10 важнейших историй из мира науки за 2023 год по версии учёных
Перевод by SLY_G
Автор оригинала: The Guardian
Лунный корабль
Этот год стал годом научной драмы: от понимания происхождения человека и прорывов на Луне до расцвета искусственного интеллекта и новых пугающих изменений в климате.
1. Индийский луноход достиг обратной стороны Луны
В то время как западные миллиардеры занимались тем, что отправляли в космос ракеты, которые разбивались и сгорали, учёные из Индии спокойно делали то, чего никто до них не добился. Их лунный аппарат "Чандраян-3" стал первой миссией, достигшей южного полюса Луны - неизученного региона, где, как считается, существуют залежи замёрзшей воды. Я помню, как забилось моё сердце, когда по социальным сетям разлетелись снимки комнаты управления в Индии, на которых женщины-учёные старшего поколения празднуют своё невероятное достижение.
Успех "Чандраян-3", запущенного в июле 2023 года, показал всему миру, что Индия не только является крупным игроком в космосе, но и может успешно запустить лунный корабль за 75 миллионов долларов. Стоимость не маленькая, но она гораздо меньше бюджетов большинства других стран на лунную миссию.
Июль 2023 года стал чрезвычайно насыщенным месяцем для космических событий. Он начался с запуска спутника "Евклид", предназначенного для беспрецедентно детального изучения тёмной материи и тёмной энергии. Всего две недели спустя Китай успешно запустил первую в мире ракету на метановом топливе (Zhuque-2), продемонстрировав потенциально более экологичный способ космических путешествий, опять же при значительно меньших затратах. К тому же, метановый двигатель интересен не только тем, что он более экологичен, а тем, что
1) Он вырабатывает меньше сажи, а потому проще повторно использовать двигатель.
2) Метан потенциально можно добывать на Марсе.
Через две недели после посадки "Чандраян-3" был отправлен спать в очень холодную лунную ночь, но так и не проснулся; однако он сделал то, ради чего был отправлен: обнаружил серу на поверхности Луны и показал, что лунный грунт является хорошим изолятором. С увеличением разнообразия, снижением стоимости и экологичностью ракет, кажется, что человечество может оказаться на пороге новой, более доступной эры освоения космоса.
2. ИИ наконец-то начинает походить на настоящий ИИ
Стратосферный взлёт ChatGPT от OpenAI в этом году вызвал яростные дебаты в СМИ и других изданиях о будущей роли искусственного интеллекта и его последствиях для всех сфер жизни - от трудоустройства до здравоохранения.
Зачастую определить переломные технологические моменты можно лишь спустя долгое время, но 2023 год - один из тех редких годов, когда мы можем с уверенностью сказать, что мир за этот год сильно изменился. Это был год, когда искусственный интеллект (ИИ) наконец-то стал мейнстримом. Я имею в виду, конечно же, ChatGPT и его собратьев - большие языковые модели. Выпущенный в конце 2022 года, ChatGPT стал вирусным в 2023 году, поражая пользователей своим беглым изложением и, казалось, энциклопедическими знаниями. Технологическая индустрия, возглавляемая компаниями с триллионными оборотами, была поставлена в тупик успехом продукта компании, в которой работает всего несколько сотен человек. Сейчас, когда я пишу эту статью, идёт отчаянная борьба за лидерство на новом рынке "генеративного ИИ", о котором возвестил ChatGPT.
Почему ChatGPT добился такого впечатляющего успеха? Во-первых, он очень доступен. Любой человек с веб-браузером может получить доступ к самому сложному ИИ на планете. А во-вторых, он наконец-то стал похож на тот ИИ, который нам обещали - он был бы неуместен в кино, и он гораздо более речистый, чем компьютер из "Звёздного пути". Мы долгое время использовали ИИ, не осознавая этого, но наконец-то у нас появилось нечто реальное. Это не конец пути для ИИ, далеко не конец, но это действительно начало чего-то значительного.
3. Девочки-подростка занимаются сложной математикой
Не'Кия Джексон (слева) и Калсиа Джонсон (справа) получают ключи от Нового Орлеана от мэра Латойи Кантрелл после того, как студенты нашли новое доказательство теоремы Пифагора.
В марте две девочки-подростка из Нового Орлеана, Калсиа Джонсон и Не'Кия Джексон, представили новое математическое доказательство теоремы Пифагора с помощью тригонометрии на региональной встрече Американского математического общества.
Что в этом особенного? В 1940 году в классической книге Элиши Лумиса "Пифагорейское предложение" был раздел "Почему невозможно найти доказательство с помощью тригонометрии, аналитической геометрии и алгебры". То есть, a^2 + b^2 = c^2 нельзя доказать с помощью sin^2(θ)+cos^2(θ)=1.
Это оттого, что у этих уравнений существует циклическая зависимость. Например: Если A верно, если верно B, и B верно, если верно A, то откуда нам знать, что A и B истинны?
Джонсон и Джексон не первые, кто вывел тригонометрическое доказательство теоремы Пифагора. Однако их доказательство с помощью "вафельного конуса" с использованием правила синуса и бесконечного геометрического ряда продемонстрировало большую креативность и математическую ловкость. В их подходе есть ограничения - например, он не работает, когда ∅=π/4 (45°). Но это поправимо.
В прошлом году Кэтрин Бирбалсинг, бывший советник по социальной мобильности при правительстве Великобритании, подверглась критике за то, что сказала, что девочки реже выбирают физику уровня A, потому что она включает "трудную математику". Достижения Джонсон и Джексон красноречиво говорят об обратном.
4. О нашей ранней миграции из Африки
Слепок черепа человека Херто, найденного в Эфиопии в 1997 году. Последние результаты исследования ДНК современных африканцев обогащают наши знания о предыстории человечества.
