализировалось лишь визуально с помощью высокоскоростных камер. Исследователи из Университета Миннесоты использовали новый метод – высокоскоростную микроскопию напряжения, которая позволяет точнее изучить это явление путем измерения силы, напряжения и давления под каплями жидкости в момент удара о поверхность.

Выяснилось, что сила, создаваемая каплей, не концентрируется в ее центре, а распространяется вместе с ней. А скорость превышает скорость звука, создавая ударную волну. Каждая капля ведет себя как маленькая бомба, мощно высвобождающая энергию, необходимую для эрозии поверхностей в течение времени. Это исследование поможет разработать более устойчивые к эрозии поверхности.

Ловушка для бактерий

Ученые Самарского национального исследовательского университета имени академика С. П. Королева и Института систем обработки изображений РАН разработали новый вид микролинз, способных расширить возможности оптических пинцетов, которые при помощи лазерного луча ловят, удерживают и перемещают живые клетки, бактерии, вирусы. Пинцеты эти нужны для биологических и биофизических исследований живых клеток, белков и молекул ДНК.

«В рамках нашего исследования была разработана оригинальная структура металинз, позволяющая в два раза увеличить дифракционную эффективность оптического элемента и создавать световые поля с заданными новыми свойствами», – говорит Дмитрий Савельев, один из авторов исследования, доцент кафедры технической кибернетики Самарского университета.

Металинзы можно использовать в оптических пинцетах, лазерных микроскопах, в медицинском оборудовании: например, с большей точностью удалять лазером биоткани во время операций на глазах. Пригодятся они и в микроэлектронике для создания миниатюрных сенсоров и датчиков, в том числе в случае с гироскопами и акселерометрами для смартфонов. Найдут применение и в сфере телекоммуникаций, например для уплотнения каналов оптоволоконных линий.

«Разработанные нами металинзы также показали возможность получения обратного потока энергии, то есть в этом случае световая энергия частично распространяется в направлении к источнику, а это можно использовать для оптического микроманипулирования. По сути это новая форма оптической ловушки, оптического пинцета», – отмечает Сергей Дегтярев, научный сотрудник Института систем обработки изображений РАН.

МРТ Земли

Ученые решили узнать, что же скрывается внутри нашей планеты, весьма неожиданным способом – с помощью сейсмической активности. Ведь землетрясения волнами проходят через Землю, что очень похоже на принцип действия хорошо известной магнитно-резонансной томографии. У сейсмологов есть «сейсмическая томография» – метод, при котором ловятся волновые сигналы от сетей сейсмометров на поверхности Земли и проектируются свойства и характеристики среды, через которую они проходят. И этот способ вновь оправдал себя, позволив сделать крупные открытия о недрах Земли.

Однако геофизики Колорадской горной школы (США) описали новую модель – на основе трехмерного численного моделирования, что значительно улучшило результат по исследованию недр. За основу взяли данные о 300 землетрясениях и построили на их основе новые глобальные модели полноволновой инверсии. Эбру Боздаг, доцент кафедры геофизики, моделирует землетрясения и марсотрясения на суперкомпьютере Frontera Техасского передового вычислительного центра, самом быстром университетском суперкомпьютере и 13-м в мире по скорости.

«Мы показали возможность использования полного трехмерного моделирования волн и чувствительности данных к сейсмическим параметрам в глобальном масштабе в наших статьях 2016 и 2020 годов. Теперь пришло время использовать лучшую параметризацию для описания физики недр Земли», – сказала г-жа Боздаг.

Исследовательница надеется предоставить более точные данные о происхождении мантийных плюмов и содержании воды в верхней мантии. А также точно определить местонахождение землетрясений и других сейсмических источников, механизмы землетрясений и лучше соотнести их с тектоникой плит. Для этого необходимо иметь модель земной коры и мантии в высоком разрешении.