Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-ksenotransplantatsii-ptichi-grip/

Необичайни донори

Бъбреците са най-често трансплантираните органи в световен мащаб. Въпреки че донори могат да бъдат и доброволци, все пак има недостиг на органи. Потенциално решение за този проблем е използването на животни. Първите опити за ксенотрансплантация (прехвърляне между различни видове) са с органи от примати, но те се отхвърлят в рамките на няколко месеца.

С подновяването на интереса към процедурата за донор са избрани прасета – техните органи са сходни с човешките и за разлика от приматите не са застрашени. Наред с това могат да се подберат животни с различен размер, вероятността за предаване на заболявания е по-ниска и не на последно място – решението е по-лесно от етична гледна точка.

Миналия месец беше направена първата трансплантация на бъбрек от прасе на човек. Пациентът е на 62 години и вече е претърпял една стандартна процедура през 2018 г., но трансплантираният тогава орган отказва. Това налага той да започне отново диализа, което води до усложнения – образуване на съсиреци и запушване на кръвоносни съдове. Поради влошаващото се състояние на пациента и липсата на подходящ донор лекарите са му предложили експерименталната ксенотрансплантация.

Разбира се, процедурата не е лесна, тъй като имунната система реагира остро на орган от чужд организъм. Това е така дори и с човешки донор, което налага извършването на редица проверки за съвместимост – кръвна група, антигени и др. За да се премахне опасността за пациента, в прасето донор са направени 69 генетични редакции с помощта на CRISPR. Три от тях са свързани с премахването на гени от неговия геном, които са отговорни за синтеза на специфични молекули по клетъчните стени, които имунната ни система разпознава като нашественици.

Добавени са и седем човешки гена, които кодират протеини, намаляващи риска от отхвърляне на органите. Останалите са изрязани от генома ретровируси, които са счетени за потенциално опасни за хората. Въпреки че към момента активацията на такива вируси в човешки гостоприемник се наблюдава рядко, рискът да се случи е по-висок при пациенти, чиято имунна система е потисната. А именно такъв е случаят при трансплантациите, защото, за да се намали вероятността за отхвърляне на новия орган, се изписват медикаменти, които намаляват активността на имунната система.

Операцията е преминала успешно и пациентът вече е изписан, като в изявление той казва, че се чувства добре и се вълнува да се върне при семейството си. Дългосрочната прогноза не е ясна, но предварителните изследвания на екипа, създал генетично модифицирания донор, са обнадеждаващи. Процедурата е приложена при макаци, част от които са живели повече от една година след трансплантацията, а един – над две. Резултатите са хетерогенни и не изглеждат впечатляващо, но генните редакции са насочени към човешки реципиенти, което може да е едно от обясненията. Сходна операция, но с черен дроб, е направена и при пациент в мозъчна смърт. Експериментът е проведен в рамките на три дни, през които органът е изпълнявал функциите си нормално, поддържайки пациента в стабилно състояние. 

Това не са първите ксенотрансплантации. През 2022 и 2023 г. бяха трансплантирани две свински сърца, но с не особено добри резултати – и в двата случая органът е отхвърлен след по-малко от два месеца. Въпреки това лекарите са оптимистично настроени. В тези случаи състоянието на реципиентите е било толкова тежко, че те не са попаднали в списъците за трансплантация. Също така редакциите в донорите са значително по-малко – не е направено премахване на ретровируси от генома на прасето. Дали това е сред причините за неуспеха, е обект на дискусия и най-вероятно ще са нужни още данни. Тъй като колкото повече генетични редакции се правят, толкова по-скъп и сложен става процесът по създаване на животното донор, учените трябва да намерят оптималния брой редакции, с които могат да се получат безопасни органи.

Получаването на орган от прасе звучи като от странен научнофантастичен сюжет и сигурно няма да е по вкуса на всеки. Най-добрият вариант е създаването на органи от стволови клетки на пациента, което почти ще изключи риска от отхвърляне. Уви, тази технология е все още далеч в бъдещето, въпреки че в последните години се наблюдава известен прогрес. Това прави ксенотрансплантацията достъпно решение за пациенти, нуждаещи се от нови органи.

„Вояджър“ има проблем с паметта

Новият месец ни носи новини от далечния пътешественик, чието приключение следим внимателно. След като преди месец екипът на НАСА получи пълен пакет с данни от него, вече е ясно какъв точно е проблемът с компютъра на сондата.

Инженерите са установили, че около 3% от данните в паметта на бордовия компютър са грешни, което пречи на нормалното му функциониране. Най-вероятно това се дължи на дефект в някой от чиповете. Конкретната причина не е известна – може да бъде удар от заредена частица или просто да се е повредил след дългогодишното пътуване, но каквато и да е станало, това не е пречка. Въпреки че засега не е ясно колко време ще е нужно за справяне със затруднението, инженерите мислят, че ще успеят да заобиколят проблемния модул и „Вояджър 1“ отново ще може да изпраща научни данни.

Обновяването на софтуера на апаратите не е нещо ново – в края на миналата година към „Вояджър 1“ и „Вояджър 2“ беше изпратена версия, която внася корекции в двигателната им система. За да се избегне отлагането на гориво по тънките тръби, които го пренасят, използването на двигателите е разредено с цел удължаване на активния живот на сондите. Тъй като двигателите им се използват за промяна на ориентацията в пространството, така че антените им да са насочени към Земята, това ще затрудни малко комуникацията с апаратите.

В новата версия е включена и „кръпка“ за проблем, сходен с настоящия. Поради грешка в системата за управление на ориентацията на „Вояджър 1“ той започва да изпраща съобщения, които не могат да бъдат разчетени. След няколкомесечно разследване проблемът е решен и корекцията е изпратена и към „Вояджър 2“, за да се избегне появата на този проблем и при него.

Макар че комуникацията с двата апарата е трудна, те продължават да будят научен интерес – данните, които изпращат, са важни за опознаването на междузвездното пространство. По стъпките им вървят и други сонди, но до тяхното излизане извън хелиосферата има още време и загубата на „Вояджър 1“ ще бъде осезаема.

Нов гостоприемник на птичи грип

Високопатогенната инфлуенца А по птиците – птичи грип, A(H5N1) – е проблем в глобален мащаб от няколко години. Освен големите щети, които нанася на дивите популации, епидемии от него имаше и в много птицеферми, което повлия значително на цената на яйцата и пилешкото месо. В Англия имаше периоди, в които фермерите не пускаха птиците да излизат извън затворените помещения, което допълнително усложни ситуацията с яйцата от свободни кокошки.

В началото на миналата година имаше тревожни съобщения за прескачане на птичи грип към бозайници – лисици, видри и норки. Сега, около година по-късно, има ново развитие. В края на март няколко стада крави в Тексас и Канзас са дали положителен резултат за вируса, а около седмица по-късно беше съобщено за случаи в още три щата – Айдахо, Мичиган и Ню Мексико. Вирусът е открит в млякото, но при допълнително изследване на кръв и секрети от кравите пробите са били отрицателни, така че към момента учените предполагат, че се реплицира само във вимето, без да засяга значително здравето на животните. Хипотезата им е, че преносът между кравите е посредством капки мляко по дрехите, по ръцете на работниците или доилните машини.

Все още не е ясно как са започнали инфекциите. Възможно е диви птици да са заразили домашни, откъдето вирусът да е прескочил в кравите, или да е станало директно от домашни птици. Наличната информация сочи, че пренос е имало веднъж или два пъти, защото фермата в Мичиган е получила крави от една от фермите в Тексас, където е имало болни животни. Все още няма забрана за транспорт на крави, но най-вероятно, ако ситуацията се влоши, здравните власти ще издадат и такава препоръка.

Във фермите са открити и котки, които са заразени с вируса, най-вероятно от разлято мляко, с което са се хранили. При тях се засягат белият и черният дроб и в повечето случаи заболяването е летално. Това е помогнало за откриването на инфекциите във фермите, наред с промяната в млякото от болните крави.

Известен повод за притеснение е, че в Тексас вирусът е прескочил и към един от работниците. Симптомите му не са тежки и основният е конюнктивит (възпаление на очите). Пациентът е в домашна изолация и му е приложена терапия с антивирусни медикаменти. Геномът на патогена, изолиран от него, е секвениран и е установено, че е почти идентичен с открития в кравите. Липсват мутации за устойчивост на медикаменти или по-висока вирулентност и той е много сходен с два щама, които се използват за създаване на ваксини срещу вируса.

Според Министерството на земеделието на САЩ потребителите не бива да се тревожат, тъй като млякото се изследва редовно и преминава през процес на пастьоризация. Същото важи и за месото – дори и да има вирусни частици в него, те ще бъдат инактивирани при обработката му. Основната опасност е за работниците във фермите, които се следят внимателно и при поява на симптоми се тестват за H5N1.

Въпреки че засега щетите от вируса са основно икономически и засягат животновъдите, прескачането му към все повече бозайници е нещо, на което трябва да се обърне внимание. Описаните случаи са ограничени в САЩ, но е напълно възможно това да стане и в Европа – заболяването се среща при диви и домашни птици, а в средата на миналата година имаше и случаи с починали котки в Полша. Всеки пренос между бозайници дава на вируса възможност да се усъвършенства, създавайки предпоставка за нова пандемия.

Екологична „кожа“

Заместителите на кожа, използвани в модната индустрия, са добър вариант за намаляване на екологичния отпечатък на продуктите. Но към момента по-голямата част от тях са базирани на различни видове пластмаса, получена от петролни продукти, което също не е оптимално решение. Също така подобни тъкани отделят микропластмаси. Развитието на технологиите за производство на полимери от растителен материал (често царевица) позволява създаването на пластмасови продукти, които са по-лесно биоразградими, но добиването на суровината понякога е в конфликт със земеделието.

Интересна алтернатива предлагат биотехнолозите – използване на микробиални култури. Миналата година мексиканската компания Polybion рекламира яке, което е направено по технология, вдъхновена от производството на комбуча – това е напитка, в която се развива симбиотична култура от бактерии и дрожди, образуваща плътен филм.

За производство на материала компанията използва бактерии, които отделят такъв филм от целулоза в хранителната среда, в която се отглеждат. Целулозата е стабилен полимер, изграден от глюкозни мономери, който е широко срещан в растенията – тя съставя над 95% от памучните влакна. Именно от този филм след допълнителна обработка се получава материал, много подобен на кожа. Според компанията той може да се оцветява с вече достъпните технологии за боядисване, но без да са нужни агресивни химикали, и по своите свойства е сходен с другите естествени тъкани. В хранителния субстрат, в който се отглеждат бактериите, се съдържат и отпадъци от плодопреработвателната индустрия, което допълнително понижава екологичния отпечатък на материята.

Още по-екологичен вариант е предложен в разработката на английски учени, които, освен че са получили материал, подобен на кожа, са успели да му придадат цвят. С помощта на генно инженерство те са дали на бактериите способността за синтез на еумеланин. Това е разновидност на меланина, която е широко разпространена в природата и е отговорна за тъмния цвят на кожата и космите при хората. Устойчивостта на еумеланина на високи температури и ниската му водоразтворимост го правят много добър пигмент – освен плътност, цветът има и дълготрайност. Способността му да поглъща ултравиолетова светлина и електропроводимостта му се добавят към полезните му свойства.

Така след култивиране на модифицираните клетки получената бактериална целулоза е оцветена в черен цвят и не е необходимо да се боядисва. В бъдеще бактериите ще могат да отделят и други пигменти, давайки възможност за разширяване на достъпната палитра от цветове. Като пилотен експеримент учените са направили портфейл и сая за обувка. Портфейлът е по-прост и е конструиран от съшити плоски парчета от материала. За саята бактериалите клетки са отгледани в калъп, в който са добавени и влакна, за да се подсили здравината ѝ. Така е образувана своеобразна отливка, която може да се прикрепи към подметка.

Макар че технологията все още не е постигнала масовост, тя е обещаваща и се развива бързо. Бактериите са изключително подходящи за използване като малки „фабрики“ за производство на различни вещества. Бързият им растеж, ниските изисквания към хранителната среда и възможността за отглеждане в биореактори са предпоставки за все по-широкото им използване. Ако идеята ви интригува, процесът е сравнително лесен за изпълнение в домашни условия. Ще са ви нужни само малко подръчни материали и няколко часа подготовка.

Водещо изображение: Снимка на Юпитер и два от естественитe му спътници, направена от „Вояджър“ точно преди 45 години. Източник: NASA

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-slunchevi-paneli-gmo-kravi/

По-ефективни соларни панели

Погледнато философски, голяма част от енергията, която използваме, е слънчева светлина, съхранена под различни форми. В последните 50–60 години с помощта на соларните панели имаме възможността за прякото ѝ улавяне. С времето технологиите за производството им се усъвършенстват и сегашното поколение е с много по-добра ефективност и по-дълъг експлоатационен период. Увеличаващата се нужда от възобновяеми източници на енергия прави работата по подобряването им по-активна от всякога, като учените залагат на най-различни подходи за постигане на тази цел.

Един от тях е използването на перовскити – това са материали, които имат кристална структура, идентична с тази на минерала перовскит. Особено интересна е възможността за производство на леки и гъвкави панели, ако за основа се използва пластмаса. Друг начин за употребата им е комбинирането със силиций в своеобразен „сандвич“. Това увеличава ефективността на панелите, тъй като различните материали поглъщат слънчеви лъчи с различен спектър. Обикновено се използват два слоя – един от силиций и един от перовскит.

Уви, за разлика от силициевите панели, които може да се използват повече от 20 години, панелите от перовскит не са особено устойчиви на околната среда и обикновено издържат от няколко месеца до няколко години. Нова разработка предлага използването на процес по пасивиране на повърхността на панелите, който повишава тяхната устойчивост и ефективност. Това се постига чрез третиране със сол, която съдържа бром. Употребата ѝ има двойно действие – на повърхността на кристала се образува тънък филм, който премахва микроскопичните несъвършенства в кристалната решетка, правейки я по-устойчива на влиянието на околната среда. Наред с това бромът прониква във вътрешността на материала, което помага за намаляване на енергийните загуби в панела. Така с еднократно третиране се подобряват два от критичните параметри за този тип панели. 

Към момента подходът е приложим за малки изпитателни панели, но учените са сигурни, че той е важна стъпка към масовото им производство. Според тях подходът дава възможност за допълнителна оптимизация, тъй като описаният процес може да се приложи и при други видове перовскити и соли, което означава, че е много вероятно да бъде открита още по-ефективна комбинация.

Това предположение се потвърждава от друг екип, публикувал само няколко дни по-късно подобрен начин за използване на перовскит.

Проблем при създаването на комбинирани панели е загубата на енергия между слоевете, което води до спад в полученото напрежение. За справяне с това в кристала вместо бром е инкорпориран цианид, намаляващ значително загубите в панела. Само по себе си това е добро постижение, но учените са опитали и още нещо – вместо двуслоен те са направили трислоен панел, в който за основа е използвана традиционната комбинация от силиций и перовскит. Върху тях е положен още един слой от новосъздадения перовскит с цианид. Тази комбинация се оказва изключително добра – осигурява ефективност от 27%.

Също както при другата разработка, тепърва предстоят инженерни предизвикателства за въвеждане на процеса в производството на соларни панели, които да се използват от потребителите. Но и двата резултата показват, че все още има голям потенциал за подобряване на съотношението цена/добита енергия и този възобновяем източник тепърва ще ни изненадва.

Сръчкване на Вояджър

Проблемите в комуникацията с „Вояджър 1“ продължават, но от НАСА публикуваха обнадеждаваща новина.

В началото на месеца към сондата е изпратена команда, наречена от екипа „сръчкване“ – тя кара апарата да изпрати паметта на бордовия си компютър. Малко след получаването на командата „Вояджър 1“ е върнал пакет с данни, който, както и в предишните комуникации, е бил разбъркан. Въпреки това инженер от групата за комуникация с далечни апарати (Deep Space Network) е успял да го дешифрира и в него е открито пълно копие на паметта.

В паметта на бордовия компютър са всички данни, с които той оперира – командните инструкции на апарата, информация за моментното му състояние, както и научни данни. Съдържанието на пакета ще бъде сравнено с предишни копия от времето, когато „Вояджър 1“ е функционирал нормално.

Това би могло да подскаже на екипа какво се е объркало, и дава надежда, че освен да разберем какво се е случило с апарата, комуникацията с него ще се поднови и той ще продължи научната си мисия.

Човешки инсулин от крави

Биотехнологичният процес за синтез на човешки инсулин е едно от модерните чудеса на науката. В момента най-често се използват генетично модифицирани дрожди, в които е вмъкната генетичната последователност, кодираща за инсулин. Те се отглеждат в големи биореактори (ферментационни съдове, подобни на използваните за производство на бира), след което протеинът се извлича, пречиства и обработва в зависимост от вида, в който е необходим. 

Интересна иновация предлагат учени от Бразилия и САЩ в съвместна разработка. С помощта на генното инженерство те са създали трансгенна крава, която може да отделя проинсулин (прекурсора, от който се получава биологично активната форма) в млякото си. За целта с помощта на лентивирусен вектор човешкият ген за инсулин е включен в генома на 10 ембриона, които впоследствие са имплантирани и от тях е получена една трансгенна крава. За оптимизация на процеса векторът е конструиран така, че човешкият ген е активен само в млечните жлези на животното. Така естествените му биохимични процеси не се нарушават и трансгенният протеин се отделя само там. Вимето е особено подходящо за подобна трансформация – една от основните му функции е да произвежда големи количества протеини, така че това може да направи процеса много ефективен.

За съжаление, въпреки че животното е успешно модифицирано, добивът от трансгенния протеин е бил нисък. Една от причините е, че опитите за оплождане на кравата са били неуспешни и лактацията е предизвикана хормонално, вследствие на което количеството на полученото мляко е било значително по-малко. Друг фактор е донякъде изненадващата находка, че в млякото има повече инсулин, отколкото проинсулин. Най-вероятно това се дължи на протеази (ензими, разграждащи протеини), които могат да превръщат проинсулина в инсулин. Допълнително усложнение е и откриването на протеази, които разграждат инсулина, като привнасят отрицателен ефект в процеса.

Това прави резултатите интригуващи, но не впечатляващи. Въпреки това разработката показва, че методът работи и има голям потенциал. Ако разграждането на получения инсулин се избегне, например чрез допълнителни модификации или чрез промяна на трансгенния протеин, подобно „биологично производство“ би било изключително ефективно, като премахва нуждата от енергоемки биореактори.

При сходно манипулирани трансгенни мишки количеството проинсулин в млякото е достигнало 8 грама на литър. Ако приемем, че някои породи крави могат да дават над 30 литра мляко на ден, дори при ефективност наполовина от тази при мишките това означава хипотетично производство на над 3 млн. единици инсулин от всяка крава. Така едно малко стадо може да покрива нуждите на стотици хиляди пациенти.

Екологична катализа

Голяма част от реакциите, използвани в химичната и фармацевтичната промишленост са невъзможни без използването на катализатори. Това са вещества или елементи, които в общия случай ускоряват химичните реакции, помагайки да се понижи енергията за активация. Най-често за това се използват благородни метали, като платина, паладий и родий. Начинът им на действие е познат на химиците и те успешно са се наложили като стандарт, но има и редица проблеми. Цената им е много висока, а добивът им е доста енергоемък и замърсява околната среда. Също така употребата им е свързана с отделянето на токсични продукти, които трябва да се обработват по специален начин. Тези недостатъци са стимул да се търси техен заместник, който е по-евтин, енергоефективен и природосъобразен.

Възможна алтернатива е използването на електричество вместо химически катализатор. Вдъхновението за това идва от биологичните катализатори – ензимите, които създават електрически полета в активните си региони. През 2016 г. с помощта на тази технология в наномащаб е катализирана реакцията на Дилс–Алдер, която е широко използвана в органичния синтез. Същият екип в нова публикация описва заместването на меден катализатор в азид-алкиновото циклоприсъединяване. Тази реакция е определена от Бари Шарплес, един от тримата Нобелови лауреати за химия през 2022, като еталон за клик реакция. Освен прилагането му към друг вид реакция, методът е подобрен – мащабът вече не е нано, а се измерва в сантиметри. За целта учените са разработили специална микрофлуидна система, в която протича реакцията.

