Содержание ролика:

01:00 Ученые обнаружили генетическую причину разницы в размере мозга человека и обезьян

03:10 Ученые сравнили частоты сверхточных атомных часов

06:08 Ученые пронаблюдали рой нанороботов внутри организма

09:11 Ученые выяснили, почему зубы болят от холода

11:56 Мышиные эмбрионы в биореакторах

(все ссылки на пруфы и исследования под роликом на ютубе. Короткая текстовая версия ниже)

Прежде, чем мы перейдем к рассказу о самых интересных новостях науки предыдущей недели, предлагаем вам самую интересную астрономическую новость узнать из ролика пулковского астронома Кирилла Масленникова, опубликованного в прошлый четверг по самым горячим следам https://youtu.be/_HzrSPQY35I (первое в мире изображение тени черной дыры в поляризованном свете).

Ученые обнаружили генетическую причину разницы в размере мозга человека и обезьян

У людей достаточно большой мозг среди приматов - гориллы и шимпанзе отстают по размерам в 2-3 раза. Количество нейронов у только что родившегося человека тоже больше, чем у новорождённого шимпанзе или гориллы раза этак в три.

Заглянем внутрь самого механизма развития мозга — в этом прекрасно помогают церебральные органоиды, мини-мозги, выращенные из стволовых клеток. Ученые взяли нейроны всех трех видов приматов, перепрограммировали их в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, т.е. поместили их на стадию эмбрионального развития, и начали выращивать. К пятой неделе органоиды человеческого мозга, ожидаемо, превзошли по размерам собратьев в два раза. Давайте разберемся, почему. Клетки предшественники нейронов, характерные для ранних стадий развития эмбриона, изначально имеют цилиндрическую форму, это очень удобно для деления, ведь их потомки имеют такую же идентичную форму. Чем больше делятся клетки, тем их форма больше напоминает вытянутую конусовидную, как у рожка с мороженым. Эта форма для деления уже неудобна. У обезьян до приобретения клетками-предшественникам нейронов конусовидной формы проходит 5 дней, а у человека - 7 дней. Т.е. у человеческих клеток больше времени для деления, да еще и делятся они чаще. Получилось объяснить это различие и на генетическом уровне. Анализ экспрессии генов показал, что один из генов, ZEB2, отвечающий за форму и активность клеток предшественников нейронов, у обезьян включался раньше, чем у человека. Как только он включается, в эмбрионе замедляется размножение клеток-предшественников нейронов, а это значит, что у обезьян просто вырастает меньше нейронов. И если включить этого ген у обезьян позже, чем положено, то количество нейронов в органоиде начинает догонять человеческое. Разумеется, это всего лишь моделирование на мини-мозгах, однако для объяснения эволюционных процессов и всей линейки Планеты обезьян это очень ценное открытие.

Ученые сравнили частоты сверхточных атомных часов

Ученые потихоньку подбираются к переопределению секунды, которая еще в 1967 году была зафиксирована как время, равное вот такому (9192631770) количеству периодов излучения,

соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. То есть с этого времени секунду определяли по атомным часам с атомами цезия, которые испускают и поглощают свет определенной частоты. Но за последнее время в архитектуре атомных часов произошли качественные улучшения, позволяющие определить секунду еще точнее. От широко используемых микроволновых атомных часов, которые могут измерять время в секундах с точностью до 16 знака после запятой, мы переходим к оптическим атомным часам, которые лучше в 100 раз, т.е. могут дать точность в 18 знаков после запятой. Это происходит за счет возможности измерения частоты в оптическом диапазоне с большей точностью, чем в микроволновом.

Но для того, чтобы внедрить эти улучшения, необходимо убедиться, что мы умеем сравнивать между собой частоту разных часов, использующих разные атомы. С одинаковыми атомами ученые умеют справляться. Более того, сравнение частот в оптическом диапазоне нужно делать через оптоволоконный кабель, а хочется проводить калибровку в беспроводном режиме, как это можно делать с микроволновыми часами.

