Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Общее

Бессмертие стволовые клетки, эпигенетические часы, геропротекторы

30.07.2020 16:01:51 | Автор: admin
Гость Рубки генетик Вадим Гладышев. Вместе с издателем ПостНауки Иваром Максутовымбудем выяснять, можно ли победить старение.Вадим Гладышев кандидат химических наук, профессор медицины Гарвардской медицинской школы.Впредыдущих выпусках Рубки побывали биолог Дмитрий Алексеев (микробы кишечника и правильное питание), вирусолог Леонид Марголис (ВИЧ) и психолог Мария Фаликман (многозадачность и состояние потока). Подробнее..
Категории: Общее

Принцип работы нейроинтерфейсов

30.07.2020 22:18:00 | Автор: admin
Сегодня мы часто встречаем слова нейроинтерфейсы, нейропротез, и для нас уже очевидно, что компьютер можно подсоединить к мозгу. Как работают нейроинтерфейсы, какие возможности они открывают и каковы перспективы их применения?Что такое нейрон?Аристотель размышлял над тем, что в организме человека отвечает за мышление и ощущения, и пришел к выводу, что таким органом является не мозг, а сердце: мозг холодный, а сердце теплое; мозг есть не у всех животных, в отличие от сердца и кровеносной системы; а если в него воткнуть нож или гвоздь, то человек ничего не почувствует как же тогда мозг может быть центром ощущений?И многие поверили Аристотелю. Столетия его взгляды имели влияние, до тех пор пока два ученых, Камилло Гольджи и Сантьяго Рамон-и-Кахаль, не догадались посмотреть на мозг под микроскопом. Они увидели нейроны, которые были разной формы, с разными отростками, по-разному соединенные друг с другом в разных отделах мозга, и поняли, что именно в мозге идут мыслительные процессы и обработка чувств и моторных команд. Их исследования положили начало современным нейронаукам. Оба ученых получили Нобелевскую премию, но Рамон-и-Кахаль подчеркивал, что мозг состоит из нейронов и из них можно построить сеть мозга, а Гольджи идея таких элементарных единиц не была близка. Ему больше нравилось именно то, что в мозге все переплетено и имеется некая сеть. Таким образом, оба несколько по-разному представляли себе работу мозга, но тем не менее получили Нобелевскую премию.Нейрональная доктрина Рамон-и-Кахаля прослеживается по сей день, как и теория Гольджи. И постоянно возникают споры: одни ученые подчеркивают важность нейрона и тех операций, которые он выполняет, а другие выделяют именно нейронную сеть и подчеркивают распределенную обработку информации в мозге.Нейронауки развивались, и на некоторое время возобладали идеи Кахаля: были обнаружены нейроны, стало ясно, как они соединены и передают информацию друг другу. И действительно, нейрон является чем-то целым. Он состоит из тела клетки, дендритов, получающих информацию, аксона, по которому информация пересылается другим нейронам, и синапсов это место контакта между двумя нейронами, где происходит передача информации от одного нейрона к другому. Если придерживаться этой схемы, то мозг подобен электронной схеме. Нейроны бывают возбуждающими и тормозными. И если взять какое-то количество и тех и других нейронов, соединить их и придумать определенную схему, то они будут работать, как задумано.Все бы хорошо, но потом пришло осознание, что и Гольджи был в чем-то прав. Например, нейроны могут образовывать между собой электрические синапсы, через которые довольно свободно гуляют ионы. И нейроны оказались не столь элементарными единицами, как считали раньше. Скажем, в коре больших полушарий тормозные интернейроны образуют сеть, соединенную электрическими синапсами. Также было обнаружено, что нейрон, когда работает, излучает электромагнитные поля, которые могут воздействовать на нейроны, расположенные рядом. Это назвали эфаптической передачей. Сейчас некоторые исследователи полагают, что она может играть определенную функциональную роль.Возможности нейроинтерфейсовПолучается, что-то мы знаем, но гораздо больше нам пока не известно. Однако это не останавливает разработчиков нейрокомпьютерных интерфейсов, которые ставят перед собой амбициозную цель: они хотят записывать активность мозга, декодировать ее и потом использовать записанную информацию из мозга для решения определенных задач.Есть люди с неврологическими поражениями, например парализованные, с повреждениями спинного мозга. Предположительно можно записывать у таких пациентов сигналы из головного мозга, декодировать эту активность и затем направлять ее на протез руки или ноги. Благодаря этому такие люди обретут способность двигаться и ощущать.Обсуждается также возможность расширить функции мозга: человек подсоединяется к устройству, считывающему активность его мозга, которая декодируется и отправляется в компьютер, и компьютер помогает расширять функции. Есть и еще более футуристические идеи будущих проектов, такие как интерфейсы, в которых задействован мозг нескольких человек происходит обмен информацией.Как устроен и работает нейроинтерфейсПрежде всего, необходим человеческий мозг, один или несколько. Также должны быть сенсоры, регистрирующие электрическую активность мозга: инвазивные, то есть электроды, имплантированные в мозг, и неинвазивные электроды, которые кладутся на голову для записи электроэнцефалограммы, либо специальное устройство, записывающее магнитоэнцефалограмму. То, что мы регистрируем а желательно записывать как можно больше информации, подается на декодер. Декодер это устройство с определенным математическим алгоритмом, который обучен интерпретировать активность мозга и представляет собой мини-мозг (сейчас в качестве декодеров активно используются искусственные нейронные сети). Он интерпретирует записанную информацию и выделяет интересующие нас сигналы.Например, парализованный человек намеревается сделать движение протезом. Необходимо декодировать положение руки, которое он хочет задать протезу. Мы выделяем координаты протеза, направляем его в нужную точку в пространстве, и таким образом человек активностью собственного мозга при помощи нейроинтерфейса управляет движениями протеза.Протез может быть оснащен различными сенсорами: скажем, на пальцах искусственной руки имеются тактильные датчики, и, когда рука прикасается к предметам, эта активность может быть послана обратно в мозг, в сенсорные отделы, чтобы вызвать у человека ощущения. Мы получаем протез, который не только управляется сигналами мозга напрямую, но и может посылать информацию обратно в мозг таким образом, что человек, управляющий движениями протеза, ощущает его почти как часть собственного тела. Есть надежда, что если человек долгое время пользуется таким протезом, то за счет пластичности мозга устройство будет неотличимо от естественных частей человеческого тела. Также ведутся разговоры о том, что человеку в каких-то условиях может понадобиться третья рука, и сейчас подобные амбициозные задачи ставятся.Мы видим бурное развитие нейроинтерфейсов, но стоим в начале пути: выходя на улицу, мы не видим еще людей, которые управляют нейроинтерфейсами. Все это пока в лабораториях или на специальных показах. Но в конце концов нейроинтерфейсы войдут в нашу жизнь и станут для нас повседневной реальностью. Подробнее..
Категории: Общее