Освен че има предимства пред конвенционалните катализатори, този подход дава възможност за по-прецизно контролиране на реакциите чрез регулиране на силата и продължителността на електрическите импулси. Това може да послужи за производство на чисти форми на конкретни изомери и би премахнало риска от замърсяване на крайните продукти с частици от катализатори, което е важно за фармацевтичната индустрия.

Колко ваксини са прекалено много?

Имунизационният календар е резултат от множество изследвания. Броят и времето на поставяне на ваксините са строго съобразени с познанията ни за човешката имунна система. Медицината може да отговори на въпроса какво се случва, ако се пренебрегнат препоръките на лекарите и изпаднем в крайност по отношение на ваксинирането. Пример са увеличаващите се случаи на морбили (дребна шарка) в световен мащаб – завръщането на заболяване, обявено от Световната здравна организация за изкоренено в редица държави. По-трудно е да се каже какво става в другия случай – когато се слагат твърде много ваксини. Вероятността някоя етична комисия да позволи изследване на ефекта от многократни ваксинации е пренебрежимо ниска.

Към момента една от водещите хипотези е, че многократните ваксинации могат да доведат до по-слаб имунен отговор. Тя се базира на данни, които сочат, че при хронично излагане на даден патоген Т-клетките на имунната система „се уморяват“ и се наблюдава имунна толерантност, при която организмът не може да се справи ефективно с нападателя. Това е и причината да се води дискусия за честотата на реваксинацията против SARS-CoV-2.

Благодарение на 62-годишен мъж от Германия учените вече имат по-добра представа за ефекта от многократното ваксиниране. Изследователите разбират за случая от новините, след като властите започват разследване за измама срещу мъжа. Те са се усъмнили, след като в рамките на 9 месеца на името му са били регистрирани 130 ваксинации против SARS-CoV-2. Даденото обяснение за „лични подбуди“ явно е убедило разследващите органи, тъй като случаят е прекратен, без да бъдат повдигнати обвинения.

Жителят на Магдебург (наричан HIM в изследването) се е съгласил да бъде тестван, като е съобщил за допълнителни нерегистрирани ваксинации, които вдигат общия брой на 217 дози в рамките на 29 месеца. Оказало се също, че той не е бил особено придирчив – ваксините са от осем различни вида (някои от които бустерни).

В периода от 214-тата до 217-тата му ваксинация учените са изследвали кръв и слюнка от HIM, като получените данни са сравнени с контролна група от 29 души, получили нормалната тристепенна ваксинация. Спрямо тях той има между 5 и 11 пъти по-висока способност да инактивира вируса, но това се дължи на по-голямото количество антитела, а не на завишена активност. Също така е установено, че той отделя антитела и в слюнката си, което не се наблюдава в контролната група. Отчетена е и повишена концентрация на B и T-клетки, но без изменения в способността им за имунен отговор.

Общото заключение от изследването е, че в случая хиперваксинацията срещу SARS-CoV-2 няма негативни ефекти и е повишила количеството антитела, без да има забележим ефект върху общото функциониране на имунната система. От един случай няма как да се направят генерални изводи, но все пак това е интересна и рядка възможност да се наблюдава подобен феномен. Тестовете сочат, че HIM е успял да се предпази от заразяване с вируса, но не е ясно дали това се дължи на многото ваксини.

Авторите завършват статията със следното: „Считаме за важно да отбележим, че не поощряваме хиперваксинацията като стратегия за подобряване на придобития имунитет“.

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-genetichni-redaktsii-sveteshti-tsvetya/

Европа открехва врата за генетичните редакции

В средата на миналата година в Европа се завъртя на по-високи обороти дебатът за генетичните редакции с помощта на новите геномни техники (НГТ) и в началото на този месец той най-накрая стигна до Европейския парламент. С 307 гласа за (нито един от представител на България), 263 против и 41 въздържали се беше прието предложението да се въведат две категории генетично модифицирани организми. В първата категория ще попадат растенията, при които промените могат да се получат по естествен път в природата или чрез методите на традиционната селекция, и за тях ще отпаднат тежките процедури за регистрация, прилагани в момента. Потребителите ще бъдат осведомявани чрез поставяне на информация върху продуктите, които ги съдържат – промяна в сравнение с първоначалното предложение от 2019 г., в което бе заложено да се обозначават само семената. Също така растенията няма да могат да бъдат сертифицирани като „органични“. Във втората категория ще бъдат оставени растения с по-сложни редакции, както и създадени с предишното поколение методи за генетични манипулации.

Следващата стъпка е предложението да мине през Европейския съвет, където обаче се очаква тежка дискусия за патентите върху растения, получени с помощта на новите методи. От Комисията по околна среда, обществено здраве и безопасност на храните, която гласува положително преди вота в Европарламента, не се дават насоки относно решаването на този въпрос. Намерението е да се направи анализ на пазара и да се оцени влиянието на новите регулации върху биотехнологичните компании и семепроизводителите, както и върху достъпа на фермерите до семена. Резултатите от анализа ще бъдат публикувани през 2026 г.

Депутатите смятат, че патентите върху растенията, получени чрез НГТ, трябва да бъдат забранени, за да се избегнат правни диспути и да се улесни достъпът до тях както на биотехнологичния, така и на земеделския сектор. Също така се изисква отчет за влиянието на новите правила още през 2025 г. За съжаление, не е ясно дали тази забрана може да бъде въведена лесно. В момента всички сортове, получени чрез традиционните методи за селекция (дефинирани като „биологични процеси“), не могат да бъдат патентовани, но генетично манипулираните могат, тъй като са резултат от технологичен процес. Това означава, че за да отпаднат патентите, ще трябва да се променя и съществуващото законодателство в тази област. Към средата на миналата година в Европейското патентно ведомство са били регистрирани около 3100 патента за генетично модифицирани растения. Според организацията успеваемостта за получаване на такъв патент е около 35%, а средната достига почти 60%.

Въпреки заявените намерения на евродепутатите традиционните селекционери, по-малките биотехнологични компании и фермерите изразяват опасения, че сегашната правна рамка за патентите ще им попречи да се възползват от новите регулации и ще позволи на големите компании да завземат сериозни части от пазара. Пример за това е описан в публикация на Politico – голямата биотехнологична компания KWS е получила патент за царевица, която е устойчива на ниски температури и е получена чрез редакция на гени с НГТ. Така KWS има възможността да забрани продажбата на сходен сорт, произведен от малка компания от Нидерландия, която го е създала с помощта на класическа селекция. За момента забрана няма, но освен чисто правно предимство, голямата компания има достъп до повече ресурси и по-лесно производство.

За момента решението на Европейския парламент се приема очаквано от двата лагера, участващи в дискусията – учените и биотехнологичните компании са въодушевени и смятат, че е стъпка в правилната посока, докато природозащитните организации са недоволни. Положителният вот донякъде е неизбежна стъпка за приемането на новите технологии, което, както вече е споменавано, е нужно с оглед на климатичните промени и заплахата Европа да остане извън предстоящата генетична революция.

Генетично манипулирани организми в ръцете на потребителите

Раздвижване в сферата има и отвъд океана, където крайните потребители могат да се сдобият с две нови растения, получени чрез генетични манипулации.

Биолуминесценцията се среща при редица видове от различни групи – бактерии, насекоми, гъби, морски организми, но в природата няма биолуминесциращи растения. За получаването на светлина са нужни два основни компонента – луциферин и ензимът луцифераза. Доскоро за създаването им се използваше бактериен оперон (група от гени, които се експресират заедно, обикновено за нуждите на конкретен процес), но този подход има редица недостатъци, най-важните от които са слаба светлина и токсични междинни продукти.

Иновацията идва от екип руски учени, които разгадават биосинтетичния път в гъбата Neonothopanus nambi в края на 2018 г. Те установяват, че той е тясно свързан с кафеената киселина, намираща се и в растенията, и че за прехвърляне на процеса в тях са нужни само четири гена. Подходът се оказва значително по-ефективен – растенията светят по-ярко, а освен това е безвреден за приемните организми, тъй като се вписва в съществуващи биохимични пътища. Година по-късно учените оповестяват успешното създаване на светещ тютюн, а в началото на годината излиза и публикация, представяща оптимизация, която увеличава силата на светлината до два пъти.

Разработката може да се използва за изучаването на различни биологични процеси като биосензор – светлината може да се индуцира само в определени случаи и така да се проследяват биологични пътища. Работата им има и комерсиален резултат – биолуминесцентна петуния, наречена Светулка (Firefly Petunia) и предлагана от компанията LightBio. След като бе одобрена за продажба и отглеждане в САЩ в края на миналата година, тя вече е достъпна за предварителна поръчка.

Другата иновация е по-практична и е под формата на лилав домат. Тъмнолилавите домати не са новост – с помощта на класическата селекция са създадени редица такива сортове, но при повечето от тях наситеният цвят е само по повърхността, а месестата им част е в оттенък на червеното. Лилавите домати, предлагани от Norfolk Healthy Produce, са изцяло оцветени и са единственият такъв сорт, тъй като технологията за създаването им е патентована.

Научната основа е публикувана през 2008 г. и се базира на вмъкването на два гена от декоративното растение кученце (Antirrhinum majus), които отговарят за синтеза на лилав пигмент – антоциан. С изключение на тези два гена доматите не се различават по нищо от конвенционалните си роднини и сортът дори не е хибриден. Това означава, че от него може да се събират семена, които да се засяват на следващата година, и не е нужно да се купуват нови. Разработката е резултат от сътрудничеството на няколко европейски екипа (от Англия, Италия, Нидерландия и Германия) и е получила европейско финансиране, но към момента семената не са достъпни на нашия пазар поради съществуващите регулации.

Основното предимство на сорта, което се изтъква от авторите, е повишеното ниво на антоциани, които имат антиоксидантна функция. В публикацията си екипът описва и експеримент, целящ да проследи продължителността на живота на мишки, склонни да образуват тумори. Мишките са разделени на три групи. Едните ядат само стандартна храна, другите – стандартна храна и червени домати, а третите – стандартна храна и лилави домати. Между първите две групи няма значима разлика – те живеят средно около 140 дни. Но мишките, в чиято диета са добавени лилавите домати, живеят средно около 180 дни.

Въпреки че данните в изследването изглеждат убедителни, ползата от антоцианите за здравето е тема, по която все още се водят дебати и няма ясен отговор. Окислителните процеси имат важна сигнална роля и са част от процеса на програмирана клетъчна смърт, който е важен за отстраняване на клетки, функциониращи некоректно (например прототуморни). Наред с това новият сорт е 10% от хранителния прием на мишките, което не е пренебрежимо количество, ако се съотнесе към стандартната ни диета. От друга страна, лилавите домати биха допринесли за по-пълноценното хранене на хората, които не приемат достатъчно антоциани.

Въпреки че преките ползи за здравето не са напълно потвърдени, новият сорт е интересен дори само заради вида си и възможността генетично манипулираните растения да станат по-достъпни за потребителите. Климатичната реалност ще бъде изключително изпитание за традиционната селекция и широкото въвеждане на храни – плод на генно инженерство, изглежда неизбежно, поради което, колкото по-бързо се нормализират, толкова по-лесно ще можем да направим стъпката напред.

Грешка в превода

При изстрелването на „Вояджър 1“ през 1977 г. учените от НАСА не подозират, че мисията му ще продължи повече от 40 години. Основната програма е планирана до края на 1980 г., когато той трябва да премине покрай Сатурн и някои от луните му. Благодарение на шеметната си скорост от 17 км/сек в началото на 1998 г. той стана най-отдалечената от Земята космическа сонда, изпреварвайки по-рано изстреляния „Пионер 10“.

През 2012 г. мисията отново попадна в новините, тъй като апаратът стана първият създаден от човека обект, който напуска Слънчевата система. Това беше установено по спадането на нивото на заредени частици от Слънцето (т.нар. слънчев вятър) и покачването на космическите лъчи. Тези данни показват преминаване на хелиопаузата – участък, в който силата на слънчевия вятър и междузвездната среда се изравняват.

През годините с цел пестене на енергия редица от изследователските уреди на сондата бяха изключени, но въпреки това учените все още можеха да комуникират с нея и да получават данни. За съжаление, от няколко месеца съобщенията, които получаваме, са объркани и не могат да бъдат разчетени. 

Според НАСА повредата е в един от бордовите компютри. Една от неговите задачи е да изпраща телеметрия към Земята, което в момента не може да се осъществи, а това прави откриването на проблема изключително трудно, но има редица хипотези какъв може да е той. Една от тях е, че се касае за грешка в паметта на компютъра, която води до объркване на записаните в нея данни; друга възможност е просто да има механична повреда в някоя от частите. По-интересна (но и по-малко вероятна) е възможността за „обръщане на бит“ – това може да бъде причинено от заредена космическа частица, която удря паметта в точно определено място, карайки 0 да премине в 1 или обратното. Допълнителна трудност за установяване на случващото се е и разстоянието до апарата – 22 часа и 34 светлинни минути. За достигането на всяка команда до апарата е необходимо това време и съответно още толкова за получаване на обратната информация. Разбира се, вече е опитан добрият стар трик с рестартирането, но това не е помогнало.

Въпреки че опитите за възстановяване на комуникацията с „Вояджър 1“ продължават, скоро може да се наложи да приемем, че повторна връзка с него няма да има. Добрата новина е, че той има апарат близнак („Вояджър 2“), който също прекоси хелиопаузата, но шест години по-късно, въпреки че е изстрелян с две седмици по-рано от „брат“ си. Причината е в различните орбити, по които се движат двете сонди. Комуникацията с него все още е възможна и това е известно успокоение за учените, които могат да продължат да изучават междузвездното пространство.

По следите на пътешествениците

„Нови хоризонти“ (New Horizons) може да се нарече съвременният последовател на апаратите „Вояджър“. Изстрелян през 2006 г., след 9-годишно пътешествие, преминало покрай Юпитер и Сатурн, той прелита близо до планетата джудже Плутон и луната ѝ Харон, давайки ни първите детайлни снимки на тяхната повърхност. Заснети са и по-малките спътници на Плутон – Стикс, Никс, Керберос и Хидра.

След този успех мисията е удължена и новата цел е изследване на обектите от Пояса на Кайпер – област, сходна с астероидния пояс между Марс и Юпитер, но с много по-големи размери, като повечето обекти в него са от замръзнал метан, амоняк или вода. Там се намират и планети джуджета, сред които е Плутон.

Нови данни, получени от инструмент, броящ и измерващ частиците прах, сочат, че поясът на Кайпер всъщност е много по-обширен. До момента се предполагаше, че той се простира до около 50 AU (AU – астрономически единици, средното разстояние между Земята и Слънцето, или приблизително 150 млн. км). Но изглежда, че той достига 80 AU или дори още по-далеч. За да подкрепят данните, получени от апарата, астрономите използват и телескопски наблюдения, за да търсят обекти, чийто сблъсък може да е причина за образуването на този прах. Сред предложените хипотези е частиците да са от лед, който все още не се е разсеял, или пък този прах да е избутан от слънчевия вятър по-далеч, отколкото се смята за възможно.

Учените са развълнувани от откритието, тъй като това може да доведе до установяването на нова група обекти в Слънчевата система. Към момента мисията е удължена до напускането на Пояса на Кайпер, което се очаква между 2028 и 2029 г. Но най-вероятно научната работа с апарата ще продължи и ще започнат наблюдения на района около хелиопаузата, а може би и след нея. Според данните в момента наличната енергия ще е достатъчна за нормалната му работа за още поне 15 години, така че, ако не стане нещо непредвидено, апаратът ще продължи да ни съобщава какво се случва в периферията на Слънчевата система.

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-klimatichni-izmeneniya-fotosinteza/

Застудяване, причинено от затопляне

В началото на годината северните географски ширини бяха изложени на студена вълна, която доведе до нарушения в транспорта, затваряне на мостове и спиране на работата на редица институции. В северното шведско село Квикьок отчетоха –43,6°C – температура, която не е измервана през януари в последните 25 години. Застудяването не беше ограничено до скандинавските страни. В по-северните части на Европа температурите също паднаха осезаемо – в Москва температурата достигна –30°C, а в Санкт Петербург беше обявен оранжев код за опасно време. Сходна ситуация се наблюдаваше и в Северна Америка с няколко счупени рекорда за ниски температури в Канада. Междувременно във Великобритания, Франция и Германия имаше наводнения и силни ветрове, които нанесоха щети на инфраструктурата и наложиха евакуация на хора.

Тази ситуация може да ни изглежда нехарактерна и дори да бъде причина за изказване на съмнения относно промените в климата. Субективно обяснение за случващото се е, че зимите вече са по-топли от обичайното и ние сме отвикнали от студеното време, което в крайна сметка е характерно за сезона. Но феноменът на внезапното застудяване има и научна основа.

Северните полярни вихри са силни въздушни течения над Северния полюс, локализирани в тропосферата, най-долния слой на атмосферата, който обитаваме, и в стратосферата, слоя над тропосферата. Въпреки че полярните вихри в различните слоеве са две отделни явления, те често взаимодействат и влияят върху климата. Тропосферният полярен вихър се характеризира с ветрове, наричани джетстрийм, или струйно течение, които оформят граница между по-студения северен и по-топлия южен въздух над северните ширини на Европа, Азия и Северна Америка. Стратосферният полярен вихър е концентриран над полюса и представлява кръгообразен поток. Той е най-силен през зимата и с въртенето си задържа студения въздух там, за да не се спусне на юг.

Но понякога двата потока се смесват – щом тропосферният вихър се затопли повече от обичайното, въздухът преминава към стратосферата и нарушава движението на стратосферния вихър. Ако смущението не е голямо, системата успява да компенсира и да се върне към равновесие. В други случаи настъпва т.нар. внезапно стратосферно затопляне, при което полярният вихър в стратосферата се забавя много и вместо един силен централен поток образува няколко по-малки и по-слаби потока. Това нарушава формата на полярния джетстрийм и води до образуването на въздушни меандри от студен арктичен въздух, които се разпростират далеч на юг.

Това е ключова причина и за изключително студения февруари през 2021 г., когато арктичният въздух стигна чак до Тексас и причини смъртта на поне 700 души и щети за над 200 млрд. долара. 

За съжаление, този феномен най-вероятно ще започне да става по-чест поради затоплянето на полюсите. Покачването на температурите в региона на Арктика е почти четири пъти по-високо от това в глобален мащаб за периода 1979–2021 г. В някои региони на Баренцово море затоплянето е още по-рязко и надвишава между пет и седем пъти глобалното за периода 1981–2020 г.

Климатът на планетата е сложна система, съставена от множество елементи, които работят в синхрон. При нарушаване на някой от тях (полярни вихри, Ел Ниньо, снежната покривка и количеството лед по полюсите) смущението не се отразява само на конкретния феномен, а се предава и към останалите, което води до самоподхранваща се каскада.

Дали процесът ще бъде наричан „глобално затопляне“, или „глобални климатични промени“, може би е по-скоро обект на лексикологията, отколкото на климатологията. Но както и да го дефинираме, той ще продължава и ще носи все по-непредвидимо време – било то резки застудявания, рекордни жеги, ураганни ветрове или наводнения.

Промените в климата променят хранителните мрежи, което влияе на климата – и така до безкрай

Със затоплянето на планетата пермафростът (вечно замръзналата почва, покриваща немалка част от земната повърхност) започва да се топи. Това е причина за освобождаване на големи количества от въглерода, запазен в него, което допринася за задълбочаването на проблема със затоплянето. Наред с това самият пермафрост започва да гние. Тази разлагаща се материя е нов източник на въглерод в хранителните мрежи, както и в новата размразена среда, в която вече може да се развива живот, но и над земята.

За да разбере повече за новосъздадените връзки, екип от учени се спира на няколко представители на фауната, обитаваща размразяващите се области на Аляска – два вида полевки, един вид земеровки и един вид паяци. Целта на изследването е да се определи дали има промяна в източника на въглерод в диетата на животните, дефиниран от авторите като „зелен“ – от растителни източници, или „кафяв“ – от микробиален произход (бактерии и почвени гъби).

