Новости

Международная группа ученых с помощью наблюдений за радиоизлучением линии нейтрального водорода выяснила, что первые звезды появились во Вселенной уже через 180 миллионов лет после Большого взрыва, а не через сотни миллионов лет, как было принято думать ранее. На данный момент не вполне ясно, как процесс образования звезд мог произойти так рано. Кроме того, выяснилось, что газ в ранней Вселенной имел температуру всего в 3,2 кельвина — вдвое ниже, чем считалось ранее. Ученые предполагают, что такая аномально низкая температура могла быть связана с влиянием темной материи. Статья опубликована в журнале Nature.

Так художник представил себе первую звезду Вселенной
© N.R.Fuller, National Science Foundation

Сразу после Большого взрыва Вселенная была наполнена горячей плазмой, непроницаемой для фотонов и слишком горячей для существования атомов и объектов на их основе. Через 380 000 лет она остыла достаточно, чтобы протоны и электроны, сливаясь, начали создавать атомы водорода. Сравнительно недавно считалось, что процесс образования атомов и медленное формирование скоплений газа, из которых возникли звезды, длился 550 миллионов лет. Предполагалось, что в этот период звезд не было, отчего его условно называли «Темные века». После образования звезд они своим излучением снова ионизировали прежде нейтральные атомы водорода, на чем «Темные века» закончились, и наступило более или менее современное состояние Вселенной.

Как видно из этого описания, проверить его сложно. На границе между «Темными веками» и вторичной ионизацией свет первых появившихся звезд должен был поглощаться массами в основном еще не ионизированного газа. Чтобы прояснить, когда же на самом деле возникли первые звезды, астрономы в новой работе проанализировали излучение нейтральной линии водорода — самого распространенного элемента во Вселенной.

Оказалось, что на красных смещениях, соответствующих 180−270 миллионам лет после Большого взрыва (то есть формально — разгару «Темных веков»), на самом деле есть явные спектральные следы существования ярких звезд. Дело в том, что когда на водород действует интенсивное ультрафиолетовое излучение, он начинает поглощать часть фотонов реликтового излучения, пронизывающего всю Вселенную. И исследователям на самом деле удалось обнаружить «провал» в числе фотонов такого излучения для частот в 70−90 мегагерц, соответствующих указанному выше времени.

Значимость открытия трудно переоценить. Получается, что период так называемых Темных веков был действительно темным (без светящихся объектов) менее 200 миллионов лет. А последующие 370 миллионов лет были достаточно насыщены звездами, которые просто не успели еще вторично ионизировать весь нейтральный водород, что и создавало ранее представления о длительных «Темных веках».

Что еще важнее, сегодняшние модели формирования звезд из водорода и гелия практически не могут предложить сценарий столь быстрого возникновения древних светил. Вероятно, они сформировались как-то не так, как это представлялось ранее, с участием каких-то пока не вполне ясных механизмов. Это значит, что теоретикам предстоит предложить подобные механизмы для объяснения новых наблюдений.

Вторая работа концентрируется на другой стороне наблюдений — температуре газа в ранней Вселенной того же возраста. Она оценивается в 3,2 кельвина — это намного холоднее расчетных семи кельвинов, которые ранее считались типичными для той эпохи. Это весьма серьезное расхождение, поскольку объем этого слишком холодного газа очень велик. Его низкая температура означает, что огромное количество энергии, связанной с обычной материей, куда-то неучтенным образом делось, чего в теории быть не должно.

Авторы второй работы отмечают эту проблему и предлагают попытку ее теоретического решения. Они выдвигают гипотезу, что газ ранней Вселенной каким-то неясным образом взаимодействовал с темной материей так, что ее частицы тормозили частицы материи обычной и тем самым снижали их температуру.

Проблема этого объяснения в том, что оно хорошо работает, если частицы темной материи довольно легкие — порядка 4,3 гигаэлектронвольта. Это сильно меньше, чем физики и космологи ожидали ранее. Сейчас принято считать, что темная материя состоит из массивных частиц, где-то на 100 гигаэлектронвольт.

Источник: РИА Новости

РИА Новости. Американские молекулярные биологи и медики разработали новый тип генной терапии, которая резко снижает уровень холестерина и других жиров в крови человека, повреждая ген ANGPTL3, говорится в статье, опубликованной в журнале Circulation.

«Подобная терапия будет особенно полезной для людей, страдающих от семейной гиперхолестеролемии, редкой генетической болезни, при развитии которой уровень холестерина в крови становится запредельно высоким. Лечить ее медикаментозным способом почти невозможно. Одиночная инъекция CRISPR-«вакцины», которая будет готова в ближайшие пять лет, поможет навсегда избавиться от нее», — рассказывает Киран Мусунуру (Kiran Musunuru) из университета Пенсильвании в Филадельфии (США).

За последние годы ученые значительно продвинулись в создании различных видов генной терапии, позволяющей удалять отдельные гены и сегменты ДНК, связанные с развитием различных наследственных болезней, и заменять их на «исправленные» версии. К примеру, в прошлом году ученые создали терапию для борьбы с дегенерацией сетчатки глаза, а два года назад им удалось остановить дегенерацию мышц у мыши, страдавшей от дистрофии мускулов.

Мусунуру и его коллеги использовали методы генной инженерии для борьбы с пока главным убийцей людей в развитых странах и государствах с переходной экономикой – болезнями сердца и сосудов, связанными с накоплением холестериновых бляшек и прочих отложений на стенках сосудов.

По текущей статистике ВОЗ, примерно каждый седьмой человек в США и в других странах первого мира умирает от коронарной болезни сердца, сердечных приступов и других болезней, вызванных атеросклерозом. Как сейчас предполагают ученые, число его жертв будет быстро расти в ближайшие годы в связи с общим старением населения Земли и распространением сидячего образа жизни и неправильного питания.

Как рассказывает Мусунуру, масштабные генетические исследования последних лет показывают, что на Земле существует относительно небольшая популяция людей, которая практически не страдает от подобных проблем со здоровьем из-за мутации в одной или в двух копиях гена ANGPTL3.

Данный участок ДНК не только управляет ростом сосудов и миграциями их клеток, а также подавляет работу двух ферментов, расщепляющих «вредный» вариант холестерина и молекулы жиров, из-за чего его чрезмерно высокая активность приводит к их накоплению в кровеносной системе. Соответственно, мутации в ANGPTL3 приводят к обратному – организм расщепляет почти все запасы жиров в крови, что защищает их носителей от атеросклероза.

Руководствуясь этой идеей, ученые создали ретровирус на базе нового геномного редактора CRISPR/Cas9, который проникает в клетки печени мышей или людей, и повреждает ANGPTL3, и проверили его работу на обычных мышах и их сородичах, страдавших от гиперхолестеролемии.

Первые изменения в работе организма грызунов появились всего через две недели после введения ретровируса – уровень холестерина и жиров в их крови снизился примерно на 50-56%. Подобные изменения затронули как здоровых мышей, так и их сородичей со врожденной болезнью, что позволило им снизить концентрацию жиров в их крови до условно безопасных уровней.

Как отмечают биологи, подобные впечатляющие результаты были получены при достаточно скромной эффективности работы вируса – ему удалось проникнуть лишь в треть клеток печени. Повышение его «боеспособности», по словам Мусунуру и его коллег, сделает подобную «прививку» от атеросклероза еще более эффективной.

В ближайшее время генетики планируют провести первые испытания «человеческой» версии этой генной терапии, используя мышей, чья печень частично состоит из клеток людей. Если эти опыты завершатся успешно, то тогда, как считает Мусунуру, можно будет задуматься о начале доклинических и клинических испытаний на добровольцах.

Источник: РИА Новости

Группа астрономов зарегистрировала сильную вспышку активности на Проксиме Центавра, ближайшей к Солнцу звезде, произошедшую в марте прошлого года. Такие вспышки ставят под сомнение возможность существования жизни на ближайшей к нам планете вне Солнечной системы.