Агропромышленный комплекс

31.07.2020 20:13:41 | Автор: admin
Многие привыкли считать, что агропромышленный комплекс это самый низкотехнологичный сектор. Однако даже в России он представляет собой многоукладный сектор, включающий не только технологическую базу XVIIIXX веков, но также инновации XXI века. Каковы глобальные тренды в агропромышленном комплексе будущего со стороны спроса, предложения и инфраструктуры?Цифровизация и спрос на функциональные продуктыПервое, с чем столкнется агропромышленный комплекс (АПК), это тотальная цифровизация. Сейчас этому подвержены практически все его сегменты. Мы видим, как даже в России цифровизация активно разворачивается и в сельском хозяйстве, и в животноводстве. Это касается не только крупных агрохолдингов, которые вынуждены цифровизироваться из-за конкуренции с зарубежными компаниями, но также и многих фермеров, имеющих в мобильных устройствах простые, но удобные интерфейсы для определения урожайности и расчета удобрений, которые должны вноситься в почву.Что значит цифровизация для нашего агропромышленного комплекса? Будет ли у нас сокращение числа рабочих мест, если все комбайны станут беспилотными? А это уже наша реальность. Что тогда делать комбайнерам и чем им заняться? Наверное, самое главное это понять, какие вещи будут востребованными с точки зрения населения, что мы захотим видеть от агропромышленного комплекса в будущем.Население будет расти, и потребность в питании не изменится. По оценкам ООН, к 2050 году население Земли составит почти 9,7 миллиарда человек, а к 2100-му более 11 миллиардов, и всех надо прокормить. На помощь могут прийти новые технологии: технологии генетической модификации, которые очень сильно помогают повысить продуктивность и сделать климатонезависимыми многие направления АПК; технологии цифровой логистики; технологии, повышающие производительность ферм.Уже сейчас можно посмотреть, как вертикальное сельское хозяйство (урбанизированные фермы) захватывают города. Для многих районов это действительно является выходом, потому что транспортное плечо (расстояние между начальным и конечным пунктами доставки груза. Прим. ред.) достаточно небольшое, стоит это дешевле, а вы всегда имеете под рукой любые свежие продукты, и это, конечно, очень важно. Но представьте себе, что произойдет, если у нас все горизонтальные теплицы и фермы перейдут в вертикальное сельское хозяйство, как это отразится на наших конкурентных преимуществах?Итак, происходит цифровизация, но также наблюдается и рост спроса на различные продукты. Здесь важно понять, как меняется население и его структура. Последнее время все увлекаются здоровым образом жизни. Значит ли это, что сельское хозяйство должно кардинальным образом поменяться? Скорее, надо правильно расставить акценты. По самым скромным оценкам рынки функциональных продуктов продуктов, которые позволяют вам быть быстрее, умнее, выносливее, уже в этом году составят порядка 300 миллиардов долларов. Это огромные масштабы. В будущем мы будем наблюдать, как экосреда сельское хозяйство и агропромышленный комплекс в целом будет активно подстраиваться под нужды потребителей. Это нужды пожилого населения, которое в ближайшие годы может утроиться, а также молодежи, ведущей активный, здоровый образ жизни и потому имеющей особые требования к продуктам питания. А кроме того, нужды так называемой циркулярной экономики экономики замкнутого цикла, где практически нет выбросов. И сельское хозяйство, мы надеемся, тоже будет поддерживать эту экономику.Какая будет конвергенция двух этих трендов цифровизации и спроса на функциональные продукты в будущем? Цифра и новые материалы существенным образом меняют бизнес-процессы и перераспределение добавленной стоимости. Останутся ли через 10 лет крупнейшие агрохолдинги главными игроками в агропромышленном комплексе будущего? Может быть, так же как в экономике совместного потребления, это будут IT-компании.Технологии в современном агропромышленном комплексеЗдесь встает важный вопрос: хотите ли вы быть фермером и работать в сельском хозяйстве? Когда я спрашиваю об этом моих студентов MBA и нашей магистратуры в Вышке, все говорят: Мы все-таки хотели бы работать в крупной IT-компании, которая решает важные мировые вопросы и позволяет нам увеличивать свою стоимость на рынке труда. Я отвечаю: Так это и есть современный агрохолдинг.Сейчас в России многие агрохолдинги используют суперсовременные технологии, связанные и с виртуальной реальностью. В конце 2019 года интернет обошла картинка из подмосковных ферм с коровой в очках дополненной реальности, которые показывали очень интересные картины луга и посевных пастбищ. Казалось бы, для чего это нужно? В современной молочной индустрии с одного животного, например коровы, ежедневно снимается 2025 показателей даже у человека, носящего на руке браслет, фиксирующий пульс, давление и так далее, столько параметров не измеряется. Специалисты выяснили, что последний рубеж, который остался на пути того, чтобы повысить производительность коровы, это ее настроение. Как ни странно звучит, но это серьезная экономическая проблема. Были проведены научные исследования, чтобы понять, что может помочь корове быть более счастливой.
Картины луга и пастбища, транслируемые через очки дополненной реальности, по крайней мере в тестовом режиме существенно повышают выдачу молока. Это действительно важное направление инноваций, и оно развивается в России. Многие комбинаты, которые занимаются животноводством и благодаря которым у нас хорошие стейки оказываются в итоге на кухне, уже давно роботизированы, и это топовые производства. Конечно, сейчас кто-то может сказать: Давайте отъедем от главного города на 200300 километров, зайдем в деревеньку, наденем резиновые сапоги и посмотрим, что там происходит, это то, с чего мы начинали. Но современный агропромышленный комплекс в России многоукладен: у нас есть и технологии XVIIIXIX веков, и передовые инструменты, в том числе цифровые, XXI века. Действительно, наш фермер может выйти в резиновых сапогах в грязь, дороги нет, но он возьмет смартфон, пусть и не последней модели, и с помощью него сможет управлять дронами и осматривать свои хозяйства. Это уже работающие технологии.Будущее агропромышленного комплексаТаким образом, глобальные тренды, влияющие на агропромышленный комплекс будущего, это, во-первых, цифровизация и роботизация, которая может, с одной стороны, привести к высвобождению рабочих мест, а с другой создаст новые возможности для креативных индустрий: инжиниринга, программирования, дизайна всего того, что сейчас молодое поколение очень хочет освоить. А во-вторых, это изменение со стороны спроса. Численность населения увеличивается, и оно неизбежно стареет, но стареет активно. В рамках серебряной экономики, связанной с медициной и профилактикой, мы надеемся, что пожилой человек даже в 80 лет будет очень активен, поэтому у него будет иной запрос на продукты. И, конечно, агропромышленный комплекс должен ответить на эти запросы. Сейчас Россия вышла на удовлетворение внутреннего спроса за счет внутренних ресурсов. Это очень важное и хорошее достижение с точки зрения национальной продовольственной безопасности.Еще 57 лет назад многие с недоумением слушали, как ученые обсуждали перспективы искусственного мяса. За 34 года стоимость синтетического мяса снизилась более чем в 30 тысяч раз. В Москве вы можете зайти и попробовать его в некоторых ресторанчиках Beyond Meat это компания, которая производит мясо, не связанное с животноводством. Если мы решаем глобальную проблему обеспечения населения едой, то новые технологии необходимы. Многие боятся их: люди не видят накопленной статистики или опасаются всего нового. Но с точки зрения здравого смысла это важное направление в технологическом развитии агропромышленного комплекса. Генетика и селекция сопутствовали нам всю историю существования человечества. Но они должны быть, конечно, контролируемыми.Еще одно важное направление создание экосистем, когда новые и передовые разработки быстро подхватываются и финансовыми институтами, например банками, и крупными компаниями. В такой экосреде фермер или компания будут чувствовать себя комфортно, работая и коммуницируя с поставщиками, подрядчиками, инфраструктурой, логистикой и контролирующими органами. Подобные экосистемы в агропромышленном комплексе будут развиваться у нас на глазах уже в ближайшее время. Они очень важны, потому что в современном мире наука и инновации должны быть открыты и использованы на благо общества. Агропромышленный комплекс очень хорошая площадка для проявления этих трендов. Получается, что тренд на открытые инновации и науку для АПК может стать очень сильным драйвером, чтобы все мы были здоровыми, хорошо себя чувствовали, были сытыми и получали от этого удовольствие давайте не забывать, что от еды можно получать очень много удовольствия.Если мы посмотрим на агропромышленный комплекс ближайших 2050 лет, то здесь может вступить в силу футурология. Давайте зададим провокационный вопрос в стиле джокеров (джокеры это события с низкой вероятностью, но масштабными эффектами): а вдруг человечество вообще перестанет питаться? Например, у нас будет какая-то таблетка или порошок из различных витаминов и аминокислот, и еда не будет нужна. Такие инновации уже существуют: вы можете принимать все необходимые для вас элементы из тюбика или удобной упаковки, и вам не нужен ни стейк, ни салат из авокадо. Будете ли вы получать от этого удовольствие? Может быть, вы будете использовать еду как бензин для вашего двигателя или как электричество, если у вас электродвигатель. Тем не менее важный вопрос на горизонте 2030 лет будем ли мы питаться традиционными продуктами? И здесь агропромышленный комплекс находится на пути очень серьезной трансформации.Новые технологии улучшают наше тело есть даже такое направление в медицине, как human enhancement (улучшение свойств человека). Питание, выстроенное под каждого конкретного человека с учетом его генетики и задач, которые он перед собой ставит, функциональное питание, схемы, диеты становится краеугольным камнем. Оно может влиять на продуктивность человека. Если зайти за горизонт 2100 года, то футурологи могут сказать, что агропромышленный комплекс исчезнет, потому что человек полностью перейдет в цифру и будет бессмертен. Теоретически такая технологическая сингулярность может наступить уже в 2050 году и привести к полному цифровому бессмертию. Нужен ли нам будет тогда агропромышленный комплекс? Это большой вопрос.Итак, каковы глобальные тренды агропромышленного комплекса? Прежде всего, это тотальная цифровизация и роботизация, влекущие за собой изменение цепочек добавленной стоимости и перераспределение в ней игроков: неизвестно, останутся ли современные агрохолдинги лидерами этого рынка или все будет в индивидуальных или фермерских хозяйствах, но на новой технологической базе. Еще один тренд изменение спроса на функциональные продукты: люди будут стараться получать удовольствие от пищи, но также следить, как она влияет на их здоровье. Например, несколько лет назад в Японии тестировали ресторан, когда любой посетитель мог по определенным маркерам, скажем по волосу, узнать свой микроэлементный состав, а дальше шеф-повар готовил блюдо исключительно из тех элементов, которых не хватает в крови этого клиента.Наконец, сам фермер играет очень важную роль, по крайней мере в России. Это не только поддержание занятости населения и обеспечение продовольствием: многие структуры, допустим банки, поддерживают фермера и стараются сделать его жизнь лучше. Но для того, чтобы помочь ему, надо заглядывать в будущее. Когда ты постоянно занят в агропромышленном комплексе, у тебя может не быть времени смотреть даже на пять лет вперед. И здесь на первый план выходят люди, которые занимаются стратегическим развитием и прогнозированием и которые должны помочь нашим аграриям видеть на два-три шага вперед и рассказывать им о новых технологиях и бизнес-моделях. В конечном итоге, может быть, действительно можно выйти в резиновых сапогах в бездорожье, вызвать с помощью смартфона дрон, посмотреть через интерактивные видеокамеры, как дела у твоих коров, на которых надеты очки виртуальной реальности, и выпить стакан хорошего настоящего молока. Подробнее..
Категории: Общее

Инвазивные нейроинтерфейсы

02.08.2020 18:17:53 | Автор: admin
С помощью неинвазивных нейроинтерфейсов регистрируют электрическую активность нейронов, не проникая в сам мозг. Однако такой вид записи не самый эффективный, поскольку информацию неинвазивные интерфейсы извлекают из мозга очень медленно. Почему будущее за инвазивными нейроинтерфейсами, которые позволяют регистрировать нейронную активность посредством вживления электродов в мозг?Регистрация нейронной активностиЧто представляет собой активность нейронов? Нейрон это такой элемент, который имеет некий заряд и напряжение на мембране. Это напряжение сначала меняется аналоговым образом, а после возникает потенциал действия (спайк), который отправляется к другим нейронам как единица информации. Из-за того, что нейроны передают информацию друг другу такими потенциалами действия, то есть присутствием либо отсутствием активности, многие сравнивают мозг с цифровым компьютером. Конечно, ничего общего между ними нет, и нули и единицы, которые есть в компьютере, никакого отношения к нулям и единицам в мозге не имеют. Разряды нейронов мозга это лишь способ надежно передавать информацию по нервам, никакого двоичного кодирования там нет, все работает иначе.О том, что нейроны вообще регулируют разряды, стало известно относительно недавно. Только в 1928 году Эдгар Эдриан случайным образом обнаружил, что нейроны генерируют такие разряды: он проводил эксперименты с сетчаткой жабы и просто подсоединил свое записывающее устройство к громкоговорителю, и вдруг он услышал какие-то щелчки. Оказалось, что нейроны генерируют такие потенциалы действия. Сейчас каждый уважающий себя нейрофизиолог стремится записывать именно их. И наиболее качественным способом является запись сигналов отдельного нейрона. Для этого нужно подсоединиться к нейрону, убедиться, что записывается только он один, и как можно дольше и в разных ситуациях фиксировать его активность.Эксперименты на животныхЭто можно делать у животных, которые бодрствуют и не находятся под действием анестетиков. Такие эксперименты стали активно проводиться в 1960-е годы. На обезьянах это начал делать Эдвард Эвартс. Он вживлял в мозг обезьяны электрод, и обезьяна выполняла какую-то моторную задачу. Например, она могла тянуть рычаг на себя или отталкивать его. Эвартс в это время записывал активность отдельного нейрона в моторной коре обезьяны записи были очень хорошие, поскольку нейроны в моторной коре крупные. Обезьяна работала за вознаграждение как правило, это был сок. Эвартс видел, что отдельные нейроны в моторной коре коррелировали с движениями обезьяны: она тянет на себя рычаг активность нейрона увеличивается; толкает рычаг активность нейрона снижается.Не очевидно, что так должно происходить. Если бы это был не мозг обезьяны, а компьютер и мы бы пытались записывать с помощью электрода, то не получили бы такой надежности, поскольку в компьютере информация попадает в ячейку случайным образом и нет такой периодичности. Нам повезло, что мозг устроен так, что имеется некая корреляция активности нейронов и действий, которые мы хотим выполнять через нейроинтерфейс.После Эвартса исследованиями на обезьянах занялся Апостолос Джеорджопулос, который разнообразил эксперимент: обезьяна двигала рычаг в восьми направлениях, а также совершала трехмерные движения. Он обнаружил, что нейроны кодировали направления движения, то есть у каждого нейрона было преимущественное направление движения: если обезьяна двигала рукой в определенном направлении, то его активность была высока, а если в других направлениях, то активность нейрона снижалась. Зависимость частоты разряда нейронов моторной коры от угла направления движения можно было описать косинусом угла. Затем Джеорджопулос сделал следующий важный шаг: раз каждый нейрон имеет преимущественное направление, то можно реконструировать движения из активности нейронов. Был разработан алгоритм популяционного вектора: частоты разрядов нейронов умножаются на характерные вектора для каждого нейрона и суммируются, и на выходе мы имеем направление, совпадающее с реальным направлением движения. Но это ситуация, когда популяции нейронов кодируют направление.Джеорджопулос высказывал очень хорошие идеи, но проблема была в том, что он не мог регистрировать активность большого количества нейронов одновременно в реальном времени: сегодня он записал один нейрон, завтра другой, послезавтра еще два, и лишь спустя полгода он мог уже анализировать активность всех нейронов и декодировать направления. Если мы хотим получить качественную работу нейроинтерфейса, который управляет, например, протезом руки, мы должны записывать активность многих нейронов одновременно. А для этого необходимо имплантировать в мозг обезьяны или человека сразу большое количество электродов. Современные нейроимпланты представляют собой матрицы из электродов, которые вставляются в мозг и регистрируют активность нейронных ансамблей. Начиналось это с десятков нейронов, а сейчас можно записывать тысячи, и есть надежда, что скоро мы сможем охватывать миллионы нейронов.Первыми учеными, которые начали многоканальную регистрацию нейронных ансамблей, были Мигель Николелис, Джон Чэпин, затем Джон Донохью, Эндрю Шварц. Все они работали на обезьянах, и до сих пор этот метод используется. Матрица электродов вставляется в мозг обезьяны на несколько месяцев и даже лет. Если все работает хорошо, то ученые каждый день записывают активность большого количества нейронов.Имплантация электродов в мозг человекаМатрицу электродов разрешено имплантировать человеку это Utah Array (Ютовская проба), представляющая собой матрицу из 100 электродов (10х10). Если пытаться внедрить ее в мозг медленно, то она будет просто давить на него и никогда туда не вставится, поэтому ее буквально заколачивают в мозг пневматическим молотком.Также существует нейротрофический электрод, который разработал Филипп Кеннеди. Идея была в том, что если заполнить электрод фактором роста нейронов, то нейронам такой электрод понравится, и они свои нейриты (отростки) отправят внутрь этого электрода, что улучшит качество записи. Идея очень хорошая, но, к сожалению, только Филипп Кеннеди мог воспользоваться этой методикой, нигде больше она не была воспроизведена. Но сам он настолько уверовал в нее, что даже решил имплантировать электрод в самого себя. С этой целью он поехал в Центральную Америку и там попросил нейрохирурга имплантировать электрод в мозг. Но что-то пошло не так, и опыт не удался, поэтому электрод пришлось удалить.Сейчас системы записи, особенно инвазивные, бурно развиваются. Совершенствуются материалы и технологии внедрения и записи. Сейчас на слуху компания Илона Маска, которая предлагает вживлять электроды в мозг с помощью устройства, которое напоминает швейную машинку. Также существует нейропыль частички, которые проникают в мозг, а затем коммуницируют с внешним записывающим устройством при помощи ультразвука. Нейронную паутину буквально впрыскивают при помощи шприца в мозг. Все эти технологии развиваются.Я верю, что будут решены проблемы и биосовместимости, и качества записи. В течение 50 лет будут созданы такие электроды, которые позволят без рисков записывать инвазивным путем активность мозга человека. Они будут имплантированы в мозг и не иметь проводов. Электроды позволят регистрировать нейронные ансамбли, что даст возможность управлять протезами и другими внешними устройствами. Если это произойдет, неинвазивные способы записи для нейроинтерфейсов станут менее популярными если, конечно, не будут изобретены какие-то новые неинвазивные способы, которые будут конкурировать с инвазивными. Но будущее пока все-таки за инвазивными интерфейсами. Подробнее..
Категории: Общее

