Ponieważ kolejny rok dobiega końca, wydaje się, że nadszedł czas, aby ponownie usiąść, założyć ręce, wziąć głęboki oddech i spojrzeć na niektóre tytuły artykułów naukowych, na które być może wcześniej nie zwracaliśmy uwagi. Naukowcy nieustannie tworzą nowe osiągnięcia w różnych dziedzinach, takich jak nanotechnologia, terapia genowa czy fizyka kwantowa, a to zawsze otwiera nowe horyzonty.
Tytuły artykułów naukowych coraz bardziej przypominają tytuły opowiadań z czasopism science fiction. Biorąc pod uwagę to, co przyniósł nam rok 2017, pozostaje tylko czekać na to, co przyniesie nam rok 2018 …
Naukowcy stworzyli kryształy czasowe, do których nie mają zastosowania prawa symetrii czasu
Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki niemożliwe jest stworzenie perpetuum mobile, które będzie działało bez dodatkowego źródła energii. Jednak na początku tego roku fizykom udało się stworzyć struktury zwane kryształami czasowymi, co z pewnością podważa tę tezę.
Kryształy czasowe działają jako pierwsze rzeczywiste przykłady nowego stanu materii, zwanego „nierównowagą”, w którym atomy mają zmienną temperaturę i nigdy nie są ze sobą w równowadze termicznej. Kryształy czasowe mają strukturę atomową, która powtarza się nie tylko w przestrzeni, ale także w czasie, co pozwala im na utrzymanie stałych wibracji bez odbierania energii. Dzieje się tak nawet w stanie stacjonarnym, który jest najniższym stanem energetycznym, gdy ruch jest teoretycznie niemożliwy, ponieważ wymaga koszty energii.
Czy zatem kryształy czasu naruszają prawa fizyki? Ściśle mówiąc, nie. Prawo zachowania energii działa tylko w układach z symetrią w czasie, co oznacza, że prawa fizyki są takie same wszędzie i zawsze. Jednak kryształy czasu naruszają prawa symetrii czasu i przestrzeni. I nie tylko oni. Magnesy również są czasami uważane za naturalne asymetryczne obiekty, ponieważ mają bieguny północne i południowe.
Film promocyjny:
Innym powodem, dla którego kryształy czasu nie naruszają praw termodynamiki, jest to, że nie są one całkowicie odizolowane. Czasem trzeba je „popchnąć” - czyli dać impuls zewnętrzny, po otrzymaniu którego zaczną już raz po raz zmieniać swój stan. Możliwe, że w przyszłości kryształy te znajdą szerokie zastosowanie w dziedzinie przesyłania i przechowywania informacji w układach kwantowych. Mogą odgrywać kluczową rolę w komputerach kwantowych.
„Żywe” skrzydła ważki
Encyklopedia Merriam-Webster mówi, że skrzydło jest ruchomym wyrostkiem z piór lub błony używanej do latania przez ptaki, owady i nietoperze. Nie powinno być żywe, ale entomolodzy z Uniwersytetu Keele w Niemczech dokonali zaskakujących odkryć, które sugerują coś innego - przynajmniej w przypadku niektórych ważek.
Owady oddychają przez system tchawicy. Powietrze dostaje się do ciała przez otwory zwane przetchlinkami. Następnie przechodzi przez złożoną sieć tchawic, które przenoszą powietrze do wszystkich komórek ciała. Jednak same skrzydła składają się prawie w całości z martwej tkanki, która wysycha i staje się przezroczysta lub pokryta kolorowymi wzorami. Obszary martwej tkanki przesiąkają żyły i są to jedyne elementy skrzydeł wchodzące w skład układu oddechowego.
Jednak kiedy entomolog Rainer Guillermo Ferreira spojrzał na skrzydło samca ważki Zenithoptera przez mikroskop elektronowy, zobaczył małe rozgałęzione rurki dotchawicze. To był pierwszy raz, kiedy coś takiego widziano w skrzydle owada. Koniecznych będzie wiele badań, aby ustalić, czy ta fizjologiczna cecha jest unikalna dla tego gatunku, czy też może występuje również u innych ważek, a nawet u innych owadów. Jest nawet możliwe, że jest to pojedyncza mutacja. Obfita podaż tlenu może wyjaśniać jasne, złożone niebieskie wzory na skrzydłach ważki Zenithoptera, które nie zawierają niebieskiego pigmentu.
