Новости зарубежной науки и технологий

Происхождение человечества: где и когда появился человек?

Как Homo sapiens стал доминирующим видом на планете? Новейшие исследования подтверждают давнюю теорию: древние климатические сдвиги могли сыграть ключевую роль в эволюции человека. Результаты недавно были опубликованы в журнале Nature.

В этом исследовании проанализировано влияние климата на шесть древних групп гоминидов, включая ранних африканских Homo (сочетающих Homo habilis и Homo ergaster), евразийских Homo erectus, Homo heidelbergensis, неандертальцев и, наконец, Homo sapiens. На основе анализа сделано три важных вывода о том, как сформировался климат, где и когда поселились древние гоминиды, что помогло определить эволюцию нашего вида.

Во-первых, исследователи пришли к выводу, что циклы Миланковича – астрономические сдвиги оси и орбиты Земли – повлияли на ранние места обитания человека в результате изменений температуры, количества осадков и характера растительности. Данные по климату помогли определить, где и когда селились люди.

Во-вторых, основные изменения видов, такие как переход от Homo heidelbergensis к Homo sapiens, коррелируют с массовыми изменениями климата, т. е. полученные данные помогают объяснить, почему ранние люди стали «глобальными странниками».

Наконец, исследователи пришли к выводу, что ранние Homo sapiens, вероятно, произошли от гоминида Homo heidelbergensis на юге Африки около 300 000 лет назад из-за перекрытия мест обитания двух видов. Согласно исследованию, климатический стресс и сокращение подходящих мест обитания в этом регионе привели к упадку Homo heidelbergensis и подъему Homo sapiens. Точно так же результаты показывают, что неандертальцы произошли от Homo heidelbergensis в Европе. Люди, т. е. Homo sapiens, в отличие от предшественников смогли адаптироваться к более суровым климатическим условиям, что позволило им мигрировать и расселяться в более широком диапазоне мест обитаний.

Исследователи использовали «самую длинную в мире имитационную модель климата», которая сгенерировала более 500 терабайт данных об истории Земли за последние два миллиона лет. Для сравнения: стандартные внешние жесткие диски, которые мы используем, в среднем хранят один или два терабайта данных. Затем исследователи связали эти климатические данные с новой и обширной базой данных человеческих окаменелостей и археологических артефактов, также охватывающих последние два миллиона лет. Объединив все эти данные, исследователи создали карты на основе моделей пригодности среды обитания, показывая, где древние виды гоминидов, вероятно, поселялись и пересекались.

Данное исследование – важный шаг в понимании ранней эволюции человека и ещё один аргумент в поддержку гипотезы изменчивого отбора, которая предполагает, что ранняя эволюция и видообразование гоминидов находились под влиянием значительных сдвигов температуры, уровня осадков и климата в целом.

Новое исследование гибернации – неутешительные новости для будущих космических путешественников

Представьте, что вы космонавт, отправляющийся в открытый космос. Только это будет не короткое путешествие на Луну – полет даже к ближайшим звездам продлится сотни и тысячи лет. Чтобы осуществить такое космическое странствие, вам нужно резко сократить метаболическую активность и потребности вашего тела. Научно-фантастические фильмы часто изображают будущее, в котором люди способны вводить космонавтов в гибернацию, – искусственно созданное состояние замедленной жизнедеятельности организма, чтобы пережить путешествие. Но действительно ли это возможно? В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the Royal Society B, было проанализировано, сколько энергии сберегают разные млекопитающие во время гибернации, что привело к двум удивительным выводам о том, как животные в спячке экономят энергию.

С одной стороны, мелкие млекопитающие, впадающие в спячку, склонны экономить в среднем гораздо больше энергии по сравнению с более крупными животными. Например, крошечное 45-граммовое сумчатое животное, известное как монито дель монте, которое может поместиться на вашей ладони, экономит 76% своей энергии во время гибернации по сравнению с его обычным активным состоянием.

