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: умные протезы, лекарство от Эболы и убивающая колорадов картошка.

Умные протезы научились самостоятельно следить за дорогой

Инженеры из Технологического университета Мичигана разработали протез, который способен самостоятельно следить за дорогой при ходьбе. Ключевым его отличием является способность «видеть» точку приземления и автоматически подстраиваться под её особенности.

От обычного протеза прибор отличается наличием видеокамеры, микрокомпьютера и специального двигателя. Задача последнего заключается в том, чтобы менять положение «стопы» и «голени» таким образом, чтобы поддерживать равновесие вне зависимости от того, куда наступает человек: идёт ли он по лестнице вверх, спускается вниз или, например, случайно наступает в яму.

Положение той точки, где произойдет следующий контакт с поверхностью, компьютер рассчитывает, основываясь на информации от видеокамеры и от данных об особенности походки человека. В соответствии с этим компьютер с помощью двигателя меняет угол и жесткость стопы — в точности, как это делает мозг человека без протеза.

Учёные засняли рекордно маленькую самостоятельную клетку

Учёные из Калифорнийского университета и Ливерморской национальной лаборатории обнаружили рекордно мелких свободноживущих бактерий, объём клетки которых примерно в 150 раз меньше объёма кишечной палочки.

Образцы для исследования были получены из грунтовых вод, которые пропускали через многоуровневую систему фильтров. Бактерии были обнаружены в воде, которая прошла через мембрану с порами диаметром в 0,2 микрона. Такие мембраны обычно используются для стерилизации лабораторных растворов, однако в данном случае фильтрат был совсем не стерильным — из него удалось выделить достаточно ДНК для секвенирования, а сами клетки удалось заснять с помощью электронного микроскопа.

Они оказались исключительно мелкими. Например, их средняя длина составила 330, а ширина — 250 нанометров. К примеру, толщина микротрубочки или ширина рибосомы составляют примерно 25 нанометров — всего в десять раз меньше. На фото хорошо видно, что по размеру мельчайшие клетки сравнимы с вирусами, которые их заражают.

РНК-интерференция победила колорадских жуков

Учёные из Института молекулярной физиологии растений Макса Планка разработали технологию защиты растений от насекомых. Она основана на синтезе в пластидах рибонуклеиновой кислоты, выключающей работу жизненно важных генов паразитов.

РНК-интерференция — это механизм уничтожения чужеродной двуцепочечной РНК, имеющийся у всех ядерных организмов (растений, животных, грибов). Происхождение РНК-интерференции связано с противовирусной защитой — поскольку в норме в клетке двуцепочечная РНК не синтезируется, то её наличие говорит о заражении вирусом. Такая «потенциально вирусная» РНК с помощью специальных белков нарезается на мелкие фрагменты (siRNA), которые затем используются для поиска совпадающих матричных РНК — клетка таким образом пытается уничтожить следы вируса. Если последовательность siRNA точно совпадет с одним из собственных генов клетки, её мРНК все равно будет уничтожена. Если же этот ген относится к числу жизненно важных, то и сама клетка погибнет.

Авторы новой работы решили использовать эту систему для борьбы с насекомыми. Для этого они заставили клетки растений вырабатывать двуцепочечную РНК, соответствующую по последовательности одному из генов насекомых — гену белка цитоскелета бета-тубулина. Такой подход учёные уже пытались использовать раньше, однако концентрация дцРНК в клетках была очень низкой из-за работы тех самых белков, которые должны были нарезать её на siRNA. В результате скорость роста насекомых, которые питались ГМ-растениями, лишь немного снижалась. Авторы новой работы решили обойти эту сложность, введя ДНК-конструкцию, на которой синтезируется двуцепочечная РНК, не в ядерный геном, а в геном хлоропластов растений.

Подобно митохондриям, хлоропласты (и пластиды вообще) являются потомками бактерий, захваченных эукариотическими клетками миллиарды лет назад. Как и у всех бактерий, у них не работает система РНК-интерференции: вместо неё борьбу с вирусами осуществляет недавно открытая система CRISPR. Именно это позволяет накапливать в пластидах огромные запасы нужной дцРНК — по словам авторов, её количество достигает 0,4 процента от всей клеточной РНК. Кроме того, пластидные гены не переносятся с пыльцой, что делает их существенно более привлекательными с точки зрения экологической безопасности.

