Новости

Ученые Южно-Уральского государственного университета в рамках Проекта 5-100 создали новейшую программу по оптимизации структуры фотонных кристаллов. Программа позволяет решить задачу по оптимальному расположению атомов и ускорить процесс создания «идеального» фотонного кристалла.

Трехмерная периодическая структура с периодом около 3 мкм
Фото с электронного микроскопа НОЦ «Нанотехнологии» ЮУрГУ
(c) Виктория Матвейчук

Научная группа во главе с профессором кафедры оптоинформатики физического факультета Института естественных и точных наук ЮУрГУ Юрием Микляевым занимается исследованиями фотонных кристаллов уже много лет. Фотонные кристаллы способны не только заменить традиционные элементы оптических систем и дорогостоящие редкоземельные металлы, но и стать основой для фотонных интегральных схем – элементов суперкомпьютера будущего, а, следовательно, прорывом в четвертой научно-технической революции. В соавторстве с Денисом Пихулей им была написана программа «Оптимизация структуры фотонных кристаллов методом локализации мод в соответствующей им среде».

«Создание трехмерных фотонных кристаллов можно условно разделить на несколько этапов, — рассказывает Юрий Микляев – На первом этапе работают физики-теоретики и программисты. Их задача придумать такую структуру, которая будет наиболее эффективно выполнять функцию фотонного кристалла, т.е. пропускать или не пропускать свет в определённом направлении. Создается компьютерная программа, которая просчитывает миллионы вариантов. В ЮУрГУ для решения таких сложнейших задач мы используем мощности суперкомпьютера, что позволяет добиться значительных результатов. Итогом такой кропотливой работы стало создание новой программы для решения задачи по оптимальному расположению атомов фотонного кристалла».

В данный момент в Южно-Уральском государственном университете, вузе-участнике программы повышения международной конкурентоспособности ведущих российских вузов, идёт интенсивное изучение свойств фотонных кристаллов, разработка теоретических методов их исследования, разработка и исследование различных устройств с фотонными кристаллами, а также практическая реализация теоретически предсказанных в них эффектов.

«Фотонные кристаллы – понятие, которое появилось в науке более 40 лет назад, — поясняет ученый ЮУрГУ. – Теоретически было доказано, что, управляя структурой разных материалов, придавая ей определенную форму, можно добиться уникального управления электромагнитной волной, которая распространяется в этой среде. Простыми словами фотонным кристаллом называется материал, который может управлять электромагнитной волной и привести к образованию некоего фильтра — фотонной запрещённой зоны».

Благодаря своим замечательным свойствам фотонные кристаллы предоставляют качественно новые возможности управления световыми потоками. На основе фотонных кристаллов создаются и разрабатываются оптические фильтры, волноводы (в частности, в волоконно-оптических линиях связи), устройства, позволяющие осуществлять управление тепловым излучением.

С фотонными кристаллами связывают будущее современной электроники. Идеология фотонных структур лежит в основе создания беспороговых полупроводниковых лазеров, лазеров на основе редкоземельных ионов. Материалы нового поколения позволят создавать оптические микросхемы по «образу и подобию» элементов полупроводниковой электроники, а принципиально новые способы передачи, хранения и обработки информации, отрабатываемые сегодня на фотонных кристаллах, найдут применение в полупроводниковой электронике будущего.

Программа «Оптимизация структуры фотонных кристаллов методом локализации мод в соответствующей им среде» уже получила свидетельство о регистрации, но ученым предстоит решить еще немало сложных задач. Для разработки высококачественных фотонных кристаллов необходим материал с определённым показателем преломления, в том числе, алмаз и диоксид титана. Изготавливать из них произвольные структуры, особенно трёхмерные, очень сложно, иногда невозможно. Однако учёные ЮУрГУ продолжают искать способы преодолеть препятствия, поставленные природой.

Источник: «Проект 5-100»

Ученые из Московского физико-технического института и университета Тохоку (Япония) смогли объяснить парадоксальное явление взаимного уничтожения частиц и античастиц в графене, которое известно специалистам как Оже-рекомбинация. Долгое время оно считалось запрещенным фундаментальными физическими законами сохранения импульса и энергии, но упорно наблюдалось в экспериментах.  Теоретическое обоснование этого процесса представляло до недавнего времени одну из сложнейших загадок физики твердого тела. Результаты исследования опубликованы в журналеPhysical Review B, кратко о них рассказывает пресс-релиз МФТИ.

Схематическое изображение двух сценариев исчезновения частицы-электрона (синий) и античастицы-дырки (красная) в графене. В процессе излучательной рекомбинации (слева) энергия, выделяющаяся при взаимном уничтожении, улетает в виде порции света — фотона. При Оже-рекомбинации (справа) эту энергию подхватывает пролетающий мимо электрон. Оже-процесс губителен для полупроводниковых лазеров, так как забирает на себя энергию, которую можно было бы высвободить в свет. Долгое время считалось, что Оже-процесс в графене запрещен законами сохранения импульса и энергии.

