Рубрика: Наука

Форми ссавців охоплюють як живі, так і вимерлі види, близькі до ссавців. Дослідження форм ссавців допомагає вченим розшифрувати еволюційний розвиток, відповідальний за різні особливості ссавців.

У двох послідовних дослідженнях у журналі Nature д-р Мао Фаньюань і д-р Чжан Чі з Інституту палеонтології та палеоантропології хребетних (IVPP) Академії наук Китаю разом із колегами з Австралії та Сполучених Штатів нещодавно повідомили про дві форми ссавців юрського періоду з Китаю, виявивши найдавнішу диверсифікацію зубів, середнє вухо нижньої щелепи та суглобово-квадратну суглобову трансформацію форм ссавців.

Дослідження надають ключову інформацію про еволюційний зсув від кісток щелеп рептилій до ранніх кісточок середнього вуха ссавців, представляючи нові погляди на раннє різноманіття форм ссавців і змінюючи ранню філогенію ссавців.

Шуотеріїди та еволюція зубів

Шуотеріїди були формами ссавців юрського періоду з псевдотрибосфеновими молярами, які мали «псевдоталонід» (подібну до басейну структуру) перед тригонідом у нижніх молярах. Навпаки, корінні зуби у живих ссавців мають трибосфенний малюнок, де талонід розташований за тригонідом і «приймає», тобто з’єднується з протоконусом верхнього моляра для обробки/жування їжі.

Традиційно шуотеріїди філогенетично групувалися з «австралосфеніданами» (включаючи живих однопрохідних), але цей зв’язок є суперечливим і залишає непоясненими деякі дивовижні морфологічні, палеогеографічні та функціональні питання форм ссавців.

У першій статті дослідники вивчили два екземпляри з середньоюрського місцезнаходження Даохугоу у Внутрішній Монголії та встановили новий рід і вид шуотеріїд, Feredocodon chowi.

Ґрунтуючись на доказах повних зубних рядів, оклюзійних взаємозв’язків і послідовної гомології зубів, дослідники запропонували нову інтерпретацію: псевдотрибосфенові моляри насправді гомологічні малюнку молярів докодонтанів.

Результати філогенетичного аналізу, реконструйованого на основі переглянутих характеристик зубів, свідчать про те, що Morganucodon-подібний предок незалежно дав початок трьом основним групам ссавців: Docodontiformes (Docodonta та Shuotheridia), Allotheria та Holotheria (symmetrodontans, therians та kin). Ключова особливість еволюції зубів у ранніх форм ссавців полягає в тому, що корінні зуби, які виникли внаслідок предків триконодонтів, як у Morganucodon , стали ширшими та складнішими для більш ефективної обробки їжі. Однак еволюційні процеси трьох груп відбувалися в різних напрямках.

Еволюція середнього вуха нижньої щелепи

У другій статті дослідники повідомили про нижньощелепні середні вуха (MdME) двох видів — один був шуотеріїдним Feredocodon, описаним вище, а інший — твариною, схожою на Morganucodon , із ранньоюрської біоти Луфенг під назвою Dianoconodon youngi.

Ці два види показали деякі нові морфологічні особливості, які підтверджують еволюційний перехід від кісток щелепного суглоба до кісточок середнього вуха у ранніх ссавців. Особливості нижньої щелепи свідчать про те, що один з подвійних щелепних суглобів предків Morganucodon, суглобово-квадратний суглоб, втратив свою несучу функцію у Dianoconodon, в той час, як нижньощелепне середнє вухо було краще пристосоване для слуху. Постзубні кістки шуотерідних видів є більш досконалими, демонструючи характеристики, придатні для суто слухової функції.

Нові дані дають уявлення про те, як окостенілий хрящ Меккеля функціонував як стабілізуючий механізм, і показують, що медіальне зміщення квадрата відносно суглобової кістки відіграло вирішальну роль у перетворенні щелепного суглоба, що несе навантаження, на структури середнього вуха.

Це дослідження рішуче підтверджує і посилює думку про те, що поступова еволюція середнього вуха ссавців є класичним прикладом еволюції хребетних.