С другой стороны, медведь гризли весом 180 кг на самом деле имеет отрицательную экономию энергии в размере 124%. Другими словами, большинство крупных медведей не экономят энергию во время спячки, а теряют ее. Даже для меньшего медведя весом 75 кг экономия энергии в спячке равна нулю по сравнению с обычным состоянием сна медведя.

Известно, что более мелким животным нужно сжигать больше энергии, чтобы поддерживать температуру тела в нормальном активном или спящем состоянии. Но во время гибернации потребление энергии на грамм постоянно при любых размерах тела. Другими словами, у спящей летучей мыши такой же метаболизм, как у зимующего медведя, который в 20000 раз больше её по массе. Кстати, почему он одинаковый – это весьма интригующий вопрос, и он ещё требует своего исследования. Поэтому вполне логично, что большинство впадающих в спячку существ, таких как летучие мыши или грызуны, обычно имеют небольшие размеры. В конце концов, единственным известным впадающим в спячку животным весом более 20 кг является медведь.

Как следует из исследования, искусственно вызванная гибернация у людей, например, в сценарии с гипотетическим космонавтом, вероятно, не сэкономит больше энергии по сравнению с обычным сном. Хотя мелкие млекопитающие, такие как коричневая летучая мышь, могут снизить потребление энергии на 98% во время гибернации, но такая экономия энергии просто невозможна у людей. Мелкие млекопитающие могут легко обходиться запасами энергии своего тела в виде жира и мышечной массы во время гибернации, но люди вряд ли смогут сделать то же самое. Согласно исследованию, вам потребуется 6.3 грамма жира каждый день, чтобы впасть в спячку в космосе, что составляет около 230 кг жира на 100-летнее путешествие.

Поэтому, к сожалению, для тех, кто мечтает о полетах к звёздам, полученные данные свидетельствуют о том, что люди, вероятно, не переживут многолетнее путешествие в космосе.

Недавно открытое озеро поможет раскрыть тайну формирования антарктического ледяного щита

Гляциологи, исследующие нижнюю часть крупнейшего в мире ледяного щита в Восточной Антарктиде, обнаружили под ним озеро размером с город. Это озеро, получившее название Снежный Орел в честь одного из самолетов, использованных при его открытии, покрыто 3-километровым льдом и лежит в каньоне глубиной в полтора километра в высокогорьях Земли Принцессы Елизаветы в Антарктиде в нескольких сотнях миль от побережья. Оно имеет длину около 50 км, ширину 15 км и глубину 200 м. Отложения на дне озера имеют толщину около 300 м и могут включать осадочные породы старше самого ледяного щита.

Первый намек на существование озера появился, когда ученые заметили гладкую впадину на спутниковых снимках ледяного щита. Чтобы подтвердить, что там есть озеро, исследователи в течение трех лет проводили систематические исследования этого места с помощью проникающего в лед радара и датчиков, которые измеряют мельчайшие изменения гравитации и магнитного поля Земли.

Поскольку озеро Снежный орел расположено относительно близко к побережью, исследователи считают, что озеро может содержать информацию о том, как впервые образовался Восточно-антарктический ледяной щит, и о той роли, которую сыграло Антарктическое циркумполярное течение – кольцо холодной воды, окружающее континент и ответственное за сохранение прохлады.

Ученые надеются, что получение образца отложений озера путем бурения заполнит большие пробелы в понимании процесса оледенения Антарктиды. Исследования этого озера помогут ответить на вопросы о том, какой была Антарктида до того, как она замерзла, как изменение климата повлияло на нее за всю ее историю и как может вести себя ледяной щит, когда мир потеплеет.

