Новости науки

[LiO]

picture.jpg
Фазовый портрет модели хищник-жертва.
По оси абсцисс - численность жертв,
по оси ординат - численность хищников.
Иллюстрация с сайта keldysh.ru


Биологи миниатюризировали хищников и жертв

Цитата: Биоинженер Линчун Ю из Университета Дьюка вместе с коллегами создал бактериальную систему, которая моделирует отношения между хищником и жертвой. Бактериальная модель была создана для изучения влияния количества жертв и хищников на динамику всей экосистемы. Результаты своей работы ученые опубликовали в журнале Molecular Systems Biology. Для создания модели исследователи использовали кишечную палочку Escherichia coli. Они "перепрограммировали" ее геном и создали систему, состоящую из двух взаимозависимых популяций E. coli: популяции "хищников" и популяции "жертв". В разработанной учеными системе бактерии-"хищники" не поедали бактерий-"жертв". Популяции контролировали численность друг друга, влияя на уровень самоубийств "соседа". Если число бактерий-"жертв" падало ниже определенного уровня, у "хищников" включался так называемый ген самоубийства, который приводил к их смерти. Сокращение численности "хищников" вызывало активное размножение "жертв". Увеличившись в числе, "жертвы" начинали выделять в среду реагент, который при достижении высокой концентрации стимулировал ген-антидот бактерий-"хищников". Продукт этого гена прекращал действие гена самоубийства. Соответственно, после включения гена-антидота число "хищников" начинало возрастать. После того, как количество "хищников" превышало некий заданный уровень, они начинали вырабатывать реагент, который, проникая в клетки "жертв", включал ген, продукт которого убивал их. Созданная модель не является точным воспроизведением отношений хищник-жертва в природе. В "обычных" популяциях жертва не останавливает самоубийство хищников, а становится их пищей. Кроме того, бактериальные "хищники" и "жертвы" конкурируют за одну и ту же пищу. Тем не менее, авторы модели полагают, что она может стать полезным инструментом для биологов. "Существует практически неограниченное число способов изменять параметры этой системы для того чтобы исследовать влияние различных факторов среды на динамику развития популяций", - отмечает Линчун Ю. Разработанную систему теоретически можно приспособить для моделирования существенно более сложных экосистем.

http://www.lenta.ru/news/2008/04/14/model/

[Agent 007]

Сульфид мышьяка образует три разных жидкости

Цитата: Эксперименты российских и японских физиков показали, что одно и то же вещество — сульфид мышьяка — при разных давлениях образует три разных жидкости: молекулярную, полимерную и металлическую. realgar_300.jpg Внешний вид (вверху) и кристаллическая структура (внизу) реальгара при нормальных условиях (изображение с сайта en.wikipedia.org) Известная со школьной скамьи тройка агрегатных состояний «твердое тело—жидкость—газ» даже близко не отражает то богатство фаз (то есть вариантов микроскопического устройства), которые может иметь одно и то же вещество при разных давлениях и температурах. Для многих веществ совершено обычна ситуация, когда они при обычном давлении имеют одну кристаллическую решетку, а при давлении в десятки тысяч атмосфер вдруг перестраивают ее в другую, более компактную. Происходящие при этом изменения могут быть даже заметны невооруженным глазом; один из самых красивых примеров такого превращения — твердый кислород, который при давлении выше 80 тысяч атмосфер приобретает кроваво-красный цвет. Если вернуться к нормальному давлению и теперь нагреть вещество, то оно расплавится. Возникает естественный вопрос — что будет происходить с этим расплавом, если при высокой температуре постепенно повышать давление? Будет ли он оставаться «просто жидкостью», или же будут происходить превращения между разными вариантами этой жидкости? В последние годы этот вопрос активно изучается с самых разных сторон. Он интересен как экспериментаторам (чем именно отличаются эти жидкости, могут ли они сосуществовать друг с другом, встречаются ли такие ситуации в природе), так и теоретикам (как научиться теоретически предсказывать наличие нескольких жидких фаз, как они зависят от межмолекулярных сил). Многочисленные эксперименты последних лет действительно показали, что у некоторых простых жидкостей (фосфор, сера, висмут, некоторые оксиды и галогениды) существует переход между «легкой» и «тяжелой» (то есть более плотной) формами жидкости. На сегодняшний момент таких веществ набралось уже свыше десятка. И вот взят новый рубеж. В недавней работе российских исследователей из Института физики высоких давлений (ИФВД) в Троицке и их японских коллег из Центра синхротронного излучения SPring-8, опубликованной в журнале Physical Review Letters, описывается вещество-рекордсмен — сульфид мышьяка, у которого есть три разных жидкости! Сульфид мышьяка AsS при обычных давлениях образует минерал реальгар. Кристаллическая решетка у него необычная — она образована не атомами, а целыми молекулами As4S4 (см. рисунок). При повышении давления кристаллический реальгар перестраивает решетку и превращается в хорошо известную фазу AsS(II). Кроме этого, авторы работы обнаружили, что в узком диапазоне давлений и температур (около 28 тысяч атмосфер и 500°C) возникает третья кристаллическая разновидность, AsS(III). Подробные данные по этим кристаллическим фазам авторы обещают представить в будущей публикации, поскольку данная статья была посвящена изучению расплава AsS. Расплав реальгара при невысоких давлениях — это молекулярная жидкость с умеренной вязкостью. Однако сжав эту жидкость давлением около 20 тысяч атмосфер, физики заставили ее полимеризоваться, из-за чего многократно возросла ее вязкость. Структурные изменения легко обнаружимы с помощью рассеяния на малые углы синхротронного излучения, получаемого на SPring-8. Наконец, при еще более высоком давлении, около 50 тысяч атмосфер, расплав превращается в жидкость с очень малой вязкостью. Более того, опыты по пропусканию электрического тока показали, что в этот момент сильно, в сотни раз, возрастает электрическая проводимость расплава. Иными словами, расплав становится металлической жидкостью. Схематический вид фазовой диаграммы сульфида мышьяка. Серые линии показывают примерные границы фаз (рисунок автора заметки) Схематический вид фазовой диаграммы сульфида мышьяка. Серые линии показывают примерные границы фаз (рисунок автора заметки) Обнаружив эти три формы жидкости, физики заинтересовались: что с ними произойдет при резком охлаждении, но постоянном давлении? Оказалось, что обычная жидкость при низком давлении возвращалась в обычный поликристаллический минерал реальгар, металлическая жидкость при высоком давлении кристаллизовалась в AsS(II), а вот вязкая полимерная жидкость при резком остывании не успевала кристаллизоваться и застывала в стеклообразном состоянии. Эти данные наводят на очень интересные размышления. Авторы справедливо обращают внимание на некую симметричность получившейся диаграммы состояний (она называется фазовой диаграммой вещества): последовательность жидких фаз выше линии плавления примерно повторяет последовательность кристаллических фаз ниже нее. По мнению авторов, это совсем не случайное совпадение; более того, сотрудники троицкого ИФВД уже неоднократно высказывали мысль о том, что такая ситуация должна встречаться у многих веществ и, может быть, даже является новым универсальным законом природы. Авторы, впрочем, замечают, что свои выводы о вязкости расплава они получали на основании косвенных данных — по тому, успевает или нет кристаллизоваться вещество при резком охлаждении. Для подтверждения этих выводов требуются новые эксперименты с прямым измерением вязкости расплава. Ну а теоретикам тем временем предстоит придумать теорию, которая бы описывала вещество с несколькими жидкими фазами. phase_diagram_300.jpg Схематический вид фазовой диаграммы сульфида мышьяка. Серые линии показывают примерные границы фаз (рисунок автора заметки)

http://elementy.ru/news/430709

[Agent 007]

Белок–регулятор индивидуального развития управляет движением раковых клеток

Цитата: Белок Wnt, универсальный регулятор индивидуального развития животных, придает полярность и способность к направленному движению не только клеткам развивающегося эмбриона или регенерирующей конечности, но и раковым клеткам. Эксперименты показали, что белок Wnt оказывает поляризующее воздействие на клетки даже в том случае, если они не контактируют с другими клетками и потому не имеют информации о своем положении относительно других клеток эмбриона или опухоли. wnt-mutation_fly_300.jpg Мутации генов из семейства Wnt могут приводить к разнообразным аномалиям — например, к редукции крыльев у мух. Фото с сайта ijm2.ijm.jussieu.fr Регуляторный белок Wnt играет важнейшую роль в индивидуальном развитии животных. Известно, что он способен придавать полярность клеткам развивающегося эмбриона (или регенерирующей конечности), направлять их движение и влиять на ориентацию плоскости деления. Этот белок необходим, например, для развития конечностей у зародышей позвоночных, а также для регенерации. Он задает направление передне-задней оси эмбриона червя Caenorhabditis elegans: одна из клеток эмбриона (бластомер P2), выделяя белок Wnt, тем самым заставляет близлежащие клетки формировать задний конец тела червя. Если удалить бластомер P2, остальные клетки эмбриона образуют аморфный комок без передне-задней оси. Однако даже кратковременного контакта бластомера P2 с любой частью эмбриона достаточно, чтобы эта часть начала превращаться в хвост животного. Биологи прикладывают большие усилия, чтобы разгадать механизм действия белка Wnt, однако он пока остается во многом неясным. В частности, до сих пор не удавалось точно установить, достаточно ли для поляризации клетки одного лишь присутствия белка Wnt в окружающей среде или необходим также контакт с другими зародышевыми клетками, благодаря которому данная клетка может определить свою позицию относительно других частей эмбриона. Чтобы ответить на этот вопрос, американские биологи поставили ряд экспериментов по воздействию белка Wnt на изолированные, разрозненные клетки. Использовались клетки человеческой меланомы. Ранее было установлено, что белок Wnt активно синтезируется клетками злокачественных опухолей. Вполне логично было предположить, что этот универсальный регулятор индивидуального развития может направлять также и рост опухолей и образование метастазов. Оказалось, что под воздействием белка Wnt в разрозненных, не контактирующих друг с другом клетках меланомы происходит активное перераспределение целого ряда белков, о которых ранее было известно, что они тем или иным образом участвуют в движении клеток, межклеточных взаимодействиях, а также в развитии злокачественных опухолей. Чтобы проследить за передвижениями различных белков внутри клетки, ученые либо метили их, присоединяя к соответствующим генам гены флуоресцирующих белков, либо определяли их локализацию при помощи меченых антител, избирательно связывающихся с тем или иным белком. Дело это очень трудоемкое, и исследователи, конечно, не могли проследить за всеми белками, имеющимися в клетке. Были проверены лишь наиболее «перспективные кандидаты», участие которых в регуляторных каскадах с участием Wnt или в направленных передвижениях клеток было установлено ранее (или хотя бы предполагалось). Постепенно, шаг за шагом, вырисовалась следующая картина. Под воздействием белка Wnt на одном из концов клетки довольно быстро — в течение нескольких минут — образуется сложный молекулярный комплекс, который авторы назвали W-RAMP (Wnt5a-mediated receptor–actin–myosin polarity structure). Одним из участников комплекса является белок MCAM (melanoma cell adhesion molecule) — рецептор из семейства иммуноглобулинов, который играет важную роль в развитии меланомы. Подобные рецепторы регулируют межклеточные контакты и взаимодействия и могут принимать участие, например, во внедрении раковых клеток в ткани организма, что ведет к образованию метастазов. В состав комплекса W-RAMP входит целый ряд других белков, и в том числе структуры, образованные актином и миозином — белками, обеспечивающими подвижность клетки. После того как на одном из полюсов клетки образуется комплекс W-RAMP, аппарат Гольджи перемещается к противоположному полюсу (известно, что у поляризованных движущихся клеток аппарат Гольджи обычно находится впереди). Там, где формируется комплекс W-RAMP, клеточная мембрана начинает сокращаться, втягиваться внутрь. Клеточное ядро при этом смещается вперед — тем самым запускается процесс медленного движения клетки в сторону, противоположную той, на которой сформировался комплекс W-RAMP. Таким образом, под воздействием белка Wnt клетки меланомы приобретают полярность. У них образуется передний и задний конец, и они начинают куда-то ползти. В каком именно месте клетки возникнет комплекс W-RAMP и куда в конечном итоге поползет клетка — зависит уже не от белка Wnt, а от других факторов, в частности от градиента концентраций белков-цитокинов, таких как CXCL12. Исследователи заметили, что комплексы W-RAMP иногда образуются также и в клетках, не обработанных белком Wnt. Этого следовало ожидать, поскольку, как говорилось выше, раковые клетки сами синтезирует некоторое количество Wnt. Дополнительные эксперименты показали, что если в клетках меланомы отключить ген белка Wnt, «самопроизвольное» образование комплексов W-RAMP полностью прекращается — и снова начинается, если обработать клетки белком Wnt. Данное исследование представляет собой важный шаг к пониманию механизма действия белка Wnt — ключевого регулятора индивидуального развития, который к тому же играет важную роль в регенерации и канцерогенезе. Стало ясно, что белок Wnt способен поляризовать клетки и стимулировать их направленное перемещение даже в том случае, если клетки не контактируют друг с другом и поэтому не могут ничего «знать» о своем положении относительно других клеток эмбриона, регенерирующей конечности или раковой опухоли. w-ramp_structure_600.jpg Под воздействием белка Wnt на одном из концов клетки меланомы формируется молекулярный комплекс W-RAMP (светлое пятно, отмеченное красной стрелкой). Вскоре после этого, на 9-й минуте эксперимента, происходит втягивание мембраны. Фото из обсуждаемой статьи в Science