Тъй като проследяването на хранителните навици на малките животни е изключително трудна задача, учените прилагат хитър подход – изследват специфичния изотопен състав на незаменимите им аминокиселини. Това са аминокиселини, които се синтезират от растения и микроорганизми, но не и от животните, поради което те трябва да ги приемат чрез храната си. Тази биохимична особеност помага за проследяването на движението на въглерода в хранителните мрежи.

За установяване на дълготрайните ефекти е анализиран колаген на земеровки и полевки. Пробите са събрани през 1991 и 2021 г. Краткотрайното влияние на затоплянето е наблюдавано върху две групи арктически паяци вълци: едната – в контролни условия, а другата – в специално устроена среда (мезокосмос) в която температурата е с 2°C по-висока.

Резултатите са впечатляващи – хищните паяци, хранещи се в по-топла среда, заменят около 27% от въглерода, който приемат, от растителен на такъв от гъбни хранителни мрежи, а процентът бактериен въглерод остава непроменен. При бозайниците се наблюдава сходно преминаване от растителен към гъбен произход. При всеядните червено-сиви горски полевки тази промяна е над 30%, а при хищните земеровки – над 40%. Това показва, че промяната в климата влияе на екосистемите и чрез реорганизиране на хранителните мрежи в тях, създавайки нови трофични пътища.

В случая разлагащата се материя в почвата дава храна за почвените гъби, които превръщат въглерода от недостъпни форми (лигнин, целулоза) в по-лесно усвоими, както и в други полезни вещества, например протеини. Те биват изядени от различни малки животни, като членестоноги и червеи, които са храна за други, и така древният въглерод, заключен в пермафроста, се връща в модерните хранителни мрежи, ставайки още един допълнителен източник, захранващ промените в климата.

По следите на фотосинтезата

Фотосинтезата е най-важният биологичен процес, протичащ на земята, и е в основата на всички хранителни мрежи. Способността да улавят енергия от слънчевата светлина, като я превръщат във форма, достъпна за други същества, прави фотосинтезиращите организми ключови за съществуването на богатото биоразнообразие и изобщо за живот на планетата.

Освен източник на енергия тя отключва и натрупването на кислород – фактор, без който развитието на сложни многоклетъчни организми би било невъзможно. Преди възникването на фотосинтезата, в атмосферата на планетата на практика е отсъствал свободен кислород. Предполага се, че съставът ѝ е бил основно от азот и въглероден диоксид с малки количества други газове (метан, водни пари и др.). Тъй като установяването на нивата на кислород е доста сложно и повишаването им е станало поетапно, е трудно да се определи точният първоначален момент. 

За осезаемото повишаване на концентрацията на кислород в околната среда е било нужно известно време, но настъпва момент, в който тя става токсична за анаеробните организми. Това събитие понякога се нарича кислородна катастрофа, тъй като се оказва пагубно за над 80% от живите организми, населяващи планетата по онова време. Към момента се предполага, че събитието е настъпило преди около 2,4 млрд. години, което се подкрепя от генетичните вариации в различните видове днес – метод, известен като молекулярен часовник. Според него фотосинтезата е възникнала преди около 3 млрд. години, което съвпада с появата на цианобактериите – свободно живеещи прокариоти, част от които продължават да съществуват независимо, а друга част стават ендосимбионти в клетките на микроскопични водорасли преди около 1–2 млрд. години, превръщайки се в добре познатите ни хлоропласти в съвременните фотосинтезиращи еукариоти. 

Въпреки че молекулярното датиране се приема за точно, липсата на преки доказателства за съществуването на фотосинтезиращи организми от този период донякъде поставя под въпрос доколко може да му се вярва в този случай. До момента само няколко микрофосила са определени като цианобактерии, повечето на базата на косвени доказателства. Само един – P. filiformis – със сигурност спада към тази група бактерии и е датиран на 1 млрд. години.

Но най-ранните сигурни данни за протичане на фотосинтеза доскоро бяха от фосили на 550 млн. години. В тях са открити характерните структури на тилакоидните мембрани. Тилакоидите се откриват в някои цианобактерии и в хлоропластите на растенията. Те представляват дискове, подредени в стълбчета (като монети), и увеличават площта на мембраните, върху които се разполагат комплексите от протеини, извършващи фотосинтезата.

Този сигурен белег за извършване на фотосинтеза е открит в новоописани микрофосили на цианобактерии от Канада и Австралия. След специална процедура за извличането им от каменния субстрат и нарязването им на много тънки срезове те са анализирани с помощта на електронен микроскоп, който е разкрил характерните слоеве на тилакоидите. Канадските фосили са датирани на около 1 млрд., а австралийските – на 1,7 млрд. години. Това измества най-ранното пряко доказателство за протичане на фотосинтеза с 1,2 млрд. години и ни доближава значително до началото на процеса.

Откритието, освен че е интересно само по себе си, дава информация и за момента, в който от общия предшественик са се обособили два вида цианобактерии – със и без тилакоиди. Според молекулярните данни това се е случило по-рано, така че търсенето на преходни фосили ще продължи. Точният момент е интересен за учените, защото една от хипотезите е, че появата на тилакоидите е направила процеса на фотосинтеза много по-ефективен, водейки до стремглавото покачване на нивата на кислород на планетата. Авторите предлагат методът да се използва за анализ и на фосили на водорасли и растения, за да се стесни предполагаемият период, в който се е състояла ендосимбиозата на фотосинтезиращите прокариоти.

Хриле или криле, крака или крила

Друга загадка на еволюцията е появата на крилата при насекомите – въпрос, по който се води дългогодишна научна полемика. Летящите насекоми са били първите животни, разпространили се в широки ареали, което им дало достъп до повече хранителни ресурси. Основните хипотези са за „летящата катерица“ и за „летящата риба“, в зависимост от това къде вероятно са живеели първите летящи насекоми – на сушата или във водата. Според първата хипотеза крилата произхождат от видоизменени крака, а според втората са възникнали от трахейните хриле, които са изходни отверстия на дихателната система при водните насекоми и имат малки образувания, подобни на крила. Сравнително нова „хибридна“ хипотеза е, че всъщност крилата са се развили от структура, образувана от сливането на крайници и хриле.

В подкрепа на всяка от трите (както и на техни алтернативи) може да се цитират много публикации, но едно от последните геномни изследвания показва връзка в развитието на крилата и хрилете при представител на разред Еднодневки. Заедно с водните кончета те имат морфология, много сходна с древните им предци, а освен това нимфите им живеят във водата, което налага наличието на трахейни хриле в началото на живота им. При анализа на данните се установява, че набор от гени, свързани с крилата, е много добре запазен при представителите на крилатите насекоми.

Интригуващо е и откритието, че транскриптомната програма (наборът от гени и последователността, в която се активират за провеждането на биологичен процес), отговорна за крилата, се състои от гени, които са част от други генни мрежи. Ако се групират по органи, най-близко са хрилете, споделящи 43% от гените, активни при формирането на крилата. При сравняване на тези общи гени с аналозите им в плодовите мушици (Drosophila melanogaster; класически моделен организъм) почти половината от тях имат ясна роля в развитието на крилата.

А в скорошна публикация на базата на фосили чешки учени показват как може да се е стигнало до образуването на крилата при вид, живял преди 300 млн. години. Находката е много интересна, защото са открити запазени следи от различни стадии на развитието на насекомото, което е позволило да се направи пряко сравнение между тях. Ларвите, приличащи малко на трилобити, имат структури, подобни на трахейни хриле, по периферията на тялото си, което предполага, че са живеели във водата. На трите сегмента, разположени най-близо до главата, се наблюдават сходни образувания, които при възрастните се превръщат в крила. Според авторите това е силен аргумент, че еволюционният произход на крилата е от протоструктури на хриле.

Не е ясно дали ще получим отговор на въпроса как са се появили крилата при насекомите, но е напълно възможно той да бъде съвършено различен от сегашните хипотези или да е странна комбинация между тях. Еволюционните процеси понякога са криволичещи и са истинско предизвикателство за учените, които се опитват да ги разберат. 

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-slunchogledi-dinozavri-rezultati-ot-prouchvaniya/

Какво гледат слънчогледите

Фототропизмът (растеж по посока на светлината) е механизъм, който се среща при повечето растения и е добре проучен. Основни за функцията му са специални молекули, наречени фототропини, които са чувствителни към светлина в синята част на спектъра. Те насочват растежните хормони към тази страна на растението, която е в сянка, и тя расте по-бързо. Това кара растението да се наклони на другата страна и така се насочва към светлината. 

Хелиотропизмът при слънчогледите (следенето на слънцето) е сходен и познат на всички феномен – сутрин питите се обръщат на изток, за да посрещнат слънцето, а през деня плавно се накланят на запад, към залеза. В началото на годината беше описано наличието на вътрешен часовник, който казва на слънчогледите, че изгревът наближава и е време да се обърнат и да отворят цветчетата си в очакване на насекомите, които ще ги опрашат. Но това е само част от процеса.

До момента се смяташе, че движението на растенията също е базирано на фототропини, което може да се окаже невярно. Това сочи нова публикация, която сравнява генната експресия при слънчогледи, отгледани в специализирани растежни стаи и на полето. В растежните камери те не се движат през деня, а растат директно към неподвижния светлинен източник, при което се активират само гени, свързани с фототропизма, докато в слънчогледите на полето се наблюдава експресия на напълно различни гени.

За да разберат дали спектърът на светлината има значение за хелиотропизма, учените са поставили специални засенчващи филтри над растенията, които спират само определена част от спектъра. Това не е повлияло на движението на питите, което най-вероятно значи, че процесът се базира на множество механизми, действащи в синхрон и активирани от различни дължини на вълната.

Въпреки че не дава отговор как точно работи механизмът за насочване към слънцето, публикацията показва, че процесът е по-сложен, отколкото се смяташе до момента, и описва нови начини, по които растенията реагират на светлината. Статията е интересна и защото от нея се вижда ефектът на контролираните условия – невинаги между полученото в лабораторията и реалните условия може да се направи паралел.

Следа в изчезването на динозаврите

Изчезването на динозаврите вследствие на сблъсък на гигантски метеорит със Земята преди около 66 млн. години е добре приета хипотеза. Тя е предложена през 1980 г. от геолога Уолтър Алварес и баща му, носителя на Нобелова награда за физика Луис Уолтър Алварес, заради което е наричана и хипотеза на Алварес.

Всички доказателства, налични към момента, сочат, че мястото на удара е 180-километровият кратер Чиксулуб, намиращ се в днешен Юкатан, Мексико, който тогава е бил плитко море с дълбочина от няколкостотин метра. Най-вероятно астероидът е бил с диаметър между 10 и 15 км, сходен по големина с по-малкия спътник на Марс – Деймос. Освен експлозия и огромни приливни вълни, ударът му бързо е предизвикал рязко понижаване на температурата, което е довело до измирането на мегафауната. Смята се, че вследствие на това са загинали около 75% от всички видове на планетата, като най-засегнати са били по-големите животни, особено тревопасните и хищниците.

Причината за спадането на температурите все още е обект на дебати. Една от водещите хипотези до момента беше, че изгарянето на частици в атмосферата е довело до многократно увеличение на концентрацията на серен диоксид в нея. Комбинацията със саждите от пожарите по цялата планета е довела до рязко намаляване на количеството слънчева светлина, което е понижило температурата. Възможно е обаче основната причина за тъмната зима, покрила Земята, да се окаже друга – фин прах, изхвърлен при удара.

Това показват резултатите от измерването на силикатни частици, отложени в находището „Танис“ в Северна Дакота. С помощта на лазернодифракционен апарат размерът на частиците е определен между 0,8 и 8 µм – многократно по-малък от предполагания до момента. Това е от значение както за разпространението им в атмосферата, така и за взаимодействието им със слънчевата светлина. Най-вероятно те са били и основният компонент на материала, изхвърлен от удара.

След въвеждането на тези данни в климатична симулация се установява, че частици с такъв размер могат да се задържат във въздуха около 15 години и в зависимост от сезона да понижат глобалната температура с 15–19°C. В комбинация със серния диоксид и саждите моделът е показал потенциал за спад с до 25°C, като най-вероятно температурите са се задържали по-ниски от тези преди удара в продължение на поне 20 години.

Според модела запрашването на въздуха е довело и до пълно спиране на фотосинтетичните процеси, като това най-вероятно е станало само в рамките на две седмици, причинявайки колапс на хранителните вериги. Кризата е продължила почти две години, а възстановяването е започнало от Южното полукълбо, което се доказва от по-малкия брой изчезнали видове там. 

Работата на палеоклиматолозите е трудна, тъй като нямат пряк поглед върху промените и трябва да правят изводите си въз основа на косвени доказателства. Но откритията им за предишни масови измирания и драстични промени в климата са важни, защото могат да ни помогнат да разберем по-добре процесите, протичащи в момента.

Борба с астероиди

Съдбата на динозаврите служи за напомняне, че опасността от подобни събития е реална, макар и малко вероятна. Само преди няколко месеца покрай Земята премина астероид 2023 NT1 с диаметър между 30 и 60 м. Той е прелетял изключително близо, на по-малко от 100 000 км от нас, което е около четвърт от разстоянието до Луната. Въпреки че не би причинил глобална катастрофа, размерът му е достатъчен да унищожи голям град при директен удар. Най-притеснителното е, че следенето на подобни по-малки обекти е трудно – 2023 NT1 е забелязан два дни след като е преминал покрай Земята. Той ще посети Слънчевата система отново през 2044 г., но този път на повече от 1 AU (разстоянието до Слънцето, или 150 млн. км), поради което е премахнат от списъка с потенциално опасни обекти.

Най-доброто решение за опасни астероиди е отклоняването им в нова траектория, която ги отдалечава от Земята. Но това е възможно само ако има достатъчно време. В случай че обектът бъде открит само дни преди сблъсъка, единственото решение е раздробяването му на малки парчета, които или ще подминат планетата, или ще изгорят в атмосферата. Въпреки че звучи като филмов сценарий, е научно издържано.

Това показват доводите, изложени от американски учени в скорошна публикация, предизвикана от преминаването на 2023 NT1. Според тях ракета, която е подготвена да бъде изстреляна в рамките на няколко часа, може да се използва за фрагментиране на астероида. Вариантите са да се действа с пасивни (кинетични) импактори, освободени под формата на облак към астероида, или с активни (експлозивни) импактори – това най-вероятно ще се наложи за някои по-плътни астероиди.

Ако астероидът е от камък (или агрегати), симулациите показват, че той може да бъде обезвреден с разбиване само ден преди удара, като е най-добре фрагментите да са поне 1000, за да може да се намалят ефектите върху атмосферата и да няма щети на повърхността на Земята. При плътни метални астероиди парчетата трябва да с по-малък размер и по-разпръснати, за да се избегне припокриване при изгарянето им.

Отклоняването на астероид с размерите на 2023 NT1 също е възможно и за това ще е нужен само кинетичен импактор с тегло 100 кг, но той трябва да бъде изстрелян няколко дни преди удара. Затова учените смятат, че при предупреждение от около седмица фрагментацията е по-подходящ метод. Тези симулации се базират на данните от сондата DART на NASA, която се сблъска с астероида Диморфос.

Към момента повечето програми за наблюдение и ранно известяване са американски с европейско партньорство. Поради това е най-вероятно и първите противоастероидни ракети да бъдат разработени там. Въпреки това, ако времето за реакция е кратко, местоположението за изстрелване на ракетата може да се окаже ключово, което предполага разполагането на подобен арсенал равномерно по цялата планета. Доколко това е възможно, е въпрос, на който по-скоро трябва да отговорят политиците. Учените показват, че имат решение, което е много вероятно да проработи.

Възпроизводимост в науката

Понякога и в контролирани условия е невъзможно да се повторят конкретни резултати. Тази тема се дискутира активно от дълго време, като се започне от областта на психологията, където е въведен терминът криза на възпроизводимостта. Основната причина са ограничените финансови средства, отпускани за изследвания, чиято цел е да повторят публикувани вече резултати.

В повечето случаи се разчита на изготвянето на проекти със силна „история“, а данните понякога остават на второ място. Донякъде това се дължи на натиска за постоянно публикуване, на който са подложени учените, а отрицателните резултати се приемат изключително трудно от научните издания. Но след като изследванията са вече публикувани, е много трудно да бъдат оборени и тъй като често става въпрос за репутация и его, възниква напрежение между авторите на първоначалните статии и тези, които не могат да повторят резултатите и да публикуват откритието си. Това води до погрешното впечатление, че единични изследвания са абсолютната истина по даден въпрос, а всъщност те са малка част от големия научен пъзел.

Ново проучване представя интересен поглед към проблема и показва колко важно е как ще бъдат обработени данните. То е достъпно в предпечатна версия и все още не е рецензирано, но с оглед на подхода към анализа заслужава да се обсъди, затова и редица публикации обърнаха внимание на представените резултати.

Авторите дават два набора данни на 146 учени в областта на екологията и еволюционната биология. Данните са свързани с два въпроса: доколко размерът на сините синигери се влияе от конкуренцията с другите малки в гнездото и дали тревната покривка пречи, или помага на евкалиптовите фиданки да прорастват. Получените 137 отговора (някои са работили в екип) са многозначителни.

Повечето от 74-те резултата, получени от първия набор данни, показват негативен ефект – колкото по-голяма е конкуренцията в гнездото, толкова по-малки са пиленцата. Но от тези 74 само половината смятат резултата за убедителен. Пет от отговорите са, че данните не показват ясна връзка между двата фактора. А според други пет конкуренцията в гнездото няма ефект. По-ярко разграничаване има при евкалиптовите фиданки. От 63 отговорили 6 откриват позитивен ефект от наличието на тревна покривка, 18 – негативен, а 8 не са сигурни в ефекта. Най-голямата група отговорили смята, че между двете няма връзка.

След получаването на резултатите те са дадени на трета група, която е симулирала рецензионния процес. При него резултатите, показващи най-голям ефект от тревната покривка върху евкалиптовите фиданки, са отхвърлени, но това не променя съществено анализа. При синигерите дори и най-крайните резултати са одобрени. Това показва колко голямо влияние имат подходът при обработка на данните и използваните статистически методи. Особено в биологията, където данните често са изключително хетерогенни, дори малки промени в анализа могат да доведат до абсолютно различен резултат. И въпреки че статиите преминават през рецензиране, това не е гаранция, че статистическият подход ще бъде оценен подобаващо.

Изследването е вдъхновено от друго проучване, при което на 29 екипа, работещи в областта на социалните науки, е даден набор от данни, свързан с цвета на кожата на футболисти и броя червени картони, които получават. Въпреки че 20 от групите откриват статистическа връзка между двете – медианата на вероятността тъмнокож играч да получи картон е около 1,3 пъти по-висока, – абсолютната им стойност варира в широки граници. И както авторите отбелязват, ако всеки един от тези 29 резултата се публикува като отделна статия, изводите може да са коренно различни – от пълна липса на връзка между двете до много силна, с вероятност почти три пъти по-висока в сравнение с играч със светла кожа.

Разпределената обработка на данните не е възможна винаги и крие своите рискове, така че най-вероятно ще остане по-рядко използван подход. Въпреки това, както отбелязват и авторите на изследването с футболните данни, е добра идея да се прилага, когато решенията засягат законодателни промени и други свързани процеси.

Но всичко това не трябва да се приема като сигнал, че науката не работи и не следва да се вярва на резултатите и експертите. Тази дискусия показва, че научният подход работи дори когато е приложен върху себе си. Основният извод за широката публика е, че единични изследвания не трябва да се приемат за абсолютен факт и не е лошо да сме мнителни към шокиращи заглавия в медиите. Това е особено важно при теми като здраве, хранене и икономика, в които сензационните новини не са рядкост.

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-nobelovi-nagradi-2023/

Октомври идва с вълнуващи новини от научния свят, свързани с обявяването на Нобеловите награди – едно от най-престижните признания за учените и своеобразно тържество на познанието, което ни позволява да надникнем в лабораториите и да разберем върху какво работят изследователите. 

По традиция лауреатите се обявяват в началото на октомври, а церемонията за връчване на наградите ще се проведе на 10 декември – датата на смъртта на техния учредител Алфред Нобел.

