2diesel

2diesel

В этом аккаунте можно найти интересные статьи на научные и околонаучные темы. Основа статей - видеолекции известных учёных и публицистика.
Пикабушник
Дата рождения: 11 ноября 1987
поставил 661 плюс и 336 минусов
отредактировал 0 постов
проголосовал за 0 редактирований
Награды:
10 лет на ПикабуПопуляризатор наукиболее 1000 подписчиков
160К рейтинг 9857 подписчиков 185 подписок 302 поста 117 в горячем

Взлом генетического кода

Всем привет! Продолжаю историю о расшифровке генетического кода.

Краткое содержание предыдущего поста: учёные Уотсон и Крик, закинувшись ЛСД, открывают структуру ДНК и понимают, что в ней заключена генетическая информация. И записана она 4-мя нуклеотидами - А, Г, Т(У), Ц, которые кодируют 20 молекул-аминокислот, из которых в свою очередь синтезируются белки в нашем организме (см. гифку).

Взлом генетического кода Наука, Биология, Генетика, ДНК, Нуклеотид, Аминокислота, Гифка, Длиннопост

Получилась чуть ли не криптографическая задача - надо было разгадать, каким образом 4 буквы-нуклеотида шифруют 20 аминокислот.


Сразу стало понятно, что в условном "байте" этого кода должно быть минимум три буквы, типа АГЦ, потому что две буквы могут кодировать максимум 16 вариантов, а три - целых 64. А надо было 20 - явная несостыковочка.


Было предложено два элегантных и красивых решения, которые математически объясняли эти особенности кода, однако реальность прошлась по красоте катком экспериментальных данных. И результат расшифровки учёных, прямо скажем, разочаровал (ссылка на это кино http://pikabu.ru/story/kak_uchyonyie_geneticheskiy_kod_vzlam...).


Указанные события произошли в 1950-1960 годах. А дальше пришёл технический прогресс с компьютерами и стало намного интереснее.


1. Когда байтов слишком много


Генетический код, когда его расшифровали, разочаровал учёных по нескольким причинам.

Взлом генетического кода Наука, Биология, Генетика, ДНК, Нуклеотид, Аминокислота, Гифка, Длиннопост

Он действительно не был так красив как предсказывали гипотезы:

Взлом генетического кода Наука, Биология, Генетика, ДНК, Нуклеотид, Аминокислота, Гифка, Длиннопост

(Для облегчения понимания (и для тех кто не видел предыдущий пост): в генетическом коде используется четверичный код, а не двоичный, как в комппьютерах - А Г У Ц вместо 0 и 1. Байт, он же кодон, в генетике выглядит напимер так - ГУУ, что означает аминокислоту валин, а в компьютерной кодировке - 01000001, что означает букву А. Однако валин при этом кодируется ещё и кодонами ГУА, ГУЦ и ГУГ (см. левый нижний угол) - это и есть вырожденность)


Действительно, трудно говорить о красоте, когда одна и та же аминокислота кодируется сразу несколькими кодонами (например, левый нижний угол таблицы: валин кодируется 4-мя сочетаниями сразу - ГУУ, ГУЦ, ГУА, ГУГ). Примените этот принцип к стандартной кодировке Windows, где каждому символу соответствует один и только один байт, и получите полную неразбериху и избыточность, которая только усложнит написание и прочтение кода.


Ниже пример стандартной невырожденной кодировки, в которой байт соответствует 1 символу:


01000001 - A

11000001 - Б

01000011 - C

01000100 - D

01000101 - E

01000110 - F

01000111 - G

01001000 - H

и т.д.

В общем, генетический код был "некрасивым" и вырожденным. И как ни пытались учёные найти какую-нибудь структурную логику в генетическом коде, ничего не получилось: между аминокислотами и кодонами на первый взгляд не было ни особой химической, ни особой физической связи.


2. Почему код только один?


Учёный, стоящий у истоков расшифровки, со звучной фамилией Крик, объявил этот удручающий код "застывшей случайностью". Проще говоря, код возник случайным образом и в таком виде дошел до наших дней.


И это было весьма и весьма логичное предположение. Если точечная мутация в ДНК организма может изменить ту или иную аминокислоту, расположенную в определенном месте определенного белка, то любое изменение хоть в одной букве самого кода привело бы к сбою всей кодировки.


Для понимания пример точечной мутации (см. картинку ниже): меняем один "бит" (Г на Ц) -> меняется "байт" (ГАУ на ЦАУ) -> при синтезе белка участвует другая аминокислота (вместо Аспарагина - Гистидин) -> как следствие изменение структуры и свойств белка (на картинке оно критичное, однако это не всегда так).

Взлом генетического кода Наука, Биология, Генетика, ДНК, Нуклеотид, Аминокислота, Гифка, Длиннопост

Ясное дело, остальные белки в организме при точечной мутации не изменяются. А теперь представьте что будет если поменять хотя бы одну букву в самом коде - вся система просто рухнет. И красивая цитата от Крика: "после того, как код был выбит на скрижалях, любые покушения на него карались смертью".

Но предполагаемая Криком "случайная" природа кода ставила одну проблему. Почему такая случайность была всего одна? Почему кодов не возникло несколько?


Самый очевидный ответ предполагал, что все живое на земле происходит от единственного общего предка, у которого генетический код уже был жестко закреплен. Крик даже предположил, то жизнь могла быть занесена на землю в сформированном виде, может даже разумными существами.

Взлом генетического кода Наука, Биология, Генетика, ДНК, Нуклеотид, Аминокислота, Гифка, Длиннопост

(момент из не самого удачного и продуманного в научном плане фильма "Прометей", когда пришелец прилетает на древнюю Землю, закидывается чем-то и рассыпается на  органическую субстанцЫю, дающей начало жизни)


Однако время шло, техника и методы научного анализа развивались, и уже в начале 80-х годов, стало ясно, что генетический код нельзя считать застывшим или полностью случайным. В нём нашлись скрытые закономерности, своего рода код внутри кодонов, дающий нам ключи к разгадке тайны четырёхмиллиарднолетней (советую прочесть это слово пару раз) давности.


Собственно, теперь мы знаем, что генетический код представляет собой не тот жалкий шифр, который так разочаровал в свое время криптографов.

3. Код внутри кодонов


С 60-х годов в генетическом коде выявили ряд закономерностей, однако большинство отбрасывались как обыкновенный статистический шум. Местами даже казалось, будто совокупность закономерностей не несет особого смысла. Однако вовремя нашёлся калифорнийский биохимик Брайан Дэвис, который имел другое мнение на этот счёт.


Он первым заметил, что буквы кодонов несут скрытый физико-химический смысл. Например, если взять все кодоны, начинающиеся с Т, то окажется, то все эти кодоны кодируют аминокислоты, образующиеся из одного и того же вещества-предшественника (так называют простые молекулы, которые стоят в основании синтеза более сложных органических веществ) - пирувата (он же пировиноградная кислота).

Взлом генетического кода Наука, Биология, Генетика, ДНК, Нуклеотид, Аминокислота, Гифка, Длиннопост

Пируват может образовываться в природе, например в гидротермальных источниках, из углекислого газа и водорода. То же относится и к другим первым буквам - каждая из них ведёт к веществам предшественникам, способным образовываться без участия живых клеток.


А как обстоят дела со второй буквой? Здесь тоже есть связь - на этот раз со степенью растворимости (или нерастворимости) аминокислоты в воде, то есть гидрофильности (или гидрофобности). Все аминокислоты можно распределить по своего рода спектру, начиная от "очень гидрофобных" и заканчивая "очень гидрофильными". Именно этот спектр имеет связь со второй буквой триплетного кода.

Взлом генетического кода Наука, Биология, Генетика, ДНК, Нуклеотид, Аминокислота, Гифка, Длиннопост

Пяти из шести самых гидрофобных аминокислот соответствуют кодоны с буквой Т в середине, а всем самым гидрофильным — кодоны с буквой А в середине. Промежуточным аминокислотам спектра соответствуют кодоны с буквой Г или Ц в середине. Таким образом, чем бы это ни объяснялось, в целом наблюдается сильная и вполне определенная связь между первыми двумя буквами каждого кодона и той аминокислотой, которую этот кодон кодирует.


Последняя буква во всех кодонах самая бесполезная. Именно она приводит к вырожденности кода: восьми аминокислотам свойственна (прекрасный термин!) четырехкратная вырожденность. В данном случае четырехкратная вырожденность означает не что-то плохое, а только тот факт, когда третья буква кода не несет никакой информации.

Взлом генетического кода Наука, Биология, Генетика, ДНК, Нуклеотид, Аминокислота, Гифка, Длиннопост

Независимо от того, какой нуклеотид стоит на третьем месте, во всех четырех случаях триплет кодирует одну и ту же аминокислоту. Например, в триплете ГГГ, кодирующем глицин, можно заменить последнюю Г на Т, А или Ц — и все три новых триплета будут по-прежнему кодировать глицин.


А сейчас будет очень сильная мысль. Если исключить из их списка пять самых сложных аминокислот(оставив, таким образом, пятнадцать, плюс стоп-кодон), то закономерности, касающиеся первых двух букв, окажутся выражены еще ярче. Поэтому уместно предположить, что код первоначально был дублетным (типа АА или АГ) и лишь потом расширился до триплетного в результате "присвоения" кодонов.


Древнейшие аминокислоты, вероятно, получили преимущество в борьбе за "присвоение" триплетных кодонов. Например, те 15 аминокислот, которые скорее всего кодировались первоначальным дублетным кодом, загребли себе 53 из 64 возможных триплетов (в среднем 3,5 кодона на аминокислоту), в то время как оставшиеся пять "позднейших" аминокислот разделили между собой лишь восемь кодонов (в среднем 1,6 на аминокислоту).

Взлом генетического кода Наука, Биология, Генетика, ДНК, Нуклеотид, Аминокислота, Гифка, Длиннопост

А теперь рассмотрим следующую возможность: код первоначально был дублетным, а не триплетным, и кодировал пятнадцать аминокислот (плюс один стоп-кодон). Этот первоначальный код, судя по всему, был почти полностью продиктован физическими и химическими факторами. Первая буква указывала на вещество-предшественник, а вторая - на способность растворяться в воде.


С третьей буквой дело обстояло иначе. Здесь было куда больше возможных вариантов, и многое могло произойти по воле случая, после чего отбор получал возможность "оптимизировать" полученный код за счёт всеми любимого нами классического эволюционного процесса.


4. Самый крутой генетический код


В конце концов, исследователи решили выяснить, какой код лучше всего противостоял бы точечным мутациям. Оказалось, что настоящий генетический код поразительно устойчив к таким изменениям: точечные мутации часто вообще не влияют на последовательность аминокислот, а если все-таки влияют, то аминокислота обычно заменяется на другую, близкую по свойствам к исходной.


Пример:

Заменяем ЦУУ на ЦУЦ - получается та же аминокислота лейцин.

Взлом генетического кода Наука, Биология, Генетика, ДНК, Нуклеотид, Аминокислота, Гифка, Длиннопост

Заменяем ЦАЦ на ЦАА - гистидин меняется на похожий по структуре глутамин.

Взлом генетического кода Наука, Биология, Генетика, ДНК, Нуклеотид, Аминокислота, Гифка, Длиннопост

Похожесть в конечном итоге означает, что кодируемый белок с большой вероятностью не развалится и не утратит исполняемые им функции (пример - гемоглобин не "разучится" переносить кислород к тканям). Скорее всего он как-то изменит пространственную конфигурацию, станет более или менее устойчивым, в общем отклонится от первоначального варианта.


Просто представьте, как во всей этой круговерти (на картинке типичный белок) меняется один изгиб:

Взлом генетического кода Наука, Биология, Генетика, ДНК, Нуклеотид, Аминокислота, Гифка, Длиннопост

Если ближе к середине это будет довольно опасно, а на окраине может и нет. В любом случае, переставлять карты у уже сложенного карточного домика лучше где-нибудь на верхушке.


Но учёные, в поисках конкретного обоснования, пошли ещё дальше. Они сгенерили на компьютерах более миллиона случайных вариантов триплетного кода (с теми же исходными данными, что у генетического кода - 64 триплета кодируют 20 аминокислот) и сравнили их с существующим кодом - на устойчивость и способность противостоять разрушающему действию мутаций.


