Tuvojoties gada beigām, šķiet, ka ir pienācis laiks atkal apsēsties, salocīt rokas, dziļi elpot un apskatīt dažus zinātnisko rakstu virsrakstus, kuriem mēs, iespējams, agrāk neesam pievērsuši uzmanību. Zinātnieki pastāvīgi rada sava veida jaunus sasniegumus dažādās jomās, piemēram, nanotehnoloģijās, gēnu terapijā vai kvantu fizikā, un tas vienmēr paver jaunus apvāršņus.
Zinātnisko rakstu nosaukumi arvien vairāk atgādina zinātniskās fantastikas žurnālu stāstu nosaukumus. Ņemot vērā to, ko mums atnesa 2017. gads, atliek tikai cerēt, ko 2018. gads mums nesīs …
Zinātnieki ir izveidojuši laicīgus kristālus, kuriem laika simetrijas likumi nav piemērojami
Saskaņā ar pirmo termodinamikas likumu nav iespējams izveidot pastāvīgas kustības mašīnu, kas darbosies bez papildu enerģijas avota. Tomēr šī gada sākumā fiziķiem izdevās izveidot struktūras, kuras sauc par laicīgiem kristāliem, kas noteikti rada šaubas par šo tēzi.
Laika kristāli darbojas kā pirmie reālie jaunā matērijas stāvokļa, saukta par “nevienmērīgu līdzsvaru”, piemēri, kad atomiem ir mainīga temperatūra un tie nekad neatrodas termiskā līdzsvarā viens ar otru. Laika kristāliem ir atomu struktūra, kas atkārtojas ne tikai telpā, bet arī laikā, kas ļauj tiem uzturēt nemainīgas vibrācijas, nesaņemot enerģiju. Tas notiek pat stacionārā stāvoklī, kas ir zemākās enerģijas stāvoklis, kad kustība teorētiski nav iespējama, jo tas prasa enerģijas izmaksas.
Vai laika kristāli pārkāpj fizikas likumus? Stingri sakot, nē. Enerģijas saglabāšanas likums darbojas tikai sistēmās ar simetriju laikā, kas nozīmē, ka fizikas likumi visur un vienmēr ir vienādi. Tomēr laicīgie kristāli pārkāpj laika un telpas simetrijas likumus. Un ne tikai viņus. Arī magnēti dažreiz tiek uzskatīti par dabiskiem asimetriskiem objektiem, jo tiem ir ziemeļu un dienvidu stabi.
Reklāmas video:
Vēl viens iemesls, kāpēc laicīgie kristāli nepārkāpj termodinamikas likumus, ir tas, ka tie nav pilnībā izolēti. Dažreiz tie ir "jāstumj" - tas ir, lai dotu ārēju impulsu, pēc saņemšanas viņi jau atkal un atkal sāks mainīt savus stāvokļus. Iespējams, ka nākotnē šie kristāli atradīs plašu pielietojumu informācijas pārsūtīšanas un uzglabāšanas jomā kvantu sistēmās. Viņiem var būt kritiska loma kvantu skaitļošanā.
"Dzīves" spāres spārni
Merriam-Webster enciklopēdijā teikts, ka spārns ir pārvietojams spalvu vai membrānas papildinājums, ko putni, kukaiņi un sikspārņi izmanto, lai lidotu. Tam nevajadzētu būt dzīvam, taču Keele universitātes entomologi Vācijā ir izdarījuši dažus pārsteidzošus atklājumus, kas liek domāt citādi - vismaz dažiem spāres.
Kukaiņi elpo caur trahejas sistēmu. Gaiss iekļūst ķermenī caur atverēm, ko sauc par spirālēm. Pēc tam tas pārvietojas pa sarežģītu traheju tīklu, kas pārvadā gaisu uz visām ķermeņa šūnām. Tomēr paši spārni gandrīz pilnībā sastāv no atmirušajiem audiem, kas izžūst un vai nu kļūst caurspīdīgi, vai pārklāti ar krāsainiem rakstiem. Mirušo audu zonas caurvij vēnas, un tās ir vienīgās spārnu sastāvdaļas, kas ietilpst elpošanas sistēmā.
Tomēr, kad entomologs Rainers Guillermo Ferreira caur elektronu mikroskopu apskatīja vīriešu spāres Zenithoptera spārnu, viņš redzēja sīkas sazarotas trahejas caurules. Šī bija pirmā reize, kad kaut kas līdzīgs bija redzams kukaiņu spārnā. Būs jāveic daudz pētījumu, lai noteiktu, vai šī fizioloģiskā īpašība ir raksturīga tikai šai sugai, vai varbūt tā ir sastopama arī citās spāres vai pat citos kukaiņos. Ir pat iespējams, ka šī ir viena mutācija. Bagātīgais skābekļa daudzums var izskaidrot spilgtos, sarežģītos zilos modeļus spāres Zenithoptera spārnos, kas nesatur zilu pigmentu.
Senā ērce ar dinozauru asinīm iekšpusē
Mēs bieži atrodam pārsteidzošas lietas, kas saglabātas dzintara iekšpusē, taču šis gads mums ir piešķīris super balvu. Mjanmas zinātnieki ir atklājuši dzintara gabalus, kas ir 99 miljonus gadu veci un satur tādus parazītus kā mūsdienu ērces. Viens no tiem bija iepinies dinozauru spalvā, vēl divi tika atrasti dinozauru ligzdas gabalā, bet ceturtais tika atrasts piepildīts ar dinozauru asinīm.
Protams, tas lika cilvēkiem domāt par Jurassic Park scenāriju un iespēju izmantot asinis, lai uzreiz atjaunotu dinozaurus. Diemžēl tas nenotiks tuvākajā laikā, jo no atrastajiem dzintara gabaliem nav iespējams iegūt DNS paraugus. Diskusijas par to, cik ilgi var saglabāties DNS molekula, joprojām nav beigušās, taču pat pēc visoptimistiskākajiem aprēķiniem un visoptimālākajos apstākļos to kalpošanas laiks nepārsniedz vairākus miljonus gadu.
Bet, kaut arī ērce ar nosaukumu Deinocrotondraculi ("Briesmīgā Drakula") nepalīdzēja atjaunot dinozaurus, tas joprojām ir ļoti neparasts atradums, kas mums sniedza jaunas zināšanas. Tagad mēs zinām ne tikai to, ka senās ērces tika atrastas spalvu dinozauru vidū, bet arī to, ka tās pat inficēja dinozauru ligzdas.
Pieaugušo gēnu modifikācija
Mūsdienās gēnu terapijas virsotne ir “klasterizēta regulāri ar atstarpi īsos palindromiskos atkārtojumos” vai CRISPR (klasterizētie regulāri starpsezonu īsie palindromiskie atkārtojumi). DNS sekvenču saime, kas šobrīd veido CRISPR-Cas9 tehnoloģijas pamatu, teorētiski varētu mainīt cilvēka DNS uz visiem laikiem.
Gēnu inženierija 2017. gadā veica izšķirošu lēcienu uz priekšu - pēc tam, kad Pekinas Proteomikas pētījumu centra komanda paziņoja, ka tā ir veiksmīgi izmantojusi CRISPR-Cas9, lai likvidētu slimību izraisošās mutācijas dzīvotspējīgos cilvēka embrijos. Cita komanda no Fransisa Krika institūta Londonā devās pretējo ceļu un pirmo reizi izmantoja šo tehnoloģiju, lai apzināti izveidotu mutācijas cilvēku embrijos. (Jo īpaši viņi izslēdza gēnu, kas veicina embriju attīstību blastocistās.)
Pētījumi liecina, ka CRISPR-Cas9 tehnoloģija darbojas - un diezgan veiksmīgi. Tomēr tas ir izraisījis intensīvas ētiskas debates par to, cik tālu šo tehnoloģiju var izmantot. Teorētiski tas varētu novest pie "dizaineru bērniem", kuriem var būt intelektuālās, sportiskās un fiziskās īpašības atbilstoši vecāku norādītajām īpašībām.
Neskatoties uz ētiku, pētījumi gāja vēl tālāk šā gada novembrī, kad CRISPR-Cas9 pirmo reizi tika pārbaudīts pieaugušajam. Breds Maddu, 44 gadi, no Kalifornijas, cieš no Hantera sindroma - neārstējamas slimības, kas galu galā varētu viņu novest pie ratiņkrēsla. Viņam tika ievadīti miljardi koriģējošā gēna eksemplāru. Paies vairāki mēneši, pirms mēs varēsim noteikt, vai procedūra bija veiksmīga.
Kas nāca pirms tam - sūklis vai ķemmes želeja?
Ar jaunu zinātnisku ziņojumu, kas tika publicēts šogad, vajadzētu vienreiz un uz visiem laikiem izbeigt ilgstošās debates par dzīvnieku izcelsmi. Saskaņā ar pētījumu, sūkļi ir visu pasaules dzīvnieku "māsas". Tas ir saistīts ar faktu, ka sūkļi bija pirmā grupa, kas evolūcijas laikā atdalījās no visu dzīvnieku primitīvā senča. Tas notika pirms apmēram 750 miljoniem gadu.
Iepriekš notika karstas debates, kurās piedalījās divi galvenie kandidāti: iepriekšminētie sūkļi un jūras bezmugurkaulnieks, ko sauca par ctenoforiem. Kamēr sūkļi ir vienkāršākās radības, kas sēž okeāna dibenā un barojas, izlaižot un filtrējot ūdeni caur savu ķermeni, ķemmes želejas ir sarežģītākas. Tās atgādina medūzu, spēj pārvietoties ūdenī, var radīt gaismas modeļus un tām ir vienkārša nervu sistēma. Jautājums par to, kurš no viņiem bija pirmais, nozīmē jautājumu par to, kā izskatījās mūsu kopīgais sencis. Tas tiek uzskatīts par vissvarīgāko brīdi mūsu evolūcijas vēstures izsekošanā.
Kamēr pētījuma rezultāti drosmīgi pasludina, ka jautājums ir atrisināts, tikai dažus mēnešus iepriekš tika publicēts vēl viens pētījums, kurā teikts, ka mūsu evolūcijas "māsas" ir ktenofori. Tāpēc vēl ir pāragri apgalvot, ka jaunākos rezultātus var uzskatīt par pietiekami ticamiem, lai apspiestu jebkādas šaubas.
Jenoti izturēja seno izlūkošanas pārbaudi
Sestajā gadsimtā pirms mūsu ēras seno grieķu rakstnieks Ezops rakstīja vai savācis daudzas pasakas, kuras mūsdienās sauc par “Ezopa pasakām”. Starp tiem bija fabula ar nosaukumu "Vārna un krūze", kurā aprakstīts, kā izslāpis vārna iemeta oļus krūzē, lai paaugstinātu ūdens līmeni un varētu dzert.
Pēc vairākiem tūkstošiem gadu zinātnieki saprata, ka šī fabula apraksta labu veidu, kā pārbaudīt dzīvnieku intelektu. Eksperimenti parādīja, ka izmēģinājuma dzīvnieki saprata cēloni un sekas. Vārnas, tāpat kā viņu radinieki, grābekļi un džeki, apstiprināja fabulas patiesību. Pērtiķi arī izturēja šo pārbaudi, un jenoti tika pievienoti sarakstam šogad.
Pārbaudes laikā, pamatojoties uz Ezopa fabulu, astoņi jenoti saņēma ūdens traukus, uz kuru virsmas peldēja zefīri. Ūdens līmenis bija pārāk zems, lai to sasniegtu. Divi no subjektiem veiksmīgi iemeta akmeņus traukā, lai paaugstinātu ūdens līmeni un iegūtu to, ko vēlējās.
Citi testa subjekti atrada savus radošos risinājumus, kurus pētnieki nekad negaidīja. Viens no jenotiem tā vietā, lai iemestu akmeņus traukā, uzkāpa uz konteinera un sāka tam šūpoties no vienas puses uz otru, līdz tas apgāzās. Citā testā, akmeņu vietā izmantojot peldošās un grimstošās bumbiņas, eksperti cerēja, ka jenoti izmantos grimstošās bumbiņas un izmetīs peldošās. Tā vietā daži dzīvnieki sāka atkārtoti iegremdēt peldošo bumbiņu ūdenī, līdz pieaugošais vilnis pavirši zefīra gabaliņus uz sāniem, padarot tos vieglāk uztveramus.
Fiziķi izveido pirmo topoloģisko lāzeru
Kalifornijas Universitātes Sandjego fiziķi apgalvo, ka ir izveidojuši jauna veida lāzeru - "topoloģisko", kura stars var iegūt jebkuru sarežģītu formu bez gaismas izkliedes. Ierīce darbojas, pamatojoties uz topoloģisko izolatoru (materiāli, kas ir dielektriķi sava tilpuma iekšienē, bet vada strāvu gar virsmu) koncepciju, kas 2016. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā.
Parasti gaismas pastiprināšanai lāzeros tiek izmantoti gredzenveida rezonatori. Tie ir efektīvāki nekā asi stūra rezonatori. Tomēr šoreiz pētniecības grupa izveidoja topoloģisko dobumu, izmantojot fotonisko kristālu kā spoguli. Jo īpaši tika izmantoti divi fotoniski kristāli ar atšķirīgu topoloģiju, viens no tiem bija zvaigznes formas šūna kvadrātveida režģī, bet otrs bija trīsstūrveida režģis ar cilindriskiem gaisa caurumiem. Komandas loceklis Boubacar Kante viņus pielīdzināja bagelim un kliņģerim: lai arī viņi abi ir maize ar caurumiem, atšķirīgais caurumu skaits padara tos atšķirīgus.
Kad kristāli atrodas pareizajā vietā, stars iegūst vēlamo formu. Šo sistēmu kontrolē magnētiskais lauks. Tas ļauj mainīt gaismas izstarošanas virzienu, tādējādi radot gaismas plūsmu. To tieša praktiska izmantošana var palielināt optiskās saziņas ātrumu. Tomēr nākotnē tas tiek uzskatīts par soli optisko datoru izveidē.
Zinātnieki ir atklājuši eksitoniju
Fizisti visā pasaulē ir ļoti entuziasma pilni par jaunas matērijas formas, ko sauc par eksitoniju, atklāšanu. Šī forma ir kvazdaļiņu, eksitonu, kas ir brīvā elektrona un elektronu cauruma saistītais stāvoklis, kondensāts, kas veidojas sakarā ar to, ka molekula ir pazaudējusi elektronu. Turklāt Hārvardas teorētiskais fiziķis Berts Halperins paredzēja eksitonija eksistenci jau sešdesmitajos gados, un kopš tā laika zinātnieki ir mēģinājuši to pierādīt pareizi (vai nepareizi).
Tāpat kā daudzi nozīmīgi zinātniskie atklājumi, arī šajā atklājumā bija diezgan daudz sakritību. Ilinoisas universitātes pētnieku grupa, kas atklāja eksitoniju, faktiski apguva jaunu tehnoloģiju, ko sauc par elektronu staru enerģijas zudumu spektroskopiju (M-EELS) - kas īpaši izveidota eksitonu identificēšanai. Tomēr atklāšana notika, kad pētnieki veica tikai kalibrēšanas testus. Viens komandas loceklis ienāca telpā, bet visi pārējie skatījās uz ekrāniem. Viņi teica, ka viņi ir atklājuši "vieglu plazmonu", kas ir priekšnoteikums eksitona kondensācijas veidošanai.
Pētījuma vadītājs profesors Pīters Abbamont salīdzināja šo atklājumu ar Higsa bozonu - tam nebūs tieša pielietojuma reālajā dzīvē, taču tas parāda, ka mūsu pašreizējā izpratne par kvantu mehāniku ir uz pareizā ceļa.
Zinātnieki ir izveidojuši nanorobotus, kas iznīcina vēzi
Durhamas universitātes pētnieki apgalvo, ka ir izveidojuši nanorobotus, kas spēj noteikt vēža šūnas un nogalināt tās tikai 60 sekundēs. Veiksmīgā universitātes izmēģinājumā niecīgajiem robotiem vajadzēja vienu līdz trīs minūtes, lai ārējā membrāna iekļūtu vēža prostatas šūnā un nekavējoties to iznīcinātu.
Nanoroboti ir 50 000 reizes mazāki par cilvēka matu diametru. Tos aktivizē gaisma un griežas ar ātrumu no diviem līdz trim miljoniem apgriezienu sekundē, lai varētu iekļūt šūnu membrānā. Kad viņi sasniedz savu mērķi, viņi to var iznīcināt vai ievadīt tajā noderīgu terapeitisku līdzekli.
Līdz šim nanoroboti tika pārbaudīti tikai ar atsevišķām šūnām, taču iepriecinoši rezultāti ir pamudinājuši zinātniekus pāriet uz eksperimentiem ar mikroorganismiem un mazām zivīm. Nākamais mērķis ir pāriet pie grauzējiem un pēc tam uz cilvēkiem.
Starpzvaigžņu asteroīds varētu būt citplanētiešu kosmosa kuģis
Ir pagājuši tikai pāris mēneši, kopš astronomi laimīgi paziņoja par pirmā starpzvaigžņu objekta, kas iet caur Saules sistēmu, atklāšanu - asteroīdu ar nosaukumu Oumuamua. Kopš tā laika viņi ir novērojuši daudzas dīvainas lietas, kas notiek ar šo debesu ķermeni. Dažreiz tā izturējās tik neparasti, ka zinātnieki uzskata, ka objekts var izrādīties svešzemju kosmosa kuģis.
Pirmkārt, tā forma ir satraucoša. Oumuamua ir cigāra forma ar garuma un diametra attiecību desmit pret vienu, kas nekad nav novērots nevienā no novērotajiem asteroīdiem. Sākumā zinātnieki domāja, ka tā ir komēta, bet tad saprata, ka tā nav, jo objekts, tuvojoties Saulei, neatstāja aiz tās asti. Turklāt daži eksperti apgalvo, ka objekta rotācijas ātrumam vajadzēja iznīcināt jebkuru parasto asteroīdu. Var rasties iespaids, ka tas ir īpaši izveidots starpzvaigžņu ceļojumiem.
Bet, ja tas būtu izveidots mākslīgi, tad kas tas varētu būt? Daži saka, ka šī ir svešzemju zonde, citi uzskata, ka tas var būt kosmosa kuģis, kura dzinēji ir nepareizi darbojušies, un tagad tas peld pa kosmosu. Jebkurā gadījumā tādu programmu kā SETI un BreakthroughListen dalībnieki uzskata, ka Oumuamua nepieciešama papildu izpēte, tāpēc viņi mērķē savus teleskopus uz viņu un klausās visus radiosignālus.
Kamēr svešzemju hipotēze nav nekādā veidā apstiprināta, sākotnējie SETI novērojumi nekur nav veduši. Daudzi pētnieki joprojām ir pesimistiski noskaņoti attiecībā uz iespējām, ka objektu varētu radīt citplanētieši, taču jebkurā gadījumā pētījumi tiks turpināti.