Медицина/физиология

Наградата за медицина/физиология е присъдена на Каталин Карико и Дрю Вайсман за работата им по модификацията на нуклеозиди, която промени изцяло разбирането ни как информационната РНК (иРНК) взаимодейства с имунната система. Това откритие даде път за разработката на първите иРНК ваксини срещу COVID-19 през 2020 г.

Преди пандемията от 2019 г. създаването на ваксини беше дълъг и труден процес, свързан с доста технологични стъпки. Класическият подход е използването на инактивиран вирус, който не е патогенен, но може да бъде разпознат от имунната система. С напредъка в молекулярната биология и биотехнологиите са разработени ваксини, съдържащи само отделни вирусни компоненти, което драстично намалява риска от грешка в производството и от заразяване на ваксинираните. За целта се взема генетичната последователност, кодираща частта на вируса, към която учените искат да създадат имунитет (най-често капсидната обвивка на вируса), и от нея се синтезира т.нар. рекомбинантен протеин. Този тип ваксини се понасят много добре от организма и може да се прилагат и при хора с отслабена имунна система. Техен недостатък е нуждата от реимунизации.

Друг вид са векторните ваксини – при тях се използва вирус, който е „обезвреден“ чрез премахване на патогенната му способност, и в него е вмъкната генетичната последователност, описана по-горе. След като този вирус ни „зарази“, в клетките ни започват да се произвеждат части от капсида на вируса, срещу който е ваксината. Пример за това е вече добре познатата ваксина на AstraZeneca срещу COVID-19. Въпреки впечатляващите подобрения в технологиите за бързото производство на обеми, достатъчни за справяне с пандемия, са нужни сериозни мощности, които не бяха налични през 2020 г.

Информационната РНК е „матрицата“, по която се изработват протеините в човешкото тяло (както и в почти всички живи организми на планетата). Технологиите за получаване на иРНК в лабораторни условия без използването на клетки (инвитро транскрипция) започват развитието си през 80-те години на миналия век. Още тогава се появяват идеи за приложението на синтетична иРНК в медицината, но учените срещат спънка: клетките на гостоприемника дават силен възпалителен отговор. Въпреки това Карико още тогава смята, че иРНК има терапевтичен потенциал, и когато се запознава с нов колега в Университета на Пенсилвания – имунолога Дрю Вайсман, започва сътрудничество, което ще се окаже много продуктивно.

Един от обектите, към които Вайсман проявява интерес, са дендритните клетки – те са част от имунната система и имат роля при активацията на имунен отговор към ваксини. След като започват да работят заедно, Карико и Вайсман откриват, че тези клетки имат очаквана реакция към стандартната инвитро иРНК, но не и към иРНК от бозайник, която приемат без проблем. Една от спецификите на втората е, че някои от съставните ѝ части са модифицирани. След като правят химична модификация в една от нуклеозидните бази на синтетичната иРНК, сходна с тази при бозайниците, възпалителният отговор на дендритните клетки почти изчезва. Двамата учени осъзнават, че това е липсващото парче от пъзела и потенциалът за терапевтично приложение може да се разгърне. В последващите им разработки се установява, че количеството на отделените протеини в клетките се увеличава вследствие на модификацията. Скоро след публикуването на тези данни започва разработването на иРНК ваксини срещу зика и MERS-CoV.

Това се оказва ключово при избухването на епидемията от COVID-19, защото технологията позволява бързо да се разработи ваксина срещу вируса. Само година след началото на пандемията резултатите са впечатляващи – 95% ефективност на защитата. Успехът потвърждава тезата на Карико, че иРНК терапиите могат да бъдат незаменими в медицината въпреки скептицизма на немалко нейни колеги, и дава поле за пълното разгръщане на потенциала им. BioNTech – компанията, разработила първата одобрена иРНК ваксина (срещу SARS-CoV-2), в момента работи по осем нови (сред тях срещу инфлуенца, туберкулоза и малария), а в Moderna, другата компания с иРНК ваксина срещу заболяването, също тече активна развойна дейност върху над 20 различни терапии.

Освен срещу вируси, технологията позволява да се създадат ваксини и срещу бактерии, както и срещу някои видове ракови заболявания. Изследва се и възможността за удължаване на теломерите, чието скъсяване може би има връзка със стареенето. Възможността за вмъкване на иРНК и синтез на нови протеини съдържа огромен потенциал, който предстои да бъде използван в пълен мащаб. Много е вероятно откритието на Карико и Вайсман, което вече заслужено се описва като историческо, тепърва да донесе много изненади.

Физика

Наградата за физика е присъдена на Пиер Агостини, Ференц Краус и Ан Л’Юийе за внедряването на нови подходи за изследване на света на електроните в атомите и молекулите. Тримата учени са открили начин за излъчване на изключително къси импулси светлина, които могат да се използват за мигновените процеси на движение на електроните или за преминаването им в различни енергийни нива.

Човешкото възприятие е сравнително бързо – зрителната ни система може да различи отделни премигвания на светлина с честота между 50 и 90 Hz. При птиците зрението е още по-развито, като един от рекордите е при жалобната мухоловка, която може да различава светлинни импулси с честота, достигаща 145 Hz, почти три пъти по-бързо от нас. Това е и една от причините гълъбите, които стоят на пътя ни, да излитат в последния възможен момент. Тяхното зрение е толкова бързо, че за тях ние се движим на забавен каданс. Най-вероятно има и доза мързел и арогантност.

Но дори и за жалобната мухоловка движението на електроните ще бъде абсолютно размазано и неясно. При тях промените стават за части от атосекундата. Атосекундата е с продължителност една квинтилионна от секундата (10^-18) – толкова кратка, че в една секунда се съдържат толкова атосекунди, колкото секунди са изминали от създаването на Вселената при Големия взрив преди 13,8 млрд. години.

Тази скорост кара Вернер Хайзенберг (известен с принципа на неопределеност) да изкаже през 1925 г. мнението, че светът на електроните ще остане недостижим за науката. Все пак технологиите напредват и през 80-те години на миналия век са изобретени лазери, които могат да произвеждат импулси с продължителност от порядъка на фемтосекунди (в една фемтосекунда има 1000 атосекунди), с помощта на които може да се наблюдава движението на „тежките и бавни“ атомни ядра.

През 1987 г. Ан Л’Юийе открива, че при преминаването на светлината от инфрачервен лазер през инертен газ се получават много обертонове на светлината – всеки от тях с по-бързо трептене от основната честота на лазера, подобно на обертоновете при струнните инструменти. Това се дължи на взаимодействия на светлината с атомите на газа, придаващи на електроните в тях допълнителна енергия, която впоследствие се излъчва като светлинни вълни. При определени условия те се наслагват, като усилват интензитета на лазерната светлина и я карат да пулсира с период от няколкостотин атосекунди.

Благодарение на продължаващата работа на изследователката през 2001 г. Пиер Агостини успява да получи пулсираща светлина в порядъка на атосекунди. Екипът му постига това, като раздвоява лазерния лъч. След като единият новополучен лъч се пропусне през интернет газ, той започва да пулсира. При събирането на двата лъча получените импулси са с продължителност 250 атосекунди. Междувременно, избирайки различен експериментален подход, Ференц Краус успява да изолира единичен светлинен импулс с продължителност 650 атосекунди, използвайки го да проследи как електроните се отделят от атомите.

Благодарение на постиженията на лауреатите вече можем да наблюдаваме някои изключително бързи процеси в ядрата на атомите – нещо, което доскоро беше невъзможно. За момента изглежда, че основното приложение на откритията ще бъде във фундаменталната наука за изследване на движението на електроните между атоми и изучаване на протичането на химични реакции на атомно ниво. Въпреки това потенциал има и за приложната наука и технологиите. В електрониката биха могли да бъдат използвани за изучаване и контролиране на движението на електроните в даден материал, което би било полезно за производството на по-добри полупроводници. С помощта на атосекундните импулси може да се определят и най-различни молекули, което би имало приложение във фундаменталните и приложните изследвания, както и в медицината.

Химия

Третата присъдена награда е в областта на химията, където победители са Мунги Бавенди, Луис Брус и Алексей Екимов за откритието и синтеза на квантовите точки. Те са изключително малки полупроводникови частици с диаметър от няколко нанометра. Благодарение на тези малки мащаби при тях се проявяват квантови ефекти, които им придават подобрени електрически и оптични свойства. При осветяването им квантовите точки излъчват ярка светлина, чийто цвят зависи от размера на частиците – по-големите излъчват по-червена, а по-малките – по-синя, което позволява с регулиране на размера им да се контролира цветът на светлината, която излъчват.

За възможността за възникване на квантови ефекти в зависимост от размера на частиците учените предполагат още от откриването на квантовата механика. Въпреки че в лабораторни условия може да се създават материали, покрити с тънкослойни квантови точки, за това се изискват изключително висок вакуум и много ниска температура, което е пречка за индустриалното производство.

Първият пробив е в началото на 80-те години на миналия век, когато Екимов установява, че при вариране на температурата и времето за нагряване при добавяне на меден хлорид, в стъклото се получават частици с различен размер, които променят цвета му. Това донякъде е вдъхновено от древните стъклари, които влагат различни метали в разтопеното стъкло, за да му придадат различен цвят. Няколко години по-късно, без да знае за експеримента на Екимов, Луис Брус успява да постигне същите квантови ефекти при частици кадмиев сулфид, които са свободно суспендирани в течност.

Третият лауреат – Мунги Бавенди, постдокторант в лабораторията на Брус, започва работа върху възможността за създаване на квантови точки с прецизни размери. До момента получените размери са случайни и няма как да бъдат използвани в практиката. Бавенди открива, че прецизното контролиране на температурата по време на нарастване на кристали от кадмиев селенид позволява да се регулира скоростта на нарастване и съответно размерът им. Тази технология се оказва решение за създаването на нанокристали с много равномерна форма и размер, които може да се вложат в производството на различна техника.

В момента квантовите точки се използват за създаване на по-добри светодиоди (на тях се базират QLED дисплеите), на прозорци, които са и слънчеви панели, а в областта на биохимията и медицината – за наблюдение на специфични тъкани и органели. Както и при другите наградени открития, учените считат, че това е само началото и то тепърва ще има принос за развитието на много нови технологии, като гъвкава електроника, по-малки сензори, по-тънки слънчеви панели и подобрения в квантовата криптография.

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-gmo-i-globalno-zatoplyane/

Промяна на ГМО хоризонта

През последните 10–15 години възможностите за редактиране на генома на културните растения се разшириха значително и учените вече имат по-прецизни и по-лесни за употреба инструменти, като ZFNs, TALENs и най-новия CRISPR/Cas9. Тези методи са основата на т.нар. нови геномни техники (НГТ) и бяха в своеобразна сива зона в Европа, защото нямаше пълна яснота дали растенията, получени с тяхна помощ, попадат в категорията на „класическите“ ГМО.

С решение на Съда на Европейския съюз от средата на 2018 г. бе установено, че към новите геномни техники ще се прилага съществуващото законодателство за ГМО. Въпреки че позицията на повечето учени, включително от Европейския орган за безопасност на храните (ЕОБХ), е, че те са по-безопасни от старите методи за генетични манипулации, това решение донякъде не беше изненада поради традиционно консервативния подход на ЕС в тази област.

Но ситуацията може да се промени – след проучване на НГТ Европейската комисия предлага преразглеждане на сегашните регулации и облекчаването им за някои растения. В предложението се въвеждат две категории, в които ще попадат растенията в зависимост от вида, броя и размера на генетичните модификации на генома.

Категория 1 ще покрива растения с промени, които може да се срещнат в природата или да се постигнат с традиционните техники за селекция. Това ограничава потенциалните промени до насочена мутагенеза (промяна на конкретни участъци от ДНК, в повечето случаи с цел инактивиране на гени) и цисгенеза (прехвърляне на генетичен материал от два близкородствени организма).

Преди пускането им на пазара те ще минават през процедура на верификация, но тя ще бъде значително облекчена и ускорена, а след това растенията ще бъдат третирани като получени от конвенционална селекция. Все пак при съществени промени на състава и хранителните им качества ще попадат под регулациите за нови храни в ЕС и ще минават за одобрение през ЕОБХ.

Може би най-спорната част е НГТ произходът да бъде означен само на семената, използвани от земеделците, а всички продукти, които стигат до крайния потребител, да бъдат разглеждани като конвенционални. Все пак тези растения няма да могат да се сертифицират като „органични“, което донякъде ще ги различава. Най-вероятно обект на възражения ще бъде и условието, че отделните страни членки няма да могат да забранят полските опити и отглеждането на тези растения.

В предложението се говори и за проследяемост, но е интересно как ще бъде реализиран този процес, защото за разлика от по-старите методи за намеса в генома, промяната с помощта на НГТ е недоловима.

За останалите растения (категория 2) ще продължат да важат сегашните регулации за ГМО. Тук ще се включват трансгенетичните растения (с вмъкнато ДНК от различни организми), растенията с екстензивни редакции и някои други изключения.

Предложението за промяна идва в динамичен момент в глобален мащаб. От особена важност е въвеждането на нови сортове, които ще са ключови за изхранването ни на фона на настъпващите климатични промени. Друг значим фактор е опасността от изоставане в сферата на генетичните редакции както в научен, така и икономически аспект. Регулациите за този тип генетични редакции са значително по-облекчени в САЩ, Индия, Китай, Великобритания и редица други държави, което прави развитието на иновации в сферата по-лесно и по-изгодно. В документа се споменават също пандемията от COVID-19 и войната в Украйна, разкрили външните зависимости на Европа.

Очаквано, научните среди и биотехнологичните компании приемат новината добре. Според оценката на ЕК промяната в регулациите би спестила милиони евро годишно и така разработването на нови сортове ще стане по-достъпно, а административните разходи ще намалеят. В подкрепа на предложението за облекчаване на регулациите е и организацията EU-SAGE („Устойчиво земеделие чрез генетични редакции в Европа“), в която членуват учени от над 150 европейски института, три от които български.

Редица организации се противопоставят със становището, че промените ще влошат качеството на храната. Има също опасения, че селекцията на нови видове ще бъде консолидирана в ограничен брой биотехнологични гиганти, което ще доведе до по-високи цени на семената, и ще бъде ограничена свободата на фермерите. Събрани са и над 400 000 подписа в петиция, която според организаторите ѝ ще покаже преобладаващото негативно мнение на жителите на ЕС.

В процеса на обсъждане най-вероятно ще настъпят промени в детайлите, но след като бъдат приети от ЕК, новите правила ще трябва да бъдат гласувани и в Европейския парламент, където също се очаква да има разгорещени дебати. Важното е, че дискусията е започнала и има възможност да се стигне до решение, което да е в крак с промените – както климатични, така и научни.

Планетата се затопля

За съжаление, глобалните климатични промени не чакат обсъжданията. В няколко поредни юлски дни бяха счупени температурните рекорди и се очаква 2023-та да е най-горещата година от последните над 200, в които се правят точни измервания. Ако се включат и палеоклиматичните данни, този период може да достигне 120 000 години.

Справка в поддържания от Университета на Мейн Climate Reanalyzer показва, че средната глобална температура е достигнала 17,23°C на 6 юли. Един от рекордите е потвърден и от Европейската услуга за проследяване на климатичните промени, в която се използват данни от спътниците „Коперник“. Учените отбелязват, че това може да е вследствие на времето в Южното полукълбо и потока от необичайно горещ въздух над части от Антарктида, но промените са отчетени и в много други точки на света. В алжирския град Адрар температурата не е паднала под 39,6°C дори и през нощта. А след два смъртни случая в Пекин поради високите температури, в редица градове в Китай бяха отворени бомбоубежищата и бе забранена работата на открито.

Една от основните причини за високите температури е Ел Ниньо – топлата фаза на Южното колебание, чийто интензитет този път е особено висок. Това донякъде беше очаквано заради нехарактерно голямата продължителност на предхождащата студена фаза (Ла Ниня). Тъй като пикът на топлата фаза обикновено е между ноември и януари, се очаква ефектът му да се засили през идните месеци, като не е изключено да продължи и по-дълго от обичайното, както стана и при предхождащата Ла Ниня.

За интензитета на Ел Ниньо е ключова температурата на океанската вода, защото при него само се прехвърля топлина от океана към атмосферата. А океанът се затопля – според данни на Европейската услуга за проследяване на климатичните промени температурата на океана през юни е с 0,91°C над средната за периода 1979–2023 г. и с около 0,5°C по-висока от предишния юнски рекорд, отчетен през 2010 г. Особено топли са североизточните части на Атлантика, където температурите са достигнали 1,36°C над средното.

Поради затоплянето на горните слоеве на океана, изкачването на студената вода от дълбочините се забавя и се образува своеобразна възглавница от топла вода. Така топлината, която океанът е поел през трите години на Ла Ниня, сега се освобождава. Този фронт предизвиква и повече гръмотевични бури, което допълнително затопля атмосферата.

Високите температури са само едно от следствията на глобалните климатични промени. Водният цикъл на планетата също се влияе и променя по опасен начин. Испания е засегната от суша, която може да се окаже рекордна за последния век с 36 последователни месеца с валежи по-ниски от средната стойност. Съчетано с високите температури, това вещае катастрофална година за земеделците. Проблеми има и с питейната вода. Нивото на язовира Sau Reservoir в Каталуния е едва на 7% от капацитета му през април. Това е наложило и премахването на рибата от него, тъй като водата вече е била негодна за живот. На този фон наводнения в Индия засегнаха над половин милион души, като проливните дъждове са довели до преливането на река Беки и евакуацията на около 14 000 души. Наводнения с жертви имаше и в Япония и Турция.

В Канада бушуват опустошителни горски пожари, димът от които покри северните части на САЩ. Изгорели са над 9 млн. хектара – два пъти повече от обработваемите площи в България, а властите предупреждават, че тази година опасният сезон ще е по-продължителен. Мащабите са безпрецедентни и освен че имат унищожителни последици, пожарите ще влошат дългосрочно климата – въглеродните емисии са много по-високи от предходни години, а кумулативната топлина, отделена от огъня до момента, е почти два пъти повече, отколкото за цялата рекордна 2022 година. Най-вероятно ранното начало на сезона на пожарите се дължи на нехарактерните и дълги суши, комбинирани с необичайно високи температури. В началото на юли в северните части на провинция Квебек температурата е достигнала 34°C.

Промените са пагубни за всички обитатели на планетата. Затоплянето на океана, особено когато е рязко, както по време на Ел Ниньо, влияе зле и на обитателите му, и на птиците, които се хранят с тях. Ефектът от това не е незабавен, а може да се наблюдава след един до шест месеца според изследване на американски учени. Обобщени са данни от четири проекта за обследване на плажове, в които обучени доброволци броят мъртвите птици в конкретен участък.

Причините за смъртта на птиците са разнообразни, но повечето са свързани с променящите се екосистеми. Най-честата причина е промяна във видовия състав и размера на популациите в местата, в които те се хранят, водещо до гладна смърт. С промяната на самия океан е очаквано да настъпят промени и в организмите, които го обитават. Според авторите на статията мащабът на тези промени е голям и може да става въпрос за над милион загинали птици в периода 2014–2019 г. По-топлите води са добра среда за развитието на алги, които може да бъдат токсични за животните.

Топлинните вълни имат негативно влияние и върху насекомите. Ако температурата се повиши за три дни по време на възпроизвеждане, броят на потомството намалява двойно, а вероятността от успешно оплождане спада със 75%. Драстично спада и вероятността младите насекоми да оцелеят. Интересното е, че ако периодът на висока температура е малко преди или след периода на интимност, негативното му влияние е почти незначително. Резултатите от това изследване са важни, тъй като насекомите са основна част от хранителните вериги и над 89% от цъфтящите растения се опрашват от тях. В скорошна публикация е изказана хипотезата, че първите цъфтящи растения са били опрашвани от насекоми, а разпространението на полен с вятъра се е появило на по-късен етап.

