В двух словах: Квантовый мир
Давайте погрузимся в квантовую физику и узнаем о самых маленьких объектах материи реальности ╮( ̄ω ̄)╭
Начнём с того как мы видим вещи: свет состоит из частиц – фотонов, их можно представить в виде очень маленькой круглой пули, которая летит со скоростью 299 792 458 м/с. Фотоны рикошетят от всего что вы видите и попадают в роговицу глаза, от туда через зрительный нерв выпускается импульс и мозг расшифровывает всё это дело выводя на ваш «экран» картинку.
Микроскоп помогает фокусировать много фотонов в одну точку и возвращаясь они позволяют нам увидеть более мелкие единицы материи.
Теперь о размерах:
За основу возьмём наш повседневный мир – всё что больше (континенты, планеты, космос) – это макро мир, всё что меньше (клетки, бактерии и вирусу) это микро мир, а ещё «ниже» квантовый мир (молекулы, атомы, кварки).
Обьект – в этом контексте абсолютно всё что угодно. Обьект состоит из множества химических соединений.
Химическое соединение – это множество молекул различных или однотипных химических элементов.
Молекула – это пара или множество атомов, которые соединённым благодаря химической связи и образующее химический элемент.
Здесь у нас возникает проблема: как увидеть то что меньше длины световой волны? В 1932 году учёные создали электронные микроскопы и вместо «гигантских» фотонов они «стреляют» электронами, и сделали «зум» ещё детальнее. Принцип его работы можно представить – как чтения текста брайля (ощупывая поверхность, можно представить символы)
Атом – элементарная частица из которой состоит практически всё в нашем мире. Атом состоит из ядра (протон и нейтрон) и одного или множества электронов, которые под действием квантовых сил удерживается в барьере атома.
Протон – элементарная частица, является частью атома и находится в его ядре. Принимает участие в термоядерных реакциях, которые являются основным источником энергии, генерируемой звёздами. Имеет положительный заряд и состоит из кварков.
Нейтрон – тяжёлая элементарная частица, является частью атома и находится в его ядре. Не имеет электрического заряда, состоит из кварков.
Электрон – стабильная элементарная частица, является частью атома и находится на его орбиталях. Образует электрическую оболочку атома, строение которой определяет оптические, электрические, химические, механические и магнитные свойства вещества. Обладает отрицательным зарядом и не обладает внутренней структурой.
В 2008 году, чтобы увидеть ещё «глубже» 10 тысячам учёным пришлось разработать большой адронный коллайдер, который сталкивает элементарные частицы друг с другом на скорости света, и они распадаются на составляющие, которые существуют доли секунды. Анализ зоны появления и распада позволяет узнать о их свойствах.
Кварк – фундаментальная частица, входит в состав адронов (протоны и нейтроны). Кварки не обладают внутренней структурой, но имеют дробный электрический заряд. В настоящее время известно 6 разных «типов» кварков:
Первое поколение: Нижний ( d ), Верхний ( u )
Второе поколение: Странный ( s ), Очаровательный ( c )
Третье поколение: Прелестный ( b ), Истинный ( t )
Нейтрино – фундаментальная частица (лептон – как и электрон). Не имеют массы или электрического заряда и как итог практически не взаимодействуют с материей.
Бозон Хиггса – это уже не совсем материя и объяснение этой концепции, заслуживает отдельного поста. Плюс технически – его исследование как раз в процессе и в начале 2021 должны быть более конкретные умозаключения.
Длина планка - научная концепция описывающая наиболее минимальные масштабы возможные в нашей реальности. Любые эксперименты, направленные на дальнейшее «углубление» в материю, неизбежно вызовут создание чёрной дыры. Теория струн предполагает, что «струны» материи примерно такого размера.
Теперь обсудим квантовую физику – дело в том, что в масштабе атома классическая физика перестаёт работать, а всё взаимодействие материи на этом уровне происходит по другим законам.
Начнём с того что атомы не постоянны: атомы различных элементов распадаются и преобразовываются в атомы других элементов (ближе к началу таблицы Менделеева). Если внести достаточно энергии (допустим при взрыве звезды) мы получаем атомы более тяжёлых элементов (ближе к концу таблицы Менделеева).