Металлоэнергетика

04.08.2020 20:01:16 | Автор: admin
Нефть является самым потребляемым энергетическим ресурсом, на втором месте по потреблению стоит уголь, на третьем природный газ. Однако потребность в экологически безопасных энергоносителях стимулирует поиск новых источников энергии. Могут ли металлы служить топливом и каковы перспективы металлоэнергетики?Нефть как источник энергииБывший министр нефти Саудовской Аравии как-то сказал: Каменный век закончился не потому, что в мире кончились камни. Также и нефтяной век закончится не потому, что у нас иссякнут запасы нефти. Нефть сегодня является самым потребляемым первичным источником энергии и составляет треть от всей энергии. Более 60% нефти идет на производство моторного топлива для транспорта, и она является основой нестационарной энергетики, то есть почти всего транспорта: автомобили, воздушный и морской транспорт. По последним данным крупнейших нефтяных компаний, мировые разведанные запасы нефти оцениваются в 1700 миллиардов баррелей. При текущем уровне потребления это означает, что нефти хватит еще на 50 лет а 50 лет назад были такие же прогнозы.Нефтяной век вряд ли может закончиться от нехватки этого ресурса. По данным Международного энергетического агентства, 70% всех антропогенных выбросов происходит от энергетического сектора скорее с человечеством что-то произойдет, нежели истощатся запасы нефти. Например, закончится кислород, в котором мы углеводородное топливо сжигаем. Вернее, концентрация кислорода в атмосфере будет уменьшаться, концентрация углерода увеличиваться, а парниковый эффект усиливаться. Поэтому у нас есть два сценария: пессимистичный, который был только что описан, и оптимистичный, о котором речь пойдет далее.В энергетике в целом и в транспортной энергетике в частности требуются такие решения, которые способны обеспечить устойчивое развитие человечества на многие десятилетия вперед. Одной из главных экологических проблем сегодня является загрязнение воздуха в городах основным источником загрязнения выступает транспорт. Для кардинального решения этой проблемы предлагаются либо электродвигатели на основе аккумуляторных батарей, либо двигатели на водородном топливе. Однако и в том и в другом случае мы сталкиваемся с определенными проблемами.Аккумуляторные батареи и водородное топливоЕсли говорить про электромобили, то увеличение числа аккумуляторных батарей неизбежно приведет к нагрузке на городские электросети. Рассмотрим аккумуляторную батарею емкостью в 75 киловатт-часов такая емкость используется в электрокарах. Чтобы зарядить подобную аккумуляторную батарею в течение часа, потребуется мощность 75 киловатт. Если мы заряжаем ее в течение пяти часов, нам нужна будет мощность 15 киловатт. По Москве сегодня ежедневно передвигаются около 3,5 миллионов автомобилей. Представим, что все они вдруг превратились в электромобили. Чтобы их зарядить в течение часа, потребуется мощность порядка 260 миллионов киловатт, или 260 гигаватт. Всей установленной мощности электростанций страны не хватит, чтобы это обеспечить, установленной мощности, а не той, которая реально используется: если все электростанции в стране зарядить по максимуму, этого не хватит для зарядки электромобилей в Москве.Что такое емкость в 75 киловатт-часов? Сравним ее с топливным баком, чтобы обычному автомобилисту было понятно, что это за емкость. Переведем киловатт-часы в мегаджоули: для этого умножаем на 3,6 получаем 270 мегаджоулей. Теперь с учетом КПД двигателя внутреннего сгорания в 25% посчитаем, какой запас энергии нам нужен, получается 1080 мегаджоулей. Делим это на удельную энергоемкость бензина, которая составляет 33 мегаджоуля на литр, и получаем 32 литра. То есть емкость аккумуляторной батареи в 75 киловатт-часов соответствует запасу бензина в 32 литра, и весить такая батарея будет почти полтонны (если это грузовик с аккумуляторной батареей, то ее вес будет сопоставим с весом самого грузовика). Это не самый большой запас энергии, и далеко на нем не уедешь.Допустим, мы выбрались на электромобиле за город, поехали на природу или в другой город. Вместо топливных заправок вдоль трассы должны быть электрозаправки. Чтобы заряжать автомобиль довольно быстро, хотя бы в течение часа, нужно подвести к этим заправкам соответствующую электрическую мощность. Получается примерно 100 киловатт на один автомобиль, а это мощность нескольких частных домов. Чтобы заряжать пять автомобилей одновременно, потребуется уже мощность 0,5 мегаватта. Такая электрификация заправок в масштабах нашей страны представляется с трудом. Для работы электрозаправок необходимы аккумуляторы электрической энергии большой емкости, а с ними у нас тоже проблемы. Такие аккумуляторы находятся на стадии разработки. Одним из эффективных способов аккумулирования электрической энергии является гидроаккумулирование. Но гидроаккумулирующую электростанцию не везде можно поставить, и удовольствие это тоже недешевое.Потенциальное увеличение аккумуляторных батарей также повлечет за собой дефицит тех редких металлов, которые в них используются. Содержание лития в земной коре в несколько раз ниже, чем содержание углерода, если говорить про литийионные батареи. Кроме того, есть проблема и с кобальтом, используемым в электродах, и его дефицит также может сдерживать развитие этого направления.До того как возрос интерес к электродвигателям, шло активное обсуждение двигателей на водородном топливе. Были разработаны экспериментальные образцы, которые работают и сейчас. Однако водород не имеет широкого распространения в энергетике по той причине, что до сих пор не решены проблемы его хранения и транспортировки: он является одним из самых взрывоопасных газов с низкой плотностью при стандартных условиях. Если взять газообразные углеводородные топлива, такие как метан, пропан или бутан, то они менее взрывоопасны, чем водород, и более экологичны и дешевы, чем бензин и дизель. Но они также не могут вытеснить традиционные жидкие углеводородные топлива по все той же причине: их сложно хранить и транспортировать. А водород в этом смысле еще более неудобный газ.Металлы в качестве энергоносителей и топливаСовременный транспорт сделан из металла, а потребляет в качестве топлива углеводороды. Не исключено, что в будущем он будет сделан из углеводородов, а потреблять металлы. В чем преимущества использования металлов в качестве топлива и энергоносителей? Когда мы используем металл, он сжигается в кислороде или другом окислителе, и вырабатывается энергия, которую мы затем преобразуем в полезную. Процесс примерно такой же, что и в случае с бензином или дизелем, но, в отличие от углеводородного топлива, когда в атмосферу выбрасываются вредные парниковые газы, при окислении металла образуется оксид металла. А для большинства металлов при стандартных условиях оксид металла это твердое вещество, он никуда не улетает. И нам его нужно собирать и возвращать в цикл производства металла.Какие металлы нужны? Если говорить про энергетический масштаб, то следует обращать внимание на те металлы, которые наиболее распространены в природе. Это кислород, кремний (хотя он и не является металлом, но тоже перспективное неорганическое энергоаккумулирующее вещество, которое может гореть с большим выделением тепла), алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний и так далее.Щелочные и щелочноземельные металлы активно вступают в реакцию с кислородом, поэтому их нужно хранить в бескислородной среде. Железо и алюминий, наоборот, покрываются на воздухе плотной оксидной пленкой, которая препятствует их дальнейшему окислению. Ключевыми проблемами при создании энергоустановок на металлах являются окисление металлов и преобразование теплоты реакции окисления в полезную энергию.Возможны два принципиально разных способа преобразования химической энергии металла в полезную. Первый это прямое преобразование химический энергии в электроэнергию в металло-воздушных топливных элементах. В качестве анода выступает металл, а в качестве катода воздушный электрод, на котором идет реакция восстановления кислорода. В процессе окисления положительные ионы металла уходят в электролит, где они встречаются с отрицательными ионами электролита. А электроны от металла по внешней цепи идут к катоду, минуя нагрузку, тем самым вырабатывая полезную электрическую энергию. Максимальный теоретический КПД металло-воздушных топливных элементов составляет свыше 90%, а реальный КПД зависит от мощности устройства точнее, от плотности тока и может составлять 5060%.Второй способ преобразования химической энергии металлов в полезную или электроэнергию это их окисление в окислители с последующим преобразованием теплоты с помощью различных тепловых машин. Если говорить про металлы, то, в отличие от углеводородного топлива, использование двигателя внутреннего сгорания здесь затруднительно: при окислении металлов образуются твердые частички, которые быстро приведут в негодность двигатель внутреннего сгорания, если мы будем запускать их туда. Окислителем здесь может являться как кислород, так и вода. При окислении металла в воде металл вытесняет из воды водород, который потом можно направлять как в топливный элемент, так и в двигатель внутреннего сгорания. Преимущество заключается в том, что водород образуется на месте его потребления, то есть нам не нужно его с собой возить.Что касается энергоемкости металлов, то для некоторых из них она одна из самых высоких. Например, у алюминия энергоемкость составляет около 31 мегаджоуля на килограмм, у магния 25 мегаджоулей на килограмм, у железа почти 7,5 мегаджоулей на килограмм. Для сравнения: хороший уголь имеет теплоту сгорания примерно 25 мегаджоулей на килограмм, нефть и нефтепродукты от 40 до 45 мегаджоулей на килограмм. По массе жидкие углеводородные топлива несколько выше, чем металлы, но по объему выше все-таки некоторые металлы скажем, алюминий по плотности энергии почти в 2 раза выше, чем бензин.Когда металлы окисляются, мы получаем энергию и оксид. А чтобы получить металл из оксида, нужно затратить энергию. В зависимости от того или иного металла процесс его образования может отличаться. Алюминий получается методом электролиза. В промышленности используется метод Холла Эру, когда из оксида алюминия алюминий извлекается в присутствии угольных электродов. В этом процессе затрачивается 1415 киловатт-часов электроэнергии, выделяются и углекислый, и угарный газ. Но процесс получения алюминия можно сделать экологически чистым, если использовать вместо угольных электродов инертные аноды, тогда затраты электроэнергии возрастут в 1,4 раза, зато процесс будет экологически чистым. Если, например, у вас есть доступ к дешевой электроэнергии гидроэлектростанции или атомная электростанция, работающая в базисном режиме, то ничего страшного, если вы затратите больше электроэнергии.Железо получается путем восстановления углеродом. Для этого используются стандартные доменные печи. Но железо при этом можно получать и другим способом, скажем прямым восстановлением водородом. Допустим, у вас есть возобновляемый источник энергии либо атомная электростанция, и излишки электроэнергии вы направляете на производство водорода методом электролиза, а уже этот водород уходит на получение железа из его оксида. Смысл здесь в том, что водород сложно транспортировать, а металл легко, даже между континентами. Его намного легче транспортировать, чем сжиженный природный газ. Но процесс получения металла энергозатратен, поэтому стоимость энергии, которая получается от сжигания металла, сегодня выше, чем стоимость энергии, получаемой при сжигании углеводородного топлива. Несмотря на это, многие научные коллективы работают в этом направлении. Вряд ли разработки приведут к тому, что стоимость энергии будет все же ниже, чем стоимость энергии, полученной при сжигании углеводородного топлива, но это не означает, что металлы не смогут быть использованы в качестве энергоносителей.Здесь можно вспомнить слова Томаса Эдисона, который сказал, когда ему возразили, что освещать электричеством это дорогое удовольствие: Мы сделаем электричество таким дешевым, что жечь свечи будут только богачи. Не исключено, что рано или поздно вы приедете на заправку и вместо бензина или дизельного топлива заправитесь тем или иным металлом либо сплавом. Подробнее..
Категории: Общее

