Новости науки: 10 событий ноября
«Обыкновенно не те, которые знают много, а те, которые знают мало, всегда увереннее заявляют, что та или другая задача никогда не будет решена наукой», — говорил Чарльз Дарвин (1809–1882), великий английский натуралист и путешественник. О том, какие задачи решают современные ученые, узнаем в нашем традиционном обзоре новостей науки.
Им нано быть вместе
Ученые Института физики Казанского федерального университета (КФУ) создали новый материал — нанокомпозит на основе проводящего полимера полианилина (ПАНИ) и наночастиц оксида иттрия (Y₂O₃).
«Полианилин известен своей химической устойчивостью, способностью изменять проводящие свойства в зависимости от степени окисления, а также простотой синтеза, что делает его удобным для создания функциональных материалов. Оксид иттрия, в свою очередь, обладает высокой термической стабильностью, устойчивостью к агрессивным средам и хорошими электрическими свойствами, что позволяет ему эффективно выполнять функцию акцептора заряда в нанокомпозитах. Вместе эти компоненты образуют материал с улучшенными характеристиками, которые недостижимы для каждого из них по отдельности», — объяснила выбор Регина Бурганова, старший научный сотрудник Научно-исследовательской лаборатории «Компьютерный дизайн новых материалов и машинное обучение» Института физики КФУ.
Исследователи проанализировали, как взаимодействуют друг с другом атомы полианилина и оксида иттрия, какие связи образуют, а также провели расчеты геометрии, электронных свойств, энергетических характеристик и поведения материала под воздействием света. В итоге это позволило получить стабильный нанокомпозит с повышенной электропроводностью. С его помощью можно будет разрабатывать материалы с уникальными функциональными свойствами, он отлично подойдет для создания сенсоров, оптоэлектронных приборов, энергоэффективных устройств и каталитических систем.
Только три вопроса
Исследователи из Университета Кэйо и больницы Сайсэйкай Йокогамаси Тобу (Япония) предложили три вопроса, которые помогут на ранней стадии диагностировать болезнь Альцгеймера (БА).
В исследовании приняло участие 155 человек в возрасте от 40 до 85 лет: 47 из них — с нормальными когнитивными способностями, 36 — с легкими когнитивными нарушениями, 64 — с деменцией и восемь — с психическими расстройствами. Участники ответили на вопросы простого скринингового опросника, связанного с проблемой деменции, под названием Neucop-Q, прошли позитронно-эмиссионную томографию и сдали специфические анализы крови.
Вопросы, которые задавали исследователи, были следующими: «Считаете ли вы, что в вашей повседневной жизни стало больше трудностей, чем раньше?», «Не могли бы вы рассказать мне о своих повседневных удовольствиях и развлечениях?», «Каковы наиболее примечательные текущие/последние новости/темы?»
Если участник исследования отвечал, что в его повседневной жизни есть трудности, отмечалось, что его сознание в норме. Если же он отвечал отрицательно, то классифицировался как человек с нарушенным сознанием. Хорошим ответом про удовольствие считался только конкретный ответ, например: «Мне нравится кормить собаку и гулять с ней в ближайшем парке». Что касается новостей, то человек считался осведомленным, если мог рассказать конкретные и адекватные новости за последние три месяца. Если же ответ был абстрактным или же новости были устаревшими, отвечающий получал «минус».
Также нехорошим «звоночком» было обращение за помощью к родственникам, которые присутствовали на исследовании. Это говорило о более высоком риске развития БА. У таких исследуемых накопление белка β-амилоида — одного из наиболее известных маркеров прогрессирования БА — было выше примерно в 2,8 раза, чем у здоровых людей.
Алкоголь ударил в голову в прямом смысле
Ученые из Пенсильванского университета (США) выяснили, что прием алкоголя в молодости даже в небольшом количестве перекраивает работу мозга, делая его более уязвимым к когнитивным проблемам в пожилом возрасте, даже если после загульной молодости человек будет воздерживаться от возлияний в дальнейшем.
К такому выводу исследователи пришли по итогам эксперимента над мышами. Животные потребляли алкоголь в течение месяца, а затем около полугода воздерживались от него. Таки сроки у мышей эквивалентны нескольким человеческим годам. Выяснилось, что даже умеренное потребление алкоголя нарушает префронтальную кортикальную сигнализацию во взрослом возрасте у мышей. Именно префронтальная кора отвечает за принятие решений, память и самоконтроль. Также ученые обнаружили у подопытных изменение непирамидных нейронов — типа клеток, обычно подавляющих повышенную активность в мозге. После периода потребления алкоголя эти нейроны получили больше возбуждающих сигналов, что может привести к гипервозбудимости. Кстати, чрезмерная активность мозга является характерной для нескольких нейродегенеративных состояний.