В 1928 году Поль Дирак теоретически предсказал, что у электрона существует двойник, не отличающийся ничем, кроме знака электрического заряда. Эту частицу, названную позитроном, вскоре открыли экспериментально. Спустя несколько лет ученые осознали, что носители заряда в полупроводниках — кремнии, германии, арсениде галлия и многих других — также ведут себя подобно электронам и позитронам. Так, в полупроводниках есть два типа носителей с противоположным зарядом (их называют электронами и дырками), и они могут взаимно уничтожаться (рекомбинировать) с высвобождением избытка энергии. Рекомбинация электрона и дырки с излучением света составляет принцип работы полупроводникового лазера, основного прибора современной оптоэлектроники.

Излучение света является не единственным возможным исходом при столкновении электрона и дырки в полупроводниках. Часто освобождающаяся энергия может быть потеряна на раскачку соседних атомов или подхвачена пролетающим мимо электроном. Последний процесс называется Оже-рекомбинацией и является главным «киллером» электрон-дырочных пар в лазерах. Он назван в честь Пьера Оже, французского физика, исследовавшего эти процессы. Разработчики лазеров стремятся усилить вероятность излучения света при столкновении электрона и дырки и ослабить все другие процессы.

Огромным воодушевлением для оптоэлектроники полупроводников было предложение использовать графен в качестве материала для полупроводниковых лазеров, высказанное выпускником МФТИ Виктором Рыжим. По изначальной теоретической идее, Оже-рекомбинация в графене должна быть запрещена законами сохранения импульса и энергии. Математически эти законы сохранения выглядят схожим образом для электрон-дырочных пар в графене и для электрон-позитронных пар в оригинальной теории Дирака. Запрет же рекомбинации электрона и позитрона с передачей энергии третьей частице был известен очень давно.

Однако в графене эксперименты упорно демонстрировали быстрое взаимное исчезновение частиц и античастиц, электронов и дырок. По всем внешним проявлениям это исчезновение шло по сценарию Оже. Более того, время исчезновения пар в эксперименте составляло менее пикосекунды, и это в сотни раз быстрее, чем в используемых сейчас оптоэлектронных материалах. Эксперимент предрекал огромные трудности в реализации лазера на основе графена.

Исследователи из МФТИ и Тохоку выяснили, что запрещенное классическими законами сохранения исчезновение электронов и дырок в графене разрешается в квантовом мире благодаря соотношению неопределенностей «время — энергия». Согласно ему, закон сохранения можно нарушить на величину, обратно пропорциональную времени свободного пробега частицы. А время свободного пробега электрона в графене является довольно коротким, так как электроны представляют собой плотную «кашу». В современной квантовой физике существует мощный метод неравновесных функций Грина, который позволяет систематически учесть неопределенность энергии частицы. Этот метод и был применен авторами работы для расчетов вероятности Оже-процесса в графене. Результаты показали хорошее согласие с экспериментальными данными.

«Эта задача была вначале похожа на математическую головоломку, а не на обычную физическую проблему, — рассказывает Дмитрий Свинцов, руководитель лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, — Привычные законы сохранения разрешают рекомбинацию только если все три частицы — участницы процесса движутся строго в одну сторону. Вероятность такого события — как отношение объема точки к объему куба, она стремится к нулю. К счастью, мы вовремя перешли от абстрактной математики к квантовой физике, где частица не имеет строго определенной энергии. И тогда вероятность процесса оказалась конечной и достаточной для экспериментального наблюдения».

Работа не только объясняет возможность запретного процесса Оже-рекомбинации, но и указывает условия, при которых он вновь будет слабым. Этот факт делает актуальной идею лазеров на основе графена. При быстром «сгорании» частиц и античастиц в экспериментах с графеном электроны и дырки нагреваются до сверхвысоких температур, а в лазерах можно использовать носители с малой энергией, которые, согласно расчетам, живут дольше. Первые экспериментальные свидетельства лазерной генерации были тем временем получены в университете Тохоку, Япония.

Важно, что метод расчета времени «сгорания» электронов и дырок, развитый в работе, не ограничен графеном. Он применим к целому семейству так называемых «дираковских материалов», в которых поведение носителей заряда подобно электронам и позитронам из ранней теории Дирака. По предварительным расчетам, много большего времени жизни носителей — а значит, и более эффективной лазерной генерации — можно достичь в квантовых ямах из теллурида кадмия-ртути, где законы сохранения для Оже-рекомбинации получаются «более строгими».

Работа была поддержана грантом Российского научного фонда.

Источник: polit. ru

РИА Новости. Необычный химический состав «сердца» Плутона указывает на то, что эта планета могла возникнуть при слиянии огромного множества комет и других малых небесных тел, заявили астрономы в статье, опубликованной в журнале Icarus.

© NASA

«Мы разработали новую теорию формирования Плутона, «гигантскую кометную модель».  Она опирается на простое наблюдение – его «сердце» содержит в себе ровно столько азотного льда, сколько должно было присутствовать на планете, если бы она была слеплена из миллиарда малых небесных тел, похожих на комету Чурюмова-Герасименко», — заявил Кристофер Глейн (Christopher Glein) из Юго-западного исследовательского института в Сан-Антонио (США).

Когда зонд New Horizons сблизился с Плутоном и его семьей спутников в июне прошлого года, первой и самой необычной чертой его поверхности, которая была открыта учеными, стало знаменитое «сердце» Плутона, равнины Спутника, окрашенного в более светлый тон, чем вся остальная поверхность карликовой планеты.