Американські дослідники створили генномодифіковані бактерії, здатні розкладати міцний пластик. Цікаво, що в процесі використання матеріалу мікроорганізми надають йому ще більшої жорсткості, а ось після того, як він потрапить на звалище, розщеплять його в короткі терміни.

Пластик – універсальний матеріал нашого часу: він дешевий, хімічно стійкий та міцний. Однак саме остання властивість робить його утилізацію досить складною. На розкладання пластику йдуть десятки, а іноді й сотні років, через що такого роду відходи засмічують землю та океани. Тому вчені всього світу постійно думають про те, як найефективніше розщеплювати пластик і останніми роками були виявлені бактерії, які здатні це робити.

Харчуватися пластиком може, наприклад, Rhodococcus ruber, знищуючи до 1,2 відсотка маси поліетилену, який щорічно потрапляє до Світового океану. Щоправда, для цього потрібні відповідні умови навколишнього середовища, та й сам пластик, який здатні розщеплювати бактерії, зазвичай м’який. Набагато складніші справи з міцним матеріалом — наприклад, термопластичним поліуретаном, з якого виготовляють взуття, запчастини для автомобілів, чохли для телефонів та багато інших повсякденних товарів. Поки що такий вид пластику взагалі не підлягає вторинному перероблюванню.

Вчені з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго (США) вирішили потурбуватися про цю проблему. Вони звернули увагу на сінну паличку (Bacillus subtilis) – вид грампозитивних бактерій, яку одержують із сінного екстракту. При цьому бактерія зустрічається всюди — від кишківника людини та тварин до повітря та води. Ці мікроорганізми здатні розкладати пластик.

Дослідники запропонували впроваджувати Bacillus subtilis у сам матеріал. Цікаво те, що бактерія не розкладатиме пластик до того моменту, як він потрапить на звалище і стикнеться з ґрунтом. Щоб вона почала виробляти ферменти – пластик треба буквально закопати у компост. Тому користуватися такими виробами можна буде як завгодно довго. Але є проблема — висока температура, яка використовується у виробництві пластику, вбиває більшість бактеріальних суперечок.

Тому вчені створили ГМО-мікроби Bacillus subtilis, здатні протистояти нагріванню, і виявили, що від 96 до 100 відсотків суперечка таких бактерій здатна виживати при температурі обробки пластику в 135 градусів Цельсія. Це дуже перспективний результат, оскільки не генномодифіковані бактерії виживають при такому нагріванні лише приблизно у 20 відсотках випадків.

Після цього дослідники перевірили те, як добре Bacillus subtilis розкладають пластик. З’ясувалося, що при концентрації до одного відсотка від ваги пластику мікроорганізми розщеплюють понад 90 відсотків матеріалу протягом п’яти місяців після закапування компостом. Вчені виявили й інший приємний бонус — пластик, виготовлений з використанням Bacillus subtilis, на 37 відсотків міцніший і на 30 відсотків має меншу схильність до розриву, порівняно із звичайним термопластичним поліуретаном. Таким чином, суперечки бактерій діють на матеріал подібно до армуючого наповнювача. Дослідження опубліковано у журналі Nature Communications.

Вчений із США змоделював на комп’ютері та надрукував на 3D-принтері копії зубів змілодонів і дійшов висновку, що у певний відрізок життя вони могли мати подвійні ікла — молочні та корінні. Інженерні випробування показали, навіщо тваринам могла знадобитися така зубна система.

Смоляні ями Ла-Бреа — це родовища бітуму в Лос-Анджелесі. Протягом тисячоліть тварини потрапляли сюди та гинули у цій пастці. Тому тут проводяться палеонтологічні розкопки. За сотню з гаком років звідси витягли близько двох тисяч черепів шаблезубих кішок. У деяких із них помітили цікаву особливість — лунка для ікла була зайнята не одним, а двома зубами: один із них був корінний, а інший молочний.

Йдеться про найвідоміших представників шаблезубих кішок — Smilodon fatalis, які мешкали на території Північної та Південної Америки в період від 1,6 мільйона до 10 тисяч років тому.

Палеонтолог Джек Цзенг (Z. Jack Tseng) із Каліфорнійського університету (США) вивчив ці черепи та вважає, що такі приклади не випадковість. Він знайшов підтвердження раніше висловленої іншими вченими гіпотезі про те, що молочні зуби допомагали хижакам стабілізувати постійні. Висновки дослідника представлені у журналі The Anatomical Record.