Ученые из коллаборации Боулдеровская оптическая сеть атомных часов (BACON (Boulder Atomic Clock Optical Network)) решили обе проблемы. Они смогли измерить отношения резонансных частот трех оптических атомных часов, причем часы на основе иттербия-171 и алюминия-27 были в одном институте, а на основе стронция-87 в другом. Их соединили при помощи четырехкилометрового оптоволокна, а часы с иттербием и стронцием еще и оптической лазерной связью по воздуху на расстоянии 1,5 километров. Вот более точная схема. Измерения проводили при помощи так называемых оптических частотных гребенок, высокоточных инструментов работающих с лазером и в волокне, и в воздухе. Их влияние на измерение было минимальным, на порядок меньше измеряемой частоты. В итоге отношения частот в атомах всех трех часов были измерены с точностью от 6 до 8 на 10 в минус 18 степени, и это на данный момент рекордная величина. Эти исследования могут внести вклад в более точную систему хронометража и, соответственно геопозиционирования, геодезии и даже, неожиданно, в поиск отклонения фундаментальных констант, что ведет за пределы Стандартной физики в области Новой физики. Эксперимент коллаборации BACON как раз наложил ограничение на взаимодействие бозонов темной материи с обычной материей.

Ученые пронаблюдали рой нанороботов внутри организма

Рой нанороботов самоорганизовался в организме мыши. Пусть нанороботы в ближайшей перспективе не сильно впечатляют, они должны лишь перемещаться и переносить грузы вроде лекарств к опухолям или пораженным органам. Ни самовоспроизводства, ни мысленного управления, но это пока. Основная проблема с ними сейчас в том, что их очень сложно отслеживать в организме. Для начала разберемся с перемещением. Нанороботы, участвующие в новом эксперименте, работают на ферментной тяге, они используют вещества в

организме, например, мочевину, которые взаимодействуют с заложенными в робота ферментами, в случае с мочевиной это уреаза. В результате химической реакции возникает реактивный поток ионов карбоната и аммония, позволяющий разогнать робота до скоростей в несколько сантиметров в час.

Для того, чтобы унести значимое количество лекарств, роботов должно быть много. И ученым важно понять, как распределяется рой внутри организма. Теперь разберемся с отслеживанием. Проблему визуализации решили с помощью ПЭТ-КТ, т.е. позитрон-эмиссионной томографии, совмещенной с компьютерной томографией. Маркерами для этого метода служат радиоизотопные метки, которые и нанесли на кремниевых нанороботов, а точнее пометили ими фермент уреазу в двигателе и золотые наночастицы в багажнике. Если в обычной чашке Петри с нанороботами присутствует только вода, то роботы остаются в пределах того объема, в который их поместили. А в воде с мочевиной, т.е. с топливом, они ведут себя как рыбы в косяке и равномерно распределяются по всей чашке. Более того, нанороботы успешно преодолевают искусственные препятствия в виде лабиринтов. Но это была лишь пристрелка методики ПЭТ-КТ для визуализации движения. Затем нанороботов внутривенно ввели в организм мыши и стали отслеживать их перемещения. Вот как это выглядело. Яркое пятно - это йод-124 - скопление нанороботов в щитовидке, остальные точки распределяются по легким, печени и другим органам и постепенно выводятся с мочой. При введении в мочевой пузырь, где топлива полно, нанороботы тоже крайне быстро распределяются по всему объему. Побочные эффекты от процедуры не наблюдались. Т.е. представьте, если подобрать нужные ферменты для двигателя, то можно адаптировать нанороботов к разным ситуациям и, например, разным типам опухолей, а затем контролируемо обрабатывать их, причем наблюдая в режиме реального времени. Звучит не мега-фантастично, но весьма хорошо.

Ученые выяснили, почему зубы болят от холода

Если вдруг кто-то из вас, дорогие зрители, никогда не испытывал острую, челюстеломную, ни с чем не сравнимую зубную боль от холодного напитка или укуса мороженого, я вам искренне завидую. Все еще впереди.

Причина, по которой игла боли впивается в нерв, на первый взгляд ясна - повреждение верхнего защитного слоя зуба. Но как сигнал передается к нервам - оставалось загадкой. Это всё TRPC5. Теперь так нужно говорить при холодной зубной боли.

Около десяти лет назад ученые обнаружили, что клетки, производящие белок TRPC5, чувствительны к холоду. Когда становится морозно, в клетках периферической нервной системы этот белок открывает канал, позволяющий ионам преодолевать клеточную мембрану, фактически он позволяет передачу нервного импульса.

