Жесткий диск из ДНК, роботы-хирурги и хитрый ИИ

Выявлены биомаркеры болезни Паркинсона

Можно ли предсказать развитие болезни Паркинсона и вылечить ее? Такими вопросами задаются не только ученые, но и люди,чьи близкие страдают этим заболеванием. И если на вторую часть вопроса наука еще ищет ответ, то к получению ответа на первую часть, кажется, вплотную приблизилась.

Болезнь Паркинсона — это нейродегенеративное заболевание центральной нервной системы, которое проявляется в виде тремора (дрожания рук), скованности и замедленности движений. Симптомы напрямую связаны со скоплением альфа-синуклеина — белка, который регулирует работу нейронов и присутствует в мозге у всех людей, но в силу пока неясных причин может принимать патологическую, «слипающуюся» форму. Такие патологические белки начинают скапливаться в мозге и губительно воздействуют на нейроны. Это длительный процесс, но его проявления становятся видны лишь когда подавляющее большинство нейронов погибло.

В арсенале ученых есть тест, который позволяет точно идентифицировать слипающийся альфа-нуклеин, но он не отвечает на главный вопрос: разовьется ли болезнь. Определить это попытались исследователи из Стэнфордского университета.

Проанализировав тысячи образцов спинномозговой жидкости, плазмы крови и мочи, ученые обнаружили сотни других белков, количество которых было повышено у пациентов с болезнью Паркинсона. Некоторые из них не только коррелировали с тяжестью клинических симптомов, но и выявлялись в продромальном (предшествующем появлению симптомов) периоде. А значит, могут быть использованы как биомаркеры для диагностики заболевания.

— Для живущих с этим заболеванием важно получить правильный диагноз как можно раньше. Люди могут справиться, если знают, с чем имеют дело, — говорит Кэтлин Постон, доктор медицинских наук, профессор неврологии и неврологических наук Стэнфордского университета. — Но когда ты пребываешь в неизвестности, это очень и очень сложно.

Мозг прооперирует наноробот

Микро- и нанороботы могут решать массу задач в медицине — доставлять лекарства в самые труднодоступные органы и ткани или проводить хирургические операции там, где человек-хирург бессилен. Например, при кровоизлиянии в мозг — состоянии, которое требует немедленного реагирования, а в тяжелых случаях и вмешательства нейрохирурга. Наноробот с этой задачей может справиться лучше, поскольку для него не существует слепых зон и он может выполнять процедуры на клеточном уровне. Самый тонкий момент в этом — точная навигация: как заставить робота перемещаться по кровеносным сосудам в заданном направлении и без вреда для них. Ведь кровоток может вынести наноробота совсем не туда.

Эту задачу удалось решить исследователям из Университета Саскачевана под руководством профессора Криса Чжана. Ученые полностью пересмотрели принципы взаимодействия жидкости и твердого тела, доказав, что они оказывают влияние друг на друга в процессе движения. Далее на основе физико-математического анализа исследователи рассчитали оптимальные размеры и форму «виртуального хирурга». В результате был сконструирован наноробот спиралевидной формы, благодаря которой он может продвигаться в сосудах вращательными движениями, подобно штопору. Такая модель позволяет достигать самых мелких кровеносных сосудов в самых труднодоступных участках головного мозга и устранять нарушения.

В ближайшее время ученые планируют клинические испытания своей технологии. Если все пройдет успешно, медицина сможет справляться не только с последствиями геморрагического инсульта, но и с неоперабельными опухолями головного мозга, до которых хирургический скальпель не может добраться.

Обнаружена самая древняя галактика

Огромную галактику, которая сформировалась в ранней Вселенной, обнаружили ученые из Технологического университета Суинберна (Австралия).

По словам исследователей, они «охотились» за ней в течение семи лет и потратили сотни часов, изучая ее с помощью двух самых больших телескопов на Земле, чтобы определить точный возраст. Поскольку это не принесло результатов, ученым, по их словам, пришлось «выйти в космос» и использовать для наблюдений космический телескоп Джеймса Уэбба.

Благодаря спектральному анализу выяснилось, что галактика JWST-7329 сформировалась около 13 миллиардов лет назад и содержит в 4 раза больше массы звезд, чем наш Млечный Путь сегодня. Это кажется удивительным и невероятным, поскольку до сих пор считалось, что галактики формируются по мере накопления темной материи. Но проведенное детальное моделирование показало, что галактика JWST-7329 образовалась в эпоху, когда гало темной материи еще не достигло достаточной массы, что полностью переворачивает наши привычные представления.

— Эти данные раздвигают границы нашего понимания того, как формируются и развиваются галактики, — говорит Темия Нанаяккара, которая руководила проведением спектрального анализа данных. — Ключевой вопрос сейчас заключается в том, каким образом галактики формируются так быстро в самой ранней Вселенной и какие таинственные механизмы внезапно останавливают формирование звезд.

