Наука: главные новости недели от «Образовача»

Шеф-редактор издания «Образовач» Александр Ершов еженедельно отбирает специально для TJ семь самых важных новостей из мира науки и технологий. В этом выпуске: световые лабиринты, зомбированные божьи коровки и физика взрывающегося попкорна.

Ученые объяснили поведение лопающегося попкорна

Французские ученые Эммануэль Виро и Александр Пономаренко разобрались с механизмом лопания попкорна и написали об этом целую статью в Journal of the Royal Society Interface.

В ходе эксперимента учёные наблюдали за лопающимся попкорном с помощью высокоскоростной видеокамеры а также записывали звук, который сопровождает взрывы зёрен кукурузы. Синхронизация звука и изображения позволила установить, что характерный хлопок, который издает попкорн, не связан с разрывом оболочки зерна: они происходят в разное время. По словам учёных, звук образуется в результате резкого испарения воды с поверхности обнажившегося содержимого зерна (эндосперма).

Помимо природы хлопка, ученым также удалось установить среднюю температуру, при которой зерна лопаются (она составила 180 градусов), а также объяснить, почему попкорн подпрыгивает. Прыжок оказался связан не с выходом перегретого пара, а с образованием «ножек» в ходе выворачивания зерна наизнанку. Это хорошо видно на приводимом авторами видео.

Испанский назвали самым «счастливым» языком

Американские лингвисты и статистики обнаружили общий положительный лексический сдвиг в 10 различных языках. По словам учёных, слов с положительными коннотациями во всех исследованных языках значительно больше, чем слов с отрицательными коннотациями. Наиболее ярким примером такого сдвига оказалась лексика испанского языка.

Исследование проводилось следующим образом. Учёные отобрали 100 тысяч самых употребительных слов 10 разных языков. Тексты для анализа были взяты из Google Books, базы субтитров и сообщений в Twitter. Затем лингвисты обратились к носителям каждого из языков, и попросили их распределить слова по «эмоциональной окраске» согласно шкале от 0 до 10.

Например, для английского языка слово «смех» получило максимальную оценку, её эмоциональная окраска составила 8,5 баллов. «Еда» получила 7,44, «грузовик» — 5,48, «жадность» — 3,06, а «террорист» — 1,3 балла. Интересно, что эмоциональную окраску измерили и для артикля «the»: она оказалась равной 4,98. Для каждого из языков в оценке участвовали 50 человек, которые работали независимо друг от друга.

Получившиеся диаграммы для каждого из языков оказались заметно сдвинуты вправо: слов с эмоциональной окраской больше 5 оказалось больше, чем тех, что оценены ниже 5. При этом между языками наблюдались значительные различия. Самыми «счастливыми» оказались испанский и португальский, самыми «несчастными» — русский, китайский и корейский.

Стоит отметить, что из работы неясно, является ли положительный сдвиг особенностью лексики или метода измерения эмоциональной окраски чего бы то ни было. Сравнение лексических диаграмм с подобными диаграммами, например, для цветов, цифр, рисунков или других (квази)случайных объектов могло бы показать, насколько позитивный сдвиг относится к лексике, а не к психике. Сравнение между языками, в свою очередь, должно учитывать культурные и психические особенности их носителей.

Биоинженеры научили ГМ-растения экономить воду

Сотрудники Калифорнийского университета разработали технологию управления генно-инженерными растениями, которая потенциально может сделать их гораздо более устойчивыми к засухе.

Идея калифорнийских биоинженеров заключается в том, чтобы использовать естественную растительную систему регуляции испарения воды превентивным образом. По мысли учёных, выращивая культуры, в которые введен специальный ген, фермеры смогут заранее «выключать» у растений испарение — таким образом, чтобы они могли пережить засуху на существующих запасах воды.

Природная система контроля испарения у растений основана на механическом открытии и закрытии устьиц — специальных структур, которые контролируют газообмен между внутренними полостями листа и атмосферой. Через устьица растения получают необходимый для фотосинтеза углекислый газ, через них же теряют влагу.

Обычно устьица состоят из двух соединённых по краям клеток, которые при повышении внутреннего осмотического давления отстают друг от друга, в результате чего устьице открывается. Запирающие клетки устьица легко представить как два длинных параллельных воздушных шарика, которые соединены на концах: при повышении давления они расходятся, образуя кольцо, при понижении — слипаются друг с другом.

Давление внутри запирающих клеток контролируется сигнальными белками, которые реагируют на уровень специального растительного гормона — абсцизовой кислоты. Во время засухи корни начинают вырабатывать абсцизовую кислоту, что приводит к запиранию устьиц и позволяет растениям пережить неблагоприятные условия.

