Интервальные тренировки повернули вспять болезнь Паркинсона

Новый эксперимент с участием пациентов с болезнью Паркинсона показал, что высокоинтенсивные интервальные тренировки способны не только замедлить нейродегенерацию, которой сопровождается эта патология, но и придать ей обратный ход.

Гребля на гребном тренажере

Ключевым фактором развития болезни Паркинсона считают неправильную укладку белка альфа-синуклеина, присутствующего в клетках человека. Накапливаясь, этот неправильно сформированный белок нарушает работу нейронов и вызывает их гибель. Сильнее всего страдают дофамин-производящие клетки, расположенные в области у основания мозга, которую называют черной субстанцией (Substantia nigra). По мере их отмирания появляются двигательные симптомы, такие как тремор и замедление движений.

Из-за постепенного развития болезни к моменту постановки диагноза у пациентов обычно погибает более половины нейронов, вырабатывающих дофамин. Самый распространенный способ лечения — прием препаратов, заменяющих дофамин, — облегчает симптомы, но не предохраняет от дальнейшей нейродегенерации. Кроме того, длительное применение таких лекарств может вести к нежелательным побочным эффектам в виде неконтролируемых чрезмерных движений.

Хотя врачи пока не нашли способ излечить болезнь Паркинсона, важную роль в терапии играют упражнения. В двух предыдущих клинических испытаниях исследователи установили, что высокоинтенсивная физическая нагрузка три раза в неделю на протяжении шести месяцев коррелировала с уменьшением проявлений двигательных симптомов у людей с паркинсонизмом.

Специалисты Йельской школы медицины (США) шагнули дальше. В новом исследовании, которое опубликовал журнал npj Parkinson’s Disease, они проследили, как интервальные тренировки подействовали на состояние мозга пациентов с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и нейромеланин-чувствительного МРТ-сканирования.

Изначально для эксперимента набрали 13 добровольцев, но после пробного периода трое из них по разным причинам выбыли. В итоге остались десять участников: шесть мужчин и четыре женщины в возрасте от 59 до 69 лет. Болезнь Паркинсона у них диагностировали менее четырех лет назад, и пациенты еще не потеряли все вырабатывающие дофамин нейроны.

Уровень дофаминтранспортного белка до и после шести месяцев тренировок.

Красные и синии линии - результат измерения участников
Сплошная черная линяя - среднее значение
Пунктирная черная линяя - ожидаемое снижение по сравнению со средним показателем до тренировки при отсутствии вмешательства

Перед началом полугодовой программы тренировок, которые тоже проводили трижды в неделю, участникам дали две недели убедиться, что они справляются. При этом типе нагрузки упражнения высокой интенсивности чередуются с менее интенсивными или периодами отдыха.

Такие тренировки психологически тяжелы, поскольку требуют высокой мотивации и стойкости. Поэтому они далеко не всем подходят. В то же время, видимо, в связи с возрастом участников тренировочный план для них был относительно щадящим: их пульс при тренировках не превышал 154.

Также добровольцам провели МРТ- и ПЭТ-обследование, чтобы измерить количество нейромеланина — темного пигмента в дофамин-производящих нейронах в черной субстанции мозга, и дофаминтранспортного белка (DAT), помогающего нейронам поддерживать необходимый уровень этого гормона.

Спустя шесть месяцев занятий обследование повторили. Результаты сканирования поразили медиков. Выяснилось, что количество нейромеланина и сигналов DAT в черной субстанции значительно увеличилось. По словам авторов, это говорит о том, что высокоинтенсивные упражнения не просто затормозили нейродегенерацию, но и помогли оздоровить дофаминергическую систему.

С учетом малой выборки ученые отметили, что для подтверждения выводов нужны дополнительные исследования. Они призвали коллег продолжить изучение потенциала физических упражнений в лечении болезни Паркинсона.

Статья спизжена отсюда

Найдено универсальное противоядие от смертельных змеиных ядов

Хотя современные методы лечения отравлений змеиными ядами достаточно развиты, необходимо сначала идентифицировать вид укусившей человека змеи, чтобы подобрать нужное противоядие. Но благодаря новому исследованию международной команды ученых вскоре этого не придется делать. Они разработали универсальное антитело, нейтрализующее смертельный яд кобр, крайтов и мамб и потенциально способное спасать десятки тысяч жизней ежегодно.