Дальнейшее изучение данных с автоматической станции показало, что это «сердце» обладает сложной структурой. К примеру, выяснилось, что оно состоит из двух половинок с разным химическим составом, и что в нижней части «сердца» доминируют водяные льды, а его поверхность покрывают более мягкие и текучие льды из замороженного азота и угарного газа. Подобная структура «сердца», а также его необычное положение на экваторе Плутона, заставили ученых гадать, как оно могло сформироваться.

Сегодня, как отмечает Глейн, существует несколько теорий, объясняющих существование этой загадочной структуры тем, что Плутон относительно недавно столкнулся с крупным астероидом, что привело к серии крайне необычных изменений климата, в результате которых большая часть атмосферы планеты превратилась в лед и заполнила эту вмятину.

Глейн и его коллеги выяснили, что это может быть не так, пытаясь оценить общую массу азотного льда на Плутоне и раскрыть историю его попадания на планету, анализируя данные, собранные  New Horizons и Розеттой, его европейской «сестрой», изучавшей комету Чурюмова-Герасименко в 2014-2016 годах.

Как показали их расчеты, на Плутоне сегодня присутствует около 420 квадрильонов тонн азота. Это заметно больше «нормы» для той части Солнечной системы, где предположительно он возник, учитывая то, что за все время своего существования планета потеряла в 20 раз больше газа, чем сегодня присутствует в ее атмосфере.

Пытаясь найти ответ на этот вопрос, Глейн и его команда обратили внимание на два интересных факта, объединяющих Плутон и комету Чурюмова-Герасименко – они обладают фактически идентичной плотностью и химическим составом. Это натолкнуло их на мысль, что «стройблоки» Плутона сформировались не на его текущей орбите, а были завезены с окраин Солнечной системы, из облака Оорта, где родились фактически все существующие сегодня кометы.

По их расчетам, для формирования Плутона потребовалось около миллиарда подобных объектов  размером с комету Чурюмова-Герасименко, что маловероятно, но возможно, учитывая «плотность населения» в ранней Солнечной системе и то, как на кометы могли влиять мигрирующие планеты-гиганты.

Подобный «кометный» сценарий рождения планеты, как отмечает Глейн, автоматически решает многие странности, связанные с химическим составом Плутона – к примеру, отсутствие в его недрах значительных запасов угарного газа и намеки на то, что в его недрах существует гигантский океан из жидкой или полузамерзшей воды.

Более точный ответ на этот вопрос, по его словам, можно будет получить в том случае, если ученые смогут измерить доли изотопов азота, водорода и количество аргона в атмосфере Плутона. Это станет возможным только в том случае, если НАСА, ЕКА или другие космические агентства отправят еще один зонд к нему в ближайшие годы, заключают авторы статьи.

Источник: РИА Новости

Российские ученые обнаружили в клеточных мембранах одноклеточных организмов структуры, которые раньше встречались только у высших животных. В дальнейшем открытие может помочь решить проблему потенциально токсичных морских одноклеточных микроорганизмов. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ), их результаты опубликованы в журнале Scientific Reports. Кратко о работе сообщается в пресс-релизе РНФ.

Открытие даст возможность предсказать некоторые свойства еще не охарактеризованных экспериментально ионных каналов простейших, например, динофлагеллятов
© CSIRO

Ионные каналы – это белки, встроенные в клеточные мембраны всех живых организмов и действующие как своеобразные поры. Они открываются на всевозможные стимулы и пропускают различные ионы через мембрану клетки. Ионные каналы принимают участие во всех важнейших процессах как у одноклеточных, так и у многоклеточных организмов. Отдельные части ионного канала, называемые домены, выполняют различные функции: структурные, регуляторные, стабилизирующие. В составе различных ионных каналов бывает разное количество доменов. Например, в проведении нервных импульсов у животных участвуют четырехдоменные каналы.

Ранее считалось, что четырехдоменные каналы характерны в первую очередь для высших многоклеточных организмов. С помощью же методов биоинформатики ученые из Института цитологии РАН в Санкт-Петербурге выявили такие каналы у целого ряда одноклеточных эукариот (клетки, имеющие в своем составе ядро) и показали, что некоторые группы простейших, например инфузории, имеют большое число различных четырехдоменных каналов.

«На основании того, что четырехдоменные каналы встречаются в эволюционно далеких группах эукариот (например, у человека и зеленой одноклеточной водоросли хламидомонады, у дрожжей и инфузории-туфельки), можно с уверенностью сказать, что такие каналы появились еще у общего предка человека и простейших, то есть на заре эволюции всех эукариот», – рассказал первый автор статьи, один из основных исполнителей проекта РНФ, младший научный сотрудник лаборатории одноклеточных организмов Института цитологии РАН Илья Поздняков.

Авторы исследования также выдвинули предположения о свойствах, которыми могли обладать четырехдоменные ионные каналы общего предка всех эукариотических организмов миллионы лет назад. Оказалось, что многие из них совершенно аналогичны механизмам ионного обмена в клетках человека и других животных.

