Новости науки: 10 событий октября

«Мы живем на земле не для себя только… Грешно, сложив руки, быть одним только праздным зрителем, кому Бог дал хоть какую-нибудь возможность участвовать в ней», – заметил Николай Пирогов, великий русский хирург и ученый-анатом. Современные ученые, конечно, не сидят сложа руки. Узнаем, чего им удалось добиться в октябре.

Вас снимают, скажите: «Рис»

Ученые Самарского университета им. Королева и их коллеги из Китайского университета наук о земле и Гонконгского политехнического университета (Китай) усовершенствовали технологию умного земледелия. Чтобы точно определить минеральный состав почвы, режим освещенности и увлажнения полей, на которых может выращиваться рис, исследователи использовали мультиспектральную спутниковую съемку. С ее помощью подбирается наиболее подходящая для выращивания этой злаковой культуры земля, что поможет добиться лучших урожаев.

«Главный наш результат – новый вегетационный индекс оценки спектрограмм, повышающий точность анализа. Благодаря ему можно детально контролировать протекание жизненного цикла растений, что позволит, например, в некоторых случаях добиться двух урожаев там, где раньше собирали только один», – рассказывает Комаль Кумари, автор исследования, доцент кафедры технической кибернетики Самарского университета.

Авторы исследования говорят о преимуществе технологии, которая заключается в более точном определении этапов жизненного цикла растений и оценке урожайности. Специалисты хотят сделать эту методику пригодной не только для риса, но и других сельскохозяйственных культур.

Вот паразит!

Ученые Тюменского государственного университета изучили, как деятельность паразитов влияет на здоровье жаб и лягушек. Исследователям важно было понять, способствуют ли паразиты блокированию либо усилению транскрипции конкретных генов и изменению фенотипа земноводных. Такой вопрос возник неспроста. В 2016 году у лягушек и жаб в водоемах Пензенской области была обнаружена «аномалия Р». Этот термин ввел в употребление французский биолог Жан Ростан, который в 1952 году насчитал у жаб и лягушек лишние пальцы и стал изучать явление полидактилии (порок развития, для которого характерно наличие одного или нескольких дополнительных пальцев конечности). На первых порах ученые полагали, что полидактилия вызвана наследственностью. Затем обвинили в этом вирус и, наконец, пришли к версии о паразитах. Проверить «паразитическую» теорию и решили ученые Тюменского государственного университета.

В итоге они объяснили мутации следствием внедрения паразитов, на которое организм животного-хозяина дает молекулярный ответ. Вредителя обнаружили в процессе исследования моллюсков: им оказались трематоды (класс паразитических плоских червей), которые расплодились в водоеме в больших количествах. Причем зеленые лягушки страдали только от одного вида трематодов – Strigea robusta.

«Интересно, что церкарии (личинки Strigea robusta) внутри организма формируют свою оболочку (цисту), формируя метацеркарии, и, вероятно, выделяют в головастика лягушки морфоген, представляющий продукт вторичного метаболизма, который вызывает наблюдаемые отклонения в облике животного. Такое воздействие избирательно: есть виды амфибий, не подверженные ему», – рассказал Антон Свинин, старший научный сотрудник лаборатории экологической генетики и метагеномики Тюменского государственного университета.

Кстати, этот паразит опасен и для водоплавающих птиц, в частности для уток. Поэтому сейчас ученые активно изучают моллюсков различных российских водоемов для того, чтобы составить карту мест обитания Strigea robusta. Она подскажет фермерам, где не стоит выгуливать водоплавающих птиц.

Стеклянный мозг

Важный шаг к созданию умного стекла с интегрированной в него электроникой нового поколения сделали ученые Томского политехнического университета (ТПУ). Они предложили метод модификации, позволяющий создавать графеновые электропроводящие структуры, которые смогут стать основой интегрированной электроники. Причем именно частью стекла, а не его покрытием.

