Новости Науки

Ardens · 15.11.2021, 14:39

Сделан первый шаг в технологии реплицирования материи. Прямо как в научной фантастике…

Кто из нас не желал получить нужную вещь здесь и сейчас?
Прямо вот так, не выходя из дома, подойти к некоему прибору, задать нужную программу и реплицировать себе нужный предмет, одежду или даже еду.

Самое интересное, что подобные процессы физически возможны: нечто подобное происходит внутри звёзд, когда во время термоядерных реакций синтезируются новые химические элементы вплоть до железа. Элементы тяжелее железа также синтезируются звёздами, но при их катастрофическом изменении на последней стадии развития.Если синтез гелия из атомов изотопа водорода, дейтерия и трития идёт с выделением энергии, то синтез химических элементов тяжелее железа идёт с поглощением энергии. Поэтому тяжёлые элементы синтезируются преимущественно в процессе взрыва звёзд, когда давление позволяет преодолеть кулоновский барьер между атомами, температура позволяет атомам двигаться столь быстро, что возможны компоновки десятков протонов и нейтронов в один атом, а энергия, которую поглощают атомы на единицу объёма в процессе синтеза, является избыточной.

Уже умирающая звезда вспыхивает с новой силой, которая превосходит её собственную светимость в миллионы раз. Поэтому такой такой процесс и получил название – сверхновая звезда.
Результатом вспышек сверхновых звёзд явилось всё разнообразие химических элементов, из которых состоим мы и всё наше окружение.
Для подобного синтеза химических элементов требуется изначальный ресурс в виде атомов водорода и свободной энергии.
Следовательно, имея эти два ресурса в должном количестве, можно будет синтезировать любой нужный нам химически элемент.
Есть ещё более фантастическая технология реплицирования материи, которая берёт своё начало из идеи эквивалентности массы и энергии – это синтез материи непосредственно из энергии.
Так, один килограмм вещества (неважно, из каких атомов оно состоит) потенциально эквивалентен количеству энергии, выделяемой при взрыве 43-мегатонной термоядерной бомбы.

Например, наше Солнце каждую секунду излучат столько энергии, сколько потенциально содержит в себе 1 миллион тонн вещества. Таким образом, чтобы «синтезировать» ещё одну планету Земля, понадобится примерно 190 миллионов лет активности Солнца.

Насколько это фантастично? Человечество в 2020 году потребило приблизительно 595 ЭДж энергии. Согласно формуле Эйнштейна "E=mc²", такое количество энергии содержится в 3310 кг вещества.
Цивилизация первого типа по шкале Кардашёва потенциально будет использовать энергии в год столько, сколько содержат 1754,5 тонн вещества. Это всё ещё довольно мало для внедрения технологии в каждый дом.
Шкала Кардашёва — метод измерения технологического развития цивилизации, основанный на количестве энергии, которое цивилизация может использовать для своих нужд.
Цивилизация второго типа будет потреблять энергии существенно больше. 8 миллиардов человек будут потреблять такое количество энергии, эквивалент массы которой равен 2193 тонны в год на каждого жителя. Вот тут уже распространение технологии реплицирования материи из энергии имеет практический для жителей смысл.

Более подробно о цивилизациях по шкале Кардашёва я писал в статье "Когда человечество станет цивилизацией ПЕРВОГО типа по Шкале Кардашёва?".

Но есть нюанс. Даже если бы прямо сейчас существовала подобная технология, она была бы энергетически неподъёмной для человечества ещё очень долго.
Согласно прогнозам, в случае отсутствия глобальных катастроф и прочих неприятностей подобного рода, человечество достигнет энергопотребления цивилизации первого типа только к 2246 году, а второго типа - к 3071 году…
Однако основы технологии реплицирования материи из энергии закладываются уже сегодня.

С помощью современной физики мы сегодня открываем те эффекты, которые могут быть практически реализованы только через 500 и более лет (согласно сегодняшним оценкам).

Технология создания материи из энергии уже получила практическое подтверждение, хотя теоретическое изложение было впервые обосновано Грегори Брейтом и Джоном А. Уилером ещё в 1934 году.
Так называемый "процесс Брейта — Уилера" является самой базовой и простейшей реакцией, где свет (энергия фотонов) превращается в вещество (материю с массой покоя).

Фотон - это нейтральный квант электромагнитного поля, который не имеет своей античастицы (антифотона) и является чистой энергией. Два высокоэнергетических фотона способны породить материю в виде электрона и позитрона.

Частицы в нашей вселенной рождаются преимущественно попарно: одна частица материи и одна - антиматерии. Так же и в ходе реакции Брейта — Уилера столкновение двух фотонов рождает пару «электрон-позитрон». Так как обе частицы обладают массой и рождаются вследствие взаимодействия чистой энергии фотонов, то и сам единичный фотон должен обладать огромной энергией, смещая длину волны далеко в гамма-спектр.
Но вот беда: создавать гамма-лазеры человечество пока не умеет, поэтому сама генерация вынужденного излучения в гамма-диапазоне ещё не осуществлена. Но это не единственная проблема. Свет обладает поляризацией, и разнополяризованный свет не взаимодействует друг с другом. Для взаимодействия фотонов, особенно в процессе Брейта — Уилера, нужна сверхточная фокусировка, которая опять-таки сложно достижима. Все эти факторы ограничивают учёных в проведении прямого эксперимента по наблюдению процесса Брейта — Уилера.
Нелинейный процесс Брейта–Уилера (или многофотонный процесс Брейта–Уилера) - это создание пары "электрон-позитрон" при распаде высокоэнергетического фотона (гамма-фотона), взаимодействующего с сильным электромагнитным полем, таким как лазер.