Учените сигнализират за опасността от климатичните промени от десетилетия, но взетите мерки, изглежда, са твърде късни или недостатъчни. Протоколът от Киото и последващото Парижко споразумение дават рамка на световните правителства за намаляване на емисиите, но не е ясно дали те ще бъдат достатъчни. Планетата има известен буфер, най-вече в Световния океан, за поемане на допълнителна топлина, но той започва да се изчерпва и сме на ръба на събития, които ще бъдат каскадни и необратими. Въпреки че някои са скептични относно антропогенния характер на случващото се, то е факт и пред нас стоят множество проблеми, за които ще трябва да се намери решение.

Заглавно изображение: Язовир Sau Reservoir в Каталуния, заснет на 13 март 2023 г. Нивото на водоема е спаднало драстично оттогава. Снимка: European Union, Copernicus Sentinel-2 imagery

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-koteshki-populacii-sunyat-na-gulubite/

Контрол на котешките популации

Антимюлеровият хормон (АМХ) е важен компонент в развитието на ембрионите при хората. Отделянето му в мъжките зародиши спира развитието на мюлеровите канали в женската репродуктивна система. При мъжете той се отделя от тестисите и нивата му са високи от раждането до началото на пубертета.

При жените е обратно – преди пубертета нивата на хормона са ниски, след това се повишават и започват да спадат бавно до достигане на менопаузата. Отделянето му става в яйчниците, и по-точно от фоликулите, образуващи яйцеклетките. Именно поради това измерването на количеството му е един от най-добрите начини за определяне на яйчниковия резерв – колкото повече от хормона може да се засече, толкова повече фоликули (и съответно потенциални яйцеклетки) са на разположение.

Един от страничните ефекти на химиотерапията е преждевременното изчерпване на яйчниковия резерв – най-вероятно поради повишеното активиране на фоликулите. В проучване върху мишки от 2017 г. учени са проверили ефекта на АМХ при приложението на няколко вещества, използвани в антитуморната терапия.

Резултатите показват категорично, че при умерено увеличаване на нивата на хормона броят на запазените фоликули е значително по-висок (между 1,2 и 2,9 пъти в зависимост от медикамента) при мишките, получавали АМХ, поради по-бавното им развитие. При още по-високи нива на хормона фоликулите в яйчниците се потискат напълно, което на практика води до стерилност на опитните гризачи.

Това лежи в основата на текуща разработка, която с помощта на методите за генна терапия и използването на вирусни вектори може да намери потенциално приложение за намаляване на популациите на бездомните котки. С помощта на аденовирус, използван за вектор, в мускулната тъкан на животните е вмъкнат модифициран ген за котешкия вариант на АМХ. Методът работи сходно на ваксините за COVID-19, използващи аденовируси за вмъкване на спайкпротеините в човешкото тяло с цел обучаване на имунната система и създаване на имунитет – подход, считан за безопасен и приложим в медицината.

Котките са понесли процедурата без забележими странични ефекти върху здравето им и експресията на АМХ е била увеличена. При два последващи 4-месечни периода на съвместно съжителство с мъжки (8 и 20 месеца след третиране) нито една от тях не е забременяла, за разлика от трите контролни котки, включени в изследването.

Според данните концентрацията на АМХ е намаляла с времето, но това не се е отразило на крайния ефект от третирането. В двете години, в които животните са наблюдавани преди публикуването на статията, не е забелязан негативен ефект върху тях. Дори важни хормони като естрогена не са се повлияли от потискането на развитието на фоликулите.

Най-вероятно стопаните на домашни любимци ще продължат да разчитат на хирургичната намеса, защото, освен преките ефекти, кастрацията има и други ползи. Поради хормоналните промени котките спират да се разгонват с всички свързани с това промени в поведението, като силно мяукане, изнервеност и маркиране. Важни положителни последици са също удължаването на живота и намаляването на риска от развиване на рак на млечните жлези и други заболявания.

За уличните котки стратегията може да се окаже изключително успешна, защото дори ефективността на терапията да намалее с времето, с няколко вълни на третиране популацията им може да се намали значително. Това би имало много положителни ефекти както за самите котки, чийто живот не е лек и обикновено е няколко пъти по-кратък от този на домашните, така и за екосистемите.

Котките са изключително ефективни хищници, които нанасят големи щети върху популациите на птиците и малките бозайници. Това, комбинирано с някои зоонотични заболявания, които те пренасят, прави възможността за бърза и лесна кастрация на голям брой котки изключително интересна както за групите за хуманно отношение към животните, така и за държавните институции, отделящи немалки ресурси за справяне с този проблем.

Какво сънуват гълъбите

Сънят е изключително важен процес, който се среща при повечето животни. При хората се наблюдават два типа сън – REM (с бързо движение на очите) и NREM (без бързо движение на очите). По време на първия мозъчната активност е висока и тогава сънуваме най-ярките си сънища, докато при втория активността е намалена и гръбначномозъчната течност (ликвор) циркулира около мозъка – предполага се, че това помага за прочистването му от вредни протеинови отлагания, някои от които свързани с развитието на заболявания като алцхаймер.

С помощта на инфрачервени камери, които следят зениците на птиците, и функционален ЯМР, проследяващ активността на мозъка, немски екип е установил, че при птиците протичат много сходни процеси. По време на REM съня в мозъка на гълъбите, включени в експеримента, са се активирали участъците, отговорни за обработката на визуална информация, включително тази по време на полет. Наред с тях активност е установена и в зоните, приемащи усещането за допир от тялото и крилете. Същото се е случило и в амигдалата, за която се предполага, че както при хората регулира емоциите.

Всичко това кара учените да изкажат хипотезата, че гълъбите имат визуални сънища, в които летят и изпитват емоции. В нейна подкрепа е и наблюдаваното рязко свиване на зениците им, което е характерно и по време на ухажване или при проява на агресия.

Но повишената мозъчна активност по време на REM съня може да има и някои странични ефекти. Невронната плътност при птиците е по-висока, отколкото при бозайниците, поради което почистването на натрупванията по мозъка трябва да е по-често и ефективно, отколкото при бозайниците. По време на REM съня се увеличава притокът на кръв в мозъка, което води до по-интензивно движение на ликвора около него. Изследователите смятат, че в комбинация с по-кратките и по-чести фази на REM сън това най-вероятно помага за премахването на вредни протеини от мозъчните тъкани.

Сигурно видът и съдържанието на сънищата при птиците ще останат ненапълно установени. Но дори горната хипотеза да не се потвърди, изследването дава много информация за съня при нова група животни и помага да се направят паралели между съня при птиците и хората. Това би могло да въведе гълъбите като моделни системи за изследване на процеси, които поради етични или други съображения не могат да се наблюдават при хората.

Иновации в сърдечната трансплантация

Вземането на органи за трансплантация от трупен донор обикновено се извършва по два начина – след мозъчна смърт на донора или след спиране на кръвообращението му. Първият е по-често срещан, защото въпреки загубата на мозъчна функция физиологичните процеси в тялото се поддържат и органите се запазват жизнени и в естествено състояние до момента на трансплантация. При спиране на кръвообращението настъпват редица усложнения, тъй като органите и тъканите не получават кислород, вследствие на което започват да се увреждат и сравнително бързо стават негодни за трансплантиране.

Поради това броят на такива операции все още е сравнително малък въпреки общия недостиг на донори. С напредването на медицинските технологии броят на органите, които могат да се използват след спиране на кръвообращението, нараства и прогнозата за успешна трансплантация се увеличава, като процедурата вече се прилага за пациенти с нужда от бъбреци и черен дроб. Доскоро това беше изключително трудно при сърцето, поради което се вземаха органи от донори само след мозъчна смърт.

Възможност за увеличаване на броя на потенциалните донори предлага използването на машина, която поддържа циркулацията и електрическите импулси в експлантираното сърце, т.нар. сърце в кутия. Това е сравнително нова технология и все още се прилага в малко клиники – донякъде защото доскоро нямаше данни за състоянието на пациентите, преминали през трансплантация на такива органи.

След публикуването на изследване, включващо 180 души, разделени на две групи (едните, получили орган от донор в мозъчна смърт, a другите – от донор след спиране на кръвообращението му), вече е известно, че почти няма разлика в успеваемостта на процедурата 6 месеца след провеждането ѝ. При първия подход, който се смята за рутинен, процентът живи реципиенти е бил 90, а при втория – 94. Не е имало съществена разлика и в развитието на сериозни странични ефекти 30 дни след трансплантацията и при двата типа процедури. Според авторите на изследването данните са достатъчно убедителни за внедряване на подхода в повече болнични заведения.

Тази техника ще е полезна и при по-често срещани трансплантации след мозъчна смърт. Традиционната практика е след експлантиране на органа той да бъде поставен в лед за транспорт. Това дава на екипа около 4 часа да стигне до реципиента, което ограничава разстоянието за получаване на органа. Ако сърцето е поставено в машината, то може да бъде поддържано по-дълго време и съответно да пътува по-далеч. Наред с това лекарите имат възможност да проверят дали органът функционира нормално, или има увреждания, преди той да бъде имплантиран, което повишава шанса за успешно протичане на процедурата.

Подобрен от AI алгоритъм за сортиране

Сортирането е важен процес в компютърните технологии, който намира най-различни приложения. Затова разработката и оптимизацията на алгоритмите, с които се извършва, е поле на активна изследователска дейност. Една от задачите е сортирането на малки набори, което от своя страна е част от алгоритмите, използващи разделяне на по-големите набори и сортиране „на порции“.

Въпреки че решенията, използвани в момента, са плод на дългогодишен труд, има възможност за подобрение. Нова разработка на подразделението на Google – DeepMind, успешно е оптимизирала алгоритми за сортиране, разработени от хора, като в някои случаи използваният подход е бил „неинтуитивен“ – с други думи, не е нещо, което би дошло на ум на човек.

AlphaDev е изкуствен интелект, базиран на шампиона по играта „го“ на DeepMind – AlphaZero. Използваният подход за обучение е с утвърждаване (reinforcement learning). При него програмата не получава предварителни знания, а с помощта на многократни итерации върху задачата и посочени награди и наказания тя намира най-подходящия начин за постигане на най-висок резултат, подобно на видеоигра. Именно такава дефиниция използват от компанията – игра на асемблер (най-базовия човешко четим език за програмиране). В нея резултатът се определя от времето за изпълнение на алгоритъма за сортиране – колкото по-кратко е то, толкова по-висок е резултатът.

След задаване на правилата AlphaDev започва своеобразна игра, променяйки части от алгоритъма за сортиране. При всяка промяна се отчита времето за изпълнение и дали полученият резултат отговаря на очаквания – ако се подадат числа в случаен ред, те трябва да бъдат подредени след сортирането. Всеки „рунд“ се оценява и сравнява с предишния, което определя дали ще бъде използван за основа на следващия, или ще бъде отхвърлен. В случая откритата оптимизация е възможността за премахване на една стъпка в алгоритъма за сортиране, което ускорява процедурата с до 70% при боравене с 5 елемента и с около 1,7% при над 250 000.

Според авторите подобни алгоритми се изпълняват трилиарди пъти всеки ден, поради което дори и най-малкото забързване ще допринесе за много спестено процесорно време. Разработката на AlphaDev е публикувана в журнала Nature, а оптимизираният алгоритъм вече е прехвърлен в стандартната C++ библиотека за сортиране и всички програмисти имат свободен достъп до него.

Интересен коментар за тази оптимизация дава потребителят Dimitris Papailiopoulos в Twitter. С две запитвания към GPT-4 той постига същия резултат без необходимостта от отнемащото време и ресурси обучение с утвърждаване. Донякъде задачата му е улеснена, защото вече има насока за начина на подобряване на алгоритъма, но все пак е показателно за напредналото ниво на технологията на OpenAI и потенциала, който крие. Възможност за бъдещи подобрения предоставя използването на изкуствен интелект, сходен на AlphaDev – така може да се откриват иновативни подходи, които не биха хрумнали на човек, а след това те да бъдат оптимизирани с помощта на GPT-4 или следващите му версии.

Заглавно изображение: Микроскопска снимка на стъбло на едногодишен бор, напречен разрез, 100х увеличение. Източник: BCC Bioscience Image Library, CC0 / Flickr

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-transplantatsiya-na-mitohondrii/

Трансплантация на митохондрии

Митохондриите са органели, отговорни за енергийните нужди на клетките, и се намират във всички човешки клетки, освен в червените кръвни телца. Поради произхода си (ендосимбионтни бактерии) те са запазили част от своя генетичен материал и имат хромозома, която при хората носи 37 гена, 13 от които вземат участие в енергийния метаболизъм. Бактериалният произход и някои други техни особености са причина геномът им да има значително по-високи нива на мутации в сравнение с ядрената ДНК. Това има два основни ефекта: понякога тези мутации водят до повреди в гените, а също и до получаване на хетерогенна популация в различните тъкани и клетки.

Децата получават митохондриите си почти ексклузивно от майките (има няколко описани случая на преобладаващи бащини митохондрии, но за момента се смята, че те са рядкост). Поради случайното разпределение на митохондриите създаването на потомство от майки с установени мутации поражда риск, тъй като има вероятност в яйцеклетките им да попаднат увредени митохондрии и децата да развият заболявания с митохондриална етиология. Обикновено те са свързани с органи с висока потребност от енергия, като мозък, сърце, мускулатура.

Потенциално решение за преодоляване на този проблем е т.нар. трансплантация на митохондрии. В момента има два основни подхода за извършване на процедурата. При първия се използват неоплодени яйцеклетки от здрав донор и майката. Ядрото от донорската клетка се премахва и в нея се прехвърля ядрото от майчината, където е останала цитоплазмата с митохондриите. След това се извършва оплождането със сперматозоиди от бащата. При втория подход и двете изходни яйцеклетки първо се оплождат, след което отново ядрото от едната зигота се прехвърля в другата. Въпреки че в крайна сметка децата наистина носят генетичен материал от трима „родители“, приносът на донора е около 1%, така че той не би следвало да има правни задължения (или права) към тях.

Методът все още има сравнително ограничено приложение, защото законовият му статус е неуточнен в повечето страни. Едно от първите съобщения е от американски лекар, който е извършил процедурата в Мексико. Известни са и екипи, които работят в Гърция и Украйна, но може би най-добре уредена е ситуацията в Обединеното кралство, където процедурата е одобрена през 2015 г., като всеки случай се разглежда от регулаторния орган Human Fertilisation and Embryology Authority (HFEA). След искане за достъп до информация журналисти от Guardian са получили отговор, че към края на април 2023 г. са родени по-малко от пет бебета с донорски митохондрии. Точният брой не е посочен, защото според организацията това би дало възможност децата да бъдат идентифицирани.

Въпреки че като цяло резултатите са обещаващи, не всички учени са съгласни с прилагането на терапията в този ѝ вид. И при двата метода не е възможно да се изключат напълно митохондриите от майката. Обикновено те са под 2% от всички налични в зиготата, което е малък процент, но все пак крие рискове. Вече има съобщения за бебета, при които е настъпила т.нар. реверсия – митохондриите на майката се намножават и достигат нива, носещи риск за активиране на заболяването.

В публикуваните данни се посочва, че в началните стадии, непосредствено след трансплантацията, пренесените майчини митохондрии са били под 0,8%, от общото съдържание, но при раждането те вече са били между 30 и 60%. И при двата известни случая трансплантацията на митохондрии е използвана за преодоляване на репродуктивни проблеми, така че повишението не представлява опасност за здравето на децата, но тези случаи са индикация, че преди масовото прилагане на терапията има технически недостатъци, които трябва да се преодолеят.

Новите подходи, особено в медицината, крият своите рискове, но дават и възможност за справяне с проблеми, които само допреди години са се считали за непреодолими. Темпът на развитие на технологиите предполага, че в недалечно бъдеще методът ще бъде прецизиран и ще може да се прилага рутинно без тревога за потенциални реверсии.

В тази връзка е интересно скорошното развитие в създаването на яйцеклетки от мъжки клетки при мишки. Първо кожни клетки са третирани по специфичен начин, за да се индуцира превръщането им в структури, сходни на стволови клетки. След това Y хромозомата в тях е премахната и е вмъкната още една X хромозома от друга клетка. Получените XX стволови клетки са имплантирани в органоид със структура на миши яйчник, след което развитите яйцеклетки са оплодени и имплантирани в сурогатни майки. Родените мишки са били жизнени и с нормална продължителност на живота, като някои дори са оставили потомство. За момента процедурата е сложна и с ниска успеваемост, но учените се надяват в рамките на няколко години да я усъвършенстват и да я приложат при хора, които имат репродуктивни проблеми.

С напредването на науката най-вероятно ще има възможност и за създаване на яйцеклетки от соматични клетки на майката, след като се проведе скрининг и се подберат само клетки, в които всички митохондрии са здрави. Така ще отпадне необходимостта от използване на донори и целият генетичен материал на децата ще бъде принос само на двамата им преки родители или на единия от тях.

Генетични редакции в селското стопанство

Листата на сарепската горчица имат кулинарно приложение, но поради горчивия си вкус, сходен с този на другите ѝ зелеви роднини, обикновено минават през термична обработка преди консумация, за да се намали силата му. Това е пречка пред използването им в суров вид въпреки по-високата хранителна стойност в сравнение с другите листни зеленчуци, от които обичайно се правят салати.

Биотехнологичната компания Pairwise предлага решение за този проблем с първия CRISPR редактиран хранителен продукт в САЩ. С помощта на технологията те са ограничили активността на ензима мирозиназа, който е свързан със защитната система на зелевите растения. Когато са изложени на опасност (например от насекоми), този ензим освобождава съединения, съдържащи сяра в структурата си (тиоли). Те бързо образуват нови молекули с циано- или нитрилна група, които са силно токсични за неприятелите. Именно тиолите (и сярата в тях) са причина за горчивия вкус и острия мирис на сарепската горчица. Понякога те са проблем и за тревопасните животни, поради което рапицата от същото семейство се използва за фураж с повишено внимание.

Компанията е получила разрешение от USDA през 2020 г., като сега смята да предлага салатен микс, в който има листа от сарепска горчица, на подбрани ресторанти и някои магазини. Освен по-високата хранителна стойност, друго предимство на тази култура пред останалите листни зеленчуци е и по-високият добив.

Това не е първият генетично редактиран продукт на пазара в глобален мащаб. През 2021 г. в Япония започна продажбата на домати със завишено съдържание на гама-аминомаслена киселина (GABA), която инхибира предаването на импулси между нервните клетки. Според компанията, създала тези домати, приемът ѝ помага за понижаване на кръвното налягане и намаляване на стреса.

За интересно приложение на CRISPR технологията съобщава и друг американски екип, съставен от учени от USDA, университетски изследователи и частни компании. Те успешно са създали говедо, което има повишена толерантност към вируса, причиняващ вирусна диария (мукозна болест). Това е заболяване, за което има множество ваксини, но въпреки това те невинаги успяват да го предотвратят, а предаването е много лесно, особено във ферми с по-голяма плътност на отглеждане. Болестта е особено опасна за бременните крави, защото намалява процента успешни раждания, а родените телета са носители на причинителя и в тях се наблюдава много висок вирусен товар.

За да проникне успешно в клетките на животните, вирусът се прикачва към един от протеините на тяхната мембрана (CD46). Използвайки тази информация, известна ни от почти 20 години, екипът е направил промяна в шест аминокиселини (от общо 361) на този протеин с помощта на Crispr-Cas9. Първо моделът е изпитан в клетъчни култури, а след потвърждаването му е било създадено генетично редактирано женско теле, наречено Ginger.

Редакцията не е променила съществено функционалността на протеина, така че той успешно продължава да работи нормално в клетките на животните, но вирусът вече не може да го използва за проникване в тях. След като е станала на десет месеца, Ginger е изложена на вируса чрез поставяне в съжителство с теле, което е негов носител и го отделя активно. Въпреки че той е открит в кръвта ѝ, вирусният товар е бил значително по-нисък и тя не е проявила симптомите, характерни за заболяването.

Тази разработка показва нов хоризонт пред генните редакции под формата на своеобразни перманентни ваксини, които могат да бъдат вмъкнати при създаването на нови породи. Възможността за прецизни редакции е изключително полезен инструмент, тъй като дори малка разлика в един ген може да доведе до големи промени в организма. Това е видно и от работата на учени от Женевския университет.