Королевская кобра

Отравление из-за змеиных укусов признано серьезной глобальной проблемой общественного здравоохранения. По различным оценкам (впрочем, большинство из них несколько завышены), от укусов змей ежегодно умирают до 138 тысяч человек, еще более 400 тысяч остаются инвалидами. В основном страдает население Африки и Азии, причем не только из-за большого числа случаев укуса змей, но и из-за ограниченного доступа к адекватной медицинской помощи.

Для решения этой проблемы крайне необходимы улучшенные методы лечения. Сегодня для борьбы с отравлениями смертельными ядами змей необходимо точно идентифицировать вид укусившей человека змеи для подбора подходящего противоядия. Однако и в этом случае не исключены осложнения в виде сывороточной болезни и анафилаксии — аллергической реакции организма на присутствие в крови чужеродного белка-противоядия, который зачастую имеет животное происхождение.

Поэтому международная группа исследователей из США, Великобритании и Индии решила создать универсальное противоядие от смертельного яда змей семейства аспиды (Elapidae). В это обширное семейство входит 384 вида ядовитых змей, включая самых опасных: королевскую кобру, черную мамбу и индийского крайта. О своей разработке ученые сообщили в статье, опубликованной в журнале Science Translational Medicine.

Кристаллическая структура взаимодействия антитела 95Mat5 с токсином 3FTx-L15 и сходство при взаимодействии α-бунгаротоксина с белком мышечного рецептора nAChRα1

Чтобы найти антитело, блокирующее токсин 3FTx и наименее вероятно вызывающее аллергическую реакцию, биологи изучили библиотеку, содержащую более 50 миллиардов различных человеческих антител. Они проверили, какие лучше всего связываются с различными вариантами белка токсина 3FTx. Таким образом удалось сузить область поиска до 30 антител, из которых лишь одно выделялось наиболее сильным взаимодействием с токсином яда — антитело 95Mat5.

Затем ученые протестировали действие полностью синтетического 95Mat5 на мышах, которым вводили токсины южнокитайского многополосного крайта, моноклевой кобры, черной мамбы и королевской кобры. Во всех случаях грызуны, которым одновременно вводили 95Mat5, были защищены не только от гибели, но еще от паралича и каких-либо других осложнений. Когда исследователи изучили, почему 95Mat5 настолько эффективен в блокировании различных вариантов токсина 3FTx, они обнаружили, что антитело имитирует структуру человеческого белка, с которым обычно связывается токсин 3FTx, вызывая мышечный паралич.

Хотя 95Mat5 эффективен против яда всех аспидов, он не блокирует яд гадюк — второго обширного семейства ядовитых змей. В дальнейшем авторы работы планируют найти широко нейтрализующие антитела против другого токсина аспидов, а также двух токсинов, содержащихся в яде гадюк. По словам исследователей, объединение 95Mat5 с тремя другими антителами потенциально может работать как универсальное противоядие от любой змеи в мире.

Статья спизжена отсюда

Адаптация приматов-инвалидов в дикой природе

Канадские исследователи изучили поведение приматов в естественной среде обитания и пришли к выводу, что те из них, кто имеет врожденные аномалии или покалечен в процессе жизни, вполне неплохо адаптируются к своим недостаткам. Они не только выживают, но и размножаются. Более того, им активно помогают сородичи.

Японская макака с врождёнными дефектами

Врожденные пороки развития, болезни и травмы, полученные во взрослом возрасте, бывают не только у людей, но и у животных. Это вовсе не означает, что такая особь в дикой природе непременно погибнет — она может жить и адаптироваться к своим недостаткам.

Ученые из Университета Конкордия (Канада) решили больше узнать о том, как такие животные выживают в дикой природе. Исследование, опубликованное в American Journal of Primatology, посвящено приматам. Специалисты проанализировали 2807 исследований, проведенных с 1931 по 2023 год. В работах изучались в общей сложности 125 видов, чаще всего это были шимпанзе. К другим видам относились японские макаки, макаки-резусы, макаки-крабоеды и оливковые бабуины. Из всего объема изученных работ ученые выделили 114 статей о физических недостатках приматов.

Выяснилось, что врожденные пороки развития больше характерны для макак, а вот травмы и болезни в процессе жизни чаще получали шимпанзе. По крайней мере, именно такие случаи были объектом проанализированных учеными работ.

Несмотря на физические недостатки, приматы смогли приспособиться — они адаптировали свое типичное для вида поведение, чтобы выжить и даже размножаться. Так, некоторые шимпанзе успешно передвигались на трех или даже двух конечностях (за неимением остальных) вместо обычных четырех. Приматы с физическими особенностями активно внедряли в свою жизнь новые способы функционирования. Если у них не было передних конечностей, они использовали предплечья, чтобы наклонить ветку с фруктами и поесть.

