Рубрика: Наука

Декільком тисячам датчиків, розташованих на квадратному кілометрі біля Південного полюса, поставлено завдання відповісти на одне з великих невирішених питань у фізиці: чи існує квантова гравітація? Датчики контролюють нейтрино — частинки без електричного заряду і майже без маси, які прибувають на Землю з космосу. Команда з Інституту Нільса Бора (NBI) Копенгагенського університету внесла свій внесок у розробку методу, який використовує дані про нейтрино, щоб виявити, чи існує квантова гравітація.

«Якщо, як ми віримо, квантова гравітація дійсно існує, це сприятиме об’єднанню нинішніх двох світів фізики. Сьогодні класична фізика описує явища в нашому нормальному оточенні, такі як гравітація, тоді як атомний світ можна описати лише за допомогою квантової механіки.

«Об’єднання квантової теорії та гравітації залишається одним із найвидатніших викликів у фундаментальній фізиці. Було б дуже приємно, якби ми змогли зробити свій внесок у досягнення цієї мети», — каже Том Статтард, доцент NBI.

Штуттард є співавтором статті, опублікованої в журналі Nature Physics. У статті представлені результати великого дослідження команди NBI та американських колег. Досліджено понад 300 тис. нейтрино. Однак це не нейтрино найцікавішого типу, що походять із джерел у далекому космосі. Нейтрино в цьому дослідженні були створені в атмосфері Землі, коли високоенергетичні частинки з космосу стикалися з азотом або іншими молекулами.

«Погляд на нейтрино, що походять із земної атмосфери, має практичну перевагу в тому, що вони набагато більш поширені, ніж їхні побратими з космосу. Нам потрібні були дані багатьох нейтрино, щоб підтвердити нашу методологію. Зараз це зроблено. Таким чином, ми готові до перейти до наступної фази, на якій ми будемо вивчати нейтрино з глибокого космосу», — каже Штуттард.

Безтурботно подорожує Землею

Нейтринна обсерваторія IceCube розташована поруч із Південнополярною станцією Амундсена-Скотта в Антарктиді. На відміну від більшості інших астрономічних і астрофізичних установок, IceCube найкраще працює для спостереження за космосом на протилежному боці Землі, тобто в північній півкулі. Це пояснюється тим, що хоча нейтрино цілком здатне проникнути через нашу планету — і навіть через її гаряче, щільне ядро ​​— інші частинки будуть зупинені, і таким чином сигнал набагато чистіший для нейтрино, що надходить із північної півкулі.

Об’єктом IceCube керує Університет Вісконсіна-Медісон, США. Понад 300 науковців з усього світу брали участь у співпраці IceCube. Університет Копенгагена є одним із понад 50 університетів із центром IceCube для вивчення нейтрино.

Оскільки нейтрино не має електричного заряду та є майже безмасовим, воно не зачіпається електромагнітними та сильними ядерними силами, що дозволяє йому мандрувати мільярди світлових років через Всесвіт у своєму початковому стані. Ключове питання полягає в тому, чи насправді властивості нейтрино повністю незмінні, коли воно подорожує на великі відстані, чи все-таки помітні крихітні зміни.

«Якщо нейтрино зазнає тих ледве помітних змін, про які ми підозрюємо, це стане першим переконливим доказом квантової гравітації», — каже Стуттард.

Нейтрино буває трьох видів

Щоб зрозуміти, які зміни у властивостях нейтрино шукає команда, потрібна довідкова інформація. Хоча ми називаємо це частинкою, те, що ми спостерігаємо як нейтрино, насправді є трьома частинками, створеними разом, відомими у квантовій механіці як суперпозиція.

Нейтрино може мати три фундаментальні конфігурації — аромати, як їх називають фізики, — це електрон, мюон і тау. Яка з цих конфігурацій, яку ми спостерігаємо, змінюється під час подорожі нейтрино, справді дивного явища, відомого як осциляції нейтрино. Ця квантова поведінка зберігається протягом тисяч кілометрів і більше, що називається квантовою когерентністю.