И вы наверное уже догадались, что наш генетический код во всех отношениях лучше миллионов случайно сгенерированных кодов.

Взлом генетического кода Наука, Биология, Генетика, ДНК, Нуклеотид, Аминокислота, Гифка, Длиннопост

Впрочем, не самый лучший.


И да, он действительно нейтрализует негативные последствия тех изменений, которые все-таки случаются в ДНК. И тем самым ускоряет эволюцию - ведь ясно, что у мутаций намного больше шансов оказаться полезными, если они не ведут к катастрофическим последствиям.


Тут кто-то скажет - ага, значит код есть творение разумного существа.

Взлом генетического кода Наука, Биология, Генетика, ДНК, Нуклеотид, Аминокислота, Гифка, Длиннопост

На самом деле всё может быть, ведь даже земные учёные научились создавать живые клетки, использующие дополненный и улучшенный код - (см. новость). Однако наш код оказался всё же хуже некоторых вариантов - именно в силу того, что две первые быквы нашего кода закреплены в соответствии с веществом-предшественником и растворимостью. Это ограничение, возникшее исторически, а созданная "с нуля" кодировка таких ограничений иметь не обязана.


Итак, в целом "код внутри кодонов" говорит нам о процессе, первоначально связанном с биосинтезом и водорастворимостью аминокислот, а затем проходившем фазы расширения и оптимизации.


Тут возникает закономерный вопрос: что это был за процесс, на который начал действовать естественный отбор? Что было в самом начале, до возникновения кода?

.

.

.

.

.

.


Ииииииии на этот вопрос можно ответить, только написав пару тройку длиннопостов о происхождении жизни. Однако не знаю стоит ли - материала там много и он реально сложный. Так что ничего не обещаю, но цель себе поставлю


PS Первоисточник поста - замечательная книга Ника Лейна "Лестница Жизни" (https://www.livelib.ru/book/1000723390-lestnitsa-zhizni-desy...) - советую всем у кого есть базовые знания в области эволюции и генетики.

Взлом генетического кода Наука, Биология, Генетика, ДНК, Нуклеотид, Аминокислота, Гифка, Длиннопост
Показать полностью 14

Как учёные генетический код взламывали

Заранее извиняюсь перед теми, кто и без моих напоминаний знает принцип синтеза белка, потому что в этом посте я снова (раз в четвертый наверно) буду писать о кодонах и рибосомах. Будем считать, что повторение всё-таки мать учения, да и в рамках подготовки к следующему циклу постов будет не лишним. Всем моим подписчикам привет и поехали.


1. Клетки, белки и слово из трёх букв


Дарвин открыл эволюцию видов в 19 веке, однако ещё целых сто лет учёные не могли понять, где и как записаны наследуемые признаки. Только с развитием технологий удалось найти в клетках сложные органические молекулы - белки, и разобрать их по кирпичикам.

Как учёные генетический код взламывали Наука, Генетика, Биология, ДНК, Нуклеоитд, Длиннопост

(Картинка для привлечения внимания, ибо по данным статистики если пост начинать с фото живого существа, а не схемы, то его прочитают на 146% больше человек. И белочка такая: чо?)


На самом деле вот они, белкИ:

Как учёные генетический код взламывали Наука, Генетика, Биология, ДНК, Нуклеоитд, Длиннопост

А вот из чего белки состоят, где каждый кружок это отдельная аминокислота:

Как учёные генетический код взламывали Наука, Генетика, Биология, ДНК, Нуклеоитд, Длиннопост

Оценивая сложность молекул-белков, а также универсальность их строения, учёные где-то в середине 20 века начали всерьёз задумываться - а не они ли те самые переносчики наследственной информации и основа строения генов? (сами гены на тот момент никто не наблюдал, они были открыты чисто теоретически).  Предположение казалось не лишённым смысла, пока...

Как учёные генетический код взламывали Наука, Генетика, Биология, ДНК, Нуклеоитд, Длиннопост

...вот этим ребята, Уотсон и Крик, не обнаружили в самом сердце клетки структуру, во всех отношениях подходящую под носителя наследственности - дезоксирибонуклеиновую кислоту или ДНК.


У этой длинной спиральной молекулы оказалось свойство, сделавшее её идеальной основой жизни: две разделённые половинки двойной спирали сами катализировали образование двух копий исходной молекулы за счёт простейшего принципа.


Оказалось, что генетический код представляет собой последовательность "букв" (их более строгое наименование — "азотистые основания" или "нуклеотиды"). Таких букв в ДНК-алфавите всего четыре: А, Т, Г и Ц. Их полные названия — аденин, тимин, гуанин и цитозин, но эти химические термины для нас здесь не важны. Важно то, что в связи с ограничениями, накладываемыми формой молекул ДНК и структурой связей в них, А может образовывать пару только с Т, а Ц — только с Г.

Как учёные генетический код взламывали Наука, Генетика, Биология, ДНК, Нуклеоитд, Длиннопост

Если оторвать цепочки двойной спирали одну от другой, на каждой из них будут рядком торчать неспаренные буквы. С каждой буквой А может связаться только Т, а с каждой буквой Ц — только Г, и так далее.

Как учёные генетический код взламывали Наука, Генетика, Биология, ДНК, Нуклеоитд, Длиннопост

Азотистые основания не только дополняют друг друга, но и испытывают настоящую потребность найти себе пару. Только одно может сделать тусклую химическую жизнь буквы Т светлее — постоянная близость с буквой А. Стоит их совместить, и все их связи запоют в чудесной гармонии.


Это химическое явление — настоящий "основной инстинкт", неотъемлемое свойство азотистых оснований. Оно делает из цепочек ДНК нечто большее, чем пассивные матрицы: каждое основание обладает своего рода магнетизмом, притяжением к своему "альтер эго". Стоит разделить цепочки, и они самопроизвольно сольются снова или, если им помешать, смогут послужить матрицами, обладающими неодолимой тягой к соединению с другой "второй половиной", неотличимой от прежней.

2. Задача для криптологов!


Молекулы ДНК состоят из последовательностей, составленных из всего четырех букв, расположенных на первый взгляд в случайном порядке.

Как учёные генетический код взламывали Наука, Генетика, Биология, ДНК, Нуклеоитд, Длиннопост

Было не так уж сложно догадаться, что этот порядок должен каким-то образом кодировать белки.


А ключевое слово здесь - двадцать. Двадцать разных молекул, называемых аминокислотами, использует любая форма жизни для формирования белков. Если хотите, это можно назвать одним из ключевых характеристик земной формы жизни.


Когда количество нуклеотидов и аминокислот определилось (опять же, спасибо Уотсону и Крику), задача сразу стала ясной. Все свелось к математической головоломке: четыре буквы в молекулах ДНК (А Г Т Ц) должны были кодировать двадцать аминокислот:

Как учёные генетический код взламывали Наука, Генетика, Биология, ДНК, Нуклеоитд, Длиннопост

Это позволяло отбросить возможность прямой транслитерации, при которой одна ДНК-буква соответствовала бы одной аминокислоте.


Дублетный код (АА, АГ, АТ, АЦ, ГА, ГГ и т.д.) тоже был невозможен, потому что кодировал бы не более шестнадцати аминокислот: 4^2 = 16.


Аналогия из мира компьютеров: чтобы получить 256 разных символов (стандартная кодировка), при наличии двух "букв" (0 и 1), нужна длина, равная восьми (2^8 = 256) - то есть классический байт.


Получается, минимальное число букв было три, то есть код мог быть триплетным (ААА, ААГ, ААТ, ААЦ, АГА, АГГ, АГТ и т.д.).


Каждая группа из трех ДНК-букв могла кодировать одну аминокислоту. Но такой код казался очень уж расточительным. Из четырех букв можно составить шестьдесят четыре триплета (4^3 = 64), а значит, потенциально триплетами можно было закодировать шестьдесят четыре аминокислоты. Так почему же аминокислот было только двадцать?


Секрет этого фокуса должен был объяснить смысл 4-буквенного "алфавита", организованного в 64 3-буквенных "слова", кодирующие 20 аминокислот. И за неимением экспериментальных данных о реальной природе кода, учёным пришлось проявить смекалку.


Попытка номер РАЗ


Не случайно, наверное, первым, кому удалось дать хоть какой-то ответ, стал не биолог, а энергичный американский физик российского происхождения Георгий Гамов, больше известный своими теориями, касающимися Большого взрыва.

Как учёные генетический код взламывали Наука, Генетика, Биология, ДНК, Нуклеоитд, Длиннопост

Гамов считал ДНК в буквальном смысле матрицей для синтеза белков. Он полагал, что аминокислоты вкладываются в ромбовидные борозды между оборотами спирали. Но его теория генетического кода была в основе нумерологической, и когда он узнал, что белки вообще не синтезируются в ядре, а значит, в ходе синтеза не могут непосредственно контактировать с ДНК, это не произвело на него особого впечатления. Этот факт лишь делал его идею более абстрактной.


Суть его предположения состояла в том, что код перекрывается. Это дает большое преимущество, которое обожают криптографы: максимизация плотности информации.

Как учёные генетический код взламывали Наука, Генетика, Биология, ДНК, Нуклеоитд, Длиннопост

Представьте себе последовательность АТЦГТЦ. Первое слово, или, если использовать более строгий термин, первый кодон, будет АТЦ, второй — ТЦГ, третий — ЦГТ, и так далее.


Здесь важно то, что перекрывающиеся кодоны всегда ограничивали бы число аминокислотных последовательностей. Например, если АТЦ кодирует определенную аминокислоту, за ней может следовать только аминокислота, кодон которой начинается с букв ТЦ, а следующей аминокислоте должен соответствовать кодон, начинающийся с буквы Ц. Если изучить все возможные варианты, окажется, что очень многие триплеты просто недопустимы: они не могут входить в состав этого перекрывающегося кода, потому что в нем буква А всегда должна стоять рядом с Т, Т — рядом с Ц, и так далее. И сколько триплетов у нас останется для кодирования аминокислот? Ровно двадцать! — сказал Гамов с торжеством фокусника, вынимающего кролика из шляпы.


Эта остроумная идея была первой из многих, безжалостно опровергнутых фактами. Перекрывающиеся коды оказались невозможны из-за накладываемых ими самими ограничений. Во-первых, они предполагают, что некоторые аминокислоты в белках должны всегда стоять рядом. Вторая серьезная проблема состояла в том, что при перекрывающемся коде любая точечная мутация (в которой одна буква заменяется другой) неизбежно приводила бы к изменению больше чем одной аминокислоты в белке, а экспериментальные данные свидетельствовали о том, что при таких мутациях меняется лишь одна аминокислота.


Стало ясно, что генетический код не перекрывается. Предположение Гамова о перекрывании кода было опровергнуто задолго до того, как стал известен настоящий код. Криптографы начали подозревать, что мать-природа упустила возможность воспользоваться некоторыми известными им трюками.

Попытка номер ДВА


Следующую попытку разгадать загадку кода предпринял Крик (да да, тот самый который несколько абзацев назад ДНК открывал).

Как учёные генетический код взламывали Наука, Генетика, Биология, ДНК, Нуклеоитд, Длиннопост

Он высказал идею настолько красивую, что ее немедленно все приняли, хотя самого автора и смущала нехватка доказательств. Крик воспользовался новыми открытиями, сделанными в нескольких молекулярно-биологических лабораториях.


Итак, неактивная ДНК сидит в ядре. Когда нужно синтезировать какой-либо белок, соответствующий участок ДНК используется для создания молекулы-матрицы. Она физически выходит из ядра и достигает ожидающих ее снаружи специальных молекул-рибосом, синтезирующих этот белок, используя матрицу (называемую матричной РНК или мРНК или иРНК).

Как учёные генетический код взламывали Наука, Генетика, Биология, ДНК, Нуклеоитд, Длиннопост

Крика теперь интересовало вот что: как точная последовательность букв молекулы матричной РНК переводится в последовательность аминокислот в белке?