Наш вид происходит из Африки. В широком смысле это означает, что Homo sapiens появился на земле, которая сейчас называется Африкой, и большая часть нашей эволюции произошла там за последние полмиллиона лет. Остальной мир был заселён, когда несколько человек покинули эту панафриканскую колыбель в течение последних 100 000 лет. До недавнего времени об этом было известно в основном по костям давно умерших людей. Но восстановление ДНК из этих старых костей дало свои плоды. В октябре исследование, проведённое под руководством Сары Тишкофф из Университета Пенсильвании, показало, что небольшое количество ДНК неандертальцев в ныне живущих африканцах вошло в линию Homo sapiens ещё 250 000 лет назад где-то в Евразии, что означает, что мы покидали Африку несколько раз, и гораздо раньше, чем считалось.
Как были сделаны эти открытия? С помощью того, что парадоксальным образом упускалось из виду при изучении нашего африканского происхождения: на самом деле мы изучили геномы африканских людей.
Это может показаться незначительным и постепенным, но чем больше мы будем искать - особенно среди людей и областей, которые до сих пор были крайне мало представлены, - тем больше мы узнаем о нашей собственной истории.
5. Самый жаркий год в истории
Пожарный использует капельный факел для контролируемого выжигания во время лесного пожара недалеко от Вандерхуфа, Британская Колумбия, Канада, июль 2003
Согласно известной присказке, лягушка, брошенная в горячую воду, спасётся, но если лягушку держать в воде, медленно поднимая её температуру, то она не заметит опасности до самого конца. 2023 год станет самым жарким за всю историю наблюдений. Ранее этот рекорд был установлен семь лет назад, в 2016 году. Как сказал король Чарльз III на 28-й конференции по изменению климата, мы становимся невосприимчивыми к тому, что говорят нам рекорды.
Последствия жары нарастают. Более тёплые моря и более тёплая атмосфера способствовали событиям, которые принесли смерть и разрушения с ужасающей скоростью. В Ливии погибло более 10 000 человек, когда наводнение смыло город в море. Пожары охватили греческие острова и канадские леса. Тропический циклон "Фредди" обрушился на населённые пункты в восточной Африке, и без того страдающие от нищеты. Засуха и жара сделали некоторые регионы непригодными для жизни.
Хорошая новость заключается в том, что решения этой проблемы уже существуют. В прошлом году Великобритания произвела больше "зелёной" энергии, чем когда-либо прежде. Прогнозы искусственного интеллекта начали выполнять работу, с которой не могли справиться миллионы человеческих синоптиков, анализируя погодные и климатические данные с беспрецедентной скоростью. Спутник Nasa Swot начал измерять, где находится вся вода на Земле, помогая предотвратить будущие катастрофы.
Люди думают, что они умнее лягушек, но мы спасём себя, только если поймём, что мы сами и лягушки, и источник тепла, и психопаты-экспериментаторы.
6. Новая Crispr-терапия для лечения серповидно-клеточной болезни и бета-талассемии
Красные кровяные тельца человека с серповидно-клеточной болезнью. Британский регулятор одобрил инструмент геномного редактирования Crispr для лечения этого заболевания, а также бета-талассемии.
В последние годы расовое неравенство в здравоохранении получило широкую огласку. Для некоторых это стало причиной снижения доверия к медицинским наукам и услугам, включая профилактические меры, такие как вакцинация. Поэтому есть повод для радости в связи с тем, что Великобритания стала первопроходцем в биотехнологической терапии серповидно-клеточной болезни и бета-талассемии. Эти изнурительные, а иногда и смертельные заболевания, соответственно, чаще поражают чернокожее население и тех, кто имеет корни в южном Средиземноморье, на Ближнем Востоке, в Южной Азии и Африке. Впервые в мире британский регулятор лекарственных средств одобрил инструмент для редактирования генома Crispr-Cas9 под названием Casgevy для лечения заболеваний. Было показано, что эта терапия снимает изнурительные приступы боли при серповидно-клеточной болезни и устраняет или уменьшает потребность в переливании красных кровяных телец при талассемии по крайней мере на год.
Это радует, но ещё предстоит выяснить, как проявят себя потенциальные риски. Сохранятся ли положительные результаты в долгосрочной перспективе? Каковы последствия для безопасности? Например, существует вероятность того, что Crispr-Cas9 может иногда вносить непреднамеренные генетические изменения с неизвестным эффектом. Кроме того, стоимость такой терапии может достигать 2 млн долларов на человека. Будут ли эти заболевания и дальше оставаться в центре внимания при формировании бюджетов?
Тем не менее одобрение даёт повод для осторожного оптимизма - не в последнюю очередь потому, что включение групп, которые часто не учитываются, может ознаменовать небольшой, но важный сдвиг в сторону обеспечения более справедливого медицинского обслуживания.
7. Едим пирожные, заедаем Wegovy
Препарат Wegovy, впервые назначенный людям с диабетом, может помочь сотням миллионов людей, которые борются с ожирением, и, как оказалось, снижает риск сердечных приступов и инсультов.
В мире существует проблема с едой: 650 миллионов взрослых страдают ожирением, то есть имеют индекс массы тела (ИМТ) более 30 кг/м2 и потребляют больше калорий, чем может использовать их организм. С другой стороны, 735 миллионов человек во всём мире голодают. Однако от ожирения умирает больше людей, чем от недоедания. Поэтому открытие группы препаратов, известных как стимуляторы рецепторов глюкагоноподобного пептида-1 (GLP-1), можно только приветствовать. Изначально эти препараты GLP-1 были разрешены для борьбы с диабетом, а затем их стали использовать в качестве лекарств для снижения веса.