Под защитной нечувствительной эмалью в зубе расположен слой дентина, испещренный каналами. Под твердым дентином расположена пульпа, содержащая в себе одонтобласты, клетки, формирующие дентин, и нервы. Кстати, именно нервное сплетение Рашкова дарит нам те самые незабываемые ощущения. Ранее основная теория зубной боли от холода заявляла, что температурные колебания создавали давление на жидкость в каналах дентина, и она уже передавала сигнал в нервы зуба.

В последовавших экспериментах ученые использовали генетически модифицированных мышей с отключенным ионным каналом TRPC5. Они хотели узнать, будут ли их поврежденные зубы также реагировать на холод, как у обычных мышей. Все правильно, такие мыши будто не чувствовали боли, как будто сидели на сильных обезболах.

Кстати, ученые порылись в человеческих зубах и подтвердили, что в них тоже есть этот ионный канал, из чего последовал вывод, что у людей именно он отвечает за болевые ощущения от холода. Сюрприз заключался в том, что TRPC5 активен в одонтобластах, тех клетках, которые производят дентин, и не отвечают вообще-то за передачу ощущений. Но что есть, то есть, холод, проникающий по каналам в дентине, заставляет одонтобласты открывать ионный канал и передавать сигнал в пучки нервов.

Кстати, есть лекарство, эвгенол, применяемое в стоматологии и воздействующее на TRPC5 канал.

Свою первую известную на весь мир теорию Эйнштейн назвал Специальной теорией относительности. Она была специальной, так как имела дело с постоянными скоростями. Чтобы примирить ее с реальным миром, в котором объекты постоянно ускоряются и замедляются, ему было необходимо исследовать последствия своей теории, когда речь заходила об ускорении. Эта попытка обобщить и учесть все общие феномены привела к открытию отношения между временем и гравитацией. Эйнштейн назвал свою новую теорию Общей теорией относительности.

Ньютон считал, что поток времени похож на стрелу. Оно непоколебимо движется только в одну сторону — вперед. Эйнштейн предположил, что время изменяется обратно пропорционально скорости. И благодаря своей текучести, подобно пространству, оно «заслуживало» собственного измерения. Более того, Эйнштейн утверждал, что пространство и время представляют собой единое целое — гибкую четырехмерную ткань, на которой происходят все события Вселенной. Он так и назвал это — ткань пространства-времени. Когда физик опубликовал свою работу со всеми ее выводами, ее встретили с недоверием.

Согласно Общей теории относительности, вещество растягивает и сжимает ткань пространства-времени. Получается, что объекты не притягиваются к центру Земли каким-то таинственным образом, а скорее, наоборот, подталкиваются искривленным пространством вокруг себя. Подобно склону, искривление пространства-времени ускоряет объекты, движущиеся вниз, хотя степень этого ускорения не всегда одинакова. Сила гравитации возрастает с приближением к поверхности Земли, где искривление интенсивнее.

История Вселенной на стреле времени / © NASA/GSFC

Если сила гравитации возрастает при движении вниз, объект свободно упадет в точку Б на поверхности быстрее, чем в точку А на большей высоте. Согласно Специальной теории относительности, время для свободно падающего объекта в точке Б должно идти медленнее относительно объекта в точке А из-за того, что скорость объекта в точке Б выше.

Что такое время

Какое время верное? Эйнштейн постулировал, что абсолютного времени нет. Время относительно в зависимости от системы сил, которым оно подвергается. Формально это называется системой отсчета. Время, протекающее в рамках вашей системы, называется собственным временем. Если законы движения должны быть одинаковыми для всех наблюдателей, независимо от их движения, то время должно замедляться. То есть чем быстрее вы движетесь, тем медленнее ваши часы тикают относительно других часов. Именно об этом героиня Энн Хэтэуэй говорила персонажу Мэтью МакКонахи в «Интерстелларе» после спуска на далекую планету: «Один час на этой планете равен семи земным годам».

Итак, является ли наблюдение замедленного времени ограничением нашего примитивного неврологического строения или же время действительно замедляется? И что вообще означает замедление времени? В итоге это приводит нас к вопросу: что есть время? Это не просто вопрос, который задают друг другу студенты философского факультета за бокалом пива. Понятие времени озадачивало натурфилософов и физиков с незапамятных времен.

