Подборка новостей науки за неделю: слоны, пингвины, КПД двигателя 100% и самая древняя галактика⁠⁠

🐘 Каждую неделю мы собираем самые интересные новости науки. В этом выпуске:

Почему у Юпитера маленькие кольца; что особенного в эволюции пингвинов; как слоны опять защищаются от рака; в чём сложность составных нейтронных интерферометров; может ли КПД двигателя приблизиться к 100% и когда появилась самая древняя галактика?

Содержание ролика:

00:23 Почему у Юпитера нет крупных колец

01:19 Описаны 60 миллионов лет эволюции пингвинов

03:06 Почему слоны устойчивы к раку. Часть 2

05:24 Получен составной нейтронный интерферометр

07:42 Получен квантовый двигатель с запредельным КПД

09:50 Лучшая новость предыдущего выпуска - Древнейшая галактика

(все ссылки на пруфы и исследования под роликом на ютубе. Короткая текстовая версия ниже)

Описаны 60 миллионов лет эволюции пингвинов

Есть такой проект - Bird 10k Genome, это проект по расшифровке генома всех ныне живущих птиц.

Цель вполне благая, тем более, что во время работы над отдельными видами всплывают интересные подробности. Так, группа учёных поделилась эволюционными особенностями пингвинов.

Для этого они отсеквенировали геномы всех живущих и недавно вымерших видов пингвинов и совместили их с ископаемыми останками. Это позволило описать ключевые события и процессы, которые и определили эволюцию этих замечательных птиц. Вся эволюция пингвинов двигалась изменениями в климате и в океанических течениях. В геноме пингвинов есть участки, указывающие на то, что популяции пингвинов меняли свои климатические убежища раз за разом. Популяции сокращались, когда климат был неудобными, и нужно было его пережить, и разрастались, когда условия становились подходящими. Например, когда температура падала, пингвины забирались дальше на север, а когда повышалась - уходили назад ближе к полюсу, ведь привычные холодные места обитания становились опять доступными.

Были названы и участки генома, позволяющие пингвинам обитать в уникальных условиях, это я про Антарктику. Они управляют терморегуляцией, позволяют глубоко нырять, дают подводное зрение и управляют размерами тела. Прямо фиты из днд.

Что интересно, пингвины эволюционировали дольше, чем другие птицы. Но многие из их основных черт, характерных для водной жизни, появились на заре их эволюции. И хотя многие люди думают о пингвинах только как о птицах, которых между льдов гоняют морские львы, но как ни странно, они появились ещё до того, как сформировались ледяные шапки на полюсах, в достаточно тёплом климате 60 миллионов лет назад. И уже потом они развили в себе качества, позволяющие им колонизировать океаны от тропиков до антарктики.

Почему слоны устойчивы к раку. Часть 2

В ролике 4 года назад я рассказывал вам о том, как слоны защищаются от рака. Чем больше в организме клеток, тем, по теории вероятности больше шансов развития рака из-за неправильного их деления. Но у людей рак встречается чаще, чем, например, у китов или слонов. Это парадокс Пето.

Слоны отличаются тем, что смертность от рака у них не превышает 5%, в то время как у людей в ряде популяций она достигает от 17 до 25%. Слоновья устойчивость к раку известна давно и объясняется наличием в их геноме большого количества антионкогенов, а конкретно - 20 копиями гена p53.

Это гены – опухолевые супрессоры. Они следят за тем, правильно ли ведут себя клетки во время репликации, т.е. копирования. Если происходит мутация, они останавливают процесс и дирижируют ликвидацией повреждения ДНК.

В здоровых клетках в соответствующем белке p53 нет потребности и он ликвидируется другим белком, кодируемым онкогеном MDM2 E3 Убиквитинлигазой. Процесс взаимодействия p53 и MDM2 крайне важен для здорового процесса деления клеток, ремонта повреждённых клеток и уничтожения клеток, где ремонт не удался. Единственное, MDM2 иногда старается черезчур сильно и убирает p53, хотя для него есть работа.

Но обо всём этом мы знали и ранее, а вот о том, что все 20 копий гена p53 имеют некоторые небольшие, но различия, узнали вот только что. Эти отличия обусловливают и разные форматы молекулярного антиракового взаимодействия. В 20 раз больше, чем у человека с его одной копией p53.

Какие-то белки, а точнее изоформы p53 с изменённой 3д-структурой, ускользают от деактивации при помощи MDM2 и продолжают антионкогенное шествие там, где человеческие p53 потерпели бы фиаско, т.е. всё же выполняют свою работу, несмотря на старания MDM2.

Понимание этих процессов и того как активируется белок p53 в перспективе может помочь найти способ усилить противораковый ответ. Ну и заодно снизить влияние всяких стрессов, питания, возраста на коррекцию ошибок мутаций.

Получен составной нейтронный интерферометр

Частицы могут перемещаться одновременно по разным траекториям, как волны. Это один из основополагающих принципов квантовой физики.

Его прекрасно иллюстрирует двухщелевой эксперимент. Особенно впечатляюще в этом контексте его практическое воплощение, позволяющее изучать мельчайшие квантово-механические эффекты, гравитационные и электромагнитные поля. Нейтронный интерферометр. Нейтроны выстреливаются в кристалл, нейтронная волна разделяется на две части, которые затем опять накладываются друг на друга. Интерференционная картина в детекторе затем рассказывает о среде, в которой распространялись частицы.