Но есть лазейка. Нам необязательно оперировать исключительно энергией. Для репликации материи можно использовать собственно материю. Например, электрон, помещённый в мощное когерентное электромагнитное поле (лазер), будет с ним взаимодействовать, обмениваясь энергией, и излучать гамма-кванты, которые, в свою очередь, при совпадении поляризации с лазером будут порождать пары «электрон-позитрон».
Подобные пары обычно сразу аннигилируют, превращаясь обратно в гамма-кванты. Но их можно разделить с помочью мощного импульсного электромагнитного поля, что позволит в ходе этого процесса создавать как материю, так и антиматерию.
Получается, что при помощи одного электрона и сверхмощного лазера можно реплицировать материю. Причём процесс репликации будет расти в геометрической прогрессии, а плотность конечного вещества на единицу объёма превзойдёт плотность атомов в металле в десятки раз.
Конечно, и этого делать мы пока не умеем. Нам не хватает мощности лазерных комплексов (нужно примерно в 10 тысяч раз больше…).
Лазерный петаваттный комплекс “Фемта - Луч”, расположенный во Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики. Этот комплекс является одним из самых мощных в мире, на нём также изучается механика процесса Брейта — Уилера. Сегодня самый мощный в мире лазерный комплекс (5,4 петаватта) находится в Китае.

Подобный процесс - вовсе не фантастика. Ещё в 1997 году был зафиксирован первый случай, когда свет превратился в материю.
Американские исследователи из Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC) смогли сделать это, хотя и немного по-другому. В эксперименте SLAC использовались электроны для первичного создания высокоэнергетических фотонов, которые затем подвергались многократным столкновениям в одной камере, в результате чего происходило образование электронов и позитронов. В ходе этих столкновений и были зафиксированы первые события превращения света в материю. Этот метод - косвенный и является многофотонным процессом Брейта-Уилера, который демонстрирует, что подобное превращение энергии в материю физически возможно.
В 2012 году учёные задумались о создании фотонного коллайдера для прямого изучения процесса Брейта — Уилера. Правда нынешние технологии не позволяют сфокусировать требуемую энергическую мощность на пучок фотонов. Но в перспективе такое возможно, это дело ближайших 30-50 лет, что относительно недалёкое для нас будущее.
А пока физики придумывают разные обходные пути для прямого изучения процесса Брейта-Уилера.
Так, недавно материя из света была получена путём ускорения ионов золота до 99,995% от скорости света в Брукхейвенской национальной лаборатории в США. У ионов, разогнанных до подобных скоростей, появляется собственное электромагнитное поле. Правда электромагнитное поле состоит не из реальных, а виртуальных фотонов, но это не мешает им влиять на всю систему.

Например. магнитное поле постоянного магнита статично, оно состоит из виртуальных фотонов. Точнее, взаимодействие виртуальных фотонов (которые самопроизвольно рождаются/исчезают в вакууме) с веществом магнита проявляет себя в виде постоянного магнитного поля.

Так вот, ионы золота, пролетая в непосредственной близости друг от друга, "соприкасаются" электромагнитными полями, что приводит к их взаимодействию в виде рождения пары "электрон-позитрон". Скорости, близкие к световой, помогают продлить период взаимодействия виртуальных фотонов, ведь на очень малый промежуток времени виртуальный фотон становится реальным, беря энергию для своего образования прямо из вакуума (это, кстати, нарушает закон сохранения энергии). А став реальным фотоном, он может провзаимодействовать с таким же фотоном. Это и зафиксировали исследователи.

Закон сохранения энергии нарушается на ничтожно малый промежуток времени, пока фотон существует в нашем реальном мире. Далее он снова становится виртуальным, возвращая энергию обратно в вакуум, и так бесконечно долго.

Между тем, в 2018 году в CERN на Большом Адронном Коллайдере впервые увидели, как столкновение фотонов порождает W-бозоны - одни из самых тяжёлых элементарных частиц. Именно эти бозоны и являются переносчиками слабого взаимодействия - фундаментальной силы в природе. Так что из света можно получать не только электроны и позитроны.

Вот так сегодня учёные делают первые шаги в технологии, которая будет обыденной для наших потомков через 500-1000 лет.

https://zen.yandex.ru/media/dbk/sdelan-pervyi-shag-v-tehnologii-replicirovaniia-materii-priamo-kak-v-nauchnoi-fantastike-6122876661e786779bca2a0e

Swark · 19.11.2021, 22:18

Фантом электрона
Главную элементарную частицу придумали, а не открыли

Consta · 11.12.2021, 04:27

Друзья! Над археологическим наследием нашей страны нависла новая серьёзная угроза и нужна помощь всех, кто считает важным его сохранение. Вот как об этом пишет наш друг и коллега, археолог Павел Колосницын.

"Дело в том, что сейчас существует важный механизм защиты археологических памятников – историко-культурная экспертиза земель, подвергаемых разрушающему воздействию (то есть территорий, отводимых под застройку, добычу полезных ископаемых и т. д.). В ходе такой экспертизы проводятся археологические исследования, позволяющие обнаружить неизвестные археологические памятники. По всей России ежегодно в ходе экспертиз находят сотни неизвестных ранее памятников – стоянок эпохи каменного века, средневековых поселений, селищ, могильников, которые потом ставятся на охрану. Но не все довольны таким порядком - некоторым гораздо удобнее объявить, что на данной территории памятники отсутствуют и после этого строить и рыть карьеры, не заботясь о культурном наследии.