Авторы новой работы разработали новый вариант рецептора абсцизовой кислоты, который реагирует не на неё, а на другую молекулу — фунгицид мандипропамид — приводя к активации всё той же сигнальной цепочки белков. Обработанные этим веществом растения закрывают свои устьица, что останавливает испарение влаги и позволяет (как было показано в эксперименте с растением арабидопсис) пережить двухнедельную засуху. Использовать мандипропамид вместо самой абсцизовой кислоты было решено, во-первых, для того, чтобы сделать выключатель испарения независимым от природной системы её контроля, а во-вторых, потому что мандипропамид уже разрешён для применения в сельском хозяйстве.

Авторы работы указывают, что хотя новая технология действительно защищает растения от засухи в стенах лаборатории. Для реального применения её в сельском хозяйстве могут понадобиться длительные полевые испытания.

Астрономы подтвердили существование тёмной материи в центре Млечного пути

Международная группа астрономов из Испании, Бразилии, Нидерландов и Германии получила доказательства существования тёмной материи в центре Млечного пути.

Существование тёмной материи на периферии нашей галактики было известно уже достаточно давно, однако о центре Млечного пути сказать что-то определённое до сих пор было невозможно. В новой работе астрофизики скомпилировали все существующие к настоящему моменту данные о движении звёзд и межзвёздного газа в центре нашей галактики и сравнили их с распределением барионной (то есть «обычной», видимой) материи.

Тёмная материя в виде гало в центре галактики. Рисунок художника

По словам авторов, полученные данные говорят о том, что характер движения звёзд никак нельзя объяснить распределением существующей «обычной» материи — её просто недостаточно для получения наблюдаемых скоростей звезд. Это означает, что центр галактики, так же как и её периферия, заполнен тёмной материей. Однако относительно массы и характера её распределения авторы работы пока не делают выводов.

Концепция тёмной материи появилась в астрофизике в начале 20-х годов XX века как следствие несовпадения наблюдаемых скоростей и масс звёзд в галактиках — сначала в Млечном пути, а затем и во многих других. Наиболее ярко несовпадение выражается в том, что на периферии галактики звёзды вращаются значительно быстрее, чем должны согласно законам механики.

На роль тёмной материи претендует как обычное вещество (например, массивные, но почти невидимые коричневые карлики), однако большинство астрофизиков склоняются к концепции небарионной тёмной материи, так как она лучше согласуется с данными космологии. Согласно этой концепции, тёмная материя представлена в виде различного рода нейтрино или гипотетических частиц — вимпов. Попытки прямого обнаружения частиц темной материи пока не увенчались успехом, и данные по её распределению в окрестностях Земли говорят о том, что это может быть очень сложной задачей.

Статистики заинтересовались пабликом с одинаковыми фото Тото Кутуньо

Объектом исследования ученых стала страничка La stessa foto di Toto Cutugno («Одна фотография Тото Кутуньо») в итальянской части Facebook, которую исследователи решили использовать как контрольную при изучении поведения пользователей. Администраторы этой страницы ежедневно публикуют одну и ту же фотографию итальянского поп-певца, но однообразие контента не смущает пользователей: на страницу подписано почти 60 тысяч человек, а каждый пост собирает по 1-2 тысяче лайков и 50-100 комментариев.

Ученые проанализировали активность пользователей на контрольной странице в течение четырёх месяцев и сравнили её с активностью на двух выборках других страниц: тех, где публикуют новости науки, и тех, где собираются сторонники различных теорий заговора («антинаучные» странички). Главной задачей анализа было найти общие и различающиеся параметры активности пользователей для двух типов сообществ: с гомогенным и гетерогенным контентом.

Оказалось, что как в научных и «антинаучных» сообществах, так и в контрольном сообществе пользователи распределялись почти идентично по параметру «жизни»: времени между первым и последним лайками. Распределение относилось к классу распределений с тяжёлым хвостом — тем, у которых правая часть распределения тяжелее, чем у экспоненциальной функции.

С другой стороны, страница с гомогенным контентом оказалась уникальна по распределению активности. Распределение оказалось очень близко к нормальному, в то время как активность на страницах с гетерогенным контентом распределялась по типу того же тяжелого хвоста. Другими словами, на странице с гомогенным контентом понятие средней активности имеет смысл — это центр (квази)нормального распределения, в то время как в обычных (гетерогенных) сообществах понятие средней активности бессмысленно, так как «среднего поста» не существует.

Реальные социальные сети были объектом исследования математиков и социологов еще до возникновения виртуальных социальных сетей вроде Facebook, Twitter или «ВКонтакте», однако появление последних предоставило ученым огромный объем данных для анализа. Это позволило, например, подтвердить и уточнить так называемую «теорию шести рукопожатий» или найти в закономерностях распространения вирального контента в социальных сетях элементы теории хаоса.

Кстати, во «ВКонтакте» есть похожее сообщество «Путин каждый день», регулярно публикующее одну и ту же фотографию президента, постоянно перезагружая уже опубликованные в соцсети картинки. В результате сотен итераций сжатия JPG фотография Путина «постарела», из цветной превратившись в монохромную.