Джек Ценг провів комп’ютерне моделювання та справжні експерименти на пластикових моделях, «випробувавши» таким чином на міцність зуби шаблезубих кішок Smilodon fatalis при згинанні їх убік. Вчений використав тип інженерного аналізу – так звану теорію вигину балок. Ця модель враховує деформацію зсувів та обертальні вигини, що робить її застосовною для опису поведінки будівельних балок, сендвіч-панелей, мостів та інших інженерних конструкцій.

З’ясувалося, що якщо міцність ікла шаблезубого тигра на вигин — сила, яку зуб може витримати, перш ніж зламається, залишається приблизно однаковою при її подовженні, то жорсткість ікла — його прогин під дією заданої сили — зменшується зі збільшенням довжини. Це означає, що хоча міцність ікла при подовженні падає слабо, схильність його до прогину під навантаженням все ж таки зростає. Надруковані на 3D-принтері копії зубів шаблезубих кішок вчений також протестував на вигин та рівень жорсткості на спеціальному пристрої, призначеному для вимірювання міцності на розтяг. Результати тестів підтвердили, що показало комп’ютерне моделювання.

Палеонтолог дійшов висновку, що молочні ікла не випадали у кішок-підлітків протягом 30 місяців, аж доти, поки на їхньому місці не виявиться постійний зуб. При цьому молочне ікло, судячи з усього, служив корінною опорою. Ймовірно, це було потрібно, щоб не втратити основного ікла, перш ніж тварина навчиться добре полювати.

Дослідник вважає, що схожа система могла бути особливістю не лише Smilodon fatalis підліткового періоду. Можливо, вона розвинулася і в інших видів шаблезубих тварин, хоча в літописі скам’янілостей інших прикладів подвійних іклів у подібних видів поки не виявлено.

Новий вид бджіл, Hoplitis onosmaevae, виявлений у Французьких Альпах і частинах Туреччини та Іраку, демонструє унікальні екологічні адаптації та стикається з проблемами збереження через вузькоспеціалізовані вимоги до середовища проживання. Команда європейських дослідників виявила новий вид бджоли-осмії з незвичайним географічним поширенням.

Hoplitis onosmaevae зараз зустрічається виключно в Національному парку Меркантур у Французьких Альпах і розрізнених гірських регіонах Туреччини та Північного Іраку. Відстань понад 2000 км між цими районами підкреслює значну біогеографічну розбіжність.

Описаний у відкритому журналі Alpine Entomology, новий вид бджіл демонструє унікальні екологічні характеристики, такі як їх чітка поведінка гніздування в мертвій деревині. Вважається, що він збирає пилок тільки з видів Onosma, він має довгий хоботок, який, ймовірно, є пристосуванням для збору нектару з довготрубчастих квіток цього роду.

Сильно розрізнене поширення Hoplitis onosmaevae має важливі наслідки для збереження. Вид, ймовірно, має дуже вузьку екологічну нішу, що робить його дуже сприйнятливим до майбутніх змін у середовищі існування, наприклад, через зміни в сільськогосподарській практиці або зміни клімату.

«Врахування небагатьох відомих популяцій цього виду у Франції є дуже важливим у сфері збереження», — каже провідний автор Метьє Обер, позаштатний ентомолог і член асоціації Observatoire des Abeilles. «Це дослідження підкреслює неймовірне розмаїття диких бджіл і те, що нам ще багато чому можна навчитися в нашому середовищі, навіть у Західній Європі», — продовжує він.

Дослідники наголошують на необхідності детальних планів збереження в південно-західних Альпах, щоб забезпечити виживання Hoplitis onosmaevae, враховуючи його вузькоспеціалізовану екологічну нішу та, як наслідок, його вразливість до змін середовища існування. Їхні пропозиції щодо початкових кроків щодо збереження можна знайти в повній статті дослідження.

Торік нейробіолог Сузана Еркулано-Оузель у своїй науковій роботі зробила спірну заяву про те, що м’ясоїдні динозаври на кшталт тиранозаврів за рівнем інтелекту були зіставні з приматами. Міжнародна команда палеонтологів, біологів, фахівців у галузі нейроанатомії та когнітивної психології опублікувала нове дослідження, яке відстоює прямо протилежні висновки.