Сейчас в Госдуму, без каких либо обсуждений, внесён законопроект, который предполагает передать региональным властям полномочия разделения всех земель на три категории: территории, где есть известные памятники археологии, где они могут быть и где их точно нет.

Казалось бы, идея здравая, но беда в том, что механизм разделения категорий земель не прописан, а его финансирование не предусмотрено. Поэтому появляется серьёзный риск того, что региональные власти, вынужденные выбирать между сохранностью археологического наследия и реализацией инвестиционного проекта, будут более лояльны к инвесторам – сроки горят, смета составлена, проект важный, а тут ещё какая-то экспертиза, после которой придётся корректировать проект или выделять средства на охранные раскопки и ждать пока археологи всё раскопают.

Региональные органы охраны культурного наследия, в свою очередь, прямо зависимы от региональных властей. Поэтому очень высок риск того, что в случае необходимости земельные участки будут просто объявлять свободными от археологических памятников, без всякой экспертизы. Просто для удобства и экономии. В результате мы потеряем множество археологических памятников и огромный пласт информации о прошлом".

Завтра, 11 декабря в 11-00 по московскому времени состоится инициированное Институтом археологии и этнографии СО РАН коллективное обсуждение сложившейся ситуации. Если вас волнует судьба российских археологических памятников - не пропустите трансляцию: https://youtu.be/xfAcS8-B7NM

Что еще можно сделать? Перейти по ссылке на Федеральный портал законопроектов и отметить отрицательное отношение к законопроекту (нажав иконку "красный палец вниз"), а также оставить свои комментарии в разделе «Ваши предложения» https://regulation.gov.ru/projects?fbclid=IwAR2Fm5pSI..

Потребуется войти в систему через «Госуслуги» или зарегистрироваться, указав имя и email и подтвердив регистрацию перейдя по ссылке в электронном письме.
В комментариях важно указать, что закон фактически отменяет обязательную историко-культурную экспертизу, что приведёт к уничтожению неизвестных на данный момент памятников археологии и предоставляет широкие возможности для коррупции.

В 2019 году уже была попытка провести подобный закон. Но благодаря общественному возмущению и сопротивлению профессионального сообщества его удалось отклонить. Так что шанс есть.

Swark · 18.12.2021, 14:20

https://hi-news.ru/science/astrofizi...eto-takoe.html

Астрофизики обнаружили «мосты» из темной материи. Что это такое? - Наши Лучики.

Swark · 25.12.2021, 12:17

https://focus.ua/technologies/501139...alaktike-video

Джет черной дыры похож на вытянутую спираль ДНК (в тексте видео с зумом этого объекта), но это же наш Луч, символ которого Кадуцей, что теперь и доказано.

Consta · 29.12.2021, 22:07

ЯРКИЕ СОБЫТИЯ 2021. ГУМАНИТАРНЫЕ НАУКИ

Сложные два года пандемии беспрецедентно стимулировали развитие наук и интерес к новым знаниям. В последний год ученые признавали: «Неизвестно, сколько времени понадобилось бы? на достижение нынешних результатов в «мирное» время». Более яркие результаты заметны в медицине и биотехнологиях. Космическая отрасль, несмотря на непростое время, тоже получила интересные данные. Новые знания отмечают и в различных гуманитарных науках.

Что нового узнали ученые гуманитарных областей за 2021-й год – об этом в материале «Научной России».

Психология пандемии

Летом ученые и чиновники в России ставили задачу – привить 60-70 процентов населения к осени. Этого сделать не удалось даже к середине декабря: по информации Яндекс статистики во второй половине месяца за полторы-две недели до Нового года вакцинировано чуть больше сорока процентов россиян.

Почему так вышло – на этот вопрос отвечают ученые на стыке психологии и социологии. В частности, исследования показывают, какие защитные психологические механизмы сформировались у россиян, чего ждут люди от вакцинации и пандемии.

Например, выросла ценность семьи, личных контактов, друзей. Стала важнее эмоциональная поддержка. В то же время снижается доверие к миру, людям и социальным институтам. Усиливается поляризация и население становится жестче в оценках.

«Мы наблюдаем размывание середины, которая раньше могла сомневаться, допускать и одну, и другую точки зрения. Мы видим, что общество поляризовано даже по тем вопросам, которые к пандемии не имеют прямого отношения.

Эта жесткость в оценках и более простая картина мира, в которой мы нуждаемся, испытывая тревогу перед трудноконтролируемой угрозой, усиливает и популизм. Для него характерно противопоставление народа и власти. Интрига в том, что разные группы общества ждут от государства разного: для кого-то важна экономическая поддержка, кто-то считает, что государство должно перестать вмешиваться в нашу жизнь и снять ограничения, другие, наоборот, думают, что требуется более жесткий подход. Но, в конечном счете, оказывается, что власть не права, недорабатывает. Сейчас такие настроения особенно заметны», – так говорит доктор психологических наук, профессор РАН Тимофей Нестик.

Психологи отмечают, что вакцинация – это сложная проблема во всем мире. В такой ситуации нужны не общие, обезличивающие решения, а адресные, подходящие отдельным группам людей. Кто-то ждет от вакцинации дополнительного подтверждения безопасности вакцин. Кому-то важна свобода выбора, в том числе возможность решать, какой вакциной прививаться. Есть группа людей, ориентированная на авторитет – для них важно, как ведут себя уважаемые и известные люди. Каждая из таких групп требует своего подхода, чтобы уровень вакцинированного населения стал решающим для остановки пандемии.