Крик крепко задумался. Он предположил, что матричная РНК транслируется с помощью набора особых молекул — адаптеров, по одной на каждую аминокислоту. Адаптеры тоже должны состоять из РНК, у каждого из них должен быть антикодон, способный узнавать соответствующий кодон матричной РНК и связываться с ним. Принцип этого связывания, как считал Крик, должен быть точно таким же, как в ДНК: Ц образует пару с Г, А — с Т, и так далее. Адаптеры действительно были открыты несколько лет спустя, и оказалось, что они действительно состоят из РНК, как и предсказывал Крик. Теперь их называют транспортными РНК (тРНК).

Как учёные генетический код взламывали Наука, Генетика, Биология, ДНК, Нуклеоитд, Длиннопост

(на картинке растущая полипептидная цепь это белок, и вас не должна смущать появившаяся буква У (урацил) - в матричной РНК она заменяет Т (тимин) и имеет то же ключевое свойство присоединять А (аденин))


Но здесь Крик пошел по ложному пути. Крик представлял себе, что матричная РНК просто сидит в цитоплазме, а ее кодоны торчат, как соски свиноматки, и к каждому из них может "присосаться" транспортная РНК. Рано или поздно молекулы тРНК свяжутся с мРНК по всей длине, расположившись одна за другой, и с каждой из них будет связана, как хвост поросенка, соответствующая аминокислота, готовая соединиться с соседними аминокислотами и образовать белковую цепочку.

Как учёные генетический код взламывали Наука, Генетика, Биология, ДНК, Нуклеоитд, Длиннопост

На фото формирование полипоросячей цепочки на основе свиноматрицы: соски это кодоны, поросячьи рты - антикодоны, сам поросёнок - тРНК, хвостики - аминокислоты. Давайте представим что соски именные, и их 20 видов для 20 видов поросят. А поросячью хвостики тоже разные и их можно связывать. (Уииии!)


Но вернёмся к нашим баранам (белки, свиньи, бараны, просто не могу остановиться...). Итак, ключевая проблема, по мнению Крика, состояла в том, что тРНК будут прибывать в случайном порядке, по мере их появления рядом с мРНК, и связываться с ближайшим соответствующим кодоном.


Однако если не начинать с начала и не заканчивать в конце, как они узнают, где начинается и где заканчивается один кодон? Как они смогут найти правильную рамку считывания?


Если последовательность содержит фрагмент АТЦ ГТЦ, то одна тРНК может связаться с кодоном АТЦ, а другая — с кодоном ГТЦ, но что помешает соответствующей тРНК узнать кодон ЦГТ в середине этого фрагмента и тем самым транслировать совсем не то, что нужно?


Предложенный Криком ответ на этот вопрос предполагал категорический запрет подобных вещей. Раз матрица в целом должна читаться однозначно, значит, не все кодоны должны иметь смысл. Какие же из них требовалось запретить? Ясно, что последовательности, состоящие только из А, только из Ц, только из Т или только из Г, должны были оказаться под запретом: в цепочке АААААА нельзя найти правильную рамку считывания.


Затем Крик проверил все другие трехбуквенные комбинации. Он рассуждал примерно так: если АТЦ имеет смысл, то все циклические перестановки этих трех букв (ТЦА и ТАЦ) должны быть под запретом. Сколько возможностей это нам оставляет?


(барабанная дробь)


Иииииииии снова двадцать! (Из шестидесяти четырех возможных кодонов AAA, ТТТ, ЦЦЦ и ГГГ исключаются. Остается шестьдесят. Из каждых трех вариантов циклических перестановок допустим только один, значит, делим шестьдесят на три.)


В отличие от перекрывающихся кодов Гамова, код Крика не накладывал никаких ограничений на порядок аминокислот в белке и не предполагал, что точечная мутация будет непременно менять две или три аминокислоты. Когда была выдвинута эта гипотеза, казалось, она дает прекрасное решение проблемы рамки считывания и при этом сокращает число кодонов с шестидесяти четырех до двадцати, что соответствует числу аминокислот в белках. Эта гипотеза ничуть не противоречила всем имеющимся на тот момент данным.


И все же она оказалась ошибочной ¯\_(ツ)_/¯

Генетический код как он есть


Спустя несколько лет выяснилось, что искусственно полученная РНК, состоящая из кодонов ААА ("запрещенных" Криком), все же кодирует аминокислоту лизин и может транслироваться в белковую цепочку, состоящую исключительно из лизина.

Как учёные генетический код взламывали Наука, Генетика, Биология, ДНК, Нуклеоитд, Длиннопост

(фото лизина в молодости)


К середине 60-х годов, когда были усовершенствованы экспериментальные методы, нескольким исследовательским группам удалось шаг за шагом выяснить, что на самом деле представляет собой генетический код. После всех попыток расшифровать его открывшаяся картина вызывала глубочайшее разочарование. Оказалось, что никакого изящного нумерологического решения не было, а код просто вырожден (это значит, что в нем полно излишеств).


Три аминокислоты кодируются шестью разными кодонами каждая, в то время как другие кодируются лишь одним или двумя. Все кодоны идут в дело: три кодона означают “стоп” (конец трансляции), а все остальные кодируют ту или иную аминокислоту.

Как учёные генетический код взламывали Наука, Генетика, Биология, ДНК, Нуклеоитд, Длиннопост

Выходило, что в генетическом коде нет никакого порядка, никакой красоты. Этот пример может служить наглядным опровержением мысли, что красота может служить проводником к научной истине. На первый взгляд, в основе кода не было и никакой структурной логики: между аминокислотами и соответствующими им кодонами не было ни особой химической, ни особой физической связи...


...продолжение следует


P.S. Первоисточник - книга "Лестница жизни" Ника Лейна.

Показать полностью 16

Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей

Квантовая жуть


Когда-то давным-давно (а точнее в начале 20 века) учёные внезапно обнаружили, что поведение элементарных частиц лучше всего описывается словом "случайно". Собрав все имеющиеся на тот момент выкладки они построили сущую чертовщину то, что сейчас называют квантовой механикой. Посмотрите внимательно на эти лица:

Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей Наука, Физика, Альберт Эйнштейн, Квантовое запутывание, Квантовая механика, Неравенства Белла, Спина, Длиннопост

Благодаря им студенты сейчас изучают вместо E=mgh и V=V0+(at^2)/2 всякую математическую жуть типа такой:

Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей Наука, Физика, Альберт Эйнштейн, Квантовое запутывание, Квантовая механика, Неравенства Белла, Спина, Длиннопост

(фото для привлечения внимания)


Впрочем, несмотря на кажущуюся сложность, вся квантовая механика строится на нескольких простых базовых принципах. Краеугольный камень квантовой механики — принцип неопределенности Гейзенберга, утверждающий, что невозможно одновременно измерить сразу два свойства какой–либо частицы. Например взаимоисключающими оказались координаты положения частицы и ее скорость. Или энергия частицы и длительность её измерения. Или, скажем, спин частицы по разным координатным осям (запомните этот момент, дальше он пригодится).

Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей Наука, Физика, Альберт Эйнштейн, Квантовое запутывание, Квантовая механика, Неравенства Белла, Спина, Длиннопост

(на фото Гейзенберг и его принципы)


Из принципа неопределенности Гейзенберга прямо вытекает та самая идея, в которой любое событие в квантовом мире истинно случайно. То есть нет абсолютно никакой возможности предсказать результат любого конкретного эксперимента с элементарными частицами. Конечно, если мы проведём очень много одинаковых экспериментов, то сможем сказать - смотрите, действительно частица вероятнее всего оказывается в такой-то области. То есть вероятность вычисчить/предсказать мы можем. А конкретный исход конкретного опыта - нет.


Мы привыкли считать, что электрон в атоме вращается вокруг ядра подобно Луне на орбите Земли. Это интуитивная картина. На самом деле электрон находится в каждой точке пространства с определённой вероятностью, примерно как на картинке внизу:

Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей Наука, Физика, Альберт Эйнштейн, Квантовое запутывание, Квантовая механика, Неравенства Белла, Спина, Длиннопост

Тут нет никакого подобия вращения. Нельзя сказать что у электрона есть траектория, ведь скорость и положение не получится измерить одновременно. Есть только облако вероятности, есть измерение и его результат в виде точки с координатами.


Как к такой картине можно привыкнуть и как перестать воспринимать элементарные частицы как шарики, летящие в пространстве по красивым кривым, могут сказать только учёные, которые на опытах с элементарными частицами кота собаку съели. Мы просто смиримся и продолжим.


Очень старый спор


Надо заметить, что вся эта квантовая жуть была не всем по нраву. Один учёный сказал: давайте представим, что элементарная частица распадается на две (обычное явление для элементарных частиц), а перед распадом мы измеряем скорость исходной частицы и координаты одной из двух полученных частиц (одновременно их измерить нельзя - неопределённость же), и вуаля - путём нехитрых расчётов узнаем скорость и координаты второй полученной частицы, а значит жуткий принцип неопределённости повержен.


Этого учёного звали Альберт Эйнштейн (без шуток).

Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей Наука, Физика, Альберт Эйнштейн, Квантовое запутывание, Квантовая механика, Неравенства Белла, Спина, Длиннопост

На что другой учёный по имени Нильс Бор ответил, что разделившись, частицы всё равно остались одной квантовой системой, или проще говоря, квантово запутались. Поэтому, когда мы измеряем координаты одной частицы, вторая в соответствии с математическими выкладками должна об этом сразу узнать и сделать вид что её координаты тоже измерили! Причём мгновенно, независимо от расстояния между запутанными частицами.

Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей Наука, Физика, Альберт Эйнштейн, Квантовое запутывание, Квантовая механика, Неравенства Белла, Спина, Длиннопост

(на фото Бор и Эйнштейн что-то курят)


По хорошему после этого должен был приехать конный экипаж скорой психиатрической помощи и увести Бора под белы рученьки в палату к Сократу и Наполеону, однако многочисленные опыты показали, что идея о квантовой запутанности абсолютно верна.


Но Эйнштейн не унимался. На этот раз он взял пример с измерением спина как более наглядный, ведь измеряя спин у одной из запутанных частиц, мы по идее  заставляем тут же вторую запутанную частицу приобрести противоположный спин.


А наглядность этого примера ещё и в том, что частицы мы можем заменить на два сапога, правый и левый:

Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей Наука, Физика, Альберт Эйнштейн, Квантовое запутывание, Квантовая механика, Неравенства Белла, Спина, Длиннопост

Теперь вместо исходной частицы мы имеем коробку с двумя сапогами, летящую, например, в космосе (почему бы и нет?). Коробка в какой-то момент раскрывается и сапоги летят в разные стороны. Летят долго. И вот, в далёкой-далёкой галактике, мы ловим один сапог и видим, что он правый. И в тот же момент мы узнаём, что второй сапог - левый! Параметры частиц получаются так же связанными, но при этом предопределёнными, а не как у Бора, случайными. Эта концепция получила название теории скрытых переменных - в ней мы так же ограничены в измерениях, однако измеренные параметры хоть и имеют случайное распределение, но предопределены заранее (т.е. когда мы поймали сапог, он был правым, а не стал правым).


Почувствуйте различие - в первой концепции спин одной частицы в момент измерения принимает своё значение случайным образом с вероятностью 50 на 50 ("отрицательный" или "положительный"), а спин второй частицы каким-то образом об этом узнаёт (в тот же момент, независимо от расстояния между частицами), и становится противоположным. А во второй концепции спины частиц предопределены и наблюдатель, проводя измерение, всего лишь узнаёт скрытую истину, а не запускает невидимый генератор случайных чисел.


Чисто с человеческой интуитивной позиции вторая концепция более правдоподобна. Если мы найдём в своём ящике правый кроссовок, значит второй точно будет левым, никакое квантовое состояние, теория вероятностей или прочая "жуть" здесь не нужна. А вот кроссовок, который не левый, и не правый, который в момент измерения становится левым, и заставляет тем самым второй кроссовок стать правым, как-то сбивает с толку.

Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей Наука, Физика, Альберт Эйнштейн, Квантовое запутывание, Квантовая механика, Неравенства Белла, Спина, Длиннопост

Самое интересное, что обе концепции подразумевают один и тот же исход, а значит опытным путём узнать правду не получится. Сколько бы ни спорили Бор с Эйнштейном, решение вопроса о существовании "скрытых параметров" частиц не было получено - ведь как ни крути, несмотря на принципиальное различие концепций, исход опытов должен быть одинаковым: один сапог левый, другой правый. Сапоги-частицы либо изначально имеют определённые свойства (и это исключительно наша человечеческая проблема, что узнать их в полной мере не получается), либо они принимают их только в момент измерения. Какой вариант реален - поди угадай.


В итоге проблему наличия "скрытых параметров" стали считать исключительно философской. А Бор и Эйнштейн ушли из жизни так и не узнав, кто из них прав, и какова на самом деле суть реальности.


Спин, спин, спин


Спин. Мы привыкли считать, что это что-то связанное с вращением частицы. Даже картинки по запросу "спин" обязательно будут с вращающимися стрелочками:

Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей Наука, Физика, Альберт Эйнштейн, Квантовое запутывание, Квантовая механика, Неравенства Белла, Спина, Длиннопост

Но спин это просто очередная квантовая характеристика частицы, рассуждать о спине как о реальном вращении лишь помогает проводить параллели с привычным нам миром, но не более.


Впрочем, есть некоторые общие моменты - например, спин, как и вращение, можно измерить по осям икс и игрек (на самом деле ещё и зед, но пока не будем усложнять):

Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей Наука, Физика, Альберт Эйнштейн, Квантовое запутывание, Квантовая механика, Неравенства Белла, Спина, Длиннопост

Допустим мяч вращается со скоростью 8.12 оборотов в секунду, на приведенном рисунке это получается гипотенуза, а Y- и X- спины вычисляются через синус (косинус) угла, ну, или по теореме Пифагора.


Теперь сравним с квантовым миром: там тоже можно измерять спин по произвольным осям, однако за каждое измерение только по одной из осей (вспоминаем первую главу, где говорится про принцип неопределённостей - нельзя одновременно измерить спин по разным осям).


Причём спин, в отличие от меры вращения материальных тел, всегда равен одному и тому же условному числу, у электрона это +1/2 или -1/2. То есть как правый или левый сапог, в общем противоположности.

Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей Наука, Физика, Альберт Эйнштейн, Квантовое запутывание, Квантовая механика, Неравенства Белла, Спина, Длиннопост

О спине, квантовой механике, принципе неопределённостей Гейзенберга, Альберте Эйнштейне, Нильсе Боре вы конечно слышали раньше. Ну а теперь вспомните, говорили ли вам что-нибудь в школе или институте о неравенствах Белла. Скорее всего нет, а ведь именно они открыли путь к определению сути реальности, и разрешили давний спор противников и сторонников идеи скрытых переменных.

Неравенства Белла (или величайшее открытие фундаментальной физики, о котором вы не знали)


Джон Стюарт Белл, ирландский физик, в 1964 году предложил математическую основу для разрешения проблемы существования скрытых параметров.

Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей Наука, Физика, Альберт Эйнштейн, Квантовое запутывание, Квантовая механика, Неравенства Белла, Спина, Длиннопост

Причём в любой форме, для любых явлений, которые либо предопределены скрытым образом, либо случайны. Иииии сейчас будет материал, который чуть сложнее предыдущего (возможно, его даже придётся прочитать несколько раз), поэтому предлагаю немного собраться, посмотреть на котика, и продолжить.

Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей Наука, Физика, Альберт Эйнштейн, Квантовое запутывание, Квантовая механика, Неравенства Белла, Спина, Длиннопост

Помните суть спора Эйнштейна с Бором насчет запутанных частиц? У запутанных частиц спин всегда занимает противоположные значения. Если у одной он "вниз", то у другой обязательно "вверх". Или же один сапог правый, а второй левый, помните? И невозможно узнать, какой был какой, покуда не было произведено измерения. Но вся фишка в том, что в отличие от правых–левых сапогов, спин у электронов может быть так сказать "вдоль любых осей".

Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей Наука, Физика, Альберт Эйнштейн, Квантовое запутывание, Квантовая механика, Неравенства Белла, Спина, Длиннопост

А вот теперь хитрый финт ушами, который провернул Белл. Для начала продолжим оставаться лишь в трех перпендикулярных осях X, Y и Z, чтобы не морочиться с дробными вероятностями. Напомню, что если мы знаем спин электрона относительно оси X (скажем "вверх"), то мы понятия не имеем, каким он будет относительно оси Y, может быть "вверх", а может быть "вниз" с одинаковой вероятностью 50% на 50%. Вдоль же оси, расположенной под углом 45 градусов к X, вероятность "вверх–вниз" будет другая, но нам это не важно.


Далее представим себе, что мы меряем спин у первой частицы по произвольной оси, а потом у второй частицы, опять таки по случайно выбранной произвольной оси. Какова вероятность, что и там и там мы обнаружим, что спины совпадают (окажутся оба вверх или оба вниз)?


Напомню, если мы меряем спины у этих частиц по одинаковым осям, они всегда будут противоположны, частицы же запутаны. Если у одной из них спин "вверх" у второй запутанной частицы по этой оси спин будет "вниз", а значит вероятность обнаружения одинакового спина — 0%.


Несложно догадаться, что в варианте истинно случайного квантового мира, в котором каждый раз спин (и любая другая характеристика) появляется у частицы лишь в непосредственный момент измерения, если мы случайным образом выбираем ось измерения у первой частицы, и случайным образом выбираем ось измерения второй частицы вероятность обнаружить два одинаковых спина у этих двух частиц по разным осям равна 50%. Все это в истинно случайном квантовом мире Бора.


В мире скрытых переменных Эйнштейна оказывается совсем другая песня. Эксперимент протекает точно так же — мы случайным образом выбираем направления осей, что будем мерить, и мы заранее наперед не знаем, что за параметры были у частицы, которую мы будем измерять. Но главное, мы верим, что они у нее заранее были.


Предположим, к нам в руки попала частица, у которой заранее были предопределены спины по осям X, Y и Z. Пусть это были спины "вниз", "вниз" "вверх" (- - +) вдоль этих осей соответственно (левый, левый и правый сапоги в первой коробке). В то же время вторая запутанная частица имеет спины наоборот "вверх", "вверх" и "вниз" (+ + -) вдоль этих осей (правый, правый и левый сапог во второй коробке). Мы всего этого пока не знаем (и никогда полностью не узнаем), но принимаем что эти свойства у частиц уже есть, хоть они и скрытые и навсегда останутся скрытыми.


Посмотрим, какие варианты опытов у нас могут получиться с этими (конкретно этими) частицами. Всего мы можем выбрать 9 вариантов проведения эксперимента. По аналогии с реальным миром можно взять две реальные коробки, положить в них указанные правые и левые сапоги и начать случайным образом доставать по одному из каждой коробки, пытаясь не наткнуться на пару.


Измерять спин у первой (условно зелёной) частицы вдоль одной оси, а у второй (условно красной) вдоль другой, дозволено в комбинациях осей:

Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей Наука, Физика, Альберт Эйнштейн, Квантовое запутывание, Квантовая механика, Неравенства Белла, Спина, Длиннопост

А так как мы знаем заранее, какие у наших конкретных запутанных частиц спины по разным осям ("- - +" и "+ + -"), таблица будет выглядеть так:

Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей Наука, Физика, Альберт Эйнштейн, Квантовое запутывание, Квантовая механика, Неравенства Белла, Спина, Длиннопост

Все девять, других вариантов нет.


Теперь из таблицы сверху рассчитаем вероятность совпадения спинов, то есть долю вариантов ++ или --: очевидно она равна 4 из 9, то есть около 44%.


Если пары частиц будут выглядеть как "- + -" и "+ - +" или "+ - -" и "- - +" найденная вероятность, как ни крути, остаётся в силе - 44%. Добавим в общую кучу варианты, когда все спины в частице одинаковы по осям ("+ + +" и "- - -") - здесь вероятность совпадения спинов равна нулю:

Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей Наука, Физика, Альберт Эйнштейн, Квантовое запутывание, Квантовая механика, Неравенства Белла, Спина, Длиннопост

В итоге, если рассмотреть все возможные конфигурации спинов в частице и варианты совпадений для запутанных частиц, получим общую вероятность в районе 33% - и эта цифра отличается от тех 50%, которые следуют из концепции истинно случайного мира.


Основная идея всей затеи такова - если мы проведем тысячи и тысячи опытов и в итоге получим одну вероятность какого-то искомого результата, значит, мы имеем дело с квантовым миром Бора. Если же получим другую вероятность (а еще точнее убедимся, что эта вероятность никогда не превышает или наоборот всегда превышает какое–то определенное значение, всегда чего–то больше или всегда меньше, отсюда и "неравенства Белла"), следовательно, мы живем в детерминистическом мире Эйнштейна, где истинных случайностей не случается (каламбур), все заранее предопределено, хоть мы этого никогда и не узнаем.

Подведём итоги


Джон Белл предоставил учёным математический аппарат, которым смогли воспользоваться только через 20 лет после его открытия. Были проведены тысячи опытов, спины электронов были измерены сотни тысяч раз... и вы наверно догадываетесь, каков результат.

Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей Наука, Физика, Альберт Эйнштейн, Квантовое запутывание, Квантовая механика, Неравенства Белла, Спина, Длиннопост

(фото установки, на которой в 2015 году с недостижимой ранее точностью проверялись неравенства Белла)


Да, природа нашего мира абсолютно случайна на квантовом уровне, нет никакой возможности предсказать результат следующего эксперимента, любое событие во Вселенной может произойти лишь с некой долей вероятности, чисто статистически, а может не произойти вовсе. Характер физических законов природы оказался истинно случаен.


Таким образом, в битве концепций жуткая и нелогичная версия Нильса Бора одержала победу над интуитивно более понятной и менее странной версией Эйнштейна.

Реальность, квантовая механика и противостояние двух идей Наука, Физика, Альберт Эйнштейн, Квантовое запутывание, Квантовая механика, Неравенства Белла, Спина, Длиннопост

К сожалению, великие учёные не дожили до разрешения спора: Белл открыл свои неравенства через 2 года после кончины Бора и через 9 лет после кончины Эйнштейна. Однако самому Джону Беллу повезло при жизни застать результаты экспериментов по проверке неравенств, которые носят его имя. В 1990 году Белл был выдвинут на Нобелевскую премию, и наверняка выиграл бы её, если бы не скоропостижная смерть от инсульта в возрасте 62 лет.


Сегодня учёные продолжают копать квантовую физику, запутывают частицы и даже телепортируют их (если в новостях вы слышите о телепортации - речь о запутывании двух частиц, передаче одной из них на расстояние по каналу данных и запутывание с третьей частицей, таким образом передаётся квантовое состояние), однако фундаментальная природа запутывания, одним из аспектов которого является существование "ужасного" мгновенного дальнодействия, до сих пор остаётся неразгаданной.

PS На самом деле чукча не писатель, и данный текст является всего лишь вольной адаптацией серии постов товарища sly2m под названием "Характер физических законов на пальцах™", так что если хочется больше подробностей, настоятельно советую сходить по ссылкам - http://sly2m.livejournal.com/592394.html, http://sly2m.livejournal.com/592687.html, http://sly2m.livejournal.com/592929.html.

Показать полностью 19

Суд над жгутиком, теория эволюции и разумный замысел

Привет всем подписчикам! Наконец-то летний период закончился, поэтому настало время выйти на проектную мощность и писать посты. А сегодня обсудим серьёзное столкновение идей. Как принято говорить в таких случаях - к коллайдеру!

Суд над жгутиком, теория эволюции и разумный замысел Наука, Теория эволюции, Эволюция, Суд, Биология, Креационизм, Длиннопост, Моё, Видео

Креационизм и с чем его едят


Для начала расскажу о креационистах и теории разумного замысла. Многие уже в курсе, что креационизм это псевдонаучное движение, основанное на вере в создание жизни божественным творцом. Или же плохо замаскированная попытка продвижения религии в научных и образовательных институтах. Движение появилось в США и отметилось в 20-х годах лоббированием законов о запрете преподавания теории эволюции в школах. Причём отметилось успешно - в некоторых штатах запрет действовал более 30 лет. За это время выросло несколько поколений, которые о теории эволюции не слышали вообще (к вопросу почему креационизм в именно США цветёт и пахнет).