Осы научились превращать божьих коровок «зомби» с помощью вируса

Французские ученые обнаружили, что осы, паразитирующие на божьих коровках, зомбируют своих жертв, используя для этого специальный вирус, заражающий клетки мозга.

Паразитические осы Dinocampus coccinellae откладывают свои яйца в тело божьих коровок, где их личинки живут около трех недель, питаясь тканями жертвы. Чтобы окуклиться, личинка выходит из тела жука. Однако, в отличие от случая с заражающими гусениц паразитическими наездниками, жертва при этом не умирает. Божья коровка становится зомби-телохранителем, который защищает куколку осы, чтобы та могла спокойно завершить процесс метаморфоза во взрослую особь. Парализованный жук обнимает своими лапками куколку осы и подёргивает надкрыльями, отпугивая хищников своей яркой окраской.

Однако до сих пор учёные на знали, каким образом личинке осы удается зомбировать жука и почему это происходит только в нужный момент — тогда, когда личинка превращается в куколку. Установить механизм зомбирования биологи смогли с помощью массового секвенирования тех РНК, которые накапливаются в теле жертвы по ходу развития инфекции.

Оказалось, что среди транскриптов появляется большое количество РНК, которые не соответствуют ни геному осы, ни геному божьей коровки. Они являются продуктами экспрессии генов особого вируса, который получил название DCPV (Dinocampus coccinellae paralysis virus).

Во время развития личинки этот вирус постепенно заражает мозг божьей коровки, однако не мешает его нормальной работе до тех пор, пока личинка не выйдет из хозяина. После этого зараженные нейроны лопаются и выпускают скопившиеся внутри вирусные частицы, что и приводит к параличу жука. По версии учёных, происходит это из-за того, что, находясь в теле жука, личинка осы подавляет его иммунную систему. И только после того, как это подавление сходит на нет, клетки иммунной системы жука атакуют и уничтожают собственные клетки мозга.

Заражение божьих коровок DCPV происходит одновременно с откладкой яиц. Для этого ткани внутренних стенок яйцеводов осы накапливают в себе вирусные частицы, которые понадобятся личинке в самостоятельной жизни. Следует отметить, что учёные пока не получили ос, полностью лишённых вирусов, которые могли бы выступить в качестве надежного отрицательного контроля. Соответственно, прямо продемонстрировать важность вируса при заражении не удалось, но в пользу этого говорят многочисленные косвенные наблюдения.

Способность паразитов «зомбировать», то есть изменять поведение хозяина известна давно. К наиболее ярким примерам такой адаптации относятся грибы кордицепсы, которые заражают муравьёв и заставляют их лезть на верхушки листьев травы, бакуловирусы, которые проделывают примерно то же самое с гусеницами и токсоплазмы, которые заставляют своих промежуточных хозяев — грызунов — не бояться кошек хищников, основных хозяев паразита.

Свет заставили двигаться в лабиринте квантово-классическим образом

В общем случае проблемой лабиринта называют задачу найти путь, соединяющий вход и выход. В применении к фотонике речь идет о движении в лабиринте светового пучка либо возбужденного состояния, которое передается от одних молекул к другим в виде фотонов. К примеру, проблема лабиринта имеет место при передаче возбужденного состояния от молекулы к молекуле при фотосинтезе. Если это фотон не достигнет выхода (нужной молекулы) за короткое время и будет плутать слишком долго, оно может быть потерян и реакция фотосинтеза не состоится.

Проблема лабиринта в фотонике имеет двоякий характер: на больших масштабах её можно рассматривать на классическом уровне, а на мелких масштабах она имеет квантовый характер. Это выражается в том, что на больших масштабах можно проследить, как фотоны, например, путешествуют по системе волноводов. Когда же масштабы этих волноводов близки к длине волны фотонов, то все большую роль начинают играть квантовые эффекты — например, интерференция волновых функций или туннелирование между разными точками в лабиринте.

На классическом уровне проблема лабиринта сводится к перебору разных «решений» — поворотов фотонов в системе волноводов. В квантовом же случае фотоны одновременно «пробуют» все пути. Кажется, это должно радикально ускорять процесс поиска выхода из лабиринта, однако на деле это не всегда так из-за интерференции путей между собой.

В новой работе итальянские физики показали, что решить проблему лабиринта быстрее можно в таких системах, где одновременно на разных участках пути работают как квантовые, так и классические законы. Учёные создали лабиринт — микроскопическую систему волноводов в виде цилиндров в пластике, между которыми фотоны могли туннелировать. Увеличивая расстояние между этими цилиндрами, ученые могли понижать вероятность туннелирования на разных участках лабиринта. Всего было сделано 24 лабиринта в разных конфигурациях, для каждой из которых эффективность поиска выхода была сначала рассчитана, а затем продемонстрирована в реальном эксперименте.

По словам учёных, полученные данные по эффективности передачи энергии в фотонных лабиринтах «достоверно подтвердили теоретические предсказания». Это означает, что квантовые фотонные компьютеры, о которых так много в последнее время говорят физики, могут быть уже не за горами.