Удаленная педагогика

В педагогических кругах в последние два года появился термин «поколение карантина». Об этом рассказывала президент Российской академии образования Ольга Васильева во время Общего собрания членов РАН.

В целом система образования и существующий уровень педагогических знаний справились со сложной ситуацией, пусть и с трудностями. Пандемия поставила перед педагогическими науками новые задачи и подала импульс к развитию. В частности, возникла необходимость адаптировать проверочные работы под возможные нештатные ситуации, в том числе условия карантина, определить систему индивидуальной поддержки учеников, решить проблему технической оснащенности.

Педагоги заметили, что у школьников выросли проблемы психологического порядка. Так данные говорят, что 20% детей при дистанционном образовании испытывают выросшие уровни депрессии, а у 14% растет уровень тревоги. В то же время и сами педагоги начали больше уставать в условиях удаленного обучения, по сравнению с традиционной схемой.

Гнездиловский всадник

Один из важнейших объектов археологических раскопок 2021 года – могильник Гнездилово под Суздалем. В этом году археологи работали над остатками кургана с могильной ямой, где обнаружили погребение всадника. По предварительным данным, погребение датируется концом Х – началом XI века.

С останками обнаружили пару стремян, подпружную пряжку, которую использовали для крепления седла, удила и боевой топорик – это редкая находка. Погребения с оружием и снаряжением нечасто практиковались в древнерусских могильниках: похоронные обряды на Руси не были ориентированы на демонстрацию статуса через захоронение оружия и конского снаряжения в могилы.

Гнездиловский всадник, которого обнаружили в этом году, – первая находка захоронения с подобным снаряжением за последние 170 лет. Современные методы археологии и антропологии могут подробнее рассказать о погребальных обрядах древней Руси и при удачном стечении обстоятельств дать информацию о самом погребенном.

Раскопки на трассе Таврида

На культуру населения Юго-Западного Крыма в первом тысячелетии сильно влияла Римская империя и Византия – такие выводы сделали ученые, проанализировав материалы, которые археологи нашли во время раскопок перед строительством автотрассы «Таврида» и в Южном пригороде Херсонеса. Ювелирные изделия, керамическая и стеклянная посуда, оружие и снаряжение, монеты и предметы быта представили на сентябрьской выставке в Государственном музее-заповеднике «Херсонес Таврический».

«Мы подходим к археологическому освещению важной темы мировой истории: темы взаимодействия античного мира и его варварского окружения», – отмечал вице-президент РАН, директор Института археологии РАН Николай Макаров.

Раскопки при строительстве трассы «Таврида» начались в 2017 году и стали крупнейшими в археологической истории Крыма: ученые исследовали почти 300-километровый участок будущей трассы. Во время работ археологи изучили более 90 памятников от эпохи мезолита до XIX века. Результаты раскопок еще анализируют, но уже понятно, что они дали уникальные сведения для понимания истории Юго-Западного Крыма I тысячелетия.

Юбилей русского гения

А еще в 2021 году исполнилось 200 лет со дня рождения великого русского писателя Федора Михайловича Достоевского. Важную для филологов, литературоведов и в целом знакомых с русской классикой людей тему отметили на заседании Президиума Российской академии наук в конце октября. Роли Ф.М. Достоевского в истории России и изучению его творчества посвятили отдельный день в Академии наук, а мы предлагаем посмотреть интервью с директором Института мировой литературы им. А.М. Горького РАН, доктором филологических наук, членом-корреспондентом РАН Вадимом Полонским. Это интервью и другие материалы, посвященные событиям в мире российских гуманитарных наук 2021 года, смотрите по ссылкам ниже.

Swark · 30.01.2022, 19:32

В центре Млечного Пути обнаружили тысячи загадочных нитей

Цитата:

Астрономы США обнаружили в центре галактики нити из высокоэнергетических электронов

Изображение: Northwestern University

Астрономы Северо-Западного университета США выявили около тысячи загадочных нитевых структур, протянувшихся на 150 световых лет, в центре Млечного Пути. Об открытии сообщается в статье, опубликованной в репозитории препринтов arXiv.

Впервые нити были обнаружены в начале 1980-х годов в ходе радиоволновых наблюдений галактики. Ученые выяснили, что эти структуры, которые образуют кластеры, состоят из высокоэнергетических электронов, порождающих вращающееся магнитное поле, однако их происхождение оставалось неизвестным. Новые наблюдения выявили в десять раз больше нитей, чем было найдено до этого, что позволило провести статистический анализ.

Ученые выяснили, что структуры могут быть связаны с прошлой активностью центральной сверхмассивной черной дыры Млечного Пути, а не со вспышками сверхновых. Однако еще одна странность нитей заключается в том, что они находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, примерно равном расстоянию от Солнца до Земли. Кроме того, неизвестно, что именно разгоняет электроны до скорости, близкой к скорости света.

was · 05.02.2022, 19:58

Цитата:

Сообщение от Ardens

Сделан первый шаг в технологии реплицирования материи. Прямо как в научной фантастике…

Кто из нас не желал получить нужную вещь здесь и сейчас?
Прямо вот так, не выходя из дома, подойти к некоему прибору, задать нужную программу и реплицировать себе нужный предмет, одежду или даже еду.