Суд над жгутиком, теория эволюции и разумный замысел Наука, Теория эволюции, Эволюция, Суд, Биология, Креационизм, Длиннопост, Моё, Видео

Только в 1968 г. Верховный суд США запрет отменил и теорию эволюции снова стали преподавать. В результате креационисты сменили тактику и основали множество организаций со звучными названиями, таких как Институт креационистских исследований, и стали работать над учебником, который затем рассчитывали ввести в школах. Для этого они начали искать в природе вещи, которые можно было бы объявить научными доказательствами теории разумного замысла.

Суд над жгутиком, теория эволюции и разумный замысел Наука, Теория эволюции, Эволюция, Суд, Биология, Креационизм, Длиннопост, Моё, Видео

Суд над жгутиком


Сначала главным претендентом на доказательство разумного замысла был язык дятла, который растёт из ноздри в обратную сторону и буквально опутывает череп, выполняя функции амортизатора.

Суд над жгутиком, теория эволюции и разумный замысел Наука, Теория эволюции, Эволюция, Суд, Биология, Креационизм, Длиннопост, Моё, Видео

На самом деле это слабое доказательство (почему слабое расписано тут http://pikabu.ru/story/_2372726) и на ведущие роли оно не годилось. Однако благодаря достижениям молекулярной биологии у креационистов в 1980-х годах появился новый претендент - жгутик бактерии E. coli

Суд над жгутиком, теория эволюции и разумный замысел Наука, Теория эволюции, Эволюция, Суд, Биология, Креационизм, Длиннопост, Моё, Видео

Вот что пишет о нём один из вождей креационизма: «Представьте себе, к примеру, крошечный навесной моторчик, который такие бактерии, как E. coli, используют для передвижения. Это хитроумное устройство с водяным охлаждением, называемое жгутиком, снабжено также реверсивным двигателем, универсальным шарниром и длинным гибким пропеллером. Оно делает 17 000 оборотов в минуту». Шах и мат, как говорится.


В итоге, жгутик бактерии, как доказательство сотворения всего живого богом, попал во все пособия и учебники креационистов. Однако внедрить их в школьную программу не удалось - в 1987 году учение креационистов в государственных школах было признано противоречащим конституции, так как навязывало религиозные взгляды на мир. Поэтому товарищи перестроились: взяли свои мантры и заменили слово «креационизм» на «разумный замысел», слово «творец» - на «разумный дизайнер», а слово «креационист» - на «сторонник теории разумного замысла». В остальном текст практически не менялся. В 1989 г. переработанный учебник для школ вышел из печати, но вместо «Биологии творения» издатели назвали его «О пандах и людях».

Суд над жгутиком, теория эволюции и разумный замысел Наука, Теория эволюции, Эволюция, Суд, Биология, Креационизм, Длиннопост, Моё, Видео

После относительного десятилетнего затишья, в 2000 году христианская юридическая организация «Правовой центр им. Т. Мора» начала рассылать юристов по школьным советам США. Адвокаты убеждали советы ввести изучение этой книги в школах и обещали защищать их в суде, если последуют иски. И в 2004 году в сельском округе Дувр (Довер), штат Пенсильвания, адвокатам "Центра им. Т. Мора" наконец повезло. Дуврский совет по образованию решил внедрить в своих школах изучение теории разумного замысла, а также добавил новое положение к программе изучения естественных наук. Учителя должны были говорить, что эволюция — это лишь теория, а не факт (запутывая при этом природу и факта, и теории).

Суд над жгутиком, теория эволюции и разумный замысел Наука, Теория эволюции, Эволюция, Суд, Биология, Креационизм, Длиннопост, Моё, Видео

Узнав об этом, группа родителей, среди которых была Тэмми Кицмиллер, подала в суд на образовательный округ и его чиновников. Судьёй на процесс "Китцмиллер против округа Дувр" был определён некто Джон Эдвард Джонс Третий — республиканец, христианин, назначенный на должность Джорджем Бушем-младшим, одним из известных противников теории эволюции, так что исход процесса изначально казался весьма неопределённым...


Разгром в суде


Обвинение, в лице Ника Матцке из Национального центра научного образования, выбрало стратегию из двух линий: по формальному признаку - предоставить доводы в пользу того, что теория разумного замысла есть реинкарнация креационизма, который в школах запрещён, и по научному признаку - показать в суде, что доводы о "несокращаемой сложности" жгутика неверны.


Как показала история, обе линии были абсолютно выигрышными. К примеру, все эксперты со стороны теории разумного замысла являлись заслужнными креационистами. К учебнику "О пандах и людях" прилагался перечень рекомендованной литературы, которая "неожиданно" целиком и полностью состояла из креационистских изданий.


Обвинение даже предоставило суду "переходные формы" (почувствуйте иронию ситуации) изданий учебника, когда одни определения постепенно вытеснялись другими. На графике показана частота использования выражений "создание" и "разумный замысел" в изданиях:

Суд над жгутиком, теория эволюции и разумный замысел Наука, Теория эволюции, Эволюция, Суд, Биология, Креационизм, Длиннопост, Моё, Видео

Точка преломления - 1987 год, когда преподавание креационизма в школах было признано противоречащим конституции.


В одном месте, заменяя копированием и вставкой слово «creationists» («креационисты») на «design proponents» («сторонники теории «разумного дизайна»), редактор выделил только часть слова. В результате получилось знаменитое «cdesign proponentsists» — переходная форма от «креационистов» к «сторонникам теории «разумного дизайна».

Суд над жгутиком, теория эволюции и разумный замысел Наука, Теория эволюции, Эволюция, Суд, Биология, Креационизм, Длиннопост, Моё, Видео

Жгутик и неделимая сложность


Для обоснования научности теории разумного замысла креационисты пригласили реального биолога Майкла Бехе из Лехайского университета (руководство которого однако же заявило, что позицию своего сотрудника не поддерживает).

Суд над жгутиком, теория эволюции и разумный замысел Наука, Теория эволюции, Эволюция, Суд, Биология, Креационизм, Длиннопост, Моё, Видео

В суде Бехе заявляет, что некоторые биологические системы никак не могли развиться в результате естественного отбора, поскольку они имеют, как он выражается, «не подлежащий упрощению уровень сложности». С его точки зрения естественный отбор не мог постепенно привести к возникновению подобной системы, потому что он должен был начать с чего‑то, что не способно работать.


Далее он приводит несколько примеров не подлежащей упрощению сложности. Один из любимых примеров - уже знакомый нам бактериальный жгутик. Бехе утверждает, что эта система, очевидно, слишком сложна, чтобы развиться из более простого предшественника. На фоне загадки и чуда жгутика, говорит Бехе, «Дарвин смотрится жалко».


На процессе в Дувре Бехе вывел на экран в зале суда иллюстрацию из учебника с изображением жгутика E. coli и принялся традиционно восхищаться его устройством.

Суд над жгутиком, теория эволюции и разумный замысел Наука, Теория эволюции, Эволюция, Суд, Биология, Креационизм, Длиннопост, Моё, Видео

Бехе тщательно перечислил многочисленные составные части жгутика и сказал судье Джонсу, что эволюция по Дарвину никак не могла привести к возникновению такой не подлежащей упрощению сложности. «Когда видишь целенаправленное сочетание частей, сразу понимаешь, что без проекта не обошлось», — сказал он. Жгутик, объяснил Бехе, сконструирован специально как средство передвижения бактерий и построен из множества взаимодействующих частей, точно так же, как навесной мотор для лодки. «Это настоящая машина, подобный механизм вполне мог бы сконструировать человек», — сказал он.

В ответ Биолог Кеннет Миллер из Университета Брауна (свидетель истцов) указал, что заявления Бехе о не подлежащей упрощению сложности можно проверить. После этого Миллер показал суду компьютерную анимацию работы жгутика.

Суд над жгутиком, теория эволюции и разумный замысел Наука, Теория эволюции, Эволюция, Суд, Биология, Креационизм, Длиннопост, Моё, Видео

Он начал разбирать «механизм», снимая с него детали не по одной, а десятками. Пропала нить жгутика. Исчез универсальный шарнир. Пропал мотор. Когда Миллер закончил, остался только молекулярный «шприц», при помощи которого бактерия подает в жгутик новые формирующие нить молекулы. К слову, ролик из суда не сохранился, зато есть его современная и дополненная версия:

В итоге, Миллер удалил значительную часть системы с не подлежащей упрощению сложностью, о которой так много говорилось. Согласно определению Бехе, оставшееся никак не должно было бы функционировать отдельно. Однако остаток тоже работает. Те десять белков, из которых состоит «шприц», почти идентичны как по последовательности, так и по расположению, известной молекулярной машине — так называемой секреторной системе III типа. Это тот «шприц», при помощи которого E. coli 0157: Н7 и другие болезнетворные штаммы вводят токсины в клетку-хозяина.

Таким образом, главный аргумент Бехе о неделимой сложности был опровергнут. Отдельные части жгутика имели функционал. Поскольку всё происходило в суде, а не на научном конгрессе, полная картина эволюции жгутика не понадобилась (её на тот момент не существовало).


В дальнейшем Бехе начал делать странные заявления, чем окончательно подорвал свой и без того низкий авторитет в глазах коллег. Например, он предложил эволюционным биологам подвергнуть несколько видов бактерий, не обладающих жгутиками, давлению отбора в направлении приобретения подвижности, затем вырастить, скажем, 10000 поколений и посмотреть, появится ли у них жгутик или какая‑нибудь другая, но столь же сложная система.


Однако каждый грамотный биолог понимает, что эксперимент на 10 000 поколений бактерий может продлиться около двух лет, тогда как в природе эти существа эволюционировали три с лишним миллиарда лет. Кроме того, в типичном микробиологическом эксперименте ученые изучают в лучшем случае несколько миллиардов бактерий, а мировая популяция микроорганизмов насчитывает их буквально бессчетное количество.


Так что отсутствие эволюционных изменений в лабораторной культуре микроорганизмов не докажет решительно ничего - и, конечно, не станет свидетельством разумного замысла.  

Суд над жгутиком, теория эволюции и разумный замысел Наука, Теория эволюции, Эволюция, Суд, Биология, Креационизм, Длиннопост, Моё, Видео

Итоги


Прозвучавшие с обеих сторон аргументы убедили судью Джонса в том, что как научная теория разумный замысел ничего собой не представляет. В декабре 2005 г. суд постановил, что книге «О пандах и людях» нечего делать в школьных классах Дувра.


Дуврский процесс стал катастрофой для креационистов. Члены школьного совета, поддержавшие введение «О пандах и людях» в школьную программу, еще до конца процесса потерпели поражение и не были переизбраны в школьный совет. Члены советов по образованию Канзаса и Огайо, поддерживавшие преподавание разумного замысла, также потеряли свои места. Решение судьи Джонса было весьма тщательно проработано, и теперь оно, вероятно, станет прецедентом для всех будущих судебных дел о преподавании креационизма в США.


PS: больше подробностей можно найти по ссылкам

http://drnovikov.livejournal.com/73794.html

https://bio.wikireading.ru/11272 (отрывок из книги "Микрокосм" Циммера)

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B8%D1%86%D0%BC%D0%B8...



PPS: В России в 2006 году разбиралось так называемое "Дело Шрайбер", однако там рассказывать совсем не о чем - фарс в чистом виде.

Показать полностью 13 1

Прогноз погоды на 50 млн лет

50 млн лет - осадки в виде астероидов

Вероятность погибнуть от астероида – что-то около 75 000 000 к 1. Статистически вероятность смерти от удара молнии или от цунами в тысячу раз выше. Но в этих цифрах есть подвох. Как правило, молния убивает примерно 60 раз в год по одному человеку. В отличие от этого столкновение с астероидом, возможно, убивает по одному человеку за несколько тысяч лет (в этом году как раз был случай). Но в один далеко не прекрасный день скромный удар может уничтожить вообще всех.