Количество протонов, нейтронов и электронов – и придаёт будущему химическому элементу его свойства.
Внутри элементарных частиц (протонов и нейтронов) – находятся кварки. Это фундаментальные частицы, с двумя ключевыми параметрами заряд и спин (технически ещё есть «цвет», но чтобы не перегружать пост, я не буду рассказывать о этой концепции). На квантовом уровне главенствуют 4 фундаментальных силы:
- Сильное взаимодействие - сила, соединяющая кварки вместе. Её можно представить в виде резинки, которая удерживает кварки в группе. Если попробовать оттянуть один кварт, то взаимодействие станет мощнее и вернёт кварк в строй, как при натяжении резинки. Влияние сильного взаимодействия осуществляется через переносчика «Глюон» (можно представить его в виде, колебания резинки, которое воздействует на прикреплённые кварки). Эти колебания настолько мощные, что порождают нового переносчика «Пион», который тоже участвует в сильном взаимодействии.
- Слабое взаимодействие – участвует в распаде и преобразовании атомов. Если нейтрон сблизиться с нейтрино, то переносчик W-бозон (Z-бозон) перейдёт от нейтрино к нейтрону. Нейтрино превратится в электрон, а нейтрон превратится в протон (тем самым изменяя свойства и состав атома). Это и есть распад элемента по сути.
- Сила гравитации – заставляют любой обьект с массой «притягиваться» к любому другому объекту с массой (всё от атомов до галактик подвержено этому воздействию). Чем выше масса обьекта, тем сильнее сила гравитации – однако она теряет силу с расстоянием между двумя обьектами. Переносчик этой силы пока существует лишь в теории (гравитон) – это частица без массы и пока мы не можем её зафиксировать.
- Сила электромагнетизма – принимает две формы электростатическая сила и магнитостатическая сила. Переносчиком является фотон.
Электростатическая сила воздействует на обьекты обладающие электрическим зарядом (положительным или негативным).
Магнитостатическая сила проявляется как побочный продукт электричества. В целом это таже самая сила – любое обьект, через который течёт электричество, генерирует магнитное поле, которое оказывает воздействие на определённые химические элементы. Повседневные магниты сохраняют магнитное поле из-за материала с высокой остаточной магнитной индукцией.
Как-то так и живём. Сейчас мы находим на пике изучение фундаментальных основ реальности и возможно в ближайшее столетие сможем сформулировать законченную теорию всего ( ‾́ ◡ ‾́ )
Я планирую писать такие букофы с картинками дальше и буду рад единомышленникам в моей вк группе: https://vk.com/neonovicrabi
Спасибо за внимание :3
Атомы под микроскопом
Вот атомы.
Будучи практикующим учёным, часто встречаю комментарии в интернете от тех, кто думает, что наука сродни религии - веришь или нет (веришь что камень летит вверх при падении на землю он и летит вверх=). Что мне эти дифракции, фотоэффекты, ты вот атомы покажи натурально, как разрешили, тогда и поговорим.
Вот атомы. К сожалению, очень ускользнувшая публикация, можно встретить только на серьёзной лекции по микроскопии. AFM с молекулой CO2.
Этот пост больше для того, чтобы оценить, интересна ли наука пикабу. Если интересно, в следующих постах расскажу о том, как можно получить такое изображение ну и постараюсь популязировать науку, как её вижу =)
ссылка на оригинал публикации https://science.sciencemag.org/content/342/6158/611/
Коронавирус: о молекулах и механизмах
Дисклеймер. Данный текст является аналитическим обзором и нисколько не руководством к действию. Всем известно, что любые препараты принимают только по назначению врача.
Конец дисклеймера.
С 12 мая в столице и еще ряде городов вводят обязательный масочный режим, который Роспотребнадзор призвал соблюдать, до появления вакцины. Многие ждут вакцину. И все хотят, чтобы было лекарство, эффективное лекарство. Но пока основным инструментом в борьбе с вирусом является иммунная система, а существующие молекулы – это последняя линия обороны и не всегда действенная. Так что же все-таки сейчас существует? Давайте разбираться.