Биохимичните процеси в организмите протичат като последователност от химични реакции, наречена сигнален път (или биохимична каскада). В повечето случаи тези реакции са контролирани от активацията или спирането на действието на различни гени. В най-простия вариант са линейни и се активират от един ген вследствие на някакъв стимул, като всяка стъпка започва след края на предходната, но има и случаи, в които са разклонени, с много стъпки, които се влияят една от друга и са с различни активиращи гени.

Един от особено важните гени, контролиращи такива сигнални пътища, е Shh (Sonic hedgehog, Таралежът Соник), който взема участие в морфогенезата на централната нервна система, дробовете, крайниците, зъбите – симетрични части на тялото. Той е отговорен и за правилното развитие на различни образувания по кожата – косми, пера и люспи. Тези структури са хомолози и се предполага, че произхождат от общ предшественик на гръбначните животни.

Установено е, че при активиране на Shh по време на развитието на ембриона люспите, които обичайно покриват краката на кокошките, се трансформират в пера. Те имат идентична структура като тези по другите части и с възрастта преминават от пух към същински пера. Интересното е, че в случая дори не е имало генетична манипулация в класическия ѝ смисъл. Активацията на гена е постигната чрез инжектиране на малка молекула (SAG) в 11-тия ден от развитието на ембриона, която активира сигналния път на Shh, без да се правят намеси в генома на животните.

Според учените самата трансформация дава повече информация за процесите на образуване на различните структури. Но по-интересното е, че тя е следствие от временна промяна в експресията на гена, което може да има голямо значение за земеделската продукция, където генните манипулации подлежат на строг контрол и ако могат да бъдат избегнати, пускането на нови продукти на пазара ще бъде значително по-лесно.

Издайническа ДНК

ДНК е навсякъде – всички организми я отделят в околната среда с биологичните си дейности. Благодарение на това се развива и цяла нова научна област, в която се работи със сборни проби от най-различни източници, като водоеми, въздух, почва и др. Събраната ДНК от околната среда (eDNA, environmental DNA) може да бъде секвенирана и след това с помощта на биоинформатични методи (компютърен анализ на данните) да се правят най-различни проучвания за обитателите на даден ареал – видов състав, здравен статус. Два актуални примера са откриването на нови вируси, за което разказахме наскоро, и употребата на сходен подход за проследяване и прогноза на потенциални огнища на COVID-19 чрез проби от пречиствателни станции.

В това отношение човекът не се различава от останалите организми. Ние отделяме ежедневно своята ДНК чрез аерозоли (говор, кашляне, кихане), частици кожа, при отделителните процеси. Доскоро това не беше от ключово значение, защото при повечето изследвания се използва количествен PCR (qPCR, quantitative PCR), при който е необходима информация за търсения организъм. Но с напредването на технологиите за изолация и секвениране на ДНК и последващата обработка на получените данни за учените става достъпна информация за целия генетичен материал в събраната проба.

Ново изследване описва потенциалните проблеми и възможности, които произтичат от това. Основният обект на учените са костенурки, размножаващи се по плажовете на Флорида. Изолирайки ДНК от следите, които оставят в пясъка, те могат да проследяват популациите им и да наблюдават появата на заболявания, причинени от вируси. След като откриват човешки генетични последователности в един такъв набор, изследователите решават да се фокусират върху това и освен от плажен пясък събират и водни проби от океана и река във Флорида.

Откриването на човешка ДНК в тях не е особена изненада, но качеството ѝ е било значително по-високо от очакваното. Успешно са открити митохондриални мутации, свързани с аутизъм, диабет, очни и сърдечни заболявания. Наред с това е направен и популационно-генетичен анализ, при който е установено, че данните отговарят на демографското разпределение в района. Експериментът е повторен и с вода от река в Ирландия със сходни резултати.

Може би най-впечатляващо е отчитането на човешка ДНК в проби от въздух, взет от стаите на ветеринарна клиника. Отново са засечени мутации, свързани със заболявания, а също така успешно е определено потеклото на работещите в клиниката. Открити са и папиломен вирус, причиняващ туморни заболявания по костенурки (пациентите на клиниката), както и тяхната ДНК.

Това повдига редица етични въпроси, свързани с неприкосновеността и даването на съгласие за обработка на генетични данни, възможността за проследяване и дискриминацията на цели групи на база белези, които вече могат да бъдат открити, без да се вземат проби непосредствено от хората. Предвид практиката данните от секвениране при всички изследвания, финансирани от държавата, да се качват в публично достъпни бази данни, това би могло да даде достъп до подобна информация на компании и други организации, без реално те да извършват работата по обработка на биологичните проби.

Но това не означава, че подходът не може да се използва и за добро. Потенциални приложения са следенето на популационната динамика, както и на появата на зловредни мутации, нови заболявания или техни щамове и варианти. Друга авангардна идея, предложена от авторите, е търсенето на загубени хора чрез събиране на проби от въздуха с помощта на дрон. Въпреки че има потенциално приложение и в криминалистиката, според професорката по право Натали Рам, специализираща в сигурността на генетичните данни, технологията крие риск да ни постави под постоянно наблюдение и заключения да се правят въз основа на случайно попаднал генетичен материал.

Както при всяко ново откритие, предстои период на изясняване на пълните му възможности и поставяне на законови и етични рамки, които да насочат употребата му така, че да бъде полезно за обществото и да носи основно позитиви.

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-mikro-i-nanoplastmasi-i-evolyutsiya-na-virusite/

Микро- и нанопластмаси

Пластмасите са революционен материал, който много бързо след изобретяването му навлиза във всички области на живота и променя цели индустрии. В повечето случаи пластмасите са синтетични полимери, произвеждани от нефт (за някои вече се използват растителни суровини, например царевица), но тази зависимост не е най-големият проблем с тях. Комбинацията между широкото им разпространение, производството на големи обеми изделия за еднократна употреба и невъзможността да се разграждат в природата води до редица екологични предизвикателства.

Oсвен прякото замърсяване на природата с пластмаси има и друга уловка – при употребата им се получават микро- и нанопластмасови частици (МНП), които са с размер съответно под 5 мм и 1 µм. Част от тях се произвеждат за най-различни цели (ексфолианти в козметиката, за индустриални нужди), но друг източник е всекидневната употреба на пластмасови продукти. МНП се отделят при прането на синтетични дрехи, от пластмасовите съдове и прибори, от гумите на колите – почти няма дейност, свързана с употребата на пластмаса, която да не генерира известно количество от тях.

Вследствие на това те могат да бъдат открити навсякъде в околната среда – във въздуха, в естествени и изкуствени водни басейни, в почвата, откъдето попадат и в хранителните вериги на всички обитатели на екосистемите дори и в най-отдалечените места.

МНП са открити във водорасли, растящи под леда в протока Фрам, намиращ се между Гренландия и Свалбард в Северния ледовит океан. Видът Melosira arctica образува дълги нишки със слузеста покривка, която има способността да улавя частиците около себе си – от въздуха, водата и леда. Водораслите нарастват бързо през пролетта и лятото, след което клетките, изграждащи нишките, започват да отмират. След стопяването на ледените късове, върху които са прикрепени, водораслите се оплитат и образуват агрегати, които бързо потъват в дълбочините, носейки пластмасовите частици със себе си. Това обяснява откриването на МНП дори на дълбочина от няколко хиляди метра.

Веднъж попаднали там, те преминават в хранителната верига – от различни видове зоопланктон, които служат за храна на арктическата треска, която от своя страна е жертва на различни водни птици и тюлени, които пък са част от менюто на полярните мечки.

От околната среда – чрез храната, – както и от продуктите, които използваме, МНП попадат и в нашите тела. Според една публикация всяка седмица поглъщаме по 5 г пластмаса, което грубо се равнява на една банкова карта. Ето защо зачестяват съобщенията за откриването им в различни човешки органи и индикациите, че това може да доведе до редица заболявания, стават притеснителни.

До сравнително скоро главният фокус беше върху химическите добавки в пластмасите, използвани за промяна на свойствата им, като бисфенол A (BPA), който има потенциал да наруши ендокринната система и действа сходно на естрогена. Въпреки че тези ефекти са слаби, поради широката му употреба хората са постоянно изложени на него, което води до редица регулации за приложението му в продукти за хранителната промишленост. Например в Европейския съюз той е включен в списъка на веществата, пораждащи сериозно безпокойство.

Може да се окаже обаче, че някои пластмаси имат такива свойства и без в тях да са вложени допълнителни вещества. За да определят ефекта от вдишването им, учени са изложили разгонени женски плъхове на аерозолен поток от полиамидни наночастици в концентрация, сходна с тази, на която сме изложени във всекидневието си. При вдишването им частиците би трябвало да покрият всички части на белите дробове, но това не е довело до възпалителни процеси в тях. Наблюдаваните промени са повишено кръвно налягане и стесняване на кръвоносните съдове в матката, без изменения в аортата.

Но най-интересно е, че макар качеството на използваната пластмаса да е било подходящо за хранителната индустрия и да са липсвали добавки, са отчетени понижени нива на естрадиол, който е един от основните женски хормони и има роля в регулирането на менструалния цикъл и развитието на гърдите. Това означава, че самите наночастици нарушават функциите на ендокринната система. Склонността на полиамида да се свързва с вещества, сходни с естрогена, вече е известна, но за първи път изследване показва директното му влияние in vivo след приемане по начин, който можем да срещнем всеки ден.

Освен че влияят върху хормоните, МНП могат да достигнат и най-различни органи, например мозъка. Скорошно изследване показва, че полистиреновите наночастици имат способността да преминат кръвно-мозъчната бариера. Полистиренът е полимер, който се използва изключително често в хранителната индустрия за еднократни опаковки, като кутии за бързо хранене и чаши (пример е експандираният полистирен – бялата „пухкава“ пластмаса, сходна със стиропора).

Използвайки компютърен модел с няколко различни условия, учените са проследили възможността за преминаване през липидна мембрана, сходна с тази, предпазваща мозъка. Контролното условие е с обикновени наночастици, а другите – с различна покривка, която се състои от холестерол или протеини, създаващи т.нар. биомолекулна корона – ефект, използван за доставяне на лекарства под формата на наночастици. Моделът е показал, че протеиновата корона възпрепятства частиците да преминат към нервната тъкан, докато холестеролната ги улеснява. Симулацията е потвърдена и in vivo в мишки, при които е установено, че частиците успешно са преминали в мозъка им само два часа след като са ги приели с храната си.

Преминаването на тази бариера е притеснително, защото тя има изключително важна защитна функция – предпазва мозъка от патогени и вредни вещества, които могат да циркулират в кръвообращението. Според учените навлизането на частиците в мозъка може да доведе до по-чести възпалителни процеси, които да са причина за развитие на тумори и невродегенеративни заболявания като алцхаймер и паркинсон.

Решение за въпроса с МНП все още няма, но по него се работи активно. Ограничаването на използваните пластмасови продукти е част от стратегията, но предвид масовостта и икономическите им предимства ще трябва да се разработят и системи за намаляването, улавянето и преработването.

Еволюция на вирусите

Повече от 100 години учените не могат да решат дали да класифицират вирусите като живи организми, но е неоспоримо, че те са ключов фактор в еволюцията и развитието на биосистемите и успешно използват всички познати организми като свои гостоприемници – бактерии, гъби, растения и животни, дори и други вируси. Това е благодарение на тяхната изключително разнообразна форма, структура и генетичен материал.

Двойноверижните ДНК (ДвДНК) вируси се класифицират в две основни групи – Varidnaviria (които са сравнително големи) и Duplodnaviria (които са по-малки). Първата е доста разнообразна и голяма част от вирусите в нея се намират в соленоводните басейни, но тя включва и причинителите на редица важни заболявания, като едра шарка, африканска чума по свинете и др. Малките вируси от своя страна са поели по два пътя – едните (Caudoviricetes) специализират по прокариотни организми и имат характерната за бактериофагите структура, докато другите са предпочели животните – това е групата на добре познатите херпес вируси (Herpesvirales). Това разделяне представлява интерес за учените, защото няма ясна следа откъде са произлезли херпес вирусите и каква е родствената връзка между големите и малките ДвДНК вируси.

Потенциално свързващо звено е открито в публичния набор данни от проекта Tara Oceans, целящ обследването на планктона в слоевете на океаните, в които достига слънчева светлина. При анализ на около 1000 метагенома и метатранскриптома (сборна информация за всички гени и информационни РНКи в една проба, най-често от различни индивиди/видове) за общи гени и протеини между отделните групи е установено съществуването на непознати до момента вируси, наречени mirusvirus (от лат. mirus – ’странно, неочаквано’). Техни гостоприемници са някои видове планктон и макар да са новооткрити, изглежда, че са сред широко разпространените групи вируси в океаните. Освен това данните сочат, че след като инфектират планктона, те са много активни в него, което показва потенциала им да регулират неговите популации. Така с потъването на мъртвите клетки се подхранват други екологични системи.

Геномът на тези вируси е сложен, съставен от части с различен произход. Повечето от гените им, наред с функционално важните за репликация и транскрипция на ДНК, са близки до тези на големите вируси. Но гените, отговарящи за образуването на капсида им (обвивката, която ги предпазва от околната среда и им помага да навлязат в гостоприемника) и служещи за таксономично определяне, показват връзка с групата на херпес вирусите. Според учените най-вероятно те са се появили от общ предшественик след процес, наречен редуктивна еволюция, при който части от генома на организмите отпадат.

Благодарение на екип от Оксфорд вече знаем повече и за произхода на вирусите от Bamfordvirae, част от групата Varidnaviria. Те са доста разнообразни и включват няколко основни вида, като NCLDV (най-големите вируси, открити до момента), аденовирусите (причиняващи настинки), вирофагите (вируси, паразитиращи по вируси), както и полинтоните – мобилни генетични елементи, които могат да се интегрират в генома на гостоприемника си.

До момента има две основни хипотези за появата им. Според първата – „отделяне от ядрото“ – предшествениците са били полинтони, които са се отделили от генома на по-сложни видове и са започнали да се разпространяват, паразитирайки, като с времето се обвиват в капсид, давайки начало на аденовирусите и NCLDV. При другата – „вирофаген произход“ – се предполага, че NCLDV са еволюирали заедно с вирофагите, от които с течение на времето са се отделили полинтоните и аденовирусите.

Използвайки статистически и филогенетични методи, учените са разгледали четири от най-важните гени, които се срещат във всички тези вируси и отговарят за оформянето на техния капсид. Получените резултати показват липса на пряка връзка между аденовирусите и NCLDV, което опровергава първата хипотеза. Според данните аденовирусите и полинтоните имат общ предшественик, който не е свързан с NCLDV. Подкрепата за втората хипотеза не е пълна, защото този предшественик не е бил вирофаг, но това не я отрича изцяло, така че авторите я приемат като най-вероятно обяснение за еволюционните процеси.

Според тях вирофагите са еволюирали наред с NCLDV, като са се специализирали да ги заразяват. Най-вероятно общият предшественик за цялата група е бил активен поне преди около един милиард години, обменяйки генетична информация с последния общ предшественик на еукариотните клетки (LECA). Това показва тясната връзка на вирусите с еволюцията на по-висшите организми и повдига въпроса дали те нямат принос за тези процеси.

Освен в миналото, вирусите ще са ключов участник и в бъдещето на екологичните процеси, протичащи на фона на глобалните климатични промени. Основен участник в глобалните цикли на въглерод и хранителни вещества са микроорганизмите, които ги синтезират, разграждат и трансформират от един вид в друг. Динамиката на тези процеси зависи от температурата и някои промени в тях са вече известни – ускоряване на отделянето на въглероден диоксид, преразпределяне във видовия състав.

Предвид важната връзка между вирусите и микроорганизмите, едно от притесненията на учените е, че не знаем как промените в климата ще се отразят на техните взаимодействия. Събраните в обзорна статия данни сочат, че с повишаване на температурата латентният период (от заразяване до отделяне на нови вирусни частици) се скъсява, броят на отделените вириони се увеличава, увеличава се и смъртността на гостоприемниците. Това би довело до сериозни промени в хранителните мрежи в микробиалните системи, но за съжаление, в момента има повече въпроси, отколкото отговори какви ще бъдат те.

Авторите предлагат торфените блата като моделна система, в която да се проучат по-добре както взаимодействията между вирусите и микроорганизмите, така и влиянието на температурата върху тях. Самите процеси в тези блата са сравнително добре изследвани, а вече започват да се появяват и публикации за ролята на вирусите в тях. Според опростен модел, описан в статията, може да се очаква, че с повишаването на температурата вирусите всъщност биха имали благоприятно влияние, тъй като ще увеличат значително количеството органичен въглерод, който след това ще премине в нещо като хранилище под формата на торф.

Освен ясно видимите промени, които вирусите могат да донесат за хората (най-ярък е пандемията, от която още не сме се възстановили), те може да се окажат ключов участник и в по-бавните и „невидими“ процеси, протичащи в екосистеми, на които не се обръща толкова внимание или пък е трудно да се изследват, като океаните и почвите. Вникването в еволюционните процеси в тези интересни видове, намиращи се на ръба между живото и неживото, ще ни помогне да се подготвим за промените в климата, които ни очакват.

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-pretsizno-zemedelie-kletuchna-biologiya-i-mikrobiologiya/

В помощ на прецизното земеделие

Прецизното земеделие е сравнително нов подход, чието бързо развитие се дължи на различни технологии. Сред тях са отдалеченото отчитане с помощта на леки безпилотни летателни апарати и спътници, тракторите, подпомогнати от GPS, локалните метеорологични станции за измерване на различни климатични и почвени параметри. Благодарение на събраните данни фермерите могат да намалят значително количеството на влаганите вода и пестициди, както и броя на самите третирания, което води до големи икономически и екологични ползи.

Например след като посевът бъде заснет в различни спектри на светлината, може да се определят само конкретни зони, в които е нужно поливане. Климатичните данни могат да бъдат обработени с математически модели и да се прогнозира появата на заболявания и неприятели, като се определи най-подходящият момент за третиране срещу тях.

Една от основните дейности, които имат нужда от оптимизация, е използването на препарати, като най-разпространеният метод в момента е пръскането им върху повърхността на растенията. Дори при употребата на микропръскачки, които целево третират само определени растения, препаратите се задържат върху повърхността им за много кратко време. Освен че това не е много ефективен метод за приемането им от растенията, те са изложени на атмосферните влияния, което може да понижи активността им, а при някои пестициди улеснява попадането им в почвата, откъдето могат да замърсят подпочвените води.

Потенциално решение, описано в скорошно пилотно изследване, е използването на микроигли, които са направени от протеини, съдържащи се в коприната. За изработването им протеините са изолирани от ларви на копринената пеперуда, след което са формовани чрез силиконови калъпи в тънки ленти с микроскопични шипчета. С тяхна помощ учените успешно са внесли директно в растенията растежния регулатор гиберелинова киселина, който стимулира клетъчното делене. След процедурата са проследени нивата на генна експресия, както и влиянието на третирането върху моделното растение Arabidopsis thaliana. Експерименти са направени и с някои културни видове, като домат, маруля, ориз и др.

Нараняването на тъканите е видно от появата на микроскопичен калус (образувание след нараняване на тъканта) върху листата на обработените растения, но той не е попречил на развитието им. Установени са и промени в активността на гени, свързани с нараняването на тъкани, но само 24 часа след микроинжектирането техните нива са се върнали до нормалните, наблюдавани при контролните растения. Наред с това, при сравнение с традиционното третиране чрез пръскане, при новия метод е установена значима разлика в ефекта дори и при използване на трикратно пръскане и еднократно приложение на микроиглите. Тези резултати показват, че методът не е прекалено инвазивен и има потенциал да даде по-добър ефект от рутинното пръскане и това би помогнало за намаляване на количеството използван препарат.

Авторите смятат, че това може да бъде важен компонент в системата на прецизното земеделие. Освен растежни регулатори, които се използват рутинно в земеделската практика за постигане на най-различни ефекти в отглежданите култури, методът може да се приложи и за други биологично активни вещества и микроелементи. Особен интерес представлява възможността за внасяне на генетичен материал в растенията – например вмъкването на CRISPR конструкти, което има потенциал да изведе генетичните модификации от лабораторията на полето.