Простые числа

05.08.2020 22:14:22 | Автор: admin
Простые числа с древности изучают математики всего мира. С ними связана до сих пор не доказанная гипотеза Римана одна из величайших математических проблем. Простые числа составляют основу современной кибербезопасности, а в будущем, возможно, найдутся гораздо более экзотические способы их применения: так, в научно-фантастическом романе Контактастрофизик Карл Саган описал попытки наладить связь с внеземными формами жизни с помощью передачи простых чисел по радиоволнам. Объясняем, почему простые числа имеют такое значение.В музыке простые числа объясняют эффекты, вызываемые повторением сложных ритмических рисунков. В биологии есть гипотеза, что цикады эволюционировали таким образом, чтобы находиться в спячке в течение простого числа лет для получения эволюционного преимущества. В криптографических системах свойства простых чисел обеспечивают безопасность электронных коммуникаций. Возможно, в будущем именно простые числа будут использоваться для коммуникации с внеземными формами жизни, так как они независимы от любого представления о языке, и при этом достаточно сложны, чтобы спутать их с результатом природного физического процесса.Почему простые числа так важно изучатьПростые числа имеют фундаментальное значение для математики. Они являются структурными единицами теории чисел, своего рода атомами умножения. Это связано с основной теоремой арифметики, которая гласит, что любое число больше единицы можно представить в виде произведения конечного количества простых чисел, причем такое представление единственно. Например, 6=23, то есть это произведение двух простых чисел; 20=225. Поэтому многие проблемы целых чисел могут быть сведены к проблемам простых чисел точно так же, как некоторые задачи в химии могут быть решены через обращение к атомному составу химических элементов, вовлеченных в систему.Простое число это целое число больше единицы, которое делится только на единицу и на само себя. Таким образом, 6 это не простое число, так как оно может быть представлено как произведение 23, а 5 это простое число, потому что единственный способ представить его как произведение двух чисел это 15 или 51. Если у вас есть несколько монети вы не можете расположить их все в форме прямоугольника, число монет это простое число. Простых чисел бесконечное множество, и математики пока с трудом ориентируются в нем.
История изученияНикто точно не знает, когда человечество стало интересоваться простыми числами. Ранних источников, связанных с исследованиями этого математического явления, практически не сохранилось. Скорее всего, древние люди имели какое-то представление о простых числах. Первым реальным доказательствомявляются египетские записи на папирусах, сделанные более 3500 лет назад.
Древние греки, скорее всего, были первыми, кто стал всерьез изучать простые числа. В частности, древнегреческий математик Евклид доказал существование бесконечного множества простых чисел. Вот его доказательство.Предположим, есть конечное множество простых чисел, например p1, pn. Представим, что существует число p1 pn+1 то есть число, на единицу большее, чем все простые числа из нашего множества, умноженные друг на друга. Очевидно, что это число не может быть произведением любых чисел ряда p1, pn и оно больше 1. Поэтому оно должно делиться на некое простое число, не включенное в этот набор. Добавляя новые простые числа в этот список и повторяя те же действия, всегда можно найти по крайней мере одно новое простое число. Поэтому должно существовать бесконечное множество простых чисел.После греков серьезное внимание простым числам уделили только в XVII веке. В 1637 году французский математик Пьер де Ферма сформулировал великую теорему Ферма: уравнение xn+yn=znне имеет натуральных решений при n>2. Эта проблема связана с простыми числами. Лишь в 1994 году американскому математику Эндрю Уайлсу удалось доказать великую теорему Ферма.В XVIII веке много теорем, связанных с простыми числами, доказал Леонард Эйлер. Его работа в теории чисел включала в себя множество сведений о простых числах. Эйлеру и Лейбницу удалось доказать так называемую малую теорему Ферма: если p простое число и a целое число, не делящееся на p, то ap-11 делится на p. Она оказалась частным случаем теоремы Эйлера.Кроме того, Эйлер опроверг предположение Ферма о том, что все числа вида Fn=22n+1простые. Эйлер также показал, что бесконечный ряд 1/2+1/3+1/5+1/7+1/11+ является расходящимся,то естьсумма этих дробей равна бесконечности. И, наконец, в переписке с Эйлером математик Христиан Гольдбах сформулировал знаменитую гипотезу Гольдбаха о представлении любого четного числаначиная с 4в виде суммы двух простых. Эта гипотеза до сих пор не доказана.В XIX веке большой прорыв был сделан благодаря Карлу Фридриху Гауссу, Пафнутию Чебышёву и Бернхарду Риману, особенно в отношении распределения простых чисел.Кульминацией стала до сих пор не решенная гипотеза Римана, которую часто называют важнейшей нерешенной задачей всей математики. Она позволяет очень точно предсказать появление простых чисел, а также отчасти объясняет, почему они даются математикам с таким трудом.Распределение простых чисел по Гауссу
Если посмотреть на распределение простых чисел, можно заметить кое-что интересное: чем дальше вы продвигаетесь по числовой прямой, тем реже и реже встречаются простые числа, хотя точную закономерность установить сложно. Например, есть четыре простых числа меньше 10; 25 простых чисел меньше 100; 168 простых чисел меньше 1000. Таким образом, пропорция простых чисел до 10 равна 0,4, пропорция простых чисел до 100 0,25, а до 1000 0,168: чем больше числа, тем меньше среди них простых чисел, хотя множество простых чисел бесконечно.
В 1790-х годах Гаусс, который тогда еще учился, строил огромные таблицы простых чисел. Он обнаружил, что плотность распределения простых чисел на отрезке [1;n] приблизительно равна 1/ln n. Если вы не знаете, что такое натуральный логарифм ln n, это не так важно: в данном случае про него вам нужно знать то, что он растет с увеличением n, но все медленнее и медленнее. Если вы хотите получить примерное представление, ln n очень приблизительно равен числу разрядов (то естьколичеству цифр) в n, умноженному на два. Это значит, что плотность распределения простых чисел медленно, очень медленно стремится к нулю. Гаусс предположил, что это будет верно для любых целых n, а не только для тех, которые он рассчитал, однако доказать это не смог.Доказательство нашли в 1896 году независимо друг от другадва математика Жак Адамар и Шарль Жан де ла Валле-Пуссен. Средняя разность между некоторым простым числом p и следующим простым числом приблизительно равна ln p. Она может быть маленькой, например всего 2, а может быть сколь угодно большой, но в среднем она равна ln p.Гипотеза РиманаИтак, плотность распределения простых чисел наотрезке [1;n] приблизительно равна 1/ln n. Но это неточная оценка, и необходимо понятьнасколько. В середине XIX века решить этот вопрос попытался Бернхард Риман. Он использовал так называемую дзета-функцию Римана.На самом деле дзета-функцию ввел Леонард Эйлер в 1730-х годах. Он доказал, что ееможно представить как бесконечное произведение, где сомножители это результат вычислений по определенной формуле для каждого из простых чисел. Именно эта связь с простыми числами (понимание поведения этой функции) дает нам некоторое представление о распределении простых чисел.Риман расширил определение этой функции от только вещественных чисел до комплексных чисел, и это позволило ему связать распределение простых чисел с нулями функции,то есть с теми числами, при которых функция принимает нулевое значение. Какие-то нули функции очевидны для математиков (это отрицательные четные целые числа 2, 4, 6), но поиск других требует определенных усилий. Риман вычислил несколько таких нетривиальных корней и заметил, что у них всех есть что-то общее: все они выглядят как +it, где i квадратный корень из отрицательного числа, а t является действительным числом (то естьего можно изобразить на числовой прямой). Эти комплексные числа, при которых функция принимает нулевое значение, нельзя изобразить на числовой прямой, но можно показать на координатной плоскости: область значений нетривиальных нулей функции будет выглядеть как вертикальная линия (на рисунке критическая линия).
В чем заключается сама гипотеза Римана? Существуют только те нули дзета-функции, о которых мы знаем, и никаких иных нулей функции нет. Если это можно будет доказать, то мы получим намного больше знаний о том, насколько точно 1/ln n описывает распределение простых чисел на отрезке [1;n], и это поможет математикам с другими аналогичными оценками в теории чисел.Выведя теорему о распределении простых чисел, Жак Адамар и Шарль-Жан де ла Валле Пуссен доказали, что все нетривиальные нули дзета-функции лежат в пределах критической полосы (указана на графике). Доказательства у обоих получились очень сложными и техничными, но тем не менее свою задачу они выполнили. Однако сама по себе гипотеза Римана по-прежнему остается недоказанной.Гипотеза Римана, выдвинутая 160 лет назад, до сих пор считается одной из самых важных и престижных открытых проблем математики. В 2000 году Математический институт Клэя объявил семь задач, за решение каждой из которых математикам предлагалась награда в миллион долларов. Одна из них спустя несколько лет была решена: математик Григорий Перельман доказал гипотезу Пуанкаре (и это, пожалуй, величайшее достижение математики XXI века). Оставшиеся шесть проблем остаются открытыми, включая гипотезу Римана.Поиск новых простых чиселЛеонард Эйлер доказал, что число Мерсенна1 (231)1=2147483647 простое число, и до 1867 года оно оставалось наибольшим известным простым числом. На 2020 год наибольшее известное простое число 282 589 9331. Его десятичная запись имеет длину 24 862 048 цифр. Это число было найдено в 2018 году в рамках проекта добровольных распределенных вычислений GIMPS.Один из способов нахождения простых чисел компьютерный поиск. Путем многократной проверки того, является ли число множителем 2, 3, 4 и так далее, можно легко определить, простое ли оно. Если оно не является множителем любого меньшего числа, оно простое. Но это очень трудоемкий способ, есть и более эффективные методы. Эффективность этих алгоритмов (или тестов простоты) для каждого числа является результатом теоретического прорыва 2002 года. Было доказано, что задача определить то, является ли данное число простым, полиномиально разрешима. В частности, был разработан первый детерминированный полиномиальный тест простоты тест Агравала Каяла Саксены. С теоретической точки зрения этот тест очень важен, так как он может работать со всеми числами, а не только с числами, обладающими определенными свойствами. Но на практике применять его не очень удобно.Простых чисел довольно много, поэтому, если взять просто большое число и прибавить к нему единицу, можно наткнуться на простое число. В действительности многие компьютерные программы полагаются на то, что простые числа не слишком трудно найти. Если вы наугад выберете стозначное число, ваш компьютер найдет следующее за ним простое число за несколько секунд.Как правило, математики не ищут отдельные простые числа на компьютере. Но они очень заинтересованы в простых числах с особыми свойствами. Есть две известные проблемы: существует ли бесконечное количество простых чисел, которые на один больше, чем квадрат (например, это имеет значение в теории групп), и существует ли бесконечное количество пар простых чисел, отличающихся друг от друга на 2.Тайны простых чиселНесмотря на то что простые числа изучаются уже более трех тысячелетий и имеют простое описание, о них до сих пор известно на удивление мало. Например, математики знают, что единственной парой простых чисел, отличающихся на единицу, являются 2 и 3. Однако неизвестно, существует ли бесконечное количество пар простых чисел, отличающихся на 2. Предполагается, что существует, но это пока не доказано. Это проблема, которую можно объяснить ребенку школьного возраста, однако величайшие математические умы ломают над ней голову уже более 100 лет.Многие из наиболее интересных вопросов о простых числах как с практической, так и с теоретической точки зрения заключаются в том, какое количество простых чисел имеет то или иное свойство. Ответ на самый простой вопрос сколько есть простых чисел определенного размера теоретически можно получить, решив гипотезу Римана.Существуют способы предположить, каким будет правильный ответ на многие из этих вопросов. Догадки математиков подтверждаются численными экспериментами, и есть теоретические основания полагаться на них. Но для чистой математики и работы компьютерных алгоритмов чрезвычайно важно, чтобы эти догадки действительно были верными, и математики могут быть полностью удовлетворены, только имея неоспоримое доказательство,а для гипотезы Римана его пока нет.Самым серьезным вызовом для практического применения является сложность нахождения всех простых множителей числа. Если взять число 15, можно быстро определить, что 15=53. Но если взять 1000-значное число, вычисление всех его простых множителей займет больше миллиарда лет даже у самого мощного суперкомпьютера в мире. На сложности таких вычислений основаны многие алгоритмы защиты данных, поэтому для безопасности коммуникации важно знать, что никто не придумает быстрый способ находить простые множители у больших чисел.Применение простых чисел в будущемСейчас невозможно сказать, как простые числа будут использоваться в будущем. Для теорий, которые разрабатывались в чистой математике, неоднократно находились самые неожиданные применения. Снова и снова идеи, воспринимавшиеся как причуды математиков, оказывались на удивление полезными для науки и техники. В начале XX века математик Годфри Харольд Харди утверждал, что простые числа не имеют реального применения,но уже 40 лет спустя стал очевиден их потенциал для компьютерной коммуникации, и сейчас без них невозможно повседневное использование интернета.Поскольку простые числа лежат в основе проблем, касающихся целых чисел, а целые числа постоянно встречаются в реальной жизни, простым числам найдется повсеместное применение в мире будущего. Это особенно актуально, учитывая, что интернет и другие компьютерные технологии играют все большую роль в нашей жизни.ДополнительнаялитератураГ. Диамонд, Элементарные методы в изучении распределения простых чисел, УМН, 1990, том 45, выпуск 2(272), 79114http://www.mathnet.ru/links/629155218c6188645d12a30a839e97b5/rm4716.pdfГлавы | Закономерности простых чисел. Гипотеза Риманаhttps://postnauka.ru/longreads/41666Riemann Zeta Functionhttps://mathworld.wolfram.com/RiemannZetaFunction.htmlИстория функционального уравнения дзета-функции и роль различных математиков в его доказательстве лектор Я. В. Благушинhttp://www.mathnet.ru/php/seminars.phtml?&presentid=19339&option_lang=rusДоказательство гипотезы Пуанкаре (по работам Г. Перельмана)http://www.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&jrnid=mp&paperid=943&option_lang=rusПолное доказательство гипотезы Пуанкаре предъявлено уже тремя независимыми группами математиков Подробнее..
Категории: Общее

Максим Куликовский Без водорослей невозможно существование нашей планеты

05.08.2020 22:14:22 | Автор: admin
Как уникальный панцирь диатомовых водорослей помогает определить климатические условия прошлого? Почему низшие растения используются в медицине, пищевой промышленности и сельском хозяйстве? И какой вред приносят человеку цианобактерии? В Рубке ПостНауки мы поговорили с биологом Максимом Куликовским о водорослях и их применении в технологиях будущего.Водоросли: виды и история изучения Водоросли это все растения, которые живут в воде? Нет, не все водоросли живут в воде. Слово водоросли говорит о том, что для роста им необходимо много воды. К водорослям относится сборная группа разных организмов.Водоросли фотосинтезируют и выделяют кислород. Они распространены повсеместно и очень разнообразны некоторые исследователи считают, что в мире существуют 20 миллионов видов водорослей. Водоросли живут в воздухе и почве, на ледниках и скалах. Ученые находят новые виды организмов даже в самых жарких местах планеты, например в Сахаре.Водоросли продуцируют половину всего кислорода на Земле. Без них невозможно существование нашей планеты. Получается, по количеству видов водорослей больше, чем высших растений? Да, значительно больше не только по числу видов, но и по биомассе: если взвесить все водоросли на планете, то получится огромное значение. При этом ученые описали очень мало видов водорослей? Организмы почти не изучены? Да. История изучения водорослей непродолжительна. Она началась в XVIII веке, когда натуралист Антони ван Левенгук улучшил микроскопы так, что стало возможно разглядеть даже отдельные клетки. Научный прорыв произошел в 6080-е годы прошлого столетия, когда ученые стали использовать электронные микроскопы. Приборы позволяли увидеть организмы в трехмерном изображении и оценить их структуру.Сейчас применяются молекулярно-генетические методы. Ученые изучают уникальные генетические последовательности водорослей баркодинговые участки. Использование баркодинга (от англ. barcode штрихкод) новый этап в изучении биоразнообразия любых организмов1. Современные методы позволили полностью изменить систематику водорослей и описать новые таксоны общее понятие, которое объединяет роды и виды организмов.Практически каждый месяц ученые узнают о новых видах цианобактерий. Например, мы изучали водоросли Байкала за несколько лет нам удалось описать более 500 новых видов организмов. Также я и мои коллеги начали изучение криптофитовых водорослей. Ранее в России было известно небольшое количество этих организмов два-четыре вида, а мы обнаружили более сорока новых.
Вы занимаетесь диатомовыми водорослями. Что это такое? Диатомовые водоросли уникальны своим панцирем. Клетка покрыта кремнеземом, который по своему составу SiO2 очень близок к стеклу. Панцирь сохраняется длительное время, что позволяет использовать организмы в прикладных исследованиях.Когда диатомовые водоросли отмирают, то попадают на дно и захороняются. Мы находим организмы от мелового периода до настоящего времени. Это позволяет увидеть эволюцию водорослей. По реперным точкам эоцен, миоцен или более узким временным периодам судим о времени и экологических условиях во время захоронения водорослей. Это первый ключ к поиску полезных ископаемых и пониманию прошлых эпох.Также диатомовые водоросли помогают проанализировать ситуацию в прошлом. Например, произошло цунами. Насколько сильным оно было? Вода все разрушила, но водоросли захоронились, и мы можем их изучить. Другие одноклеточные водоросли не сохраняются с оболочкой? Да, у других организмов нет кремнеземного панциря. Это особенность диатомовых водорослей, которая делает их, как ни странно, эволюционно продвинутыми.Как я уже упоминал, водоросли продуцируют половину кислорода на Земле. Четверть, как утверждается в ряде научных статей, передают диатомовые водоросли. Они распространены повсеместно, имеют огромную биомассу в планктоне океана. Недавно изучили геном диатомовых водорослей, и оказалось, что они включили в себя большое количество генов от красных и ряда других водорослей. Видимо, это позволило им стать разнообразной и конкурентоспособной группой.С другой стороны, достаточно посмотреть на водоросли в микроскоп, которые обладают уникальной структурой, и сделать выводы. Необязательно использовать молекулярно-генетические методы, как, допустим, для цианобактерий и зеленых водорослей, которые не имеют твердых оболочек и уникальных структур.
Недавно открыли родственника красных водорослей одноклеточного хищника Rhodelphis. Вы что-нибудь слышали об этом? Да. Это замечательное открытие, которое опубликовано моим коллегой биологом Денисом Тихоненковым. Rhodelphis это одноклеточный хищник с генами красных водорослей. Эта работа проделана российскими учеными совместно с канадскими коллегами. Открытие проливает свет на многие эволюционные моменты. Все ли водоросли полезны для человека? Может, существуют вредные и токсичные? Да, таких водорослей очень много: они живут в морях и пресных водоемах. Водоросли, продуцирующие токсины, стали настоящей проблемой. В России неоднократно происходили случаи, когда люди по непонятным причинам погибали, искупавшись в водоемах. Например, произошел инцидент в Байкальском регионе: после купания люди сильно отравились, а некоторые погибли. Это случилось из-за цианобактерий группы организмов, которая раньше относилась к водорослям, а сейчас ее причисляют к бактериям. Они продуцируют множество цианотоксинов, опасных для человека.Иногда массовые отравления людей происходят после употребления в пищу устриц или морепродуктов. В этом также виноваты водоросли, продуцирующие токсины.Диатомовые водоросли рода Pseudo-nitzschia тоже выделяют токсичные вещества. Они привели к массовой гибели людей и водных организмов в США и других государствах.Могут быть опасными и динофитовые водоросли: они вызывают красные приливы, во время которых нельзя есть морепродукты из-за риска отравления. Ряд других водорослей тоже выделяют токсины. На водоросли влияет то, что человек загрязняет океан пластиком и нефтью? Да, экологические изменения сильно влияют на водоросли. Однако существуют виды, которые широко распространены и являются космополитами. Биомасса и количество этих водорослей огромно, они умеют выживать. Также есть водоросли, которые легко адаптируются к разным условиям среды.Другие водоросли, например прибрежные, плохо приспосабливаются и быстро вымирают в океане. Многие редкие водоросли погибают из-за загрязнения в океане и пресных водоемах.В Европе создан красный список водорослей (red list). В России водоросли, в том числе одноклеточные, вносятся в Красные книги различных регионов.Значение и использование водорослей Как и где сейчас применяются водоросли? Одна из самых важных сфер применения медицина. Водоросли выделяют вещества, которые обладают очень хорошей противораковой активностью, действуют против вирусов и помогают бороться с инфекциями.Также водоросли применяются в косметологии и талассотерапии. Водоросли используют при обертывании тела, создают мази и маски для лица. Поиск водорослей для косметологии продолжается, в оборот вводятся новые организмы.Две самые известные водоросли хлорелла и спирулина используются в пищевой промышленности и сельском хозяйстве. Хлорелла применяется и в России: она содержит много белка, которым кормят кур и крупный рогатый скот. Человек также питается хлореллой и спирулиной: водоросли содержат большое количество разных элементов. Спирулина входит в состав БАДов биологически активных добавок. Ее производят в России, США и Китае.Уникальные отрасли использования водорослей криминалистика, космос, археология и геология2. Кстати, Россия богата нефтью и газом, месторождения которых были открыты благодаря изучению диатомовых водорослей. В советское время ископаемые водоросли изучала уникальная школа ученых ни одна страна в мире не обладала таким багажом знаний. Очень интересная тема использование водорослей в криминалистике. Разберем гипотетическую ситуацию: на берегу находят тело человека с каким-то количеством водорослей. Что по ним можно определить? Первый вопрос, который задают криминалисты, что произошло: человек утонул или его скинули в водоем? Если специалисты не могут на него ответить, то водоросли помогают узнать тип утопления и насколько сильным оно было3.В криминалистике и медицине существуют разные типы утопления. Истинное утопление возникает, когда вода попадает в легкие человека и разжижает кровь. Человеку не хватает кислорода, и он не может дышать, поэтому рефлекторно или за счет нервных движений диафрагмы набирает в рот большое количество воды. Вместе с ней в легкие проникают водоросли, которые содержатся в планктоне. Из-за мощного давления в теле человека водоросли с током крови разносятся по органам и тканям, вплоть до мозговой ткани и трубчатых костей рук и ног.Если криминалисты находят в легких и трубчатых костях человека сотни или тысячи клеток водорослей, значит, произошло истинное утопление.Другой тип утопления происходит, когда у человека, попавшего в воду, смыкается гортань. Он не может дышать и из-за этого умирает в воде. Тогда в легких человека будет не так много водорослей, как при истинном утоплении. Диатомовые водоросли не попадут в трубчатые кости. В случае если человека скинули в воду, в легких также почти не будет водорослей.Второй вопрос, на который помогают ответить водоросли: где произошло утопление? Течение реки могло перенести тело. Иногда человек тонул в одном водоеме, а тело находили в другом. Хороший пример дело, описанное в статье польских коллег. Женщина пошла на работу, на небольшой завод, и не вернулась домой. Ее тело нашли на берегу реки, протекающей за территорией завода. Криминалисты пришли на место происшествия с собакой. Она лаяла на пруд на территории завода, но не было понятно почему. Криминалисты привлекли к работе диатомологов людей, которые хорошо знают виды, группы и морфологию диатомовых водорослей. Специалисты статистически доказали, что женщина утонула в пруду на территории завода. Выяснилось, что охранники или другие люди, которые отвечают за технику безопасности, испугались проблем и перенесли тело в реку.Знание водорослей и их групп фундаментальная наука. От нее до прикладной науки меньше полшага. Этот пример доказательство того, как важно изучать организмы и биоразнообразие, которое нас окружает. Водоросли летали в космос? Да, хлорелла летала. Мы знаем об этом немного часть информации, скорее всего, была засекречена.Водоросли нужны в космосе, потому что выделяют кислород, который необходим людям. Кстати, по этой же причине водоросли пригодятся на Марсе, если мы туда полетим.Еще одна сложность в космосе уничтожение отходов жизнедеятельности человека. Водоросли справляются с аммиаком и другими продуктами выделения космонавтов.В целом водоросли играют огромную роль в воссоздании цикла жизни в закрытых системах, поэтому они летали и будут летать. Водоросли могут выжить в открытом космосе или в других экстремальных условиях? Сразу вспоминается теория о том, что жизнь была принесена на Землю извне. Некоторые мои коллеги ее разрабатывают. Появляются научные публикации о том, что в метеоритах находят остатки водорослей. Существует идея о том, что водоросли переносятся метеоритами возможно, организмы живут на другой планете.Кстати, бльшая часть ученых считает, что жизнь была привнесена на Землю4, а не зародилась на нашей планете.Водоросли материал будущего Технологии будущего в медицине, энергетике, питании связаны с водорослями: применение в терапии раковых заболеваний, создание биотоплива и еды будущего. Почему водоросли такие прекрасные? Описание новых таксонов водорослей открывает новые возможности. Уникальность водорослей в том, что они производят вещества, некоторые из которых не продуцируются животными организмами. Водоросли синтезируют полиненасыщенные жирные кислоты, которые необходимы человеку. Этими организмами питаются рачки, затем рыбы, а после мы.Раньше рассказывали о возможном применении биотоплива из кукурузы или других высших растений. Разговоры прекратились быстро: оказалось, что количество посевных площадей для растений очень ограничено. Однако водоросли могут справиться с задачей: они быстро растут, делятся и набирают биомассу. Кроме того, по сравнению с высшими растениями водоросли продуцируют больше триглицеридов или жирных кислот, необходимых для биотоплива. Водоросли уникальны, и за ними будущее.
Из-за того, что водоросли стремительно растут, быстро происходит эволюция? Эволюция это сложный процесс. Существуют разные точки зрения: одни ученые говорят, что для образования нового вида достаточно 10 тысяч лет, другие что потребуется меньше времени.Мы знаем, что в Байкале эволюция идет очень быстрыми темпами. Это показано на разных организмах, в том числе диатомовых водорослях.Сейчас важнее то, что разнообразие водорослей практически не изучено. Мы знаем очень мало видов и групп, продуцирующих те или иные вещества. Поговорим о будущем пищевых технологий. Вы упоминали о водорослях, богатых белком. Ученые уже ищут замену красному мясу. Как в этом помогают водоросли? Водоросли имеют вещества и соединения, необходимые организму человека. Уже сейчас мы употребляем в пищу макроводоросли они содержатся, например, в роллах. Красные водоросли очень богаты йодом и различными веществами, которых нам не хватает. Наверное, поэтому мы так любим японскую кухню и морепродукты.Также производятся напитки, в которые добавляется живая хлорелла или спирулина. Водоросли используются как биологически активная добавка, которую добавляют в воду. Ее можно купить в Москве во многих магазинах.Думаю, микроводоросли будут чаще применяться в продуцировании биомассы. Организмы будут использовать не только как добавку в корм животных, как происходит в сельском хозяйстве, но и в питании человека.Весь мир сейчас ищет новые виды водорослей, чтобы использовать их в биотехнологиях. Нескольких видов, которые сейчас применяются в отрасли, недостаточно. Как выглядят фермы, на которых выращивают микроводоросли? Это множество пробирок или естественная среда? Не пробирки, а различные установки длинные трубки, в которых много света и течет вода. Из-за того, что трубки небольшие, водоросли быстро растут и накапливают биомассу. Фермы для производства водорослей нужно строить на территориях, где очень много света и тепла, чтобы снизить затраты на электроэнергию. Это возможно в теплых странах, например в Израиле и на юге Соединенных Штатов.Для разведения водорослей используют не только фермы, но и пруды. Морские микроводоросли можно вырастить в океане, если перекрыть часть водоема. Преимущества этого метода очень дешевая вода и неограниченная солнечная энергия.Одна из целей производства микроводорослей кормление креветок. Для развития личинкам креветок нужны полиненасыщенные жирные кислоты, которые содержатся в водорослях. Если креветки не получают эти соединения, происходит массовый падеж, который приводит к высоким экономическим затратам. Бизнес разведения креветок растет быстрыми темпами и превышает доходы от других видов сельского хозяйства. Поэтому исследователи ищут новые виды водорослей в том числе для креветочных хозяйств.Дополнительная литература:Максим Куликовский: Диатомовые водорослиhttps://postnauka.ru/video/88714How has the ocean made life on land possiblehttps://oceanexplorer.noaa.gov/facts/oceanproduction.htmlReliable, verifiable and efficient monitoring of biodiversity via metabarcoding, Yinqiu Ji Louise Ashton, 2013https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/ele.12162Non-photosynthetic predators are sister to red algae, Ryan M. R. Gawryluk, Denis V. Tikhonenkov, 2019https://www.nature.com/articles/s41586-019-1398-6Harmful algal blooms and red tide problems on the U.S. west coast, Rita A. Horner David L. Garrison, 2003https://aslopubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.4319/lo.1997.42.5_part_2.1076Chlorellahttps://examine.com/supplements/chlorella/The Diatoms: Applications for the Environmental and Earth Scienceshttps://www.cambridge.org/core/books/diatoms/4B3CA55B2B279BC1C6D3E9B52A7130A7Применение диатомового анализа для расширения возможностей медико-криминалистических экспертных исследований при диагностике смерти от утопленияhttps://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-diatomovogo-analiza-dlya-rasshireniya-vozmozhnostey-mediko-kriminalisticheskih-ekspertnyh-issledovaniy-pri-diagnostikeAlgae: Protists with Chloroplastshttp://tolweb.org/notes/?note_id=52Биоразнобразиеводорослей-индикаторовокружающейсредыhttp://herba.msu.ru/algae/materials/book/bioind/title.htmlВодоросли: таксономия, экология, использованиев мониторингеhttps://elibrary.ru/item.asp?id=19502107http://www.spsl.nsc.ru/FullText/konfe/112439.pdfFirst Detection of Sugars in Meteorites Gives Clues to Origin of Lifehttps://www.nasa.gov/press-release/goddard/2019/sugars-in-meteorites Подробнее..
Категории: Общее

Нейроинтерфейсы мозг мозг

05.08.2020 22:14:22 | Автор: admin
Направление разработки нейроинтерфейсов развивается быстро, и ученые задаются новыми вопросами. Например, почему бы не создать интерфейс мозг мозг, который даст возможность скооперировать нескольких животных, чтобы их мозг выполнял общие задачи, или записывать информацию в мозге одного человека, декодировать ее и посылать в мозг другого?Система мозг плюс мозгПоследнее время в области создания интерфейса мозг мозг были определенные подвижки, в том числе в нашей лаборатории. Первые исследования были проведены на крысах. Крысы очень умные животные. Если мы стимулируем мозг обезьяны и просим ее распознать эту стимуляцию, то, как правило, требуется несколько недель, чтобы обезьяна начала понимать, чего мы от нее хотим, когда стимулируем ее мозг. А крысы обучаются довольно быстро: можно поставить на голову крысы инфракрасный датчик, стимулировать сенсорную зону, и животное быстро распознает источник инфракрасного освещения в комнате, особенно если он расположен там, где нужно искать еду. Поэтому интерфейс мозг мозг был впервые продемонстрирован на крысах.В эксперименте крыса выполняла типичную задачу: если лампочка находилась справа, следовало нажать на правый рычаг; если лампочка была с другой стороны нажать на соответствующий рычаг слева и так далее. В это время активность ее мозга записывалась и передавалась другой крысе, но уже в форме электрической стимуляции. Вторая крыса уже была обучена реагировать на электрическую стимуляцию, и она интерпретировала активность мозга первой крысы и повторяла ее действия работал интерфейс мозг мозг. Но это было бы примитивно: ясно, что крыса умеет реагировать на стимуляцию и воспроизведет то, что мы от нее хотим. Чтобы усложнить эксперимент, мы сделали петлю обратной связи: если вторая крыса понимала первую хорошо и выполняла все правильно, то первая получала дополнительную награду, которая являлась для нее стимулом думать так ясно, чтобы другая крыса могла легко интерпретировать ее мысли. Эксперимент все равно получился довольно простым, однако он положил начало интерфейсам мозг мозг.Потом мы заинтересовались кооперативными экспериментами, которые назвали интерфейсом мозг плюс мозг: несколько обезьян сообща управляли устройством. Двадцать лет назад уже проводились подобные эксперименты с помощью неинвазивных методик были предложены системы на основе ЭЭГ. Используя их, несколько музыкантов с помощью мозговых волн играли музыку. Или группа людей управляла каким-то прибором кажется, это было устройство, которое поливало газон водой.Мы были первые, кто сделал инвазивный интерфейс мозг плюс мозг. В эксперименте участвовали либо две, либо три обезьяны одновременно. Если одна обезьяна управляет искусственной рукой, идет полезный сигнал, но есть и шум, поскольку рука немного дергается. Если у нас две обезьяны, то полезный сигнал остается, а шум компенсируется и устраняется, поэтому две обезьяны справлялись с задачей лучше. В другом эксперименте каждая обезьяна управляла одной координатой: первая координатой X, вторая координатой Y. Поскольку каждая из них имела упрощенную задачу, то вместе они справлялись еще лучше.В следующем эксперименте три обезьяны смоделировали нечто, что я называю супермозгом: у каждой имелся двумерный дисплей (то есть одна обезьяна контролировала перемещения виртуальной руки по осям Х и Y, вторая X и Z, а третья Y и Z), и втроем они управляли трехмерными движениями руки. Можно представить, что несколько мозгов объединены в сеть, при этом каждая обезьяна думает, что занимается чем-то своим, и не знает, что их общий супермозг выполняет некую глобальную задачу. Интересно, что, поскольку в эксперименте участвовали три обезьяны, одна из них могла начать работать хуже, но остальные все равно справлялись с задачей, что доказывает надежность такого интерфейса.На данном этапе все это выглядит как игра. Например, был простой эксперимент, когда на человека надели неинвазивный интерфейс и он генерировал команды 0 либо 1. Если это была единица, то стимулировалась анестезированная крыса, и она шевелила хвостом. Это было опубликовано и названо интерфейс между человеком и крысой два разных вида, помещенные в интерфейс мозг мозг. Также провели эксперимент, когда одна обезьяна бодрствовала, а другая была анестезирована, и ей стимулировали спинной мозг, за счет чего она воспроизводила движения первой обезьяны вторую обезьяну в данном случае почему-то назвали аватаром.Все это так или иначе к чему-то приведет. В ближайшие пять лет мы увидим действительно интересный эксперимент по соединению одного мозга с другим. И, может быть, успех будет достигнут за счет того, что количество каналов, соединяющих один мозг с другим, увеличится. Можно представить ситуацию, когда один человек подключен к другому и происходит минимальное декодирование: мы посылаем активность мозга одного человека в мозг другого, и второй человек начинает чувствовать то, что ощущает первый.НейромаркетингСейчас развивается такое направление, как нейромаркетинг. Его обычно описывают в других терминах, чем нейрокомпьютерный интерфейс, но по сути это то же самое. Речь идет о потребителе, который может купить или не купить определенный продукт. Задача ученых считать его мысли или подобрать стимул, который окажет максимальное воздействие на мозг потребителя, чтобы продажи конкретного продукта увеличились. Здесь тот же самый интерфейс между мозгом и компьютером: информация считывается и посылается в мозг с помощью сигналов.В экспериментах на обезьянах мы немного продвинулись в этом направлении. Я работал с обезьянами, которые взаимодействовали с роботом: робот преподносил обезьяне еду, причем мог делать это с разных сторон. В зависимости от того, как мы планировали эксперимент, обезьяна могла смотреть на еду, расположенную в одном месте, но она знала, что в итоге получит еду с другой стороны. Когда мы клали еду в кормушки, мозг обезьяны четко реагировал на подачу еды: обезьяна сидит, еще ничего не делает, просто смотрит, как ей кладут два кусочка, и мы уже знаем, что она планирует через 10 секунд схватить конкретный кусок еды допустим, тот, что лежит справа, а не слева. Очень часто мы наблюдали, что активность нейронов в момент предвкушения еды значительно превышала ту активность нейронов, которая возникала, когда обезьяна хватала еду.Скорее всего, области нейромаркетинга и интерфейсов мозг компьютер сольются, и мы увидим интерфейсы, которые считывают нашу мотивацию и информацию, связанную с наградой, и будут использоваться в коммерческих целях. Очень много подобных идей, которые в будущем будут воплощаться. Возможно, мы сможем передавать мысли друг другу, и наши мысли будут считывать представители бизнеса. И, конечно же, философы подключатся к этому направлению и напишут научные труды о том, этично или неэтично считывать мысли ради получения выгоды или общаться посредством интерфейсов мозг мозг. Подробнее..
Категории: Общее

Как стресс влияет на иммунитет

06.08.2020 20:00:01 | Автор: admin
Легкий стресс активирует функции иммунной системы, но при сильных стрессорных воздействиях происходит подавление ее функций, что при хроническом стрессе делает нас уязвимыми к различным заболеваниям. Почему это происходит? На этот вопрос отвечает нейроиммунофизиолог Елена Корнева.Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов. Упоминаемые в статье лекарства и методы лечения не являются медицинской рекомендацией. Лекарства и методы лечения может назначать только лечащий врач!Иммунная система осуществляет адресную защиту от чужеродных белков, бактерий и вирусов. Клетки иммунной системы, большинство из которых лимфоциты, выполняют разнообразные функции.Одни вырабатывают антитела к конкретным антигенам, эти антитела выделяются в кровь, соединяются с определенным микроорганизмом и нейтрализуют его. Образовавшийся комплекс безвреден и выводится. Этаформа защиты называется гуморальным иммунитетом.В других случаях формируется так называемый клеточный иммунитет:лимфоидные клетки поглощают определенные антигены, напримервирусы, и нейтрализуют (разрушают) их внутри клетки. Так формируется клеточный иммунитет.Это, разумеется, упрощенная схема, поскольку в процессеучаствует множество клеток иммунной системы:клетки-помощники, клетки, подавляющие активность лимфоцитов, и так далее. Эти клетки подвижны, они циркулируют в крови, а также сосредоточены в органах иммунной системы:костном мозге, тимусе, селезенке и лимфатических узлах.Все органы иммунной системы иннервированы, то есть степень их активности может изменяться под влиянием сигналов, поступающих от нервной системы. Происходит постоянный обмен информацией между нервной и иммунной системами, в результате которого изменяется интенсивность реакций на чужеродный белок.При стрессе эти отношения меняются, что приводит к изменению степени активности иммунной системы.Как связаны нервная и иммунная системаИммунную систему можно рассматривать как специализированныи сенсорныи орган1, который воспринимает определенные стимулы, различные по характеру, но генетически чужеродные. Это представление сформулировал профессор Джеймс Эдвин Блалокв 1980-х годах. Следует подчеркнуть, что клетки иммунной системы умеютраспознавать антигены, формировать ответ, а интенсивность реакций в большой мере зависит от сигналов, приходящих от мозга.Важно, что информация о появлении чужеродного белка быстро поступает в центральную нервную систему. Электрофизиологические исследования показали2, что внутривенное введение различных антигенов подопытным животным инициирует изменение электрической активности гипоталамуса и лимбических структур мозга через 930 минут после инъекции антигена, что ведет к изменению активности эндокринной и нейромедиаторных систем, а по так называемым вегетативным нервам в органы иммунной системы лимфатические узлы, селезенку, костный мозг, тимус поступают сигналы, влияющие на интенсивность реакций иммунной системы.Долгое время оставался без ответа вопрос о том, как на командыот мозга могут реагировать подвижные клетки иммунной системы. Открытие определенных белков рецепторов на мембранах лимфоидных клеток разрешило это недоумение, поскольку гормоны, неиромедиаторы, цитокины связываются с соответствующими рецепторами, которые передают сигналы в клетку. Это так называемый рецепторный путь передачи сигналов.Как стресс влияет на функции иммунной системыЕсть два вида стресса: стресс, который активирует защитные функции, и стресс, который их угнетает. Конечно, хроническое стрессорное воздействие, связанное с негативными событиями, может оказывать более выраженное влияние на функции иммунной системы, чем кратковременное, но характер изменений реакции иммунной системы зависит скорее от интенсивности стрессирующего воздействия, чем от его длительности.Слабое стрессирующее воздействие активирует защитную реакцию, что как бы готовит организм к возможным неприятностям, то есть такая реакция позитивна. Представим, что вы подверглись стрессорному воздействию: например, увидели любимого человека (радость это тоже стресс) или вам наступили на ногу в автобусе. Такое кратковременное и относительно слабое стрессорное воздействие ненадолго активирует функции иммунной системы.В рамках эксперимента это выглядит так. Исследователи подвергают крыс слабому стрессорному воздействию например, сажают их на вращающуюся площадку, а после этого смотрят, как иммунная система животных реагирует на введение чужеродного белка. Оказывается, при слабом и кратковременном стрессорном воздействии иммунная защита активируется: образуется больше антител, и стимулируется процесс пролиферации (размножения) клеток иммунной системы, реализующих защиту от чужеродных белков бактерий, вирусов и так далее.Но если стрессирующее воздействие слишком сильное, развивается противоположная ситуация дистресс. При тяжелом стрессе угнетаются многие процессы, в том числе функции иммунной системы. Если подвергнуть крыс тяжелому стрессорному воздействию, скажем обездвиживанию и переохлаждению, реакцияиммунной системы при введении антигенов снижается образуется меньше клеток иммунной системы и антител.При дистрессе почти вдвое уменьшается активность так называемых натуральных киллеров (NK-лимфоциты). Эти клетки иммунной системы первый барьер борьбы с раком: если в организме появляется опухолевая клетка, натуральные киллеры уничтожают ее. Дело в том, что в организме любого человека ежедневно присутствует порядка одного миллиона клеток-мутантов это ошибки деления. Большинство из них нежизнеспособны, но среди них могут быть и опасные. Натуральные киллеры их уничтожают.Как интенсивный и хронический стресс нарушают диалог между нервной и иммунной системамиРеакция на стресс реализуется нервной и эндокринной системами. В частности, происходит выброс стероидных гормонов коры надпочечников, в том числе кортизола. В маленьких дозах стероидные гормоны могут стимулировать функции иммунной системы, а в больших угнетать. Но экспериментальные данные свидетельствуют о том, что физиологическое повышение уровня стероидных гормонов само по себе не ведет к подавлению функций иммунной системы, которое происходит при стрессе.На многих международных форумах я задавала докладчикам вопрос о том, что приводит к подавлению функций иммунной системы при стрессе, и получала стандартный ответ:повышение уровня стероидных гормонов. Но, как выяснилось, это не так. Физиологическое повышение их количества в крови к такому эффекту не приводит, а различия изменений их количества при слабых и тяжелых стрессирующих воздействиях статистически недостоверны. Введение гормонов в лечебных дозах, превышающих физиологические, действительно угнетает эти процессы.При стрессе изменяется интенсивность реакции мозга на антиген и нарушается функциональное взаимодействие между нервной и иммунной системами. В частности, снижается интенсивность иизменяется алгоритм реакций на антиген определенных структур гипоталамуса, что при тяжелом стрессе, напримерболевом, коррелирует со снижением интенсивности продукции антител3. Нарушение процесса взаимодействия нервной и иммунной систем ведет к развитию синдрома хронической усталости заболеванию, при котором человек постоянно ощущает слабость, часто болеет, быстро устает.В механизмы реализации реакций нервной системы на антиген вовлечены многие нейромедиаторные системы. В последние годы установлено и участие недавно открытых нейромедиаторов пептидов орексинов. Орексины продуцируются небольшой группой нейронов, локализованных в латеральном гипоталамусе и посылающих свои проекции в большинство структур головного и спинного мозга. Рецепторы к орексинам широко представлены на мембранах нейронов головного и спинного мозга, а также на клетках ряда периферических органов, но не всех. Психоэмоциональный стрессотменяет активацию орексинсодержащих нейронов в ответ на антиген в экспериментах на животных4.Клетки иммунной системы вырабатывают так называемые цитокины, которые регулируют функции лимфоидных клеток и воспринимаются нейронами, они участвуют и в передаче информации между иммунной и нервной системами.Предположение о возможном их влиянии на интенсивность продукции антител не оправдалось: и при слабых, и при тяжелых стрессирующих воздействиях цитокины (IL-1) вырабатываются в одинаковом количестве, как и стероидные гормоны. Это означает, что реакция иммунной системы на стресс зависит не от количества этих молекул. Но почему же изменения происходят?Оказалось, что при слабом стрессирующем воздействии реакция лимфоидных клеток на регуляторный сигнал цитокин интерлейкин-1 усиливается (это проявляется активацией процесса пролиферации размножения клеток иммунной системы). При сильном комбинированном стрессе реакция клеток на действие интерлейкина-1 резко снижается. По-видимому, происходит нарушение лиганд-рецепторных отношений, которые участвуют в реализации передачи сигнала цитокина в клетку.
Сверху показан результат легкого стрессорного воздействия вращения платформы, на которую была помещена подопытная мышь; снизу результат комбинированного стрессирующего воздействия, когда мышь подвергли обездвиживанию и переохлаждению.На линейных графиках слева показана концентрация IL-1 (зеленая линия) и кортикостерона (розовая линия) в сыворотке крови мышей. У мышей кортикостерон является основным и наиболее активным стероидным гормоном надпочечников, подобно кортизолу у человека.На столбчатых диаграммах справа показана интенсивность реакции бласттрансформации мышиных тимоцитов при действии IL-1, которая позволяет оценить активность клеток иммунной системы в ответ на действие антигена. Розовый столбик тимоциты + Кон А (белок, стимулирующий тимоциты мышей), белый столбик тимоциты +Кон А+IL-1.Горизонтальные оси время после окончания стрессорного воздействия, вертикальные оси концентрация IL-1 (пг/мл) и кортикостерона (нг/мл) или включение (3H)-тимидина в ДНК делящихся клеток в 1 мин (c.p.m.). * p<0,05 по сравнению с тем же показателем до аппликации стресса.Как мы видим, реакция клеток на действие IL-1 при слабом стрессе увеличивается, а при сильном комбинированном стрессе снижается, и они менее активно реагируют на антиген.Источник: Корнева Е.А., Шанин С.Н., Новикова Н.С., Пугач В.А. Клеточно-молекулярные основы изменения нейроиммунного взаимодействия при стрессе. Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова. Т. 103. 3. 2017. С. 217229Можно ли снизить влияние стресса на иммунную системуМногое зависит от индивидуальной реакции на стрессирующее воздействие. Еще до того, как стало известно о влиянии стресса на иммунную систему, хирурги поняли, что если человек очень нервничает перед операцией, то он сложнее ее перенесет. Поэтому больным перед операцией всегда дают успокаивающие средства.Тяжелый хронический стресс, например болезнь любимого человека, конечно, сказывается на его состоянии, в том числе и на течение защитных процессов.Существуют иммуномодулирующие препараты, применение которыхнормализует нарушенные функции иммунной системы. Очень важно, чтобы препараты именно нормализовали работу иммунной системы, потому что значительное повышение ее активности может привести к развитию аллергических и даже аутоаллергических процессов, при которых иммунная система повреждает клетки организма, хотя, конечно, это происходит только при особых условиях. Эти препараты можно использовать только по рекомендации лечащего врача.Однажды к нам обратился крупный американский предприниматель и меценат с просьбой изучить эффекты действия облучения кожи электромагнитными волнами ультравысокой частоты на функции иммунной системы. Я отнеслась к этой идее скептически: Хорошо, мы посмотрим, но уж что получится, то получится. Я ошиблась, это воздействие, действительно, оказалось эффективным5. В частности, оно приводило к полному восстановлению интенсивности реакций иммунной системы при стрессе.Позитивные события (радость это тоже стресс) могут стимулировать функции иммунной системы, но не менее важно научиться контролировать психологические реакции на стрессирующие события. Ведь нет стресса без жизни, ажизни без стресса.Дополнительная литератураThe immune system as the sixth sense, J E Blalock, 20Корнева Е.А., Шанин С.Н., Новикова Н.С., Пугач В.А. Клеточно-молекулярные основы изменения нейроиммунного взаимодействия при стрессе. Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова. Т. 103. 3.2017. С. 217229Orexins and orexin receptors: a family of hypothalamic neuropeptides and G protein-coupled receptors that regulate feeding behavior, T Sakurai, 1998Stress-induced changes in cellular responses in hypothalamic structures to administration of an antigen (lipopolysaccharide) (in terms of c-Fos protein expression), Yu. V. Gavrilov, S. V. Perekrest, N. S. Novikova & E. A. Korneva, 2008 Подробнее..
Категории: Общее

Стресс как он связан с гормонами, сексом и медитацией

11.08.2020 16:04:35 | Автор: admin
Представьте, что через час закончится экзамен, а вы не сделали и половины заданий. Если не получите хороший балл, то двери университета, в который вы так хотите попасть, для вас закроются. Сердце начинает биться сильнее, по лбу стекают капли пота, а тело охватило жаром.Важный экзамен или встреча с грабителем, секс с любимым человеком или горящие дедлайны в вашей голове лишь промелькнула мысль об этом, а сердце уже бьется как у марафонца. Поджелудочная железа выделяет в кровь гормоны, а нервная система готова отдать команду В бой!. Так наш организм реагирует на стресс.ПостНаука рассказывает, помогает ли медитация справиться со стрессом, как гормоны превращают людей в супергероев и почему стресс это не всегда плохо. Материал выходит в рамках гида Гормоны.Что такое стрессСтресс реакция организма на действие сильных факторов, стрессоров. Например, это может быть встреча с любимым человеком после разлуки или сильная боль в ноге после неудачного пенальти.Ответ организма на стрессор начинается с мозга. Он посылает сигналы симпатической нервной системе, которая включается, когда нам что-то угрожает или мы испытываем сильные эмоции.Представьте, что вы переходите дорогу, но прямо на вас несется внедорожник. Страх включает симпатическую нервную систему она посылает сигналы надпочечникам, а те выпускают в кровь катехоламин и адреналин гормоны, которые усиливают системы организма в течение нескольких секунд (о них мы еще поговорим!). Они ускоряют энергетический обмен, обеспечивая топливом реакцию на стресс, например чтобы вы вовремя отпрыгнули от несущейся на вас машины.Внедорожник скрылся за поворотом, а вы стоите на тротуарецелы и невредимы. Опасность миновала, аорганизму нужно восстановиться после сильного стресса включается парасимпатическая нервная система. Она контролирует работу пищеварения после плотного обеда, замедляет сердцебиение и в целом успокаивает организм.Парасимпатическая и симпатическая нервные системы у здорового человека никогда не работают вместе: нельзя одновременно бежать и расслабляться. Парасимпатические и симпатические нервные окончания от мозга идут к одним и тем же органам, но вызывают противоположные реакции. Чтобы разграничить работу нервной системы, у организма есть специальные механизмы. Например, участки мозга, активирующие работу одной части нервной системы, угнетают те участки, которые отвечают за работу другой.Стадии стресса: исследования Ганса СельеВ 1930-х годах венгерский физиолог Ганс Селье изучал гормоны. Он исследовал функции экстракта яичников на лабораторных крысах, но прославился ученый не этим: его работы стали основой для всей науки о стрессе, а разработанная им концепция и сегодня считается общепринятой.В одном из экспериментов Селье вводил инъекции из яичников коров лабораторным крысам: он хотел проверить, как вещество влияет на животных. После вскрытия он поразился увиденной картиной: кора надпочечников увеличилась, лимфатическая система атрофировалась, а в желудке и двенадцатиперстной кишке появились язвы. Такие же поражения органов были и у крыс из контрольной группы, которым вкалывали раствор солей. Молодой ученый понял: виновник случившегося не инъекция, а нечто другое.
Селье продолжил свое исследование. Он предположил, что физиологические изменения в органах связаны не с веществом, а с самим процессом инъекции, болезненным и мучительным. Чтобы проверить гипотезу, Селье помещал крыс в различные экстремальные условия: выпускал животных на крышу университета зимой, относил в подвал, где пылало жаром от котельной, и оставлял на беговой дорожке под постоянными физическими нагрузками. Результаты ему уже были знакомы: увеличенная кора надпочечников, язвы и атрофированная лимфатическая система.В 1936 году Селье опубликовал свое исследование в научном журнале Nature. Чтобы описать условия, в которых были животные во время эксперимента, ученый применил термин стресс. Эксперименты на крысах показали, что биологические реакции (позже они станут известны как общий адаптационный синдром, или синдром Селье) на вредные агенты, напримерпростуду или чрезмерную физическуюнагрузку,имеют стереотипный трехфазный характер. Начальная фаза тревоги сопровождалась стадией сопротивления, которая в конечном итоге приводила к истощению, если воздействие повреждающего агента продолжалось.Селье рассматривал общий адаптационный синдром как форму защиты, представляющую собой обобщенное усилие организма приспособиться к новым условиям. До принятия концепции научным сообществом ее самым ярким изложением была расширенная статья, опубликованная в 1946 году. Селье посвятил свою работу исследованиям травматического шока, ссылаясь на работы Уолтера Кеннона и американского хирурга Джорджа Крила.Ганс Селье считается крестным отцом науки о стрессе. Он первым осознал, что организмы схоже реагируют на внешние обстоятельства, а если стресс продолжается долго, то велик шанс заработать язву желудка или другое хроническое заболевание. Работы Селье легли в основу исследований плеяды физиологов и эндокринологов, а его имя вошло в историю медицины.
Гормоны стресса: адреналин и кортизолМозг запускает компоненты системы, отвечающие за реакцию на стресс, не только во время стрессового события, но и когда вы просто думаете о нем.Все начинается с гипоталамуса, который выделяет несколько гормонов, и главный из них КРГ (кортикотропин-рилизинг-гормон). Попадая в гипофиз, он запускает секрецию АКТГ (адренокортикотропный гормон), а тот контролирует периферические железы: надпочечники, поджелудочную, щитовиднуюи половые железы.В этовремя симпатическая нервная система выделяет нейромедиатор норадреналин, который активизирует работу различных органов например, заставляет сердце биться быстрее. Нервная система посылает сигналы и коре надпочечников, чтобы те начали вырабатывать адреналин. Этот гормон заставляет наш организм быстро реагировать на стрессовую ситуацию:увеличивать потоотделение и ускорять обмен веществ. Но адреналин живет в крови всего несколько секунд, поэтому, если реакцию на стресс нужно поддерживать дольше, с этим справляются глюкокортикоиды.Во время стресса продукция некоторых гормонов,напримерсоматотропина, инсулина и половых гормонов, угнетается: когда бежишь от грабителей, нет времени и энергии переваривать пищу или думать о любимом человеке .Как стресс влияет на половые гормоныСтресс негативно сказывается на половом поведении, а долгий продолжительный стресс может и вовсе подавить половую функцию. Но на мужской и женский организм стресс влияет по-разному.
Как репродуктивная система мужчины работает в нормальном состоянии? Гипоталамус продуцирует лютеинизирующий рилизинг-гормон (ЛГРГ). Попадая в гипофиз, он побуждает его вырабатывать лютеинизирующий гормон (ЛГ)и гормон, стимулирующий фолликулы (ФСГ). ЛГ, в свою очередь, побуждает яички вырабатывать тестостерон, а ФСГ стимулирует производство спермы.В стрессовой ситуации концентрация ЛГРГ снижается, а следом и концентрация ЛГ и ФСГ. В результате падает уровень тестостерона в крови, вырабатывается меньше спермы и снижается ее качество: уменьшается количество сперматозоидов, они становятся менее подвижными именее жизнеспособными.Помимо прочего, стресс ослабляет эрекцию. Длительный стресс приводит к заболеваниям сосудистой системы, а из-за них нарушается кровообращение. За эрекцию отвечает парасимпатическая нервная система, а если мужчина чем-то обременен семейными трудностями или проблемами на работе, у него работает симпатическая система. Но бывает и обратная ситуация: когда с возбуждением все хорошо, но парасимпатическая система быстро отключается и включается симпатическая, это приводит к преждевременной эякуляции.Женскаярепродуктивнаясистемаработает почти как мужская. Гипоталамус женщины вырабатывает ЛГРГ, он попадает в гипофиз и запускает секрецию ЛГ и ФСГ.Они отвечают заовуляцию и выработку гормонов в яичниках.Но прежде чем говорить о стрессе, нужно сказать пару слов о менструальном цикле. Он состоит из двух стадий: фолликулярной и лютеиновой. На первой стадии растут концентрации ЛГРГ, ЛГ, ФСГ и эстрогена:в момент овуляции их концентрация достигаетмаксимума. На второй стадии растет количество прогестерона: из-за него набухают стенки матки, чтобы если сперматозиод оплодотворитяйцеклеткув них мог развиваться эмбрион. Пристрессеснижается выработка ЛГ, ФСГ и эстрогена, из-за чегоудлиняется менструальныйцикл.Вкрови у женщинесть небольшое количество андрогенов (у мужчин их больше). Если андрогенов много, то они вызывают сбои в репродуктивной системе. Чтобы избежать таких последствий, ферменты жировой прослойки превращают андрогены в эстрогены. Часто из-за стресса теряется вес, поэтому ферментов становится мало, и они не могут преобразовать андрогены в эстрогены. Тогда у женщины появляются проблемы со здоровьем например, нарушается менструальный цикл.Почему стресс бывает полезенСтресс своеобразный турборежим организма: вы становитесь супергероем, который готов свернуть горы. Но если постоянно находиться в таком состоянии, это пагубно скажетсяна здоровье.В краткосрочном промежутке стресс стимулирует выработку химических веществ в мозге нейротрофинов. Они укрепляют связи между нейронами, поэтому физические упражнения повышают концентрацию и делают нас более продуктивными. Умеренный стресс мобилизует и клетки иммунной системы.Длительный стресс повышает риск развития сердечно-сосудистых заболеваний, от которых ежегодно умирает около 17 миллионов человек. Для борьбы со стрессом требуется дополнительная энергия. Тогда организм прибегает к катаболизму увеличению распада тканей для получения энергии. Из-за этого погибают красные кровяные тельца главные защитники иммунитета.Сильный стресс может привести к злокачественным опухолям. Работа нервной системы подавляется, снижается активность цитотоксических Т-лимфоцитов и естественных клеток-киллеров, что приводит к росту злокачественных клеток и распространению опухоли.Стресс часть нашей системы выживания. Продолжительный стресс вредит организму, но краткосрочный, наоборот, может быть действительно полезным. Как медитация и домашние животные помогаютсправиться со стрессомМеры борьбы со стрессом индивидуальны: если что-то помогает одному человеку, не факт, что это поможет другому. Медикаментозное лечение подключают, только когда естественные способы борьбы со стрессом оказываются бесполезны.Французский медик Давид Серван-Шрейбер написал книгу, посвященную борьбе со стрессом. Он описал доступные методы, которые помогаютунять тревогу и привести чувства в порядок. Но универсального средства для борьбы со стрессом нет: у каждого человека он свой. Например, одному полезна вечерняя медитация после тяжелого рабочего дня, другому помогают часовые прогулки в парке близ дома, а третьему игра с любимым питомцем: потребность любить кого-то и заботиться о нем вызывает положительные эмоции, а они важный подсобник в борьбе со стрессом.Если естественные способы борьбы не помогают, врач прописывает лекарства, например седативные препараты. Они помогают справиться со стрессом, но нужно быть аккуратным: у лекарств есть и побочные эффекты. Они успокаивают организм, но также влияют на чувствительность рецепторов. После отмены терапии чувствительность рецепторов падает, что может вызывать ухудшение состояния человека.Например, так работают антидепрессанты, блокирующие обратный захват серотонина: в начале терапии они помогают пациенту, но затем естественное выделение серотонина снижается организм требует новой дозы препаратов. То же самое с алкоголем и сигаретами: чувствительность дофаминовой системы резко снижается, ухудшается самочувствие человека, а в прежнее состояние можно вернуться только после выкуренной сигареты или дополнительной бутылки пива.Поэтому принимать лекарства стоит только под строгим надзором врача.В гиде ГормоныПостНаукарассказывает,чем гормоны отличаются отдругих веществ, как они связаны снашим поведением ипочему часто становятся причиной многих заболеваний. Занаучную консультацию при работе над материалом мы благодарим Павла Умрюхина, доктора медицинских наук, профессора, заведующеголабораторией Молекулярно-генетических механизмов адаптации истресса Первого московского государственного медицинского университета имени И.М.Сеченова.Дополнительные материалы:РобертСапольски,Психология стресса,2015The impact of stress on body function: A review - NCBIConstantine Tsigos, Ioannis Kyrou,Eva Kassi andGeorge P Chrousos,Stress, Endocrine Physiology and Pathophysiology, 2016 Подробнее..
Категории: Общее

Последние комментарии

© 2006-2020, umnikizdes.ru