«Эти каналы обладали сенсорами напряжения и поэтому могли открываться в ответ на изменение потенциала мембраны. Именно это свойство играет ключевую роль в функционировании нашей нервной системы. Кроме того, предковые четырехдоменные каналы были способны пропускать ионы кальция, играющие важную роль во внутриклеточной сигнализации всех современных организмов», – дополняет соавтор статьи, младший научный сотрудник лаборатории одноклеточных организмов Института цитологии РАН Ольга Матанцева.

Исследователи сообщают, что открытие не только поможет лучше понять эволюцию очень важных для клеток молекулярных комплексов, но и даст возможность предсказать некоторые свойства еще не охарактеризованных экспериментально ионных каналов простейших, в том числе микроорганизмов из такой социально и экологически значимой группы, как динофлагелляты. Эти организмы играют важную роль в морской экосистеме, являясь, по сути, низшим звеном пищевой цепочки. Динофлагелляты также способны образовывать опасные для рыб и человека токсины.

«Наш проект РНФ направлен на получение новых знаний о физиологии динофлагеллят, необходимых, чтобы разобраться в том, каким образом регулируется их численность в природе и какие факторы среды запускают их неконтролируемое размножение, приводящее к «цветению воды» и вредоносным красным приливам, а также стимулируют производство ими токсичных веществ. Исследования ионных каналов являются необходимым этапом на пути к решению поставленных задач», – отметил соавтор статьи, руководитель проекта, заведующий лабораторией цитологии одноклеточных организмов Сергей Скарлато.

Источник: polit .ru

РИА Новости. Необычная пара из коричневого карлика и пульсара помогла ученым впервые увидеть ту область над поверхностью «мертвой» нейтронной звезды, где рождаются их знаменитые пучки радиоволн, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.

Так художник представил пульсар-«черную вдову» и ее жертву – коричневого карлика
© Dr. Mark A. Garlick; Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics, University of Toronto

«Газ, перетянутый пульсаром с поверхности коричневого карлика, играет роль своеобразной линзы, которая была установлена природой прямо перед нейтронной звездой. Эта космическая лупа помогла нам рассмотреть каждый из двух регионов, где рождаются радиосигналы пульсара», — заявил Роберт Мэйн (Robert Main) из университета Торонто (Канада).

Загадки черной вдовы

Пульсары представляют собой особый вид нейтронных звезд, остатков взорвавшихся сверхновых, от полюсов которых исходят узкие пучки радиоволн. Обычно «новорожденные» пульсары вращаются очень быстро и постепенно замедляются, расходуя на излучение собственную энергию.

Ученые давно спорят о том, где именно зарождаются эти импульсы радиоизлучения. Часть астрофизиков полагает, что они возникают у самой поверхности мертвых светил, а другие думают, что они возникают в их магнитосфере на достаточно большой высоте от их поверхности, у так называемого светового цилиндра.

Проверить эти теории раньше было практически невозможно. Типичная нейтронная звезда обладает диаметром  примерно в 20 километров, а размер светового цилиндра составляет несколько тысяч километров. Их невозможно рассмотреть  даже при помощи самых мощных обсерваторий, включая российскую наземно-космическую обсерваторию «РадиоАстрон», крупнейший телескоп мира из книги рекордов Гиннесса.

Мэйну и его коллегам удалось решить эту космическую загадку благодаря помощи самих сил природы, создавших крайне необычную звездную систему B1957+20, которую астрономы сегодня называют «Черной Вдовой».

В ней обитает относительно крупная нейтронная звезда, чья масса превышает солнечную в 1,6-2 раза, и относительно небольшой коричневый карлик – «неудавшееся» светило, чьей массы не хватило для запуска термоядерных реакций в ее недрах. Пульсар и карлик отделяет очень небольшое расстояние, благодаря чему «мертвая звезда» постоянно перетягивает на себя его материю.

Космическая лупа

О существовании этой «Черной Вдовы» ученые знают уже более полувека, однако она не привлекала особого внимания до настоящего времени, когда за ней не начала наблюдать команда Мейна, используя «Аресибо», один из крупнейших радиотелескопов мира  в Пуэрто-Рико.

Анализируя данные, собранные его радиотарелкой, астрофизики заметили, что яркость B1957+20 периодически резко повышалась примерно в 80 раз, и затем столь же быстро падала. Сопоставив эти всплески с тем, где находились половинки «Черной Вдовы», ученые обнаружили, что это происходило в те моменты, когда коричневый карлик готовился заслонить пульсар.

В это время, как предполагают Мэйн и его коллеги, излучение нейтронной звезды проходит через облако плазмы, которое  было «выдрано» притяжением пульсара из недр коричневого карлика. Этот газ взаимодействует с радиоволнами, усиливая и «растягивая» их.

Ученые воспользовались этим эффектом для того, чтобы получить первые фотографии окрестностей пульсара и измерить высоту тех точек, где рождаются пучки радиоволн. Их замеры показали, что эти вспышки возникают на небольшой высоте от поверхности звезды, около 20 километров, что заметно ниже, чем пролегает нижняя граница «светового цилиндра».