У статті, що вийшла у 2023 році в Journal of Comparative Neurology, Еркулано-Оузель за допомогою методу філогенетичного брекетингу спробувала розрахувати, скільки нейронів могло бути в мозку у Tyrannosaurus rex і подібних до них хижих динозаврів. Вчений стверджувала, що кількість нейронів у них приблизно відповідала кількості цих нервових клітин у сучасних мавп, таких як павіани. Дослідниця побачила у цьому свідчення більш розвиненого, ніж вважалося раніше, інтелекту у T. rex. Зокрема, вона навіть допустила здатність тиранозаврів до передачі знань та використання знарядь.

У науковому співтоваристві роботу зустріли з великим скепсисом. Багато хто захотів публічно довести неправоту Еркулано-Оузель, оскільки її стаття потрапила до ЗМІ і наробила багато галасу. Через війну сформувалася ціла група вчених із різних держав, зокрема Німеччини, Канади, навіть інших. Їхнє дослідження-спростування наприкінці квітня 2024 року опублікував журнал The Anatomical Record.

До цього палеонтологи та біологи десятиліттями вивчали розміри та анатомію мозку доісторичних ящерів, роблячи на підставі отриманих даних висновки про їх можливу поведінку та спосіб життя. Мозок динозаврів досліджують за допомогою так званих ендокастів — зліпків внутрішньої поверхні черепної коробки, а також виходячи із форми самих порожнин.

Докладно розглянувши методи, які застосувала Еркулано-Оузель, її опоненти показали їхню ненадійність. Зокрема, вчені виявили суттєве завищення в оцінках розмірів мозку динозаврів та числа нейронів у ньому, особливо в області переднього мозку. Крім того, підрахунок нейронів сам не дозволяє достовірно передбачити рівень інтелекту, підкреслили автори нової наукової роботи.

Відомо, що кількість нейронів збільшується пропорційно до розмірів тіла. За словами дослідників, таким гігантам, як тиранозаври, вага яких могла досягати 14 тонн, потрібно більше нейронів просто для забезпечення базових функцій їх масивних тіл, а не для якихось інтелектуальних завдань на кшталт використання знарядь.

Один із авторів спростування — професор біологічних наук Дуглас Р. Уайлі (Douglas R. Wylie) з Університету Альберти (Канада) — також сказав, що в мозку рептилій нейрони компонуються менш щільно і кількість зв’язків між ними менша, ніж у мозку птахів та ссавців. Втім, зазначимо, що з погляду сучасної науки динозаври ближчі один до птахів, які і входять до групи динозаврів, ніж до рептилій.

Оскільки число нейронів — поганий орієнтир для оцінки когнітивних функцій, опора на нього при визначенні рівня інтелекту у видів, що давно вимерли, може вести до надзвичайно некоректних тлумачень, як і сталося з роботою Еркулано-Оузель. Для достовірних висновків вчені рекомендували розглядати ширший спектр даних, у тому числі деталі анатомії скелета, гістологію кісток, аналіз скам’янілостей та поведінку родинних видів, які сьогодні живуть.

«Припущення, що T. rex за інтелектом могли не поступатися павіанам, заворожує та лякає. <…> Але наше дослідження показало, що всі наявні дані йдуть урозріз із цією ідеєю. Вони [тиранозаври] скоріше були схожі на розумних гігантських крокодилів, і це не менш захоплююче», — зробили висновок вчені.

Фізикам-теоретикам з Утрехтського університету разом з фізиками-експериментаторами з Університету Соган у Південній Кореї вдалося побудувати штучний синапс. Цей синапс працює з водою та сіллю та є першим доказом того, що система, яка використовує те саме середовище, що й наш мозок, може обробляти складну інформацію. Результати були опубліковані в науковому журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.

Прагнучи підвищити енергоефективність звичайних комп’ютерів, вчені давно зверталися до людського мозку за натхненням. Вони прагнуть наслідувати його надзвичайну здатність різними способами. Ці зусилля призвели до розробки мозкових комп’ютерів, які відрізняються від традиційної бінарної обробки й охоплюють аналогові методи, схожі на наш мозок. Однак, хоча наш мозок працює, використовуючи воду та розчинені частинки солі, які називаються іонами, як середовище, більшість сучасних комп’ютерів, натхненних мозком, покладаються на звичайні тверді матеріали.