Предложенная авторами технология оказалась очень эффективна: 100 процентов личинок колорадских жуков, которым давали листья ГМ-картофеля, умирали в течение пяти дней. Учёные надеются, что новая технология избавит от необходимости обрабатывать растения пестицидами, которые не только небезопасны, но и становятся все менее эффективными из-за того, что насекомые вырабатывают к ним устойчивость.

И частица, и волна: дуализм света воспроизвели на одном снимке

Физики из швейцарской Политехнической школы в Лозанне придумали подход, который позволил впервые в едином эксперименте проявить как волновую, так и корпускулярную природу света.

Эксперимент проводился следующим образом. Физики облучали инфракрасным лазером микроскопический металлический провод. Взаимодействие его электронов со светом приводило к образованию вдоль провода стоячей световой волны. Ключевая идея эксперимента заключалась в том, чтобы занять эту стоячую волну с помощью облучения проволоки электронами: взаимодействие электронов с «пойманной» волной приводило к изменению скорости их движения, и, следовательно, к образованию пиков интенсивности по длине проволоки. Эти пики и стали свидетельством волновой природы света.

С другой стороны, в процессе обмена энергией между электронами и светом последний выступал в качестве отдельных фотонов. Это выражалось в том, что обмен происходил только определёнными порциями — квантами энергии, которые электроны получали от фотонов. Квантование обмена приводило к появлению среди электронов прошедших через одну и ту же точку проволоки популяций с разной энергией.

Предположение о корпускулярно-волновом дуализме света было высказано Эйнштейном еще в 1905 году. С тех оно было подтверждено во многих экспериментах, причем не только для фотонов, но и для электронов и других частиц квантового мира. Однако подобные эксперименты всегда проявляли только одну сторону двойственной природы фотонов. Показать её буквально на одном снимке удалось впервые.

Известное в китайской медицине растение оказалось потенциальным лекарством от Эболы

Американо-немецкая группа исследователей обнаружила потенциального кандидата на роль специфического лекарства от Эболы. Им оказалось известное в традиционной китайской медицине вещество, которое блокирует вход вириона в клетку.

Проникновение вируса происходит через образование микроскопических пузырьков на поверхности внешней мембраны клетки. Эти пузырьки, эндосомы, затем направляются вглубь клетки, и одновременно меняется их химический состав. В ходе этого процесса Эбола сбрасывает некоторые поверхностные белки и высвобождает генетический материал, который затем сливается с мембраной пузырька и проникает в цитоплазму.

Что заставляет клетку образовывать пузырьки вокруг вируса, до сих пор неясно. Возможно, это происходит случайно. Однако в новой работе учёным удалось установить, что проникновение в цитоплазму, которое происходит уже после формирования эндосом, требует взаимодействия вируса с одним из хозяйских белков — TPC2. В линиях клеток, у которых был удалён или искусственно выключен TPC2, заражения не происходило.

Более того, ученым удалось идентифицировать низкомолекулярные ингибиторы TPC2, которые нарушают взаимодействие этого белка с вирусом. Им оказался тетрандрин — вещество, первоначально выделенное из китайского растения Stephania tetrandra. Его применяют в традиционной китайской медицине, но в Европе и США использование тетрандрина в роли лекарства для людей не разрешено. Мыши, которые получали тетрандрин одновременно с заражением, выживали существенно чаще, чем животные из контрольной группы. Никаких выраженных побочных эффектов найти у вещества не удалось.

Однако авторы редакционного материала в Science, который сопровождает публикацию, призывают трезво оценивать возможности препарата. Дело в том, что задержка применения тетрандрина даже на один день существенно снижала его эффективность. Кроме того, вещество работало в высокой концентрации, а само исследование проводилось на мышах, а не на приматах, которые считаются «золотым стандартом» в подобных исследованиях.

Выученные привычки оказалось возможным расшифровать по срезам мозга

Нейробиологи из Лаборатории Колд Спринг Харбор научились определять то, как животное было научено реагировать на звуковые сигналы, по гистологическому анализу его мозга. Фактически, речь идет о расшифровке поведения животного на основании анализа особенностей микроанатомии его мозга.