Интересно, что к нуждам детеныша-инвалида адаптировались и их родители. Они обеспечивали дополнительный уход, что не наблюдалось в случае здорового потомства. Более того, сородичи помогали своим родственникам с ограниченными возможностями. Например, самец японской макаки «усыновил» молодую обезьяну-сироту с физическими недостатками.

(1) Взрослый самец без кистей и с пороками развития ног;
(2) Тот же самец прыгает на двух ногах;
(3) Взрослый самец с пороками развития кистей ест картошку;
(4) Группа обезьян с ограниченными возможностями и без них занимается социальным уходом;
(5) Молодая самка с обширными пороками развития всех четырех конечностей, передвигается используя локти;
(6) Взрослая самка-инвалид ухаживает за сородичем без инвалидности, используя жесты ухода, характерные для инвалидов;
(7,8) Взрослый самец без инвалидности держит и ухаживает за младенцем-инвалидом, в то время как мать сидит рядом;
(9) Взрослая самка с сильно уродливыми руками сжимает зерно в жесте кормления, характерном для инвалидов

«Приматы находят способы изменить свое поведение — например, уникальный стиль передвижения, ношение своих детенышей, методы поиска пищи, а также индивидуальный стиль социального ухода, чтобы компенсировать свои физические недостатки», — рассказала одна из авторов работы Сара Тернер.

Еще ученые узнали, что примерно 60 процентов случаев инвалидности приматов были связаны с деятельностью человека. Обезьяны попадали в силки, предназначенные для других животных, получали увечья в результате столкновений с автомобилями, переносили инфекции, передающиеся от людей, или болели из-за воздействия загрязняющих веществ. Этот вывод оказался весьма неожиданным для исследователей, поэтому они рекомендовали уделить более пристальное внимание охране дикой природы.

Статья спизжена отсюда

Ученые впервые увидели размножение гигантских антарктических морских пауков

Процесс размножения гигантских морских пауков из Антарктиды не попадался на глаза исследователям более 140 лет — с момента их открытия и до сих пор. Недавно ученые отправились на отдаленный континент и своими глазами увидели поведение этих загадочных существ.

Морские пауки (класс Pycnogonida) — это группа паукообразных беспозвоночных, обитающих в морских средах по всему миру. Большинство из них размером меньше ногтя, но у антарктического вида Colossendeis megalonyx размах конечностей (от кончика одной ноги до кончика противоположной ноги) превышает 40 сантиметров. Это животное представляет собой известный пример «полярного гигантизма» — эволюционного феномена, когда организмы в полярных регионах вырастают до гораздо больших размеров, чем их сородичи в более теплом климате.

У всех известных видов морских пауков самец-родитель заботится о детенышах,  вынашивая эмбрионы на яйценосных ножках от оплодотворения до вылупления и часто после него. Исключительная забота самца о потомстве — самый редкий вид родительской заботы, и его эволюционное происхождение у морских пауков не раскрыто до конца.

Пара антарктических морских пауков. Стрелка указывает на кладку яиц

Команда исследователей, ныряя под льды Антарктики, вручную собрала несколько пауков, которые спаривались. Ученые перенесли их в резервуары для наблюдения. Оказалось, что гигантские морские пауки вынашивали потомство иначе, чем остальные виды морских пауков. Выводы исследователей опубликованы в журнале Ecology.

К удивлению авторов работы, две разные спаривающиеся группы произвели тысячи крошечных, около миллиметра диаметром, яиц. Они впервые были замечены в виде студенистого облака, окружающего одного паука, который ранее был частью группы спаривания. Вместо того чтобы вынашивать детенышей, пока они не вылупятся, как у большинства видов морских пауков, один из родителей (вероятно, самец) провел два дня, прикрепляя яйца к каменистому дну.  В течение нескольких недель после откладки мельчайшие яйца обросли микроскопическими водорослями, обеспечивая идеальную маскировку.

Ученые выдерживали эмбрионы в отфильтрованной морской воде в инкубаторах при температуре -1,8 градуса по Цельсию в течение 11 месяцев и фотографировали их каждые 2-3 недели под микроскопом. Развитие шло медленно, что характерно для антарктических видов. Зачатки конечностей были видны только на 83 день и становились все более и более отчетливыми на протяжении остального процесса созревания. Первая вылупившаяся личинка была замечена примерно через 8 месяцев после нереста.