Wegovy, идеальный пример этих лекарств, работает, снижая уровень глюкозы в крови и заставляя людей быстрее чувствовать себя сытыми во время еды. В ходе двухлетнего клинического исследования, в котором приняли участие 304 человека, испытуемые, принимавшие Wegovy, потеряли 15 % массы тела, в то время как контрольные испытуемые потеряли только 3 %. Захватывающе, но в этом году мы также узнали из большого трёхлетнего исследования с участием пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями, что Wegovy также снижает риск инсультов, инфарктов и смерти от сердечно-сосудистых заболеваний.
Может показаться, что теперь мы можем есть сколько угодно и получать за это инъекции, но у приёма Wegovy есть побочные эффекты, такие как тошнота, рвота, головные боли, усталость и возможный риск развития некоторых видов рака щитовидной железы. Кроме того, нам всё ещё нужно найти способ накормить голодающих.
8. Заявление о получении высокотемпературного сверхпроводника было встречено в штыки
Уже несколько десятилетий учёные находятся в поисках "святого Грааля" - сверхпроводника комнатной температуры. Сверхпроводник - это материал, который проводит электрический ток без сопротивления, но это замечательное свойство наблюдается только при температуре более чем на 100 градусов ниже комнатной.
В июле южнокорейская команда под руководством Сукбэ Ли и Джи-Хун Кима заявила о создании первого сверхпроводника комнатной температуры при нормальном давлении из соединения на основе свинца под названием LK-99. Такой прорыв мог бы позволить создать силовые кабели, проводящие ток без потерь мощности и уменьшить размеры МРТ-сканеров.
Ли, Ким и их коллеги разместили две работы на сайте arXiv, где исследования иногда публикуются до рецензирования. Это вызвало бурю восторга и скептицизма: лаборатории по всему миру бросились пытаться воспроизвести результаты исследований, а LK-99 даже стал трендом в Twitter (теперь он известен как X).
К концу августа ведущие лаборатории не смогли воспроизвести результаты. В настоящее время все сходятся во мнении, что существованию важнейших признаков сверхпроводимости при комнатной температуре найдено недостаточно доказательств.
Чему учит нас эта история? Она показывает, что прежде чем делать поспешные выводы, необходимо тщательно изучить характеристики материалов, и что научное рецензирование может быть конструктивным и захватывающим. Даже если LK-99 не является святым Граалем, это не должно сдерживать поиски настоящего сверхпроводника при комнатной температуре и может открыть неожиданные пути для новых захватывающих исследований.
9. Уменьшение численности птиц связано с гербицидами и пестицидами
Белохвост (Saxicola rubetra) на поле масличного рапса. С 1980 года численность диких птиц в Европе сократилась на четверть (550 миллионов). Наиболее резкое сокращение наблюдается среди сельскохозяйственных птиц, и новое исследование предполагает, что причиной этого является использование пестицидов и удобрений.
Этот год стал рекордным - и не в лучшую сторону, если говорить об окружающей среде. Наряду с глобальным потеплением разворачивается ещё одна экологическая катастрофа: стремительная гибель дикой природы.
Несмотря на свою актуальность, кризис биоразнообразия освещается в восемь раз меньше, чем климатическая катастрофа. Поэтому, несмотря на то, что я обычно люблю позитивные исследования (такие как повторное обнаружение длинноклювой ехидны Аттенборо или изучение того, почему приматы любят двигаться по кругу), для своей подборки года я выбрал исследование, посвящённое сокращению численности европейских птиц.
За последние четыре десятилетия количество птиц в Европе сократилось на ошеломляющие 550 миллионов. До сих пор считалось, что основными причинами этого являются потеря среды обитания и загрязнение окружающей среды. Но команда исследователей под руководством Станисласа Ригала изучила данные о 170 видах птиц на 20 000 объектов в 28 странах, включая записи, собранные учёными-любителями, и пришла к выводу, что главным убийцей птиц является интенсификация сельского хозяйства. Точнее, это повышенное использование пестицидов и удобрений, которые не только лишают птиц пищи, но и напрямую влияют на их здоровье.
Такие масштабные исследования имеют решающее значение для влияния на принятие решений и приоритеты политики. Будем надеяться, что 2024 год принесёт положительные изменения в этой области.
10. Надежда на модели эмбрионов на основе стволовых клеток
Сканирование модели человеческого эмбриона из лаборатории Якоба Ханны в Институте Вейцмана, Израиль. Такие модели могут оказаться жизненно важными для нашего будущего понимания выкидышей и генетических заболеваний.
В июне на нас обрушился шквал статей и препринтов, описывающих, как можно начать с культур плюрипотентных стволовых клеток и, поместив их в пробирки, получить структуры, напоминающие ранние постимплантационные человеческие эмбрионы. Эту тему широко освещали в СМИ, в том числе на первых полосах некоторых газет. Наука, безусловно, заслуживает внимания - эксперименты показывают поразительную способность стволовых клеток дифференцироваться в соответствующие ткани, которые самоорганизуются в нужный паттерн. Однако, возможно, интерес СМИ вызвала и довольно жёсткая конкуренция между несколькими группами, участвовавшими в проекте.
Есть надежда, что модели эмбрионов на основе стволовых клеток станут практичной и "более этичной" альтернативой работе с обычными эмбрионами. Учёные смогут многое узнать о том, как мы развиваемся, и что идёт не так при врождённых заболеваниях, выкидышах и нередко неудачном искусственном оплодотворении (ЭКО), и, возможно, найти решения этих проблем.
Однако на данный момент ясно, что даже самые лучшие модели не эквивалентны нормальным человеческим эмбрионам, и самый строгий тест - спросить, можно ли их имплантировать в матку, - это то, что, по общему мнению, не следует пытаться делать. В настоящее время подавляющее большинство, возможно 99%, агрегатов, которые помещаются в культуру, не дают ничего, напоминающего человеческий эмбрион. Для того чтобы эти модели нашли применение, необходимо повысить их эффективность.