К. Устинов в книге "Свита Спасения":

Цитата:

83. Чертежи проекта «Колокол», переданные «Аненербе» Блюмкиным, заключали в себе аппарат умножения, или клонирования, предметов и живых существ на основе привлечения всеначальной энергии. Феномены, которые производились Шри Сатья Саи Бабой, в «Колоколе» осуществлялись механически, без различия материалов или живых существ. Это могли быть как атомные бомбы или золото, так и люди. Предполагают, что сам фюрер был клонирован в нескольких копиях. Причем при воздействии «Колокола» передается вся генетическая память, все привычки и накопления, кроме духовной части. То есть происходит создание биороботов, не отличимых от людей.
Один из механизмов, который был прообразом «Колокола», хранился в дарохранительнице и сокровищнице Поталы, дворца Далай-Ламы в Лхасе, столице Тибета. Блюмкину показали много чудесного и непонятного и позволили ему снять копии с чертежей в виде фотопленок, которые он впоследствии привез в советскую Россию. Но все это осталось невостребованным. Ни одно из ведомств не заинтересовалось фантастическими проектами летающих дисков, машины времени и системы воспроизводства предметов. И Блюмкин продал их Германии за сумму в три с половиной миллиона рублей.

Consta · 12.02.2022, 17:22

600 ТЫСЯЧ ЛЕТ

Специалисты Арктического и антарктического научно-исследовательского института на антарктической станции Восток успешно подняли с глубины 3453 метра ледяной керн возрастом 567 тысяч лет. В следующем году учёные рассчитывают получить из нижних слоев ледника образцы возрастом более 1 миллиона лет.

а время экспедиции из скважины 5Г-5 учёными добыто 133,63 метра керна. Цель проекта – прохождение ледяного слоя на глубине до 3610 метров, содержащего лёд возрастом до 1,2 млн лет, – может быть достигнута уже в следующей экспедиции. Завершение бурения намечено на январь-февраль 2023 года.

«Ледяной купол над озером Восток содержит уникальные данные о процессах, происходивших на Земле на протяжении нескольких миллионов лет. По ледяным кернам можно точно реконструировать температурный режим, оценить солнечную и вулканическую активность, плотность и газовый состав атмосферы, определить содержание парниковых газов. Мы сможем сделать выводы о биологических, исторических и даже экономических изменениях в жизни нашей цивилизации. Но главное, мы сможем выстроить модели будущих возможных климатических колебаний на планете, которые лягут в основу исследований важнейших отраслей науки и экономики», – рассказал директор Арктического и антарктического научно-исследовательского института Александр Макаров.

Озеро Восток – одно из крупнейших озер на Земле, открытое в конце ХХ века в Антарктиде. Озеро расположено в районе российской антарктической станции Восток, в честь которой оно получило свое название.

На протяжении нескольких миллионов лет экосистема озера Восток изолирована от внешнего воздействия под толщей льда на глубине около 4 километров. На сегодняшний день это самое малоизученное место на планете. Предполагаемая площадь подледникового пресноводного водоема – около 16 тысяч квадратных км, глубина – более 1200*метров.

В январе 1970 года сотрудники Арктического и антарктического научно-исследовательского института и Горного института начали бурение первой глубокой скважины [1Г – первая глубокая] на станции Восток. В 1990 году начался проект по бурению пятой по счёту глубокой скважины [5Г]. Первое вскрытие озера Восток состоялось 5 февраля 2012 года на глубине 3769,3 метра.

*

Источник информации и фото:*Медиагруппа ААНИИ

Consta · 22.02.2022, 02:31

ЭКСПЕРИМЕНТЫ С «ЖИВЫМ СВЕТОМ» МЕДУЗ

Учёные изучили обелин – этот фотопротеин может использоваться для создания биолюминесцентных тест-систем.

Исследовали обелин сотрудники Сибирского федерального университета вместе с коллегами из Института биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН и учеными Шанхайского технического университета. Авторы работы, опубликованной на портале Wiley Online Library, рассматривали обелин, активированный не природным субстратом, а его синтетическим аналогом.

Фотопротеины — это биолюминесцентные белки. В ходе химической реакции они могут излучать свет. В природе фотопротеины встречаются во многих морских организмах, например, в светящихся морских гидроидных полипах. Эти подводные жители образуют большие колонии и ведут хищный образ жизни.

Жизнь гидроидных полипов состоит из чередования двух поколений. Одно поколение, полипоидное, ведет сидячий образ жизни и размножается только бесполым способом, производя посредством почкования полипов и медуз. Второе поколение – медуз – отрывается от колоний полипов и переходят к свободному подвижному образу жизни.

Фотопротеин обелин используют как внутриклеточные маркеры для мониторинга клеточных процессов, так как он излучает яркий свет при добавлении ионов кальция. Также обелин применяется в тестовых системах для иммуноферментного анализа, который позволяет диагностировать заболевания, вызванные бактериальными клетками, вирусами, грибками, простейшими микроорганизмами и паразитами.

Направленное изменение свойств фотопротеинов позволит расширить спектр их применения. Ткани живых организмов плохо пропускают синий цвет и хорошо пропускают красный. Но природные фотопротеины светятся именно синим цветом, поэтому, чтобы эффективно использовать фотопротеины для визуализации внутренних процессов в тканях, лучше добиться, чтобы их свечение было сдвинуто в красную область спектра.