Но главный вопрос, который стоит перед учеными, — существуют ли другие популяции ранних галактик? Не исключено, что да, просто они еще не обнаружены.

Под слоем пепла раскопали святилище

Почти две тысячи лет назад произошло извержение вулкана Везувий, в результате которого под пеплом и камнями были похоронены древние города Помпеи и Геркуланум. Начавшиеся в середине 18 века археологические раскопки позволили восстановить отдельные улицы и площади этих городов. А в этом году археологи сообщили о новых находках. В центре Помпеи была обнаружена комната необычного синего цвета, декорированная фресками и картинами. Синяя краска считалась в Помпеях самой дорогой, поскольку была сложна в изготовлении, что позволяет предположить высокую значимость этого помещения. На это же указывают и фрески, которые представляют собой аллегорические изображения фигур, ассоциирующихся с греческой мифологией, земледелием и временами года.

Скорее всего «голубая комната» была древнеримским святилищем — сакрариумом. Хотя и не обязательно использовалась для религиозных практик. Найденные здесь же амфоры, бронзовые кувшины и масляные лампы позволяют предположить, что помещение также использовалось как склад.

Для историков это еще одно доказательство богатства города. Для всех остальных — новая увлекательная глава в истории города Помпеи, который министр культуры Италии Дженнаро Санджулиано назвал сундуком с сокровищами.

Выяснили, как человек адаптировался к среде обитания

И еще один взгляд в прошлое, который помогает понять настоящее. Группа ученых из Техасского университета в Остине и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе исследовала образцы древней ДНК, чтобы изучить, как изменялся с течением времени геном человека, позволяя ему адаптироваться к окружающей среде.

Для анализа были взяты образцы, полученные из археологических раскопок на территории всей Европы и современной России, охватывающие период от неолита (около 8500 лет назад) до позднего римского периода (около 1300 лет назад).

Ученые сгруппировали их по четырем временным периодам, чтобы отслеживать генетические изменения в ответ на перемены в условиях жизни. И в итоге выявили с десяток областей генома, которые претерпели значительные изменения с течением времени.

Так, например, гены, которые отвечают за выработку витамина D и усвояемость молока во взрослом возрасте, получили преимущество в самый поздний исследуемый период. Этот естественный генетический отбор позволил светлокожим фермерам выживать на северных территориях, а также развивать молочное животноводство.

Интересно, что по мере знакомства европейцев с новыми возбудителями инфекций происходил отбор и иммунных генов. Причем часть этих адаптивных сигналов обнаружилась лишь в самые древние периоды, а затем исчезла, уступив место другим генам.

Эти результаты не только приоткрывают окно в далекое прошлое и напоминают, какой долгий адаптационный путь прошли наши предки, но и показывают, что генетические черты, полезные для выживания и благополучия сейчас, могут со временем исчезнуть за ненадобностью.

Литиево-ионным батарейкам придумали замену

Более дешевую, а главное, экологичную альтернативу литиево-ионным батареям придумали ученые из Китая и Австралии. Несмотря на то, что эти аккумуляторы обладают высокой емкостью хранения энергии и хорошо держат заряд, к ним накопилось немало претензий, главная из которых — скудные запасы лития. С учетом того, что литиевые аккумуляторы используются в электромобилях, популярность которых растет, ожидается, что будет расти и дефицит этого металла, и цены на него.

Исследователи из Фуданьского университета (Китай) предложили заменить литий в батарейках на кальций — это самый распространенный двухвалентный металл на Земле, соответственно, и стоимость его намного ниже лития. Правда, батарейки на основе оксида кальция оказались не настолько энергоемкими, поскольку это соединение медленно разлагается, что снижает его способность к подзарядке. Но ученым удалось преодолеть это препятствие, подобрав жидкий электролит на основе перекиси кальция. Когда батарея заряжается, этот более лабильный продукт легко разлагается, высвобождая ионы кальция и позволяя батарее работать более 700 циклов.

Пока китайские исследователи уверяют, что именно кальциевые реакции могут стать основой для хранения энергии, ученые из Мельбурнского королевского технологического университета (Австралия) предлагают свою технологию, в которой в качестве электролита используется обычная вода с добавлением туда неорганической соли. Окислительно-восстановительные реакции с участием цинка и висмута обеспечивают защиту от коррозии, вызванной водным электролитом. И, что особенно ценно, предотвращают образование дендритов — металлических отложений, которые иногда соединяют анод с катодом, что приводит к короткому замыканию. Как раз по этой причине в литиевых батарейках нередко происходит возгорание.