Космическая гидрометеорология - прогноз погоды по данным со спутников
Предыдущие посты
Космическая гидрометеорология - что это?
Космическая гидрометеорология - что видят спутники?
Космическая гидрометеорология - ПО для обработки спутниковых данных
Последний пост видимо оказался слишком узконаправленным, потому что обсуждения никакого не вызвал. Что же, не буду тогда вдаваться в технические сложности, постараюсь писать более понятно.
Итак, прогноз погоды со спутника.
Такой прогноз называется наукастинг, обычно он делается на ближайшие часы (до 2-6 часов вперед).
Обычно, для решения задачи наукастинга берут спутниковые снимки (обычно каналы самого прибора + параметры облачности), добавляют метеорологические радары и данные численного прогноза погоды - и делают прогноз.
Про спутниковые данные уже рассказывал, что же такое метеорологические радары?
Это доплеровские радиолокационные станции, которые позволяют определять координаты выпадения осадков, направления их движения и их тип.
Расположение радаров на территории Росси приведено ниже (взято отсюда)
Как видно, в основном они располагаются в Европейской части России. Все что дальше Урала - естественно, будет работать плохо. Поэтому для этих территорий применяют модели численного прогноза погоды вместо радаров.
Посмотреть данные радаров по осадкам в реальном времени можно на accuweather.com и meteoinfo.ru/radanim
Численная модель прогнозирования погоды — это компьютерная программа, построенная на основе системы уравнений гидромеханики (уравнения Эйлера) и составляющая на основе текущих данных метеорологический прогноз. Эта модель может быть глобальной, покрывающей всю Землю, или локальной, покрывающей отдельный участок планеты.
В основе моделей лежат математические уравнения, описывающие аэро- и термодинамические процессы в атмосфере и связывающие такие параметры как плотность, скорость, давление и температуру. Эти уравнения являются нелинейными и не имеют точного решения, поэтому для их решения используются численные методы. Исходные уравнения дискретизируются во времени и пространстве и превращаются в систему линейных уравнений, связывающую наборы физических параметров в выбранных точках (узлах вычислительной сетки). Чем больше используется точек для расчета, тем выше точность модели, но и тем выше требования к вычислительным мощностям.
Наиболее известные модели на сегодняшний день - GFS, WRF, ICON, ECMWF.
Кстати, удобные сервисы по просмотру параметров моделей - температура на уровнях, скорость ветра, осадки, влажность и т.д., удобно смотреть на сайтах windy.com и ventusky.com.
Как именно делают наукастинг и кто этим занимается?
Русскоязычные материалы нашел от Яндекса на Хабре: Как мы делали краткосрочный прогноз осадков. Лекция в Яндексе и Как мы отказались от нейросетей, а затем вернули их в прогноз осадков Яндекс.Погоды
Вкратце - они использовали для составления прогноза оптический поток и нейронную сеть. Результаты, судя по всему, внедрены в Яндекс.Погоду.
Также они приводят интересный график
Согласно которому точность прогноза уменьшается тем больше, чем больше время самого прогноза. То есть предсказывая погоду на 2 часа вперед точность составляет 35-45%.
Еще нашел материалы конференции, которая проводилась в Институте Космических Исследований РАН за 2019 год. Там тема одного из докладов - Разработка нейросетевого метода прогнозирования эволюции облачных образований и осадков по данным геостационарных спутников
Как я понял, там делают упор как раз только на использование спутников, потому что на Дальнем востоке радаров почти нет. Но к чему это привело и где это используется - непонятно.
Таким образом, со спутников делают прогноз - но на небольшой период времени. До 2 часов максимум. И чем больше время прогноза - тем меньше точность.
Если есть вопросы по этой теме или есть вопросы из других направлений - спрашивайте)
Сможете найти на картинке цифру среди букв?
Справились? Тогда попробуйте пройти нашу новую игру на внимательность. Приз — награда в профиль на Пикабу: https://pikabu.ru/link/-oD8sjtmAi
Почему песок мягкий?
Для многих областей науки, от предсказания оползней до сельского хозяйства, очень важно понимать физику потока частиц. Пока что учёным не очень хорошо это удаётся.
Мы не знаем. Никто не понимает, как работает песок.
Звучит абсурдно, но в принципе так и есть. Понимание потока гранулированных материалов, типа песка, — одна из основных нерешённых задач физики.
Допустим, вы решили сделать песочные часы и заполнить их гранулами песка, размер и форма которых известны. Вы не найдёте формулы, способной точно предсказать, сколько времени песок будет перетекать из одной части часов в другую, и будет ли он перетекать вообще. Вам останется только провести эксперимент.
Карен Дэниелс, физик из государственного университета Северной Каролины; она изучает песок и другие гранулированные среды (эта область называется "физика мягкого вещества"). Она рассказала мне, что одна из сложностей работы с песком связана с огромным количеством свойств песчинок – форма, размер, шероховатость, и т.п. «Одна из причин, по которой у нас нет общей теории, состоит в том, что все эти свойства имеют значение».
Однако разобраться с отдельными песчинками – это только начало. «Нужно заботиться не только о свойствах частиц, но и о том, как они организованы», — сказала Дэниелс. Свободно лежащие частицы кажутся мягкими, потому что у них есть пространство для манёвра. Если плотно упаковать частицы, у них уже не будет места для движения, и они на ощупь будут казаться твёрдыми. Поэтому поверхность песчаного пляжа кажется мягче, чем нижние слои – песчинки в них спрессованы, и находятся ближе друг к другу.
Мы не можем найти общую теорию песка не потому, что плохо стараемся. Для многих областей науки, от предсказания оползней до сельского хозяйства, чрезвычайно важно понимать физику потока частиц. Нам просто пока не очень хорошо это удаётся.