http://elementy.ru/news/430710

[Rise]

picture.jpg

Химики заставили благородный газ вступить в очередную реакцию

Цитата: Химикам удалось синтезировать и изучить новую молекулу, содержащую благородный газ ксенон. HXeOXeH, возможно, является самой легкой молекулой с двумя атомами ксенона, сообщает международный коллектив в статье, опубликованной в журнале Journal of American Chemical Society. Благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон, унуноктий) химически инертны, поскольку внешняя электронная оболочка у них полностью заполнена. Тем не менее, при определенных условиях некоторых из них можно заставить вступить в реакцию и образовать устойчивое соединение. Первое соединение ксенона – XePtF6 – было получено в 1962 году. Для получения соединений, содержащих молекулы благородных газов, часто использовался именно фтор, так как с ним они реагируют наиболее охотно. Тем не менее, отмечает группа Хрящева, в последние годы наблюдается повышенный интерес к "бесфторовой" химии благородных газов. Недавно было получено 22 молекулы вида HNgY (Ng – благородный газ, Y – электроотрицательный элемент): HXeCl, HXeI, HKrC3N и так далее. Общий метод их получение – фотолиз (разрушение под воздействием света) предшественника HY на низкотемпературной матрице из благородного газа и последующее нагревание. Леонид Хрящев и его коллеги применили этот подход, взяв в качестве HY воду, вспомогательного вещества – N2O. Фотолиз проводился с помощью ультрафиолетового света при 9 кельвинах, побочные продукты удалялись нагреванием до 45 кельвинов. Получившаяся молекула, HXeOXeH, по их собственному замечанию, содержит молекулу воды и два атома ксенона. Ее наличие было зафиксировано с помощью ИК-спектроскопии, наблюдавшиеся свойства совпадают с теоретически предсказанными. По мнению исследователей, создание этой молекулы может стать первым шагом к синтезу цепей (Xe-O) n. Ее изучение должно позволить лучше понять свойства ксенона и, возможно, решить "ксеноновую проблему": малое содержание ксенона в природе.

http://www.lenta.ru/news/2008/04/22/xenon/

[Rise]

picture.jpg

В неделю на рынке появляется три-четыре новых "нанотехнологичных" изделия

Цитата: Средняя скорость появления на рынке "нанотехнологичных" потребительских товаров в последние два года составляет 3-4 изделия в неделю, сообщает "Проект по отслеживанию развития нанотехнологий" (Project on Emerging Nanotechnologies, PEN) в своем пресс-релизе. Расчет основан на перечне "нанотехнологичных" товаров, составляемых PEN. В марте 2006 перечень содержал 212 изделий, сейчас, по данным пресс-релиза, 609 (в самом перечне указывается, что 610). Составители перечня не приводят строгого определения "нанотехнологичного" изделия и опираются в основном на описания производителей. Как правило, попадающие в перечень изделия содержат объекты размером не более 100 нанометров. Составители отмечают, что перечень не претендует на полноту. Больше всего "наноизделий" (60 процентов) приходится на рубрику "Здоровье, гигиена, красота, спорт". Самым распространенным веществом, измельчающимся до наночастиц, является серебро (20 процентов изделий). Следующее место занимает углерод (разные его изомеры). Также производители упоминают цинк (в том числе оксид цинка), титан (в том числе оксид титана), кремний и золото. В выступлении перед комиссией Сената США директор PEN Дэвид Реджески (David Rejeski) отметил необходимость повысить уровень общественного доверия к нанотехнологиям, иначе в будущем эта отрасль может оказаться в экономическом кризисе.

http://www.lenta.ru/news/2008/04/24/nano/

[Rise]

picture.jpg
A – обычная целлюлозная бумага, B – бумага из однослойных углеродных нанотрубок, D – бумага из многослойных углеродных нанотрубок (использовался сканирующий электронный микроскоп), C – бумага из многослойных углеродных нанотрубок (использовался атомно-силовой микроскоп). Изображение из журнала Science.

Создан материал с уникальным поведением при растяжении

Цитата: Бразильские и американские ученые создали бумагу из углеродных нанотрубок, которая при растяжении в продольном направлении может как сужаться, так и расширяться в поперечном направлении, сообщает Physics World со ссылкой на статью в журнале Science. Большинство веществ при растяжении уменьшаются в поперечном направлении. Соотношение изменений размеров описывается коэффициентом Пуассона: отношением поперечного сжатия к продольному растяжению. Коэффициент, как правило, положителен. Для пробки он примерно равен нулю, для большинства видов стали – 0,3, для резины – почти 0,5 (это максимальное значение). Существуют, однако, и материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона, то есть такие, которые при растяжении, вопреки ожиданиям, "утолщаются". Такие материалы называются ауксетическими, к ним относятся некоторые виды горных пород и тканей живых организмов. Бразильско-американская группа обнаружила, что ауксетичность присуща бумаге, сделанной из углеродных нанотрубок (buckypaper) – тонким листам, технология производства которых похожа на технологию производства обычной бумаги. Более того, бумага, в зависимости от своего состава, может иметь как положительный, так и отрицательный коэффициент Пуассона. Бумага состоит из однослойных и многослойных нанотрубок, многослойная трубка как бы содержит несколько концентрических однослойных. Увеличение доли многослойных нанотрубок в сырье вызывало резкое изменение коэффициент Пуассона в бумаге: с 0,06 до -0,20. У такой бумаги также повышалась тягучесть и прочность. Исследователи разработали математическую модель, объясняющую такое поведение бумаги. Ученые надеются, что материал с такими свойствами можно будет применять для изготовления уплотнительных прокладок, искусственных мышц и специальных датчиков.

http://www.lenta.ru/news/2008/04/25/buckypaper/

[robin]

Впервые получено уникальное видео морского дна

Цитата: В Японском море успешно прошли испытания новейших подводных телеуправляемых аппаратов «Обзор-150м» и «Фалкон-1000м», которые предназначены для глубинных исследований, пишет Росбалт. На глубине 550 метров учеными были сняты видеоролики. Отметим, что ранее на такую глубину в Японском море не опускались водолазы и какие-либо технические средства, а ученым были доступны только фотографии дна.

http://science.km.ru/magazin

[Rise]

picture.jpg

США способны довести долю ветряной энергетики до 20 процентов

Цитата: Министерство энергетики США опубликовало отчет, в котором утверждается, что к 2030 году использование энергии ветра сможет покрыть потребность страны в электроэнергии на 20 процентов. Отчет составлен объединенными усилиями министерства, нескольких исследовательских лабораторий и целого ряда промышленных предприятий. Авторы показывают, что, увеличивая долю ветряной энергетики, можно значительно уменьшить выбросы углекислого газа в атмосферу. К 2030 году можно будет "сэкономить" 7,6 гигатонны выбросов, а начиная с 2030 – по 825 миллионов тонн ежегодно. Напомним, что к 2050 году США планируют сократить выбросы парниковых газов на 60 процентов. Составители считают, что для развития ветряной энергетики потребуются усилия, однако необходимости в значительных технологических прорывах нет. Стоимость электроэнергии, получаемой с помощью ветра, окажется сравнительно невысокой (около 0,5 цента за киловатт-час). Расход определенных материалов возрастет, однако в целом недостатка необходимого сырья (меди, стекловолокна и так далее) не ожидается. Необходимо, однако, будет провести много новых линий электропередачи, а также значительно увеличить количество устанавливаемых в год ветротурбинных генераторов – до 7000 (в 2006 году было установлено 2000). На данный момент ветряная энергия составляет около одного процента от энергопотребления США, причем за последний год ее производство увеличилось на 45 процентов.