Лекарства. Здесь все непросто. Так как смертность от COVID-19, ну по сравнению с теми же MERS или Эболой невелика, это накладывает серьёзные требования к безопасности: риск от побочек должен быть ниже, чем от самой болезни. Специфических антикоронавирусных молекул пока нет и вряд ли будут. Нет механизма, позволяющего вылечить клетку, заражённую вирусом. С ней разбирается иммунная система, причём достаточно грубо: специальные киллеры убивают заражённую клетку, и дело с концом. Это и называется «хорошим иммунитетом». Действительно хорошо, если это будут клетки верхних дыхательных путей или эпителия носоглотки – там их много. Значит иммунная система справилась, и болезнь прошла в легкой форме. А если вирус проник в альвеолы лёгких – дело хуже. Там всего один слой клеток. Киллеры убьют заражённые клетки, а в альвеолах образуются «дыры» => через них вирус попадает в кровь, а в альвеолу – тканевая жидкость => легкие перестают дышать, а в капиллярах образуются тромбы => возникает респираторный дистресс-синдром. В этом и кроется основная опасность коронавируса. Поэтому иногда важнее вовремя сделать КТ лёгких, чем сам тест на SARS-Cov-2. Поврежденные клетки начнут подавать сигналы – цитокины, на которые придут друзья-лейкоциты. И они так будут стараться вытравить вирус, что могут разнести легкие в пух и прах. Все это называется известным нынче словом – цитокиновый шторм. И это тоже пример работы «хорошего иммунитета» но, когда вирус зашёл уже слишком далеко. Вот здесь иммунитет стараются утихомирить – используют Тоцилизумаб. Лекарство, которое спасает жизни, но абсолютно не действует на вирус.
Интерфероны. Вторая опасность коронавируса заключается в том, что он подавляет систему интерферонов. Это тоже специальные сигналы, которые вырабатывает заражённая клетка, чтобы активировать киллеров и притормозить синтез белка, не давая вирусу размножаться. Вот здесь важно, наоборот, активировать иммунитет. Поэтому рекомбинантный интерферон был есть и будет. Препарат серьёзный, для лечения серьезного, побочные эффекты тоже серьезные. Применяют только при серьезных формах в виде инъекций опять же серьезных доз. А из легкого – назальный интерферон альфа в любой форме и при первых симптомах, почему бы и нет?
Противовирусные препараты. Тяжелая артиллерия. Несмотря на то, что вытравить вирус из клетки никак нельзя, тем не менее, можно затормозить его размножение, действуя на определённые мишени в его жизненном цикле:
• SARS-Cov-2, цепляясь к ACE2 рецептору через S-белок в короне, попадает в клетку.
• Затем он «раздевается» – снимает оболочку, тем самым заражая клетку.
• Потом он создает необходимые ферменты: полимеразу (отвечает за копирование вирусного РНК) и протеазу (разрезает вирусный белок на кусочки – отдельные белки, включая оболочку).
• Далее копирует РНК, встраивает его в оболочки – и вуаля! Много новеньких вириончиков.
Самыми простыми мишенями являются ферменты, которые можно заблокировать определенными молекулами. Так как новое изобретать дорого и долго, начинают с простого – перепрофилируют старое. Что было уже испробовано и протестировано на других РНК вирусах, например, ВИЧа: Калетра (с) (лопинавир+ритонавир), дорогостоящий препарат, ингибирует протеазу. Был эффективен при лечении SARS и при тестировании SARS-Cov-2 in vitro, – китайские ученые доказали. Но практика доказала другое: действие препарата в реальной жизни на нынешний вирус не оказывает серьезного терапевтического эффекта, а вот побочные эффекты вполне себе серьёзны и предсказуемы. Пока продолжают использовать, за неимением другого. Еще есть препараты, имеющие своей мишенью полимеразу (фавипиравир, ремдесевир), которые были созданы для лечения других болезней, в том числе Эболы, но они пока ещё не прошли все стадии испытаний, хотя могли бы быть эффективны. В общем, здесь пока глухо.