«Люди, работающие на химических производствах с машинами, имеющими дело с частицами, подтвердят, что эти машины очень часто ломаются, — сказала Дэниелс. – Каждый, кто пытался починить автоматическую кофемолку, знает, что в ней постоянно застревают частицы. Эти вещи не очень хорошо работают».
счастью, мы движемся не совсем на ощупь, и можем кое-что сказать о том, почему песок кажется мягче или твёрже.
Обычно песок с более округлыми гранулами кажется мягче, поскольку таким гранулам легче скользить. Также гранулы меньшего размера не так сильно давят на кожу. Но если они будут совсем уж мелкими, они будут слипаться из-за влаги, из-за чего материал будет казаться комковатым и плотным.
Дэниел сказала, что самым мягким сыпучим материалом, который она когда-либо трогала, было вещество Q-Cell – кварцевая пудра, заполняющая трещины в досках для сёрфинга. Она состоит из пустотелых гранул, поэтому кажется очень лёгким. При этом кварц плохо смачивается, из-за чего такая пудра не комкуется. Она сравнила то, как эта пудра пересыпается в ведре, с очень мелким и сухим пляжным песком.
Пляж, состоящий из «песка» Q-Cell, был бы очень мягким, но не очень приятным. Мелкий сухой порошок – это не песок, а пыль, и дышать такой пылью очень вредно для лёгких. Размеры и форма гранул песка на идеальном пляже должны сочетать в себе мягкость, мелкость, комкуемость и множество иных свойств, делающих песок мягким и приятным для ходьбы. Поскольку приходится рассматривать так много факторов, очень сложно сказать, каким должен быть идеальный мягкий песок для пляжа.
Нужно собрать больше экспериментальных данных.
Как лечили кота Лапуню
/Новость не нова, 2019 год/
Научный коллектив малого инновационного предприятия (МИП) «Биомиметикс», созданного молодыми учеными НИТУ «МИСиС» на базе университета, совместно с коллегами из НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина создали уникальный гибридный имплантат для замещения пораженного участка кости.
Имплантат, полностью имитирующий структуру кости, был вживлен в ветклинике «Биоконтроль» 14-летнему домашнему коту Лапуне, больному остеосаркомой. Согласно послеоперационным наблюдениям, имплантат прижился, динамика выздоровления усатого пациента положительная.
Молодые ученые МИП «Биомиметикс», работающего на базе НИТУ «МИСиС», в течение нескольких лет занимаются разработкой биосовместимых костных имплантатов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Сердцевина гибридного имплантата, выполнена из пористорого сверхвысокомолекулярного полиэтилена, а каркас напечатан на 3D-принтере из титанового сплава. Подобная структура – полная копия структуры настоящей кости, где пористый СВМПЭ соответствует внутренней, трабекулярной, части, а титановый сплав со слоем сплошного СВМПЭ – твердой внешней, кортикальной.
В марте-апреле 2019 года имплантат вживили домашнему коту по имени Лапуня после удаления 6-сантиметрового участка кости передней лапы, пораженной остеосаркомой. В сотрудничестве с НМИЦ онкологии имени Н.Н. Блохина была разработана клеточно-инженерная конструкция: специалисты ООО «Биомиметикс» изготовили имплантат, а их коллеги из лаборатории клеточного иммунитета заселили его клетками, выделенными из костного мозга самого пациента, для ускорения вживления имплантата. Операция была проведена хирургами ветклиники «Биоконтроль».
Согласно послеоперационным наблюдениям на июнь 2019 года, имплантат прижился, динамика выздоровления положительная, кот передвигается самостоятельно. Таким образом, вживление такого гибридного клеточно-инженерного имплантата становится хорошей альтернативой традиционному радикальному лечению – ампутации, а также куда более сложным в плане приживаемости металлическим имплантатам.
Микробиота. Как заботиться о бактериях кишечника
Ранее вы могли узнать, какие бактерии живут в кишечниках россиян и как микробиота влияет на развитие заболеваний. Сегодня утащила для вас пост о том, как же заботиться о своих полезных бактериях, чтобы быть здоровым и живым.
Клетчатка
Клетчаткой называют сложные углеводы или пищевые волокна, которые не перевариваются организмом, но ферментируются бактериями кишечника. В наше время клетчатка — это доступный суперфуд, который доказано приносит организму человека много пользы.
Потребление клетчатки связано с низким риском развития заболеваний и смерти от разных болезней. Согласно результатам крупного мета-анализа опубликованного в журнале Lancet диета богатая волокнами снижает риск развития сердечно-сосудистых заболеваний, диабета 2 типа, колоректального рака и смертность от разных причин на 13–33%. Также отмечается положительное влияние потребления клетчатки на уровень холестерина и глюкозы в крови. При этом низкогликемическая диета имела более скромные результаты, чем диета богатая клетчаткой.
О влиянии клетчатки на вес ведутся споры. Систематические обзоры показывают, что организм быстрее насыщается при употреблении сложных углеводов, что может сказываться на общем количестве дневных калорий и помогать избавиться от веса. С другой стороны, во многих исследованиях используются добавки с клетчаткой, которые насыщают сильнее, чем пища.
Ежедневная норма клетчатки варьируется в разных странах. В США женщинам рекомендуется потреблять в день 25 грамм клетчатки, а мужчинам — 38. Британский институт питания рекомендует всем взрослым потреблять не менее 30 грамм ежедневно. Это, довольно, много.
Например, в средней груше содержится около 5 грамм, яблоке — 4,4, банане или апельсине — 3, вареном картофеле с кожицей — 4, чашке овсяной каши — 5. Для того чтобы следовать рекомендациям, каждый прием пищи должен содержать 8–10 грамм пищевых волокон.
