Новости науки: 10 событий сентября
«Математика — это ключ и дверь ко всем наукам», — сказал Галилео Галилей (1564-1642), великий итальянский физик, механик, астроном, философ и математик. Многие ученые, о результатах работы которых мы расскажем в нашем традиционном обзоре новостей науки, тоже использовали математический инструментарий.
Электрический стул для вредителей
Ученые Северо-Кавказского федерального университета (СКФУ) предложили недорогой метод борьбы с гидробионтами — морскими и пресноводными организмами, постоянно обитающими в воде. Они активно обживают трубопроводы на водозаборах, особенно в теплом климате. В итоге внутри трубы нарастает слой в 7–10 сантиметров из этих организмов. Как результат — рост затрат электроэнергии на 10–12% на подачу воды, поскольку растет сопротивление в трубопроводах и снижается напор во всасывающей системе водозабора, а еще возникает угроза остановки насосных станций, износа оборудования и риска аварий.
Чаще всего такой вред наносят двустворчатые моллюски дрейссены. Они прикрепляются к биопленке, образуемой на внутренней поверхности трубопровода. И вся проблема в данном случае заключается именно в биопленке.
«Мы предложили придавать слабый положительный заряд внутренним поверхностям трубопроводов. Таким образом подавляется рост бактерий на стенках трубопроводов и не образуется биопленка. Аналогично бактериям и частицам загрязнений электрически заряжаются и находящиеся в воде личинки дрейссены и прочих микроорганизмов. Вследствие этого клетки личинок начинают испытывать высокое внешнее осмотическое давление. У них нарушаются процессы метаболизма. Клетка, пытаясь стабилизировать внутреннее давление, непрерывно выбрасывает во внешнюю среду свою цитоплазму, получая взамен вместо питательных веществ только чистую воду», – рассказывает один из авторов исследования Николай Стоянов, профессор кафедры теплогазоснабжения и экспертизы недвижимости СКФУ.
Для этого потребуется электрическая станция постоянного тока. «Плюсовой» электрод подключают к металлической трубе, а «минусовой» – к катоду. И если современные методы борьбы с гидробионатами заключаются в хлорировании, озонировании и добавлении препаратов серебра, на что может уходить до 50 миллионов рублей в год, то новый способ требует в десятки и даже сотни раз меньше средств. К тому же применять его можно и для защиты подводной части корпуса судов, что позволит увеличить быстроходность.
Сперва ей было фиолетово
Ученые Университета штата Северной Каролины (США), похоже, знают ответ на вопрос, почему морковь оранжевого цвета. Все дело в генах, которые обнаружили исследователи. Они изучили 630 образцов диких и культурных корнеплодов — желтых, фиолетовых, оранжевых, белых.
«Мы, по сути, полностью реконструировали всю хронологию того, когда была одомашнена морковь и когда она приобрела оранжевый цвет. По всей видимости, это произошло после скрещивания белой и желтой моркови, так как обе эти вариации корнеплода находятся в самом основании древа эволюции оранжевой моркови», — рассказал Массимо Йориццо, доцент кафедры садоводства Института растений для здоровья человека Университета штата Северной Каролины.
Ученые занимались этим вопросом не один год. Еще в 2016 году они расшифровали ДНК желтой моркови. И теперь, секвенировав ДНК 630 образцов, проследили историю культивации различных сортов. Корнеплод был одомашнен в IX–X веках в Центральной Азии: тогда морковь была фиолетовой и желтой. Привычная нам оранжевая морковь появилась в XV-XVI веках в Западной Европе.
Накапливать оранжевый цвет морковь стала после мутации в трех генах — REC, Or и Y2. Мутация выключила эти участки ДНК. И получилось, что они стали контролировать накопление альфа- и бета-каротина — веществ, относящихся к группе пигментов, называемых каротиноидами. В организме человека они преобразуются в полезный витамин А.
Ученые надеются, что благодаря пониманию генетики корнеплода теперь удастся создать более качественные сорта — с повышенным содержанием каротина и быстрым цветением.