«Многие черты этих вспышек похожи по своей структуре на особенности так называемых сверхбыстрых радиовсплесков, «сигналов инопланетян». Вполне возможно, что эти загадочные радиосигналы порождаются подобными «черными вдовами» или другими плазменными линзами в нашей Галактике», — заключает Мэйн.

Источник: РИА Новости

Генетики из Китайской академии наук и Университета Пердью при помощи инструмента CRISPR/Cas-9изменили ряд генов в рисовых растениях и увеличили не только высоту ростков, но и объем урожая.

В своей работе исследователи ориентировались на абсцизовую кислоту, которая контролирует рост побегов и отвечает за стрессовые реакции. На нее влияет так называемый гормон стресса — пирабактин, который зависит от группы генов, носящих общее название PYL. Ученые провели несколько экспериментов, в которых меняли PYL1, PYL2, PYL3, PYL4, PYL5, PYL6 и PYL12 вместе и по отдельности.

Лучше всех себя показала группа с отредактированными генами pyl1/4/6. Специалисты выращивали ее в разных условиях: в Шанхае и провинции Хайнань. В первом случае приток урожая увеличился на 25 процентов по сравнению с обычными растениями, во втором — на 31 процент.

Глава исследования Цзянь-Кан Чжу (Jian-Kang Zhu) объяснил, чем поможет их работа в будущем:

«Если наше открытие справедливо для тех сортов риса, которые сейчас используют фермеры, то это значительно увеличит их урожай. А это, в свою очередь, поможет произвести больше зерен и накормить больше людей».

Источник: naked-science .ru

 

РИА Новости. Генетики сравнили ДНК человека и пяти миллионов животных и не нашли различий в уровне генетического разнообразия между ними, что говорит о относительно недавнем появлении большинства «текущих» видов живых существ, говорится в статье, опубликованной в журнале Human Evolution.

© Leonard Darwin

«Как часто говорят сегодня, культура, жизненный опыт и другие вещи могут делать людей очень разными по сравнению друг с другом, однако с точки зрения биологии мы ничем не отличаемся по уровню генетического разнообразия от тех же птиц. Новые технологии помогли нам опровергнуть миф об исключительной природе человека», — заявил Марк Стокле (Mark Stoeckle) из университета Рокфеллеров в Нью-Йорке (США).

В последние годы, благодаря появлению новых технологий расшифровки ДНК, среди ученых заново разгорелся спор о том, что следует считать «видом животных», как возникают новые виды и как могут быть устроены связи между ними. Они были связаны с тем, что анализ ДНК многих хорошо изученных животных показал, что они на самом деле представляют собой не один, а иногда пять и более отдельных видов. К примеру, недавно ученые обнаружили, что на острове Борнео живет не два, а три вида орангутангов.

Эти споры особенно ожесточенно ведутся вокруг природы человека – являемся ли мы «особыми» живыми существами, чья эволюция и генетическое разнообразие принципиально отличаются от того, как развиваются животные, и чем являются этнические и расовые группы людей. Многие из этих вопросов выходят за пределы науки и становятся частью политической дискуссии.

Стокле и его коллега Дэвид Талер (David Thaler) из университета Базеля (Швейцария) выяснили, что человек ничем не отличается от животных в этом отношении, что позволяет применять те же методы для изучения этих проблем, вычислив типичный уровень генетического разнообразия среди 100 тысяч видов животных, птиц и других живых существ.

В этом анализе генетике опирались на так называемую митохондриальную ДНК. Она представляет собой небольшую часть генома всех многоклеточных живых существ, которая содержится в митохондриях, энергостанциях клеток, и передается только по материнской линии. Мутации в мтДНК появляются медленно, что позволяет отслеживать родственные связи между видами и оценивать уровень разнообразия внутри них.

Как показало сравнение мтДНК людей, каждый человек в среднем отличается от другого на 0,1%, что является достаточно небольшой цифрой по меркам этой части генома. Что интересно, абсолютно такой же показатель характерен для большинства из 100 тысяч видов животных, которые были изучены Стокле и Талером.

Подобный результат, как отмечает Стокле, сильно удивил его – ученые считали, что большие размеры человеческой популяции должны были сделать нас более разнообразными с генетической точки зрения, чем животные. Этого не произошло, что говорит о том, что уровень разнообразия зависит лишь от времени существования вида и того, переживал ли он почти полное вымирание в недавнем прошлом.

Все это,  в свою очередь, свидетельствует о том, что большинство современных видов животных «живет » на Земле почти столько же времени, как и человек – около 100-200 тысяч лет. Это, как подчеркивают ученые, не означает, что они возникли из ниоткуда – просто их предки пережили какое-то катастрофическое событие, резко уменьшившее размеры популяции и послужившее причиной формирования нового вида.

Подобный механизм рождения новых видов, по словам Стокле, позволяет ученым обойти две главных проблемы эволюции – вопрос существования «переходных форм», поставленный еще Дарвином, и гибридизации «новых» и «старых» видов.

«С точки зрения генетики, животных и человека с точки зрения генетики нельзя назвать чем-то «размазанным и нечетким». Наше исследование показывает, что каждый вид является своеобразным «островом в генетическом океане». Он имеет очень четкую и небольшую позицию на этой карте, подобно тому, как каждый город имеет свой код для набора телефона номера. Или же, если мы представим, что каждый индивид – это звезда, то галактики будут видами животных, зонами скопления огромного числа светил в пустом генетическом пространстве», — заключает Талер.