Приложение в прецизното земеделие може да намери и откритието, че растенията издават звуци, когато са изложени на стрес. Досега се знаеше, че вибрират, но за първи път се установява, че тези вибрации могат да се носят по въздуха под формата на звук.

Като всеки организъм растенията са подложени на различни видове стрес. Най-общо те се разделят на абиотичен – суша, екстремни температури и други неблагоприятни условия на околната среда; и биотичен – повреди от различни патогени и неприятели. В повечето случаи стресовите фактори при растенията се установяват, след като те вече проявят симптоми като увяхване или повреди.

Това може да се промени благодарение на учени от Университета в Тел Авив. Те са установили, че растенията издават звуци, които се носят по въздуха и могат да бъдат уловени на разстояние от 3 до 5 метра. За целта са използвани специални ултразвукови микрофони, работещи в честотен диапазон от 20 до 250 kHz (над границите на човешкия слух). След обработка на записите на тях могат да се чуят специфични звуци, напомнящи пукането на пуканки. Учените са установили, че растенията, които не са изложени на стрес, рядко издават звуци, докато стресираните го правят над 10 пъти всеки час.

Сред експериментите, проведени от екипа, е определяне на засушаването при домати. След като записали две групи растения – едни, поливани нормално, и други, които не са поливани няколко дни, – с помощта на алгоритъм за машинно обучение учените успяват да ги разделят само по звуците, които издават, като в зависимост от обработката на данните точността може да достигне 98%. Особено интересно е, че растенията, страдащи от липса на вода, могат да бъдат открити, преди да започнат да показват външни признаци. Звуците зачестяват с намаляването на почвената влага през първите 4–5 дни, след което започва процесът на изсъхване и растенията отново утихват.

Експериментът е проведен и с други растителни видове – тютюн, лоза, пшеница, царевица, както и с други видове стрес – отрязване на стъблото и заразяване с вируса на доматената мозайка (TMV). При всички случаи отчитането на учестени ултразвуци при стрес е било успешно, което показва, че това най-вероятно е процес, протичащ навсякъде в природата. Предполага се, че феноменът се дължи на кавитация в ксилема – вдървесинената проводяща тъкан на растенията, по която водата се придвижва от корените към надземните части.

Изследването разширява значително знанията ни за комуникацията между растенията и други организми. До момента беше известно, че при различни неблагоприятни условия растенията отделят летливи органични вещества, наречени семиохимикали, които могат да служат за защита от неприятели, но също така и като предупредителен сигнал за околните. Например при нараняване листата на черната елша започват да стават по-устойчиви на насекоми. Интригуващото е, че тези промени се наблюдават и в близките дървета, като ефектът намалява с увеличаване на разстоянието. Колкото по-отдалечени са дърветата от първото наранено дърво, толкова повече повреди и снесени яйца се отчитат.

Издаването на ултразвук може да е сходен механизъм, служещ за предупреждение между растенията или за привличане на потенциални опрашители. Редица животни могат да чуват в този честотен диапазон, така че тепърва предстои да се установят потенциалните взаимовръзки в тази система за комуникация.

Клетъчна биология

Работата с човешки ембриони е обвързана с много регулации, етични въпроси и ограничено количество достъпен материал. Доскоро границата за отглеждането им в лабораторни условия беше 14 дни след оплождане, което съвпада с първите признаци за развитие на нервната система. Затова ранните стадии на човешкото развитие са до голяма степен недостатъчно изследвани. През 2021 г. ISSCR (International Society for Stem Cell Research, Международното дружество за изследване на стволовите клетки) обнови препоръките си, премахвайки това правило и позволявайки провеждането на по-дълги проучвания след индивидуално одобрение на експерименталния дизайн. Това отваря нови хоризонти пред учените, но не премахва всички трудности, свързани с експериментите.

Един от подходите, които се използват за заобикаляне на тези пречки, е прилагането на сравнително нов похват – създаване на структури от стволови клетки, подобни на естествените. Броят на публикациите за миши бластоиди и ембриоиди (различаваме ги по завършека -ид) расте, като освен in vitro, получените структури са наблюдавани за по-продължителен период и in vivo след имплантирането им. Такива структури са създадени успешно и от човешки стволови клетки, но се изучават само in vitro, тъй като регулациите на етичните комисии не позволяват имплантирането им. По тази причина китайски екип е решил да извърши експеримента със стволови клетки от явански макак. Този вид е използван и за други сходни изследвания – първите клонирани и първите генетично модифицирани примати, съответно през 2018 и 2019 г.

Започвайки отново със стволови клетки, учените успешно създават бластоиди в клетъчна култура, които под микроскоп приличат много на естествените бластоцисти. След по-продължително култивиране те започват да оформят и структури, сходни с естествените. Това е потвърдено и със секвениране на РНК от единични клетки от тези структури, като се установява сходство с генната експресия при бластоцистите. Част от получените бластоиди са прехвърлени за проследяване in vivo и успешно са се имплантирали в маточната стена на три от осемте женски.

Първата стъпка от бременността е потвърдена с помощта на ултразвук и измерване на нивата на хормоните, които се повишават с настъпването ѝ, като прогестерон и хорионгонадотропин. Но въпреки всички признаци на започваща бременност, след около седмица тези промени изчезват и развитието към ембрион не продължава.

Макар че авторите отчитат потенциални етични конфликти в подобни изследвания, не смятат, че са съществени, тъй като бластоидите не могат да се развият в зародиш. От друга страна, това ограничение не пречи да се изследват първоначалните стадии на развитие, които крият опасност от спонтанно отхвърляне и други генетични и структурни грешки. За да се обърне по-обстойно внимание на тези промени, учените планират да използват методи за генетично редактиране в следващите си експерименти. И учените, и регулаторните органи смятат, че такива изследвания могат да бъдат изключително полезни за науката и медицинската практика и е добре да се популяризират, за да може да се проведе и обществена дискусия с неспециалисти.

Микробиология

Бактериофагите, накратко фаги, са група вируси, които паразитират само по прокариотни организми и за които се смята, че са най-разпространените организми в биосферата. Тяхната структура е изключително характерна – „глава“, в която се съдържа генетичният им материал, „опашка“, помагаща за вмъкването му в гостоприемника, и „крачета“. След като открият жертвата си, фагите се захващат с крачетата към нея, свиват опашката си и „инжектират“ своя генетичен материал. Веднъж попаднал в гостоприемника, той окупира клетъчния му апарат, започвайки производство на вирусни частици, които впоследствие се самоорганизират в нови бактериофаги.

Опашката им играе изключително важна роля в способността да заразяват бактерии. В това отношение бактериофагът P74-26 е много интересен, защото има изключително дълга опашка – почти 1 микрометър, което е 10 пъти повече от обичайното. Той е открит в топли извори и основният му гостоприемник е бактерията Thermus thermophilus, за която оптималната температура е 65°C. Поради това се смята, че P74-26 е най-термостабилният бактериофаг познат до момента.

Използвайки изображения от криоелектронен микроскоп с висока резолюция и данни от последващи компютърни симулации, американски екип вероятно е успял да разгадае тайната на стабилността на този бактериофаг. Както при другите фаги, опашката е съставена от множество протеинови мономери – малки „блокчета“, които се свързват едно с друго като своеобразно Lego.

При подходяща температура те променят формата си, образувайки примка в едната си част и вдлъбнатина в другата, което им позволява да се захванат много здраво, оформяйки пръстени от два типа. Пръстените се подреждат един върху друг и така изграждат структурата на опашката. Друго наблюдение е, че P74-26 използва по-големи мономери. Хипотезата на учените е, че в миналото на бактериофага е имало еволюционно събитие, при което е настъпило окрупняване на мономери – те са се слели, създавайки по-стабилен и температуроустойчив градивен елемент.

Фагите представляват все по-голям интерес най-вече заради своята способност да убиват бактерии, без да влияят на животинските организми. Това може да се окаже изключително ефективен метод за справяне с бактериите, изключващ употребата на антибиотици. Моделът може да намери приложение и в бъдещи наноструктури, като микроскопични биологични „роботи“, които да доставят медикаменти в телата ни или да подпомагат имунната ни система.

Заглавно изображение: Микроскопска снимка на лист на амофила (песъчар), 100х увеличение. Източник: Berkshire Community College Bioscience Image Library / Flickr

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-agrovoltaichni-sistemi-karta-na-mozuka/

Агроволтаични системи

Слънчевите панели наред с вятърните генератори са един от ключовите начини за добиване на електричество от възобновяеми източници, но сред основните им недостатъци е мястото, което заемат. Често те са организирани в соларни ферми, разположени върху земя, която може да се използва за земеделие. Едно от възможните решения на това са агроволтаичните системи – панелите се поставят по-високо, давайки възможност под тях да се отглеждат различни култури.

Проблем при такъв тип системи е засенчването на растенията от панелите. Но при отглеждане на соя в соларна ферма в Италия намалението на добива не е било толкова значително. В зависимост от осветеността загубата е била между 8 и 13%, което е далеч под очакванията и изискванията, посочени в някои стандарти. Наред с добива са определени и някои важни параметри – височина на растенията, съдържание на хлорофил и листна площ. Този полеви експеримент е използван за валидиране на сложен компютърен модел, който може да симулира целия растежен период и да предвиди потенциалния добив.

Соята се смята за култура, която не търпи засенчване, но данните, налични към момента, са получени при условия, в които няма агроволтаична система. Това изследване показва нуждата от изпитването на растенията в реална среда, тъй като наличието на панели не е същото като засенчването при съвместно отглеждане на различни растителни видове.

В някои случаи засенчването дори може да се окаже полезно – в географски области със силно слънцегреене и малко валежи, каквито се наблюдават в части на Африка, агроволтаичните системи позволяват отглеждането на култури, за които прекалено силното слънце и прекомерната топлина са неблагоприятни. Осигурената сянка намалява и нуждата от вода, което допълнително улеснява фермерите.

Интересно решение са и полупрозрачните органични панели. За разлика от конвенционалните силициеви панели, в тях има един или няколко слоя органични вещества, които поглъщат светлина основно в ултравиолетовия и инфрачервения спектър, и така се пропуска видимата ѝ част. Един от недостатъците на тези панели е, че те се амортизират сравнително бързо, което налага да се подменят по-често.

Потенциално решение за това е описано в скорошна публикация в журнала Nature Sustainability. В структурата на панелите е добавен междинен слой от естествения антиоксидант глутатион, който се среща във всички висши живи организми. Той предпазва органичния фотоактивен слой от възникването на радикали, които съкращават живота му. В пилотното изследване е постигнато запазване на ефективността над 80% след 1000 часа работа.

Изпитано е и как панелите влияят на растения като броколи и пшеница, което е дало изненадващи резултати. В оранжерия, покрита с органични панели, растежът на културите е бил по-интензивен в сравнение с растежа в оранжерия със стъклен покрив. Авторите го обясняват с това, че панелът поглъща UV и инфрачервените лъчи, предпазвайки растенията от вредното влияние на първите и намалявайки затоплянето на оранжерията от вторите.

Интересно е, че освен за растенията този тип системи може да бъде полезен и за самите соларни панели. Тъй като топлината е един от основните фактори, които определят тяхната дълготрайност и ефективност, охлаждането им е особено важно, но все още няма технология, която да е напълно енергийно и икономически обоснована.

В скорошно изследване екип от Университета „Корнел“ показва, че повдигането на панелите на по-голяма височина и засяването на соя под тях може да е от помощ за охлаждането им. Подобно на италианските си колеги те са разработили модел за симулация на температурата на панелите в зависимост от растителната покривка под тях. В експеримента е установено, че при повдигане на панелите на 4 м над земната повърхност и засяване на соя под тях, температурата на фотоволтаиците спада с 10℃ през светлата част на деня в сравнение с тези, които са монтирани на 0,5 м над почва без растителност. Ефектът на охлаждане се дължи на два основни фактора, първият от които е промяна в отражателната способност (албедо) на почвата след засяване на културата. Вторият, играещ по-голяма роля, е евапотранспирацията, и по-специално транспирацията, която се осъществява от растенията. При този процес растенията отделят вода през надземните си части (основно листата), като по този начин създават отрицателен воден потенциал в тъканите си, което от своя страна им позволява да приемат вода през корените си.

Космос

Звездите на Волф-Райе са специфичен клас свръхгиганти, които имат сравнително кратък живот – няколко милиона години. Те се отличават с изключителна яркост и бързо преминаване към супернова, като в процеса отделят много голяма част от масата си.

Наскоро публикувана снимка от телескопа „Джеймс Уеб“ показва звездата WR 124 от съзвездието Стрела. Тя е около 30 пъти по-масивна от Слънцето и вече е загубила една трета от своята маса, като изхвърленият материал изстива при отдалечаването си от звездата, образувайки мъглявина от звезден прах, която се разширява със скорост от над 150 000 км/ч.

Тъй като мъглявината излъчва светлина основно в инфрачервената част от спектъра, наличието на детектори в инфрачервения спектър прави космическата обсерватория изключително важен инструмент за изучаването на подобен тип мъглявини и на процесите, протичащи в тях. Образуването на космически прах е въпрос, който активно вълнува астрономите, защото той е изключително важен за редица процеси във Вселената, включително образуването на по-сложни молекули, от които да се зароди живот.

Преди половин година астероидът Диморфос беше ударен от сондата DART на NASA, като основната цел на мисията бе да се проучи възможността за отклоняване на потенциални опасности за Земята. Той е с размер под 200 м и обикаля около четири пъти по-големия Дидим. След челния удар е отчетена бърза промяна в орбитите на двете тела.

Освен този непосредствен резултат от експеримента, за него продължават да се публикуват нови данни. С помощта на инструмента MUSE към Много големия телескоп (VLT) в Чили са проучени структурата и спектралното излъчване на изхвърлените при сблъсъка частици. Един от основните въпроси, на който са искали да отговорят учените, е дали в астероида се съдържа вода, тъй като повечето астероиди са съставени от каменисти частици, които не са в плътна структура. Въпреки това по повърхността на някои астероиди, например 24 Themis, е открита вода под формата на лед, като дори е възможно в сърцевината му да има резервоари. Това е интересно с оглед на хипотезата, че водата на Земята е резултат от сблъсъци на тела с високо водно съдържание в началните стадии от развитието ѝ.

За съжаление, Диморфос се е оказал сух – в получените спектри няма данни за вода или за органични молекули. Все пак учените са успели да проследят образуването на облака от изхвърлени частици и техния размер. Ударът е предизвикал изхвърлянето на почти 1000 тона материал, който под влияние на слънчевия натиск и гравитацията на Дидим се е оформил като опашка на двойната система, образувана от двата астероида.

Карта на мозъка

Човешкият мозък е сложна структура, в която милиарди неврони образуват трилиони връзки помежду си, позволявайки на отделните му части да комуникират една с друга. Тези своеобразни мрежи съхраняват нашите спомени, определят как възприемаме света, и изграждат нашата същност. Наличието на пълна схема на мозъка, т.нар. конектом, би помогнало много за цялостното ни разбиране на тези процеси. Заради това изграждането на такава схема е поле на изключително интензивна изследователска дейност.

Голямата плътност и сложност на човешкия мозък и на мозъците на другите гръбначни животни правят разплитането на невронната мрежа в тях изключително трудна задача. До момента са публикувани няколко конектома на сравнително прости организми с малък брой неврони, като нематода Caenorhabditis elegans, при който са малко над 300.

По тази причина публикуването на първата пълна карта на мозъка на насекомо с над 3000 неврона и 500 000 синапса е изключително вълнуващо. Въпреки че ларвата на Drosophila melanogaster е по-малка от оризово зърно, тя носи в себе си напълно развит мозък, който има паралели с човешкия: две полукълба, структура, наподобяваща мозъчния ствол, и издатък, аналогичен на гръбначния мозък, който контролира мускулите на насекомото.

Конектомът е резултат от съвместната работа на учени от три институции и над 12-годишно събиране и обработване на данни. За съставянето му мозъкът на ларвата е бил нарязан на множество тънки слоеве, които впоследствие са заснети с електронен микроскоп. След получаването на изображенията, връзките между невроните е трябвало да бъдат проследени и описани. Тези данни са дадени на друг екип, който с помощта на специално разработен от него софтуер е съставил картата и е определил типа на невроните на основата на техните връзки.

Едно от първите неща, които стават видни, е наличието на различни видове връзки между невроните. До момента се считаше, че повечето са свързани чрез своите аксони (своеобразната опашка) с дендритите (късите израстъци от ядрото им) на други неврони, като по този начин предават информация един на друг.

Въпреки че връзките между два аксона или два дендрита са били известни на учените, от този конектом се вижда, че те не са рядко срещани и са почти половината от всички връзки в мозъка. Същевременно някои са били свързани и с няколко различни връзки – това не беше известно на учените досега.

Изследването ще помогне и за определяне на вида на невроните, като до момента това се правеше основно на базата на тяхното групиране и форма. Софтуерът, използван за анализ на този конектом, е позволил разделянето на невроните според връзките, които изграждат, дефинирайки 93 отделни вида клетки в мозъка на ларвата. Проследени са и връзките между двете полукълба на мозъка, което до момента е било обект само на повърхностни наблюдения.

Особено голям интерес представлява и откритието, че невроните образуват структури, които се срещат и при компютърните невронни мрежи – многослойни, циклични, минаващи пряко през няколко функционални слоя на мозъка. Това се наблюдава най-вече в областите, отговорни за учене и памет, които имат голямо сходство с невронните мрежи с обратна връзка (рекурентни, RNNs), използвани за задачи като машинен превод, разпознаване и синтез на глас. По-доброто разбиране за биологичните системи ще даде възможност за вникване и подобряване на синтетичните им аналози. Ако симулирането дори на прост мозък като този на дрозофилата стане възможно, това ще бъде огромен скок както във възможностите на изкуствения интелект, така и в неговата енергийна ефективност, тъй като това е фактор, който не бива да се пренебрегва.

Въпреки че мозъците на гръбначните животни са много по-сложни, тази карта има потенциала за значителен принос в редица научни области. Освен при изкуствения интелект, поради структурната сходност и редица общи гени с бозайниците, може да допринесе пряко за разбирането ни за процесите при човека, както и да служи за модел на някои неврологични заболявания.

Заглавно изображение: звездата WR 124. Източник: NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO Production Team

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-sintetichna-kozha-regeneratsiya-na-mozuchna-tukan/

Хидрогеловете са порьозни структури, съставени основно от течност, най-често вода, в която има мрежа от нишки от природни или синтетични полимери. Те са познати от над сто години и имат широко приложение в индустрията, медицината и изследователската дейност.

Пример е абсорбиращият материал в памперсите – някои разработки на такива материали обещават способност да погълнат вода, която е 3000 пъти колкото теглото им. Друг често срещан продукт са меките контактни лещи, чието голямо предимство е, че структурата им позволява преминаването на кислород към тъканите на окото.

Поради изключителните си свойства те са в авангарда на много и различни новосъздаващи се технологии.

Синтетична кожа

Статистически комарите са най-смъртоносните животни на планетата – според СЗО през 2021 г. от малария са починали над 600 000 души. Освен нея, насекомите пренасят и редица други заболявания, като жълта треска, денга, западнонилска треска и зика.

Една от големите трудности в опитите с комари е наблюдението и изучаването на храненето им. Обикновено това включва лабораторни животни или доброволци, склонни да се подложат на няколкочасово изпитание. Този подход не позволява автоматизиране и по-дълги изследвания. Решение на проблема предлага новосъздадена изкуствена кожа от хидрогел.

Използвайки технология за 3D печат с биологичен материал, учени успешно са създали структура, в която може да тече кръв. За повишаване на продуктивността в изпитателната камера се поставят няколко опитни елемента, към които са насочени видеокамери, постоянно заснемащи повърхността им и комарите, които се хранят от тях. След края на експеримента записите се анализират с помощта на компютърен модел, който определя броя кацания, както и времето за хранене. За да направи платформата по-достъпна и по-гъвкава, екипът е използвал малък компютър Raspberry Pi в комбинация с бюджетни видеокамери Arducam, които са управлявани от скрипт, написан на Python.