«Именно защитный слой из цинка и висмута представляет собой уникальную технологию, которая позволяет предотвратить побочные реакции и решает проблему стабильности аккумулятора», — считает управляющий директор Центра исследований и инноваций в области аккумуляторов Университета Дикина доктор Тимоти Ху.

В качестве преимуществ водяных батареек исследователи называют их низкую стоимость и возможность переработки без риска химического загрязнения или необходимости в специальном оборудовании и объектах для утилизации.

Они уже создали прототип водяных батареек в форме «таблетки» — такие аккумуляторы используются в часах и некоторых моделях телефонов. Эти устройства сохраняют 80% своей емкости после 700 циклов.

Компьютер научился имитировать человека

Искусственный интеллект впервые прошел знаменитый тест Тьюринга, по которому можно отличить человека от машины. В 1950 году Алан Тьюринг, английский ученый, разработавший модель машины, на основе которой и был создан современный компьютер, опубликовал статью «Вычислительные машины и разум», в которой задался вопросом, может ли она мыслить, как человек. А для ответа на вопрос предложил тест, основанный на популярной в то время игре, в которой ведущий переписывается с двумя анонимными игроками и пытается отгадать, кто из них мужчина, а кто женщина. Задача игроков — ввести ведущего в заблуждение.

В созданном Тьюрингом тесте компьютер должен был заменить одного из игроков, но задача стояла не обмануть ведущего, а за пять минут убедить визави, что он общается с человеком. Тест, который сам Тьюринг называл игрой в имитацию, может считаться пройденным, если количество разговоров, в которых ИИ приняли за человека, составит 30 процентов.

В нынешнем тестировании, проведенном исследователями из Калифорнийского университета в Сан-Диего, на стороне искусственного интеллекта участвовали чат-бот ELIZA (самый первый чат-бот, созданный в 1960-х годах для имитации психотерапевта), GPT-3.5 и GPT-4. В команду «человеческого» интеллекта через соцсети набрали около 500 участников, которые, общаясь анонимно либо с таким же участником, либо с машиной, должны были идентифицировать собеседника. Чат-боту ELIZA удалось обмануть лишь 22% участников — слишком «психотерапевтическими» были его сообщения. А вот чаты GPT достигли критерия соответствия человеку, причем если GPT-3.5 набрал 50%, то чат GPT-4 преодолел порог случайного угадывания (аналог «орел» или «решка») и набрал 54%. Участник-человек прошел тест лишь на 67%.

Показательно, что машину «очеловечивало» как раз то, что делает нас несовершенными. В переписке робот допускал орфографические ошибки, давал односложный ответ либо вовсе признавался, что не знает его, общался на сленге, тем самым вводя человека-собеседника в заблуждение.

Робота научили хитрить, манипулировать, рассуждать, подтасовывая факты, — то есть вести себя так, как люди, резюмируют исследователи. Впрочем, эти результаты дают пищу и для других размышлений: что же тогда, по мнению людей, означает быть человеком.

Для хранения информации начали использовать ДНК

В 2025 году объем всей генерируемой в мире информации превысит 180 зеттабайт — это примерно 83 млн жестких дисков емкостью 12 Тб. Где хранить такие огромные массивы данных? Исследователи полагают, что для этих целей отлично подойдет ДНК. Ведь природная макромолекула содержит тонны генетической информации, при этом само «хранилище» микроскопическое. ДНК имеет в своем основании четыре азотистых соединения, так что все данные «записаны» в ней в четверичной системе исчисления. Для записи информации в синтетическую ДНК используются те же алгоритмы, которые позволяют преобразовывать данные в последовательности нуклеиновых кислот. Единственное, из двоичной ее необходимо перевести в четверичную, выстроить в цепочку и затем перенести в молекулу.

Разработки в этом направлении начались еще несколько лет назад, но уперлись в проблему. При всей перспективности ДНК-технологии она не позволяла сочетать хранение с другими операциями, которые обычно используются в электронных устройствах: перемещение данных, чтение, переписывание, обнаружение определенных файлов, перезагрузка.

Решение этой проблемы предложила группа ученых из Университета Северной Каролины и Университета Джонса Хопкинса. Они разработали полимерный материал — дендриколлоид, состоящий из нановолокон, который выполняет функцию каркаса для ДНК. Площадь поверхности этой структуры настолько большая, что макромолекула размещается в ней без потери объема данных.

Испытания показали, что в подобное хранилище размером с ластик можно выложить информацию с тысячи ноутбуков, а полимерный каркас будет надежно хранить ее, предотвращая деградацию ДНК.

Новая технология, которую исследователи называют «первичным хранилищем ДНК и вычислительным механизмом», уже продемонстрировала свое умение решать простые судоку и шахматные задачи.

В будущем ДНК смогут стать хорошей альтернативой жестким дискам, флешкам и другим накопителям, которые занимают много места и недолговечны.