Источник: РИА Новости

РИА Новости. Ученые из проекта OPERA заявили об открытии десятого превращения мюонного нейтрино в тау-нейтрино и закрыли последний пробел в изучении их свойств, точно измерив особый «заряд», отличающий тау-нейтрино от тау-антинейтрино. Их выводы были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

© Fotolia / AbstractUniverse

«Мы повторно изучили все данные, собранные нашими детекторами, используя абсолютно новую методику анализа, учитывающую то, как «выглядят» подобные превращения. Нам удалось также измерить лептонное число тау-нейтрино, параметр, отличающий их от их «близнецов»-антинейтрино», — заявил Джованни де Леллис (Giovanni de Lellis), официальный представитель коллаборации OPERA.

Детектор OPERA, установленный в подземной итальянской лаборатории Гран-Сассо в Альпах, начал работу в 2008 году и закончил в 2012 году. Он фиксирует поток нейтрино, идущий к нему сквозь 730-километровую толщу горных пород от ускорителя в ЦЕРНе. Цель детектора: обнаружить осцилляции нейтрино, способность частиц «переключаться» между тремя типами: электронными, мюонными и тау-нейтрино.

Способность нейтрино к осцилляциям возможна только в том случае, если эта частица имеет ненулевую массу. От наличия массы у нейтрино зависят оценки массы Вселенной, а значит представления о ее дальнейшей судьбе. Кроме того, ненулевая масса нейтрино может объяснить тот факт, что Вселенная состоит из материи, а антиматерии в ней практически нет, хотя в момент Большого взрыва должны были возникнуть равные количества того и другого.

От ЦЕРНа в Гран-Сассо идет поток мюонных нейтрино, и если детектор замечает появление в их потоке тау-нейтрино, это означает, что превращение действительно произошло. Возможность этого была официально доказана только в июне 2015 года, когда ученые обнаружили следы пятого подобного превращения в данных, собранных OPERA.

Это открытие, как отмечал еще тогда де Леллис, только доказывало существование нейтринных осцилляций, но не позволяло физикам раскрыть его свойства и понять, что отличает тау-нейтрино от их антиподов-антинейтрино.

Для ответа на эти вопросы физикам из ЦЕРН пришлось разработать новую методику поиска этих «неуловимых» частиц в данных с детекторов OPERA. Если раньше ученые искали их «вслепую», то теперь, благодаря прошлым открытиям следов тау-нейтрино, им удалось выделить несколько характерных черт, отличающих их от других частиц.

К примеру, столкновения тау-нейтрино с ядрами атомов порождают тау-лептоны с определенной энергией и очень четко выверенным направлением движения, что позволяет находить их следы по распадам подобных тяжелых «кузенов» электрона внутри детекторов установки OPERA.

Как отмечают физики, изначально они ожидали увидеть не пять, а примерно семь подобных событий. В реальности их было значительно больше –  де Леллису и его коллегам удалось зафиксировать сразу десять случаев рождения тау-нейтрино. Это повысило статистическую значимость открытия подобных «перерождений» до шести сигма, что соответствует одной ошибке на миллиард попыток, и позволило ученым измерить лептонное число тау-нейтрино.

Под этим словом физики понимают особую квантовую характеристику, которая отличает античастицы от частиц обычной материи, к примеру, позитрон и электрон, и которая отвечает за «знак» заряда частиц, возникающих при взаимодействии электронных, мюонных и тау-нейтрино и атомных ядер. Эксперименты на OPERA показывают, что тау-нейтрино обладают тем лептонным числом — ноль, которое предсказывается стандартной моделью физики, что в очередной раз заставляет ученых гадать о том, откуда у нейтрино берется масса и куда пропала вся антиматерия Вселенной.

Источник: РИА Новости

Статус новооткрытого южноафриканского Homo naledi остаётся загадочным. Уникальная мозаика особенностей сбивает исследователей с толку. Маленькие мозги вместе с маленькими зубами, современные пропорции пальцев кисти при огромной кривизне этих же пальцев, обезьянья грудная клетка и современные ноги – такого странного сочетания пока ещё не находили. Пока нет новых находок, явно нужны новые подходы к имеющимся признакам. В новой статье учёные обратили свой взор на пару черт мозга наледи.

Эндокраны, слева направо: Шимпанзе, современный человек,
австралопитек седиба MH1, наледи DH3
Иллюстрация из обсуждаемой статьи

От удивительных троглодитов сохранилось немало фрагментов черепов, в новом исследовании было задействовано семь из них. Все они неполны, но взаимно дополняют друг друга, а поскольку удивительно похожи – как с конвейера – то возможна весьма достоверная общая реконструкция. Впрочем, всё это было сделано скорее из любви к искусству, поскольку в реальной работе был задействован почти исключительно лишь один череп – DH3.