«Мы впервые в мире показали, как с помощью лазера изготовить электропроводящий и устойчивый композит на основе графена и стекла. Наш метод позволяет «рисовать» графеном нужные структуры, вплавляемые в стекло на несколько микрометров. Это обеспечивает возможность долговременного использования материала без ухудшения свойств», – рассказала Евгения Шеремет, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ.

Надо заметить, что в данном случае используется даже не сам графен, а его более дешевый оксид и недорогие полупроводниковые лазеры. Поэтому, в отличие от аналогов, эта технология обойдется в производстве дешевле.

«Пока мы протестировали два применения нового композита в качестве электрохимического сенсора и нагревательного элемента. И то, и другое может найти широкое применение как в быту, так и в промышленности», – добавляет Анна Липовка, ассистент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ.

Грибы – налево, животные – направо

Ученые Тюменского государственного университета совместно с коллегами из Венгрии, Канады, Испании, Великобритании и Франции прояснили один из ключевых эпизодов эволюции жизни – траекторию генетических изменений одной эукариотической супергруппы Opisthokonta. Эта супергруппа, в свою очередь, разделилась на две основных группы – Holozoa и Holomycota. К одной из них принадлежат животные, к другой – грибы. Общий предок таких разных организмов, как оказалось, жил относительно недавно – около миллиарда лет назад.

Прежде всего, исследователи открыли несколько ранее неизвестных видов современных простейших одноклеточных: они оказались максимально генетически близкими общему предку животных и грибов. Геном расшифровали с помощью технологии высокопроизводительного секвенирования ДНК.

«Генетические различия между животными и грибами могут быть обусловлены тем, что либо обе группы, либо только одна из них претерпела существенные изменения после отделения от последнего общего одноклеточного предка. Наши данные показывают, что животные претерпели более широкую дифференциацию функций генов, чем грибы, при этом содержание генов грибов более сходно с геномом одноклеточных предков», – объясняет Денис Тихоненков, главный научный сотрудник Института биологии внутренних вод Российской академии наук, заведующий лабораторией AquaBioSafe Тюменского государственного университета.

Те одноклеточные предки, которые позже развились в животных, начали быстро накапливать гены, благодаря которым стало возможным многоклеточное строение. А та группа, которая в итоге эволюционировала в грибы, гены в основном теряла. Этой группе было важно увеличить многообразие метаболических функций для легкой адаптации и выживания в разных средах обитания.

«Наша работа, хотя и носит фундаментальный характер, может помочь в борьбе и профилактике раковых заболеваний. Она проливает свет на генетические механизмы клеточного поведения и взаимодействия в процессе развития и формирования органов. Нарушения этих механизмов приводят к появлению опухолей и метастазов», – отметил Денис Тихоненков.

Взвесить Млечный Путь

Китайские ученые вместе с австралийскими коллегами выяснили, что галактика Млечный Путь, в которой мы с вами живем, на самом деле в два раза легче, чем считалось ранее. Вес Млечного Пути – примерно 550 миллиардов эквивалентов веса Солнца.

«Это значит, что в нашей галактике гораздо меньше, чем предполагалось, темной материи, которая не светится, но обладает гравитационными свойствами. Результаты нашего последнего исследования позволяют полагать, что Млечный Путь «стройнее», чем мы думали раньше», – отметила Сюэ Сянсян, одна из авторов работы, исследователь из Национальной астрономической обсерватории Китайской академии наук.

Ученые пришли к таким выводам на основании данных, полученных с помощью многообъектного оптоволоконного спектроскопического телескопа большой области неба (LAMOST), ведущего оптического телескопа в Китае, а также – спутника Gaia Европейского космического агентства.

Большая выборка спектроскопических данных, предоставленных LAMOST, является одним из основных преимуществ этого исследования по сравнению с исследованиями других исследовательских групп. «Выборка получилась большой не только по количеству и охвату, но и по возможности записи трехмерного положения, скорости и содержания металлов для каждой звезды», – добавила Сюэ Сянсян.