Обучение крыс происходило следующим образом. В клетке, где проводился эксперимент, имелись три расположенные в ряд окошка, через которые учёные могли подавать еду. Одной группе животных при звуковом сигнале низкой частоты её подавали через правое окошко, при сигнале высокой частоты — через левое. С другой группой поступали ровно противоположным образом. Довольно быстро животные из обеих групп научились различать условные сигналы и безошибочно направлялись именно туда, где их ожидала награда.

Ключевым достижением авторов стала разработка способа определить то, к какой группе относится животное на основании анализа срезов его мозга. Упрощая, можно сказать, что для этого ученые измеряли распределение синапсов по степени реактивности в той части мозга, куда приходят аксоны от нейронов слуховой коры. Другими словами, авторы измеряли, насколько хорошо синапсы проводят сигнал от вышестоящих нейронов, и как наученные и наивные синапсы распределены в данной области мозга по сторонам тела животного. Поскольку в зависимости от типа сигнала крысы должны были двигаться в ту или иную сторону (вправо или влево), то реактивность синапсов «отвечающих» за разные частоты была по сторонам тела несимметрична. Именно это и позволило предсказывать, к какой группе относится данное животное.

Концепция условного рефлекса была предложена еще Павловым, расшифровывать нейробиологическую основу работы некоторых условных рефлексов на уровне отдельных нейронов ученые стали только в последние годы. Однако до сих пор нейробиологи не могли точно предсказать характер реакции животного только на основании данных о микроанатомии его мозга. Успех в этом направлении был достигнут за счёт применения очень специфической экспериментальной системы, поэтому сложно сказать, насколько подобный подход может быть перенесен на другие условные рефлексы.

Физик предложил создать «антигравитационное зеркало» для поиска кванта гравитации

Физик Джеймс Куач (James Q. Quach) из Университета Токио предложил экспериментальную схему, с помощью которой можно увидеть гравитационный аналог эффекта Казимира и доказать или опровергнуть существование гравитонов — гипотетических частиц-переносчиков гравитации.

Эффектом Казимира называют притягивание друг к другу двух близко расположенных незаряженных зеркал в вакууме. Происходит оно за счёт разной вероятности образования виртуальных частиц в пространстве между зеркалами и снаружи от них. Внутри могут образоваться только частицы, амплитуда которых равна нулю на поверхности зеркал, поэтому чем ближе зеркала расположены, тем уже тот спектр частиц, которые могут родится в этом пространстве. Снаружи процесс рождения виртуальных частиц ничем не ограничен, поэтому зеркала прижимаются друг к другу с силой, обратно пропорциональной четвертой степени расстояния между ними.

Электромагнитный эффект Казимира хорошо описан и продемонстрирован в нескольких экспериментах. Существуют даже микрочипы, в работе которых учитывается этот эффект. Однако, теоретически, подобный эффект должен наблюдаться в любом квантованном поле, в том числе и в гравитационном — если, конечно, существуют кванты гравитации. Именно это предложил проверить Джеймс Куач.

Сложность проведения эксперимента с гравитационным эффектом Казимира заключается том, что не известно веществ, которые могли бы отражать гравитационные волны. Идея японского ученого заключается в том, чтобы использовать в качестве таких гравитационных зеркал сверхпроводящие магниты. В них электроны находятся в так называемых куперовских парах, которые, по расчетам некоторых физиков, должны реагировать на гравитационную волну иначе, чем атомные ядра. Это, по мысли Куача, позволяет сделать из тонкой пленки сверхпроводника гравитационное зеркало, а из таких зеркал — установку для поиска переносчика гравитации, гравитона.

Насколько верны расчеты физика, пока сказать невозможно: его работа принята к публикации в известном журнале Physical Review Letters, а значит должна была пройти экспертную рецензию. Такие рецензии обычно не публикуются, а о реакции других коллег на расчеты Куача пока не известно. С другой стороны, общепринятой теории сверхпроводимости до сих пор не существует, что значительно усложняет анализ его расчетов. Кроме того, гипотеза о квантованности гравитационного поля и существовании гравитона принимается далеко не всеми физиками. Так или иначе, возможность создания гравитационных зеркал имеет гораздо большие практические последствия, чем поиск гравитонов сам по себе, поэтому можно ожидать, что теория Куача очень скоро может быть проверена.