Планета Проксима Центавра b, потенциальный двойник Земли

© ESO/M. Kornmesser

Повторный анализ данных, полученных в прошлом году с помощью радиотелескопа ALMA, проведенный группой ученых под руководством астрофизиков из Института Карнеги, обнаружил произошедшую в марте прошлого года яркую вспышку на Проксиме Центавра, красном карлике и ближайшей к Земле (после Солнца) звезде. На пике светимости интенсивность излучения нашего ближайшего звездного соседа в 10 раз превысила самые яркие из когда-либо наблюдавшихся в том же диапазоне солнечных вспышек. Всего за десять секунд яркость звезды увеличилась в тысячу раз. Большой вспышке предшествовала другая, послабее; вместе они продолжались меньше двух минут.

Звездные вспышки происходят, когда колебания энергии магнитного поля звезды разгоняют электроны до скоростей, близких к скорости света. Ускоренные магнитным полем электроны взаимодействуют с другими заряженными частицами плазмы, составляющей большую часть вещества звезды; это взаимодействие приводит к выбросам вещества с поверхности звезды, сопровождаемое интенсивным излучением во всех диапазонах электромагнитного спектра.

«Весьма вероятно, что Проксима b, экзопланета, которая вращается вокруг Проксимы Центавра, во время вспышки получила огромную дозу радиации», – объясняет МакГрегор, добавляя, что ученые и раньше знали о том, что планету периодически достигает рентгеновское излучение ее звезды, хотя и меньшей интенсивности. За несколько миллиардов лет, которые прошли со времени формирования Проксимы b, вспышки, подобные мартовской 2017 года, могли полностью лишить планету атмосферы, жидкой воды и уничтожить любую жизнь, если бы она зародилась на планете, считают авторы новой работы. Впрочем, ученые и раньше подвергали сомнению возможность жизни возле красных карликов, в частности из-за того, что звезды этого типа не дают достаточного для зарождения жизни количества ультрафиолета.

Со дня открытия в августе 2016 года Проксима b вызывает огромный интерес астрономов и планетологов, в первую очередь потому, что находится в так называемой зоне обитаемости своей звезды. Их разделяет всего 7,3 млн километров (для сравнения, от Земли до Солнца 149,5 млн км), однако красный карлик Проксима Центавра намного холоднее нашей звезды, поэтому даже на таком относительно небольшом расстоянии на экзопланете, согласно расчетам, может существовать жидкая вода – непременное условие для зарождения жизни в известной нам форме.

В ноябре этого года ученые, основываясь на тех же данных телескопа ALMA, заключили, что вокруг Проксимы Центавра существует диск из пыли и газа, похожий на пояс Койпера в Солнечной системе за вычетом его крупных объектов. Тогда среднюю яркость звезды за несколько месяцев наблюдения (с учетом вспышки) объяснили рассеянием излучения на молекулах газа и частицах пыли кольца; тогда же ученые предположили, что кроме экзопланеты Проксима b вокруг звезды вращается еще одно или несколько плотных каменистых тел. Но МакГрегор и ее коллеги отмечают, что если рассматривать не среднюю светимость звезды, а ее динамику, то можно заметить яркую вспышку и отказаться от предположения о газопылевом кольце и других планетах или астероидах вокруг Проксимы Центавра.

Статья МакГрегор и ее коллег готовится к публикации в журнале Astrophysical Journal Letters, препринт опубликован в репозитории arXiv. org.

Источник: naked-science. ru

Избранные астрономические события месяца (время всемирное):

1 марта — покрытие Луной (Ф= 1,0) звезды Регул при видимости на Чукотке,
2 марта — полнолуние,
4 марта — Нептун в соединении с Солнцем,
4 марта — Меркурий проходит в 1 градусе севернее Венеры,
4 марта — долгопериодическая переменная звезда RR Стрельца близ максимума блеска (6m),
5 марта — долгопериодическая переменная звезда W Андромеды близ максимума блеска (6,5m),
7 марта — Луна (Ф= 0,7-) близ Юпитера,
9 марта — Юпитер в стоянии с переходом к попятному движению,
9 марта — Луна в фазе последней четверти,
9 марта — долгопериодическая переменная звезда S Малого Пса близ максимума блеска (6,5m),
10 марта — Меркурий в перигелии своей орбиты,
10 марта — Луна (Ф= 0,45-) близ Марса,
11 марта — Луна (Ф= 0,35-) близ Сатурна,
11 марта — Луна (Ф= 0,33-) в максимальном склонении к югу от небесного экватора,
11 марта — Луна (Ф= 0,32-) в апогее своей орбиты на расстоянии 404680 км от центра Земли,
14 марта — Луна (Ф= 0,1-) в нисходящем узле орбиты,
15 марта — Меркурий в максимальной вечерней (восточной) элонгации 18,5 градусов,
16 марта — Луна (Ф= 0,01-) близ Нептуна,
17 марта — новолуние,
18 марта — Луна (Ф= 0,02+) близ Меркурия и Венеры,
19 марта — Луна (Ф= 0,05+) близ Урана,
19 марта — Меркурий проходит в 4 градусах севернее Венеры,
19 марта — долгопериодическая переменная звезда X Единорога близ максимума блеска (6,5m),
19 марта — долгопериодическая переменная звезда R Льва близ максимума блеска (5m),
20 марта — весеннее равноденствие,
20 марта — покрытие Луной (Ф= 0,1+) звезды кси2 Кита (4,3m) при видимости на Европейкой части России,
21 марта — покрытие Луной (Ф= 0,2+) звезды 5 Тельца (4,1m) при видимости на Европейкой части России,
22 марта — Меркурий в стоянии с переходом к попятному движению,
22 марта — покрытие Луной (Ф= 0,31+) звезды Альдебаран (Гиады) при видимости на севере и востоке страны,
24 марта Луна в фазе первой четверти,
25 марта — Луна (Ф= 0,55+) в максимальном склонении к северу от небесного экватора,
26 марта — Луна (Ф= 0,73+) в перигее своей орбиты на расстоянии 369110 км от центра Земли,
26 марта — долгопериодическая переменная звезда X Змееносца близ максимума блеска (6m),
27 марта — Луна (Ф= 0,76+) проходит южнее звездного скопления Ясли (М44),
27 марта — Луна (Ф= 0,8+) в восходящем узле своей орбиты,
28 марта — покрытие Луной (Ф= 0,9+) звезды Регул при видимости на севере и востоке страны,
29 марта — Венера проходит в 0,1 гр. к югу от Урана,
31 марта — полнолуние.

Солнце движется по созвездию Водолея до 12 марта, а затем переходит в созвездие Рыб. Склонение центрального светила постепенно растет, достигая небесного экватора 20 марта (весеннее равноденствие), а продолжительность дня за месяц быстро увеличивается от 10 часов 43 минут до 13 часов 02 минут на широте Москвы. Полуденная высота Солнца за месяц на этой широте увеличится с 26 до 38 градусов. Наблюдения пятен и других образований на поверхности дневного светила можно проводить в телескоп или бинокль и даже невооруженным глазом (если пятна достаточно крупные). Но нужно помнить, что визуальное изучение Солнца в телескоп или другие оптические приборы нужно обязательно (!!) проводить с применением солнечного фильтра (рекомендации по наблюдению Солнца имеются в журнале «Небосвод»).