Антималярийные препараты (хлорохин, гидроксихлорохин и пр). Их профиль безопасности давно известен, что не сказать о механизме действия. В инструкции к Плаквенилу (с) (гидроксихлорохин) написано: «Вызывает гибель эритроцитарных форм всех видов плазмодиев, оказывает терапевтическое действие при некоторых диффузных заболеваниях соединительной ткани. Механизм действия окончательно не выяснен...» Есть мнение, что он блокирует вирусные инфекции, изменяя уровень ph внутри клеток, сдвигая его в щелочную сторону. Вернёмся к жизненному циклу. Чтобы заразить, вирусу надо «раздеться», он снимает оболочку в эндосомах, где среда кислая. Так он понимает, что попал в клетку. Изменяя кислотность, мы вроде как «обманываем» вирус, заставляя его остаться в капсуле. Эффективность окончательно не выяснена, но кто-то что-то явно доказал: или Президент Трамп с трибуны, или опять же китайские учёные in vitro. В США были случаи самолечения с летальным исходом, так как препарат даёт тяжелые побочные эффекты на сердце. По этой причине в Швеции отказались от использования хлорохина. У нас назначают даже при легких формах. Панацея сейчас. Из аптек такие препараты пропали давно, купить их можно ну разве что по очень высокой цене. Остается посочувствовать людям с аутоиммунными заболеваниями, кому они действительно нужны как воздух. Интересно, а какой будет эффект, если «ощелачивать» организм естественным путём, употребляя в пищу зелень, шпинат, лимоны. Про такое ощелачивание можно много разной инфы найти в интернете. Или пить Швепс, содержащий хинин? Я не особый сторонник такого, но побочки от этого точно не будет, а эффективность гидроксихлорохина все равно не доказана.
Лекарства для лечения осложнений: Антибиотики и антикоагулянты. Первые нужны тогда, когда в дыры в альвеолах начинает пролезать бактерия, а вторые – чтобы избежать тромбов. Но на вирус ни то, ни другое не действует.
Вот такие сейчас реалии, рекомендованные Минздравом. Есть ещё один перспективный антипаразитарный препарат, называется Ивермектин (с). Он эффективен не только против круглых червей, а еще и против роста вируса SARS- Cov-2, – останавливает в течение 48 часов, опять же при тестировании in vitro. Если препарат подтвердит свою эффективность в клинических испытаниях – это будет большой удачей. Не удивлюсь, если будет рекомендован в следующих версиях методички Минздрава. Препарат уже давно пропал не только из всех человеческих аптек, а ещё и из зоомагазинов, где продавался его аналог для животных – Ивермек (с). Народ у нас запасливый.
При всем богатстве выбора, проверенного лекарственного средства для лечения COVID-19 нет. И очень слабо верится, что будет. Хотя чудеса случаются. Реальное лечение – это антитела: собственные, реконвалесцентные или же приобретенные посредством вакцинирования. В вакцину верится охотнее. А судя по свойствам SARS-CoV-2, на ее разработку есть все шансы:
• Во-первых, в отличие от того же ВИЧа, нынешний вирус не лезет в ядро и не встраивается в ДНК. А значит пожизненное носительство не грозит, и иммунная система рано или поздно дожуёт этот вирус до конца. Главное – вовремя пометить то, что надо съесть.
• Во-вторых, он не отличается высокой частотой возникновения мутаций, в отличие от того же ВИЧа – биоинформатики доказали.
• В-третьих, его геном представлен единственной молекулой РНК, и поэтому нет у него той изменчивости, на которую способен, например, вирус гриппа, в геноме которого 8 молекул.
• И в-четвёртых, S-белок короны – отличная мишень для антител.
Здесь, в отличие от лекарств, особой сложности нет. Работа идёт полным ходом. Сейчас в мире существует около 40 проектов. Вакцина будет, но не сразу. Через год – полтора, не раньше. Требования к ее безопасности должны быть ещё выше, чем к лекарствам, так как ее должны будут ввести миллионам здоровых людей. А ещё важно, чтобы она точно работала, и антитела образовывались. Поэтому нужно время. Время на тестирование. А пока надо просто тянуть это время, стараясь сохранить как можно больше жизней. И если для отдельного индивида вирус страшен дистресс-синдромом, то для популяции – пиком, когда блокированы больницы, реанимации, да и вообще не хватает ресурсов. Поэтому задача каждого, каким бы банальным это не казалось – постараться не заболеть, а дождаться вакцины. А то с лекарствами сейчас все как-то не очень.