(e) Бластулы, через 6 месяцев после нереста. (f) Невылупившиеся особи через 8 месяцев после нереста. (g, h) Только что вылупившиеся личинки 50 мкм

В итоге ученые впервые узнали детали жизненного цикла этих удивительных антарктических животных. Открытый механизм ухода за эмбрионами у гигантских морских пауков представляет собой эволюционно промежуточную стратегию между свободным нерестом и отцовским вынашиванием, характерным для большинства других групп морских пауков.

Общая экология и репродуктивная биология морских видов Антарктики остаются в подавляющем большинстве неизвестными, до сих пор были описаны лишь несколько видов с этого континента. Подобные работы буквально проливают свет на то, как обитают животные в одной из наименее изученных частей мирового океана.

Статья спизжена отсюда

Биологи объяснили, почему у растений разная форма листьев

Исследователи из США и Китая определили генетические механизмы, лежащие в основе разнообразия форм листьев у растений. Полученные данные позволят адаптировать растения к разным климатическим зонам и повысить их урожайность путем управления формированием листьев на генетическом уровне.

Земляника с различной формой листьев

Форма, размер, структура и сложность строения листьев растений могут значительно отличаться даже у разных сортов одного вида, не говоря уже об их общем многообразии в природе. Наблюдаемые различия возникли не совсем случайно. Они обусловлены необходимостью терморегуляции, управления водным режимом листа и адаптации растений к условиям окружающей среды, таким как влажность воздуха и количества солнечного света.

Разнообразие листьев определяется главным образом двумя факторами: сложностью листа и особенностями его края. Простой лист состоит из одной плоской пластинки, а сложный — из нескольких простых. В свою очередь, край листа может быть цельным, зубчатым или лопастным с разной глубиной зубцов.

Чтобы определить, от чего зависит характер развития листьев, биологи из Мэрилендского университета (США) и Шэньчжэньского института синтетической биологии (Китай) изучили их формирование на примере лесной земляники (Fragaria vesca). Исследователи определили два ключевых регуляторных пути, участвующих в развитии разной структуры листьев у трех мутантов земляники. Результаты своей работы ученые описали в статье, опубликованной в журнале Current Biology.

Обычно у земляники образуются сложные листья, состоящие из трех отдельных листочков, причем край каждого из них имеет четко выраженные зубцы. Но недавно был обнаружен мутант с одиночными листьями вместо тройных. В новом исследовании международная команда биологов идентифицировала мутант с тройными листьями, но более глубокими зубцами.

Краткое графическое представление результатов исследования

Подробно изучив геном этих трех вариантов земляники, ученые обнаружили два независимых пути, при помощи которых генетические факторы SL1 и SALAD определяют сложность и зубчатость листьев соответственно. Чем больше в зачатке листа синтезируется фактора SL1, тем более сложным он получится: тройным, пятерным и так далее. И наоборот, чем меньше в клетках на краю листа образуется фактора SALAD, тем более глубокие зубцы получаются. Удивительно, но эти два пути регуляции формы листьев в конце сходятся и влияют на работу одного и того же гена CUC2, который во многом отвечает за рост и деление растительных клеток.

Причем выводы биологов не ограничиваются земляникой и могут применяться ко многим другим растениям. Эксперименты с резуховидкой таля (Arabidopsis thaliana) — стандартным модельным растением — показал аналогичную регуляцию особенностей листа. По мнению исследователей, эта связь может быть использована, чтобы помочь растениям адаптироваться или переносить более широкий спектр условий в разных климатических зонах.

Резуховидка таля или просто арабидопсис

«Если мы сможем настроить эту регуляцию, мы сможем, например, заставить растение производить больше биомассы, что потенциально будет способствовать увеличению производства фруктов. Мы также можем вывезти эту землянику куда-нибудь за пределы ее естественной среды обитания и расширить ее адаптивность, изменив морфологию листьев. Например, больше зубцов означает, что они будут иметь более высокую устойчивость к холоду. А более широкие и гладкие листья будут лучше адаптированы к более теплому климату», — объяснили авторы нового исследования.

Статья спизжена отсюда

Как спутники Марса проходят перед Солнцем

Ровер NASA Perseverance 8 февраля 2024 года наблюдал за прохождением марсианского спутника Фобоса перед Солнцем и запечатлел это событие с помощью камеры Mastcam-Z.

Транзит марсианских спутников перед Солнцем

Видеоролик, который создали из 57 изображений, сделанных Perseverance, показывает транзит Фобоса в реальном времени (около 38 секунд).