Несмотря на то что подобное исследование на людях еще не проводилось, полагают ученые, результаты эксперимента с мышами показательны и в отношении людей. И называют алкоголь однозначным фактором риска, который следует учитывать, если человек заботится о здоровье своего мозга.
Ужас, летящий на крыльях
Исследователи Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса (США) с коллегами из Перу и Колумбии изучили окаменелость гигантской плотоядной птицы, которая, как предполагается, может оказаться крупнейшим известным представителем своего вида. Результаты исследований открывают новую страницу жизни представителей фауны, обитавших на севере Южной Америки миллионы лет назад.
Кость была найдена в богатой ископаемыми остатками пустыне Татакоа в Колумбии и около двух десятков лет хранилась в коллекции, собранной частным колумбийским коллекционером окаменелостей Сесаром Пердомо. Ученые лишь год назад изучили эту коллекцию. Они посетили музей Пердомо, сделали снимки кости при помощи трехмерного сканера, а зачем проанализировали их с помощью компьютерной программы. Выяснилось, что окаменелость принадлежит к ранее неизвестному виду так называемых птиц ужаса. Она жила около 12 млн лет назад и была больше известных келенкенов, девиченций и других крупнейших «птиц ужаса» на 5–20%, то есть их высота достигала 3,2–3,6 метра.
«Птицами ужаса» палеонтологи называют крупных хищных пернатых из семейства Phorusrhacidae, появившихся на территории современной Южной и Северной Америки около 43 млн лет назад. Существовали они довольно долго: последняя такая исчезла, по предположениям специалистов, около 100 тыс. лет назад. Самыми крупными представителями Phorusrhacidae до сих пор считались особи весом 350 кг и высотой 3 метра.
«Эта птица жила на территории современной Колумбии около 12 млн лет назад, во время миоценовой эпохи. Мы обнаружили на этой кости голени несколько следов зубов, которые были, предположительно, оставлены зубами гигантского древнего каймана — пурусзавра. Учитывая размеры этих рептилий, мы предполагаем, что «птица ужаса» погибла от этих ран», — пояснила Шиван Кук, доцент Университета Джонса Хопкинса.
К сожалению, в данный момент в музее хранится лишь одна кость: эта птица довольно редко встречалась в регионах современных Северной и Южной Америки. Ученые надеются, что дальнейшие раскопки в Колумбии дадут новую информацию и позволят составить более точное представление об облике этой птицы и среде ее обитания.
И растворился как морская пена
Группа исследователей Национального научно-исследовательского института RIKEN и Токийского университета (Япония) разработала тип пластика, который разлагается в морской воде. Этот открытие поможет сократить вредное загрязнение микропластиком, который накапливается в океанах и почве и в конечном итоге попадает в пищевую цепочку.
Ученые объединили два ионных мономера, которые вместе образуют сшитые солевые мостики, обеспечивающие прочность и гибкость материала. В ходе испытаний одним из мономеров выступила пищевая добавка под названием гексаметафосфат натрия, а другим — любой из нескольких мономеров на основе ионов гуанидиния. «Мостики» рушатся лишь при воздействии электролитов, подобных морской воде.
«Прочный, стекловидный супрамолекулярный полимер показал способность предотвращать формирование микропластика в морской воде благодаря постепенному разложению в соленой воде на компоненты, которые поддаются химической переработке живыми организмами», — пишут в публикации ученые.
Новый материал полностью разлагается в почве за десять дней, снабжая ее фосфором и азотом, пригоден для вторичной переработки, он нетоксичен и негорюч. Материал можно использовать в создании твердого, устойчивого к царапинам пластика, резиноподобных силиконов, гибкого пластика с низкой прочностью на разрыв. Также полимер можно применять в 3D-печати и в медицинских целях.
«Мы создали новое семейство пластиков, которые прочны, стабильны, пригодны для переработки, могут выполнять множество функций и, что важно, не образуют микропластика», — говорит Аида Такудзо из Национального научно-исследовательского института RIKEN.
Почему Юпитер пошел пятнами
Ученые из США и Великобритании выяснили, как формируются темные пятна у полюсов Юпитера. Причиной возникновения данных пятен они назвали «магнитные торнадо», которые перемешивают атмосферу планеты и помогают образовывать углеводородные аэрозоли внутри темных пятен, достигающих размеров Земли. Сами торнадо рождаются благодаря взаимодействию приполярных линий магнитного поля Юпитера, материи его атмосферы и выбросов плазмы с юпитерианской луны Ио.
