Разные разности

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Изопрен, ненасыщенный углеводород с формулой С₅Н₈, интересен не только нам с вами. Напомню, что это мономер, из которого природа делает натуральный каучук, а химики — синтетический. Однако изопрен еще и оружие, которым пользуются растения, защищаясь от хищников.

Ученые давно подметили, что растение, впавшее в депрессию из-за засухи, жары или атаки насекомых, начинает выделять различные вещества, в том числе летучий изопрен. Его роль была не очень понятна. Точнее, уже известно, что изопрен защищает от жары, засухи и озона. Поэтому ели, дубы и тополя при высоких температурах выделяют этот углеводород. Однако исследователи из Университета штата Мичиган предположили, что этим роль изопрена не ограничивается. Что этот углеводород, вероятно, работает еще и как химическое оружие. Но эту гипотезу надо было проверить.

Объектом исследования стали растения табака. Природа не наделила их способностью вырабатывать изопрен. Возможно, поэтому табак так нагло жрут насекомые. Контрольной группой стал обычный табак, экспериментальной — генетически модифицированный, который обрел способность выделять летучий изопрен.

Затем исследователи на растениях обеих групп стали выращивать гусениц табачного бражника — злейшего врага табака. Кроме того, они наблюдали еще за одним типом вредителей растений — белокрылками, которые не пропускают вкусные листья табака.

И вот результат. Гусеницы, выращенные на табачных растениях, выделяющих изопрен, росли медленно по сравнению с их сородичами из контрольной группы. Если гусеницам давали возможность выбрать, что есть, они однозначно выбирали табак без изопрена.

Как же работает изопрен? Оказалось, что дело вовсе не в том, каков он на вкус. Детальный анализ ситуации на клеточном уровне показал, что изопрен активирует гены естественных защитных веществ растений. И растения начинают усиленно вырабатывать растительный гормон жасмоновую кислоту, которая, как известно, отпугивает насекомых. Если листья были механически повреждены, то есть надкушены, то растение вырабатывало больше изопрена и, соответственно, больше жасмоновой кислоты.

Интересно, что точно такой же процесс ученые смогли запустить и у обычных растений табака, не подвергшихся стрессу: их просто окуривали изопреном.

Конечно, производство защитных веществ, таких как изопрен и жасмоновая кислота, требует больших затрат энергии. И чем больше ресурсов тратит на это растение, тем меньше оно может вложить в свой рост. Но тут уж не до роста, если речь идет о выживании.

В общем, как всегда, надо найти разумный компромисс между ростом и защитой. И растения его находят! Так что нет сомнения, что и человек сможет воспользоваться этой технологией, чтобы уменьшить применение пестицидов на полях (Science Advances).

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Все сырье, которым питается наша промышленность, минеральное и органическое, мы берем из земли. В данном случае поговорим о тяжелых металлах, которые извлекают горняки из недр в виде минералов. Горнодобывающая и обрабатывающая промышленность отнюдь не безопасны для биосферы. После того как породы, содержащие тяжелые металлы, вытаскивают на свет божий, они могут сохраняться и накапливаться в глинистых и органических слоях почвы в течение десятилетий.

Это загрязнение почвы опасно для человека, потому что ядовитые вещества влияют на биоразнообразие, ставят под угрозу качество воды и снижают урожайность сельскохозяйственных культур. Не говоря уже о том, что тяжелые металлы накапливаются в растениях и в мясе животных.

Ученые решили оценить масштаб проблемы. Команда под руководством Дейи Хоу из Университета Цинхуа в Пекине собрала данные 1493 региональных исследований, в которых были изучены 796 084 образца почвы, а затем проанализировала этот массив данных с помощью искусственного интеллекта.

Анализ показал, что 14–17% пахотных земель во всем мире, а это около 242 миллионов гектаров, загрязнены как минимум одним токсичным металлом. Предельно допустимые концентрации превышены почти в 7% всех почв мира. Ученые также подсчитали, что в таких зонах повышенного риска живут от 0,9 до 1,4 млрд человек.

Согласно исследованию, наиболее распространен кадмий. Избыток этого металла в сельскохозяйственных почвах более высок в Северной и центральной Индии, Пакистане, Бангладеш, Южном Китае, на юге Таиланда и Камбоджи, в Иране, Турции, Эфиопии, Нигерии, Южной Африке, Мексике и на Кубе.