Для сравнения: ниже представлена комбинация транзита Фобоса 8 февраля и Деймоса 20 января, показывающая движение обеих лун практически в реальном времени.

Деймос находится почти в четыре раза дальше от Марса, чем Фобос, поэтому ему требуется больше времени, чтобы пройти мимо Солнца.

Масштабное исследование выявило 21 универсальное выражение лица

Американские психологи провели крупное исследование эмоций в разных культурах с помощью глубокой нейронной сети. В эксперименте почти шесть тысяч участников подражали фотографиям лиц с различными выражениями, а затем определяли изображенные эмоции. Используя нейросеть, ученые проанализировали полученные данные и выявили 21 выражение с высокой культурной универсальностью.

Эмоции можно назвать универсальным языком человечества. Дарвин объяснял их возникновение и развитие эволюционной необходимостью. Психолог Пол Экман выделял шесть универсальных выражений лица: гнев, отвращение, страх, удивление, печаль и радость. Но эмоций и выражений внутреннего состояния существует несколько десятков, и в разных культурах они называются по-разному. Сколько вообще эмоций можно передать мимикой и насколько они универсальны?

Подобными вопросами задались исследователи из США. Они собрали базу данных из выражений лиц 5833 участников из шести стран: Китая, Эфиопии, Индии, Южной Африки, США и Венесуэлы. Ученые взяли 4659 изображений различных выражений лица и попросили испытуемых сфотографировать себя, имитируя мимику на картинках.

Участники в сумме сделали 423 193 фотографии и оценили эмоциональную интенсивность от нуля до 100 согласно 48 эмоциональным определениям в шести странах. Используя глубокую нейросеть, которую обучили предсказывать значения движений лица, игнорируя внешность и контекст, исследователи выявили 21 выражение с высокой культурной универсальностью. Результаты опубликованы в журнале iScience.

Главные недостатки предыдущих подобных исследований, как утверждают авторы статьи, состояли в недостаточной выборке и в том, что нейросеть ранее обучалась на эмоциях одной культуры. Чтобы избежать неправильного перевода определений в разных культурах, в новой работе нейросеть обучали определять выражение лица в каждой культуре отдельно — у нее не было предварительных знаний о том, как эмоциональные понятия переводятся с одной языка на другой.

Участники проходили эксперимент в два этапа. Сначала они подражали случайным выражениям лица из 4659 предложенных изображений. Затем они определяли, что чувствует человек на картинке, и оценивали интенсивность эмоции от нуля до 100. Испытуемые из Индии, Южной Африки и США использовали термины английского языка, из Китая — китайского, из Эфиопии — амхарского, из Венесуэлы — испанского. На втором этапе независимая группа участников из каждой страны по тем же критериям оценивала мимику на фотографиях других испытуемых.

В результате выяснилось, что выражения лица, которые ассоциируются с 17 разными эмоциями, определялись одинаково во всех шести странах. Это «гнев», «скука», «концентрация», «отвращение», «страх», «радость», «боль», «грусть», «сексуальное желание», «(положительное) удивление», «усталость», «триумф», «спокойствие», «растерянность», «разочарование», «страдание» и «интерес». Четыре других понятия ученые классифицировали не так точно: «созерцание» в одних странах ассоциировалось с «сомнением» в других, то же самое случилось с парами «любовь» / «романтика»; «удовлетворение» / «довольство»; «(негативное) удивление» / «благоговение».

Однако, как отметили авторы, их исследование не лишено ограничений. Так, 4659 выражений лица испытуемых — это далеко не все возможные комбинации движений лицевых мышц. К тому же, помимо четырех выбранных языков, на которых говорит 40% населения Земли, существует еще 189 стран и 6500 других языков. Также до конца не ясно, как меняется мимика в зависимости от пола, социального класса и прочих индивидуальных различий.

Физики решили «проблему Фейнмана» об инвертированном разбрызгивателе. Ответ очевидный, а вот объяснение — нет

В какую сторону будет вращаться обычный садовый опрыскиватель, если поток жидкости в нем обернуть вспять? Ответ на этот вопрос выглядит абсолютно очевидным. И он всегда разный в зависимости от степени понимания отвечающим физики протекающих процессов. Поэтому неудивительно, что загадка об инвертированном разбрызгивателе занимала лучшие умы человечества многие десятилетия. К счастью, американские ученые наконец-то теоретически и экспериментально обосновали по-настоящему правильное ее решение.

Разбрызгиватель, работающий в инвертированном режиме (вода движется к центру устройства через трубки-сопла внутрь). Хорошо видны формирующиеся внутри него вихри разного размера и направления

Для начала стоит упомянуть, что проблема инвертированного разбрызгивателя — наглядная иллюстрация закона Стиглера: Ричард Фейнман лишь популяризовал загадку, но сформулировал ее далеко не первым. Наиболее раннее упоминание этого теоретического вопроса встречается в труде The Science of Mechanics (1883 год) небезызвестного Эрнста Маха, именем которого названо число Маха. Экспериментальные попытки определить, в какую сторону будет вращаться инвертированный разбрызгиватель, стали предпринимать примерно с 1940-х годов.

Имя Фейнмана с этой задачей связано следующим образом. Во-первых, когда он услышал обсуждение проблемы инвертированного разбрызгивателя (как раз в 1940-е) коллегами-аспирантами, предложил провести эксперимент. И не где-нибудь, а в помещении циклотрона Принстонского университета. Опыт закончился феерично: задействованный в процессе стеклянный бак разорвало от избыточного давления. Результат оказался спорным, разбрызгиватель сначала немного дернулся вокруг своей оси, а затем замер и больше не двигался. Хотя вода через него продолжила проходить.

Во-вторых, именно Фейнман познакомил широкую публику с проблемой инвертированного разбрызгивателя. Она упоминается в его автобиографической книге «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман» (1985 год). Хотя в среде популяризаторов науки и ученых эта задача и ранее ассоциировалась с его фамилией, чем гениальный физик явно не был доволен. Он справедливо указывал, что лавры первооткрывателя принадлежат не ему, а Маху.

60-дюймовый циклотрон в Лаборатории радиации им. Лоуренса Калифорнийского университета в Беркли

Упрощенно суть проблемы заключается в следующем. Полностью погрузим садовый S-образный вращающийся разбрызгиватель в большую емкость и попробуем откачать через него воду. В какую сторону будет вращаться разбрызгиватель и будет ли он это делать вообще? Возможных решений три:

1 - Он будет вращаться в сторону, противоположную «обычному» режиму разбрызгивания: вода же всасывается, следовательно, на срезе сопел возникает разрежение. Это объяснение наименее полное с точки зрения физики, но интуитивно кажется самым логичным.

2 - Он будет вращаться в ту же сторону, что и «обычный» разбрызгиватель: увлекаемая в него вода передает часть крутящего момента на изгибающееся сопло. Этот вариант требует как можно меньшего трения во всех вращающихся деталях разбрызгивателя.

Разбрызгиватель, работающий в режиме обычного опрыскивателя (вода движется от центра устройства через трубки-сопла наружу)

На протяжении последнего полувека различные исследователи проводили эксперименты, чтобы определить, какой из этих вариантов соответствует действительности. Но результаты были всегда неоднозначные. Даже в тех случаях, когда трение движущихся частей разбрызгивателя удавалось снизить практически полностью, он либо стоял на месте, либо едва заметно вращался в противоположную сторону. Полноценного ответа найти не получалось.

За решение эпохальной задачи взялась лаборатория прикладной математики Курантовского института математических наук (NYU Courant: Institute) — независимого подразделения Нью-Йоркского университета. В ней уже не раз отвечали на животрепещущие вопросы «жизни, Вселенной и вообще»: в 2018 году нашли рецепт идеальных мыльных пузырей, в 2021-м объяснили формирование загадочных каменных лесов, а в 2022-м изучили нюансы аэродинамики планеров с тончайшими крыльями (что позволяет делать самые эффективные бумажные самолетики). Новая научная работа плодотворной исследовательской организации опубликована в рецензируемом журнале Physical Review Letters.

Чтобы во всех деталях изучить происходящее с инвертированным разбрызгивателем, ученым пришлось попотеть. Сначала они создали наиболее полную модель устройства, провели все необходимые вычисления и рассчитали разные варианты развития событий в эксперименте. Для опыта исследователи собрали такую установку, в которой не только минимизировано трение, но и устранены возможные возмущения от потоков жидкости вокруг самого разбрызгивателя.

Во время эксперимента использовали не обычную воду — в нее добавили отражающие микрочастицы, которые ярко светились в лучах подсвечивающего лазера. Так получилось наглядно увидеть поток жидкости и все возникающие в нем турбулентности. Результатом экспериментов и моделирования стала удивительная картина: инвертированный разбрызгиватель действительно будет крутиться в сторону, противоположную «обычному» режиму работы. Только в 50 раз медленнее. Самое удивительное, что обнаружили исследователи: механизм этого вращения полностью идентичен таковому у «правильного», не инвертированного разбрызгивателя. И его секрет кроется в том, что происходит внутри устройства.

Схема эксперимента: (a) — разбрызгиватель в разрезе (он способен работать и в обычном и в инвертированном режиме); (b) — чертеж всей установки; (c) — иллюстрация, показывающая метод визуализации турбулентных потоков (в плоскости трубок-сопел работает «лазерная завеса», которая подсвечивает отражающие микрочастицы, двигающиеся вместе с водой)

Дело в том, что при всасывании воды, трубки-сопла тоже формируют струи, только не снаружи разбрызгивателя, а внутри. Даже если они расположены строго на противоположных сторонах кольца и оси их параллельны, получившиеся струи не обязательно столкнутся в центре. Ведь сопла изгибаются, меняют направление движения воды, а она, в свою очередь, получает от этого дополнительный импульс. И когда покидает трубку, часть этого импульса заставляет поток отклоняться от прямолинейной траектории.

В результате внутри разбрызгивателя возникает несколько вихрей, вращающихся в противоположные стороны. Но их размер, а вместе с тем скорость и объем вовлеченной воды, не одинаковый. Это приводит к неравномерному распределению момента силы в разных направлениях. И устройство вращается.

Вывод исследования можно кратко сформулировать так: будет ли фейнмановский разбрызгиватель вращаться и если да, то в какую сторону, — в первую очередь зависит от внутренней геометрии этого разбрызгивателя. В общем случае он будет едва заметно вращаться в обратную сторону, но если трение в его деталях велико, то это движение зафиксировать трудно.

Статья спизжена отсюда

Биологи выяснили, как тихоходки выживают в экстремальных условиях

Долгое время для исследователей оставалось загадкой, как именно тихоходки запускают анабиоз, при котором их тело высыхает и выглядит словно безжизненный шар. В таком состоянии эти животные могут переносить холод, голод, засуху на протяжении нескольких лет. К ответу на вопрос приблизились американские биологи.

ссылка на гифку

Тихоходка под микроскопом

Тихоходки (Tardigrada) — восьминогие микроскопические беспозвоночные, которых еще называют «маленькими водяными медведями» из-за их ног, отдаленно напоминающих лапы медведя. Тихоходок по праву можно назвать самыми живучими существами на земле: считается, что они способны пережить любой апокалипсис.

Эти животные десятилетиями могут находиться под водой, выдерживать температуры ниже минус 200 градусов Цельсия и на протяжении нескольких лет жить в жидком кислороде при минус 193 градусах. Также тихоходка годами способна существовать без еды, воды и кислорода, вполне комфортно чувствует себя в открытом космосе и хорошо переносит воздействие радиации.

В экстремальных условиях у тихоходок повышается уровень стресса, и они переходят в состояние анабиоза, при котором втягивают свои конечности, резко сокращают запасы воды. Тело высыхает и выглядит как безжизненный шар (или тун — так называют шарообразную форму тихоходок в анабиозе). Во время глубокой спячки метаболизм тихоходок замедляется до 0,01 процента от его нормальной скорости. Такое состояния значительно повышает шансы на выживание.

Тихоходка в анабиозе

Пока тихоходки находятся в анабиозе, их легко переносят ветер и вода. Когда животные попадают в благоприятные условия, уровень стресса возвращается к норме, и они «оживают». Важно отметить, что эти существа не процветают в экстремальных условиях, а просто их переживают.

Ученые давно пытаются понять, какие именно механизмы отвечают за состояние «туна», то есть за превращение тела тихоходок в «безжизненный шар». К ответу приблизилась группа американских исследователей из Университета Маршалла и Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле. Результаты работы опубликованы в журнале PLoS One.

Чтобы вызвать у тихоходок «тун», биологи подвергли животных воздействию высоких концентраций перекиси водорода, сахара и соли при температуре минус 80 градусов. В эксперименте использовали вид тихоходок Hypsibius exemplaris, который выращивали в лаборатории в одно- и двухлитровых колбах на протяжении нескольких недель. Затем их переносили в чашки Петри, где испытывали и изучали с помощью микроскопов и масс-спектрометрии, позволяющей исследовать и анализировать вещества.