Можно химически модифицировать молекулу субстрата, чтобы в результате свечение белка получалось жёлтым или красным. Изменить цвет излучения на более красный способен целентеразин-v – химический аналог природного субстрата биолюминесценции фотопротеинов – целентеразина. Однако фотопротеины, активированные этим аналогом, светятся очень слабо, что значительно снижает их практический потенциал. Причины низкой эффективности работы фотопротеинов с целентеразином-v выяснила группа учёных, в которую вошли эксперты СФУ.

«Используя методы кристаллографии и рентгеноструктурного анализа, нашей научной группе совместно с коллегами из Китая удалось решить трёхмерную пространственную структуру обелина, активированного целентеразином-v (обелина-v). Это позволило увидеть, как и в какой форме новый субстрат встроился в активный центр белка, и удостовериться, что структура белка не нарушена, – рассказала соавтор исследования, доцент кафедры биофизики и базовой кафедры биотехнологии СФУ, старший научный сотрудник Института биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН Елена Еремеева».

Исследователи детально охарактеризовали биолюминесцентные и флуоресцентные свойства обелина-v и рассмотрели их связь со структурной организацией белка. Сравнение структуры обелина-v со структурой обелина, активированного обычным целентеразином, позволило выявить отличия между двумя вариантами белков и понять причины низкой эффективности биолюминесценции обелина-v.

*

Автор Диана Энгельгардт

Consta · 13.04.2022, 03:44

СТАРТУЕТ МЕЖДУНАРОДНЫЙ МОЛОДЕЖНЫЙ НАУЧНЫЙ ФОРУМ «ЛОМОНОСОВ — 2022»

12 апреля, в День космонавтики, в Интеллектуальном центре - Фундаментальной библиотеке МГУ ректор МГУ Виктор Садовничий дал старт работе XVIII Международного молодежного научного форума «Ломоносов — 2022».

Ректор МГУ Виктор Садовничий: «Проходящий по инициативе Московского университета ежегодный форум «Ломоносов» — это крупнейшая в мире площадка для молодых ученых и исследователей, представителей нового поколения научных школ, университетских научных команд, всех, кто связывает свой завтрашний день с познанием мира. Для десятков и сотен тысяч молодых ученых форум «Ломоносов» — это возможность высказаться, найти единомышленников, сопоставить свои научные достижения с результатами коллег из других университетов и стран. Форум является точкой притяжения огромной аудитории, открывает новые возможности для научной кооперации, формулирует новые идеи для исследований, создает уникальную среду взаимодействия тех, кто уже делает науку сегодня и определит ее лицо завтра».

«В Московском университете научная молодежь находится на острие научного прогресса, занимается самыми актуальными научными проблемами, участвует в решении задачи импортозамещения. На базе Долины МГУ — Инновационного научно-технологического центра МГУ «Воробьевы горы» — с участием молодых ученых сегодня активно формируются команды стартапов. Совсем недавно были объявлены компании-резиденты первой очереди научно-технологической долины МГУ — инновационного ядра будущего Московского университета», — подчеркнул ректор Виктор Садовничий.

В рамках форума также запланирована работа традиционной Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», которая началась 11 апреля и продолжится до 22 апреля. Уже в 29 раз она пройдет в смешанном формате по 42 секциям, отражающим все основные направления современной науки.

Международный молодежный научный форум «Ломоносов» и ежегодная конференция «Ломоносов» направлены на развитие творческой активности молодых ученых, привлечение их к решению актуальных задач современной науки, укрепление единого международного научно-образовательного пространства и установление контактов между будущими коллегами.

В форуме «Ломоносов-2022» принимают участие 14 тысяч молодых ученых России и других стран. Форум пройдет на 9 региональных площадках в рамках научно-образовательного консорциума «Вернадский», а также во всех филиалах МГУ и университете МГУ-ППИ в Шэньчжэне. В торжественной церемонии открытия приняли участие 800 человек в актовом зале и 13 тысяч в формате онлайн.

В программе форума запланированы работа научно-популярного лектория форума «Ломоносов», международный конкурс инновационных проектов и стартапов «Потенциал будущего», конференция «Образование в условиях стремительно меняющегося мира», Международный конгресс молодых ученых. Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)

Consta · 26.04.2022, 06:12

СПАСУТ ЛИ НАС ТИХОХОДКИ ОТ РАДИАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ?

Ученые Сектора молекулярной генетики клетки Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований изучают, как действует особый белок тихоходок, который защищает этих уникальных существ от радиации, на модельные организмы — плодовую мушку и культуру клеток человека. В перспективе такие исследования могут помочь в разработке эффективных методов защиты живых организмов, в том числе человека, от ионизирующего излучения.

Тихоходки — это микроскопические, не более 1,5 мм, беспозвоночные животные, которые смогли заселить практически все биомы на Земле, в том числе те, которые принято считать экстремальными для выживания. Эти животные в состоянии анабиоза могут выживать как минимум 30 лет без пищи и воды (более длительные эксперименты пока не проводились). Их сопротивляемость радиации — радиорезистентность — рекордная среди всех живых организмов на Земле: некоторые виды тихоходок выдерживают дозу ионизирующего излучения до 10000 грей. Для сравнения, смертельная доза излучения для человека всего 3-5 грей. Именно поэтому тихоходки стали модельным организмом для изучения возможностей живых организмов сопротивляться радиации.

Прорыв в исследованиях тихоходок произошел в 2016 г., когда японскими учеными был расшифрован геном самого радиорезистентного вида тихоходок Ramazzottius varieornatus. В ходе сравнения генома этих тихоходок со всеми уже известными геномами других организмов был обнаружен уникальный белок, который назвали Damage suppressor, или сокращенно Dsup.