http://www.lenta.ru/news/2008/05/13/wind/

[LiO]

picture.jpg
Хромосомы женщины. Изображение
с сайта genetics.com.au

Ученые впервые расшифровали
индивидуальный геном женщины

Цитата: Ученые из Лейденского университета объявили о завершении расшифровки генома их коллеги Марджолен Крик (Marjolein Kriek), сообщает Associated Press. Крик стала первой женщиной, чей геном был полностью расшифрован. В ближайшее время исследователи планируют проверить свои результаты, а после этого опубликовать их в одном из рецензируемых журналов. До настоящего момента на Земле было только два человека, чьи индивидуальные геномы были полностью расшифрованы. Первым стал Крейг Вентер - биолог, основатель корпорации Celera Genomics, благодаря которой проект "Геном человека" был завершен в 2001 году. Второй человек, ДНК которого была расшифрована, - Джеймс Уотсон, один из авторов модели двойной спирали ДНК. Геном, расшифрованный в рамках проекта "Геном человека", не является последовательностью ДНК конкретной личности. Полученная последовательность составлена из расшифрованных отрезков ДНК четырех человек: двух мужчин и двух женщин.

http://www.lenta.ru/news/2008/05/27/genome/

[Agent 007]

Искусственные протоклетки синтезируют ДНК без помощи ферментов

Цитата: heterotrophic_protocell_model_600.jpg Гипотетическая простейшая протоклетка, питающаяся готовой органикой. Мембрана протоклетки растет за счет включения подходящих молекул из внешней среды. Делится протоклетка простым «разваливанием пополам» под действием внутренних или внешних физических сил. Основную «пищу» ее составляют активированные нуклеотиды. Они просачиваются сквозь мембрану и используются для самопроизвольного (неферментативного) размножения молекул нуклеиновых кислот (РНК, ДНК или каких-то их ранних модификаций). Рис. из обсуждаемой статьи в Nature Американские биологи сделали важный шаг к пониманию начальных этапов зарождения жизни. Им удалось создать «протоклетку» с оболочкой из простых липидов и жирных кислот, способную втягивать из окружающей среды активированные нуклеотиды — «кирпичики», необходимые для синтеза ДНК. Протоклетка не может самостоятельно осуществлять матричный синтез (репликацию) ДНК от начала и до конца, но успешно справляется с важнейшими этапами этого процесса, причем все реакции идут без участия каких-либо белков или других сложных биологических молекул-катализаторов. Один из ключевых аспектов проблемы происхождения жизни — это вопрос о том, какой тип обмена веществ был у первых живых организмов. Одни ученые, следуя за академиком А. И. Опариным, считают, что первые «протоклетки» были гетеротрофами, то есть потребителями готовой органики, растворенной в водах древних водоемов (теория «первичного бульона»). Или, может быть, жизнь зародилась в трещинах и полостях горных пород или в гидротермальных источниках, где пищей первым организмам служила органика, образующаяся в недрах Земли (на такую возможность намекает, в частности, материал, изложенный в нашей заметке На глубине 1626 м под уровнем морского дна обнаружена богатая микробная жизнь, «Элементы», 28.05.2008). Другие эксперты считают более вероятным, что первые организмы были автотрофами, то есть не нуждались в готовой органике и синтезировали ее сами из углекислого газа и других простых веществ, используя для этого энергию окислительно-восстановительных реакций (хемоавтотрофы) или света (фотоавтотрофы). Впрочем, идея о первичности фотоавтотрофов представляется сомнительной, поскольку данные сравнительной геномики убедительно свидетельствуют о более позднем появлении фотосинтеза по сравнению с некоторыми типами хемоавтотрофного метаболизма, такими как метаногенез и анаэробное окисление метана. Молекулярные данные, однако, пока не дают внятного ответа на вопрос о том, кто появился раньше — гетеротрофы или хемоавтотрофы. В пользу первичности гетеротрофов свидетельствует, прежде всего, тот очевидный факт, что их обмен веществ в целом устроен проще. Использовать готовую органику для построения собственных клеток должны уметь все живые организмы, но автотрофам нужно вдобавок эту органику самим синтезировать из простых молекул. Логично предположить, что способность к связыванию CO2 и синтезу органики развилась позже, как «надстройка» над гетеротрофным метаболизмом. Однако выдвигаются и серьезные доводы против идеи о первичности гетеротрофов. Один из них состоит в том, что поскольку все живые организмы размножаются в геометрической прогрессии, то самая первая появившаяся на планете гетеротрофная форма жизни съела бы весь первичный бульон, сколько бы его ни было, за ничтожный по геологическим меркам срок. Она бы просто не успела за это время пройти весь путь эволюционного развития, необходимый для превращения гетеротрофного организма в автотрофный. На это можно возразить, что «бульон» понемногу подпитывался органикой, образующейся, например, в ходе геохимических процессов в недрах планеты. Другой аргумент отвести труднее. Мембраны (оболочки) современных клеток состоят из фосфолипидов, и эти мембраны практически непроницаемы для полярных и заряженных молекул, в том числе для сложных органических соединений, таких как сахара или нуклеотиды. Чтобы транспортировать эти молекулы через мембрану, у современных клеток имеется набор специальных транспортных белков. На заре жизни таких белков, конечно, не могло быть. Следовательно, протоклетка просто не могла получать сложную органику из внешней среды. Она должна была довольствоваться теми простыми неорганическими молекулами, которые способны проходить через фосфолипидную мембрану без посторонней помощи. Вывод: первые живые клетки были автотрофами. Статья американских биологов, опубликованная 4 июня на сайте журнала Nature, представляет собой весьма успешную попытку отвести этот аргумент противников «гетеротрофной теории». Авторы исходили из того, что мембрана протоклетки вовсе не обязательно должна была состоять из тех же самых липидов, что и мембраны современных клеток. Кстати, первичным «веществом наследственности» тоже вовсе не обязательно должны были быть ДНК или РНК в их нынешней форме. Устойчивые двухслойные мембраны (и пузырьки, окруженные такими мембранами) получаются из множества различных липидов, жирных кислот, спиртов и других амфифильных соединений (то есть имеющих полярную гидрофильную «голову» и гидрофобный углеводородный «хвост»). Такие молекулы в воде сами собой могут собираться в двухслойные пленки-мембраны: гидрофобные хвосты поворачиваются внутрь, подальше от воды, а гидрофильные «головы» торчат наружу, образуя оба поверхностных слоя мембраны. Фосфолипиды — молекулы довольно сложные. Мембраны протоклеток, скорее, должны были собираться из более простых амфифильных соединений, которые могли образовываться абиогенным путем. Авторы изучили свойства маленьких пузырьков (размером в сотни нанометров, что сравнимо с самыми мелкими живыми клетками), окруженных мембранами из различных жирных кислот. Вначале они пытались выяснить, от чего зависит проницаемость мембран для простых органических соединений, таких как сахар рибоза (этот сахар — одна из необходимых составных частей нуклеотидов, из которых, в свою очередь, собираются молекулы РНК и ДНК). Выяснилось, что мембраны, сделанные из простых жирных кислот, пропускают рибозу немного лучше, чем фосфолипидные мембраны, но все-таки плохо. Однако проницаемость резко возрастает, если использовать смесь жирной кислоты с моноэфиром этой же кислоты и глицерина. Многочисленные эксперименты показали, что проницаемость мембраны зависит прежде всего от формы молекул, из которых она сделана: чем больше «голова» молекулы по отношению к длине «хвоста», тем выше проницаемость. Например, у жирных кислот роль «головы» играет карбоксильная группа (–COOH), маленькая по размеру. Длинные гидрофобные «хвосты» в толще мембраны располагаются тесно и плотно слипаются друг с другом. У глицеринового эфира той же жирной кислоты роль «головы» играет молекула глицерина, гораздо более крупная. Из-за этого гидрофобные «хвосты» в толще мембраны размещаются более свободно, и вся конструкция в целом оказывается более рыхлой, текучей и подвижной. На основе проделанных экспериментов авторы предложили теоретическую модель прохождения заряженных молекул через мембраны (см. рисунок). mechanism_of_solute_permeation_600.jpg Схема прохождения полярных или слабозаряженных молекул сквозь двухслойную липидную мембрану. Молекула сначала прилипает к гидрофильным «головкам» липидов (выделены красным). Это приводит к изменению ориентации молекул липидов. При определенных условиях липиды могут «перекувырнуться» головками на другую сторону мембраны, увлекая за собой захваченную молекулу. Рис. из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Nature Авторы нашли несколько вариантов состава мембраны, при которых ее проницаемость для рибозы оказывается высокой. Дальнейшие эксперименты проводились с двумя из этих вариантов. Первый из них — смесь миристолеиновой кислоты (Myristoleic acid) с ее же глицериновым моноэфиром (glycerol monoester of myristoleic acid). Эта смесь дает устойчивые пузырьки с хорошей проницаемостью, но у нее есть один недостаток: миристолеиновая кислота содержит 14 атомов углерода и одну двойную связь, и ее присутствие в «первичном бульоне» в достаточно высоких концентрациях считается маловероятным. Второй вариант — смесь декановой кислоты (Decanoic acid) с соответствующим глицериновым моноэфиром и декановым спиртом. Эта смесь ближе к реальности (то есть к тому, что могло быть в первичном бульоне), потому что в декановой кислоте всего 10 атомов углерода и нет двойных связей. Затем авторы приступили к изучению проницаемости этих пузырьков по отношению к активированным нуклеотидам — тем «кирпичикам», из которых клетка собирает молекулы РНК и ДНК. Если реальные протоклетки были гетеротрофами, такие нуклеотиды должны были составлять их главную «пищу». Современные клетки используют нуклеотиды с тремя присоединенными к ним остатками фосфорной кислоты (нуклеотид-трифосфаты). Однако нуклеотид-трифосфаты, как выяснилось, наотрез отказываются проходить сквозь любые липидные мембраны. Причина в том, что они несут слишком сильный отрицательный заряд. У нуклеотид-дифосфатов и нуклеотид-монофосфатов заряд меньше, и им удается пройти сквозь миристолеиновые и декановые мембраны, но из таких «кирпичиков» ДНК сама собой не синтезируется. Однако и здесь нашелся обходной путь. Нуклеотиды можно активировать иным способом — присоединив к ним вместо трех фосфатов один фосфат и молекулу имидазола (имидазол — простое органическое соединение, широко распространенное в живой природе и представляющее собой кольцо из трех атомов углерода и двух атомов азота; имидазол является составной частью одной из 20 «канонических» аминокислот — гистидина). Нуклеотиды, активированные имидазолом, годятся для синтеза ДНК и РНК, но имеют только один отрицательный заряд, а не четыре, как нуклеотид-трифосфаты. Такие нуклеотиды уже применялись ранее в экспериментах по синтезу нуклеиновых кислот без участия ферментов. Многие исследователи допускают, что на заре жизни для синтеза нуклеиновых кислот могли использоваться не нуклеотид-трифосфаты, как теперь, а нуклеотиды, активированные имидазолом. Такие нуклеотиды даже лучше справляются с данной работой, чем нуклеотид-трифосфаты, особенно при отсутствии белков-катализаторов. Авторы обсуждаемой статьи добавляют к этому еще одно соображение: они предполагают, что переход от нуклеотидов, активированных имидазолом, к менее эффективным нуклеотид-трифосфатам был обусловлен необходимостью предотвратить утечку нуклеотидов из клетки (нуклеотид-трифосфаты, как мы помним, сквозь мембраны не проходят). Это, конечно, произошло уже тогда, когда клетки научились сами синтезировать строительные блоки для синтеза нуклеиновых кислот и перестали «всасывать» их извне. Как и ожидалось, нуклеотиды, активированные имидазолом, достаточно свободно проходили сквозь миристолеиновые и декановые мембраны. Этот успех вдохновил авторов на попытку создания искусственной протоклетки, которая «питалась» бы активированными нуклеотидами и осуществляла матричный синтез (репликацию, копирование, размножение) молекул ДНК или РНК без помощи ферментов. На сегодняшний день химики уже добились кое-каких успехов в изучении неферментативной репликации нуклеиновых кислот. Однако условия, необходимые для прохождения полного цикла репликации без помощи белков, пока еще не удалось подобрать. Остались две главные нерешенные проблемы. Во-первых, пока не найдены условия, в которых шел бы сам собой матричный синтез любой молекулы ДНК или РНК независимо от последовательности нуклеотидов в матрице. Одни последовательности удается реплицировать, другие нет. Во-вторых, чтобы процесс самопроизвольной репликации начался, нужна «затравка» — праймер. Это значит, что если взять простую одноцепочечную молекулу ДНК или РНК, то на такой матрице без помощи ферментов репликация не начинается. Начинать ее приходится все-таки с использованием ферментов. Но если часть нуклеотидов второй (комплементарной) цепочки уже стоит на своих местах, то процесс репликации может в определенных условиях продолжаться без помощи ферментов. И это уже немало. Если бы полный цикл неферментативной репликации НК был уже открыт, то авторы обсуждаемой статьи, видимо, подошли бы вплотную к созданию настоящего живого организма. Ну а пока им пришлось довольствоваться тем, что есть. Они взяли короткие молекулы ДНК с затравкой и с недореплицированным «хвостиком», состоящим из 15 нуклеотидов Ц (цитидинов). Молекулы были помещены внутрь мембранных пузырьков. Эти пузырьки с начинкой — модельные протоклетки — поместили в среду, оптимальную для неферментативного синтеза ДНК (pH 8,5, температура 4°C, плюс еще два простых органических соединения, теоретически совместимых с представлениями о первичном бульоне). После этого протоклетки стали получать «пищу» — активированные нуклеотиды. Официальное название «корма»: 2'-амино-2',3'-дидеоксигуанозин-5'-фосфоримидазол. Время от времени часть протоклеток извлекалась из раствора, чтобы посмотреть, как идет репликация. Шла она хорошо, хоть и медленно. В конце концов все протоклетки справились с задачей, то есть закончили репликацию недореплицированных молекул ДНК, пристроив к каждому из 15 цитидинов (Ц) комплементарный ему гуанозин (Г). На это у них ушло 24 часа, по 96 минут на нуклеотид. В настоящих живых клетках репликация ДНК осуществляется в десятки миллионов раз быстрее, но ведь там есть сверхэффективные катализаторы — ферменты. Полученные результаты показывают, что первые живые клетки все-таки могли быть гетеротрофами. А еще они показывают, что уже в самом ближайшем будущем ученые, по-видимому, смогут воспроизвести в лаборатории все ключевые этапы зарождения жизни из неживой материи.