Ученые обнаружили, что когда у тихоходок повышался уровень стресса, они вырабатывали высокореактивные молекулы — внутриклеточные активные формы кислорода (свободные радикалы). Затем эти свободные радикалы вступали в реакцию с другими молекулами и окисляли аминокислоту под названием цистеин — важный компонент многих белков и ферментов. Такие реакции заставляли белки менять свою структуру и функции, «оповещая» организм о наступлении анабиоза.

Также тихоходка, снимок сделан с помощью растрового электронного микроскопа

Когда же исследователи подавляли высвобождение высокореактивных молекул с помощью антиоксидантов, то есть не допускали окисления цистеина, тихоходки не могли больше испытывать стресс, а значит, и перейти в состояние «туна».

«У тихоходок цистеин работает как своего рода регулирующий датчик. Он позволяет этим животным чувствовать окружающую среду и реагировать на стресс», — пояснила Лесли Хикс (Leslie Hicks), участвовавшая в исследовании.

Авторы научной работы отметили, что их открытие хотя полностью и не раскрывает всех механизмов, позволяющих тихоходкам превращаться в «безжизненный шар», значительно приближает к ответу на этот вопрос.

В новых исследованиях ученые хотят выяснить, можно ли считать окисление цистеина универсальным механизмом защиты у всех видов тихоходок. Биологи уверены, что их данные помогут коллегам в будущем лучше понять процессы старения и даже то, как сделать долгосрочные космические путешествия безопасными для человека.

Статья спизжена отсюда

Ученые объяснили, как морские черви научились «отбрасывать хвост» с мозгом и глазами для размножения

Исследователи из Токийского университета впервые подробно описали уникальный способ размножения морских червей — шизогамию. Животные создают в хвостовой части своего тела «отдельный организм», наполненный половыми клетками, с собственными глазами и мозгом.

Взрослая особь Megasyllis nipponica с развивающимся женским столоном

Многие виды низших животных развили уникальные и удивительные способы размножения. Фрагментация и последующая регенерация встречаются у плоских червей, при которой особь делится на несколько частей, регенирирующих и образующих новые организмы. Также есть почкование — например, у пресноводной гидры: несколько клеток на теле взрослой материнской особи начинают делиться и образовывать постепенно обособляющиеся дочерние организмы.

Этапы почкования у гидры

Не менее странным способом размножения можно назвать шизогамию (или схизогамия), которую практикуют морские черви семейства Syllidae. Принцип размножения заключается в обособлении задней части тела в так называемый столон — склад половых клеток (гамет) со своей мозгоподобной нервной структурой, органами чувств (глазами и усиками) и плавательными щетинками. После его созревания столон отделяется от основного тела червя и свободно перемещается в воде в поисках таких же столонов противоположного пола.

При этом столон — не самостоятельный организм, а лишь временный способ переноса гамет. Ведь он не обладает ртом и развитой пищеварительной системой, поэтому если столон не находит подобную структуру противоположного пола, он погибает из-за недостатка питания. Независимое плавание столона не только защищает самого червя от возможных угроз, поскольку не обременяет необходимостью вынашивания потомства или поиска партнера, но и позволяет гаметам распространяться на большие расстояния. Основное же тело заново отращивает хвост и вскоре снова становится готово к созданию нового столона.

В новой работе группа морских биологов из Токийского университета изучила морского червя Megasyllis nipponica, широко распространенного в Японии. Ученые провели морфологический, гистологический и генетический анализ червей, чтобы выяснить, как эти животные формируют в своем теле столонные структуры и как определяют, в какой части тела формировать новые глаза и мозг. Результаты исследования ученые изложили в тексте статьи, опубликованной в журнале Scientific Reports.

Стадии шизогамии морского червя Megasyllis nipponica

Формирование столона начинается с изменений в строении кишки и созревания гонад определенного пола (изначально пол столона не определен, ведь морские черви семейства Syllidae — гермафродиты) в задней части тела червя. Потом активируются гены, ответственные за экспрессию гормонов, и лишь затем гены, определяющие постепенное формирование глаз, усиков, головы, плавательных щетинок и нервных клеток. На финальной стадии формирования столон начинает активно вибрировать и отделяется от основного тела.

При этом, как выяснили исследователи, хорошо известные гены, определяющие место формирования нейронов и головы у различных животных, автоматически активируются в ответ на развитие гонад в задней части морских червей и не контролируются мозгом основного тела. По словам авторов работы, такой способ размножения эволюционно мог развиться из ранее существовавших особенностей предковых червей, например высокой способности к регенерации.

Статья спизжена отсюда