Считать, сколько грамм клетчатки вы съели за день — сложно, так как в России на продуктах чаще всего указывают общее количество углеводов, а сколько из них клетчатки — остается неясным. Помочь в подсчете может пищевой дневник: запишите, какие продукты и в каком количестве вы съели за день, а в свободное время посмотрите в них долю клетчатки. Для этого можно использовать таблицу Канадского сообщества диетологов или базу данных по продуктам питания от журнала Self.
При переработке сложных углеводов некоторые бактерии производят жирные кислоты. Они питают клетки кишечника и поддерживают его защитные функции. Жирные кислоты влияют на выработку слизи (мукуса), которая является барьерным слоем между стенками кишечника и патогенными бактериями. Мукус защищает кишечник от перепада кислотности во время переваривания пищи.
Что интересно, разные виды клетчатки действуют на кишечник по-разному. Растворимые волокна вбирают воду и образуют гелеобразную субстанцию, которая помогает пище быстрее проходить через кишечник, уменьшая воздействие со стенками кишечника. Нерастворимые виды клетчатки не взаимодействуют с водой и только малая их часть переваривается бактериями. Однако такие волокна помогают формировать каловые массы.
Ежедневная норма клетчатки варьируется в разных странах. В США женщинам рекомендуется потреблять в день 25 грамм клетчатки, а мужчинам — 38. Британский институт питания рекомендует всем взрослым потреблять не менее 30 грамм ежедневно. Это, довольно, много.
Например, в средней груше содержится около 5 грамм, яблоке — 4,4, банане или апельсине — 3, вареном картофеле с кожицей — 4, чашке овсяной каши — 5. Для того чтобы следовать рекомендациям, каждый прием пищи должен содержать 8–10 грамм пищевых волокон.
Считать, сколько грамм клетчатки вы съели за день — сложно, так как в России на продуктах чаще всего указывают общее количество углеводов, а сколько из них клетчатки — остается неясным. Помочь в подсчете может пищевой дневник: запишите, какие продукты и в каком количестве вы съели за день, а в свободное время посмотрите в них долю клетчатки. Для этого можно использовать таблицу Канадского сообщества диетологов или базу данных по продуктам питания от журнала Self.
При переработке сложных углеводов некоторые бактерии производят жирные кислоты. Они питают клетки кишечника и поддерживают его защитные функции. Жирные кислоты влияют на выработку слизи (мукуса), которая является барьерным слоем между стенками кишечника и патогенными бактериями. Мукус защищает кишечник от перепада кислотности во время переваривания пищи.
Что интересно, разные виды клетчатки действуют на кишечник по-разному. Растворимые волокна вбирают воду и образуют гелеобразную субстанцию, которая помогает пище быстрее проходить через кишечник, уменьшая воздействие со стенками кишечника. Нерастворимые виды клетчатки не взаимодействуют с водой и только малая их часть переваривается бактериями. Однако такие волокна помогают формировать каловые массы.
Пребиотические — те виды клетчатки, которые приносят микробиоте наибольшую пользу. Именно этими видами в основном питаются бактерии кишечника, поэтому пребиотические продукты рекомендуют регулярно употреблять в пищу. К таким видам волокон относятся фруктоолигосахариды, олигофруктоза, инулин, бета-глюканы, галактоолигосахариды, изомальтоза, лактулоза, устойчивый крахмал, ксило- и арабиноолигосахариды.
Обычно в одном продукте может содержаться несколько видов пребиотиков. Заморачиваться и выбирать определенные пребиотические продукты, если вы не знаете состав своих бактерий, — не стоит. Чтобы получать все виды пребиотиков, достаточно иметь разнообразную диету и употреблять продукты богатые клетчаткой.
Если состав бактерий известен и вы знаете, что определенного рода бактерий у вас меньше, чем у здоровой популяции, — можно увеличить их численность, включая в диету продукты с пребиотиками, которыми этот род питается. Именно так устроен тест «Генетика микробиоты» от Атласа.
Спорт
Несколько исследований показали, что аэробные физические нагрузки положительно влияют на состав бактерий в кишечнике. К аэробным относятся любая физическая активность, для которой нужно расходовать много кислорода: бег, плавание, аэробика, лыжи, танцы, езда на вилосипеде.
Согласно результатам американского проекта по исследованию микробиоты (American Gut Project) люди, которые занимались чаще остальных, имели более разнообразный микробиом. В другой работе сравнивали бактерий кишечника элитных спортсменов в регби и людей с сидячим образом жизни. Выяснилось, что у профессиональных спортсменов выше представленность Akkermansia muciniphila — бактерии, которая связана с низким индексом массы тела.
Исследования на животных тоже подтверждают связь между физической активностью и здоровьем кишечника. У крыс, которые любили бегать, концентрация масляной кислоты и представленность производящих ее бактерий были больше, чем у пассивных сородичей.
В другом исследовании сравнивали микробиоту людей со схожими диетами, но разным уровнем физической активности. Для измерения уровня спортивной подготовки у участников замерили максимальное потребление кислорода (VO2 max) — значение, которое используют для измерения выносливости. Оказалось, что чем выше у человека была способность потреблять кислород, тем разнообразнее был его микробиом.
Механизм влияния спорта на микробиоту остается неясным. Известно, что упражнения на выносливость сильно влияют на окислительный стресс, проницаемость кишечника, повреждение мышц и иммунные реакции, в которых принимает участие и микробиота.
Всемирная организация здравоохранения рекомендует выполнять не менее 150 минут упражнений средней интенсивности или не менее 75 минут занятий на выносливость в неделю.
Гигиена
Антибактериальные средства гигиены часто содержат триклозан, которое негативно влияет на здоровье микробиоты. Исследование на мышах показало, что это вещество повышает риск развития язвенного колита и опухолей в кишечнике.