За изпитанията на системата са сравнени два репелента: синтетичният DEET, разработен в средата на миналия век, и натурален – от растителни масла. Между двата не е открита статистически значима разлика в сравнение с контролното условие, при което не е използван репелент. Този резултат показва потенциала на приложение на платформата, тъй като разработката на нови продукти и одобрението им за пазара е свързано със скъпи изследвания върху хора и животни. Наред с това DEET, въпреки високата си ефективност, причинява нежелани кожни реакции при някои хора, което е стимул за откриването на нови, по-безопасни формули.

Едно от потенциалните приложения на тази платформа е за следене на появата на определени видове, което е все по-актуално поради разширяването на ареалите им, причинено от глобалните климатични промени. В тази връзка авторите предлагат подобрение на работата ѝ в полеви условия. Ако покрай синтетичната кожа се пусне поток от въглероден диоксид с ниска концентрация, комарите ще са още по-силно привлечени от нея, тъй като това е един от стимулите, насочващи ги към потенциални жертви. Друго предложение е използването на синтетични аналози на кръвта, за да се създаде напълно изкуствен изпитателен модел и да се избегне опасността от боравене с биологичен материал, който може да носи патогени в себе си.

Регенерация на мозъчна тъкан

Хидрогеловете са основа и за създаването на тъкани и органи в изкуствени условия. От тях най-често чрез 3D биопечат се прави своеобразно скеле, което се поставя в подходяща инкубационна среда. Клетките, които ще изградят тъканта, се прикачват към хидрогелната структура и започват изграждането ѝ. Технологията е основа и при създаването на синтетично месо.

Използвайки тази идея, екип от Университета в Хокайдо е разработил система за терапия на мозъчни травми. Първата стъпка е била намирането на хидрогел с подходящо съдържание, в който да могат да се развиват невронни стволови клетки. След това той е инкубиран в хранителна среда, която стимулира развитието на кръвоносни съдове в него. Когато те достигнат достатъчна плътност, структурата се имплантира в опитни мишки с мозъчна травма.

Около три седмици по-късно в импланта вече има имунни клетки от приемащия организъм. В него са навлезли и неврони от тъканите в непосредствена близост. Ако няма отхвърляне, в хидрогела се инжектират стволови клетки, които успешно се развиват в астроцити (вид мозъчни глиални клетки) и неврони във връзка с околните тъкани. Учените отбелязват, че последователността на стъпките е от особена важност за оптималното протичане на процеса.

При мозъчни увреждания, водещи до загуба на обем вследствие на физическа травма, или хирургическа намеса при тумор или при запушване на кръвоносен съд, в повечето случаи няма регенерация на тъканта. Затова подходът е обещаващ особено при възрастни пациенти, при които възстановяването е по-бавно.

Потенциал за подобрение според авторите има в посока на сравняването между хидрогел, който не се резорбира в тъканите на пациента, и такъв, който е биоразградим. Материалът, използван в изследването, е от първия вид и въпреки че не са забелязани промени в поведението на опитните мишки, не е ясно какви ще са дългосрочните ефекти.

Органоиден интелект

Това е терминът, предложен от група учени, за нов подход в създаването на интелект в изкуствена среда. За разлика от компютърните невронни мрежи, съществуващи като математически модели, тук се обсъжда използването на истински мрежи от неврони, обособени в малки мозъчни органоиди. Това е възможно заради напредъка при биоматериалите, благодарение на които може да се изграждат триизмерни структури. Тези структури позволяват на невроните в тях да създават повече връзки помежду си, повишавайки възможността им за извършване на операции.

Използването на биологични компютри има няколко предимства. Вследствие на еволюционния натиск организмите са изградили изключително ефективна система за учене от околната среда. Биологичните системи са оптимизирани за обработване и съхранение на данни. Пример, който авторите дават, е задачата „еднакво или различно“: хората имат нужда от около 10 опита, за да я разберат, пчелите – от около 100, докато при някои компютърни системи са необходими над 5 пъти повече. Наред с това живите организми използват енергията изключително пестеливо. За сравнение, при обучението на AlphaGo, първия софтуер, успял да победи човек в играта „го“, е изразходвана енергия, достатъчна за поддържане на метаболизма на активен възрастен човек за 10 години.

За комуникация с органоидите се разработват системи от микроелектроди, които улавят електрическите сигнали, предавани от клетките, по подобие на „шапките“ с електроди, използвани в машините за електроенцефалография (ЕЕГ). Тази част от технологията все още предстои да се оптимизира. Повечето такива системи, достъпни в момента, са за клетки, култивирани в една равнина, и за триизмерните органоиди ще е нужно да се направи своеобразна капсула, в която да бъдат поставени. Допълнителна трудност създава и желанието на изследователите да правят микроскопски наблюдения, което налага електродите и конструкцията, към която са прикрепени, да бъде прозрачна.

Всичко това звучи абстрактно и фантастично, но основите са положени и вече има работещи системи. В края на миналата година бе публикувана разработката DishBrain (буквално „мозък в Петри“) – инвитро невронна мрежа, изградена от човешки или миши клетки, която се е научила да играе играта Pong.

Системата има три участъка с неврони – един, който приема стимулите, и два „двигателни“, които подават сигнал за местене на хилката нагоре или надолу. Въпреки че способностите ѝ не са на много високо ниво, това е впечатляващо, защото не е имало предварително обучение и успеваемостта се е повишила значително само след няколко минути игра. Авторите отбелязват две основни ограничения на прототипа – броя микроелектроди, побиращи се на площта, върху която е разположена културата от клетки, и изчислителната мощ, нужна за обработка на данните в реално време.

Освен за изчисления, тези структури може да се използват и като моделна система за проучване на заболявания, засягащи мозъка, например алцхаймер, паркинсон и др. Като се използва възможността за превръщане на кожни клетки в стволови, може да се създадат мозъчни органоиди, които са строго специфични за даден пациент. След оформянето на триизмерната култура тя може да се използва в различни експерименти – от подлагане на медикаменти до ксенотрансплантация (процес на прехвърляне на тъкан от един вид в друг, например от човек в мишка). Това позволява на изследователите да опитат много и различни подходи, което в повечето случаи е невъзможно да се направи инвиво в пациента.

Развитието в тази научна област тепърва започва и има много пречки за преодоляване. За да могат да изпълняват поставените задачи, авторите смятат, че ще са нужни органоиди, съставени от около 10 милиона клетки, което е значително увеличение спрямо сегашните възможности. Ще бъдат необходими също по-добри и по-иновативни системи от микроелектроди.

Не са за пренебрегване и всички етични въпроси, които повдига тази технология. Един от тях е разработването на правила, които уточняват използването на клетки, особено ако те са извлечени от човек. Например кой е собственик на органоида, кой има право да решава какви процедури може да се извършват с него, каква информация може да се извлече за донора.

Друга посока на обсъждане е възможността за поява на съзнание в тези структури, което налага създаването на нови тестове и процедури, следящи за това. Колкото по-продължителен е периодът на инкубация, толкова по-комплексна става структурата, особено когато е изложена на стимули. Ще трябва да се реши и къде да бъде поставена границата между реагиране на стимули, съзнание, разум. Не е ясно и дали тези структури имат възможност да изпитват болка, както и дали могат да я осъзнаят.

Подобни дискусии се водят и за машинните невронни мрежи от по-ново поколение, но поради биологичния си характер мозъчните органоиди са много по-предразположени към третиране като жив организъм.

Не се знае дали ще успеем да видим приложение на технологията по начина, описан от киберпънк авторите, но изглежда, учените са решени да направят каквото е по силите им.

Заглавно изображение: неврон (в зелено) и невронни стволови клетки (в червено). Източник: Wikimedia Commons

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://toest.bg/nauchni-novini-kolonizatsiya-na-kosmosa-i-laboratorno-otgledano-meso/

Обратно към Луната

Дългоочакваният полет на „Артемис I“ вече е факт. След почти тримесечно отлагане новата ракета на НАСА беше изстреляна успешно и модулът „Орион“ направи първото си прелитане покрай Луната. Вече може да проследяваме и на живо протичането на мисията.

Програмата „Артемис“ е продукт на дългогодишно планиране с първоначална цел Луната, а след това и Марс. Естественият спътник на Земята ще бъде използван за изпитването на различни технологии, които ще са нужни за дългото пътуване до червената планета и потенциалното заселване на хора там. Освен кацането на астронавти на Луната се предвижда и изграждането на малка орбитална станция (Lunar Gateway), която ще служи като комуникационен център, научна лаборатория, пункт за временно настаняване на астронавти и депо за машини. Ще бъде изградена и лунна база, която подобно на Международната космическа станция ще бъде населена постоянно.

Програмата донякъде се припокрива с предишната, изпратила човек на Луната („Аполо“), и е нейно естествено продължение. Показателно е и името ѝ, което не е избрано случайно – Артемида е богиня на Луната и сестра близначка на Аполон. В програмата на НАСА са включени и три партньорски космически агенции – европейската, японската и канадската. Освен тях участие ще вземат и други държави и частни компании (като SpaceX), които са се включили в Споразумението „Артемида“.

Ключов елемент от програмата е свръхтежкотоварната ракета SLS (Space Launch System), разработката на която започна през 2011 г., след спирането на полетите на совалките на НАСА. Тогава Агенцията загуби възможността си да извежда астронавти в орбита и до първия успешен полет на капсулата „Крю Драгън“ на SpaceX през 2020 г. разчиташе на Русия за тази дейност.

Първата мисия, която тече в момента, ще отведе капсулата „Орион“ до Луната. Там тя ще влезе в сложна орбита, за да направи снимки на Земята и естествения ѝ спътник. На борда ѝ има малък „екипаж“ от два манекена, изработени от материали, които наподобяват тъканите в човешкото тяло. В тях има сензори за измерване на нивото на космическа радиация, което е изключително важно за астронавтите, особено при по-дълъг престой.

В Международната космическа станция нивата на радиацията са над 50 пъти по-високи от тези на Земята, а в открития Космос, например при пътуване до Марс, надвишаването може да надхвърли 150 пъти. Въпреки че модулът „Орион“ е проектиран с подсилена радиационна устойчивост, единият манекен (Зохар) носи специална защитна жилетка, а другият (Хелга) ще служи за контрола. Те са с женска анатомия поради по-високата чувствителност на жените към радиацията, гласи прессъобщението на НАСА.

„Артемис I“ носи със себе си и 10 малки сателита (CubeSats), които ще се отделят от ракетата по пътя към Луната. Един от тях е апаратът BioSentinel, който също има за цел да изпита ефекта на космическата радиация върху живи организми. Дрождите S. cerevisiae, използвани в производството на хляб, бира и вино, са едноклетъчни гъби, но за разлика от бактериите, имат обособено ядро като клетките на висшите организми и са добър модел за изследване на повредите в ДНК, причинени от силно заредени космически частици. Подбрани са два щама: единият е от див тип, а другият – с компрометирана система за поправка на ДНК. В различни точки от пътуването на спътника те ще бъдат изследвани за промени в метаболизма. Идентичен експеримент ще бъде проведен на Земята и в Международната космическа станция.

Друг от сателитите – NEA Scout – има за цел да изследва астероид, който ще прелети покрай Земята през 2023 г. „Разузнавачът“ ще се размине бавно с него и ще го заснеме с камера с висока резолюция. Интересното при този сателит е, че ще се придвижва с помощта на слънчево платно. Този метод за задвижване на космически кораби използва радиационното налягане, което слънчевата светлина упражнява върху големи огледални повърхности. Тъй като енергията, която фотоните предават на апарата, е малка, платното трябва да има голяма площ – в случая 86 кв.м, събрани в малкия сателит с размера на два пакета хартия за принтер. След отделянето на сателита от ракетата платното ще се разгърне в пълния си размер.

Неконвенционален начин на придвижване има и Team Miles – вместо обичайните ракетни двигатели сателитът е с хибриден плазмен и лазерен двигател, който използва йонизиран йод като гориво. Целта, поставена на малкия сателит, е далечна – червената планета Марс. По време на пътуването си космическият апарат ще тества софтуерна система за комуникация със Земята.

Профилът на втората мисия („Артемис II“) е сходен с този на „Аполо 8“ – в капсулата ще има четирима астронавти, които ще прелетят покрай далечната страна на Луната в орбита, описваща цифрата 8. Предимството на тази траектория е, че в случай на авария при преминаването си покрай Луната капсулата ще бъде насочена обратно към Земята само от гравитационните сили.

Третата мисия, планирана за 2024 г., е от историческо значение, защото е най-вероятната възможност на Луната отново да стъпят хора. В мисията ще участва Стефани Уилсън, която ще бъде първият астронавт от афроамерикански произход и първата жена, посетила лунната повърхност. За разлика от предходните кацания, „Артемис III“ ще има за цел да достигне полярните области на Луната, където астронавтите ще търсят замръзнала вода и места, подходящи за изграждане на бази, които да осигурят постоянно човешко присъствие. Престоят на астронавтите ще е по-дълъг от предходните мисии, като те ще имат 10 дни за събиране на проби и извършване на експерименти.

Новини има и от корпорацията SpaceX, която след тригодишна пауза изстреля за четвърти път тежкотоварната си ракета носител „Фалкън Хеви“. С трите си ускорителни модула (бустери) до момента тя беше най-мощната активна ракета преди успешното излитане на SLS на НАСА. Клиент на компанията са Американските космически сили (USSF), които са извели в геостационарна орбита два сателита. Информацията за единия от тях е класифицирана и затова за него се знае малко, но другият – Tetra-1 – е експериментална платформа за изпитване на нови технологии. Той е с размера на пералня и вещае нова идеология.

Спътниците, използвани на ключови позиции в системите за разузнаване и комуникация, са изключително скъпи и големи, което ги прави отлични цели за антисателитни ракети, каквито редица държави неведнъж са използвали. Затова Департаментът на отбраната на САЩ иска да изпита концепцията, вече приложена от системите за сателитен интернет Starlink на SpaceX – „съзвездия“ от малки спътници, които да бъдат свързани в мрежа. Това ще намали тяхната цена и ще направи изстрелването им по-лесно, което от своя страна би позволило по-бързо внедряване на нови технологии.

„Фалкън Хеви“ е част и от програмата „Артемис“ – ракетата трябва да достави първите два модула за орбиталната станция Lunar Gateway в края на 2024 г., а след това да снабдява с провизии станцията чрез апарата Dragon XL, който ще има капацитет за 5 тона товар в херметичен и отворен сектор.

Частният космически сектор е поле, което се развива изключително активно. Индийската компания Skyroot Aerospace изстреля малка ракета, която достигна височина от почти 90 километра. Въпреки че полетът на Vikram-S е под линията на Карман от 100 км, приета от Международната авиационна федерация за границата, разделяща земната атмосфера и космическото пространство, той е изпълнил всички поставени цели и дава възможност на компанията да продължи с предвиденото изстрелване на по-голям прототип – Vikram-I – през идната година. Товароподемността на проектираните до момента модели не е висока, но е сходна с тази на първата ракета на SpaceX. Предстои да разберем дали индийските специалисти ще успеят да постигнат същите успехи като американските си колеги.

Месо, отгледано в лаборатория

Месопреработвателната индустрия е поставена под все по-голям натиск по различни причини, повечето от които в основата си са морални. Най-явната е неизбежната смърт на животните, както и лошите условия при отглеждането им – често те нямат достатъчно място, не се хранят оптимално и като цяло не живеят пълноценно. Наред с това редица организации обръщат внимание на влиянието на индустрията върху глобалните климатични промени. За периода 2018–2020 г. производството на месо е допринесло за 54% от парниковите газове, отделени от селското стопанство, според доклад на Организацията на ООН по прехрана и земеделие. Много висока е и консумацията на вода – за телешкото, което е най-ресурсоемко, се изразходват над 100 литра за 1 грам протеин.

На пазара вече има редица алтернативи на месото, базирани на растителни продукти или на протеин от насекоми, които дават решение на някои от тези проблеми. Техният въглероден отпечатък е много по-малък, отколкото на животинските продукти, но продължават да са налице някои от предизвикателствата на съвременното земеделие – например нуждата от обработваема земя и употребата на пестициди. Отглеждането на насекоми също може да бъде обременено от етични въпроси, тъй като редица учени изказват мнението, че и насекомите изпитват болка, подобно на гръбначните животни.

Потенциално решение е т.нар. лабораторно отгледано месо. Въпреки че няма консенсус точно колко ще намалее нуждата от ресурси за производството, най-песимистичните прогнози сочат, че консумацията на енергия и влиянието върху промените в климата ще останат съизмерими със сегашната индустрия, ако фабриките не използват енергия от възобновяеми източници. Но дори и в този случай ще отпадне основният етичен проблем с консумацията на месо. Ще бъде ограничен драстично и разходът на вода и земя за отглеждане на животни – според учени от Оксфордския и Амстердамския университет икономиите може да достигнат 90%. Допълнително предимство на производството по този начин е, че почти няма вероятност за попадане на патогени в продукцията и регулацията на „фабриките за месо“ следва да е по-лесна, отколкото на фермите, в които се отглеждат живи животни.

Преди дни Агенцията за контрол на храните и лекарствата на САЩ приключи с проверката си на Upside Foods и даде заключение, че произведеното от компанията месо е безопасно за консумация. Сега остава да бъде направена инспекция на фабриката им от Департамента по земеделие и да се уточни етикетирането на продукта. Тези стъпки би трябвало да се изминат сравнително бързо, след което от компанията ще започнат да предлагат своето месо на подбрани ресторанти, за да запознаят потребителите с него.

Това развитие не е изненадващо – след като през 2020 г. Сингапур даде одобрение на американската компания Eat Just да продава своите пилешки продукти в страната, беше въпрос на време и американските органи да предприемат тази стъпка предвид по-либералната им политика спрямо подобни нови технологии.

Технологията за отглеждане на месо в лаборатория е сходна с други биотехнологични производства. Всичко започва с изолацията на клетки, които могат да бъдат получени и без да бъдат наранени животни. След първоначална подготовка те се прехвърлят в биореактори, подобни на ферментационните съдове, в които се произвежда бира. В тях протичат следващите стъпки от производството – клетките живеят в изкуствена среда, съдържаща всички нужни хранителни вещества за развитието им и поддържана с оптимални параметри (ниво на pH, температура).

Културалната среда трябва да се подменя често – както за да бъде опреснена, така и за да се премахнат всички отпадни продукти, отделени от клетките. След като клетките се намножат, се предизвиква и тяхната диференциация – развитието им в различни по вид клетки, като мускулни, съединителни и мастни, които се свързват една с друга. В края на процеса след няколко седмици от реакционния съд може да се извади произведената месна маса. Тя няма конкретна структура и прилича на фино смляно месо. Това е и основната причина повечето продукти да са пилешки хапки и кренвирши.

Пред усъвършенстването на технологията има редица препятствия. Най-голямата и до момента непреодоляна е предизвикването на оформяне на тъкани – това е сложен процес, който не е напълно изяснен и при живите организми. Друго препятствие е нуждата от използване на растежни хормони, които се извличат от животинска кръв и така възниква проблем за получаването на напълно етичен продукт и увеличаването на мащабите на производство. Вече няколко компании обаче, сред които Upside Food, са разработили нови хранителни среди, в състава на които няма животински продукти, като бонус от това е и намаляването на разходите с над 80 пъти. Предстои да бъде усъвършенствано и производството в големи мащаби, което е една от ключовите стъпки за сваляне на цената на продукта.

Тази индустрия привлича все повече инвеститори, някои от които традиционни месопроизводители и преработватели. За момента не е ясно какви ще бъдат нагласите на потребителите – редица изследвания показват противоречиви данни. Според някои от тях има силно предпочитание към заместителите на месото, според други повечето хора не биха консумирали лабораторно отгледано месо, а трети дават заключение, че потребителите нямат конкретно предпочитание и биха се спрели на най-изгодния вариант. Трудно е да се предвиди как ще се развие технологията и как ще бъде приета от широката публика, но със сигурност ще е ключова част от борбата с климатичните промени и колонизацията на Космоса.

Заглавна снимка: Снимка на Земята и Луната, направена от „Аполо 8“ на 24 декември 1968 г. © НАСА

Източник