Самоуправляемые микроскопы – короткий путь к новым материалам

Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Риджа, США, разработали способ обучать «умные» микроскопы делать открытия с помощью интуитивно понятного алгоритма. Данный подход, опубликованный в журнале Nature Machine Intelligence, может способствовать прорывам в получении и исследовании новых материалов для энергетических технологий, датчиков и вычислений. Он сочетает физику и машинное обучение в целях автоматизации экспериментов по микроскопии для изучения свойств функциональных материалов на наноуровне. Функциональные материалы – это вещества, которые реагируют на тепло или электричество, предназначены для использования как в повседневных, так и в новых технологиях: от компьютеров и солнечных батарей до искусственных мышц и материалов с памятью формы.

Современные микроскопы могут выполнять точечное сканирование по нанометровой квадратной сетке, но этот процесс является кропотливым и медленным, поскольку измерения даже одного образца проводятся несколько дней. Была поставлена цель – научить микроскопы активно искать области с интересной физикой гораздо более эффективным способом, чем поиск по сетке. Обычные алгоритмы требуют больших наборов данных, закодированных человеком, и не могут сэкономить время сканирования.

В новом подходе для более разумной автоматизации рабочего процесса в методы машинного обучения включили физические рассуждения человека и использование в качестве отправной точки очень небольших наборов данных – изображений, полученных менее чем из 1% выборки. Алгоритм выбирает точки интереса, основываясь на том, что он узнал в ходе эксперимента, и на знаниях, заложенных ранее извне. В качестве доказательства эффективности данного метода рабочий процесс сканирования был применен к материальным системам, знакомым исследовательскому сообществу, и очень быстро, в течение нескольких часов, были обнаружены области с новыми свойствами.

Новое направление в интеллектуальной автоматизации было разработано для сканирующей зондовой микроскопии, но данный подход может быть применен и к исследованиям, связанным с визуализацией и спектроскопией самых разнообразных объектов.

Ученые нашли новый препарат, который останавливает рецидивирующий рост опухоли головного мозга

Когда опухоль головного мозга – менингиома – рецидивирует (данный термин применяется для описания заболеваний или их симптомов, которые имеют склонность возникать повторно) после операции и лучевой терапии, у пациента практически не остается шансов на выздоровление. В мире пока нет одобренных лекарств для лечения этих агрессивных опухолей, которые встречаются достаточно часто (до 20% случаев) и могут привести к инвалидности пациента или даже к его смерти.

Но недавно ученые Северо-Западного и Калифорнийского университетов (США) в сотрудничестве с коллегами из Университета Гонконга (Китай) синтезировали препарат под названием «абемациклиб» (abemaciclib), подавляющий рост наиболее агрессивных менингиом. Эффективность препарата была проверена на отдельных пациентах, мышах, органоидах (3D‑модели опухоли мозга из живой ткани) и клеточных культурах.

Менингиомы являются наиболее распространенной первичной опухолью в центральной нервной системе. Ежегодно только в США менингиома диагностируется примерно у 31 000 человек. Симптомы включают головные боли, судороги или неврологический дефицит (слабость, потеря зрения, двоение в глазах или изменения).

Препарат «абемациклиб» является ингибитором клеточного цикла, т. е. он блокирует определенные процессы в цикле клеточного деления и тем самым останавливает рост опухоли. Ученые проверили это несколькими способами и обнаружили, что данный подход действительно работает – мыши с менингиомами, получавшие лечение инъекциями абемациклиба, жили дольше, и их опухоли росли не так быстро. Выводы ученых были подтверждены независимыми экспертами из Университета Гонконга – и это позволяет надеяться на то, что данный препарат представляет собой новое перспективное лекарство против одного из видов рака головного мозга.

Новое окно в мир аттосекундных явлений

Химические реакции, связанные с изменением конфигурации электронов в атомах и молекулах, происходят с поразительной скоростью. Явления, длящиеся аттосекунды (т. е. квинтиллионные доли секунды – 10–18 с), составляют ядро химии и биологии – они повсюду, вокруг нас и внутри нас.