Главное внимание учёные обратили на тонкости строения лобной доли. Шимпанзиная лобная доля в сравнении с человеческой сплющена и сужена, а её нижняя часть выступает в виде узкого загнутого «лобного клюва». Между лобной и височной долями широко выглядывает островковая. По боковой стороне лобной доли шимпанзе вперёд и вверх бежит длинная раздваивающаяся лобно-глазничная борозда, совершенно независимая от латеральной борозды. У человека та же лобно-глазничная борозда короткая, направлена вверх и, поскольку почти сливается с латеральной бороздой, считается двумя её частями, а именно – передней и восходящей ветвями. Кроме того, из-за расширенности мозга человека при взгляде снизу эти ветви смещены далеко вбок в сравнении с версией шимпанзе.

Что же у наледи? А у него, при некоторой суженности лобной доли и даже «лобном клюве» лобно-глазничная борозда больше похожа на человеческий вариант! Борозда, правда, идёт скорее вверх-вперёд и несколько великовата, но далеко не достигает обезьяньих параметров. Островковая доля наледи, видимо, была скрыта в глубине латеральной борозды, как у человека. Итогом – или причиной – всех этих преобразований становится увеличенная глазничная часть нижней лобной извилины. У современного человека она занята 47 полем Бродмана, или зоной Брока – речевым центром. Так может, и у наледи она работала так же?

Показательно, что у австралопитеков и, что важно, у Australopithecus sediba – потенциального предка наледи – та же борозда скорее шимпанзиная, хотя и чуть покороче и смещена подальше вбок, так что занимает более-менее промежуточное обезьяно-человеческое положение.

Вторая черта, рассмотренная в статье – полулунная борозда. В норме она имеется на затылочной доле шимпанзе и чаще отсутствует у человека. Из четырёх эндокранов наледи её явно нет на двух и вроде бы есть слабые следы на двух других. Причём, как и у человека в случае наличия, она заметно смещена назад.

Третья особенность мозга наледи – его асимметричность. Правда, достоверна она лишь у одного DH1, зато этим наледи похожи на австралопитеков и людей, но отличаются от прочих обезьян.

Дополнительной плюшкой в исследовании стал пересчёт размеров эндокранов, впрочем, малосущественный: для комбинированного DH1+DH2 из 560 получилось 555 см³, а для DH3+DH4 – из 465 – 460 см³.

Выводы из этого вытекают крайне любопытные. Получается, что по крайней мере некоторые особенности мозга наледи скорее человеческие, чем обезьяньи. Особенности, что важно, – довольно специфические, такие, которые вряд ли могли возникнуть независимо. А стало быть, когда-то предки наледи могли обладать уже почти-почти совсем-совсем человеческими мозгами, а стало быть, и малые размеры их мозга могут быть вторичной чертой, такой же, как усохшие мозги флоресских «хоббитов». Правда, если на Флоресе достаточно очевидны причины такой редукции, то в Южной Африке они непонятны, ведь эта часть материка никогда не была длительно изолированным островом. Что ж – в любом случае, есть большой повод задуматься.

…И, когда мы задумываемся, возникают некоторые ядовитые НО!

Во-первых, несколько раз прямым текстом сказано, что шимпанзе представляют предковое состояние. Ой-ли? А может, стоило бы наконец сделать эндокран проконсула и посмотреть его лобные доли, благо черепа есть? Современный шимпанзе – такой же продукт эволюции, как и человек, так что нет никакой гарантии, что его мозг больше похож на таковой миоценовых гоминоидов, нежели человеческий.

Во-вторых, со сравнительной базой вообще как-то бедно. Это как-то странно, ибо первым автором статьи числится Ральф Холловей – крутейший спец по древним мозгам. Видимо, минимализм был осознанным выбором авторов, но лучше было бы привлечь данные по австралопитекам (они лишь вскользь упоминаются), хабилисам и эректусам – тогда выводы заиграли бы новыми красками.

В-третьих, выборка, конечно, смехотворно мала. Понятно, что это обычное состояние в палеоантропологии, но всё же делать глобальные выводы по единичным находкам крайне рискованно.

В-четвёртых, при увеличении выборки могут открыться чудесные вещи. Например, известно, что у современного человека хотя и редко, но бывает открытая по всей длине островковая доля. Такое описано для мозгов выраженных долихокранов. Тут, правда, авторы проявили себя с лучшей стороны, так как задействовали аж 152 человеческих мозга и 29 шимпанзиных (для некоторых признаков – 75 полушарий). Изменчивость велика, мало ли, что будет при обнаружении новых наледи и учёте новых людей? Надо думать, следующим шагом будет подробное сравнение опубликованных данных с эндокраном из Леседи.

В-пятых, столь подробно рассмотренные прогрессивные особенности мозга наледи не отменяют их архаичных черт. А как же лобный клюв? А как же узкая височная доля, сходящаяся с лобной под тупым углом? Кстати, у «хоббита» эта область выглядит не в пример прогрессивнее наледничьего.

В-шестых – самых важных – по рельефу эндокрана борозды крайне трудно восстановимы. Давным-давно прямым сопоставлением мозгов и эндокранов одних и тех же людей было показано, что пупырышки и углубления на эндокране, а особенно в нижней части лобной доли, крайне косвенно отражают рельеф мозга или даже вообще никак с ним не связаны. А вся статья построена именно на интерпретации еле видимых вмятинок, что особенно касается «затылочной» части работы. Конечно, авторы корректны и не забывают вставить подобающих «возможно» и «с некоторой степенью вероятности», но хотя бы упомянуть о такой немаловажной сложности палеомозговедения стоило бы.