http://elementy.ru/news/430749

[Agent 007]

Люди не способны правильно оценивать впечатление, производимое ими на окружающих

Цитата: Люди систематически ошибаются, когда пытаются оценить впечатление, производимое ими на других. Одна из важных причин состоит в том, что каждый человек знает о себе больше, чем окружающие, и невольно учитывает эту «закрытую» информацию, когда пытается взглянуть на себя чужими глазами. По-видимому, это коренной недостаток нашего «социального интеллекта», справиться с которым не удается даже тогда, когда неосведомленность окружающих о нашем «персональном контексте» совершенно очевидна и полностью осознается нами. Одно из любопытнейших направлений современной экспериментальной психологии — это изучение различных несовершенств нашего мышления, систематических ошибок, которые мы совершаем в самых, казалось бы, простых и очевидных ситуациях. Подобные исследования как нельзя лучше показывают, что человеческий разум — далеко не «верх совершенства», и эволюции тут еще есть над чем поработать. Особенно много досадных «сбоев» дает наш мыслительный аппарат в процессе общения с другими людьми. Мы склонны переоценивать себя и недооценивать собеседника, мы систематически неверно судим о способностях, шансах на успех, перспективах карьерного роста и личных качествах — как чужих, так и своих собственных. В некоторых случаях такие ошибки теоретически могут иметь некий адаптивный смысл, то есть быть отчасти полезными (в качестве примера можно привести хорошо известный феномен завышенного оптимизма по отношению к собственным возможностям и перспективам). Другие сбои «социального интеллекта» не приносят ничего, кроме неприятностей, конфликтов и стрессов. Каждый человек объективно заинтересован в том, чтобы правильно оценивать впечатление, производимое им на окружающих. Возможно, это одна из главных мыслительных задач, стоявших перед нашими предками с древнейших времен. Без этой способности едва ли можно рассчитывать на повышение собственного статуса (и на репродуктивный успех) в сложно устроенном коллективе приматов. И если естественный отбор за миллионы лет так и не сумел «настроить» наши мозги на эффективное решение данной задачи, то объяснить это можно лишь тем, что задача оказалась почему-то очень сложной. Или, может быть, оптимизация мозга в этом направлении вступает в конфликт с другими важными ментальными функциями. Обычно мы судим о других «по себе», этот принцип лежит в основе нашего социального интеллекта. Во многих случаях такая стратегия неплохо работает, но в данной ситуации она оказывается малоэффективной. Основную причину психологи видят в том, что человек располагает разнокачественными наборами данных о себе и окружающих: себя он воспринимает изнутри, со всеми своими мыслями, желаниями, мотивами, воспоминаниями и фантазиями, а других видит только «снаружи», и судить о них может лишь по внешним проявлениям: поступкам, словам, манерам и т. п. И хотя мы прекрасно понимаем, что часть информации о нашей личности для собеседника закрыта, тем не менее учесть это понимание в оценке производимого нами впечатления нам удается, мягко говоря, не всегда. Мы невольно — и порой вопреки всякой логике и очевидности — «перекладываем» в голову стороннего наблюдателя свои собственные знания, которыми тот явно не располагает. Американские психологи в серии из четырех простых экспериментов очень четко продемонстрировали этот досадный сбой (как сказали бы компьютерщики, «глюк») нашего мыслительного аппарата. В экспериментах приняли участие четыре больших группы добровольцев — студентов различных американских университетов. В первом эксперименте каждому испытуемому предлагали дважды сыграть в дартс: первый раз — потренироваться без свидетелей, второй — проделать то же самое в присутствии зрителей (незнакомых людей). Испытуемый затем должен был оценить по десятибалльной шкале, какое впечатление, по его мнению, он произвел на публику. Он должен был также оценить степень собственной удовлетворенности своим выступлением. Зрители, в свою очередь, должны были по той же десятибалльной шкале оценить мастерство выступавшего. Статистическая обработка полученных данных показала, что оценка испытуемым произведенного им впечатления сильно коррелирует, во-первых, с тем, лучше или хуже он выступил перед публикой, чем во время тренировки, во-вторых, с его собственной субъективной оценкой своего выступления (выступил ли он лучше или хуже, чем сам ожидал). Участники, выступившие перед публикой лучше, чем во время приватной тренировки, ожидали от зрителей более высоких оценок независимо от показанного результата. Оценки зрителей, естественно, зависели только от показанного результата и не коррелировали ни с самооценкой выступавшего, ни с его результатом во время тренировки (которую никто из них не видел). Таким образом, испытуемый фактически ожидал от окружающих такой оценки, какую он сам себе вынес на основе информации, доступной только ему. В среднем испытуемые в этом эксперименте сильно недооценили то впечатление, которое они произвели на зрителей. Второй эксперимент был призван показать, что ожидаемые оценки могут быть не только занижены, но и завышены в том случае, если во время публичного выступления испытуемый чувствует себя увереннее или находится в более благоприятных условиях, чем во время тренировки. На этот раз студентов просили дважды спеть фрагмент популярной песни «End Of The World As We Know It». Первое исполнение было «тренировочным», а второе записывалось. Участникам сказали, что запись потом дадут послушать другим людям, и те выставят свои оценки. При этом половине «певцов» выдали слова песни во время тренировки, а во время записи они должны были петь по памяти. Вторая половина, наоборот, тренировалась по памяти, а во время записи пользовалась бумажкой со словами. Это, несомненно, должно было прибавить певцам уверенности, потому что слов в этой песне очень много. Выяснилось, что студенты из второй группы сами оценили свои выступления выше и ожидали более высоких слушательских оценок, хотя это вовсе не соответствовало действительности. Слушатели поставили в среднем примерно одинаковые (то есть статистически не различающиеся) оценки певцам из обеих групп. При этом слушательские оценки оказались значительно ниже тех, которые надеялись получить певцы из второй группы, и выше тех, на которые рассчитывали певцы из первой группы. Третий эксперимент был особенно интересен, поскольку в нем испытуемые были четко проинформированы о том, что известно и что неизвестно людям, которые будут их оценивать. Испытуемые могли использовать это знание, прогнозируя оценки, но не сумели этого сделать. На этот раз студентов просили найти как можно больше слов в квадрате из 16 букв (популярная игра Boggle). Им удалось отыскать в среднем по 25 слов. Каждый студент работал над заданием в отдельной комнате, но знал, что кроме него такое же задание получили еще трое студентов. Затем испытуемому сообщали, что другие три человека справились с заданием гораздо лучше: нашли 80, 83 и 88 слов (это был обман, призванный принизить в глазах испытуемого его собственный результат). Цифры были подобраны так, чтобы производить сильное впечатление, но при этом не выглядеть неправдоподобными. После этого испытуемый должен был предсказать, как, по его мнению, оценит незнакомый посторонний человек по результатам тестирования его (испытуемого) интеллект, сообразительность и умение играть в Boggle. При этом половине студентов сказали, что один и тот же человек будет оценивать результаты всех четырех членов группы, а другой — что результаты разных участников будут оцениваться разными людьми. Таким образом, половина студентов знала, что их будет оценивать человек, знающий, что они выступили «хуже всех». Вторая половина студентов, напротив, была уверена, что человек, который будет их оценивать, не получит информации о более высоких результатах других участников. Была еще третья, контрольная группа испытуемых, которым ничего не говорили о результатах других членов группы и которые поэтому не думали, что они выступили очень плохо. Как и следовало ожидать, контрольная группа «предсказала» себе гораздо более высокие оценки, чем обе «обманутые» группы. Но самое интересное, что обе группы студентов, «знавших», что они хуже всех, ожидали получить одинаково низкие оценки. Между их предсказаниями не было никаких различий. Задумаемся, что это значит. Здесь речь не идет о пере- или недооценке сведений об информированности оценивающего (знает он или не знает, что испытуемый выступил хуже других). Речь идет о том, что люди вообще никак не отреагировали на эти сведения, не смогли их учесть, хоти они были сообщены им в явном виде. Для испытуемых было важно только одно — что они сами знают, что выступили плохо. Последний, четвертый, эксперимент был поставлен для того, чтобы проверить, можно ли повлиять на представление о собственном образе в глазах окружающих одной лишь игрой воображения. Первую группу студентов попросили мысленно представить себе какую-нибудь ситуацию, в которой они выглядели бы выигрышно в глазах окружающих, производили бы хорошее впечатление. Второй группе предложили вообразить противоположную ситуацию, какой-нибудь свой поступок, который произвел бы на людей отрицательное впечатление. Третья, контрольная, группа ничего не воображала. После этого каждый участник должен был в течение 6 минут побеседовать один на один с незнакомым студентом. Затем все участники должны были написать, какое впечатление они, по их мнению, произвели на собеседника (и какое впечатление собеседник произвел на них). Оценивалось общее впечатление по десятибалльной шкале (от 1 — «очень плохое» до 10 — «очень хорошее»); кроме того, нужно было предсказать, как оценит собеседник такие качества испытуемого, как чувство юмора, дружелюбие, очарование, грубость, скучность, ум, честность, скрытность, душевность и заботливость. Выяснилось, что та игра воображения, которой занимались испытуемые перед беседой, оказала сильнейшее влияние на то впечатление, которое, по их мнению, они произвели на собеседника. Однако она не оказала ни малейшего влияния на реальное впечатление, которое они произвели. Воображавшие плохое думали, что произвели дурное впечатление, воображавшие хорошее были убеждены, что очень понравились своим собеседникам — и при этом как те, так и другие были весьма далеки от реальности. В конце статьи авторы оптимистично отмечают, что людям свойственно так жестоко ошибаться лишь при общении с незнакомыми людьми, как это было в проведенных экспериментах. С близкими друзьями и родственниками общаться все-таки легче. Почему? Может быть, потому что мы лучше их знаем и понимаем, то есть точнее моделируем их мысли и реакции? Нет, считают авторы, скорее потому, что друзьям известно многое из нашего «персонального контекста», того самого, знание о котором мы невольно «вкладываем» в головы окружающих, оценивая их отношение к нам. Даже когда точно знаем, что окружающим эти сведения недоступны. После прочтения этой статьи (и других подобных работ) возникает желание высказать серьезные претензии тому «разработчику», который отвечал за дизайн наших мозгов. Важнейшая часть нашего «софта», именуемая социальным интеллектом, явно представляет собой бета-версию. Но естественный отбор, к сожалению, жалоб не принимает.