В Объединенном институте ядерных исследований уже ведутся работы по изучению влияния радиации, и особенно космического излучения, на когнитивные функции и морфологические особенности живых организмов. Результаты неутешительные — это влияние разрушительно, и это уже поставило под вопрос возможность дальних космических полетов. Надежда на изучение функций Dsup, что в перспективе может дать нам способ снизить пагубные последствия радиации. Возможно, этот белок позволит повысить уровень радиорезистентности организма, или защитить окружающие опухоль ткани при радиотерапии, или выступить в качестве ДНК-протектора при длительной криоконсервации биологических материалов. Ученые ЛЯП ОИЯИ изучают механизмы действия белка Dsup, чтобы оценить перспективы его использования для повышения радиорезистентности многоклеточных сложных организмов. Посвященный этой тематике научный проект стартовал в институте в январе прошлого года. До этого подобное исследование проводилось лишь на культуре клеток человека HEK293 в Японии с использованием рентгеновских лучей.

В качестве исследуемых объектов ученые ЛЯП ОИЯИ выбрали плодовых мушек Drosophila melanogaster и культуру клеток человека HEK293 — человеческую эмбриональную почку. Благодаря исследованиям, проведенным в Японии, последовательность гена, который кодирует белок Dsup, уже была известна, и специалисты ЛЯП произвели его химический синтез. После этого ген был полностью секвенирован и оптимизирован под используемый объект. “В Лаборатории была совершена микроинъекция раствора, содержащего нужную ДНК, в эмбрионы дрозофил, — рассказывает начальник сектора молекулярной генетики клетки ЛЯП ОИЯИ Елена Кравченко. — Из эмбрионов выросли взрослые особи с необходимой генетической вставкой, которая теперь передается следующим поколениям”. После такой процедуры специалисты получают огромную популяцию плодовых мушек со встроенным геном Dsup, с которого в каждой клетке организма синтезируется белок Dsup.

Чтобы понять, как новые линии дрозофил переносят радиацию, образцы были облучены гамма-квантами с энергией 1-10 МэВ в дозе 500 грей на ускорителе Микротрон МТ-25 в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ. И результаты показали увеличение радиорезистентности у особей с встроенным в ДНК белком Dsup (изображение 1).

Клетки HEK293 облучались на Фазотроне ЛЯП протонами в дозе 4 Гр с энергией 150 МэВ. Как видно на изображении 2, выживаемость клеток, экспрессирующих Dsup, значительно выше, чем у клеток контрольной линии.

Таким образом, ученые ОИЯИ смогли доказать, что белок Dsup работает в ДНК и плодовых мушек, и в культуре клеток человека HEK293, то есть обладает универсальностью. Исследование также показало, что радиорезистентность повышается при воздействии разных видов излучения.

Однако остается немаловажный вопрос — как этот белок влияет на другие системы организма. Для этого специалисты ЛЯП ОИЯИ выполнили транскриптомный анализ, то есть, по сути, проверили активность всех генов, вовлеченных во все биологические процессы дрозофилы.

Выяснилось, что больше 1000 генов, вовлеченных в важнейшие процессы организма, изменили свою активность. Например, снизилась активность генов, вовлеченных в организацию хроматина, регуляцию транскрипции, функционирование нервной системы и т.д., т.е. снизилась активность процессов, связанных с “обслуживанием” ДНК и считыванием информации с нее. Это значит, что необходимо найти способ избежать подобных негативных последствий использования Dsup. По словам специалистов ЛЯП ОИЯИ, в проведенных экспериментах этот ген работает постоянно с очень высокой активностью, в течение всей жизни особи. Поэтому возможным решением проблемы может стать функция включения и выключения этого гена. Для этого возможно настроить работу гена Dsup таким образом, чтобы он включался и выключался при добавлении определенного вещества и работал только в нужное время, например, во время космического полета. Проверка этой гипотезы — одна из следующих целей научной команды этого исследования.

Научная группа проекта также работает над определением структуры белка Dsup, чтобы детально понять механизм его действия. Эта задача потребовала синтезировать Dsup в больших количествах, что заняло у коллаборации ученых ЛЯП и ЛНФ несколько месяцев. В результате специалистам удалось приблизиться к пониманию вторичной структуры (трехмерной формы локальных сегментов белков) Dsup с помощью таких методов, как малоугловое рентгеновское рассеяние SAXS (исследования велись в ЛНФ ОИЯИ, российском МФТИ и ESRF, Гренобль, Франция), малоугловое нейтронное рассеяние SANS, динамическое рассеяние света DLS (ЛНФ ОИЯИ). Так, установлен размер белка (примерно 200 на 66 ангстрем). Также доказано, что он не глобулярный (т.е. полипептидные цепи не свернуты в глобулы), и для него показано присутствие вторичной структуры.

Для уточнения вторичной структуры Dsup ученым будет необходимо провести измерения с помощью методов кругового дихроизма, DLS и SAXS в нативных и денатурирующих условиях, когда проверяется нарушение структуры под действием различных факторов. Такие эксперименты уже запланированы на 2023 год с использованием установок ЛНФ ОИЯИ (XEUSS 3.0) и МФТИ (J-1100 CD Spectrometer). Еще одной задачей на следующий год станет оценка метаболической активности и индукции апоптоза (программируемая клеточная гибель) в клетках культуры человека HEK293, экспрессирующих Dsup, а также определение уровня клеточного кислорода.