Кадмий, разумеется, не единственный. Никель, хром, мышьяк и кобальт также превышают допустимые уровни в разных регионах. Особенно сильно загрязнен металлами трансконтинентальный «коридор», простирающийся от Южной Европы через Ближний Восток и Южную Азию до Южного Китая. На этой территории, начиная с бронзового века, греки, римляне, персы и другие ранние культуры интенсивно добывали полезные ископаемые, которые рассеивались ветром и водой. В этом регионе осадков сравнительно немного, поэтому из почвы металлы плохо вымывались.

Таким образом, исследователи впервые суммировали глобальный риск, связанный с тяжелыми металлами и полуметаллами (Science).

Это своего рода научное послание обществу о том, что необходимо немедленно принять меры для защиты и сохранения ценных почв, этого важнейшего мирового ресурса. Как мы видим, спрос на эти металлы растет по мере развития технологий, так что их отрицательное воздействие на почву будет только нарастать.

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Человечество пьет кофе многие сотни лет. Правда, интерес к этому напитку то разгорался, то затухал. Например, в Европе его чрезвычайно ценили до XVIII века. А потом кофе впал в немилость — посчитали, что это вредный напиток. И только в ХХ веке он вновь стал популярен. В конце концов, когда вред кого-то останавливал? Сегодня кофе регулярно пьют более миллиарда человек.

Вредный напиток или полезный — это могут определить только ученые в результате соответствующих исследований. Как я уже говорила, сегодня кофе исследуют тщательно и с пристрастием. И мы видим, как накапливаемые данные неуклонно склоняют чашу весов в сторону несомненной пользы напитка.

Благодаря ученым мы уже знаем, что употребление кофе снижает риск сердечно-сосудистых заболеваний и диабета второго типа, а также риск смерти от различных причин, в частности от заболеваний системы кровообращения и проблем с пищеварительной системой. Кроме того, кофе положительно влияет на функцию печени, на обмен веществ и иммунную систему.

Но вот вопрос — когда лучше пить кофе? Утром? Днем? Вечером? Казалось бы, бессмысленный вопрос — когда хочу, тогда и пью. И тем не менее он стал предметом исследования ученых.

Это было статистическое исследование. Ученые из Тулейнского университета в Новом Орлеане проанализировали данные 1990-х годов о состоянии здоровья и питании более 40 тысяч человек, хранившиеся в различных базах. В них, в частности, содержались ответы на вопросы, пьете ли вы кофе, сколько и когда. Эти сведения ученые сопоставили с записями о смертельных случаях и причинах смерти в течение последующих десяти лет представителей этой выборки.

Оказалось, что у тех, кто пил кофе по утрам, была самая низкая общая смертность. Наибольшую пользу для выживания получили люди, которые выпивали по две чашки кофе утром. Ученые сделали вывод, что у тех, кто пьет кофе по утрам, на 31% меньше шансов умереть от сердечно-сосудистых заболеваний и на 16% меньше шансов умереть от любой причины. Это в сравнении с теми, кто пьет кофе в течение дня или вообще не пьет (European Heart Journal).

Странно выглядит, правда? При чем здесь утренний кофе и риск смертности от разных причин? Может, это просто корреляция, и никакой причинно-следственной связи нет? Correlation is not causation, как говорят ученые. Не исключено. Однако ученые полагают, что связь все же есть.

Одно из возможных объяснений состоит в том, что употребление кофе днем или вечером может нарушить циркадный ритм, который связан с временем суток и уровнем гормонов, таких как мелатонин. А это, в свою очередь, приводит к изменениям сердечно-сосудистых факторов риска, таких как воспаление и артериальное давление. Таким образом, побочные эффекты от употребления кофе в конце дня могут компенсировать положительные эффекты от утреннего кофе.

Так это или не так — покажут дальнейшие исследования. Что же касается времени употребления кофе, то наука накопила обширные доказательства того, что употребление кофе, особенно в утренние часы, с высокой долей вероятности полезно для здоровья. Так что, дорогие друзья, кто пьет свой кофе по утрам, тот поступает мудро!