http://elementy.ru/news/430752

[Rise]

picture.jpg

Ученые создали транзистор из одной молекулы

Цитата: Физикам из Мичиганского технологического университета удалось получить работающую модель переключателя, состоящего из одной молекулы. Работа исследователей опубликована в журнале Physical Review Letters. Это открытие может увеличить вычислительную мощность современных компьютеров в тысячи раз и помочь решить проблему надвигающегося предела миниатюризации. Вся современная вычислительная техника построена на использовании транзисторов. Транзистором называется полупроводниковое устройство, которое предназначено для управления током в цепи двух электродов при помощи третьего. Можно сказать, что, регулируя напряжение на управляющем электроде, мы меняем сопротивление в цепи. Одной из функций транзистора является функция выключателя, то есть устройства, прерывающего движение тока, при подаче напряжения на управляющий электрод. Создатели мономолекулярного переключателя поместили молекулу специального соединения между золотыми электродами. При силе тока в 142 микроампера в цепи резко изменилось сопротивление. Это стало следствием изменения квантового состояния электронов в молекуле под воздействием электромагнитного поля. В 1965 году Гордон Мур, один из основателей компании Intel, сформулировал тезис, получивший название закон Мура. Этот закон утверждает, что количество транзисторов, помещающихся на одном чипе, удваивается каждые 2 года при сохранении стоимости чипа. В настоящее время размеры транзисторов составляют 45-65 нанометров, на подходе 32-нанометровые элементы. Ожидается, что в 2020 году процесс миниатюризации остановится. Транзисторы достигнут такого размера, что уже не будут подчиняться законам классической физики, на которых построена работа современных вычислительных машин. Чтобы вычислительная техника развивалась дальше, необходимо либо сменить принципы работы (получив квантовый компьютер), либо создать принципиально новый транзистор. Американские исследователи считают, что их переключатель является важнейшим шагом на пути создания нового транзистора.

http://www.lenta.ru/news/2008/06/17/switch/

[Agent 007]

Пиво снижает эффективность работы ученого

Цитата: Чешский орнитолог Томаш Грим выяснил у своих коллег, сколько они пьют пива, и сопоставил эти данные с результативностью их научной работы. Оказалось, что чем больше ученый потребляет пива, тем меньше он публикует статей и тем реже эти статьи цитируются. Уважаемый экологический журнал Oikos опубликовал любопытную и довольно скандальную статью орнитолога Томаша Грима (Tomáš Grim) из Университета им. Палацкого в Оломоуце. В 2002 году Грим попросил всех своих коллег — чешских ученых, занимающихся экологией и эволюционной биологией птиц и имеющих хотя бы одну публикацию в рецензируемом журнале, включенном в список Web of Science — сообщить ему, сколько они выпивают пива в неделю. В 2006 году он провел опрос повторно, включив в него всех опрошенных в первый раз, а также молодых специалистов, начавших публиковаться после первого опроса. Почти все коллеги (34 орнитолога из 38) охотно предоставили Гриму эту информацию. Собранные данные Грим сопоставил с информацией о количестве и цитируемости научных публикаций опрошенных (эти сведения доступны в вышеупомянутой системе Web of Science). Между потреблением пива и результативностью научного труда выявилась четкая отрицательная корреляция. Чем больше ученый пьет пива, тем меньше в среднем он публикует статей в год и тем реже эти статьи цитируются (и суммарно, и в расчете на одну статью). Корреляция оказалась статистически значимой и для всего массива данных в целом, и по отдельности для результатов опросов 2002-го и 2006 года, в том числе с поправками на возраст ученых, на время выхода первой публикации и др. Все статистические тонкости были соблюдены. По мнению Грима, выявленная корреляция скорее всего объясняется тем, что алкогольные напитки (в Чехии, как и во всей Западной Европе, большая часть алкоголя употребляется в виде пива) вообще имеют тенденцию снижать умственные способности. Конечно, можно при большом желании придумать и другие объяснения; например: (1) ученые-неудачники пьют «с горя», что у них статьи не пишутся; (2) ученые-неудачники отвечали на расспросы Грима правдиво, а успешные ученые не хотели признаться, сколько они на самом деле пьют; (3) оба показателя могут зависеть от третьего фактора, допустим от лени: может быть, ленивым ученым свойственно не только меньше работать, но и больше пить пива, поскольку именно так принято проводить свободное время в Чешской республике; (4) ... (предоставляю любителям пива самим продолжить это список «альтернативных объяснений»). Однако объяснение Грима кажется самым простым и логичным. Грим указывает, что Чехия занимает первое место в мире по потреблению пива на душу населения. Однако эта традиция распределена по территории страны неравномерно. На западе, в Богемии, пива пьют гораздо больше, чем на востоке, в Моравии. Эта тенденция подтвердилась и данными Грима. Богемские орнитологи, как выяснилось, выхлестывают в среднем по 200 литров пива в год, а их моравские коллеги довольствуются скромными 38 литрами (Грим не приводит конкретных цифр, по которым можно было бы вычислить какую-либо персональную информацию об опрошенных им орнитологах, но можно догадаться, что моравских орнитологов в его выборке было меньше, чем богемских; сам Грим работает в Моравии; Прага находится в Богемии). Как и следовало ожидать, моравские орнитологи оказались значительно более результативными, чем богемские. Они пишут в среднем больше статей ежегодно, и статьи эти в целом более высокого качества (то есть чаще цитируются). Таким образом, найденная Гримом зависимость работает не только на индивидуальном, но и на региональном уровне. Удивительно, что подобных исследований до сих пор никто не проводил.

http://elementy.ru/news/430753

[Agent 007]

Обоняние и цветное зрение в эволюции млекопитающих развивались в противофазе

trichromatic_vision_300.jpg
Тест на цветовое зрение. Человек с нормальным трихроматическим зрением должен увидеть здесь цифру 6. Человек, плохо различающий оттенки красного и зеленого, видит цифру 5. Это зависит от того, насколько сильно отличаются друг от друга два опсиновых гена, расположенные на X-хромосоме. Дальтоников гораздо больше среди мужчин, потому что у них только одна X-хромосома (у женщин их две). Среди обезьян дальтоников почти нет, потому что естественный отбор отсеивает неспособных отличить спелый плод от незрелого и питательный красноватый листок от несъедобного зеленого. Рис. с сайта www.uni-mannheim.de