Прогноз погоды на 50 млн лет Наука, Космос, Астероид, Геология, География, Познавательно, Длиннопост

Велика вероятность того, что нам не о чем беспокоиться, да и сотням последующих поколений тоже. Но можно не сомневаться в том, что однажды произойдет крупная катастрофа вроде той, что настигла динозавров. В грядущие 50 млн лет Земле предстоит пережить такой удар, возможно, даже не один. Это всего лишь вопрос времени и стечения обстоятельств.

Почти ежегодно на Землю падают обломки около 10 м в диаметре. Благодаря тормозящему эффекту атмосферы большинство таких снарядов взрывается и распадается на мелкие части еще до соприкосновения с поверхностью. Но объекты диаметром 30 и более метров, встречи с которыми происходят примерно раз в тысячу лет, приводят к значительным разрушениям в местах падения: в июне 1908 г. такое тело рухнуло в тайге поблизости от реки Подкаменная Тунгуска в России.

Прогноз погоды на 50 млн лет Наука, Космос, Астероид, Геология, География, Познавательно, Длиннопост

Очень опасные, диаметром около километра, каменные объекты падают на Землю примерно раз в полмиллиона лет, а астероиды в пять и более километров могут упасть на Землю примерно раз в 10 млн лет.


Последствия таких столкновений зависят от размера астероида и местности падения. Пятнадцатикилометровый валун опустошит планету, где бы он ни упал. (Например, "динозавровый" астероид был, по расчетам, около 10 км в поперечнике.) Если 15-километровый камушек обрушится в океан – 70 % вероятности, с учетом соотношения площадей воды и суши, – то почти все горы на земном шаре, кроме самых высоких, будут снесены разрушительными волнами. Исчезнет все, что находится ниже 1000 м над уровнем моря.

Прогноз погоды на 50 млн лет Наука, Космос, Астероид, Геология, География, Познавательно, Длиннопост

Если астероид такого размера рухнет на сушу, разрушение будет более локальным. Будет уничтожено все в радиусе двух-трех тысяч километров, а по всему материку, который окажется несчастливой мишенью, пронесутся опустошительные пожары. Какое-то время удаленные от удара местности смогут избежать последствий падения, но такой удар взметнет в воздух безмерное количество пыли от разрушенных камней и почвы, на годы засорив атмосферу пыльными облаками, отражающими солнечный свет. Фотосинтез практически сойдет на нет. Растительность погибнет, и пищевая цепь прервется. Часть человечества может выжить в этой катастрофе, но цивилизация в том виде, в каком мы ее знаем, будет уничтожена.


Мелкие объекты вызовут менее разрушительные последствия, но любой астероид более сотни метров в диаметре, рухнет ли он на сушу или в море, вызовет стихийное бедствие страшнее тех, что нам известны.

1 млн лет - колебания уровня океана


Во многих отношениях через миллион лет Земля не так уж значительно изменится. Конечно, сместятся континенты, но не больше чем на 45–60 км от нынешнего расположения. Солнце будет светить по-прежнему, всходя каждые двадцать четыре часа, и Луна будет совершать оборот вокруг Земли примерно за один месяц.


Но кое-что изменится весьма основательно. Во многих точках земного шара необратимые геологические процессы преобразуют ландшафт. Особенно заметно изменятся уязвимые очертания берегов океана. Многие скальные ландшафты полностью выветрятся, превратившись в пляжи, ведь прямо сейчас они убывают со скоростью 30 см в год.

Прогноз погоды на 50 млн лет Наука, Космос, Астероид, Геология, География, Познавательно, Длиннопост

В других местах наоборот, земельные породы будут только прибывать. Действующий подводный вулкан неподалеку от юго-восточного побережья самого крупного из Гавайских островов поднялся уже выше 3000 м (хотя по-прежнему покрыт водой) и с каждым годом прибавляет в росте. Через миллион лет из океанских волн поднимется новый остров, уже получивший название Лоихи. В то же время потухшие вулканические острова к северо-западу, включая Мауи, Оаху и Кауаи, соответственно уменьшатся под воздействием ветра и океанских волн.

Прогноз погоды на 50 млн лет Наука, Космос, Астероид, Геология, География, Познавательно, Длиннопост

Что касается волн, специалисты, исследующие горные породы на предмет будущих изменений, приходят к выводу, что самым активным фактором в изменении географии Земли станет наступление и отступление океана. Изменение скорости вулканизма будет сказываться очень и очень долго, в зависимости от того, насколько больше или меньше лавы будет застывать на океанском дне. Уровень моря может значительно понижаться в периоды затишья вулканической деятельности, когда придонные скалы остывают и успокаиваются: как полагают ученые, именно это и вызвало резкое понижение уровня моря непосредственно перед мезозойским вымиранием.

Прогноз погоды на 50 млн лет Наука, Космос, Астероид, Геология, География, Познавательно, Длиннопост

Миллион лет – это десятки тысяч поколений в жизни человечества, что в сотни раз превышает всю предыдущую человеческую историю. Если человек выживет как вид, то Земля может претерпеть изменения также и в результате нашей прогрессирующей технологической активности, причем такие, что трудно даже себе представить. Но если человечество вымрет, то Земля останется примерно такой же, как теперь. На суше и в море будет продолжаться жизнь - совместная эволюция геосферы и биосферы быстро восстановит доиндустриальное равновесие.

Первая часть здесь http://pikabu.ru/story/prognoz_pogodyi_na_5_milliardov_let_4...


продолжение следует...

Показать полностью 6

Прогноз погоды на 5 миллиардов лет

5 миллиардов лет - осадки в виде солнечного ветра, жара, смерть


Человечество застало звезду под названием Солнце в довольно зрелом возрасте, как раз посередине её жизненного цикла. Сейчас оно более менее стабильно, не меняется в размерах и светит с одной и той же мощностью. Благодаря данным наблюдений за похожими звёздами, а также физическим моделям, мы можем с довольно высокой точностью сказать, что было в начале и что будет в конце.

Прогноз погоды на 5 миллиардов лет Наука, Геология, Космос, Земля, Солнце, Познавательно, Глобальное потепление, Моё, Гифка, Длиннопост

Сейчас Солнце находится в стадии "сжигания" водорода, когда вся его энергия происходит от сливания атомов водорода в атомы гелия. Эта стадия длится уже 4,5 млрд лет и продолжится ещё примерно 5 млрд. 

Прогноз погоды на 5 миллиардов лет Наука, Геология, Космос, Земля, Солнце, Познавательно, Глобальное потепление, Моё, Гифка, Длиннопост

Солнце (несмотря на то что его относят к обидному классу "жёлтые карлики") достаточно велико, чтобы потом, когда водород закончится, перейти в более мощную фазу - выгорание гелия, на этот раз с образованием углерода.

Прогноз погоды на 5 миллиардов лет Наука, Геология, Космос, Земля, Солнце, Познавательно, Глобальное потепление, Моё, Гифка, Длиннопост

И можно с уверенностью сказать, что эта стадия будет иметь катастрофические последствия для внутренних планет. За счёт более активных реакций Солнце будет становиться всё больше и больше, превращаясь в пульсирующий красный гигант. Оно поглотит Меркурий и Венеру, увеличив свой диаметр в сто раз, примерно до орбиты Земли.

Прогноз погоды на 5 миллиардов лет Наука, Геология, Космос, Земля, Солнце, Познавательно, Глобальное потепление, Моё, Гифка, Длиннопост

По одному сценарию Солнце просто уничтожит Землю, которая испарится в раскалённой солнечной атмосфере. По другому, более "оптимистичному" сценарию Солнце выбросит более трети своей массы в виде солнечного ветра, и за счёт потери массы отпустит Землю на удалённую орбиту. Тогда Земля превратится в бесплодную обожжённую головёшку, продолжающую вращаться вокруг Солнца.

2 миллиарда лет - Пустыня


В самом начале, 4,5 млрд лет назад, мощность Солнца составляла 70% от современного, 2,5 млрд лет назад - 85%. Продолжая этот график, через пару миллиардов лет мы достигнем некой критической точки. К примеру, сравнительно небольшой Марс прошёл её ещё раньше, потеряв всю жидкость со своей поверхности, и нашу планету ждёт похожая участь. 

Прогноз погоды на 5 миллиардов лет Наука, Геология, Космос, Земля, Солнце, Познавательно, Глобальное потепление, Моё, Гифка, Длиннопост

Какое то время, возможно много сотен миллионов лет, обратные связи Земли сумеют смягчать это воздействие. Чем больше тепловой энергии, тем интенсивнее испарение, следовательно, увеличение облачности, что способствует отражению света обратно в космос.

Увеличение тепловой энергии означает ускоренное выветривание пород, усиленное поглощение углекислого газа и снижение уровня парниковых газов. Таким образом, отрицательные обратные связи довольно долго будут сохранять условия для поддержания жизни на Земле.

Прогноз погоды на 5 миллиардов лет Наука, Геология, Космос, Земля, Солнце, Познавательно, Глобальное потепление, Моё, Гифка, Длиннопост

В любом случае, через миллиард лет океаны начнут испаряться с катастрофической скоростью и атмосфера превратится в бесконечную парилку. Исчезнут ледники и заснеженные вершины гор, и даже полюса станут подобны тропиками. В таких условиях многие формы жизни всё смогут существовать, однако по мере дальнейшего разогрева, ещё примерно через миллиард лет, водород из атмосферы полностью испарится в космос и планета окончательно высохнет. В таких условиях выжить смогут только бактерии.

250 миллионов лет - Новые континенты


Одно из самых удивительных открытий 20-го века - тектоника, то есть движение континентов. Разница температур между внутренностями планеты и её поверхностью порождает гигантские конвективные ячейки:

Прогноз погоды на 5 миллиардов лет Наука, Геология, Космос, Земля, Солнце, Познавательно, Глобальное потепление, Моё, Гифка, Длиннопост

Круговорот расплавленной породы двигает литосферные плиты со скоростью несколько сантиметров в год. За миллион лет континенты сдвигаются в среднем на 20-50 км, что уже довольно много. Анализируя состав и возраст океанского дна, а также геологических пород на пограничных областях учёные получили очень точную карту движений плит в прошлом:

Прогноз погоды на 5 миллиардов лет Наука, Геология, Космос, Земля, Солнце, Познавательно, Глобальное потепление, Моё, Гифка, Длиннопост

Зная скорость и направление движения мы получим примерно такую картину на ближайшее будущее:

- атлантический океан расширится на несколько сотен километров, Тихий океан сузится на столько же,

- Австралия сдвинется на север к Азии, туда же двинется Антарктида,

- Африка столкнётся с южной Европой, сомкнув средиземное море и воздвигнув на месте столкновения горный хребет размером с Гималаи.

Прогноз погоды на 5 миллиардов лет Наука, Геология, Космос, Земля, Солнце, Познавательно, Глобальное потепление, Моё, Гифка, Длиннопост

Однако чем дальше в будущее, тем больше неопределённости. Одно можно сказать точно - в итоге все материки сольются в один. Чтобы потом снова разбежаться. Собственно, такие события происходили в истории планеты не раз и не два. И именно это отличает Землю от других твёрдых планет солнечной системы, которые свою тектонику по той или иной причине потеряли. С этой точки зрения они "умерли", навсегда застыв в истории. Только космические катастрофы смогут кардинально изменить их облик.


Через 250 млн лет география Земли значительно изменится, и всё же она будет отражать прошлое. В местах столкновения континентов воздвигнутся горные хребты, произойдут перемены в климате и растительности, а также будут иметь место колебания уровней кислорода и углекислого газа в атмосфере. Эти изменения будут повторять в течение всей истории Земли.


продолжение следует...

Показать полностью 9

Гравитационные волны. Инструкция по применению

Думаю, все уже в курсе, что пару дней назад учёные впервые объявили об обнаружении гравитационных волн. Про это было много новостей, на пикабу, по ТВ, на новостных сайтах и вообще везде. Однако при этом никто не затруднился объяснить читателю, что такое эти гравитационные волны и откуда они берутся. Сейчас я попробую восполнить этот пробел 

Гравитационные волны. Инструкция по применению Физика, Наука, Техника, Космос, Гравитация, Ото, Теория относительности, Длиннопост, Гифка

Сама идея о существовании гравитационных волн напрямую следует из Общей теории относительности, которую вывел один известный учёный чуть ли не сто лет назад. По правде говоря, общая теории относительности сама по себе заслуживает цикла постов (примерно такого же, как о специальной теории относительности: 1 2 3). Но нам, для общего понимания, достаточно знать основы: гравитация в ОТО это не сила, а изменение геометрии пространства. 