И в завершение – когда же, наконец, англоязычные специалисты по мозгу будут последовательно использовать Международную Анатомическую Номенклатуру?! Вроде бы она для того и писалась, чтобы всем было понятно, о чём речь. Так нет же! Местами, правда, таки проскальзывают латинские названия (и это огромный плюс в сравнении с другими подбными статьями), но в основном анатомия изложена на каком-то странном жаргоне. Впрочем, хоть тенденция к выправлению ситуации есть – и на том спасибо.

Как говорится, «все сделанные замечания ничуть не умаляют важности проведённой работы» и «раз такой умный – что ж сам лучше не сделаешь». Так что не будем занудствовать боле приличного, а порадуемся, что материалы из Райзинг Стар дают всё новые поводы задуматься о нашей такой сложной, а потому замечательной эволюции.

Статья опубликована в журнале PNAS
Источник: antropogenez .ru

 

Исследователи из Института физиологически активных веществ РАН (Черноголовка, Московская область), РНИМУ им. Пирогова и НИИ общей патологии и патофизиологии уточнили, как «выключение» производства альфа-синуклеина — белка, образующего бляшки в нервных клетках при болезни Паркинсона, влияет на образование у эмбрионов дофаминергических нейронов (выделяющих нейромедиатор дофамин). Оказалось, что отсутствие альфа-синуклеина практически не влияет на количество клеток вентральной области покрышки, задействованных в механизмах удовольствия и подкрепления. Однако нехватка того же белка в соседней области среднего мозга, черной субстанции, существенно меняет скорость появления дофаминергических нейронов в ней.

Альфа-синуклеин — основной компонент телец Леви, патологических скоплений белковых молекул, которые образуются в нервных клетках при болезни Паркинсона и некоторых деменциях. При паркинсонизме выделяющие дофамин нейроны среднего мозга, содержащие избыток телец Леви, погибают. Из-за этого возникают дрожь в конечностях и проблемы с началом и остановкой движений. Однако альфа-синуклеин присутствует и в здоровых дофаминергических нейронах в области их контактов с другими клетками. Более того, предыдущие исследования показали, что инактивация (нокаут) у эмбрионов мышей гена, кодирующего альфа-синуклеин, приводит к тому, что в среднем мозге мышат образуется существенно меньше дофаминергических нейронов, чем в норме.

Не все нервные клетки среднего мозга, выделяющие дофамин, выполняют одинаковые функции. Те, что содержатся в черной субстанции, контролируют движения — а именно они в первую очередь поражаются при паркинсонизме. А дофаминергические нейроны в вентральной области покрышки входят в состав системы связей, отвечающих за удовольствие и другие положительные эмоции. При болезни Паркинсона они гибнут одними из последних. Этот факт подтолкнул российских исследователей к мысли, что действие альфа-синуклеина на черную субстанцию и вентральную область покрышки во время эмбрионального развития может различаться.

Чтобы проверить это, они использовали мышей, у которых ген альфа-синуклеина был инактивирован. Головной мозг эмбрионов таких мышей на 10,5−13,5 дни беременности извлекали, затем делали серию его очень тонких срезов на уровне черной субстанции и вентральной области покрышки, помещали их в поддерживающую жидкость и добавляли в нее антитела к ферменту, участвующему в производстве дофамина. Этот фермент присутствует только в дофаминергических нейронах, поэтому способные обнаружить его антитела окрашивали только лишь такие клетки, но не затрагивали нейроны, выделяющие глутамат, серотонин или другие сигнальные вещества.

Таким образом удалось выяснить, как меняется число дофаминергических нейронов в черной субстанции и вентральной области покрышки мышей с 10,5 по 13,5 сутки существования эмбрионов. Именно в это время нервная система грызунов проходит критические этапы развития. Оказалось, что инактивация гена альфа-синуклеина практически не влияет на появление выделяющих дофамин клеток в вентральной области покрышки. Однако «выключение» того же гена резко изменяет скорость образования тех же нейронов в черной субстанции. В середине 11-х суток у нокаутированных эмбрионов в черной субстанции дофаминергических нейронов меньше нормы. В следующие 24 часа их количество резко возрастает, «перегоняя» число аналогичных клеток у обычных зародышей, но после практически не увеличивается. К 13,5 дню черная субстанция нокаутированных эмбрионов содержит чуть меньше выделяющих дофамин нейронов, чем та же область мозга у нормальных животных.

Получается, что белок альфа-синуклеин необходим для своевременного появления дофаминергических нейронов черной субстанции среднего мозга — той области, клетки которой больше всего страдают от накопления в них телец Леви при болезни Паркинсона. Однако по каким-то причинам альфа-синуклеин не влияет на образование выделяющих дофамин клеток в соседней зоне среднего мозга, вентральной области покрышки, задействованной в других физиологических процессах, нежели черная субстанция. Причины такого различия еще предстоит выявить.

Cтатья опубликована в журнале PeerJ
Источник: chrdk .ru