Цитата: Млекопитающие лишились цветного зрения в самом начале своей эволюции, потеряв два из четырех генов светочувствительных белков — опсинов. Впоследствии цветное зрение вновь появилось у обезьян благодаря дупликации одного из двух оставшихся опсинов. Как выяснилось, параллельно с утратой генов цветного зрения у древних млекопитающих в результате многочисленных дупликаций резко возросло количество генов обонятельных рецепторов. По-видимому, оба процесса — ослабление цветного зрения и развитие обоняния — были связаны с тем, что экспансия динозавров в конце триасового — начале юрского периода вынудила древних млекопитающих перейти к ночному образу жизни. Эволюция цветного зрения у позвоночных изучена достаточно подробно. Способность различать цвета определяется светочувствительными белками колбочек — опсинами, которые могут быть «настроены» на разную длину волны. В зависимости от того, какие аминокислоты стоят в определенных «ключевых» позициях в молекуле опсина, белок избирательно реагирует на световые волны той или иной длины. Еще до выхода на сушу позвоночные выработали весьма совершенную систему цветного зрения, основанную на четырех опсинах (тетрахроматическое зрение). Эта система сохранилась у многих наземных позвоночных, включая птиц, которые великолепно различают цвета. Возможно, если бы такое зрение имелось и у людей, нам казалась бы убогой трихроматическая система отображения цвета, используемая в наших телевизорах и компьютерных мониторах. У человека, как и у всех обезьян Старого Света, зрение трихроматическое. У большинства других млекопитающих из четырех опсинов, имевшихся у древних позвоночных, сохранилось только два (дихроматическое зрение). Предки обезьян тоже имели дихроматическое зрение (а значит, не могли отличить красный цвет от зеленого). Считается, что утрата млекопитающими двух опсинов была связана с тем, что их предки когда-то перешли к ночному образу жизни. Скорее всего, это произошло еще на заре их истории — в конце триасового или в начале юрского периода — и было связано с перипетиями долгой конкурентной борьбы между двумя основными эволюционными стволами наземных позвоночных — синапсидами и диапсидами. В пермском периоде синапсидные рептилии — предки млекопитающих — были господствующей группой. В следующем, триасовом периоде их господство пошатнулось, поскольку на сцене появились молодые активные конкуренты — архозавры, относящиеся к группе диапсидных рептилий. Архозавры делали ставку на крупные размеры, быстрый бег и острые зубы, а у синапсидных рептилий тем временем бурно шла «маммализация» — развитие черт млекопитающих. Они понемногу мельчали и уходили «в тень». В конце триаса — начале юры власть на суше окончательно перешла к одной из групп архозавров, а именно к динозаврам. Синапсиды вымерли почти полностью, за исключением одной небольшой группы, которая дала начало млекопитающим. В течение всего юрского и мелового периодов, до самого вымирания динозавров, млекопитающим приходилось вести преимущественно ночной образ жизни, и к тому же оставаться маленькими, чтобы пореже попадаться на глаза господствующим дневным хищникам. В этих обстоятельствах цветное зрение стало бесполезным, и два опсиновых гена были потеряны. Естественный отбор не умеет заглядывать в будущее — он сохраняет только те признаки и гены, которые нужны здесь и сейчас. Когда после вымирания динозавров многие млекопитающие снова стали дневными, им пришлось обходиться дихроматическим зрением, поскольку взять новые опсиновые гены взамен утраченных было негде. До недавних пор ученые предполагали, что оба опсиновых гена были утрачены практически сразу и очень давно, еще до разделения млекопитающих на однопроходных и териевых (= сумчатые + плацентарные). Однако один из потерянных генов обнаружился в геноме утконоса. Это значит, что гены были потеряны не сразу, а по очереди, и не так быстро. Общий предок всех современных млекопитающих еще имел три опсина, а общий предок териевых — уже только два. Некоторые австралийские сумчатые вроде бы имеют полноценное цветное зрение, но ни одного из двух потерянных генов в их геномах обнаружить не удалось, несмотря на целенаправленные поиски. Значит, если у них действительно есть цветное зрение, оно приобретено ими вторично и на иной генетической основе. Как это в принципе может происходить, отлично показывает пример обезьян. У общего предка обезьян Старого Света, который жил 30–40 млн лет назад, один из двух сохранившихся опсиновых генов подвергся дупликации, и естественный отбор быстро «настроил» получившиеся копии на разные длины волн. Для этого потребовалось зафиксировать всего-навсего три мутации (аминокислотные замены). В итоге зрение у обезьян стало трихроматическим, что дало им возможность отличать спелые плоды от зеленых и свежую листву (наиболее питательную) от старой (у многих тропических растений молодые листья имеют красноватый оттенок). Параллельно и совершенно независимо сформировалось цветное зрение у некоторых обезьян Нового Света. У них недостающий третий опсин возник как аллельный вариант одного из двух старых опсиновых генов. Этот опсиновый ген расположен в X-хромосоме, поэтому шанс получить от родителей три разных опсина (и трихроматическое зрение) есть только у самок, и то не у всех. Но обезьяны ведут общественный образ жизни, и наличие в стаде хотя бы нескольких самок, способных отличить красное от зеленого, оказывается очень полезным для всего коллектива. Такуси Кисида (Takushi Kishida) из Киотского университета в своей статье, опубликованной в журнале PLoS ONE, показал, что гены обонятельных рецепторов наземных позвоночных имеют не менее увлекательную эволюционную историю, чем гены зрительных белков. Как выяснилось, уменьшение числа опсинов сопровождалось увеличением числа обонятельных рецепторов, и наоборот. Млекопитающие отличаются от других наземных позвоночных не только проблемами с цветным зрением, но и гораздо более развитым обонянием. Например, у крысы насчитывается до 1600 функционирующих генов обонятельных рецепторов, тогда как у курицы их всего около 80. В отличие от цветов спектра, для различения многочисленных запахов тремя-четырьмя генами не обойтись: на каждую летучую молекулу нужен свой рецептор. Исследователи давно установили, что многочисленные гены обонятельных рецепторов млекопитающих возникли в результате множественных дупликаций из исходного небольшого набора. Естественно было предположить, что развитие обоняния у млекопитающих, как и утрата цветного зрения, было связано с переходом к ночному образу жизни. В этом случае большинство дупликаций обонятельных генов должно было произойти примерно в то же время, что и утрата двух опсиновых генов. Чтобы проверить эту гипотезу, Кисида провел тщательный сравнительный анализ генов обонятельных рецепторов в геномах шести наземных позвоночных: лягушки, курицы, утконоса, опоссума, собаки и мыши. Анализ этих шести видов позволяет реконструировать ситуацию в важнейших точках ветвления эволюционного древа наземных позвоночных. Сравнение лягушки с другими видами проливает свет на общего предка современных амфибий и амниот (= рептилии + птицы + млекопитающие), жившего около 340 млн лет назад (начало каменноугольного периода). Курица, как прямой потомок архозавров, помогает составить представление об общем предке синапсидных и диапсидных тетрапод, жившем около 310 млн лет назад (вторая половина каменноугольного периода). Утконос расскажет об общем предке однопроходных и териевых (180 млн лет назад, ранняя юра), опоссум — об общем предке сумчатых и плацентарных (140 млн лет назад, ранний мел). Эволюционные пути предков собаки и мыши разошлись около 85 млн лет назад (поздний мел). Что касается нас с вами, то мы на этом упрощенном эволюционном древе ближе всего к мыши. Результаты, полученные Кисидой, говорят о том, что у общего предка амфибий и амниот было примерно 100–110 генов обонятельных рецепторов. Изначально большинство этих генов находилось на одной хромосоме, но время от времени они перепрыгивали на другие хромосомы. Этот процесс «рассеивания» обонятельных генов по хромосомам, по-видимому, шел уже у первых наземных позвоночных и практически прекратился к моменту расхождения линий однопроходных и териевых (180 млн лет назад). В результате у всех млекопитающих обонятельные гены присутствуют почти на всех хромосомах. У человека, например, их нет только на двух хромосомах: 20-й и Y-хромосоме. Кисида предполагает, что рассеивание обонятельных генов по хромосомам облегчило их последующую множественную дупликацию. У общего предка синапсидных и диапсидных число обонятельных генов осталось прежним (около сотни). У общего предка однопроходных и териевых их было уже около 330, у общего предка плацентарных и сумчатых их число возросло примерно до 670. Общий предок мышей и собак имел около 740 генов обонятельных рецепторов. Самый главный результат, полученный Кисидой, состоит в том, что практически все дупликации обонятельных генов в эволюции тетрапод были приурочены к отрезку эволюционного древа, заключенному между общими предками диапсидных и синапсидных (310 млн лет назад) и плацентарных и сумчатых (140 млн лет назад). В целом дупликации, по сравнению с «рассеиванием», позже начались и позже закончились. Учитывая разрешающую способность примененных методик, можно заключить, что в пределах этой разрешающей способности период массовых дупликаций обонятельных генов в точности совпадает с периодом утраты опсиновых генов. Первый опсиновый ген был потерян на отрезке между общим предком диапсидных и синапсидных и общим предком однопроходных и териевых, то есть на ранних этапах становления млекопитающих. Второй опсиновый ген был потерян на отрезке между общим предком однопроходных и териевых и общим предком сумчатых и плацентарных, то есть на ранних этапах эволюции териевых. Именно к этим двум отрезкам приурочены и дупликации обонятельных генов. Если бы существовало какое-нибудь современное животное, предки которого отделились бы от «нашего» эволюционного ствола позже курицы, но раньше утконоса, датировки можно было бы существенно уточнить. Но такого животного, к сожалению, нет. Кисида также отмечает, что восстановление цветного зрения у обезьян Старого Света сопровождалось утратой значительной части обонятельных генов (или превращением их в неработающие псевдогены). Очевидно, развитие зрения и обоняния происходило в противофазе. Когда древние млекопитающие перешли к ночному образу жизни, роль зрения уменьшилась, а роль обоняния возросла. Когда обезьяны вернулись к дневной жизни и стали снова полагаться в основном на зрение, их обоняние ослабло. Еще одна любопытная деталь состоит в том, что одно из семейств обонятельных генов (известное как семейство №7; у приматов это самое многочисленное семейство обонятельных генов) подвергалось усиленной дупликации уже после разделения плацентарных и сумчатых. О некоторых рецепторах этого семейства известно, что они реагируют на половые феромоны. P.S. У читателей может возникнуть резонный вопрос: неужели для улучшения зрения или обоняния достаточно добавить новый рецептор? А откуда возьмутся новые мозговые структуры, которые должны обрабатывать сигналы от этого нового рецептора? Похоже на то, что новых мозговых структур для этого не требуется — имеющиеся структуры используют какие-то обобщенные, универсальные алгоритмы интерпретации поступающих сигналов. По-видимому, мозг в процессе индивидуального развития автоматически обучается различать сигналы, приходящие от разных рецепторов, и интерпретировать их именно как разные сигналы. Ничего не меняя в структуре мозга, можно добавить в сетчатку новый опсин, и мозг сам разберется, что делать с новым типом сигналов. См. об этом: Мышиный мозг готов увидеть мир по-человечески, «Элементы», 29.03.2007, Восприятием цвета заведует мозг, «Элементы», 28.10.2005.

http://elementy.ru/news/430756

[LiO]

picture.jpg

Схема работы и торможения жгутика B. subtilis.
Красным цветом показан белок EpsE,
работающий как сцепление в автомобилях.
Изображение Zina Deretsky, National Science Foundation