*

Информация и фото предоставлены пресс-службой Объединенного института ядерных исследований

Consta · 30.04.2022, 18:49

УЧЕНЫЕ ФИЦ БИОТЕХНОЛОГИИ РАН ОПРЕДЕЛИЛИ, КАКИЕ МИКРООРГАНИЗМЫ ЛУЧШЕ ВСЕГО ОЧИЩАЮТ СТОЧНЫЕ ВОДЫ ГОРОДА МОСКВЫ

Сотрудники ФИЦ Биотехнологии РАН определили группы микроорганизмов, населяющих активный ил девяти крупных очистных сооружений Москвы и обеспечивающих стадию биологической очистки сточных вод. Очистные установки используют разные методики, а потому и составы популяции микробов на них отличались, равно как и эффективность. Результаты работы, опубликованной в журнале Scientific Reports, помогут разработать рекомендации для подбора оптимального подхода к очистке воды и обогащения активного ила определенными штаммами.

Вода, которая используется в быту, сельском хозяйстве и на различных предприятиях, неизбежно загрязняется, и возвращать ее в таком виде в природу опасно как для экологии, так и для людей, которые так или иначе ее используют и даже просто находятся рядом. Именно поэтому все сточные воды, поступающие в городскую канализацию, проходят многоступенчатую очистку: механическую, биологическую, физико-химическую и дезинфекционную.

Биологическая обработка происходит при помощи микроорганизмов в составе так называемого активного ила и предполагает удаление органических веществ и биогенных элементов — углерода, азота и фосфора. Микробы используют компоненты сточных вод для получения энергии и постройки своих клеток, заодно превращая их в безвредные или менее опасные соединения.

«В зависимости от того, что содержится в среде, какова температура и технология обработки, а также загруженность очистного сооружения, в активном иле будут преобладать те или иные группы микроорганизмов. Поскольку ряд штаммов нельзя культивировать в условиях лаборатории, мы многого не знаем о том, кто помогает нам очищать сточные воды. Это очень важно как для подбора оптимальных технологий очистки сточных вод, так и для оценки эффективности работы очистных сооружений», — рассказывает научный сотрудник центра метагеномики и инженерии микробных сообществ ФИЦ Биотехнологии РАН Шахжахон Бегматов.

Сотрудники Института биоинженерии имени К.Г. Скрябина и Института микробиологии имени С.Н. Виноградского, входящих в состав ФИЦ Биотехнологии РАН (Москва), в ходе выполнения проекта Российского научного фонда (№*21-64-00019) отобрали пробы активного ила из девяти крупнейших очистных сооружений Москвы и проанализировали гены 16S рРНК их микробных обитателей. Благодаря особенностям своей структуры этот фрагмент ДНК используется для определения систематического и эволюционного положения микроорганизма. В данной работе авторы сосредоточились на принадлежности микробов к разным таксономическим и физиологическим группам, чтобы понять, как различные подходы к очистке влияют на популяцию активного ила, а тот — на эффективность процесса. Хотя в целом микробное население разных очистных сооружений было схоже, обнаружились и отличия, обусловленные используемыми на очистных установках методами.

Анализ показал, что лучше всего работала технология, разработанная в Кейптаунском университете, суть которой заключается в определенном чередовании кислородных и бескислородных условий, что обеспечивает эффективное удаление микроорганизмами органики, углерода, азота и фосфора. Как и ожидали авторы, основу популяции на установках с такой методикой составляли нитрифицирующие, денитрифицирующие и фосфат-аккумулирующие бактерии, с которыми другие штаммы не очень уживаются — им нужны особые условия среды.

Очистка методом нитрификации-денитрификации эффективно удаляла только органику и азот — соответственно, в иле были обнаружены микроорганизмы - нитрификаторы и денитрификаторы. Вместе с тем фосфат-аккумуляторов было мало, и фосфор оставался в системе; легко расщепляемую органику успешно перерабатывали гетеротрофы.

Худшие результаты эффективности очистки от органики и аммиака показали очистные установки, где применялась традиционная аэробная система. Здесь не получили большого распространения обитатели бескислородных областей, однако из-за неидеального обеспечения реакторов кислородом (возможно, плохого перемешивания) внутри комков отходов все же образовывались анаэробные участки. Здесь начинали действовать «поедающие» органику денитрификаторы, способные переработать лишь часть азотсодержащих соединений.

Также ученые проверили, насколько микробиомы активного ила московских очистных сооружений схожи с описанными в других странах. Оказалось, что они не похожи на европейские или иные группы и образуют отдельный кластер на «глобальном дереве». Вероятно, составы микробиомов в большей степени обусловлены характеристиками сточных вод, которые определяются экологическими, экономическими и культурными особенностями каждого конкретного города, чем особенностями используемой технологии очистки. Например, в Москве цены на воду для использования в быту относительно низки, можно не экономить, и в канализацию поступают довольно разбавленные растворы органики, а потому ее концентрация оказывается ниже, чем в других крупных городах мира.

«Результаты нашей работы помогут улучшить технологии очистки сточных вод с учетом особенностей региона. Мы надеемся, что наша работа способствует пересмотру подходов на конкретных очистных сооружениях и их замене на более эффективные и безопасные для природы и людей», — подводит итог научный сотрудник центра метагеномики и инженерии микробных сообществ Шахжахон Бегматов.

*

Информация и фото предоставлены пресс-службой ФИЦ Биотехнологии РАН Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)