Такие нейтронные интерферометры играли ключевую роль в научных исследованиях десятилетиями. Но их размер был ограничен, поскольку они должны быть вырезаны из единого кристалла кремния.

Если мы говорим про классический двухщелевой эксперимент, то там расстояние между прорезями минимально. А в нейтронном интерферометре оно может достигать нескольких сантиметров, размеры волны достигают макроскопических масштабов.

Квантовая суперпозиция в нейтронном интерферометре очень уязвима. Любые нарушения, вибрации, неточности, повороты кристалла разрушают эффект. Смещения в один атом достаточно для искажений на порядок. Это примерно как целится с Земли в ливнёвку на Луне.

Именно поэтому интерферометр и делается из одного кристалла. С 90х попытки составить интерферометр из двух кристаллов были безуспешными. Но вот теперь, в Турине сотворили некое научное чудо на основе технологий для рентгеновских интерферометров. Они подняли точность по пространственным смещениям при изготовлении составных интерферометров до нужного уровня. В состав чуда входит встроенный дополнительный лазерный интерферометр для предварительного контроля, смягчение вибраций, стабилизатор температуры до 10 милликельвин и контроль положения анализирующей пластины. В результате получился кососимметричный интерферометр, интерференционная картина с которого была хоть и не идеальной, но для первого эксперимента хороша.

Получается, что при достаточной степени контроля за двумя кристаллами можно увеличивать расстояния и размеры всей системы, препятствий для этого нет. А это значит, что исследования фундаментальных взаимодействий, например, чувствительности нейтронов к гравитации, могут выйти на новый уровень.

Получен квантовый двигатель с запредельным КПД

Предположим, что мы приблизились к созданию квантового двигателя. Что тогда? Полетим на Марс? Тогда мы скачком повысим КПД двигателя, но будем вынуждены использовать в качестве рабочего тела частицы - атомы, фотоны, максимум молекулы.

Базово квантовый двигатель представляет собой два резервуара с разными температурами, между которыми совершается обмен, и квантовое рабочее тело, т.е. то, что выбрасывается из двигателя и совершает работу. Если в качестве рабочего тела используются фотоны, т.е. мы говорим о фотонном двигателе, то именно фотоны создают реактивную тягу.

Для такого двигателя есть смысл провести апгрейд, усилив его благодаря сверхизлучению. Это когда атомы начинают синхронно излучать фотоны. Интенсивность такого излучения очень быстро растёт с ростом количества излучающих атомов. Поэтому в теории мощностью можно управлять почти скачкообразно.

Эксперименты с таким двигателем провели корейцы. С использованием сверхизлучения эффективность квантового двигателя сильно увеличилась, дело в том, что возникла значительная разница между температурой рабочего тела и резервуаров. КПД двигателя достиг невообразимых 98%, что превышает нормы, установленные законами термодинамики. Рабочее тело теплового двигателя - это фотоны в резонаторе. Через этот резонатор пролетают атомы бария. Фактически они служат и резервуарами теплового двигателя. Эти атомы пролетают через резонатор с определённой периодичностью, и частоты подстроены так, чтобы взаимодействие атомов и света в резонаторе оказалось сфазированным. В итоге учёные добились сверхизлучения у атомов бария и того, что фотонный газ начал давить на стенки резонатора. Причём этим давлением можно было управлять, регулируя частоты лазера, излучающего в этой системе.

Конечно, хоть КПД системы и под 100%, но работа, совершаемая таким двигателем микроскопическая (10−28 джоулей). Этот двигатель крошечный. Т.е. пока практически применить его невозможно, это скорее первый концепт, демонстрирующий квантовые принципы в тепловом двигателе. И конечно же грядут исследования.

Лучшая новость предыдущего выпуска - Древнейшая галактика

Лучшей новостью предыдущего выпуска вы признали новость про то, что космический телескоп Джеймс Уэбб прислал первые изображения, содержащие научную информацию. По сравнению с Хабблом у Уэбба больше площадь главного зеркала, он работает в основном в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне, захватывая свет очень далёких галактик, у которых испускаемое свечение уходит в инфракрасный диапазон из-за красного смещения и которые почти не видны в оптическом диапазоне. Поэтому он видит дальние объекты гораздо лучше, а вблизи различает газовые облака и скрытые области звездообразования.

Кстати, Уэбб на прошлой неделе успел практически побить рекорд Хаббла в обнаружении самой древней галактики. Кандидат в древнейшую известную нам галактику - галактика GLASS-z13 существовала уже через 300 миллионов лет после Большого взрыва, её красное смещение - 13. Она была очень маленькой, в 60 раз меньше Млечного пути, массой примерно в миллиард солнечных, и крайне простой по своей структуре. Предыдущий рекордсмен по древности - галактика GN-z11 - существовал примерно через 420 миллионов лет после Большого взрыва. Уэббу, конечно, ещё предстоит спектроскопически подтвердить открытие, но уже ясно, что его возможности в таких наблюдениях превосходны.