Ученые нашли в бактериях автомобильное сцепление

Цитата: Ученые-микробиологи, изучавшие бактерию Bacillus subtilis, доказали, что она использует механизм, аналогичный сцеплению в автомобилях. Свою работу исследователи опубликовали в журнале Science. Bacillus subtilis, или сенная палочка, - это подвижная бактерия, использующая жгутик в качестве мотора. Жгутик совершает вращательные движения, толкая бактериальную клетку вперед. Механизм, обеспечивающий движения жгутика, ученые знали давно, однако принцип торможения до сих пор был непонятен. Ученые под руководством Дэниэла Кернса (Daniel Kearns) из Университета Индианы открыли этот принцип случайно. Они занимались изучением генов, которые побуждают одиночных бактерий объединяться в большие группы и образовывать так называемые биопленки. Если B. subtilis в биопленках будут продолжать движения жгутиком, то их стабильность может быть нарушена. Ученые искали гены, которые регулируют изменение активностью жгутика при формированием биопленки. Они установили, что продукт одного из генов - белок EpsE - подавляет движения бактериального "мотора". Исследователи предложили два возможных механизма, объясняющих работу EpsE. Один из них соответствовал работе тормоза, когда неподвижная часть соединяется с подвижной и блокирует ее работу. Второй механизм предполагал, что EpsE действует по принципу автомобильного сцепления: отсоединяет одну подвижную часть от другой. В последнем случае жгутик может продолжать вращаться, однако бактерия не будет двигаться вперед. Чтобы определить, какая из гипотез является правильной, ученые решили пойти по принципу "хвост виляет собакой". Они закрепили свободный конец жгутика на стеклянной пластине и изучали, как будет двигаться бактериальная клетка в присутствии и отсутствии белка EpsE. Когда он отсутствовал, клетка совершала один оборот каждые пять секунд. При наличии EpsE клетка, не совершая регулярных движений, пассивно колебалась под воздействием случайных возмущений окружающей среды. Понимание механизмов работы жгутика подвижных бактерий может оказаться полезным для нанотехнологий. Жгутиковый мотор является чрезвычайно эффективным устройством: жгутик B. subtilis может совершать более 200 колебаний в секунду. С его помощью бактериальный "автомобиль" развивает мощность в многие десятки "лошадиных сил".

http://www.lenta.ru/news/2008/06/20/clutch/

[Rise]

picture.jpg

Физики сфотографировали отдельный лазерный импульс

Цитата: Группе исследователей из Института квантовой оптики Макса Планка (Германия) удалось получить изображение лазерного импульса длительностью всего 2,5 фемтосекунды (одна миллионная одной миллиардной секунды). Работа исследователей опубликована в журнале Science. Для того, чтобы "подсветить" свет, ученые использовали электронные вспышки длительностью 80 аттосекунд (одна аттосекунда равна 0,001 фемтосекунды), самые короткие из когда-либо получаемых. Через луч лазера пропускались пучки электронов. Энергия пучка до попадания в луч была известна, энергия на выходе измерялась. По этим данным при помощи компьютера строилось изображение. Основная трудность заключалась в том, что, если использовать недостаточно короткие пучки, то при проходе через луч лазера они будут слишком сильно взаимодействовать с самим лучом, внося в данные значительные погрешности. Для решения этой проблемы физики использовали электронные вспышки длительностью 80 аттосекунд. Эти вспышки были результатом облучения неона лазерными импульсами (длительностью 2,5 фемтосекунды). Перед попаданием в газ лазер отражали от диэлектрического зеркала. Это многослойные конструкции устроенные таким образом, что фотоны в начале импульса проходят большее расстояние, чем фотоны в конце. В обычной ситуации фотоны в начале импульса достигают цели раньше, поскольку вылетают из источника раньше. Однако после прохождения зеркала, все фотоны импульса достигали атомов неона почти одновременно. Одновременность являлась причиной того, что электроны, испускаемые атомами неона под воздействием фотонов, формировали столь компактные пучки. Предыдущий рекорд по длительности электронных вспышек был установлен в 2007 году и составлял 130 аттосекунд. Ученые надеются, что, используя разработанную ими технологию, можно добиться длительности электронных пучков в 24 аттосекунды.

http://www.lenta.ru/news/2008/06/20/photon/

[Rise]

picture.jpg

Ученые раскрыли секрет аморфности стекла

Цитата: Исследователям из университета Бристоля, Великобритания, вместе с коллегами из Японии и Австралии удалось выяснить причины аморфности стекла. Как оказалось, атомы в стекле объединяются в ячейки, которые геометрически не могут состыковаться друг с другом. Работа авторов опубликована в журнале Nature Materials. В науках о материалах стекло – это не то, что вставляют в рамы и из чего делают бутылки. Стеклом называют твердое аморфное состояние вещества. Вещество называется аморфным, если в твердом состоянии оно не обладает кристаллической решеткой. Стекло можно получить и из металла, и из кварца путем очень быстрого охлаждения расплава. По словам исследователей, наблюдать атомы стекла в момент охлаждения расплава не представляется возможным из-за их маленького размера, поэтому они смоделировали этот процесс. Роль расплава играл гель с частицами пластика в роли атомов. Для удобства наблюдения ученые использовали частицы размером около двух нанометров. Для того чтобы добиться нужного профиля охлаждения, исследователи добавляли в смесь специальный полимер. В результате гель переходил в "стеклянное состояние". Ученые изучали пространственную структуру такого "модельного стекла" с помощью конфокального микроскопа, позволяющего строить трехмерные изображения. В этом состоянии "атомы" в геле расположились в вершинах икосаэдра (правильный многоугольник с 20 гранями). Эти многогранники, в отличие от, скажем, куба нельзя уложить так, чтобы любые соседние два прилегали гранями друг к другу. Каждая такая икосаэдрическая ячейка в стекле оказывается ориентированной в пространстве случайно. Интересно, что предположение об икосаэдрической молекулярной структуре стекла было высказано еще 50 лет назад, однако до сих пор ученые не могли экспериментально подтвердить эту гипотезу. Подобное строение объясняет, например, свойство текучести стекла. Если посмотреть на окна в старых домах, то окажется, что у основания стекло толще, чем наверху. Это связано с тем, что со временем под действием силы тяжести ячейки начинают ползти относительно друг друга, что и приводит к медленному течению аморфного вещества. Ученые надеются, что открытие такой простой геометрической причины аморфности стекла поможет в создании новых материалов, комбинирующих свойства как металлов, так и стекол.

http://www.lenta.ru/news/2008/06/22/glass/

[Rise]

picture.jpg

Чайник с наноштырями закипает в 30 раз быстрее

Цитата: Группа исследователей из политехнического института Ренсселера (Rensselaer Politechnic Institute) под руководством профессора Нихиля Кораткара (Nikhil Koratkar) установила, что вода в металлическом сосуде с наноштырями на внутренней поверхности закипает значительно быстрее. Статья принята к публикации в журнале Small. Для исследования ученые использовали медный сосуд, с нанесенным на внутреннюю поверхность слоем медных наноштырей. В сосуд заливалась вода и доводилась до кипения. При этом измерялась плотность нуклеации – количество пузырей, образующихся в единице объема за единицу времени. По сравнению с обычным медным сосудом плотность нуклеации заметно выросла. В частности, по словам ученых, воде в их сосуде требуется в 30 раз меньше тепла для того, чтобы закипеть. Кипением называется интенсивное парообразование во всей толще жидкости. Его механизм заключается в следующем. На внутренней поверхности обычного чайника в микроскопических неровностях присутствуют пузырьки воздуха. Когда вода достигает температуры кипения, эти пузырьки начинают наполняться паром. Давление внутри пузырька растет, сам пузырек увеличивается и покидает поверхность металла. Неровность, где находился пузырек, заполняется водой. Больше в этом месте пузыри не образуются. Если поверхность покрыта наноштырями, все происходит по-другому. Между штырями присутствует воздух. Эти воздушные карманы слишком малы для того, чтобы хранить "достаточные" для кипения пузыри. Однако они снабжают воздухом те самые микроскопические неровности металла. Из-за этого, после того как пузырь сформировался и всплыл, неровность не заполняется водой. В ней снова образуется микроскопический пузырек воздух, и процесс повторяется снова. В результате плотность нуклеации увеличивается. Сами создатели видят несколько областей применения своего открытия. Наиболее очевидным является создание более совершенных котлов и кипятильников. В качестве другого варианта использования своего изобретения они видят охлаждение компьютерных чипов. Дело в том, что кипение служит конвекции: возникающие потоки перемешивают более горячую воду нижних слоев с более холодной водой верхних. Исследователи считают, что на основе этого можно разработать эффективные системы охлаждения компьютерных чипов. Кроме того, контакты современных чипов делаются из меди, и ученые считают, что внедрение технологии покрытия этих контактов слоем наноштырей не должно представлять серьезных проблем. Именно в этом направлении они планируют продолжать свои исследования.

http://www.lenta.ru/news/2008/06/27/nano/

[Agent 007]