От 1 нанометра и до 1 миллиметра
Пикабу, привет!
Сижу уже месяц дома, доедаю последние макароны и прокрастинирую.
Решил немного поковырять околонаучные темы.
И пришла в голову мысль сделать какие нибудь зарисовки на тему микро-макромира (т.е от 1 нанометра).
Взял Молекулу кислорода, Молекулу гемоглобина, тело вируса (конечно же его родимого, что made in china), эритроцит, Волос человека, и, наконец, кристаллик сахара. Попросил друга замоделить весь этот зоопарк в 3d для иллюстраций.
Для начала я построил бесшовную шкалу от 1 нанометра до 1 миллиметра. Использовал (софт) аналог After Effects (в эту софтину и засунул все объекты и распределил их по масштабной шкале)
Вот шкала.
![От 1 нанометра и до 1 миллиметра Вирус, Макросъемка, Микромир, Анимация, Инфографика, Молекулы, Гифка, Видео, Длиннопост](https://cs11.pikabu.ru/post_img/2020/05/08/1/1588891663170611379.jpg)
1. Отрезок 10 нанометров. Малекулярный уровень! Подумать только, тут где-то могут быть элементы полупроводников ваших процессоров интел и амд, но перед нами молекула человеческого гемоглобина - переносчика кислорода. (не точная модель, но размер ориентировочно такой) и рядом слева ее груз - молекула кислорода. Она, как и полагается, с двумя атомами, просто "боком" показана, ее размер примерно 0.3 нанометра.
2. Коронавирус (без него никуда) и слева внизу - это молекула гемоглобина. Насчет кароновирусов много информации, я взял средний размер в 160 нм. Модель упрощена, показаны размеры.
3. Эритроцит и слева внизу коронавирус.
4. Подобрались к осязаемым вещам - волос человека в разрезе, его толщина тут 0.1 миллиметра. Слева внизу Эритроцит, а если присмотреться еще левее эритроцита (в упор) там коронавирус в виде одного убогого пикселя (изначально картинки были 2k разрешения, но для интернета я их пошакалил).
5. Перед нами крупица сахара размером 1 мм, довольно крупная и чаще они поменьше (хотя бывает и больше), но я взял такую для наглядности. Рядом "бочонок" - это наш волос в разрезе и еще левее эритроцит. Где-то там коронавирус с гемоглобином и кислородом на борту. Во вьюпорте проги в процессе работы я мог все это приближать до "молекул".
6. Мне стало интересно и я решил посчитать сколько же частиц вируса поместится на срезе волоса. Вышло дохрена. Надеюсь мой гуманитарный мозг не опозорился. 350 тыс вирусных тушек поместится на срезе волоса диаметром 0.1 мм. Технари наверное ща начнут считать. Скажу, что мне посоветовали учесть, что вирус в сечении круглый и не сможет встать без пустот друг к другу, поэтому просто площадь среза волоса поделить на площадь "среза" вируса не совсем корректно и я сделал небольшую корректировку в сторону уменьшения.
7. И, в заключение, посмотрим какой размер у транспортного средства вируса - у капли (взвеси) образующейся при кашле/чихе. Я взял средний размер в 4000 нанометров. Такая капля может довольно долго находится в воздухе в замкнутом непроветриваемом помещении. Сравним с волосом и эритроцитом, также там виден вирус размером в пиксел (но повторюсь, пиксельные размеры тут искажены повышенной шакализацией в сторону увеличения).
8. и наконец, кому лень читать, я замутил видео. Там чуть больше сцен.
За ошибки прошу сильно не ругать, но ткнуть носом, конечно, можно. Чукча не шибко грамотен. Спасибо за внимание.
Поиграем в бизнесменов?
Одна вакансия, два кандидата. Сможете выбрать лучшего? И так пять раз.