У зв’язку з цим виникає запитання: чи не могли б ми досягти більш точного відтворення роботи мозку, використовуючи те саме середовище? Ця інтригуюча можливість лежить в основі галузі іонтронних нейроморфних обчислень, що розвивається.

Штучний синапс

В останньому дослідженні, опублікованому в PNAS , вчені вперше продемонстрували систему, засновану на воді та солі, яка демонструє здатність обробляти складну інформацію, віддзеркалюючи функціональність нашого мозку. Центральне місце в цьому відкритті займає мініатюрний пристрій розміром 150 на 200 мікрометрів, який імітує поведінку синапсу — важливого компонента в мозку, відповідального за передачу сигналів між нейронами.

Тім Камсма, доктор філософії Інституту теоретичної фізики та Математичного інституту Утрехтського університету та провідний автор дослідження, висловлює своє захоплення, заявляючи: «Хоча штучні синапси, здатні обробляти складну інформацію, вже існують на основі твердих матеріалів, тепер ми вперше показуємо, що цей подвиг також можна здійснити за допомогою води та солі». Він наголошує: «Ми ефективно відтворюємо поведінку нейронів за допомогою системи, яка використовує те саме середовище, що й мозок».

«Можливо, це прокладе шлях для обчислювальних систем, які точніше відтворюють надзвичайні можливості людського мозку». — ТімТім Камсма, доктор філософії та провідний автор

Міграція іонів

Пристрій, розроблений вченими в Кореї та званий іонтронним мемристором, містить конусоподібний мікроканал, заповнений розчином води та солі. Після отримання електричних імпульсів іони всередині рідини мігрують через канал, що призводить до змін концентрації іонів. Залежно від інтенсивності (або тривалості) імпульсу провідність каналу відповідно регулюється, віддзеркалюючи посилення або послаблення зв’язків між нейронами. Ступінь зміни провідності служить вимірним представленням вхідного сигналу.

Додатковим висновком є ​​те, що довжина каналу впливає на тривалість, необхідну для розсіювання змін концентрації. «Це свідчить про можливість адаптації каналів для збереження та обробки інформації протягом різного часу, знову ж таки, як синаптичні механізми, які спостерігаються в нашому мозку», — пояснює Камсма.

Ого!

Генезис цього відкриття можна простежити до ідеї, задуманої Камсмою, який нещодавно почав своє докторське дослідження. Він перетворив цю концепцію, зосереджену навколо використання штучних іонних каналів для завдань класифікації, у надійну теоретичну модель.

«Випадково в той період наші шляхи перетнулися з дослідницькою групою в Південній Кореї, — згадує Камсма. — Вони сприйняли мою теорію з великим ентузіазмом і швидко розпочали експериментальну роботу на її основі». Примітно, що початкові висновки матеріалізувалися лише через три місяці, тісно збігаючись із прогнозами, викладеними в теоретичній основі Kamsma. «Я подумав: вау!» розмірковує він. «Надзвичайно приємно спостерігати перехід від теоретичних припущень до відчутних реальних результатів, що в кінцевому підсумку призвело до цих прекрасних експериментальних результатів».

Значний крок вперед

Камсма підкреслює фундаментальний характер дослідження, наголошуючи на тому, що іонні нейроморфні обчислення, хоч і переживають швидкий розвиток, все ще перебувають у зародковому стані. Передбачуваним результатом є комп’ютерна система, яка значно перевершить ефективність і енергоспоживання порівняно з сучасними технологіями. Проте, чи втілиться це бачення, на цей час залишається спекулятивним. З усім тим, Kamsma розглядає публікацію як значний крок вперед.

«Це являє собою важливий прогрес у напрямку комп’ютерів, здатних не тільки імітувати комунікаційні шаблони людського мозку, але й використовувати те саме середовище», — стверджує він. «Можливо, це зрештою прокладе шлях для обчислювальних систем, які точніше відтворюють надзвичайні можливості людського мозку».