Три истории про кофе

Кофе и его главный волнующий компонент кофеин остаются одним из самых любимых объектов исследования. Очень удобно, потому что в лаборатории всегда будет кофе. Его исследуют по всему миру, в разных университетах и с самыми разными целями. В этом номере публикуем три истории про кофе:

История первая. Кофе и пчелы.
История вторая. Кофе и муравьи.
История третья. Кофе и мы.

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Именно на этих насекомых ученые исследовали влияние кофеина на память. Да мы как будто и так знаем, что чашка кофе стимулирует умственные способности. Однако это субъективный опыт, и хорошо бы подтвердить его в независимых и однозначных экспериментах.

Объектом исследования выбрали аргентинского муравья Linepithema humile, который расселился по всему миру. А гипотеза была такая. Если кофеин улучшает память, то муравей, наевшись кофеина вместе со сладкой приманкой, лучше запомнит дорогу к ней, чтобы вернуться.

Эксперимент, поставленный в Регенсбургском университете, выглядел так. На лист бумаги исследователи нанесли несколько сладких капель в разных местах. В одной, контрольной, был просто сладкий раствор, в другой помимо сахара содержалось немного кофеина, в третьей — побольше кофеина, в четвертой — очень много кофеина, почти в ядовитой концентрации.

Муравьи могли попасть на эту бумажную платформу по мостику, который примыкал к их гнезду. Муравей, нашедший сладкую каплю, напивался и бежал домой, чтобы освободиться от добычи и вернуться за ней вновь. Но исследователи, пока муравья не было, заменяли лист бумаги на новый, точно такой же. Все капли находились на прежних местах, только на самом листе уже не было запаховых следов, оставленных муравьем. Теперь ориентироваться в пространстве он мог только по памяти. И она его не подвела.

Оказалось, что если муравей в первом забеге нашел каплю с небольшим или средним содержанием кофеина, то найти ее во второй раз не составляло труда. Он несся к кофеиновой капле буквально по прямой. Если сравнивать с контролем, когда муравей возвращался к обычной сладкой капле без кофеина, то кофеиновую каплю муравей находил на 30–40% быстрее (iScience).

Интересно, что большое количество кофеина не влияло на память муравья, скорее даже отшибало ее, поскольку концентрация была практически ядовитой. Вот так с помощью муравьев было доказано, что кофеин действительно улучшает память.

Три истории про кофе

Кофе и его главный волнующий компонент кофеин остаются одним из самых любимых объектов исследования. Очень удобно, потому что в лаборатории всегда будет кофе. Его исследуют по всему миру, в разных университетах и с самыми разными целями. В этом номере публикуем три истории про кофе:

История первая. Кофе и пчелы.
История вторая. Кофе и муравьи.
История третья. Кофе и мы.

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Если вы думаете, что только люди любят кофе, то глубоко заблуждаетесь. Кофеин очень любят пчелы. Из предлагаемых напитков пчелы выберут тот, в котором есть кофеин. Похоже, об этом знают растения и используют эту пчелиную слабость в своих интересах.

На самом деле отношения между растениями и медоносными пчелами основаны на сотрудничестве. Растения привлекают пчел, чтобы они переносили пыльцу с цветка на цветок и тем самым опыляли их, то есть помогали размножению. В награду за эту работу трудолюбивые насекомые получают сладкий нектар. Он дает насекомым энергию и служит сырьем, из которого пчелы делают мед.

Понятно, что пчелы ищут цветочки, в которых побольше нектара и сам нектар погуще, то есть в нем много сахара. А как быть тем цветочкам, у которых нектара мало и он жидковат? Что, их никто не опылит? И тут растения идут на подлог, или обман, или хитрость. Они добавляют в свой нектар кофеин, чтобы заманить опылителя.

Вот так растения вынуждают пчел собирать некачественный нектар. Но пчелы об этом не догадываются. Пища с кофеином кажется им совершенно фантастической. Потому что кофеин действует как наркотик и вводит пчел в заблуждение по поводу качества нектара.