Масса имеет решающее значение для понимания динамики галактики, в частности для расчета вращения спиральных рукавов вокруг ядра.

Мужскую проблему копнули поглубже

Ученые из НИИ физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского МГУ им. М. В. Ломоносова и их коллеги из США провели анализ данных об эпигенетических метках в сперматозоидах млекопитающих. И создали так называемые эпигенетические часы сперматозоидов человека, которые помогут при лечении бесплодия и определении биологического возраста мужчины. Также они выяснили, что с возрастом в сперматозоидах происходят генетические изменения, в частности, на некоторых участках генов, отвечающих за развитие нервной системы будущего ребенка. Тема актуальная: например, в США количество детей, рожденных от отцов старше сорока лет, удвоилось за последние 40 лет. При этом основное внимание ученые уделяют связи здоровья матери со здоровьем ее потомства, а вот отцовское «наследие» практически не изучается.

«Традиционно считалось, что накопление эпигенетических изменений в сперматозоидах с возрастом – это случайный процесс, наподобие мутаций. Такие изменения даже называли эпимутациями. Однако наш обзор, как и наши экспериментальные данные, показывает, что эти изменения не случайны. Продемонстрировано, что возрастные изменения метилирования ДНК и изменения экспрессии малой некодирующей РНК (еще один эпигенетический механизм) пересекаются по регуляции работы одних и тех же генов. И эти гены затрагивают важнейшие механизмы развития. Биологическая роль таких изменений пока не понятна, но похоже, что млекопитающие запрограммированы на передачу следующему поколению различной информации в разном возрасте. Важно то, что, если мы поймем, как формируется эпигеном сперматозоидов и как он определяет здоровье потомства, мы сможем влиять на здоровье ребенка еще до его зачатия», – рассказал Александр Суворов, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник группы эпигенетической эпидемиологии НИИФХБ МГУ.

Исследование поможет не только предотвратить проблемы у ребенка возрастных родителей, но и пригодится в поиске подходов к нейтрализации негативных последствий старения.

Безопасностью и не пахнет

Природный газ, используемый в бытовых плитах и приборах отопления, не так уж безопасен. Даже если плита полностью выключена, в квартиру проникают канцерогенные ароматические углеводороды. «Из-за крайне малых объемов их невозможно учуять, однако они все равно негативно влияют на качество воздуха в квартирах и здоровье людей. Наше исследование показало, что утечки газа столь же сильно повышают долю канцерогенов в воздухе, как и вторичное курение», – сказал Эрик Лэбел, старший научный сотрудник некоммерческого научно-исследовательского института энергетики и политики PSE Healthy Energy (США).

Исследователи собрали образцы несгоревшего газа из кухонных плит 159 домов в Калифорнии, которые проверили на наличие вредных соединений. В частности, исследователи искали бензол – хорошо известный канцероген, толуол, этилбензол и ксилол. Выяснилось, что шесть из десяти обнаруженных соединений являются опасными загрязнителями воздуха.

Также ученые получили данные, что в Калифорнии ежегодно при использовании природного газа выбрасывается такое же количество бензола, что и от 60 000 автомобилей. «Утечки природного газа являются источником опасных загрязнителей воздуха, которые в значительной степени игнорируются», – сказал Дрю Миханович, старший научный сотрудник PSE Healthy Energy.

Батарейка на воде

Водные аккумуляторы на основе цинковых анодов считаются одними из наиболее перспективных систем для замены обычных литийионных батарей благодаря их внутренней безопасности, высокой ионной проводимости и экономическим преимуществам. Однако низкая реверсивность цинкового анода из-за цинковых дендритов и побочных реакций на поверхности ограничивает возможность реализации такой батарейки на практике.