Starożytny kleszcz z krwią dinozaura w środku
W bursztynie często znajdujemy niesamowite rzeczy zakonserwowane, ale w tym roku otrzymaliśmy super nagrodę. Naukowcy z Myanmaru odkryli kawałki bursztynu, które mają 99 milionów lat i zawierają w sobie pasożyty, takie jak współczesne kleszcze. Jeden z nich zaplątał się w pióra dinozaura, dwa kolejne znaleziono w kawałku gniazda dinozaura, a czwarty został wypełniony krwią dinozaura.
Oczywiście to sprawiło, że ludzie pomyśleli o scenariuszu w Jurassic Park i możliwości wykorzystania krwi do natychmiastowego odtworzenia dinozaurów. Niestety nie nastąpi to w najbliższej przyszłości, ponieważ nie da się pobrać próbek DNA ze znalezionych kawałków bursztynu. Debata na temat tego, jak długo może trwać cząsteczka DNA, wciąż się nie zakończyła, ale nawet według najbardziej optymistycznych szacunków i w najbardziej optymalnych warunkach ich żywotność wynosi nie więcej niż kilka milionów lat.
Ale chociaż kleszcz zwany Deinocrotondraculi („Straszny Dracula”) nie pomógł w odnowie dinozaurów, nadal jest to bardzo niezwykłe znalezisko, które dostarczyło nam nowej wiedzy. Teraz wiemy nie tylko, że starożytne kleszcze zostały znalezione wśród upierzonych dinozaurów, ale także, że zainfekowały nawet gniazda dinozaurów.
Modyfikacja genów dorosłych
Obecnie szczyt terapii genowej to „skupienie regularnie przeplatanych krótkich powtórzeń palindromicznych” lub CRISPR (skupione regularnie przeplatane krótkimi palindromicznymi powtórzeniami). Rodzina sekwencji DNA, która obecnie stanowi podstawę technologii CRISPR-Cas9, może teoretycznie zmienić ludzkie DNA na zawsze.
W 2017 roku inżynieria genetyczna zrobiła zdecydowany krok naprzód - po tym, jak zespół z Proteomic Research Center w Pekinie ogłosił, że z powodzeniem wykorzystał CRISPR-Cas9 do wyeliminowania mutacji wywołujących choroby w żywotnych ludzkich embrionach. Inny zespół z Instytutu Francisa Cricka w Londynie poszedł w drugą stronę i po raz pierwszy wykorzystał tę technologię do celowego tworzenia mutacji w ludzkich embrionach. (W szczególności wyłączyli gen, który promuje rozwój zarodków w blastocysty.)
Badania wykazały, że technologia CRISPR-Cas9 działa - i całkiem skutecznie. Jednak wywołało to intensywną debatę etyczną na temat tego, jak daleko można zastosować tę technologię. Teoretycznie może to prowadzić do „dzieci projektantów”, które mogą posiadać cechy intelektualne, atletyczne i fizyczne zgodne z cechami określonymi przez rodziców.
Pomijając etykę, badania posunęły się jeszcze dalej w listopadzie, kiedy CRISPR-Cas9 został po raz pierwszy przetestowany na osobie dorosłej. Brad Maddu, lat 44, z Kalifornii, cierpi na zespół Huntera, nieuleczalną chorobę, która ostatecznie może doprowadzić go do wózka inwalidzkiego. Wstrzyknięto mu miliardy kopii genu korygującego. Minie kilka miesięcy, zanim będziemy mogli określić, czy procedura zakończyła się pomyślnie.
Co było wcześniej - gąbka czy galaretka z grzebienia?
Nowy raport naukowy, który został opublikowany w tym roku, powinien raz na zawsze zakończyć długotrwałą debatę na temat pochodzenia zwierząt. Według badań gąbki są „siostrami” wszystkich zwierząt na świecie. Wynika to z faktu, że gąbki były pierwszą grupą, która podczas ewolucji oddzieliła się od prymitywnego wspólnego przodka wszystkich zwierząt. Stało się to około 750 milionów lat temu.
Wcześniej toczyła się gorąca debata, która sprowadzała się do dwóch głównych kandydatów: wspomnianych gąbek i bezkręgowca morskiego zwanego ctenoforami. Podczas gdy gąbki są najprostszymi stworzeniami, które siedzą na dnie oceanu i żywią się przepuszczając i filtrując wodę przez swoje ciała, galaretki grzebieniowe są bardziej złożone. Przypominają meduzę, potrafią poruszać się w wodzie, mogą tworzyć wzory światła i mają prosty układ nerwowy. Pytanie, który z nich był pierwszy, oznacza pytanie, jak wyglądał nasz wspólny przodek. Uważa się, że jest to najważniejszy moment w śledzeniu historii naszej ewolucji.