Ученые, возглавляемые биологом Маргарет Кувийон из Университета Сассекса, смоделировали эту ситуацию и предложили пчелам на выбор растворы сахара, которые либо содержали кофеин в природных количествах, либо содержали только сахар. Экспериментальные пчелы однозначно отдавали предпочтение тем сладким растворам, где был кофеин.

От употребления этого раствора им становилось так хорошо, что они пускались в пляс, а именно — энергично дергали хвостиком брюшка, давая понять своим сородичам, что знают волшебное место, где есть вкусненькое. Под кофеином пчелы танцевали в четыре раза больше, чем без кофеина. (Current Biology).

Вот так растения химичат и манипулируют пчелами — подсовывают им более бедный нектар, в который добавлено немного кофеина. Но тут главное не увлекаться, иначе производство меда упадет и пчелиным семьям будет угрожать вымирание. А это точно не в интересах растений. Природе нужен баланс.

Кстати, кофеин в нектаре — не единственная приманка. Соль в нектаре – это вообще настоящая бомба. Но об этом я уже рассказывала.

Три истории про кофе

Кофе и его главный волнующий компонент кофеин остаются одним из самых любимых объектов исследования. Очень удобно, потому что в лаборатории всегда будет кофе. Его исследуют по всему миру, в разных университетах и с самыми разными целями. В этом номере публикуем три истории про кофе:

История первая. Кофе и пчелы.
История вторая. Кофе и муравьи.
История третья. Кофе и мы.

…лишь 1,5% генов в геноме человека кодируют белки, остальные 98,5% содержат некие инструкции, как это делать, поэтому при анализе генетических заболеваний нужно изучать полный геном (Nature)…

…морщины на пальцах, возникающие при длительном пребывании в воде, каждый раз формируют одну и ту же картину, столь же индивидуальную, как и отпечатки сухих пальцев (Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials)…

…на древнеримском кладбище в Йорке наши скелет молодого человека, предположительно гладиатора, которого загрыз лев (PLoS One)…

…использование искусственного интеллекта при подготовке научных статей нарастает лавинообразно, причем ученые об этом не сообщают (Nature)…

…проверка шестидесяти случайно отобранных работ бразильских ученых по биологии и медицине показала, что критериям воспроизводимости соответствуют лишь двенадцать (Nature)…

…если заглушить группу нейронов в гипоталамусе, то можно избавиться от диабета второго типа без изменения диеты и образа жизни (Journal of Clinical Investigation)…

…клетки облученной и гибнущей опухоли вырабатывают вещества, которые помогают лучше расти метастазам, не попавшим под действие радиации (Nature)…

…потребление углеводов из цельного зерна, орехов, овощей и фруктов повышает вероятность здоровой старости на 6–37%, а углеводов из очищенного сахара, картофеля и обработанного зерна, например белой муки, снижает на 13% (JAMA Network Open)…

…метановые облака в Северном полушарии Титана поднимаются на высоту почти в четыре раза выше, чем водяные облака на Земле (Nature Astronomy)…

…каждый четвертый ребенок в США живет с родителем, у которого есть чрезмерное пристрастие к алкоголю и наркотикам, а у 8% детей в возрасте до 18 лет один из родителей имеет еще и проблемы с психическим здоровьем (JAMA Pediatrics)…

…бабочки в полете постоянно изменяют угол наклона своего тела, чтобы как можно дольше парить между редкими взмахами крыльев, отчего направление их движения становится непредсказуемым (Physics of Fluids)…

…с помощью дорожных камер наблюдения можно оценивать интенсивность дождя и прогнозировать вероятность стихийного бедствия в режиме реального времени (Environmental Science and Ecotechnology)…

…нобелевские лауреаты, которые часто меняли место работы, совершали свое главное открытие на 2 года раньше, чем их коллеги-домоседы (International Economic Review)…

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Дождевые черви живут повсюду, где есть почва. Это их дом. В прежние времена в Москве их было видимо-невидимо. Стоило пройти дождю, как на тротуары выползали эти розовые шнурки. И буквально шагу нельзя было сделать, чтобы на них не наступить. А теперь все не так. Видимо, территория Москвы стала непригодной для жизни червяков тоже.