Инженеры из Пхоханского университета науки и технологий (Южная Корея), стремясь решить эту проблему, представили миру свою разработку – водную цинкионную батарею, где электролитом выступает обычная вода. Чтобы защитить электроды от коррозии и повысить стабильность работы, подавляя ненужные химические и электрохимические реакции на поверхностях, использовали многофункциональный защитный полимерный слой. Это позволило избавиться от недостатка водного электролита – низкой реверсивности цинкового анода. У этого слоя есть несомненный плюс – его эластичность, которая позволяет выдержать расширение объема во время заряда и разряда батареи.

Риск – префронтальное дело

Многие из решений, принимаемых людьми ежедневно, сопряжены с риском. Сюда же можно отнести и решение купить лотерейный билет. Исследователи Института когнитивных нейронаук Научно-исследовательского университета Высшей школы экономики (Россия) решили поэкспериментировать с дорсолатеральной префронтальной корой мозга, которая играет роль в принятии рискованных решений. Исследователи пригласили 30 добровольцев и с помощью транскраниальной магнитной стимуляции подавляли возбудимость коры их головного мозга. Для этого они помещали возле головы участника эксперимента генератор магнитного поля, которое достигало близлежащих нейронов, активируя или отключая их. После стимуляции испытуемые отвечали на ряд вопросов и выбирали лотерею с меньшим или большим риском. В процессе выбора отслеживалась активность мозга. Участники трижды посещали лабораторию: в один день проводилась стимуляция правой коры, в другой – левой, а в третий раз стимуляцию имитировали, но участникам об этом не говорили.

Выяснилось, что при подавлении активности левой половины коры рациональность действий испытуемых снижалась, и они слишком высоко оценивали свои шансы на победу при высокой ее вероятности и недооценивали при низкой. Ученые полагают, что именно это происходит при развитии игровой зависимости. И надеются, что это исследование поможет в борьбе с ней.

«Префронтальная кора мозга играет ведущую роль в восприятии такой абстрактной информации, как вероятность возможных исходов. Мы показали, что существует причинно-следственная связь между активностью дорсолатеральной префронтальной коры и тем, какую лотерею человек выберет. Также, возможно, именно она объединяет эту информацию с другими аспектами выбора для принятия финального решения, например, с информацией о размере денежного выигрыша. Изучение подобных нейрональных механизмов может в будущем привести к лучшему пониманию патологического поведения, например игромании, когда человек систематически предпочитает рискованные решения даже в ущерб собственному благосостоянию», – объяснила Ксения Паниди, старший научный сотрудник Центра нейроэкономики и когнитивных исследований Института когнитивных нейронаук НИУ ВШЭ.

Зубами щелк – и будет толк

Клавиатуры и сенсорные экраны широко используются для управления электронными устройствами, но людям с нарушениями подвижности или неврологическими заболеваниями работать с ними бывает крайне непросто. Существуют технологии-помощницы – такие, как распознавание голоса, отслеживание взгляда. Но распознавание голоса требует от устройства большой оперативной памяти и должно работать в среде с низким уровнем шума, а отслеживание взгляда требует установки камеры перед пользователем. Существуют и интерфейсы «мозг – компьютер», которые значительно прогрессируют в последние годы, но эта технология инвазивная и требует громоздких проводных инструментов.

Исследовательская группа под руководством профессора Лю Сяогана с химического факультета Национального университета Сингапура совместно с сотрудниками из Университета Цинхуа (Китай) проделала серьезную работу и добилась хороших результатов в решении этой проблемы. Управлять компьютерами, смартфонами и даже инвалидными колясками теперь можно будет с помощью интерактивной капы. Пользователю надо сжимать челюсть или стучать определенным образом зубами, а датчики будут передавать команды устройству, реагируя на давление. Сам датчик состоит из серии контактных площадок, содержащих люминофоры разного цвета – вещества, излучающего свет в ответ на давление. Система успешно распознает свыше 98% сигналов.

Помимо взаимодействия человека с компьютером, интерактивная капа также может использоваться, в частности, в стоматологической диагностике.

Вес капы – всего 7 граммов, она незаметна окружающим. И стоит недорого: прототип обошелся в 70 долларов, но при запуске массового производства этот прибор будет стоить дешевле.