«У більшості експериментів когерентність незабаром порушується. Але вважається, що це не спричинено квантовою гравітацією. Просто дуже важко створити ідеальні умови в лабораторії. Вам потрібен ідеальний вакуум, але якимось чином кільком молекулам вдається проникнути туди. тощо

«Натомість нейтрино особливі тим, що на них просто не впливає речовина навколо них, тому ми знаємо, що якщо когерентність порушується, це не буде через недоліки в створеній людиною експериментальній установці», — пояснює Штуттард.

Багато колег поставилися до цього скептично

На запитання, чи результати дослідження, опубліковані в Nature Physics, відповідають очікуванням, дослідник відповідає: «Ми опинились у рідкісній категорії наукових проектів, а саме експериментів, для яких не існує встановленої теоретичної основи. Таким чином, ми просто не знали, що робити, однак ми знали, що можемо шукати деякі загальні властивості, які ми могли б очікувати від квантової теорії гравітації».

«Хоча ми сподівалися побачити зміни, пов’язані з квантовою гравітацією, той факт, що ми їх не бачили, зовсім не виключає, що вони реальні. Коли атмосферне нейтрино виявляється на антарктичному об’єкті, воно, як правило, проходило через нього. Земля. Це означає приблизно 12 700 км — дуже коротка відстань у порівнянні з нейтрино, що походять із далекого Всесвіту. Очевидно, для впливу квантової гравітації, якщо вона існує, потрібна набагато більша відстань», — каже Штуттард, зазначивши, що головна мета — дослідження полягало у встановленні методології.

«Протягом багатьох років багато фізиків сумнівалися, чи можуть експерименти коли-небудь перевірити квантову гравітацію. Наш аналіз показує, що це дійсно можливо, і з майбутніми вимірюваннями з астрофізичними нейтрино, а також з більш точними детекторами, які будуть створені в найближче десятиліття, ми сподіваємося, нарешті відповісти на це фундаментальне запитання».

Навколо квітневого сонячного затемнення зростає очікування. З 2017 року жодна частина США не занурювалася у всепоглинаючу денну темряву повного сонячного затемнення; до цього був 1979 рік. За сприятливих погодних умов тихоокеанське узбережжя Мексики стане першим місцем, яке потрапить під шлях тотальності – коли Місяць ковзатиме над Сонцем, повністю блокуючи його промені для деяких щасливих спостерігачів Землі.

Звідти Техас до Мен і аж до Атлантичного узбережжя Ньюфаундленду, Канада, ковзатиме в моторошну темряву, яка змушує людей відчувати рух Землі – просто маленької кам’яної планети, що проноситься крізь космос у заплутаному танці з іншими небесними об’єктами – як ніколи раніше. Відчуття цілісності та галас про це настільки дезорієнтують, що можуть завдати шкоди водіям: нове дослідження показало різке зростання кількості смертельних ДТП у США під час сонячного затемнення 2017 року.

Приблизно 20 мільйонів людей виїхали з дому в США, щоб побачити мигцем зникнення Сонця того року. Це призвело до руху від бампера до бампера на дорогах, що ведуть до та від шляху тотальності; Затори на деяких міждержавних маршрутах тривали до 13 годин після головної події, сукупності, яка сталася менш ніж за три хвилини в будь-якому місці.

Подібні затори очікуються по всій Північній Америці під час квітневої події, причому найбільші затримки в дорозі очікуються після затемнення, коли всі повертаються додому. Турбуючись про безпеку людей, двоє канадських лікарів, які вивчають дорожньо-транспортні травми, Дональд Редельмаєр з Університету Торонто та Джон Стейплз з Університету Британської Колумбії, підрахували кількість смертельних аварій на дорогах під час затемнення 2017 року.

Використовуючи національний реєстр ДТП США зі смертельними наслідками, пара підрахувала випадки зі смертельними наслідками, які сталися на дорогах загального користування протягом триденного періоду, зосередженого на затемненні 21 серпня 2017 року. Порівняно з триденним періодом за тиждень до і після події, з урахуванням дня тижня, кількість аварій зі смертельними наслідками зросла приблизно на 30 відсотків під час затемнення.