Гравитационные волны. Инструкция по применению Физика, Наука, Техника, Космос, Гравитация, Ото, Теория относительности, Длиннопост, Гифка

К примеру, когда мы кидаем камень, он падает на Землю. Однако ОТО утверждает, что на самом деле камень летит строго по прямой, которая находится в пространстве, искривлённом массой Земли. Если эту идею взять и перевести в матан, то можно увидеть нечто подобное:

Гравитационные волны. Инструкция по применению Физика, Наука, Техника, Космос, Гравитация, Ото, Теория относительности, Длиннопост, Гифка

Собственно, поэтому вы вряд ли найдёте в интернете статью исчерпывающую и доступную статью об ОТО - для человека без спецобразования там слишком сложный матан. Но мы сделаем вид, что нам всё это не нужно и продолжим.


Итак, определённые математические преобразования в ОТО приводят к уравнению волны, которая растягивает и сжимает само пространство. Если расположить на пути такой волны (и перпендикулярно её направлению) тела в форме круга, то его начнёт, образно выражаясь, колбасить:

Гравитационные волны. Инструкция по применению Физика, Наука, Техника, Космос, Гравитация, Ото, Теория относительности, Длиннопост, Гифка

Для тех, у кого аллергия на геометрию, есть более наглядная картинка:

Гравитационные волны. Инструкция по применению Физика, Наука, Техника, Космос, Гравитация, Ото, Теория относительности, Длиннопост, Гифка

Из этого принципа уже можно понять, как эти самые волны ловить - надо стоять с линейкой и измерять расстояние между телами (по причинам, указанным в следующем абзаце, длина самой линейки меняться не будет). Если расстояние ни с того ни с сего изменилось - значит эгегей, волна поймана! 


Но есть одна проблема. Очень большая проблема. Огромная проблема. Если оценивать масштабы проблемы, то всплывает следующее число: 

10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 - то есть десять в 40-й степени. Именно настолько гравитационное взаимодействие слабее самого обычно электромагнитного. То есть два электрона, помещённые рядом, будут притягиваться друг к другу собственной гравитацией в 10^40 раз слабее, чем отталкиваться своими же электромагнитными силами.

Гравитационные волны. Инструкция по применению Физика, Наука, Техника, Космос, Гравитация, Ото, Теория относительности, Длиннопост, Гифка

Образно говоря, с помощью малюсенького магнита мы сможем прикрепить к холодильнику бумажку, которую тянет вниз целая планета. Поэтому ловля гравитационных волн превратилась в целый квест для учёных. А чтобы понять суть квеста, надо сначала разобраться, как искомые волны образуются.


Если взять электромагнитные волны (к слову, видимый свет, радиоволны, рентгеновское излучение - это всё электромагнитная волна с различными частотами), то они возникают в результате ускоренного движения зарядов. Всё просто: ускоряем электрон - он начинает излучать кванты электромагнитного поля, т.е. фотоны.


С гравитацией абсолютно такая же ситуация - любое ускоренное движение массы порождает гравитационную волну. Между прочим, это означает, что двигая мышкой каждый из вас генерит гравитационные волны. Их силу вы сможете оценить на глазок, если будете знать мощность волн, которые вырабатываются в самой мощной паре солнечной системы "Юпитер-Солнце" - и это 5 кВт, что примерно равняется мощности двух бытовых чайников.

Гравитационные волны. Инструкция по применению Физика, Наука, Техника, Космос, Гравитация, Ото, Теория относительности, Длиннопост, Гифка

Поэтому обнаружения волн нам понадобятся объекты помассивнее и покомпактнее - типа пары сталкивающихся чёрных дыр.

Гравитационные волны. Инструкция по применению Физика, Наука, Техника, Космос, Гравитация, Ото, Теория относительности, Длиннопост, Гифка

В результате слияния из двух возникнет одна чёрная дыра, причём согласно ОТО её масса будет меньше, чем сумма масс исходных чёрных дыр. И вся эта разница, которая будет сопоставима с массой целых звёзд, разнесётся по вселенной в виде гравитационных волн.


Несмотря на их мощность, из-за огромных расстояний до Земли волны будут долетать сильно ослабленными. Поэтому учёным пришлось придумать механизм, в котором лазерный луч многократно отражается от особым образом подвешенных зеркал внутри двух изолированных вакуумных труб длиной 4 км каждая. 

Гравитационные волны. Инструкция по применению Физика, Наука, Техника, Космос, Гравитация, Ото, Теория относительности, Длиннопост, Гифка

За счёт этой самой многократности отражения мы сможем увидеть изменение расстояния между зеркалами на длину меньше атома. Причём таких детектора два - и 14 сентября 2015 года в 5:51 утра они поймали сигнал:

Гравитационные волны. Инструкция по применению Физика, Наука, Техника, Космос, Гравитация, Ото, Теория относительности, Длиннопост, Гифка

По выкладкам учёных, именно такую картину мы должны были увидеть в результате слияния двух чёрных дыр с массой около 30 наших солнц, выплеснувших энергию эквивалентную массе 3 солнц. Представьте, что наше солнце вдруг аннигилировало и умножьте на три - вся эта энергия превратилась в гравитационные волны, чтобы, пролетев 1,3 млрд световых лет, пройти через наши детекторы.

Гравитационные волны. Инструкция по применению Физика, Наука, Техника, Космос, Гравитация, Ото, Теория относительности, Длиннопост, Гифка

А теперь о последствиях. Несмотря на комментарии типа "теперь мы забацаем гравицапу как в халве" ничего подобного даже близко не предвидится. Чего следует ждать, так это развития системы обнаружения гравитационных волн. Самый перспективный проект называется LISA и подразумевает вывод на орбиту солнца трёх спутников с расстоянием 5 000 000 км между ними (сравните с 4 км в существующих детекторах). 

Гравитационные волны. Инструкция по применению Физика, Наука, Техника, Космос, Гравитация, Ото, Теория относительности, Длиннопост, Гифка

Вот что думают на этот счёт сами учёные:


Подумайте о новых возможностях в таком ключе: каждый раз, когда астрономы смотрели на нашу Вселенную в свете определенной длины волны — рентгеновском, инфракрасном, радио, гамма — они открывали аспекты, которых раньше не видели. Гравитационные волны будут такими же, только будут больше похожи на звук, чем на свет. Теперь мы будем не только смотреть на Вселенную, но и слушать ее. Мы всю жизнь были глухими, но теперь нам вернули слух.


А что мы можем услышать - тема для отдельного поста...

Показать полностью 11

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 3)

Продолжаем поиск кандидатов на эволюционный прорыв.


В первом посте был номинирован пингвин, который претендует ни много ни мало на покорение океанов.

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 3) Эволюция, Биология, Генетика, Наука, Теория эволюции, Моё, Длиннопост

Вторым номинантом стала зелёная слизь под названием Elysia chlorotica - моллюск, намеревающийся "переметнуться" в царство растений.

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 3) Эволюция, Биология, Генетика, Наука, Теория эволюции, Моё, Длиннопост

Ну а сегодня мы определим третьего кандидата.

В прошлом после речь зашла о горизонтальном переносе генов. На самом деле это гениальный приём - вместо того, чтобы постепенно эволюционировать с помощью скромных одиночных мутаций, организм сразу приобретает пару-тройку генов, которые, если повезёт, принесут с собой очень крутые скиллы.


Тот же моллюск вряд ли смог бы научиться фотосинтезу, если бы не специальные гены, полученные от съедаемых водорослей. Гены перенёс моллюску вирус - и, по сути, у многоклеточных организмов это единственный способ устроить горизонтальный перенос (на картинке мастер горизонтального переноса - вирус).

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 3) Эволюция, Биология, Генетика, Наука, Теория эволюции, Моё, Длиннопост

Однако случаи, когда вирусы вносят в ДНК чужой генетический материал, случаются редко. Чаще всего вирусы сами включатся в ДНК. Обычно ни к чему хорошему такое внедрение не приводит, однако в очень редких случаях это даёт невероятно мощный толчок к развитию.


Лучший пример - млекопитающие. Как известно, они делятся на сумчатых и плацентарных. И как показала история, вынашивание плода внутри, с образованием плаценты, даёт огромное преимущество перед вынашиванием в сумке.

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 3) Эволюция, Биология, Генетика, Наука, Теория эволюции, Моё, Длиннопост

Сколько вы знаете сумчатых из Америки? Наверняка кто-то вспомнит про опоссума.

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 3) Эволюция, Биология, Генетика, Наука, Теория эволюции, Моё, Длиннопост
Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 3) Эволюция, Биология, Генетика, Наука, Теория эволюции, Моё, Длиннопост

И по сути он единственный представитель сумчатых на американских континентах (есть ещё отдельные разновидности). 


Это не кажется странным, но только если не знать, что Южная Америка - родина всех сумчатых. Миллионы лет назад весь континент был заселён ими (на картинке - сумчатый саблезубый тигр). 

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 3) Эволюция, Биология, Генетика, Наука, Теория эволюции, Моё, Длиннопост

Потом случилось следующее - между двумя соседними континентами образовался перешеек и плацентарные хищники, перешедшие с территории Северной Америки, уничтожили всех сумчатых на корню. Такой вот естественный геноцид. А выжил только опоссум (наверно потому что он та ещё сволочь).


И по сей день любые пересечения сумчатых и плацентарных приводят к вымиранию первых. Один из актуальных примеров - австралийская квокка. Она вымирает, потому что не может ничего противопоставить плацентарным хищникам, а точнее - обычным кошкам.

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 3) Эволюция, Биология, Генетика, Наука, Теория эволюции, Моё, Длиннопост

Так вот, возможность вынашивать плод внутри себя - в плаценте - это важнейший скилл (+100 к выживаемости, +200 к развитию). И появился он во многом благодаря встройке вируса в геном предка всех плацентарных. Вирус передал гены, которые помогли усыплять имунную систему. А для плода, чьи гены только на 50% мамины, нет ничего опасней, чем её иммунитет.


Подытожу: мутации с горизонтальным переносом у многоклеточных редки, но их роль в эволюции огромна.


И тут многие подумают "Ага, я с самого начала знал кто будет номинантом!!!!". 

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 3) Эволюция, Биология, Генетика, Наука, Теория эволюции, Моё, Длиннопост

Собсно, встречайте:


Претендент № 3 - Тихоходка

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 3) Эволюция, Биология, Генетика, Наука, Теория эволюции, Моё, Длиннопост

Почему? Тихоходка - настоящий экстремал. Она настолько далеко ушла от других многоклеточных, что любой другой претендент по сравнению с тихоходкой просто дитё малое.


Перечислим:

- Выдерживают пребывание в течение 20 месяцев в жидком кислороде при минус 193 °C, восьмичасовое охлаждение жидким гелием до минус 271 °С; нагрев до до 100 °С в течение часа.

- Ионизирующее излучение в 570 000 рентген убивает примерно 50 % облучаемых тихоходок. Для человека смертельная доза радиации составляет всего 500 рентген.

- Выживают при давлении 6000 атмосфер.

- Спокойно переносят 10 дней в открытом космосе (ваккуум + холод + космическая радиация). Причём верхний предел выживания неизвестен.


Секрет этих животных в умении впадать в полнейший анабиоз. Из них выпаривается почти вся вода - 99%, а тело покрывается восковой оболочкой. Выглядит это примерно так

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 3) Эволюция, Биология, Генетика, Наука, Теория эволюции, Моё, Длиннопост

Ключевой момент всей ситуации - в иссушенном состоянии ДНК в клетках распадается на куски. Любой другой организм на этом этапе мог бы быть признан скончавшимся. Но не тихоходка. У неё есть особый набор белков, которые при возвращении нормальных условий сшивают ДНК обратно.......и есть среди генетического материала тихоходки оказывается что-то ещё, это что-то сшивается за компанию.