И снесла курочка пломбу
Ученые Уральского федерального университета (УрФУ) совместно с коллегами из Уральского государственного горного и Уральского государственного медицинского университетов предложили использовать для прочного соединения пломбы с зубом композит на основе скорлупы куриных яиц.
«Большинство современных пломбировочных материалов разработано на основе полимера полиметилметакрилата. К ресторативным материалам, из которых изготавливают пломбы и составляющие зубных имплантов, в стоматологии предъявляются весьма жесткие требования. Во-первых, должна быть высокая биосовместимость с организмом человека. Во-вторых, прочность пломб и имплантов не должна быть выше прочности самого зуба, иначе здоровые зубы будут разрушаться при контакте с пломбой или имплантом. Третье требование — невысокая стоимость реставрационных материалов, чтобы обеспечить доступность для широкого круга пациентов», — объяснил профессор кафедры физики конденсированного состояния наноразмерных систем УрФУ Петр Панфилов, соавтор разработки.
Поиск новых реставрационных материалов для стоматологии — сложная задача. Но есть еще одна проблема: недостаточно найти такой материал — нужно еще оценить прочность соединения пломбы с зубом. Для этого нужны вещества, близкие по свойствам к дентину и эмали, и ученые УрФУ предложили использовать яичную скорлупу.
«У скорлупы куриных яиц есть два больших преимущества перед другими биоминералами: во-первых, ее толщина практически одинаковая на всех участках яйца, а во-вторых, скорлупа имеет две природные боковые поверхности, близкие по морфологии поверхности зубной эмали. Это дает возможность провести механические испытания по схеме трехточечного изгиба, чтобы оценить когезионную прочность соединения (прочность клеевого соединения) двух разных материалов. Использование образцов из скорлупы куриных яиц дает возможность ускорить предварительный отбор рецептур пломбировочных материалов, чтобы дорогостоящие испытания на композитах «эмаль — пломба» проводить только на наиболее перспективных материалах с требуемыми функциональными свойствами и максимальной когезионной прочностью. И именно такие составы следует использовать в дальнейшем при проведении доклинических и клинических экспериментов», — отметил Петр Панфилов.
Ведро и тряпка вместо гирь и гантелей
Нужно ли заниматься споротом каждый день по 30 минут, чтобы поддерживать здоровье на достойном уровне? Исследователи из Австралии и Великобритании говорят, что вовсе не обязательно так утруждаться.
«В последние годы все больше научных данных указывает на то, что пользу для здоровья приносят не только целенаправленные упражнения, но и короткие всплески активности, от подъема по лестнице до энергичного мытья полов. Но нам пока мало известно о том, как измерить влияние этих спонтанных нагрузок на показатели здоровья», — говорит Эммануэль Стаматакис, главный автор работы из Сиднейского университета (Австралия).
Исследователи воспользовались данными Британского биобанка (UK Biobank) — в частности, данными акселерометров (приборов, оценивающих энергичность перемещения), которые более 25 тысяч взрослых участников эксперимента носили на запястье в течение семи дней. При этом волонтеры не занимались упражнениями и гуляли один-два раза в неделю.
В категорию активности попали 97% интенсивных движений продолжительностью не более 10 минут. Ученые выяснили, что средняя и высокая интенсивность движений резко снижает риск смерти от любых причин. Даже двух-трехминутные активные движения, согласно выводам ученых, снижают риск инсульта и сердечного приступа на 29%, а риск смертности — на 44% по сравнению с активностью продолжительностью менее минуты.
«Наша работа указывает на то, что люди могут потенциально снизить риск серьезных проблем с сердцем, просто занимаясь повседневными делами со средней интенсивностью. В идеале им следует непрерывно двигаться как минимум 1–3 минуты, выполняя каждую задачу», — полагает Мэттью Ахмади, ведущий автор работы, научный сотрудник Центра Чарльза Перкинса при Сиднейском университете.
Мохнатый шмель покидает хмель…
Группа экологов под руководством Симона Делликура, профессора Католического университета Левена (Бельгия), выяснила, что некоторые виды европейских шмелей значительно сократятся к 2080 году.