Они, конечно, совсем не красавцы и даже неприятные существа, но зато невероятно полезные и значимые для природы. Потому что плодородие почвы — это их рук дело. Они неустанно копают землю, тем самым разрыхляя почву и освобождая место для воды и корней растений. Вносят в почву органические вещества, тем самым играя важную роль в круговороте веществ в природе, стимулируют выработку благоприятных гормонов в растениях и защищают их от болезнетворных микроорганизмов.

Даже из этих общих слов понятно, что польза дождевых червей для сельского хозяйства велика. Но насколько велика? Можно ли оценить ее в цифрах?

Ученые собрали данные о распространении и численности дождевых червей в сельскохозяйственных районах мира, о характеристике почв и урожайности культур. Исследователи сосредоточили внимание на особенно важных культурах — рисе, кукурузе, пшенице и ячмене, а также на соевых бобах, горохе, нуте и чечевице.

Расчеты показали, что в глобальном масштабе на долю дождевых червей приходится около 6,5% зерновых культур и 2,3% бобовых. Если говорить о продуктах питания, то вклад дождевых червей эквивалентен 140 млн тонн продовольствия в год.

Причем роль дождевых червей более весома и значима на глобальном Юге, чем на Севере: в странах Африки к югу от Сахары, где используют мало удобрений, черви обеспечивают даже 10% урожайности зерновых, а в Латинской Америке — 8% (Nature Communication).

Впрочем, помимо дождевого червя в почве живут и другие полезные обитатели. Но пока почва — это все еще огромный черный ящик, таинственное подполье, которое мы не совсем понимаем.

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Как получилось, что Аральское море в Средней Азии, которое до 1960-х годов было четвертым по величине соленым озером в мире, почти высохло? Тут мы опять сталкиваемся с влиянием человека на природу. Примерно с X тысячелетия до н.э. и до 1960-х годов уровень Аральского озера был относительно постоянным благодаря Амударье и Сырдарье, которые щедро питали его водой. Но с 1960-х годов уровень воды в Аральском море начал непрерывно падать, потому что Амударья и Сырдарья становились менее полноводными. Много воды из рек отбирали на ирригацию сельхозугодий, хлопковые поля требовали интенсивного орошения.

К 1980 году в летние месяцы обе реки полностью пересыхали раньше, чем добирались до Аральского моря. Объем озера начал стремительно сокращаться из-за испарения и недостаточного притока воды.

В результате в период с 1960 по 2018 год площадь поверхности Аральского моря уменьшилась примерно на 90%, а его объем — на 94%. С тех пор озеро потеряло около 1000 км³ воды. Осталась большая соленая пустыня в Казахстане и Узбекистане, а также два небольших остаточных озера на северной и западной оконечностях того, что когда-то было морем.

На протяжении тысячелетий содержимое Аральского моря, а это 1000 гигатонн, давило на поверхность Земли, заставляя ее прогибаться под тяжестью. Но оказалось, что деформация земной коры обратима.

Группа ученых-геологов из Пекинского университета и Южного научно-технического университета в Китае, а также исследователь из Университета Южной Калифорнии в США, используя спутниковую систему InSAR, обнаружили, что бывшее дно Аральского моря медленно поднимается. Спутниковый радар способен измерять высоту поверхности с точностью до миллиметра. Оказывается, дно Аральского моря поднимается на 7 мм в год.

На самом деле этот процесс, правда, в более слабой форме, охватывает большую территорию вокруг бывшего моря. Ученые выяснили, что земля движется даже на расстоянии 500 км от моря.

Более того, моделирование показало, что дно Аральского моря продолжит подниматься. И в целом механизм этого процесса выглядит так. Породы под Аральским морем на глубине 130–190 км ведут себя как очень густая, вязкая жидкость. Эта вязкая порода лежит под более твердой литосферой. Когда море было полноводным, то под тяжестью воды вязкая порода была выдавлена на глубину. Когда же нагрузка исчезла, вязкая порода стала медленно возвращаться на свое место. Геологи подсчитали, что движения горных пород будут продолжаться в течение многих десятилетий, пока вязкая порода не вернется в исходное положение.

Как видите, широко простирается влияние человека на нашу планету, даже под земную кору удалось залезть со своим влиянием. Высыхание Аральского моря, конечно, экологическая катастрофа. Но нет худа без добра. В каком-то смысле для ученых это подарок — инструмент для изучения глубин планеты. А значит, мы будем еще лучше понимать, как устроена Земля и как она реагирует на внешние воздействия (Nature Geoscience).