Отслеживание хода явлений с такой скоростью, как соединение атомов в молекулы, стало возможно благодаря рентгеновским лазерам на свободных электронах (X-Ray Free-Electron Lasers – XFEL). Эти устройства, работающие из-за их большой стоимости всего в нескольких местах в мире, генерируют ультракороткие импульсы рентгеновского излучения длительностью всего несколько фемтосекунд (т. е. квадриллионной доли секунды – 10–15 с).

Ситуация, вероятно, улучшится в ближайшие годы благодаря новому методу измерения, предложенному группой ученых из Института ядерной физики Польской академии наук.

Однако пройдет еще несколько лет, прежде чем рентгеновская хроноскопия станет стандартным методом исследования. Первым шагом к его реализации будет демонстрация того, что средние длительности лазерного импульса до и после взаимодействия с образцом различны. Это было бы экспериментальным подтверждением правильности метода, описанного польскими физиками.

Портативная лаборатория у вас на коже

Представьте, что вы можете непрерывно измерять уровень сахара в крови, узнавать количество алкоголя в крови во время застолий и отслеживать мышечную усталость во время тренировки – и все это с помощью одного небольшого устройства, прикрепляемого прямо вам на кожу плеча.

Инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали прототип такого портативного устройства, отслеживающего несколько показателей здоровья, – уровня глюкозы, алкоголя и лактата в режиме реального времени. Оно способно непрерывно измерять несколько биомаркеров одновременно, позволяя пользователям этого устройства следить за своим здоровьем и самочувствием во время повседневной деятельности. Большинство коммерческих мониторов здоровья, таких как мониторы глюкозы для пациентов с диабетом, измеряют только один параметр.

Устройство имеет размер и форму стопки из шести монет. Оно безболезненно прикрепляется на кожу с помощью микроскопических игл, похожих на липучку, каждая из которых составляет примерно одну пятую толщины человеческого волоса (около одной сотой миллиметра). Носимое устройство состоит из пластыря с микроиглами, соединенного с корпусом электроники. Различные ферменты на кончиках микроигл реагируют с глюкозой, алкоголем и лактатом в межклеточной жидкости. Эти реакции генерируют небольшие электрические токи, которые анализируются электронными датчиками и передаются по беспроводной сети в приложение, разработанное исследователями. Результаты отображаются в режиме реального времени на смартфоне.

Разработано квантовое хранилище данных на основе 5-сантиметрового алмазного диска вместимостью один миллиард Blu-ray дисков

Алмаз является одним из многообещающих материалов для квантовых технологий, включая квантовые вычисления и память. Искусственно созданный дефект в кристаллической решетке алмаза, известный, как азотная вакансия, может быть использован в качестве высокостабильного кубита, способного выполнять вычислительные операции или хранить информацию. (Кубит – наименьшая единица информации в квантовом компьютере, использующаяся для квантовых вычислений, аналог бита в двоичной системе).

Ученые из университета Саги совместно со специалистами компании Adamant Namiki Precision Jewelery Co (Япония) разработали новую технологию производства алмазных дисков, которые могут использоваться в качестве квантовых хранилищ информации. На выходе разработанного производственного процесса получаются круглые алмазные пластины диаметром в 5 см. Необычайно высокая чистота создаваемого алмаза позволяет хранить на таком диске, получившем название «Kenzan Diamond», огромный объем данных – 25 квинтиллионов (миллиард миллиардов) байт, эквивалентный суммарному объему памяти одного миллиарда однослойных Blu-ray дисков по 25 Гб.

В настоящее время японские исследователи занимаются разработкой технологии, которая позволит производить пластины Kenzan Diamond в крупных промышленных масштабах. Параллельно с этим ведутся работы по совершенствованию уже имеющейся технологии, что в перспективе позволит производить пластины большего размера – до 10 см в диаметре.

По материалам из Интернета подготовила

Нина Карачик.

Астрономический институт АН РУз.