Луна начнет движение по мартовскому небу почти при полной фазе в созвездии Льва, покрыв в первый день месяца Регул при видимости на востоке России. На следующий день ночное светило примет фазу полнолуния и перейдет в созвездие Девы при фазе 0,99-. Совершая дальнейший путь по мартовскому небу, уменьшающийся овал Луны пересечет созвездие Девы за три дня, 5 марта пройдя севернее звезды Спики. Перейдя при фазе 0,82- в созвездие Весов 6 марта, Луна на следующий день пройдет севернее Юпитера (близ альфа Весов) при фазе 0,7-. 8 марта лунный овал при фазе менее 0,65- посетит созвездие Скорпиона, а затем вступит во владения созвездия Змееносца. Здесь Луна 9 марта примет фазу последней четверти, наблюдаясь в предрассветные часы низко над юго-восточным горизонтом. 10 марта большой лунный серп при фазе 0,4- перейдет в созвездие Стрельца, где пройдет севернее Сатурна (Ф= 0,35-) 11 марта (близ максимального склонения к югу от небесного экватора и апогея своей орбиты). В конце дня 12 марта серп Луны (Ф= 0,2-) покинет созвездие Стрельца, перейдя в созвездие Козерога. Здесь Луна 14 марта пройдет нисходящий узел своей орбиты. 15 марта лунный серп уменьшит фазу до 0,05- и пересечет границу созвездия Водолея, где примет фазу новолуния 17 марта (близ границы с созвездием Рыб). Перейдя в созвездие Рыб, молодой месяц (Ф= 0,02+) появится на вечернем небе близ Венеры 18 марта. На следующий день растущий месяц пройдет южнее Урана при фазе 0,05+. Продолжая увеличивать фазу и набирая высоту над горизонтом, Луна 20 марта посетит созвездие Кита и в этот же день при фазе 0,13+ перейдет в созвездие Овна. В созвездии Овна Луна пробудет недолго и 21 марта перейдет в созвездие Тельца при фазе близкой к 0,2+. Здесь 22 марта растущий серп (Ф= 0,3+) совершит покрытия звезд скопления Гиады и Альдебарана при видимости в восточных и северных районах страны. 24 марта почти полудиск Луны посетит созвездие Ориона и примет фазу первой четверти у границы с созвездием Близнецов. Здесь ночное светило пройдет точку максимального склонения к северу от небесного экватора, наблюдаясь большую часть ночи. В созвездие Рака лунный овал вступит 26 марта, пройдя перигей своей орбиты близ звездного скопления Ясли — М44. 27 марта яркая Луна перейдет во владения созвездия Льва при фазе 0,83+ и пойдет на сближение с Регулом, который покроет 28 марта уже при фазе 0,9+ и видимости в северных и восточный районах страны (близ восходящего узла своей орбиты). В созвездие Девы яркий лунный диск перейдет 30 марта, а на следующий день закончит здесь свой путь по мартовскому небу в фазе полнолуния близ Спики.

Большие планеты Солнечной системы

Меркурий перемещается в одном направлении с Солнцем по созвездию Водолея до 2 марта, переходя затем в созвездие Рыб и оставаясь в нем до конца месяца. 22 марта Меркурий сменит прямое движение на попятное. Весь месяц планета находится на вечернем небе близ Венеры. Постепенно удаляясь от центрального светила, Меркурий 15 марта достигнет вечерней элонгации (лучшей в 2018 году). Видимый диаметр быстрой планеты постепенно увеличивается от 5 до 10 угловых секунд, а фаза уменьшается от 0,9 до 0,0. Это означает, что при наблюдении в телескоп Меркурий будет в начале месяца иметь вид овала, в середине — вид полудиска, а затем до конца месяца — вид убывающего серпа. Блеск планеты постепенно уменьшается от -1,5т в начале месяца до +4т в конце описываемого периода. В мае 2016 года Меркурий прошел по диску Солнца, а следующее прохождение состоится 11 ноября 2019 года.

Венера движется в одном направлении с Солнцем по созвездию Водолея, 3 марта переходя в созвездие Рыб, 12-14 марта побывав в созвездии Кита, 14 марта вновь перейдет в созвездие Рыб до 30 марта, когда пересечет границу созвездия Овна. Вечерняя звезда постепенно увеличивает угловое удаление к востоку от Солнца ( до 20 градусов) к концу месяца), все ярче сияя на фоне вечерней зари (близ Меркурия). В телескоп наблюдается небольшой белый диск без деталей. Видимый диаметр Венеры составляет более 10”, а фаза близка к 1,0 при блеске около -4т.

Марс перемещается в одном направлении с Солнцем по созвездию Змееносца, 11 марта переходя в созвездие Стрельца. Планета наблюдается в ночные и утренние часы над юго-восточным и южным горизонтом. Блеск планеты за месяц увеличивается от +0,8т до +0,3т, а видимый диаметр увеличивается от 6,6” до 8,4”. Марс постепенно сближается с Землей, а возможность увидеть планету вблизи противостояния появится в июле месяце. Детали на поверхности планеты (крупные) визуально можно наблюдать в инструмент с диаметром объектива от 60 мм, и, кроме этого, фотографическим способом с последующей обработкой на компьютере.

Юпитер перемещается в одном направлении с Солнцем по созвездию Весов близ звезды альфа этого созвездия. Газовый гигант наблюдается на утреннем и ночном небе более шести часов. Угловой диаметр самой большой планеты Солнечной системы увеличивается за месяц от 39” до 42,5” при блеске ярче -2т. Диск планеты различим даже в бинокль, а в небольшой телескоп на поверхности видны полосы и другие детали. Четыре больших спутника видны уже в бинокль, а в телескоп в условиях хорошей видимости можно наблюдать тени от спутников на диске планеты. Сведения о конфигурациях спутников имеются в таблицах выше.

Сатурн перемещается в одном направлении с Солнцем по созвездию Стрельца. Наблюдать окольцованную планету можно в утренние часы над юго-восточным горизонтом. Блеск планеты составляет +0,5т при видимом диаметре, превышающем 16”. В небольшой телескоп можно наблюдать кольцо и спутник Титан, а также другие наиболее яркие спутники. Видимые размеры кольца планеты составляют в среднем 40×15” при наклоне к наблюдателю 26 градусов.

Уран (5,9т, 3,4”) перемещается в одном направлении с Солнцем по созвездию Рыб близ звезды омикрон Psc с блеском 4,2т. Планета видна на вечернем небе. Уран, вращающийся «на боку», легко обнаруживается при помощи бинокля и поисковых карт, а разглядеть диск Урана поможет телескоп от 80 мм в диаметре с увеличением более 80 крат и прозрачное небо. Невооруженным глазом планету можно увидеть в периоды новолуний на темном чистом небе, но такая возможность представится только осенью этого года. Спутники Урана имеют блеск слабее 13т.

Нептун (7,9т, 2,3”) движется в одном направлении с Солнцем по созвездию Водолея близ звезды лямбда Aqr (3,7m). Планета закончила вечернюю видимость и пройдет соединение с Солнцем 4 марта. На утреннем небе Нептун появится в конце месяца. Для поисков самой далекой планеты Солнечной системы понадобится бинокль и звездные карты в Астрономическом календаре на 2018 год, а диск различим в телескоп от 100 мм в диаметре с увеличением более 100 крат (при прозрачном небе). Фотографическим путем Нептун можно запечатлеть самым простым фотоаппаратом с выдержкой снимка 10 секунд и более. Спутники Нептуна имеют блеск слабее 13 т.

Из комет, видимых в марте с территории нашей страны, расчетный блеск около 11т и ярче будут иметь, по крайней мере, три кометы: PANSTARRS (С/2016 Ml), PANSTARRS (С/2016 R2) и Heinze (С/2017 Т1). Первая при блеске около 11т движется по созвездию Орла. Вторая перемещается по созвездию Тельца и Персея при блеска слабее 11т. Блеск третьей кометы составляет также около 11т, а перемещается она по созвездию Пегаса.

Среди астероидов самыми яркими в марте будут Церера (7,3т) — в созвездии Рака и Веста (7,1т) — в созвездии Змееносца и Стрельца. Эфемериды этих и других астероидов даны в таблицах выше.