Астрономы Калифорнийского университета в Беркли заинтересовались темными овалами на поверхности Юпитера после проведенного студентом университета Троем Цуботой исследования последних изображений с космического телескопа «Хаббл». Впервые эти овалы были замечены в конце 1990-х годов на северном и южном полюсах Юпитера. Затем на северном полюсе их обнаружил космический зонд «Кассини», который пролетел мимо Юпитера в 2000 году. Цубота насчитал восемь темных овалов, наблюдаемых в ультрафиолетовом свете (SUDO), на южном полюсе между 1994 и 2022 годами. На всех 26 глобальных картах «Хаббла», которые показывают северный полюс Юпитера, Цубота и старший автор работы Майкл Вонг, научный сотрудник Лаборатории космических наук Калифорнийского университета в Беркли, обнаружили только два темных овала (NUDO).
На основании наблюдений команда предположила, что овалы формируются в течение примерно месяца и рассеиваются через пару недель. «Концентрация аэрозолей в темных овалах оказалась до 50 раз выше нормы. Это говорит о том, что они возникают у полюсов в результате вращения торнадо, а не в результате химических реакций, которые провоцируются проникновением частиц высокой энергии в верхние слои атмосферы. Мы обнаружили, что эти частицы попадают в атмосферу Юпитера совсем не в то время и не в тех точках, где возникают темные пятна», — пояснил профессор Чжан Си из Университета Калифорнии в Санта-Крузе, эксперт по планетарным отношениям, консультирующий исследователей.
Полученные результаты — то, для чего был разработан проект Outer Planet Atmospheres Legacy (OPAL), описывающий, как динамика атмосферы на гигантских планетах Солнечной системы отличается от того, что мы знаем о Земле. Сложные процессы, которые обнаружили ученые, объясняют многие открытия последних лет, в частности странности в концентрации бензола и других веществ в верхних слоях атмосферы Юпитера.
Башня тянется к солнцу
Ученые Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова (АлтГТУ) создали солнечную электростанцию обновленной модели призматической конструкции, что, по словам разработчиков, делает ее компактной и более эффективной по сравнению с существующими.
«Наша модель предназначена для преобразования солнечной энергии в электрическую. Энергия Солнца — одна из самых экологичных, безопасных и недорогих по себестоимости. Пожалуй, единственным недостатком является зависимость ее получения от времени суток и погодных условий. Именно поэтому считалось, что в северных странах строительство солнечных электростанций экономически невыгодно. Наша же разработка позволяет в разы повысить эффективность работы солнечных батарей», — отмечает Василий Сташко, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий АлтГТУ.
Количество ярусов призматической электростанции зависит от требуемой мощности, в каждом из этих ярусов образуется квадрат с помощью четырех вертикально соединенных панелей. И даже частичное или полное затенение любой из панели не повлияет на величину тока, которую генерирует система в целом. Разносторонняя ориентация граней призмы позволяет вырабатывать электроэнергию в течение всего светового дня. Чтобы получить 3 кВт энергии, достаточно лишь одного квадратного метра площади. Для сравнения: традиционным панелям, размещенным под углом, нужно в сотню раз больше пространства.
Система компоновки модульная, то есть владелец такой электростанции может самостоятельно увеличить ее до нужных показателей, нарастив ярусы. «Благодаря этому башня будет расти вверх, а раз так, то можно подключить к процессу еще и энергию ветра — установить ветрогенератор. В тихую безветренную ночь устройству также не помешает бензиновый генератор. Таким образом, наша станция станет гибридной, что значительно повысит ее надежность», — поясняет Василий Сташко.
Модель уже запатентована, пришло время создания прототипа – нанопризмы. «Небольшую призматическую модель можно будет использовать в походах или поставить на домашний подоконник. Ее мощности хватит для работы светильника или зарядки мобильного телефона. Помимо того, что мы получим полезный и интересный сувенир, нанопризма поможет нам провести экспериментальные исследования в наших условиях», — говорят участники проекта.
Еда не приходит одна
Ученые Санкт‑Петербургского государственного университета (СПбГУ) разработали инновационное покрытие для продуктов, которое сохраняется при хранении и транспортировке без ущерба для вкуса и внешнего вида еды. При этом новый материал легко смывается водой. И даже если вдруг человек плохо промоет продукт, в панику впадать не стоит, ведь покрытие биосовместимо с человеческим организмом.
«Мы создали тонкое полимерное покрытие из желатина и хитозана, которое может сохранять важные для продуктов свойства, при этом не меняя их вкус, запах и текстуру. Компоненты покрытия — полимеры естественного происхождения. Хитозан — это природный биополимер, получаемый из покровов ракообразных, а желатин всем хорошо известен, он широко применяется в кулинарии», — говорит профессор Майя Успенская, главный научный сотрудник лаборатории биогибридных технологий СПбГУ.