«Проведенные расчеты показывают, что примерно 38–76% изученных видов шмелей, которым сейчас не угрожает вымирание, потеряют к 2080 году минимум треть ареалов. Это поставит некоторые виды опылителей, в том числе Bombus alpinus, Bombus flavidus и Bombus pyrrhopygus, на грань вымирания, так как их ареалы сократятся более чем на 90%», — пишут ученые в своей работе.
Исследователи изучали площади ареалов 46 распространенных в Европе шмелей с 1901 по 2014 год, проанализировали изменения средних температур, уровни осадков и другие параметры климата и экологии на этих территориях, а также численность населения.
«Наши результаты подчеркивают решающую роль политики смягчения последствий глобальных изменений как эффективного рычага защиты шмелей от антропогенной трансформации биосферы», — считают исследователи.
«Хамелеон» вместо обоев
Ученые из Китая и Великобритании создали покрытие, которое, как ожидается, в летний зной охладит стены, а суровой зимой сохранит тепло. На создание универсального материала их вдохновили хамелеоны с их способностью менять цвет кожи.
«Пустынные хамелеоны, обитающие на юго-западе Африки, способны менять окраску для регуляции температуры тела при изменении условий окружающей среды. Они выглядят светло-серыми в жаркое время, что позволяет отражать излучение и охлаждаться, а по мере снижения температуры становятся темно-коричневыми, чтобы поглощать тепло. Ученые воспроизвели эту уникальную особенность пустынных существ при изготовлении покрытия, которое меняет цвет в зависимости от температуры окружающей среды», — говорится в сообщении Американского химического общества.
Краситель был создан при соединении двух разных типов микрочастиц. Первые поглощают солнечное излучение, а вторые меняют цвет при изменении температур. При температуре ниже 25 °С цвет получается серо-черный, если температура выше — цвет меняется на белый. В жару отражается до 93% солнечного света, что помогает снизить температуру стен на 6,5 °С. А в холодное время температура повышается на 4,3 °С.
Ученые полагают, что этот материал поможет примерно на 20% уменьшить расходы электроэнергии на охлаждение и обогрев. А еще его легко производить и наносить на любую металлическую поверхность спреем или кистью.
Эти коровы дают рыбий жир
Ученые Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской Академии наук (СО РАН) обнаружили, что мясо и печень якутских коров — ценный источник омега-3-полиненасыщенных жирных кислот (аналог рыбьего жира), которые применяются для профилактики сердечно-сосудистых заболеваний. Возможно, такие высокие показатели связаны с местом обитания и адаптацией к суровому холодному климату и рациону. Ведь живут коровы в северо-восточном регионе Республики Саха (Якутия). Правда, осталось их немного, всего несколько тысяч.
Уникальное мясо по соотношению полиненасыщенных жирных кислот к насыщенным в два раза превышает рекомендованные значения Всемирной организации здравоохранения. А отдельные показатели даже выше, чем у традиционно рекомендуемых в качестве источника омега-3 некоторых видов рыб.
«Жирнокислотный состав продуктов питания влияет на риск развития сердечно-сосудистых заболеваний. Мясо и печень якутских коров являются ценными продуктами, способствующими снижению риска развития сердечно-сосудистых заболеваний из-за оптимального соотношения жирных кислот и достаточно высокого содержания физиологически ценных эйкозапентаеновой (ЭПК) и докозагексаеновой (ДГК) жирных кислот. Как правило, сельскохозяйственные животные не считаются значимым источником омега-3-ПНЖК, поскольку их содержание в мясе низкое. Количество ЭПК и ДГК кислот в мясе якутских коров было несколько выше, чем в мясе других сельскохозяйственных животных. В печени их содержание оказалось выше в 1,5 раза по сравнению с другими сельскохозяйственными животными. Наши результаты подтверждают важность сохранения этой ценной породы крупного рогатого скота. Необходимо принять меры для того, чтобы увеличить популяцию, сохраняя при этом неизменными условия содержания и питания этих животных», — рассказала Олеся Махутова, доктор биологических наук, профессор РАН, ведущий научный сотрудник Института биофизики СО РАН.