Из относительно ярких долгопериодических переменных звезд (наблюдаемых с территории России и СНГ) максимума блеска в этом месяце по данным AAVSO достигнут:

Y Персея 8,4m — 1 марта, R Персея 8,7m — 1 марта, RR Стрельца 6,8т — 4 марта, W Андромеды 7,4т — 5 марта, ST Стрельца 9,0т — 8 марта, S Малого Пса 7,5т — 9 марта, V Рака 7,9т — 11 марта, X Дельфина 9,0т — 11 марта, RT Центавра 9,0т — 12 марта, S Микроскопа 9,0т — 15 марта, V Пегаса 8,7т — 17 марта, W Возничего 9,2т — 18 марта, R Тельца 8,6т.19 марта, X Единорога 7,4т — 19 марта, R Льва 5,8т — 19 марта, W Геркулеса 8,3т — 19 марта, X Гидры 8,4т -20 марта, U Кассиопеи 8,4т — 21 марта, SS Змееносца 8,7т — 21 марта, S Компаса 9,0т — 26 марта, X Змееносца 6,8т — 26 марта, Y Дракона 9,2т — 28 марта, S Близнецов 9,0т — 29 марта.

Среди основных метеорных потоков 14 марта в максимуме действия окажутся гамма-Нормиды (ZHR= 6) из созвездия Наугольника. Это — южный поток со склонением радианта -50 градусов.

Ясного неба и успешных наблюдений!

Источник: astronet. ru

Группа ученых из Института прикладной физики РАН и Нижегородского государственного университета во главе с академиком РАН А.М. Сергеевым показала путь к созданию электрон-позитронной плазмы, по плотности в десятки раз превышающей ту, что считалось возможным получить ранее. Соответствующая статья опубликована в Scientific Reports.

Обычно аннигиляция частицы и античастицы порождает фотон с высокой энергией. Возможен и противоположный процесс, когда из фотона большой энергии в сильном электрическом или магнитном поле рождается пара частиц — электрон и позитрон (антиэлектрон). Правда, для появления реальной пары частиц закон сохранения энергии требует, чтобы ее затраты на этот процесс превышали удвоенную массу частицы. Однако достаточно сильное внешнее поле может обеспечить ввод дополнительной требуемой энергии.

Конфигурация из 12 лазерных пучков, имитирующая сходящуюся дипольную волну.
Вдоль оси симметрии из фокуса вылетают пучки
электронов и позитронов, а также гамма-фотоны.
© Пресс-служба ННГУ

До сих пор эффект рождения электрон-позитронных пар в лабораторных условиях наблюдался в основном при пропускании гамма-излучения сквозь кристаллы, в которых поля необходимой для этого величины уже существуют вблизи атомных ядер. Проблема в том, что параметры такого поля жестко заданы параметрами кристаллов и ими трудно управлять. Высокую плотность рождения пар на кристаллах не получить. Поэтому уже в ближайшие годы ученые планируют создать принципиально новый инструмент, способный «рождать» пару частица-античастица. Речь идет о лазерах, способных генерировать сверхкороткие импульсы мощностью более 10 квадриллионов ватт (петаватт или 10¹⁵ ватт).

В ряде теоретических работ ранее предполагалось, что в фокусе лазерной установки при этом будут рождаться не отдельные пары электронов и антиэлектронов, а целые электрон-позитронные лавины. Рожденные при распаде гамма-фотона пары (электрон и позитрон) будут ускоряться лазерным полем и при наборе энергии излучать новые гамма-фотоны. Те, в свою очередь, будут рождать новые пары электронов и позитронов и так далее. В результате количество частиц в фокусе лазерной установки за очень короткое время должно вырасти до огромных значений — сверхплотной электрон-позитронной плазмы.

Долгое время вопрос был в том, какую именно предельную плотность плазмы так можно получить. Существовавшие оценки говорили, что концентрация частиц в фокусе лазера будет немногим больше 10²⁴ (септиллиона) на кубический сантиметр. Это сравнимо с наиболее плотными металлами — примерно столько же электронов в кубическом сантиметре платины или золота.

Чтобы прояснить вопрос, авторы новой работы использовали детальное трехмерное моделирование процесса развития электрон-позитронной лавины в сильно сфокусированном лазерном поле. Для этого они использовали моделирование с помощью программного обеспечения PICADOR, разрабатываемого совместно ИПФ РАН и ННГУ. Оказалось, что при определенных условиях плотность частиц в электрон-позитронной плазме, получаемой с помощью лазера, может быть в десятки раз больше септиллиона частиц на кубический сантиметр, то есть в десятки раз выше ожидавшейся.

В моделировании ученые исследовали особую конфигурацию лазерного поля — дипольную фокусировку. Лазерное излучение в этом случае облучает точку фокуса как бы со всех сторон. Именно такая конфигурация является оптимальной с точки зрения мощности излучения, необходимой для наблюдения лавины.

Лавинообразные процессы рождения частиц позволяют развиться в плазме токовой неустойчивости, и в итоге она вырождается в два тонких слоя, ориентированных под случайным углом. Толщина слоев и концентрация частиц в них ограничиваются только случайностью процесса излучения. А это значит, что в ряде случаев плотность плазмы будет иметь экстремальные значения. К сожалению, верхний предел такой плотности трудно установить моделированием. Но точно ясно, что при полном числе частиц порядка 10¹¹ их плотность превзойдет значение 10²⁶ (ста септиллионов) частиц на кубический сантиметр.

Новая работа имеет принципиальное значение для понимания границы возможного для петаваттных сверхмощных лазерных установок будущего. Сегодня их еще не существует, однако их строительство активно обсуждается. Правительство России поддержало проект XCELS по созданию 12-канальной лазерной системы общей мощностью 100 петаватт, хотя его реализация пока и не началась.

Моделирование российских ученых показало, что плазма, порождаемая такими установками, намного плотнее, чем считалось ранее. Это значит, что с ее помощью можно приблизиться к пониманию астрофизических процессов, протекающих в звездах главной последовательности и, возможно, еще более плотных объектах. До сих пор исследователи не располагали такими возможностями на Земле. Вероятно, при этом получится и подробнее изучить процесс рождения элементарных частиц.

Источник: chrdk. ru

Итальянские ученые пришли к выводу: генетически модифицированная кукуруза менее подвержена опасности заражения микотоксинами — продуктами жизнедеятельности плесневых грибов. Использование ГМ-культур значительно снижает риск отравлений загрязненным зерном. Кроме того, технологии генной инженерии помогают повысить урожаи кукурузы на 5–25% в зависимости от региона. Работа опубликована в журнале Scientific Reports.

Кукуруза — вторая из наиболее популярных во всем мире ГМ-культур после сои. Посевы ГМ-кукурузы занимают 95,9 миллиона га, что составляет около трети от всех площадей, занятых кукурузой. Большая часть полей ГМ-кукурузы расположена в США, Бразилии, Аргентине и Канаде. Обзор включал исследования, проведенные в этих странах, а также в ЮАР, на Филиппинах и в нескольких европейских странах.

Метаанализ включает исследования, проводившиеся на протяжении 20 лет — с 1996 по 2016 год. В изначальный список попали 6 006 работ, из них ученые отобрали 79 статей, в которых сравнивались урожайность, качество зерна и скорость разложения биомассы генетически модифицированной и обычной кукурузы, а также взаимодействие культур с другими организмами — например насекомыми.

Выяснилось, что применение ГМ-кукурузы позволяет получать на 5–25% больше зерна с той же площади. Также генетически модифицированная кукуруза оказалась на 29–36% более устойчивой к различным микотоксинам. По словам ученых, причина в том, что ГМ-кукуруза устойчива к воздействию насекомых, которые переносят плесневые грибы и повреждают растения, создавая подходящую среду для размножения грибов.

Микотоксины вызывают отравления, нарушают функции почек и могут усиливать риск развития онкологических заболеваний, поэтому зерно проходит очистку. Авторы обзора считают, что применение ГМ-кукурузы может упростить этот процесс и снизить риск отравлений.

Источник: naked-science. ru

Исследователи из США смогли определить строение «красного технеция» — продукта окисления технеция красного цвета. Эта задача не поддавалась химикам в течение пятидесяти лет. К успеху привело квантовохимическое моделирование спектров поглощения и сравнение полученных результатов с экспериментальными данными. Предлагаемая структура может объяснить причины его летучести, а также помочь разработать более надежные способы работы с отработавшим ядерным топливом и радиоактивными отходами.