Ученые отмечают, что причиной этого могут быть антибактериальные свойства триклозана: у мышей из-за его воздействия сократилось разнообразие и представленность полезных родов бактерий, таких как Bifidobacterium.
При этом разницы в эффективности между обычным и антибактериальным мылом — нет. Оба хорошо удаляют загрязнения и одинаково сокращают риски заболеваний. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) запретило добавлять триклозан и 18 других антибактериальных компонентов в мыло в 2017 году. Однако остались и другие соединения, которые не попали под запрет.
Если подмываться обычным мылом, баланс микробиоты, скорее всего, не нарушится, но лучше выбрать мягкое очищающее средство, которое не будет смывать естественные жиры. А вот без клизмы лучше обойтись. Эта процедура вымывает микробиоту и защитную слизь кишечника.
В следующей статье мы узнаем, как на состав бактерий кишечника влияют лекарства.
Если вы профи в своем деле — покажите!
Такую задачу поставил Little.Bit пикабушникам. И на его призыв откликнулись PILOTMISHA, MorGott и Lei Radna. Поэтому теперь вы знаете, как сделать игру, скрафтить косплей, написать историю и посадить самолет. А если еще не знаете, то смотрите и учитесь.
Микробиота. Как бактерии кишечника влияют на заболевания
В прошлом посте Вы могли узнать, как работает микробиота и какие бактерии живут в кишечниках россиян. Сегодня делимся информацией, как некоторые заболевания тесно связаны со здоровьем кишечника.
Бактерии вокруг нас
Обычаи поддержания чистоты тела и дома существовали почти во все времена (исключение составляет Средневековье, но мы помним, к чему привела в итоге антисанитария той эпохи). И это было не случайным. Во многих культурах понятие физической чистоты связано со здоровьем и красотой, хотя о существовании микроорганизмов узнали лишь в 17 веке, а слово Bacterium появилось в 19 веке. Кажется, люди интуитивно понимали, что человеку нужно поддерживать чистоту, просто не знали, какой механизм за этим скрывается.
Сегодня мы знаем, что мыть руки перед едой нужно, чтобы избавиться от патогенных организмов и снизить вероятность заболеваний. Мы принимаем душ, чистим зубы, моем посуду, полы — все это для того, чтобы избежать вредного действия бактерий, будь то неприятный запах или развитие инфекции.
Но не так давно выяснилось, что чрезмерная чистота тоже вредит: иммунная система слабеет, если реже сталкивается с разными видами бактерий, а горячая вода разрушает защитный жировой слой кожи и ее микробиом, из-за чего она хуже справляется со своими функциями. Ученые пришли к выводу, что бактерии — важная часть нашей жизни. Они поддерживают функции наших органов, но в тоже время могут и навредить.
Сейчас достаточно исследований, чтобы оценить, как микробиота кишечника связана с сахарным диабетом 2 типа, атеросклерозом, ожирением, язвенным колитом и болезнью Крона. Про них мы сейчас и расскажем.
Ожирение
Ожирение — состояние, при котором количество жировой ткани в теле человека превышает норму. Оценивают количество лишнего веса по индексу массы тела человека. Признак лишнего веса — индекс 25, а ожирения — 30. Проверить свой ИМТ можно с помощью калькулятора. ИМТ подходит не всем. Например, при мускулистом телосложении он тоже будет высоким, поэтому, чтобы оценить полную картину, дополнительно могут измерять талию.
Ожирение может приводить к метаболическому синдрому, атеросклерозу, диабету 2 типа, высокому кровяному давлению, некоторым видам рака и другим опасным заболеваниям и состояниям. Главной причиной набора веса считается потребление калорий, которые не расходуются организмом, а запасаются в виде жировой ткани.
Микробиота участвует в метаболизме веществ. Это выяснилось из нескольких наблюдений. Во-первых, микробиота худых людей отличается от людей с ожирением. Во-вторых, если пересадить микробиоту толстой мышки другой, которая выросла в стерильной среде без бактерий, вторая начнет стремительно набирать вес. Также если пересадить микробиоту полного человека стерильной мышке, она тоже будет набирать вес.
Есть данные, что диета с высоким содержанием углеводов способствует развитию такого типа микробиома, при котором организм получает больше энергии из еды, что повышает риск ожирения и нарушения метаболизма. В этом нам, вероятно, помогают бактерии отдела Firmicutes.
Они расщепляют пищевые волокна и добывают из еды больше энергии, чем остальные, что может повышать риск ожирения. Но, как мы писали в прошлой статье, исследования дают смешанные результаты. Иногда у людей с ожирением выше представленность другого отдела, который связан с западным типом питания.
Предполагается, что при диетах с высоким содержанием жиров происходит распад бактериальных клеток, и в кровь попадает большое количество липополисахаридов (останков мертвых бактерий), что приводит к слабому воспалению и увеличивает риск ожирения.
Исследование с участием близнецов показало, что менее разнообразный микробиом связан с набором лишнего веса, и наоборот, разнообразный состав бактерий снижает вероятность ожирения. При этом разнообразие положительно коррелировало с потреблением клетчатки в рационе.
Еще есть несколько бактерий, которые защищают человека от ожирения — Akkermansia muciniphila и Christensenella. Про первую мы писали в прошлой статье, а вторая интересна тем, что она из всех других родов наиболее часто передается по наследству.
Сегодня для борьбы с ожирением и лишним весом пациенту могут предложить пересадку микробиоты. В основном эту процедуру делают в зарубежных клиниках, так как в России ее пока проводят в экспериментальном режиме.