Близько 10 аварій зі смертельними наслідками відбувалися на годину напередодні, в день і після затемнення, у порівнянні з приблизно 8 смертельними випадками на дорогах протягом контрольних періодів.

«В абсолютних цифрах це в середньому становить одну додаткову учасника ДТП кожні 25 хвилин і одну додаткову жертву ДТП кожні 95 хвилин», — пишуть Редельмаєр і Стейплз у своїй статті.

Відносний ризик потрапити в аварію зі смертельним результатом був на 70 відсотків вищим, ніж зазвичай для молодих людей, і на 40 відсотків вищим, ніж у звичайні дні з ясною погодою. Під час затемнення 2017 року ймовірність потрапити в серйозну, але не смертельну дорожньо-транспортну пригоду була вдвічі вищою.

У той час як моторошне настання денної темряви робить дивні речі з тваринами, налаштованими на цикли день-ніч – бджоли перестають дзижчати, з’являються кажани, а павуки збирають свої мережі – причини цих дорожньо-транспортних пригод, ймовірно, набагато більш приземлені, підозрюють дослідники.

Їзда незнайомими маршрутами, перевищення швидкості, щоб вчасно досягти шляху цілого шляху дорогами, які, ймовірно, не призначені для такої великої кількості транспортних засобів, або захоплення такою рідкісною небесною подією — усе це може пояснити стрибок кількості смертельних випадків на дорогах. Водіння в нетверезому стані або спостереження за затемненням з поспішно припаркованого, небезпечного місця на узбіччі також могло стати причиною цих смертельних аварій.

У міру того, як хвилювання наростає, відкриття є протверезним нагадуванням тим, хто збирається на паломництво на квітневу подію, рухатися дорогами повільніше та керувати безпечно. Тільки не забудьте запакувати спеціальні окуляри для затемнення перед тим, як вирушати в дорогу, щоб захистити очі.

Раніше вважалося, що давній Нарбо-Марціус був відкритим містом та великим центром торгівлі. Тепер зрозуміли, що, швидше за все, його будували як серйозну фортецю. Дослідники із французького Національного інституту охоронних археологічних досліджень (Inrap) проводили розкопки на ділянці під забудову в історичному центрі Нарбонни на півдні Франції. Цей район належить до римського періоду: у II столітті до нашої ери там заснували Нарбо-Марціус, першу римську колонію поза Апеннінського півострова.

Наприкінці II століття до нашої ери римський воєначальник Гней Доміцій Агенобарб разом із Квінтом Фабієм Максимом Аллоброгіком розбив племена арвернів та аллоброгів і завоював всю Південну Галію, а в 118 році до нашої ери заснував колонію Нарбо-Марціус. Гней Доміцій, як проконсул Галлії, вирішив облаштувати свою провінцію, що отримала назву Нарбонська Галія (Gallia Narbonensis), за римським зразком. Згодом це стане нормою для завойованих земель.

Він побудував першу римську дорогу в Галлії — Доміцієву (Via Domitia), яка йшла з Іспанії до Італії. Другою дорогою стала Аквітанская (Via Aquitania), вона проходила від Нарбо-Марціуса через провінцію Аквітанія до Атлантичного океану. На той час місто знаходилося в гирлі річки Од, що робило його стратегічно важливим перехрестям для торгівлі, сільського господарства, подорожей та римської військової експансії.

Про значення Нарбо-Марціуса можна судити з промови Марка Тулія Ціцерона. У 69 році до нашої ери галльські племена звинуватили правителя Нарбонської Галлії в утисках. Цицерон захищав колишнього претора і у своїй промові описував Нарбо-Марціус як «колонію громадян, яка стоїть як сторожова вежа та оплот римського народу, а також як бар’єр оборони проти цих племен».

Після таких слів очікується, що місто було великою фортецею, але досі жодних слідів римських оборонних споруд у районі Нарбонни не знаходили. Вчені пропонували кілька пояснень того, чому стародавнє римське місто не мало стін.