Сотовая связь с природой
Ученые Сколтеха выяснили, откуда появляются похожие на пчелиные соты ячейки с тонкими стенками в горах планеты Марс и некоторых регионов Дальнего Востока.
Исследователи создали компьютерную модель, которая учитывает разные параметры — влажность, ветер, соленость воды и другие. Выяснилось, что при умеренном уровне влажности, определенной высоте попадания воды в трещины и испарении образуются кристаллы соли. Они со временем разрушают горную породу и создают рельеф, похожий на пчелиные соты.
«Сотовые структуры на скалах изучаются последние сто лет, но четкого понимания, как они появляются, до сих пор нет. Выдвигались разные гипотезы: водная и ветровая эрозия, разрушительное воздействие кристаллов льда или соли, резких перепадов температур, лишайников. В нашей работе мы следуем гипотезе выветривания вследствие испарения соленой воды, создаем математическую симуляцию и определяем интервал влажности, в котором происходит сотообразование. С точки зрения сохранения природных памятников полученные нами результаты могут помочь определить, какие участки поверхности того или иного сооружения наиболее подвержены данному виду эрозии. Также можно прогнозировать срок службы здания при том или ином расположении и определять наиболее благоприятные площадки для строительства или переноса памятников», — рассказал один из авторов исследования, доцент Центра технологий материалов Сколтеха Александр Сафонов
Ты что, Вселенная, краев не видишь?
До сих пор считалось, что Вселенная бесконечна. Но Жан-Люк Ленерс из Института гравитационной физики Общества Макса Планка (Германия) и Джером Квентин из Института теоретической физики «Периметр» в Ватерлоо (Канада) в своем исследовании пришли к выводу, что границы у нее все же имеются.
«Многие космологические модели и теории предполагают, что Вселенная обладает очень большими или даже бесконечными размерами. Мы обнаружили свидетельства того, что на самом деле мироздание обладает относительно скромными масштабами, которые не сильно далеки от текущих границ обозримой Вселенной», — отмечают исследователи.
Ленерс и Квентин учли квантовые и макрофизические факторы и сравнили их с полученными недавно данными, в частности с помощью зонда «Планк». Выяснилось, что «плоскую» кривизну пространства, текущую температуру космоса и ряд других свойств можно объяснить лишь при условии, что фаза сверхбыстрого расширения границ Вселенной продолжалась относительно недолго. А это, в свою очередь, говорит о том, что обозримый размер Вселенной, который мы видим с помощью различных наблюдательных систем, составляет около 46 миллиардов световых лет. Скорее всего, реальный ее размер не бесконечен, а всего лишь в несколько раз больше обозримого.
Берегите червей
Ученые из Университета штата Колорадо (США) выяснили, как дождевые черви помогают сельскому хозяйству. И даже представили их «вклад» в цифрах: около 6,5% мирового урожая злаковых культур и примерно 2,3% бобов, что эквивалентно 140 миллионам тонн сельскохозяйственной продукции.
«Мы впервые изучили влияние дождевых червей, одного из ключевых компонентов биоразнообразия почв, на мировое сельское хозяйство. Особенно значительным оно оказалось в тех регионах Земли, где в почву попадает меньше химических удобрений, чем в других частях планеты», — заявил Стивен Фонте, доцент Университета штата Колорадо.
Чтобы определить роль червей в сельском хозяйстве, ученые подсчитали количество гумуса, которым снабжают землю эти трудяги, в различных типах почв. Узнали и то, как их деятельность сказывается на росте биомассы. Затем сопоставили цифры с распространенностью представителей подотряда Lumbricina в разных регионах мира, учли объем продукции злаков и бобов, выращиваемых местными фермерами, приняли во внимание использование удобрений, а также ряд других важных для урожая факторов.
И поскольку цифры говорят сами за себя, ученые настойчиво рекомендуют властям регионов, где вклад червей в урожайность высок, прикладывать максимальные усилия для сохранения этих маленьких помощников. Ведь сейчас им угрожают применение пестицидов и другие виды вмешательства человека в природные экосистемы.