Рис. 1. Три типа структур оксида технеция (V), предсказанные с помощью компьютерного моделирования: a) — димерная «стопка», b) — димерный цикл, c) — тример. Мономерным звеном в них является частица Tc₂O₅. Пунктирами показаны межатомные расстояния Tc—Tc, подтверждающие образование ковалентной связи между атомами технеция при формировании димера (1 Å = 10^–10 м).
Атомы технеция обозначены лиловым, атомы кислорода — красным. 
Рисунок из обсуждаемой статьи в Chemical Communications

Технеций — элемент с атомным номером 43 — находится в седьмой группе Периодической системы. Это самый легкий химический элемент, у которого нет устойчивых изотопов, и первый из синтезированных человеком элементов. Любопытна история его открытия. Существование и свойства технеция были предсказаны Д. И. Менделеевым на основе Периодического закона (ученый назвал гипотетический элемент экамарганцем). Затем технеций был ошибочно «открыт» около десятка раз, успев даже получить несколько названий (например, ильменний, люций, ниппоний и мазурий). Но впервые технеций был получен только в 1937 году из молибденовой мишени, облученной ядрами дейтерия в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли в США. Нынешнее название было предложено в 1947 году.

Наибольшие интерес и значение в настоящее время имеют два изомерных изотопа технеция ⁹⁹Тс (у изомерных изотопов один нуклонный состав ядер, но разное временя жизни и/или разные пути распада). Короткоживущий изотоп ^99mTc с периодом полураспада 6 часов применяют как радиохимический медицинский препарат. Он практически безопасен: производится в очень небольших количествах и с определенной долей упрощения можно сказать, что через два месяца после синтеза полностью распадается.

А вот долгоживущий радионуклид ⁹⁹Тс с периодом полураспада около 212 000 лет гораздо опаснее. Он образуется как продукт деления ядер урана ²³⁵U или плутония ²³⁹Рu в реакторах атомных станций. Скорость накопления технеция-99 зависит от природы делящегося нуклида, степени распада ядерного топлива и может достигать до одного килограмма на тонну ядерного топлива для реакторов на быстрых нейтронах, в которых может использоваться не только нуклид ²³⁵U, но и более распространенный в природе ²³⁸U, что позволяет повысить эффективность переработки ядерного топлива примерно на 60%. Активность одного грамма технеция-99 составляет приблизительно 633,5 МБк (1 Беккерельсоответствует одному распаду в секунду), в основном это бета-распады с образованием стабильного изотопа рутения. То есть ⁹⁹Тс — компонент отработанного ядерного топлива, который сохраняет значительную радиоактивность, и его утечек не следует допускать.

Для иммобилизации технеция-99, образующегося в ядерных редакторах, обычно используют метод застекловывания — внедрение его производных в боросиликатное стекло. Однако такой способ связывания сильно осложняется образованием летучих производных технеция: в ряде случаев при приготовлении боросиликат-технециевых стекол, для которого требуется нагревание до 1300°С, может улетучиваться до 70% технеция (John G. Darab, Peter A. Smith Chemistry of Technetium and Rhenium Species during Low-Level Radioactive Waste Vitrification). К летучим соединениям, обуславливающим потерю технеция, относятся не только хорошо изученные вещества, как, например, оксид технеция (VII) Tc₂O₇, но и другие гораздо менее изученные соединения. Определение строения таких соединений и их свойств позволили бы оптимизировать процессы связывания технеция.

Пожалуй, самым загадочным из всех соединений технеция можно назвать вещество, структуру которого не удавалось определить в течение полувека. Впервые оно было обнаружено в 1967 году, когда исследователи из Мичиганского университета решили изучить свойства соединений технеция и сравнить их поведение с аналогичными по структуре производными соседей технеция по Периодической системе — марганца и рения. Определяя, какая из кислот сильнее — пертехнециевая (HTcO₄) или перрениевая (HReO₄), они получали растворы пертехнециевой кислоты с различными концентрациями. Это позволило наблюдать, что повышение содержания HTcO₄ в водном растворе от 0,05 моль/л до 0,3 моль/л приводит к образованию окрашенного в розовый цвет раствора с максимумом поглощения при 505 нанометрах (C. L. Rulfs et al., 1967. Technetium chemistry, oxidation states and species). Позже было показано, что дальнейшее увеличение концентрации пертехнециевой кислоты в конечном итоге позволяет получить отливающее красным темное твердое вещество, а затем — красное маслянистое соединение, названное «красным технецием».

Результаты рентгеноструктурного анализа красного технеция при 100 К позволяли предположить, что при такой температуре это — неорганический полимер со связанными друг с другом за счет общих атомов кислорода тетраэдрическими фрагментами TcО₄ и октаэдрическими фрагментами ТсО₆ с общим составом Tc₂O₇×H₂O (молекулы воды содержатся в структуре полимера). Тем не менее, даже при низких температурах не получалось определить положение молекул воды или атомов водорода, а при комнатной температуре и при контакте с воздухом красный технеций быстро поглощал пары воды из воздуха, расплываясь в аморфную массу, которую нельзя было изучать с помощью рентгеноструктурного анализа — метода, способного определить строение вещества «напрямую» (Joseph A. Rard, 2005. Current Status of the Thermodynamic Data for Technetium and Its Compounds and Aqueous Species). Исследования технеция косвенными методами — с помощью ИК-спектроскопии, оптической спектроскопии, масс-спектрометрии давали результаты, которые можно было трактовать различными способами, при этом все варианты трактовки сходились в одном — красный технеций представляет собой соединение, состоящее из технеция и кислорода, в составе которого также может присутствовать и водород (либо в составе кристаллизованной воды, либо содержащих технеций кислот).

Исследование красного технеция, да и других производных этого элемента осложняется тем, что все технецийсодержащие материалы радиоактивны, и работать с ними можно только в специализированных лабораториях.

В начале 2018 года список соединений, которые можно было бы рассматривать на роль красного технеция, был сужен — в поисках истинной формулы Кит Лоулер (Keith Lawler) и Пол Фостер (Paul Forster) изучали процессы окисления диоксида технеция TcO₂ молекулярным кислородом в присутствии воды. Им удалось выделить чистую пертехнециевую кислоту HTcO₄ и ее гидраты, в том числе еще одно соединение, которое подозревали в том, что оно и есть красный технеций, — TcO₃(OH)(H₂O)₂. Однако никакой из полученных продуктов не демонстрировал в спектрах характерный пик поглощения с максимумом при 505 нм. Также была поставлено под вопрос и полимерное строение красного технеция. Оказалось, что это вещество испаряется проще, чем хорошо изученный оксид технеция (VII) Tc₂O₇, который характеризуется низкомолекулярным строением и не является полимером (B. C. Childs et al., 2018. The Nature of the Technetium Species Formed During the Oxidation of Technetium Dioxide with Oxygen and Water). Дело в том, что для соединений, имеющих близкую структуру (в данном случае — состоящих из технеция и кислорода), способность испаряться падает с увеличением молекулярной массы, поэтому летучесть полимеров с большой молекулярной массой должна быть гораздо ниже, чем у низкомолекулярных веществ, а при достижении определенной молекулярной массы (которая для каждого типа высокомолекулярных соединений определяется его строением) вещество просто теряет способность к испарению.