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Известно, что 90% случаев смерти от рака во всем мире связаны с метастатическими опухолями. Даже у людей, у которых первичную опухоль удалили хирургическим путем, метастазы могут появиться спустя месяцы или годы и стать причиной рецидива. Но это потенциально можно предотвратить.

В поисках способов борьбы с метастазами на ранней стадии исследователи из Кембриджского университета наткнулись на многообещающий подход. В экспериментах на мышах они обнаружили, что аспирин может повысить иммунитет к метастазам рака.

Дело в том, что метастатические раковые клетки стимулируют выработку тромбоксана А2 (TXA2) в тромбоцитах, чтобы кровь стала более густой и затрудняла работу клеток иммунной системы в кровотоке.

Однако оказалось, что это вещество, которое участвует в свертывании крови, еще и подавляет активность Т-клеток. В результате Т-клетки, патрулирующие кровь, с меньшей вероятностью будут атаковать раковые клетки. Значит, задача исследователя — найти лекарство, которое будет ингибировать это вещество.

Это настоящая эврика, потому что у нас уже есть вещество, которое подавляет выработку TXA2 и действует как антиокоагулянт даже в малых дозах. Это вещество — ацетилсалициловая кислота, или аспирин!

Получается, что аспирин не только борется с болью или воспалением, но и может предотвратить метастазы при некоторых типах рака. Он подавляет механизм, с помощью которого метастатические раковые клетки прячутся от иммунной системы. Это позволяет иммунной системе лучше бороться с раковыми клетками и предотвращать метастазы. Клинические испытания уже идут. Ура! (Nature)

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Кардиостимулятор требуется людям, у кого сердце начинает биться слишком медленно или сбивается с ритма. Здесь сердцу нужна помощь стимулятора, который испускает электрические импульсы и заставляет сердечную мышцу сокращаться в правильном ритме.

Чтобы установить кардиостимулятор размером около 5 см, требуется хирургическое вмешательство. А если кардиостимулятор нужен только на время? Значит, потребуется еще одна операция, чтобы его удалить? А если надо установить маленькому ребенку? Для него размер этого девайса явно великоват.

И вот отличная новость пришла из Северо-Западного университета в Иллинойсе, где разработали удивительный кардиостимулятор — он меньше рисового зерна, 1,8×3,5×1 мм. Установить его можно с помощью одного лишь шприца, то есть с минимальным вмешательством.

Однако самая оглушительная новость в том, что этот крошечный кардиостимулятор рассасывается в организме сам по себе, когда в нем больше нет необходимости. И это настоящий прорыв в детской хирургии.

Дело в том, что детям с врожденными пороками сердца часто требуется кардиостимулятор всего на несколько дней после операции. Примерно через неделю сердце у большинства прооперированных малышей восстанавливается само по себе. Но эти семь дней сердцу надо помогать. Теперь это будет делать крошечный кардиостимулятор в сердце ребенка. И его не придется удалять — он бесследно растворится в организме.

Для этого кардиостимулятора не требуются ни батарейка, ни антенна. В сущности, это два электрода из разных металлов, которые в сочетании с биологической жидкостью в качестве электролита образуют гальванический элемент. Кардиостимулятор активируется с помощью инфракрасного света.

Небольшое беспроводное устройство наклеивают на кожу грудной клетки, как пластырь. Оно измеряет частоту сердечных сокращений пациента и при необходимости автоматически подает световые импульсы в правильном ритме. Инфракрасный свет проникает в ткани пациента и включает кардиостимулятор. Каждый световой импульс вызывает электрический импульс. Если индикатор не горит, значит, кардиостимулятор неактивен.

Исследователи успешно протестировали новый мини-кардиостимулятор на мышах, крысах, свиньях и собаках, а также на человеческих сердцах от умерших доноров органов.

Интересно, что можно устанавливать несколько кардиостимуляторов в разных частях сердца, чтобы устранить аритмию. А можно использовать и в других областях медицины, например для заживления костей и нервов и для снятия боли. Фантастика (Nature).