Podczas gdy wyniki badania odważnie głoszą, że problem został rozwiązany, zaledwie kilka miesięcy wcześniej opublikowano inne badanie, w którym stwierdzono, że nasze ewolucyjne „siostry” były ctenoforami. Dlatego jest zbyt wcześnie, aby powiedzieć, że najnowsze wyniki można uznać za wystarczająco wiarygodne, aby rozwiać wszelkie wątpliwości.
Szopy przeszły starożytny test na inteligencję
W VI wieku pne starożytny grecki pisarz Ezop napisał lub zebrał wiele bajek, które są obecnie znane jako „Bajki Ezopa”. Wśród nich była bajka „Kruk i dzban”, która opisuje, jak spragniona wrona wrzucała kamyki do dzbanka, aby podnieść poziom wody i móc pić.
Kilka tysięcy lat później naukowcy zdali sobie sprawę, że ta bajka stanowi dobry sposób na przetestowanie inteligencji zwierząt. Eksperymenty wykazały, że zwierzęta doświadczalne rozumiały przyczynę i skutek. Wrony, podobnie jak ich krewni, gawrony i sójki, potwierdziły prawdę bajki. Małpy również zdały ten test, aw tym roku do listy dodano szopy.
Podczas testu opartego na bajce Ezopa osiem szopów otrzymało pojemniki z wodą, na powierzchni których unosiły się pianki. Poziom wody był zbyt niski, aby można go było osiągnąć. Dwóch badanych z powodzeniem wrzuciło kamienie do pojemnika, aby podnieść poziom wody i uzyskać to, czego chcieli.
Inni badani znaleźli własne kreatywne rozwiązania, których naukowcy nigdy się nie spodziewali. Jeden z szopów zamiast wrzucać kamienie do pojemnika, wszedł na pojemnik i zaczął się po nim kołysać na boki, aż się przewrócił. W innym teście, używając pływających i tonących piłek zamiast kamieni, eksperci mieli nadzieję, że szopy użyją tonących kulek, a odrzucą pływające. Zamiast tego niektóre zwierzęta zaczęły wielokrotnie zanurzać pływającą kulkę w wodzie, aż wznosząca się fala przybiła kawałki pianki na bok, ułatwiając ich odzyskanie.
Fizycy tworzą pierwszy laser topologiczny
Fizycy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego twierdzą, że stworzyli nowy typ lasera - „topologiczny”, którego wiązka może przybierać dowolny złożony kształt bez rozpraszania światła. Urządzenie działa w oparciu o koncepcję izolatorów topologicznych (materiałów będących dielektrykami w swojej objętości, ale przewodzących prąd po powierzchni), które w 2016 roku otrzymały Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Zwykle do wzmacniania światła w laserach stosuje się rezonatory pierścieniowe. Są bardziej wydajne niż ostre rezonatory narożne. Jednak tym razem zespół badawczy stworzył topologiczną wnękę, używając kryształu fotonicznego jako lustra. W szczególności wykorzystano dwa kryształy fotoniczne o różnych topologiach, z których jeden był komórką w kształcie gwiazdy w kwadratowej sieci, a drugi trójkątną siatką z cylindrycznymi otworami powietrznymi. Członek zespołu Boubacar Kante porównał je do bajgla i precla: chociaż oba są chlebem z dziurami, różna liczba dziur sprawia, że są inne.
Gdy kryształy znajdą się we właściwym miejscu, wiązka nabierze pożądanego kształtu. System ten jest kontrolowany przez pole magnetyczne. Umożliwia zmianę kierunku, w którym emitowane jest światło, tworząc w ten sposób strumień świetlny. Bezpośrednie praktyczne zastosowanie tego jest w stanie zwiększyć prędkość komunikacji optycznej. Jednak w przyszłości jest to postrzegane jako krok naprzód w tworzeniu komputerów optycznych.