Лоулер и Фостер решили развить успех. Пользуясь тем, что современные методы квантовой химии позволяют весьма точно предсказывать спектральные свойства соединений, они решили провести квантовохимическое исследование всех кислородсодержащих производных технеция, которые не были отбракованы ранее. Расчеты проводились таким образом, чтобы предсказать электронное строение соединений и положение максимума поглощения в спектре (то есть — определить его цвет). Критерием попадания расчета в «нужную» структуру считалось наличие в смоделированном спектре максимума поглощения вблизи того же значения 505 нм. Смоделированное электронное строение использовали для предсказания физических и химических свойств соединений. В итоге был сделан вывод, что на роль красного технеция лучше всего подходит димер оксида технеция (V) Tc₄O₁₀ (рис. 1). Мономерное звено Tc₂O₅ состоит из двух фрагментов TcO₃, у которых один атом кислорода общий (рис. 3). Звенья связываются в димер за счет слабой ковалентной связи технеций—технеций, образующейся в результате перекрывания d—орбиталей технеция, принадлежащих разным мономерным звеньям.

Предложенное Лоулером и Фостером строение Tc₄O₁₀ может объяснить свойства красного технеция. Красный цвет объясняется переходом электронов с наивысшей по энергии молекулярной орбитали на ближайшую по энергии свободную орбиталь связи Tc—Tc. Взятое в отдельности мономерное звено Tc₂O₅, в соответствии с расчетами, вообще не поглощает свет в видимой области и, таким образом, не окрашено.

Димеры Tc₄O₁₀ также должны быть более летучими по сравнению со структурами Tc₂O₅ и Tc₂O₇, хотя можно было бы подумать, что более легкое в сравнении с Tc₂O₇ мономерное звено Tc₂O₅ окажется более летучим. Тем не менее, расчеты, предполагающие отсутствие димеризации, показывают, что плотная упаковка и сближение не связанных ковалентной связью технеций-технеций частиц Tc₂O₅ должны приводить к прочным межмолекулярным взаимодействиям, снижающим летучесть. Что же касается Tc₄O₁₀ — по результатам расчетов в твердой или жидкой фазе молекулы димера упакованы менее плотно, поэтому между ними должно быть большее расстояние, которое, в конечном итоге, ослабляет прочность межмолекулярных взаимодействий, значительно увеличивая летучесть.

В планах Лоулера, Фостера и их коллег переход от теоретического исследования красного технеция и других производных этого металла к проведению экспериментов. Новые знания о химических и физических свойствах технеция будут полезны не только для дополнения общей картины свойств производных тройки переходных металлов (Mn—Tc—Re) и очередной проверки, работает или не работает здесь Периодический закон, но и позволит оптимизировать технологию связывания компонентов отработанного ядерного топлива, снижая возможность утечки опасных материалов.

Статья опубликована в журнале Chemical Communications
Источник: Аркадий Курамшин elementy. ru

В Москве состоялась церемония награждения Web of Science Awards 2017, которую получают ученые и научные организации за выдающийся вклад в развитие науки. Награды удостоились шестнадцать российских ученых, из которых четверо ‒ ученые вузов, участвующих в Проекте 5-100.

© Alexandre Duret-Lutz/Flickr

Среди них ‒ физики Михаил Шеремет (ТГУ, ТПУ), Сергей Морозов (Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, НИТУ «МИСиС»), Юрий Кившарь (Университет ИТМО, Австралийский Национальный Университет) и Яков Кузяков (КФУ, Гёттингенский университет имени Георга-Августа).

Кроме того, в номинации «Лучшая публикационная стратегия» награда досталась Институту ядерных исследований РАН и НИЯУ МИФИ, который также участвует в Проекте 5-100. Номинация означает, что сотрудники награжденных научных организаций в течение года публиковались в самых высокоимпактных журналах и показали наибольший прирост статей в таких изданиях.

Статьи в журналах, индексируемых в базе данных Web of Science, гарантированно характеризуются высоким качеством, которое обеспечивается, во-первых, наличием процедуры рецензирования материалов, поступающих в журнал, а, во-вторых, отбором самих журналов в базу данных экспертами, привлекаемыми компанией Clarivate Analytics.

За что наградили: пишем, публикуемся, индексируемся

Как полагают эксперты, вручение престижной научной награды говорит об укреплении библиометрических показателей российских ученых. Напомним, что среди одного из основных требований Указа №599 от 7 мая 2012 года «О мерах по реализации государственной политики в области образования и науки» было  увеличение доли публикаций российских исследователей в общем количестве публикаций в мировых научных журналах, индексируемых в базе данных Web of Science, до 2,44%.

По данным за 2016 год доля публикаций российских исследователей в Web of Science составляет 2,666 % (данные за 2017 год появятся не ранее августа 2018 года, когда индексация публикаций за 2017 будет завершена ‒ прим.).

Как показывает статистика, если в 2012 году доля публикаций университетов – участников Проекта 5-100 в общем количестве российских публикаций, проиндексированных в базах данных, составляла около шестой части, то в настоящий момент более трети всех публикаций, которые индексируются международными базами данных, – это публикации, авторами которых являются сотрудники университетов, участвующих в Проекте 5-100.

Очевидно, что заметное увеличение количества высокоцитируемых публикаций российских авторов позволяет открывать мировому научному сообществу новые имена в российской науке.

Ученые «в цифрах»

ИТМО: физик Юрий Кившарь

Награду Web of Science-2017 получил соруководитель Центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО, профессор Австралийского национального университета Юрий Кившарь. Он попал в список наиболее цитируемых российских ученых с результатом, составившим 4 высокоцитируемых статьи (с российской аффилиацией). Общее количество таких «суперпубликаций» у Юрия Кившаря – 26, что является очень высоким показателем.

Среди них есть и те, что Юрий Кившарь опубликовал в соавторстве с учеными Университета ИТМО – руководителем Международного центра нанофотоники и метаматериалов Павлом Беловым, учеными Алексеем Слобожанюком, Михаилом Рыбиным, Станиславом Глыбовским и другими.

За последнее десятилетие количество публикаций профессора Юрия Кившаря, проиндексированных в Web of Science, составило 696 статей, 52 из них датированы 2017 годом. Суммарное количество цитирований за указанный период – 16 684. Индекс Хирша Юрия Кившаря – один из самых высоких среди российских физиков – составляет 61.

НИТУ «МИСиС»: физик Сергей Морозов

Еще один лауреат Web of Science-2017 ‒ заведующий лабораторией «Функциональных низкоразмерных структур» НИТУ «МИСиС», заведующий лабораторией «Физики полупроводниковых наноструктур» ИПТМ РАН.

В результате совместных исследований с группой профессора Гейма из Университета Манчестера был открыт новый класс материалов – двумерные кристаллы и проведены ключевые эксперименты по изучению свойств графена – монослойного листа графита. Однако «нобелевская» статья 2004 года о графене, в которой фамилия Морозова идет сразу же за фамилиями Гейма и Новоселова, выпала из десятилетнего периода, используемого для подсчета и анализа высокоцитируемых публикаций.

Ученый опубликовал около 60 работ, получивших более 40000 цитирований. Индекс Хирша Сергея Морозова – 52.

ТГУ: физик Михаил Шеремет

Заведующий лабораторией моделирования процессов конвективного тепломассопереноса, профессор Томского государственного университета Михаил Шеремет является автором десяти высокоцитируемых публикаций в Web of Science, посвященных турбулентному теплопереносу, численным методам механики жидкости и газа, а также математическому моделированию теплового излучения.

На его счету четыре гранта Президента РФ, премии губернатора и Думы Томской области. А в 2017 году научная статья, соавтором которой он является, вошла в число наиболее цитируемых по базе данных Web of Science.

Сейчас предметом для исследований Михаила Шеремета является процесс теплопереноса в элементах радиоэлектронной аппаратуры. В частности, в рамках соглашения с РНФ лаборатория выполняет проект, связанный с разработкой активных и пассивных систем охлаждения тепловыделяющих элементов в электронике и энергетике.

Источник: 5top100. ru

Фантастические, пугающие многих истории о вмешательстве в человеческий геном долгие годы оставались именно фантастическими. Но теперь такой метод есть: заимствованная у бактерий система позволяет вести генетическую модификацию любых организмов с очень высокой точностью.