Главная функция времени — отслеживание хронологии событий. Однако вплоть до последних 400 лет люди определяли время, основываясь на предположении, что звезды движутся вокруг Земли, а не наоборот. Несмотря на это, все работало до определенной степени приемлемо — из-за того, что дни и времена года предсказуемо повторялись, а когда у вас есть что-то предсказуемо повторяющееся, то есть и механизм для отслеживания времени.

Галилео использовал рекурсивную природу такого механизма для вычисления движения. Описание движения было бы невозможным без какого-либо обозначения времени. Но это время никогда не было абсолютным. Даже когда Ньютон формулировал свои законы движения, он использовал понятие времени, в котором две пары часов тикают синхронно не с абсолютным, независимым временем, а друг с другом. Синхронизация — причина, по которой человечество соорудило такие сложные и точные атомные часы.

Понятие времени построено на одновременности или решающем совпадении двух событий — вроде прибытия поезда и уникального совпадения стрелок часов в этот момент. Теория Эйнштейна утверждает, что на это должно влиять движение. Если два наблюдателя на платформе и поезд не могут прийти к единому мнению о том, что одновременно, они не могут прийти к согласию о том, как течет само время.

Движение искажает время

Чтобы понять влияние движения на предсказуемость, рассмотрим простейший механизм для отсчета времени. Представьте себе аппарат для отслеживания времени, состоящий из фотона, который отражается между двумя зеркалами, расположенными на конечном расстоянии друг от друга. Пусть за период отражения фотона проходит одна секунда. Теперь расположим два таких аппарата в точках А и Б над поверхностью Земли и прямо на ней (как в примере, описанном выше) и посмотрим, как они отсчитывают время, когда мимо них проносится свободно падающий объект. В свою очередь, этот объект измеряет собственное время при помощи таких же часов. Что они покажут?

Наблюдение отражения фотона между двумя движущимися зеркалами похоже на наблюдение теннисного мяча, прыгающего по движущемуся поезду. Даже если мяч отскакивает перпендикулярно для кого-то в поезде, для неподвижного наблюдателя снаружи он описывает треугольники.

Эксперимент с падающими часами / © Science ABC

При движении аппарата вперед кажется, что фотон, подобно мячу, преодолевает большее расстояние после отражения. Получается, один результат нашего эксперимента искажен! Более того, чем быстрее движется аппарат, тем больше фотону нужно времени для отражения, тем самым растягивается и длительность секунды. Именно поэтому ход времени в точке Б оказывается медленнее, чем в точке А (вспомним: из-за гравитации объект падает в точке Б быстрее, чем в точке А).

Конечно, эта разница ничтожна. Разница между временем, измеренным часами на вершинах гор и на поверхности Земли, — всего несколько наносекунд. Тем не менее открытие Эйнштейна стало настоящим прорывом. Гравитация действительно мешает ходу времени, а значит, чем массивнее объект, тем медленнее время течет вблизи него. Некоторые физики даже делают оговорку о том, что все объекты во Вселенной будто чувствуют это и стараются падать туда, где время идет медленнее, из мест, где время идет быстрее.

Гравитационное поле Земли и GPS-спутник / © NASA

Ноги моложе головы

Сегодня гравитационное замедление времени не только известный феномен из области теоретической физики, но и практический инструмент. Благодаря открытию Эйнштейна и его уравнениям, у нас есть такая замечательная вещь, как GPS-навигация, которая не смогла бы работать так точно, если бы не была учтена разница между ходом времени на поверхности Земли и ходом времени на околоземной орбите. Гравитационное замедление времени также помогает физикам-теоретикам и астрофизикам строить точные теории о том, что происходит в далеком космосе вблизи объектов, к которым мы пока не можем подобраться физически (например, черные дыры и нейтронные звезды). И да, учитывая этот феномен, получается, что ваши ноги — пусть и бесконечно незначительно — младше вашей головы.

Источник: Naked Science

Читайте также:

– Живем ли мы в голограмме;

– Что такое информационный парадокс черных дыр;

– Расширяется ли Вселенная быстрее скорости света.