Naukowcy odkryli ekscyton
Fizycy na całym świecie są bardzo entuzjastycznie nastawieni do odkrycia nowej formy materii zwanej ekscytonem. Forma ta jest kondensatem kwazicząstek, ekscytonów, które są związanymi stanem swobodnego elektronu i dziury elektronowej, która powstaje w wyniku utraty elektronu przez cząsteczkę. Ponadto fizyk teoretyk z Harvardu, Bert Halperin, przewidział istnienie ekscytonu już w latach sześćdziesiątych i od tego czasu naukowcy próbowali udowodnić, że było to słuszne (lub złe).
Podobnie jak w przypadku wielu ważnych odkryć naukowych, w tym odkryciu był spory zbieg okoliczności. Zespół naukowców z University of Illinois, który odkrył ekscyton, w rzeczywistości opanował nową technologię zwaną spektroskopią strat energii wiązki elektronów (M-EELS) - stworzoną specjalnie do identyfikacji ekscytonów. Jednak do odkrycia doszło, gdy badacze przeprowadzili jedynie testy kalibracyjne. Jeden członek zespołu wszedł do pokoju, podczas gdy wszyscy inni patrzyli na ekrany. Powiedzieli, że wykryli „lekki plazmon”, prekursor kondensacji ekscytonów.
Kierownik badania, profesor Peter Abbamont, porównał to odkrycie z bozonem Higgsa - nie będzie ono miało bezpośredniego zastosowania w prawdziwym życiu, ale pokazuje, że nasze obecne rozumienie mechaniki kwantowej jest na dobrej drodze.
Naukowcy stworzyli nanoroboty, które zabijają raka
Naukowcy z University of Durham twierdzą, że stworzyli nanoroboty, które są w stanie wykryć komórki rakowe i zabić je w zaledwie 60 sekund. W udanym badaniu uniwersyteckim malutkim robotom zajęło od jednej do trzech minut penetracja błony zewnętrznej do komórki rakowej prostaty i natychmiastowe jej zniszczenie.
Nanoroboty są 50 000 razy mniejsze niż średnica ludzkiego włosa. Są aktywowane przez światło i obracają się z prędkością od dwóch do trzech milionów obrotów na sekundę, aby móc przeniknąć przez błonę komórkową. Kiedy osiągną swój cel, mogą go zniszczyć lub wstrzyknąć do niego przydatny środek terapeutyczny.
Do tej pory nanoroboty były testowane tylko na pojedynczych komórkach, ale zachęcające wyniki skłoniły naukowców do przejścia do eksperymentów na mikroorganizmach i małych rybach. Dalszym celem jest przejście do gryzoni, a następnie do ludzi.
Asteroida międzygwiazdowa może być statkiem kosmicznym obcych
Minęło zaledwie kilka miesięcy, odkąd astronomowie szczęśliwie ogłosili odkrycie pierwszego międzygwiazdowego obiektu przechodzącego przez Układ Słoneczny, asteroidy zwanej Oumuamua. Od tego czasu zaobserwowali wiele dziwnych rzeczy, które dzieją się z tym niebiańskim ciałem. Czasami zachowywał się tak nietypowo, że naukowcy uważają, że obiekt może okazać się statkiem kosmicznym obcych.
Przede wszystkim niepokojąca jest jego forma. Oumuamua ma kształt cygara o stosunku długości do średnicy wynoszącym dziesięć do jednego, czego nigdy nie widziano na żadnej z obserwowanych asteroid. Początkowo naukowcy myśleli, że to kometa, ale potem zdali sobie sprawę, że tak nie jest, ponieważ obiekt nie zostawił za sobą ogona, zbliżając się do Słońca. Co więcej, niektórzy eksperci twierdzą, że prędkość obrotu obiektu powinna zniszczyć każdą normalną asteroidę. Odnosi się wrażenie, że został stworzony specjalnie do podróży międzygwiezdnych.
Ale jeśli został stworzony sztucznie, to co to może być? Niektórzy twierdzą, że jest to obca sonda, inni uważają, że może to być statek kosmiczny, którego silniki uległy awarii, a teraz unosi się w przestrzeni. W każdym razie uczestnicy programów takich jak SETI i BreakthroughListen uważają, że Oumuamua wymaga dalszych badań, więc celują w niego swoimi teleskopami i nasłuchują wszelkich sygnałów radiowych.
Chociaż hipoteza o kosmitach nie została w żaden sposób potwierdzona, wstępne obserwacje SETI do niczego nie doprowadziły. Wielu badaczy wciąż pesymistycznie ocenia szanse, że obiekt może zostać stworzony przez kosmitów, ale w każdym razie badania będą kontynuowane.