Визуализация системы CRISPR-CAS9
© Ibreakstock / Фотодом / Shutterstock

Иммунитет

– естественный «иммунитет» бактерий, биохимическая система защиты от вирусов, которая требуется одноклеточным организмам, неспособным поддерживать такую сложную иммунную систему, как наша. Первые намеки на ее существование были найдены еще в конце 1980-х, когда Йошизу­ми Исино и его коллеги исследовали обыкновенную кишечную палочку, точнее говоря, один ее малопримечательный ген (iap).

На всякий случай японцы секвенировали его последовательность вместе с участками по бокам от него: может, там будут какие-то фрагменты, участвующие в регуляции активности iap?.. Вместо этого биологи обнаружили в ДНК длинные последовательности повторяющихся, совершенно идентичных повторов длиной ровно 29 нуклеотидов. Между ними – как сухие растения между листами бумаги в гербарии – оказались «проложены» короткие фрагменты длиной по 32 нуклеотида, которые не повторялись никаким образом.

Позднее эту странную часть ДНК назвали «регулярно сгруппированные, разделенные короткие палиндромные повторы» – Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. В остальном работы над ними надолго остановились, хотя многие ученые заинтересовались загадочными участками хромосомы, а некоторые даже рассуждали об их роли. Функциональное значение CRISPR оставалось загадкой, да и особенных прорывов никто от них не ждал: «Биологическое значение этих последовательностей неясно», – написал тогда Исино с соавторами.

Однако во второй половине 1990-х начался настоящий бум секвенирования. Установить последовательность ДНК становилось все проще, и геномы все новых и новых организмов стали пополнять компьютерные базы данных и анализироваться со всех сторон. Таинственная – и вроде бы бессмысленная, совершенно не похожая ни на какой ген – последовательность CRISPR обнаруживалась у бактерий повсеместно. Нидерландский биолог Рууд Янсен заметил, что они всегда соседствуют с генами одних и тех же белков. Функции их тогда были тоже неизвестны, и их назвали просто «белками, ассоциированными с CRISPR» (CRISPR-Associated Proteins, Cas).

И лишь в 2005 году сразу три группы исследователей сообщили, что уникальные участки CRISPR – это фрагменты вирусных геномов. «Тут у меня что-то щелкнуло», – вспоминал впоследствии всемирно известный биоинформатик и эволюционист Евгений Кунин. К тому времени он уже несколько лет бился над загадкой CRISPR – и, наконец, его озарило: эта ДНК может быть частью противовирусной защиты бактериальной клетки.

Эта идея понравилась микробиологу Родольфу Баррангу, который в то время работал в компании Danisco, производящей йогурты. В этом бизнесе вирусная эпидемия среди молочнокислых бактерий способна принести серьезные убытки, и исследователь искал методы защиты от нее. Чтобы проверить гипотезу Кунина, он заразил стрептококков Streptococcus thermophilus двумя штаммами бактериофагов. Большинство бактерий погибло, однако выжившие оказались довольно устойчивы к этим вирусам. Секвенировав их ДНК, ученые подтвердили: в ней появились следы встречи.

Инструмент

Дженнифер Дудна и Блейк Виденхефт взялись за изучение структуры белков Cas: к этому моменту выяснилось, что они выполняют роль нуклеаз, то есть разрезают ДНК. Несмотря на все находки, значение открытия по-прежнему было неясным: «У вас нет никакой определенной практической цели, – объясняла Дудна работавшему в ее лаборатории Виденхефту. – Важно лишь понять, как это работает». Но по мере работы выяснились многие удивительные детали.

CRISPR – это, действительно, нечто вроде гербария, каталог, в котором бактериальная клетка сохраняет образцы, фрагменты геномов вирусов, с которыми доводилось сталкиваться ей или ее предкам. Пользоваться этим каталогом могут специальные белки, ассоциированные с CRISPR (CRISPR-Associated Proteins, Cas). Ориентируясь на эти образцы, они быстро распознают новые вирусные гены и разрезают их, выводя из строя.

Биолог Карл Циммер объясняет работу системы CRISPR/Cas так: «По мере того, как область CRISPR заполняется вирусной ДНК, она становится ключевой «галереей» в клетке, где представлены «портреты» микробов, с которыми бактерии доводилось встречаться. Впоследствии эта вирусная ДНК может использоваться для «наведения» точного орудия Cas-белков».

Для этого бактериальная клетка синтезирует на сохраненных фрагментах ДНК короткие образцы, молекулы РНК. Каждый из этих РНК-«гидов» (гРНК) связывается с белком Cas, способным разрезать ДНК, подходящую под этот образец. Эти комплексы постоянно патрулируют клетку, отслеживая появление любой ДНК и сопоставляя ее с гРНК. Если совпадение есть, двойная спираль ДНК тут же разрезается на части и инактивируется. «Как только мы осознали Cas в качестве программируемых, разрезающих ДНК ферментов, произошел интересный момент, – вспоминала впоследствии Дженнифер Дудна. – Мы воскликнули: «Боже, да это же может быть инструментом!»»

Сегодня определено целое семейство белков Cas, но наиболее изученным и освоенным оказался протеин Cas9, выделенный из бактерий Streptococcus pyogenes – возбудителей скарлатины. Именно он лег в основу новейшей методики генетической модификации живых организмов CRISPR/Cas9, методики, обещающей невиданный прорыв в биотехнологиях, сельском хозяйстве и медицине.

Модификация

В самом деле, белок Cas9 – это нуклеаза, то есть фермент, разрезающий ДНК. Для любого метода генетической модификации – удаления или добавления целевых активных генов в организм – эта способность играет ключевое значение. Чтобы копировать и вставлять, нужно вырезать, причем делать это в строго определенном месте. До сих пор с точностью у генетиков были проблемы.

Вспомним, что молекула ДНК – это, по молекулярным меркам, невероятно длинная цепочка, общая длина которой в каждой хромосоме каждой нашей клетки достигает порядка сантиметров. Разнообразием этот полимер не отличается, состоя всего из четырех разных звеньев: аденина (А), гуанина (Г), тимина (Т) и цитозина (Ц), которые повторяются миллионы и миллионы раз. Найти в этом однообразии именно нужный участок неимоверно сложно.

Долгое время в распоряжении генетиков имелись лишь системы с нуклеазами, которые распознавали короткие участки – например, четыре нуклеотида АТЦЦ или ТГЦА, – которых на протяжении цепочки могут встречаться десятки и сотни. В результате разрезы производились в случайном из этих мест, и лишь кропотливая работа позволяла отобрать клетки, в которых этот процесс прошел в нужном участке генома. В отличие от них, вооруженный гРНК белок Cas9 распознает фрагмент длиной с эту РНК – около 20 нуклеотидов. Такие участки уже, как правило, вовсе не повторяются в ДНК даже высших организмов.

Более того, сама структура комплекса Cas9 с гРНК определяет простоту работы с ней. Достаточно открыть в компьютере базу с ДНК нужного организма, найти фрагмент, который должен быть разрезан, и синтезировать молекулы гРНК с той же последовательностью оснований (и заменой тимина, роль которого в РНК играет урацил, У). Cas9 – нуклеазы неразборчивые и будут резать ДНК где угодно, лишь бы гРНК совпала.

В отличие от этого, системы генетической модификации предыдущих поколений требовали долгой работы по проектированию и синтезу ферментов-нуклеаз, способных распознавать определенные участки ДНК. Например, методы с использованием связывающихся с ДНК «цинковых пальцев» ZFN (Zinc Finger Nuclease) или белков TALEN (Transcription Activator-Like Effector Nucleases) теоретически позволяют работать с еще более длинными фрагментами ДНК. Однако для каждой конкретной задачи их приходится проектировать отдельно.
Наконец, CRISPR/Cas9 универсален по отношению к разным видам модифицируемых организмов. Метод прост и эффективен и, по крайней мере, теоретически с одинаковым успехом подходит для получения риса с повышенным содержанием витамина А или лосося, набирающего массу вдвое быстрее обычного, для внесения новых генов или замены дефектных у племенных лошадей и людей… Но прежде чем перейти к людям, давайте «потренируемся на кошках». А лучше – на мышах.

Мыши, люди и все-все-все

Представим, что нам требуется получить мышей-альбиносов, чтобы изучить, как влияет это состояние на здоровье разных систем организма у людей. Для этого следует «выключить» обе копии гена, связанного с синтезом пигмента меланина. Если мы привержены традиционным подходам к генетической модификации (кстати, по большей части тоже заимствованным у бактерий), то нам стоит запастись терпением.

Для начала нам следует синтезировать «ген альбиносости» и получить мышиные эмбрионы на самых первых этапах развития. Затем в их ядра через тончайшую полую стеклянную иглу внести новую ДНК. В делящихся клетках происходит рекомбинация – обмен гомологичными участками хромосом – так что, трижды сплюнув, будем надеяться, что она захватит и нужный нам фрагмент. Методом проб и ошибок, бесконечными повторами и отбраковыванием мы можем получить мышей, которые получили одну копию «гена альбиносости» и оказались способны передать ее потомству. Затем, скрещивая таких животных, рано или поздно мы добьемся рождения особей с заменой обеих копий. Можно выжидать, а лучше сразу переходить на CRISPR/Cas9.

Действительно, чтобы получить тех же мышей-альбиносов, достаточно найти пограничные участки нашего целевого гена и синтезировать для них гРНК, после чего ввести в эмбрион вместе с белками Cas9 и ДНК нового гена. Подхватив гРНК, нуклеазы Cas9 разрежут обе копии гена по краям, после чего в дело включатся клеточные системы репарации, ответственные за поддержание целостности генома.

Это чрезвычайно ответственная задача, поэтому белки репарации действуют быстро и даже грубо. Обнаружив повреждение ДНК – тем более такое опасное, как двухцепочечный разрез, – они готовы подхватить первый попавшийся кусок ДНК, буквально «затыкая» образовавшуюся брешь. Так что если в клетке окажется достаточно нужных нам фрагментов, в место, разрезанное белками Cas9, будут встроены они.

Недаром за прошедшее с момента открытия CRISPR/Cas9 генетическая модификация совершает прорыв за прорывом. Громкое заявление китайских биологов – тому лишь один из примеров. КНР остается страной с одним из самых мягких законодательств в области генной инженерии. Даже в Великобритании, где разрешены эксперименты по применению CRISPR/Cas9 на человеческих эмбрионах, получившихся химер требуется уничтожать в возрасте не старше 14 суток. В Китае дозволяется куда больше.

Такие работы невероятно перспективны: буквально в последние годы показано, что CRISPR/Cas9 позволяет редактировать гены даже во взрослом организме, очищая ДНК Т-лимфоцитов от заразившего их ВИЧ. А в том же Китае ученые (не слишком успешно) пытались получить эмбрионы, устойчивые к этой инфекции. Теперь же речь идет о борьбе с раком. Для этого медики планируют отредактировать ДНК тех же Т-лимфоцитов – точнее говоря, ген белка PD-1, который в норме держит их под контролем.

Активный ген PD-1 блокирует способность Т-лимфоцитов атаковать собственные клетки организма и предотвращает развитие аутоиммунных заболеваний. Однако в случае рака такая способность пришлась бы очень к месту, и ученые собираются, забрав клетки у реальных онкологических больных, изменить ген PD-1 с помощью CRISPR/Cas9 (теперь мы в общих чертах понимаем, как это можно сделать). Вернув в организм эти лимфоциты, авторы ожидают, что те начнут размножаться и атаковать опухоль.

Рак и ВИЧ – лишь пара громких примеров. Однако в будущем CRISPR/Cas9 и генетическая модификация позволят избавиться от множества других болезней. Тем более что множество тяжелейших состояний связаны с нарушением в работе всего одного гена: их, видимо, исправить будет куда проще, чем вылечить тот же рак. В отличие от них, доброта и ум, красота или спортивные способности – продукт работы массы разных генов, воспитания и других факторов среды. Так что CRISPR/Cas9 принесет лишь пользу, а использовать ее во вред вряд ли получится. Разве что просто попугать.

Источник: naked-science. ru

Известно, что фотоны, частицы света, двигаются с огромной скоростью, не имеют массы покоя и практически не взаимодействуют друг с другом. Однако, проводя серию последних экспериментов, ученые из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета создали принципиально новую форму света, в которой фотоны объединяются в группы, взаимодействуют друг с другом, замедляются и обретают массу.

© Christine Daniloff/MIT

Основой новых экспериментов стали результаты предыдущих исследований, в которых та же самая группа преуспела в создании так называемых «фотонных молекул», состоящих из пар взаимодействующих фотонов. И если удается получить взаимодействие двух фотонов, то почему такое не может произойти с участием трех или большего их количества?

«К примеру, мы можем объединить атомы кислорода и получить молекулы O₂ и O₃ (озон), но молекулу O₄ получить уже не удастся никаким из известных способов. Более того, большинство химических элементов не могут иметь молекулы, состоящие из трех атомов» — рассказывает Владан Вулетик (Vladan Vuletic), ведущий исследователь, — «В связи с этим у нас возник вопрос, можем ли мы добавить дополнительные фотоны и получить фотонные молекулы больших размеров?».

Новые эксперименты были во многом похожи на предыдущие. Облако атомов рубидия было охлаждено до температуры, близкой к температуре абсолютного ноля. После этого внутрь этого облака был направлен очень слабый луч света, в потоке которого содержалось по нескольку фотонов за один раз. И ученые измеряли параметры фотонов, которые появлялись из недр облака сверхохлажденных атомов.

В обычных условиях из недр облака атомов через случайные промежутки времени выходили бы единичные фотоны, двигающиеся в произвольном направлении. Однако, ученые зарегистрировали необычный факт, фотоны покидали пределы облака атомов группами по два-три фотона. Мало того, что такие фотоны буквально притягивались друг к другу, они получили массу. И пусть эта обретенная масса соответствует только маленькой части массы электрона, это огромный скачек для частицы, не имеющей массы покоя в обычных условиях. Обретение массы фотонами сказалось на их скорости перемещения, делая их в 100 тысяч раз медленней скорости света, скорости, с которой они распространяются в обычных условиях.

Помимо скорости и массы ученые измерили частотную характеристику фотонов, известную как фазу. Чем большее значение (смещение) имеет эта фаза, тем сильней взаимодействуют частицы света друг с другом. И изменение фаз фотонов, входящих в тройку, в три раза больше изменения фазы фотонов, входящих в пару.

«Удивителен сам факт того, что фотоны вообще смогли сформировать тройки» — рассказывает Вулетик, — «И в будущем мы постараемся выяснить, насколько более сильно связаны фотоны в тройках по отношению к фотонам, объединившимся в пары».

Так почему же происходит столь необычное явление? Для объяснения этого ученые выдвинули правдоподобную гипотезу, когда изначальные фотоны врезаются в атомы рубидия, возникают поляритоны, квантовые частицы, состоящие наполовину из света и наполовину из материи. Поляритон имеет массу и он может взаимодействовать с другими поляритонами. В момент такого взаимодействия поляритоны, два или три, распадаются, атомы остаются на месте в пределах облака, а фотоны продолжают двигаться, пребывая в связанном состоянии. И поскольку такие фотоны запутаны на квантовом уровне, они предоставляют возможность для их использования в технологиях квантовых вычислений.

Сейчас ученые наблюдают то, что взаимодействующие фотоны как бы притягиваются друг к другу. Но в дальнейшем будут проведены эксперименты, в которых ученые хотят добиться обратного — чтобы взаимодействующие связанные фотоны начали отталкивать друг друга.

«Все это является абсолютно новым и мы даже не знаем чего ожидать в будущем даже с теоретической точки зрения» — рассказывает Вулетик, — «Вполне вероятно, что фотоны, отталкивающие друг друга сформируют какой-то регулярный образ, своего рода «световой кристалл»».

Статья опубликована в журнале Science
Источник: dailytechinfo. org