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 3) Эволюция, Биология, Генетика, Наука, Теория эволюции, Моё, Длиннопост

А теперь цитата из новости, датируемой ноябрём этого года:

"В ходе исследования учёными из университета Северной Каролины в Чапел-Хилле (США) было выявлено, что свыше 6500 участков ДНК (~17 %) из 38 тысяч генов тихоходки были «позаимствованы» у других организмов. Большая часть из них была получена от бактерий-экстремофилов, но при этом в геноме тихоходок так же присутствуют гены растений, грибов и архей."


Учитывая, что в среднем у многоклеточных лишь 1% приобретённых генов, получается, что тихоходка воистину королева горизонтального переноса.

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 3) Эволюция, Биология, Генетика, Наука, Теория эволюции, Моё, Длиннопост

Однако чуть позже биологи из Университета Эдинбурга (Великобритания) предположили, что массовое заимствование чужих генов, следы которого недавно якобы удалось найти в геноме тихоходок, на самом деле может быть результатом загрязнения.


Так что вопрос о генетической прожорливости тихоходок под вопросом. Тем более что на пятки ей наступает некто коловратка с 8% заимствованных генов (что тоже охренеть как много).

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 3) Эволюция, Биология, Генетика, Наука, Теория эволюции, Моё, Длиннопост

Какая перспектива? Как бы то ни было, тихоходка остаётся уникальным экстремалом. И она выживет там, где любые многоклеточные спасуют.


Существует много сценариев развития событий на планете, в котором выживают лишь бактерии (и чтобы биологи сильно не возмущались, добавлю - и археи). 

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 3) Эволюция, Биология, Генетика, Наука, Теория эволюции, Моё, Длиннопост

Можно сказать, что это уже некий штамп. Бактерии выживают, а потом запускают эволюцию с "нуля"... Но тут мы можем вспомнить, что бактериальный тип не подразумевает интересной эволюции. Всё многообразие многоклеточных животных на планете появилось из уникальной во всех отношениях эукариотической клетки. Которая, в свою очередь, возникла в слишком уникальных условиях, чтобы надеяться на повторение сценария.


И наша тихоходка может стать неким мостом между погибшим миром, и миром новым. Или же она превратится в космического путешественника, заселившего другие планеты - что будет гораздо интереснее, чем если это сделают бактерии. Ведь им, одноклеточным ребятам, требуется слишком много времени, чтобы превратиться во что-то сложное (по статистике примерно 1,5-2 млрд лет). 


А если новость о генетической прожорливости тихоходки подтвердится, то в конечном итоге существует вероятность появления настоящего захватчика чужих генов, монстра-франкенштейна, по сравнению с которым упомянутый выше моллюск-растение всего лишь жалкий дилетант.

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 3) Эволюция, Биология, Генетика, Наука, Теория эволюции, Моё, Длиннопост

На этом фантазии закончим. Всё равно никто не сможет проверить, воплотятся они в жизнь или нет (к сожалению мы не можем быть уверены, что @dipFireWorker выполнит своё обещание). Но уже сейчас не существует более экстремального организма, чем тихоходка со своими неуклюжими толстыми ножками.


В следующем посте я вернусь к обычному формату, в котором мы просто разбираемся с тем, что имеем на данный момент. А имеем мы новую теорию эволюции, которая, сохранив основной посыл, вобрала в себя недавно открытые, удивительные и очень неожиданные принципы.


продолжение следует

Показать полностью 16

Так мы выглядим в возрасте минус 9 месяцев

Исследование было проведено учеными из Европейской молекулярно-биологической лаборатории (EMBL) в немецком городе Гейдельберг. Мыши, ставшие участниками экспериментов, не пострадали: для научной работы применялась созданная в EMBL техника микроскопии светового листа. Это метод, при котором излучение проходит через образец, освещая только отображаемую его часть, что сводит повреждение тканей к минимуму, позволяя притом делать динамические снимки.

Первые опыты проводились на мухах, а в рамках новой научной работы немецкие микробиологи поместили в микроскоп эмбрионы генетически модифицированных мышей, ядра которых были помечены флуоресцентным белком. Затем было снято видео, демонстрирующее развитие эмбриона в течение первых 6 клеточных делений: до стадии 64 клеток.

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 2)

Продолжаем искать претендентов на эволюционный прорыв.

Первым претендентом был выбран пингвин - как первая птица, которая освоит океан, благо для этого у него имеется особый гемоглобин и адаптированное для жизни под водой строение тела (об этом см. часть 1)

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 2) Наука, Биология, Генетика, Эволюция, Теория эволюции, Длиннопост, Моё, Гифка

Впрочем, в комментариях отметили что группа, к которой относятся пингвины, вряд ли сможет уйти от откладывания яиц, а значит и от размножения на суше:

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 2) Наука, Биология, Генетика, Эволюция, Теория эволюции, Длиннопост, Моё, Гифка

Поэтому полностью переселиться в океан у пингвина не получится. Ну и ладно. У нас на очереди следующий претендент.


С пингвином всё было легко и очевидно, а вот подбор других вариантов оказался более сложной задачей. Сначала я рассматривал кандидатуру верблюда, за новый тип жировых клеток и изменённую структуру эритроцитов. А ещё у них очень забавные брачные игры с надуванием слюнявых пузырей и демонстрацией этого (причём это вовсе не язык):

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 2) Наука, Биология, Генетика, Эволюция, Теория эволюции, Длиннопост, Моё, Гифка

При изменении климата и опустынивании этот вид мог бы сильно распространиться, но согласитесь, как-то это не глобально. В конце концов существует множество необычных животных, например, летучие мыши, пьющие кровь:

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 2) Наука, Биология, Генетика, Эволюция, Теория эволюции, Длиннопост, Моё, Гифка

Или удивительные во всех отношениях каракатицы с большим и очень развитым для моллюска мозгом:

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 2) Наука, Биология, Генетика, Эволюция, Теория эволюции, Длиннопост, Моё, Гифка

Или черви, которые напоминают чудовищ из фильма "Дрожь земли":

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 2) Наука, Биология, Генетика, Эволюция, Теория эволюции, Длиннопост, Моё, Гифка

Главная проблема в том, что спрогнозировать по всем этим необычным видам что-то более менее конкретное и глобальное очень сложно. Конечно, я мог бы дать волю фантазии и написать, что червь внезапно вырастет и полезет покорять сушу. Сюжет весьма интересный, но совсем не научный. Да и оснований предполагать подобное не существует.


Тем не менее, из всего многообразия живых существ я таки нашёл два вида, которые:

а) претендуют на что-то принципиально новое

б) имеют более менее конкретный и логичный прогноз эволюции.


Посему встречайте:                                    

                                   Претендент №2 - моллюск Elysia chlorotica

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 2) Наука, Биология, Генетика, Эволюция, Теория эволюции, Длиннопост, Моё, Гифка

Почему? Начать надо с того, что в биологии существует определённая классификация, которая провозглашает несколько царств живых организмов:

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 2) Наука, Биология, Генетика, Эволюция, Теория эволюции, Длиннопост, Моё, Гифка

Так вот, на сегодняшний день царства растений и животных не имеют точек соприкосновения (с этим утверждением может поспорить разве что эвглена зелёная) . Растения растут и тихонько фотосинтезируют, а животные... в общем, каждый понимает, что между ними существуют принципиальнейшие различия. Да, в природе встречаются растения-хищники, которые в буквальном смысле ловят свою добычу: 

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 2) Наука, Биология, Генетика, Эволюция, Теория эволюции, Длиннопост, Моё, Гифка

Однако нельзя сказать, что это приближает их к животным или открывает невиданные эволюционные перспективы. Они так же остаются фотосинтезирующими организмами, только с интересной опцией.


Так вот, из всех живых существ только Elysia chlorotica и ещё несколько родственных видов замахнулись на то, чтобы размыть грань между двумя царствами - растениями и животными. И дело вовсе не в том, что элизия всем своим видом напоминает зелёный лист:

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 2) Наука, Биология, Генетика, Эволюция, Теория эволюции, Длиннопост, Моё, Гифка

Дело в том, что она по своей сути практически стала листом.


Если посмотреть на только что родившихся элизий, то в них нет ничего особенного - небольшой моллюск коричневого цвета

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 2) Наука, Биология, Генетика, Эволюция, Теория эволюции, Длиннопост, Моё, Гифка

По мере взросления он начинает питаться своим основным блюдом - водорослью Vaucheria litorea. 

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 2) Наука, Биология, Генетика, Эволюция, Теория эволюции, Длиннопост, Моё, Гифка

В этом пока нет ничего необычного - многие моллюски питаются водорослями. Но только элизии умеют делать удивительный финт своими зелёными ушами - переваривая саму водоросль, они умудряются оставлять в целости и сохранности их хлоропласты (маленькие органеллы, в которых как раз происходит фотосинтез) и накапливать их в склизском теле. 


Побыв на водорослевой диете пару месяцев, они практически кишат хлоропластами, отчего приобретают соответствующий цвет:

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 2) Наука, Биология, Генетика, Эволюция, Теория эволюции, Длиннопост, Моё, Гифка

Важное замечание - если в вас или любой другой организм напихать хлоропластов, толку от этого будет ноль. Они просто разрушатся. Но в элизиях хлоропласты РАБОТАЮТ: поглощают фотоны солнечного света и превращают его в тип энергии, понятный организму моллюска, да и любому другому организму - глюкозу. С точки зрения биологии это настоящее чудо.


Ну а дальше начинается полный отвал башки. Проведённый в 2010 году генетический анализ показал, что в ДНК элизии встроены гены, присущие только растениям, причём это именно те гены, которые отвечают за работу хлоропластов, то есть за фотосинтез.


Горизонтальный перенос генов, когда генетический материал переходит от вида к виду напрямую, а не через размножение, типичен для бактерий - благодаря обмену генов они так быстро приспосабливаются к антибиотикам. Или для вирусов - они постоянно лезут в чужие ДНК и если залезают в половую клетку, то потомство (если мутация несмертельная) будет иметь в своём ДНК мамины гены, папины гены и ещё гены вируса.

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 2) Наука, Биология, Генетика, Эволюция, Теория эволюции, Длиннопост, Моё, Гифка

При всём при этом перенос генов между растениями и животными это что-то из ряда вон. Для такого неординарного обмена нужны неординарные причины. И они нашлись - в виде вируса-симбионта IHHNV, который постоянно живёт в клетках моллюска. Вероятнее всего именно он своей деятельностью открыл что-то вроде генетического моста между ДНК моллюска и водоросли.

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 2) Наука, Биология, Генетика, Эволюция, Теория эволюции, Длиннопост, Моё, Гифка

Но это ещё не все чудеса. Когда моллюск доходит до стадии размножения (в возрасте 10-12 месяцев) и оставляет потомство, срабатывает невидимый триггер. Мирный вирус-симбионт как будто слетает с катушек и начинает размножаться во взрывном темпе, чтобы за несколько часов уничтожить своего хозяина.


В итоге мы имеем крайне необычное животное со скиллом растений, которое в отсутствие еды переходит в режим фотосинтеза (на языке биологии - становится автотрофным). Более того, если нет еды и нет света, элизия начинает переваривать приобретённые хлоропласты, просто питаясь ими. Потом, при возвращении к водорослям, запас хлоропластов снова накапливается.

Какая перспектива? Очевидно, что перенос генов будет продолжаться до тех пор, пока моллюск не научится сам вырабатывать хлорофилл. Тогда можно будет сказать, что элизия действительно объединила необъединимое, став чем-то средним между животным и растением. Таким образом, она не будет зависеть от наличия водорослей или солнечного света, с легкостью переключаясь от фотосинтеза к обычному питанию и наоборот.

Номинация "Эволюционная перспектива" (ч. 2) Наука, Биология, Генетика, Эволюция, Теория эволюции, Длиннопост, Моё, Гифка

Трудно сказать, сможет ли такой организм в отдалённой перспективе покорить новые ареалы обитания, или дать начало новому царству животных, или как изменятся его взаимоотношения с соседом-вирусом. Как выразился один пикабушник в комментариях, "пытаться предсказать эволюцию - полный бесперспективняк". А я от себя добавлю - воистину, неисповедимы её пути.


И на этой оптимистичной ноте с претендентом №2 мы закончим.

продолжение следует...

Показать полностью 15
Отличная работа, все прочитано!