Добавим, что хитозан — нетоксичный, биосовместимый компонент с широким спектром биологической активности: в частности он убивает микробы. А при смешении его с желатином появляются необходимые эксплуатационные характеристики. В раствор из этих компонентов окунают продукты, которые затем несколько часов сушат в лабораторной сушилке. В промышленном производстве дело пойдет еще быстрее, ведь продукты можно сушить в промышленных вакуумных сушилках. По словам исследователей, такое покрытие можно наносить на фрукты, овощи, мясо и рыбу.
Арктика повышает градус
Ученые Международного центра по окружающей среде и дистанционному зондированию имени Нансена (Санкт-Петербург) выяснили, что с 2005 года зимняя температура в Арктике начала повышаться на несколько градусов. Ясное небо позволяет прогревать поверхности длинноволновой радиацией, появляющейся при высокой концентрации пара в арктическом воздухе.
«Это исследование вносит существенный вклад в понимание современных климатических изменений в Арктике, что очень важно для социально-экономического развития региона и планирования мер по адаптации к изменению климата. Полученные результаты будут использованы при оценке влияния атмосферных потоков тепла и влаги на климатические обратные связи в Арктике», — отметил автор исследования Михаил Латонин, научный сотрудник «Нансен-Центра».
Ученые провели анализ спутниковых, самолетных и наземных наблюдений за изменениями погоды и климата в Арктике, систематизированных в климатической базе данных ERA5. Удалось проследить изменения температуры поверхности и приповерхностных температур воздуха, тепловой баланс Заполярья с 1959 по 2022 год.
В итоге ученые обнаружили мощный скачок температуры в зимние дни 2005 года над районами Северного Ледовитого океана и арктических морей России. Тогда стояла ясная погода, а сила длинноволнового излучения, вырабатываемого молекулами воды в атмосфере Земли, повысилась. В 2005–2022 годах излучение выросло на 9%, при этом подросли и зимние температуры воздуха и поверхностей грунта почти на 5 градусов Цельсия по сравнению с предыдущими десятилетиями. Исследователи предполагают, что дело в водяном паре, который проникает в наши широты из более теплых регионов вместе с воздушными массами.
Эти выводы помогают понять феномен Арктического усиления глобального потепления, отвечая на вопрос, почему Арктика нагревается быстрее остальных регионов.
Не зли искусственный интеллект!
Ученые Института искусственного интеллекта AIRI, Института системного программирования им. В.П. Иванникова Российской академии наук (ИСП РАН) и Лаборатории искусственного интеллекта Сбера изучили, как влияют эмоции людей на принимаемые большими языковыми моделями (LLM) решения в стратегических играх и этических дилеммах. Результаты исследования представили на 38-й ежегодной конференции по системам обработки нейронной информации (NeurIPS 2024) в Ванкувере (Канада).
Исследователи протестировали более десяти моделей, оценив, как ведут себя LLM при разработке стратегий и принятии решений в повторяющихся и неповторяющихся играх, играх для нескольких игроков, этических дилеммах и бенчмарках, в распознавании стереотипов. В список вошли основные модели теории игр: «Дилемма заключенного», «Битва полов», «Диктатор», «Ультиматум», «Общественное благо», задачи с неявной и явной этикой, а также понимание стереотипных утверждений.
Оказалось, что модели по-разному подвержены влиянию человеческих эмоций. Мощные, например такие, как GPT-4, ведут себя рационально, да и то гневно окрашенные человеческие данные могут увести модель с курса. Хуже всего модели понимают страх, начиная вести себя самым непредсказуемым образом. Большинство моделей улучшает качество этических решений, если человек счастлив. Если же он проявляет негативные чувства, качество принятия решений искусственным интеллектом снижается.
«Исследование заложило основы изучения выравнивания (alignment) мультиагентных систем, подчеркивая необходимость в новых бенчмарках для оценки уровня кооперации агентов на основе больших языковых моделей. Результаты исследования могут быть использованы для разработки более продвинутых устойчивых мультиагентных систем ИИ, чью эмоциональность можно будет устанавливать для каждой сферы применения отдельно. Это действительно важный параметр при создании прикладных ИИ-продуктов: бизнес едва ли оценит ситуацию, в которой ИИ-маркетолог увеличит персональную скидку клиента до 99%, потому что тот в процессе обсуждения целенаправленно вызвал в системе глубокое чувство досады и несправедливости. В перспективе мы планируем рассмотреть взаимодействие человека и LLM, а также уделить больше внимания анализу поведения мультиагентных систем и ситуаций, когда большое количество агентов играет друг с другом», — заметил Илья Макаров, руководитель группы «ИИ в промышленности» Института AIRI.