Предложена модель квирков — новых элементарных частиц с необычным поведением

Цитата: Если в природе существует какое-то новое силовое поле и чувствующие его тяжелые частицы, то в определенных ситуациях они могут образовывать макроскопические силовые струны, которые можно будет заметить на Большом адронном коллайдере (LHC). В преддверии запуска Большого адронного коллайдера (он вступит в строй в конце лета 2008 года, но серьезная программа исследований на нём начнется только в 2009 году) в физике элементарных частиц сложилась не совсем обычная ситуация. С одной стороны, во всех проведенных до сих пор экспериментах Стандартная модель работала исключительно хорошо. Но с другой стороны, физики отчетливо понимают, что она не может быть окончательной теорией. Обязательно должна существовать какая-то более глубокая, более фундаментальная картина устройства нашего мира, а Стандартная модель является лишь приблизительной «проекцией» этой картины на известные сейчас частицы. Что это будет за более глубокая теория, физики пока не знают. В отсутствие прямых экспериментальных данных дотошному теоретику открывается богатый простор для конструирования разных «надстроек» над Стандартной моделью. Какая из них относится к реальности, а какая — нет, покажет эксперимент, но пока что физики пытаются «прощупать» самые разные возможности. Условно говоря, физики хотят знать все типы теорий, которые отстоят от Стандартной модели на один-два логических шага, на одно-два предположения. Одна из таких теорий была построена в вышедшем недавно препринте arXiv:0805.4642. Авторы этой статьи предложили модель с новыми гипотетическими частицами, названными ими квирками (quirks), которые, как выяснилось, должны обладать замечательными свойствами с точки зрения эксперимента. Слово «quirk» было выбрано авторами из-за «игры звуков» о и и. Квирки по своему поведению похожи на кварки (а по-английски слово «quark» произносится как [kwork]), только, как будет рассказано ниже, вместо сильного (strong) взаимодействия они связаны «струнным» (string) взаимодействием. Идея авторов этой работы проста и базируется на двух предположениях. 1) Пусть в природе существует какая-то новая сила, взаимодействие нового типа, устроенное наподобие сильного взаимодействия между кварками внутри протона. Говоря научным языком, предполагается, что это некое новое калибровочное взаимодействие с ненарушенной неабелевой симметрией.* Эту силу до сих пор никто не замечал просто потому, что известные нам частицы к ней «равнодушны» (примерно так же, как и нейтрино «равнодушны» к электрическому и магнитному полям). 2) Пусть существуют новые тяжелые частицы (это и есть квирки), которые эту силу чувствуют. Эти частицы обладают массой в области 1 ТэВ, так что они смогут рождаться на LHC, но не могли рождаться в более ранних экспериментах по причине недостаточной энергии столкновений. Вообще говоря, идея эта не нова. Самой первой публикацией, в которой обсуждается возможность нового взаимодействия с конфайнментом на макроскопических расстояниях, является, по-видимому, статья Льва Борисовича Окуня «Тетоны», опубликованная в 1980 году в Письмах в ЖЭТФ, т. 31, стр. 156. Однако в ней были набросаны лишь самые общие черты такой модели, в то время как в обсуждаемой здесь работе (которая должным образом ссылается на статью Л. Б. Окуня) подробно разобрана динамика этой модели и возможные ее проявления в эксперименте. Возникает вопрос: как такие квирки будут проявлять себя на LHC? Оказывается, они будут оставлять совершенно необычные следы в детекторе, и именно перечислению возникающих тут возможностей посвящена статья. Но прежде чем браться за квирки, будет полезно напомнить, как ведут себя самые обычные кварки, сидящие внутри протона. Кварки притягиваются друг к другу за счет сильного взаимодействия, которое обеспечивает глюонное поле. Это глюонное поле обладает многими необычными свойствами, и самое замечательное из них — конфайнмент («пленение кварков»). Конфайнмент — это явление, которое не позволяет одному кварку вырваться из окружения своих собратьев и существовать самостоятельно. Как только какая-то сила начнет вытягивать один кварк из протона (или растягивать кварк-антикварковую пару, как это показано на рис. 1), то глюонное поле перестраивается в виде силовой струны, которая в буквальном смысле натягивается между кварками. (Осторожно: описываемые здесь глюонные струны не следует путать с суперструнами или с космическими струнами!) Если сила, растягивающая кварки, невелика, то струна пересиливает ее и возвращает кварки на место. Если же растягивающая сила велика, то глюонная струна становится неустойчивой и рвется, причем на месте разрыва рождаются новые кварк-антикварковые пары. Эти кварки быстро группируются в мезоны, а мезоны уже могут удалиться друг от друга на любое расстояние. quark-antiquark_pair_300.jpg Рис. 1. Если попытаться разделить обычную кварк-антикварковую пару на две отдельные частицы, то между ними натягивается глюонная струна. Если струна становится слишком длинной, то она рвется, и в месте разрыва образуются новые кварк-антикварковые пары. Ключевой момент: масса обычных кварков маленькая, поэтому даже несильно растянутая струна обладает достаточной энергией для рождения кварк-антикварковых пар. Именно поэтому глюонная струна не может стать слишком длинной — ей энергетически выгодней разорваться на несколько частей, чем далеко тянуться от одного кварка к другому. Теперь обратимся к новым гипотетическим частицам — квиркам. Для них многое из описанного выше тоже справедливо. У нового взаимодействия тоже обязан быть конфайнмент (это следует из неабелевости теории), и если в каком-то жестком процессе родились и стали разлетаться квирк с антиквирком, то между ними тоже натягивается силовая струна — правда, не глюонная, а состоящая из нового силового поля. И тут возникает важное отличие от кварков: из-за большой массы квирков струна не может разорваться (см. рис. 2). Разрыв струны мог бы произойти только с образованием квирк-антиквирковой пары, но для ее образования требуется запасти очень большую энергию в очень маленьком объеме. А струна со слабым натяжением, пусть даже и очень длинная, этого сделать не может. quirk-antiquirk_pair_300.jpg Рис. 2. Поведение гипотетической квирк-антиквирковой пары при их разделении. Между ними тоже натягивается силовая струна, но только она не может порваться, потому что квирки слишком тяжелые. В результате струна может вырасти до макроскопических размеров. С точки зрения эксперимента возникает ряд очень интересных возможностей, которые зависят от силы натяжения струны (это свободный параметр теории, который мы заранее не знаем, поэтому вольны анализировать разные случаи). Если натяжение струны очень слабое, то она может растянуться до макроскопической длины. Получится поразительный объект — две тяжелые стабильные элементарные частицы, связанные неразрушимой силовой нитью длиной в сантиметры, метры, километры! Обычная материя эту силовую нить совершенно не ощущает, и ее присутствие можно заметить в детекторе лишь по тому, как квирк и антиквирк крутятся друг вокруг друга. На рис. 3 показаны типичные траектории этих частиц в детекторе для силовой струны длиной в метры или сантиметры. quirks_with_macroscopic_strings_300.gif Рис. 3. След от квирк-антиквирковой пары (показана красным цветом) в детекторе. Синим показаны обычные частицы, также рождающиеся в жестком столкновении. Рис. из обсуждаемой статьи arXiv:0805.4642 Если же натяжение струны умеренно сильное (но всё равно не настолько сильное, чтобы разорваться), то ее размеры будут мезоскопическими — то есть много больше размеров самих частиц, но много меньше пространственного разрешения детекторов (например, порядка микрона). Тогда квирк-антиквирковая пара будет выглядеть в детекторе как одна стабильная частица, однако ее масса будет сильно меняться от случая к случаю. Такого типа частицы физикам еще никогда не встречались в эксперименте (хотя нечто похожее — так называемые нечастицы — уже предлагалось теоретиками год назад). Авторы работы подчеркивают, что методы обработки данных, которые предполагается использовать на LHC, «не настроены» на такие возможности и вполне могут «проморгать» столь необычные объекты. В заключение стоит подчеркнуть, что большинству физиков эта и другие подобные теории, конечно, кажутся очень экзотическими и маловероятными. Однако в их разработке есть определенная польза: они помогают осознать, в какие стороны в принципе позволительно двигаться теоретикам и какие последствия их ожидают. Опыт, накопленный при изучении таких диковинных теоретических конструкций, может оказаться полезным при построении той глубинной физической картины мира, которая придет на смену Стандартной модели. * Небольшое пояснение про неабелевы калибровочные теории. Взаимодействия частиц тесно связаны с понятием симметрии. Электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия не постулируются отдельно от частиц, а как бы сами собой возникают из требования симметричности теории относительно внутренних преобразований (то есть изменений, не связанных с перемещением в реальном пространстве). Взаимодействия, которые возникают таким образом, называются калибровочными. На языке математики симметрии описываются с помощью групп преобразований (см. Теория групп — наука о совершенстве). Есть два больших класса групп — абелевы и неабелевы. В абелевых группах результат двух последовательных преобразований не зависит от того, в каком порядке они выполняются, а в неабелевых — зависит. Иными словами, в неабелевой группе разные преобразования «мешают» друг другу. Как следствие, если теория взаимодействий основана на неабелевой калибровочной группе, то разные кванты силовых полей будут «мешать» друг другу, взаимодействовать друг с другом. Неабелево силовое поле притягивает друг к другу не только частицы вещества, но и разные части самого поля. Условно можно это представить так, словно силовые линии поля притягиваются друг к другу. Именно это притяжение между силовыми линиями сильного взаимодействия и заставляет их сжиматься в струну, когда расстояние между кварками становится большим. Всё это происходит, когда симметрия «актуальная», ненарушенная; такая ситуация имеет место, например, в теории сильных взаимодействий. Но симметрия может нарушиться за счет какого-то механизма (например, электрослабая симметрия нарушена за счет хиггсовского механизма). Доказано, что, когда калибровочная симметрия нарушается, силовое поле уже не может простираться слишком далеко, и у него пропадает способность образовывать силовые струны. Чтобы такого не происходило, в квирковой модели постулируется, что симметрия не нарушена.

http://elementy.ru/news/430762

[LiO]

picture.jpg
Слева - компьютерная модель структуры
"пористой платины". Справа - фотография
нового материала под электронным микроскопом.
Фото авторов исследования.

Ученые получили пористую платину из наночастиц

Цитата: Физики из Университета Корнелла разработали технологию, благодаря которой металлические наночастицы самоорганизуются в упорядоченные структуры. Образующийся пористый материал может быть использован как эффективный катализатор для топливных элементов, работающих на водороде, и некоторых промышленных процессов. Работа ученых опубликована в журнале Science. Физики получили материал, состоящий из атомов платины, образующих регулярную структуру с шестиугольными порами размером около десяти нанометров - существенно шире, чем все, что удавалось создать до сих пор. Суть технологии заключается в следующем: наночастицы металла диаметром около двух нанометров покрываются органическим материалом - лигандом. "Одетые" наночастицы металла помещали в раствор полимера, представляющего собой молекулярный каркас: он состоит из двух типов длинных цепей, которые соединяются друг с другом, образуя регулярные структуры. Покрытие наночастиц лигандом изменяет их поверхностные свойства и делает растворимыми в растворе полимера в высоких концентрациях. При смешивании наночастиц, покрытых лигирующим материалом, с полимером, они встраивались в его структуру. Таким образом ученые "заставляли" наночастицы расположиться в регулярном порядке. На следующей стадии смесь полимера и наночастиц нагревали в отсутствии воздуха. В таких условиях молекулы полимера спекались в твердый каркас. Поверхность наночастиц металла имеет очень низкую температуру плавления, поэтому они также спекались вместе. Затем ученые продолжали нагрев смеси до более высоких температур, но уже в присутствии воздуха. При этом молекулы лиганда и полимерный каркас сгорали, и ученые получали наночастицы металла, организованные в регулярную структуру. С помощью созданной технологии ученые смогли получить куски "пористой платины" размером до полумиллиметра. Авторы работы считают, что, используя новую технологию, можно получать регулярные структуры из различных металлов, а не только из платины. Ученые видят несколько возможных областей применения подобных материалов. Так, платина является одним из лучших катализаторов для водородных топливных элементов, а пористая структура позволяет увеличить эффективность ее использования и существенно сократить количество дорогого металла на один элемент. Поры образуют большую поверхность, на которой топливо может соприкасаться с платиной.

http://www.lenta.ru/news/2008/06/30/selfassemble/