Згідно з однією з гіпотез, у Нарбо-Марціусі завжди знаходилася велика кількість воїнів, здатних придушити бунт галльських племен. Наприклад, у 46-45 роках до нашої ери за наказом Юлія Цезаря там розквартували X легіон (Legio X Equestris). В історичній літературі Нарбо-Марціус зазвичай називають відкритим торговим містом.

Район Нарбонни, де зараз точаться розкопки, знаходився на околиці стародавнього міста. Його побудували приблизно в 50 році нашої ери для зберігання товарів і потім кілька разів перебудовували (з середини I століття до III століття, потім після періоду запустіння — в IV і V століттях). Археологи виявили там кілька складських приміщень, три вулиці, провулок і систему каналів, що перетинаються, по яких відводилися дощові та стічні води.

Один зі складів мав незвичайний пристрій: перший поверх, що використовується для зберігання, був оснащений технічною підлогою з функцією дренажу, причому зробленої з амфор. Верхній поверх служив або будинком, або офісом — досить гарною, з бетонною підлогою, прикрашеною мозаїкою, та стінами з глинобитної цегли. Цей склад дуже постраждав під час пожежі.

Трохи далі знаходиться другий склад, який, зважаючи на все, був зруйнований в результаті тієї ж події, але, як і перший, потім відновлений. Одна з кімнат будівлі з стінами, що добре збереглися, прикрашена розписною штукатуркою. Візерунок імітує мармурові плити, а стеля прикрашена рослинними мотивами, що переплітаються, на білому тлі.

Але найцікавішою знахідкою стала ділянка фортечної стіни завдовжки трохи більше ніж 30 метрів. З одного боку, секція стіни з’єднувалася з круглою кам’яною вежею. Вежу збудували не зовсім звичайним чином: основу круглої частини будівлі вмонтовано у квадратний фундамент. Ймовірно, це було зроблено для надання масивним стінам додаткової стійкості.

Товщина стіни та манера будівництва такі ж, як у римських фортець у Ліоні та Отені. Остаточної датування поки що немає, але французькі археологи вважають, що фортецю звели вже у I столітті нашої ери, за часів найвищого розквіту імперії.

Новий вид викопних скатів, Aellopobatis bavarica, був виявлений у Баваріці, Німеччина, і відноситься до пізнього юрського періоду. У новому дослідженні, нещодавно опублікованому в журналі Papers in Palaeontology, міжнародна група вчених під керівництвом палеобіолога Джулії Тюрчер з Віденського університету дослідила дивовижний світ скатів, які жили 150 мільйонів років тому, і виявила раніше приховану різноманітність, включаючи нові види променів.

Це дослідження значно розширює розуміння цих стародавніх хрящових риб і дає змогу глибше зрозуміти колишню морську екосистему.

У своєму новому дослідженні палеобіолог Джулія Тюрчер з Інституту палеонтології Віденського університету вивчила 52 викопні промені пізнього юрського періоду. Вік цих променів становить 150 мільйонів років з часів, коли Європа була в основному вкрита морем, за винятком кількох островів, які можна порівняти з сучасними Карибськими островами. Пізньоюрські зразки особливо цінні для вчених, оскільки вони є одними з найдавніших відомих повністю збережених зразків променів.

Оскільки зазвичай зберігаються лише зуби скам’янілих скатів, такі рідкісні знахідки скелетів дають захоплюючу інформацію про ранню еволюцію цієї групи. Хоча винятково добре збережені скам’янілості (з Німеччини, Франції та Великої Британії) були відомі протягом деякого часу, вони здебільшого не були досліджені. Дослідження Тюрчера є першим комплексним аналізом зміни форми тіла в цих променях.

Результати показують більшу різноманітність голоморфних (повністю збережених) променів у пізньому юрському періоді, ніж вважалося раніше. «До цього часу було підтверджено лише три види голоморфних променів з пізньої юрського періоду, але завдяки цьому дослідженню було ідентифіковано загалом п’ять видів», — говорить Тюртшер.

На основі свого аналізу дослідники змогли підтвердити четвертий вид, який обговорювався протягом деякого часу, а також задокументувати та представити новий, раніше не відкритий вид скатів: Aellopobatis bavarica . Цей вид, який може виростати до 170 см у довжину, раніше вважався великою формою набагато меншого французького Spathobatis bugesiacus, який має 60 см у довжину. Проте, детально проаналізувавши структуру скелета та форми тіла, вчені змогли показати, що Aellopobatis bavarica є окремим видом.

Нові результати також свідчать про те, що ці п’ять видів зустрічалися в дуже обмежених районах, але автори не бажають робити поспішних висновків щодо можливого ендемізму: «Подальші дослідження морфології зубів зразків і наступні порівняння з ізольованими зубами з інших місць можуть допомогти визначити реконструювати палеогеографічне поширення пізніх юрських променів», — пояснює Тюртшер.

Розуміння морських екосистем минулого

Результати цього нового дослідження не тільки сприяють розумінню біорізноманіття та еволюції скатів у верхній юрському періоді, але також мають безпосередній вплив на ідентифікацію викопних видів скатів, які відомі виключно за ізольованими зубами. Постійні нові відкриття про цих захоплюючих тварин дають змогу зрозуміти динаміку минулих морських екосистем і підкреслюють важливість добре збережених скам’янілостей у реконструкції нашого геологічного минулого. «Ми можемо зробити точні висновки про живі види, лише якщо ми також зрозуміємо минуле групи, включаючи її еволюцію, адаптацію до мінливих факторів навколишнього середовища з часом і вимирання, з яким зіткнулася ця група протягом своєї еволюційної історії. Палебіологічні знання дозволяють нам краще зрозуміти динаміку еволюції та вимирання видів і, таким чином, допомагають розробити ефективніші заходи збереження видів, які сьогодні перебувають під загрозою зникнення», — говорить другий автор Патрік Л. Джамбура з Інституту палеонтології Віденського університету.

Міжнародна група вчених з’ясувала, що найстаріша скандинавська скельна порода зародилася у Гренландії. Данія, Швеція, Норвегія та Фінляндія спочивають на частині земної кори, яку називають Балтійським щитом. Щоб більше дізнатися про його походження, вчені з університетів Копенгагена (Данія) та Західної Австралії вивчили кристали циркону з річкового піску та гірських порід Фінляндії. Про свої висновки вони розповіли у журналі Geology.

Дослідники прийшли до висновку, що за декількома параметрами хімічні сліди кристалів збігаються з такими у деяких порід, які знайшли в Північноатлантичному кратоні Західної Гренландії — одному з найдавніших у світі. Виявлені ознаки вказують на те, що фінські гірські породи набагато старші за всіх тих, які до того виявляли в Скандинавії. Але при цьому вони відповідають віку зразків, здобутих у Гренландії — приблизно 3,75 мільярда років.

Геологи припустили, що Балтійський щит відокремився від Гренландії і дрейфував протягом сотень мільйонів років, поки не зупинився там, де зараз знаходиться Фінляндія. Там плита росла і накопичувала новий геологічний матеріал, доки перетворилася на район Скандинавії. До речі, у ті далекі часи, як вважають учені, Земля могла бути схожа на водний світ, а її атмосфері був кисню.

«Розуміння того, як утворилися континенти, допомагає зрозуміти, чому наша планета єдина в Сонячній системі, на якій є життя. Адже якби на ній не було рухливих гранітних континентів і рідкої води, і нас би не було. Тому що материки впливають і на океанічний перебіг, і на клімат, тобто на вирішальні чинники життя на планеті», — сказав перший автор дослідження Андреас Петерссон з Університету Копенгагена.

Робота вчених допомогла скоригувати дані про минуле Землі. Найбільш поширені моделі припускають, що континентальна кора нашої планети почала формуватися, коли з’явилася остання, тобто приблизно 4,6 мільярда років тому. Нове дослідження показало, що континенти, мабуть, сформувалися лише мільярд років після появи Землі. Про це свідчать і деякі інші наукові роботи, автори яких вивчали частинки земної кори з інших частин світу.

Так, наприклад, в Австралії, Південній Африці та Індії виявили схожі частинки породи, але вчені не впевнені, походять вони всі з одного місця і виникли незалежно один від одного. Щоб з’ясувати це, потрібні додаткові дослідження.

Що спричиняє старіння нашого тіла? Чотири взаємодоповнюючі дослідження, в тому числі одне з Northwestern Medicine, дійшли одного висновку: довгі гени. У новій статті вчені пишуть про свої відкриття та про те, як вони вдосконалюють наявні знання про старіння.

«Довгі гени, які з віком стають менш активними, можуть бути основною причиною старіння нашого тіла», — сказав автор-кореспондент Томас Стогер, доцент кафедри легеневої та інтенсивної терапії в медичній школі Фейнберга Північно-Західного університету та член Інститут довголіття Potocsnak. «Наше відкриття просуває цю галузь, визначаючи єдине явище, яке об’єднує більшість наявних знань про старіння та робить це основне явище вимірюваним».

Довжина генів і біологічне старіння

Стаття, яка висвітлює спільні висновки чотирьох міжнародних дослідницьких груп, була опублікована в Trends in Genetics 21 березня. Групи першими прийшли до висновку, що більшість аспектів біологічного старіння пов’язані з довжиною генів.

Умови, які, як відомо, прискорюють старіння, знижують активність довгих генів. Це включає куріння, алкоголь, окислювальний стрес та УФ-опромінення. Умови, які, як відомо, сповільнюють старіння, збільшують активність довгих генів, таких як обмеження калорійності. Крім того, гени, які є дуже короткими або дуже довгими, кодують клітинні процеси, які, як відомо, змінюються зі старінням, такі як утворення клітинної енергії, синтез білка та передача нейронних сигналів.

Зв’язок між довгими генами та старінням

«Регуляція генів є одним із найважливіших процесів життя, і наші чотири дослідження пояснюють, чому активність довгих генів особливо змінюється зі старінням», — сказав Стогер. «На додаток до старіння, ми показали, що те ж саме спостерігається у пацієнтів з хворобою Альцгеймера , захворюванням, пов’язаним з віком. Наші висновки допомагають нам переосмислити причини нейродегенеративних захворювань, таких як хвороба Альцгеймера. Оскільки гени з нейронними функціями є надзвичайно довгими, ми припускаємо, що знижена активність клітин з довгими генами не здатна виробляти достатню кількість біоматеріалів для належної підтримки нервової функції».

Тригером старіння є фізичне явище, пов’язане з довжиною генів, а не з конкретними залученими генами або функцією цих генів, повідомляють вчені. Початкові висновки були засновані на суміші молекулярних даних від людей, мишей, щурів, морських риб, C. elegans, D. melanogaster та експериментів на мишах. Раніше наукові дослідження намагалися визначити конкретні гени, відповідальні за старіння. Цей новий погляд відрізняється від переважаючих біологічних підходів, які вивчають вплив окремих генів.

Пошкодження ДНК і старіння

Довгі гени просто мають більше потенційних місць, які можуть бути пошкоджені. Вчені порівнюють це з подорожжю — чим довша подорож, тим більша ймовірність, що щось піде не так. І оскільки фізіологічна роль деяких типів клітин залежить від генів, які є довшими, ніж гени інших типів клітин, деякі типи клітин, швидше за все, постраждають від пошкодження ДНК , яке накопичується з віком. Під час старіння гени пошкоджуються, оскільки ланцюги ДНК, які містять гени, розриваються. Це не дозволяє клітинам зчитувати інформацію та активувати інформацію, що міститься в гені. Чим довший ген, тим імовірніше, що принаймні одна ділянка пошкодження ДНК існує і зупиняє активацію гена.

Оскільки відомо, що нервові клітини залежать від особливо довгих генів і повільно діляться або не діляться, вони особливо чутливі до цього явища. Багато генів, пов’язаних із втратою мозку під час старіння та пов’язаних із хворобою Альцгеймера, надзвичайно довгі. Пацієнти з онкологічними захворюваннями у дітей, яких вилікували за допомогою хіміотерапії, що пошкоджує ДНК, згодом страждають від передчасного старіння, включаючи нейродегенерацію.