Сахарный диабет 2 типа
Диабет 2 типа — хроническое заболевание, при котором организм не может справиться с поступающей глюкозой. Когда глюкоза попадает в кровоток, гормон инсулин помогает перенести ее в клетки, а остатки запасает в виде гликогена. При сахарном диабете 2 типа развивается устойчивость к инсулину: организм перестает на него реагировать и глюкоза не доходит до клеток, а остается в кровотоке.
Избыточное количество глюкозы в крови может приводить к повреждению нервов, почек, глаз, высокому кровяному давлению, атеросклерозу и другим болезням сердца и сосудов. Один из главных факторов развития сахарного диабета 2 типа — ожирение. Предполагается, что клетки брюшного жира высвобождают провоспалительные вещества, из-за которых организм становится менее чувствительным к инсулину.
Согласно исследованиям, микробиота людей с диабетом 2 типа содержит меньшую представленность родов отдела Firmicutes. Этот отдел как раз главный по переработке клетчатки и производству масляной кислоты. Также в микробиоте людей с диабетом 2 типа обнаружено больше патогенных и условно-патогенных микроорганизмов, таких как Bacteroides caccae, Clostridium hathewayi, Clostridium ramosum, Clostridium symbiosum, Eggerthella lenta и Escherichia coli (кишечная палочка).
Что интересно, не все виды клетчатки снижают риск диабета 2 типа. Мета-анализ 9 крупных исследований показал, что риск был на 33% ниже у придерживающихся именно цельнозерновой диеты. У тех, кто потреблял преимущественно овощи и фрукты, риск не менялся.
Фрукты и овощи содержат в основном водорастворимые виды клетчатки, в то время как злаки — нерастворимые. Объяснить, почему именно нерастворимые виды клетчатки снижают риск диабета сложно. Возможно это связано с тем, что овощи и фрукты содержат гораздо больше простых сахаров, чем злаки.
Есть еще одно интересное предположение. В нескольких исследованиях отмечается положительная связь между белковой диетой и риском развития диабета 2 типа. Ученые предположили, что нерастворимая клетчатка может влиять на всасываемость белка в организме. И, кажется, это так. Исследование на людях с ожирением с измерением различных биомаркеров в кале и моче показало, что животный белок хуже всасывается в тонком кишечнике при добавлении в диету злаковых волокон.
Атеросклероз
Атеросклероз — состояние, при котором в сосудах образуются отложения холестерина. Эти бляшки препятствуют нормальному поступлению крови к мозгу и сердцу, что может приводить к ишемической болезни сердца и инсульту.
Одна из главных причин атеросклероза — высокие уровни холестерина и триглицеридов в крови, к которым приводит диета богатая насыщенными жирами. Микробиота может влиять на уровни этих веществ, тем самым повышая или понижая риск развития атеросклероза.
Механизмы, опять же, неясны (вы, наверное, поняли, что самое слабое место исследований — найти причинно-следственную связь), но есть несколько интересных предположений. Некоторые бактерии могут синтезировать желчные кислоты, которые всасываются кишечником и через рецепторы влияют на метаболизм глюкозы и жиров.
Сравнение микробиома здоровых людей и людей с атеросклерозом, показало, что у первых выше представленность бактерий Roseburia и Eubacterium (подробнее о бактериях читайте в предыдущей статье), а представленность Collinsella — ниже. Также согласно исследованиям бактерия Akkermansia muciniphila улучшает барьерную функцию кишечника и влияет на защищенность от атеросклероза.
В другом исследовании отмечается, что у людей с атеросклерозом выше представленность таких патогенных бактерий, как Escherichia coli, Klebsiella spp и Enterobacter aerogenes. Ruminococcus gnavus — бактерия, которая связана с воспалениями кишечника и низким разнообразием микробиоты, тоже была выше среди группы людей с атеросклерозом. Отмечается, что микробиота людей с атеросклерозом менее сбалансирована и разнообразна в сравнении со здоровой группой.
Воспалительные заболевания кишечника
Воспалительные заболевания кишечника (ВЗК) — хронические воспаления желудочно-кишечного тракта, к которым относится болезнь Крона и язвенный колит. При этих заболеваниях клетки иммунной системы атакуют здоровые ткани кишечника, что приводит к воспалению, кровотечению и образованию язв. Синдром раздраженного кишечника не относится к этой группе заболеваний.
Главное отличие между заболеваниями в том, что язвенный колит развивается только в кишечнике, тогда как болезнь Крона может проявиться в любом органе желудочно-кишечного тракта. Воспалительные заболевания кишечника могут приводить к другим опасным состояниям, например раку толстой кишки.
Бактерии кишечника производят метаболиты, которые участвуют в иммунных реакциях и формировании среды. Например, масляная кислота может регулировать клетки иммунитета Т-киллеры и запускать антибактериальных функций макрофагов, что защищает от образования язв. Согласно исследованиям образцы кала пациентов с ВЗК содержали меньше масляной кислоты, а микробиота — меньше бактерий, которые ее производят.
Ученые также отмечают, что у людей с ВЗК представленность бактерий Roseburia hominis, Dorea formicigenerans и Ruminococcus obeum меньше, и в целом их микробиота менее разнообразная в сравнении со здоровой популяцией. В кишечнике людей с ВЗК наблюдается избыток желчных кислот, которые участвуют в иммунном ответе организма. При этом менее разнообразная микробиота не может производить достаточное количество многих других важных метаболитов. Это может быть одной из причин, почему клетки иммунитета начинают разрушать здоровые ткани организма.
Для лечения язвенного колита и болезни Крона могут использовать пробиотические бактерии, которые поддерживают баланс микробиоты, укрепляют защитные функции слизистого слоя и замедляют отмирание клеток кишечника. Также в данный момент активно изучается применение пересадки микробиоты для лечения воспалительных заболеваний кишечника.
Читайте в следующей статье, как заботиться о бактериях: чем их кормить, от чего оберегать и зачем заниматься спортом.
Взято отсюда: