Содержание
Вариация на тему моделирования жизни. Часть 1 / Хабр
Жизнь Джона Конвея
Полагаем, всем программистам хорошо известен клеточный автомат жизнь (или эволюция), придуманный английским математиком Джоном Конвеем в 1970 году. Возможно, некоторые даже корпели над самописной программой, моделирующей клеточный автомат Конвея.
Вкратце напомним, суть модели Конвея.
1. Модель представляет собой поле конечное или бесконечное (то есть замкнутое) поле, состоящее из клеток.
2. Каждая клетка может быть либо заполненной (то есть живой), либо пустой (то есть мёртвой).
3. Состояние поля изменяется пошагово, каждое последующее состояние рассчитывается из предыдущего по правилам.
3.1. В мёртвой клетке, рядом с которой находится ровно три живые, зарождается жизнь.
3.2. Если рядом с живой клеткой находится две или три живые клетки, то она продолжает жить.
3.3. Если рядом с живой клеткой находится меньше двух или больше трёх живых клеток, то она умирает (то есть либо от одиночества, либо от перенаселённости).
Несмотря на простоту правил, модель впечатляет своим сходством с развитием популяций примитивных организмов. Наверное, каждого посещала мысль, что, немного видоизменив правила, можно добиться ещё большего сходства модели с поведением живых организмов.
Новая жизнь
Новая модель также будет представлять собой бесконечное (замкнутое) поле, состоящее из клеток. В каждой клетке может располагаться только один простейший организм, который условно назовём растением. Изначально поле может содержать в каждой клетке некоторое количество ресурса, необходимое для питания растений.
Наделим растение такими параметрами: a) начальная масса (в единицах), b) питание ресурсом (в единицах), c) продолжительность жизни (в тактах), d) репродуктивный возраст (в тактах), e) количество семян для размножения.
Состояние поля также будет меняться пошагово по определённым правилам.
1. С каждым шагом масса растения увеличивается на величину питания b.
Соответственно, масса ресурса в клетке, где произрастает растение, уменьшается на эту же величину. Если в клетке больше нет ресурса для питания, растение погибает от голода.
2. Возраст растения увеличивается с каждым тактом на единицу.
3. Достигнув репродуктивного возраста d, или зрелости, растение разбрасывает в соседние клетки (так называемая окрестность Мура) семена количеством e, каждое из которых имеет начальную массу a. При этом масса родительского растения уменьшается на общую массу семян. Семян может меньше, поскольку масса родительского растения не может быть меньше начальной массы a. Если семя попадает в клетку, которая уже занята, то оно превращается в ресурс.
4. Достигнув максимального возраста c, или продолжительности жизни, растение умирает от старости. Масса почившего растения увеличивает массу ресурса в клетке.
Из этих правил сразу следуют следующие выводы.
Вывод 1. Общая масса ресурсов и растений в любой момент системы постоянна.
Вывод 2. Если в клетке ресурса меньше, чем требуется растению для достижения зрелости (то есть значения bd), то растение умрёт, не дав потомства.
Эксперимент 1.1. Благоприятная среда
Поместим в поле одно растение вида Lime, у которого определим значения параметров: a) начальная масса — 1 единица, b) питание ресурсом — 1 единица, c) продолжительность жизни — 10 тактов, d) репродуктивный возраст — 5 тактов, e) количество семян для размножения — 3 штуки.
Из этих значений заключаем, что клетка поля должна содержать хотя бы 5 единиц ресурса для роста и размножения растения. Равномерно заполним поле таким образом, чтобы в каждой клетке содержалось 7 единиц ресурса Yellow (рис. 1), и запустим процесс моделирования. Вид Lime быстро расплодится и заполнит всё поле обитания (рис. 2).
Вывод 3. При благоприятных условиях вид быстро охватывает всю доступную среду обитания.
Вывод 4. При благоприятных условиях жизнь может продолжаться практически бесконечно.
Эксперимент 1.2. Неблагоприятная среда
Поместим тот же самый вид растения Lime (эксперимент 1) на другое поле, где количество ресурсов ограничено, и, соответственно, ограничен ареал обитания (рис. 3). Запустив процесс моделирования, можно наблюдать, как вид, несмотря на ограничение, медленно увеличивает ареал обитания (рис. 4).
Ареал увеличивается, однако в каждой отдельной клетке количество ресурса уменьшается. Наконец, в клетках перестаёт хватать ресурса для достижения зрелости, и вид вымирает (рис. 5).
Вывод 5. Вид стремится увеличить ареал обитания.
Вывод 6. В процессе жизнедеятельности ресурсы распределяются по всему полю практически равномерно.
Вид не сумел выжить в неблагоприятной среде, поскольку оказался неприспособленным. Если в данном эксперименте у вида Lime изменить значения некоторых параметров, то можно добиться выживаемости.
Например, можно уменьшить репродуктивный возраст у растения до 3 тактов.
Однако подбирать значения вручную не так увлекательно. Но не будем забегать вперёд и продолжим.
Эксперимент 1.3. Конкуренция
В следующем эксперименте в благоприятную среду (поле, равномерно заполненное ресурсом Yellow) поместим два вида растений — Lime и Teal (рис. 6). Значения параметров у обоих видов одинаковые (эксперимент 1), они отличаются лишь цветом, чтобы их можно было отличать визуально.
Запустив процесс моделирования, можно наблюдать, как растения заполняют всё поле (рис. 7). Конечно, эти два вида не могут явно биться друг с другом, однако они сосуществуют на одном поле, конкурируя между собой. Порой больше размножается один вид, порой — другой вид, хотя ни у одного из них нет преимущества перед другим.
Не исключено, что это противостояние не вечно, и один из видов, расплодившись, выживет другой. Но жизнь в благоприятной среде в любом случае будет продолжаться.
Вывод 7. Если виды одинаково приспособлены к среде, то нельзя сказать с определённостью, какой из них выживет, а какой вымрет.
Эксперимент 1.4. Симбиоз
Равномерно распределим по полю два ресурса: Yellow и Olive. Поместим в благоприятную среду те же два вида растений Lime и Teal (рис. 8). Все значения параметров у них идентичны и такие же, как в первом эксперименте, но с небольшим исключением. Вид Lime питается ресурсом Yellow, а после смерти превращается в ресурс Olive. Вид Teal питается ресурсом Olive, а после смерти превращается в ресурс Yellow. Очевидна взаимосвязь двух видов растений: они могут выжить только вместе.
Запустив процесс моделирования, можно увидеть, как сначала виды расходятся кругами от первоначальной клетки (рис. 9), каждый выедая в клетках свой питательный ресурс. Затем ожидаемо виды меняются местами обитания (рис. 10). В отличие от предыдущего эксперимента, чрезмерным размножением один вид создаёт лучшие условия не для себя, а для своего визави.
Вывод 8. При взаимозависимости двух видов вымирание одного вида тотчас же повлечёт вымирание другого.
Усложним эксперимент. Заполним поле тремя ресурсами Yellow, Olive, Purple и поместим в получившуюся среду три взаимозависимых вида растений — Lime, Teal и Green (рис. 11). Все значения параметров у них идентичны и такие же, как в первом эксперименте, но с небольшим исключением.
Вид Lime питается ресурсом Yellow, а после смерти превращается в ресурс Olive. Вид Teal питается ресурсом Olive, а после смерти превращается в ресурс Purple. Вид Green питается ресурсом Purple, а после смерти превращается в ресурс Yellow.
Запустив процесс моделирования, со временем можно наблюдать любопытные волнообразные (рис. 12) или спиралевидные (рис. 13) структуры, состоящие из разных видов. Вымирание одного вида тотчас же повлечёт вымирание и двух оставшихся видов.
Заключение
Несмотря на внешнюю простоту, клеточные автоматы представляют довольно широкие возможности для моделирования самых различных систем, и в небольшой статье мы постарались представить несколько интересных примеров моделирования простейших псевдобиологических систем.
Возможно, выводы, сделанные в статье, довольно очевидны, но в данном случае все они подкреплены результатами моделирования.
Источники
https://ru.wikipedia.org/wiki/Игра_«Жизнь»
https://ru.wikipedia.org/wiki/Клеточный_автомат
Топ-10 ярких научных открытий 2020 года
Математики помогают искать эффективные методы лечения сложных заболеваний
Эффективность препаратов против ВИЧ снижают зараженные клетки, «спящие» в организме и «укрывающиеся» от лечения. Исследователи изучили множество научных статей, создали несколько математических моделей развития ВИЧ и предложили новый подход к лечению этой инфекции. Ученые предложили использовать естественный механизм поддержания постоянства клеток иммунной системы, когда более молодые клетки вымывают более зрелые, в том числе неактивные зараженные клетки. Сейчас ученые создают программный комплекс для изучения сложных системных заболеваний, в том числе ВИЧ и COVID-19, чтобы помочь медикам искать эффективные методы комбинированной терапии с минимумом препаратов.
ВИЧ поражает клетки иммунной системы, у которых на поверхности есть белок CD4. Вирус прикрепляется к этим белкам, проникая в клетку, и, вызывая постепенное истощение популяции CD4 иммунных клеток (Т-лимфоцитов), угнетает работу иммунитета — так развивается СПИД. Без врачебного вмешательства больные в среднем умирают через 9–11 лет после заражения. При проведении антиретровирусной терапии, которая включает прием нескольких препаратов, продолжительность жизни пациента может быть продлена до 70–80 лет. При этом снижается концентрация свободных вирусов, но остаются зараженные клетки.
Одна из причин устойчивости ВИЧ к антивирусным препаратам кроется в способности вируса находиться в зараженных клетках в неактивной форме в течение многих месяцев и даже лет. Это снижает эффективность применения антиретровирусных препаратов: зараженная клетка просто не распознается иммунной системой для последующего уничтожения.
Сотрудники Института вычислительной математики имени Г.
И. Марчука РАН в составе международной группы исследователей приняли участие в разработке принципиально нового подхода в борьбе с зараженными клетками – «промыть и заменить». То есть вымывать части более зрелых клеток иммунной системы, в том числе «спящие» и «укрывающиеся» (латентно-инфицированные) CD4 Т лимфоциты. Это происходит за счет поступления менее специализированных (то есть пока «не определившихся» с ролью в организме) клеток в органы, где рождаются иммунные клетки, и их конкуренции за выживание.
По мнению исследователей, если вместе с антиретровирусной терапией специально активировать иммунные клетки, это может ускорить процесс обновления популяции лимфоцитов.
Моделируя на компьютере эти и другие сложные системные заболевания, в том числе COVID-19, ученые создают программный комплекс, который поможет вычислять наиболее подходящую методику диагностики и лечения социально-значимых болезней.
Источник: Pincus, Elizabeth Fischer and Austin Athman, National Institute of Allergy and Infectious Diseases, National Institutes of Health
Физики узнали адрес самой загадочной частицы, хранящей тайны Вселенной
Российские ученые подошли к разгадке проблемы, которая в последние годы занимает умы физиков всего мира.
Исследовательская группа, которая изучает ядра активных галактик, неожиданно обнаружила, что именно в них рождаются нейтрино высоких энергий – частицы, нарушающие почти все физические законы и позволяющие ответить на ключевые вопросы об устройстве Вселенной.
Нейтрино разных энергий приходят к нам из космоса. Частицы практически ни с чем не взаимодействуют и могут пролететь что угодно и кого угодно насквозь, облетая всю Вселенную. Благодаря этому нейтрино доносят до нас информацию о том объекте, который их породил и испустил. Так, с помощью солнечных нейтрино ученые убедились в том, что в центре Солнца происходят термоядерные реакции. Нейтрино же высоких энергий порождаются только очень быстрыми протонами. То есть нейтрино высоких энергий, которые астрофизики регистрируют на Земле, приносят нам информацию о «космических супер-коллайдерах», ускорителях частиц, в то время как на Земле люди тратят миллиарды денежных знаков, чтобы построить Большой адронный коллайдер и другие мощные ускорители и лучше изучить Вселенную.
Исследователи из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Московского физико-технического института и Института ядерных исследований РАН провели массовый анализ данных о квазарах – ядрах активных галактик. Информацию получали из лучших источников информации: мировых интерферометрических сетей телескопов и российского радиотелескопа РАТАН-600.
В центрах квазаров находятся сверхмассивные черные дыры. Во время падения вещества на черную дыру часть потока частиц выбрасывается наружу и ускоряется. Оставался открытым важнейший вопрос: может ли эта система ускорить массивные протоны, а не только легкие электроны? Чтобы это выяснить, исследователи сравнили данные наблюдений в радиодиапазоне с информацией по нейтрино. Оказалось, что квазары выглядят ярче, если находятся в тех областях на небе, откуда пришли нейтрино. Кроме того, в момент, когда ученые регистрируют нейтрино, они регистрируют и вспышки радиоизлучения от этих квазаров. Так ученые нашли связь между квазарами и нейтрино.
Теперь астрофизики с высокой достоверностью делают вывод, что именно квазары в состоянии ускорить протоны до скоростей света, а они, в свою очередь, породить нейтрино. Сегодня к исследованию квазаров подключили и Байкальский нейтринный телескоп, который под водой «ловит» нейтрино. В будущем нейтрино обещает раскрыть нам информацию о том, что случилось после Большого взрыва, например, как возникли галактики и почему материи в космосе больше антиматерии, хотя после Большого взрыва их было поровну? Кроме того, исследования нейтрино позволят разобраться в том, как же работают космические супер-коллайдеры в квазарах.
Иллюстрация. Телескоп РАТАН-600 помогает разобраться, где рождаются нейтрино. Источник: Дарья Сокол, пресс-служба МФТИ
Химики разработали прототипы аккумуляторов для транспорта, которые заменят литий
Ученые представили первые российские прототипы натрий-ионных аккумуляторов, которые обещают стать альтернативой более дорогим литий-ионным аккумуляторам, а также свинец-кислотным аккумуляторам – из-за большей энергоемкости.
В случае внедрения этой технологии российским разработчикам не придется закупать за рубежом аккумуляторы для электротранспорта, промышленных роботов и систем хранения энергии.
Натрий находится на шестом месте по распространению в земной коре, к тому же его легко добывать, в отличие от лития, а стоимость его солей примерно в сто раз меньше литиевых. Хотя первые работы в области натрий-ионных аккумуляторов возникли приблизительно тогда же, когда и литиевые, последние отличались более высокой емкостью и мощностью, поэтому ученые и производители сосредоточились на них. Однако исследования, проведенные в последние годы, продемонстрировали возможность получения характеристик натрий-ионных аккумуляторов, почти не уступающих литиевым «конкурентам».
Сотрудники Химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова исследовали множество материалов для катода и анода натрий-ионных аккумуляторов и обнаружили, что многие из них показывают емкости, сравнимые с показателями материалов литий-ионных аккумуляторов, а катионы натрия в них были более подвижными, чем лития.
Кроме того, ученые убедились, что можно заменить тяжелый и дорогой медный токосъемник на более дешевый и легкий алюминиевый, что поможет снизить стоимость аккумуляторов и повысить их безопасность.
Сейчас исследователи оптимизируют составы основных компонентов натрий-ионных аккумуляторов, изучают работоспособность прототипов батарей, их безопасность и морозоустойчивость. Несколько российских химических и энергетических компаний заинтересовались разработкой и выступили в качестве соинвестора проекта.
Презентация первых российских прототипов натрий-ионных аккумуляторов емкостью 500 мАч. Источник: Олег Дрожжин
Созданы живые растения, постоянно светящиеся в темноте
В фильме «Аватар» Джеймса Кэмерона изображен фантастический мир с пышной растительностью и завораживающими светящимися джунглями. Но то, что еще недавно казалось фантастикой – светящиеся растения, теперь становится реальностью благодаря современным достижениям в области генетики и биохимии.
Международная команда ученых создала растения, свечение которых видно невооруженным глазом. Они в десять раз ярче предшественников. В скором времени светящиеся в темноте декоративные комнатные растения планируется вывести на рынок.
В мире есть множество видов живых существ, которые могут светиться (биолюминесцировать) сами по себе. Сотрудники Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН совместно с компанией Планта выяснили, за счет каких химических механизмов светятся грибы, и перенесли необходимую для свечения ДНК в растения. Свечение растений видно невооруженным глазом и не «гаснет» с момента рождения до смерти.
Оказалось, что органическая молекула, необходимая для свечения грибов, используется и растениями для строительства клеточных стенок. Чтобы появился свет, эта молекула, называемая кофейной кислотой, должна пройти через цикл биохимических превращений с участием четырех ферментов. Два фермента превращают кофейную кислоту в более сложную молекулу, которая затем окисляется третьим ферментом с испусканием фотона.
Еще один фермент превращает продукт реакции обратно в кофейную кислоту, замыкая цикл.
В растениях кофейная кислота – строительный блок лигнина, ответственный за механическую прочность клеточных стенок, то есть часть биомассы растений. Помимо этого, кофейная кислота также необходима для синтеза пигментов, летучих соединений и антиоксидантов. Таким образом, свечение и обмен веществ растений тесно связаны, и потому свечение может отражать физиологический статус растений и их реакцию на окружающую среду.
Ученые «научили» светиться пока только растения табака, но дальше планируют расширить линейку растений и через пару лет вывести их на рынок.
Источник: Planta & Light Bio
Действие старых антибиотиков усилили так, что бактерии потеряли устойчивость к ним
Слишком активное использование антибиотиков привело к устойчивости бактерий к ним.
Один из способов ее преодоления – поиск новых антибиотиков. Но российские ученые предлагают новаторский подход – вместе со старыми антибиотиками использовать подавители (ингибиторы) ферментов, защищающих бактерии от внешней угрозы, в том числе от антибиотиков. Эксперименты на бактериях подтвердили перспективность этой стратегии. Если она войдет в практику, отпадет необходимость создавать новые антибиотики, расходуя на это много денег и времени.
В нашем организме есть сероводород, который, как азот и углерод, регулирует кровяное давление, оказывает противовоспалительное действие при инфекциях и делает многое другое. В клетках бактерий тоже производится сероводород, который, как ранее показали российские ученые, защищает клетки от гибели и делает их устойчивыми к антимикробным препаратам. Эта устойчивость приводит к сложностям в медицине и сельском хозяйстве и становится одной из ключевых проблем человечества сегодня.
Зная это, сотрудники Института молекулярной биологии им.
В.А. Энгельгардта РАН нашли ингибиторы (подавители) бактериальных ферментов, ответственных за синтез сероводорода. Кроме того, они нашли новые мишени бактерий, на которые можно нацелить будущие антимикробные препараты – ферменты, вовлеченные в синтез клеточной оболочки бактерий. Искусственно синтезированные ингибиторы этих двух групп ферментов, как показали эксперименты, делают бактерии уязвимыми к существующим антибиотикам.
Применение таких ингибиторов повысит эффективность действия широкого круга антибиотиков в лечении бактериальных инфекций.
Источник: healthline.com
Протестирован препарат для персонифицированной генной терапии на основе клеток крови пациента
Российские ученые разработали и протестировали на животных новый препарат для восстановления спинного мозга после травм. Средство на основе клеток крови пациента и терапевтических генов человека готово к началу масштабных доклинических испытаний.
Все большую популярность при лечении болезней приобретает генная терапия: введение в организм «здорового» генетического материала, способного возместить дефекты ДНК в клетках пациента или придать клеткам новые свойства. Чтобы успешно и безопасно доставить ДНК, ученые применяют белые кровяные клетки – лейкоциты, которые легко можно получить из крови самого пациента.
Недавно сотрудники Казанского государственного медицинского университета разработали простой, безопасный и экономичный способ получения белых кровяных телец, обогащенных искусственным генетическим материалом. Для этого из цельной крови пациента отделяют лейкоциты, используя специальный крахмал. Затем к лейкоцитам добавляют терапевтический ген или комбинацию генов в составе неопасного вирусного вектора, доставляющего терапевтические гены в лейкоциты. На следующие сутки полученный препарат может быть введен обратно пациенту в кровь. Такая методика обладает несколькими преимуществами: лейкоциты легко перемещаются по кровяному руслу и проникают в разные ткани, не вызывая иммунный ответ.
Генетический материал, который они транспортируют, обеспечит производство полезных для пациента белков.
Технология показала эффективность на крысах и мини-свиньях, теперь ученые готовы приступить к масштабным доклиническим испытаниям препарата.
В будущем использование технологии позволит людям справиться с последствиями инсульта, нейротравм и дегенеративных заболеваний нервной системы, корректировать нарушения свертываемости крови, стимулировать рост кровеносных сосудов при инфаркте, увеличить скорость регенерации костной ткани и не только – в зависимости от тех терапевтических генов, которые будут нести лейкоциты.
Схема получения и применения генетически модифицированного лейкоконцентрата – препарата, который разработали и запатентовали ученые Казанского государственного медицинского университета. Источник: Рустем Исламов
Найденные у растений белки помогут создать более питательные и гипоаллергенные сорта
Диабет 2 типа, болезнь Альцгеймера и целый ряд других заболеваний связаны с аномальным образованием белков амилоидов.
Однако у человека, животных, грибов и бактерий есть и амилоиды, участвующие в жизненно важных процессах в клетке. Недавно российские ученые впервые обнаружили подобные белки у растений и выяснили, что они отвечают за «консервацию» питательных веществ внутри семян. Это открытие может помочь создать сорта бобовых с менее аллергенными семенами. Уже сейчас исследователи работают над созданием более питательных сортов растений, у которых амилоидов меньше.
Так, один из самых сильных пищевых аллергенов для человека – вицилин. Он есть у разных бобовых, в том числе арахиса и гороха. В своем исследовании сотрудники ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии, СПбГУ, Института цитологии РАН, Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Казанского федерального университета вместе с французскими коллегами показали, что именно этот белок образует большую часть амилоидов в семенах гороха, что может объяснять их аллергенные свойства. Амилоиды крайне стабильны: они сохраняются при консервировании семян и их термической обработке.
При этом растениям, в свою очередь, амилоиды нужны для питания и защиты от патогенов. Экстремальная стабильность амилоидов также объясняет способность семян переживать разные неблагоприятные условия и прорастать спустя долгие годы.
Еще одно возможное прикладное значение этой работы — создание в будущем культур растений со сверхпитательными семенами. Эксперименты ученых in vitro (в пробирке) показали, что млекопитающие не способны полностью переваривать растительные амилоиды — их не могут расщепить пищеварительные ферменты. Амилоиды значительно ухудшают пищевую ценность семян, поэтому важно понять, каким образом можно снизить образование амилоидов в семенах растений, чтобы получить сорта с бóльшим количеством обычных белков. Такие культуры могут стать для человека особенно полезными и питательными.
В перспективе изучение молекулярных механизмов образования амилоидов в семенах, которое ведется сейчас, поможет создать более питательные сорта различных растений, включая горох и арахис.
Исследователи уже начали работу по созданию сортов растений с меньшим количеством амилоидов.
Колокализация сигнала антител против вицилина (красный) с амилоид-специфичным красителем тиофлавином-Т (зеленый) на криосрезах семян гороха. Колокализация показана желтым цветом. Источник: Antonets et al., PLOS Biology, 2020
Разработана масштабная модель для изучения климата и предсказания погоды
Ученые создали уникальный трехмерный массив данных о состоянии атмосферы в Северной Атлантике за последние 40 лет. Модель, на основе которой был создан этот массив, позволяет с высоким разрешением воспроизвести около 200 основных параметров атмосферы, что дает возможность наблюдать экстремальные атмосферные явления, такие как грозы и тайфуны, и оценить их роль в глобальной климатической системе Земли. Ученые планируют «расширять географию» своей модели, чтобы такие явления можно было изучать во всем мире, и даже прогнозировать погоду, причем на более долгий срок, чем сейчас.
Последние несколько десятилетий предсказывать погоду, изучать климат и его изменения помогает численное моделирование. Глобальные модели общей циркуляции атмосферы и океана покрывают всю планету «сетью», в каждом узле которой известны параметры — давление, температура, влажность воздуха, скорость ветра и другие. Они позволяют изучать события прошлого и делать прогнозы будущего.
Но эти модели не показывают мелкомасштабные явления, которые, тем не менее, вносят существенный вклад в динамику как атмосферы, так и океана. Для их изучения приходится строить отдельные местные «карты». Новая модель сотрудников Института океанологии имени П. П. Ширшова РАН и их зарубежных коллег преодолевает эту преграду и видит все события в океане – пространственное разрешение достигает 14 километров, что позволяет «засечь» небольшие циклоны, интенсивные атмосферные фронты, ливни, тайфуны и др.
Данные позволяют анализировать около 200 параметров поверхности и свободной атмосферы — давление, температуру, влажность воздуха, электрические показатели и другие — каждые 3 часа за период с 1979 по настоящее время.
Чтобы построить такую модель, использовали базу данных атмосферных реанализов — объединенных наблюдений за атмосферой, собранных со спутников, самолетов, наземных и водных метеостанций всего мира.
Сейчас модель показывает ситуацию над Северной Атлантикой за последние 40+ лет. Этот регион считается «кухней погоды» для всего Северного полушария, а процессы, происходящие на границе океана и атмосферы, влияют в том числе на климат над континентами. Однако в будущем ученые планируют «расширять географию» своей модели и детально изучать вклад ценных для прогнозирования локальных процессов взаимодействия океана и атмосферы в формировании климата Земли.
Авторы работы. Источник: Наталья Тилинина
Археологи впервые провели масштабный анализ жизни древнего человека на Кавказе
Ученые впервые исследовали две из трех известных стоянок древнего человека финала эпохи древнекаменного века на территории Центрального Кавказа, где пролегал важный миграционный путь к просторам северной Евразии. Именно тогда, 10–12 тысяч лет назад, стали появляться люди современного типа, которые начали использовать в быту новые технологии. Исследователи установили, что проживавшие в Приэльбрусье первобытные охотники перемещались на большие расстояния и применяли новые технологии обработки кости и камня. Эта информация существенно дополнила наши знания о развитии культуры той эпохи.
Сотрудники АНО «Лаборатория доистории» изучили две стоянки: навес Псытуаже и грот Сосруко.
В Приэльбрусье расположено месторождение обсидиана. Это вулканическое стекло высоко ценилось в палеолите, изделия из него поступали в соседние регионы Кавказа. Обсидиан активно использовался обитателями навеса Псытуже и грота Сосруко, которые расположены от месторождения на расстоянии до 30 км.
Чтобы определить возраст находок (в первую очередь, костей), ученые обратились к радиоуглеродному анализу – изучению остатков изотопов углерода, которые откладываются на протяжении жизни живых существ и сохраняются после смерти. Так стало ясно, что 15 тысяч лет назад в этом районе преобладал лесостепной и сухой климат. Древний человек охотился на дикого кабана. Позже, 12–10 тысяч лет назад в гроте была стоянка собирателей раковин, многие из которых обожжены, что говорит о том, что древний человек употреблял их в пищу. Обитатели навеса охотились на оленя и горного тура.
Орудия для охоты (микролиты) появились в Приэльбрусье раньше, чем предполагалось. Новые исследования свидетельствуют, что в финале древнекаменного века происходят существенные изменения в технологиях обработки обсидиана и кремня, появляются новые виды охотничьего вооружения.
Теперь археологам предстоит изучить периоды похолодания на Кавказе, которые привели к появлению одежды, жилищ и других новаций в культуре человека.
Вид на раскоп и разрез отложений в гроте Сосруко. Источник: авторы статьи
Сенсор определил болезнь легких быстрее, чем существующие методы детекции
Ученые создали компактную сенсорную систему, которая может анализировать выдыхаемый воздух и выявлять болезни дыхательных путей и органов. В экспериментах система с высокой точностью определила больных с хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ) — воспалительным заболеванием дыхательных путей, которое повышает риск осложнений при заражении COVID-19. Сейчас исследователи оптимизируют разработку, чтобы сделать ее более функциональной и расширить круг детектируемых веществ.
Хроническая обструктивная болезнь легких развивается в слизистых бронхов в ответ на патогенные внешние факторы и приводит к негативному изменению функций органов дыхательных путей. Методики выявления этого заболевания сложные и занимают много времени, что неразрывно связано с угрозой здоровью пациента. Обычные методы для анализа дыхания, например газовая хроматография и масс-спектроскопия, дорогостоящие и трудоемкие, поэтому требуются новые подходы, отличающиеся низкой стоимостью и быстротой тестирования.
Сенсорная система сотрудников Московского института электронной техники и их зарубежных коллег создана на основе модифицированных углеродных нанотрубок, из которых можно изготовить гибкие и эластичные проводящие пленки. Главная задача разработки – имитировать систему обоняния живых существ.
В исследовании эффективности новой системы участвовали 12 больных с ХОБЛ и 9 здоровых людей в соответствии с правилами клинических испытаний. Система обнаружила всех людей с хронической болезнью легких, уловив у них повышенную концентрацию выдыхаемого диоксида азота. Содержание газа составляет менее одной молекулы на миллион молекул выдыхаемого воздуха, что говорит о высокой чувствительности разработанных сенсоров.
Сегодня ученые стремятся сделать разработку более компактной, а также обучить ее распознавать больше веществ.
Плата матрицы электронного носа из восьми датчиков. Источник: Sonia Freddi et al / Advanced Healthcare Materials, 2020
Tags
Новости Фонда
Клеточная биология для детей — Модель растительной клетки
Автор Emma Vanstone 2 комментариев
Животные и растительные клетки имеют три основных отличия. Они оба имеют ядро, цитоплазму и клеточную мембрану, но только растительные клетки имеют клеточную стенку, вакуоли и хлоропласты. Мы использовали желе, чтобы создать простую модель растительной клетки, показывающую основные особенности растительной клетки.
См. наш пост модели клеток животных , чтобы узнать больше об органеллах, обнаруженных в обоих типах клеток.
Особенности растительной клетки
Клеточная стенка – жесткое покрытие из целлюлозы, обеспечивающее опору клетке.
Вакуоль – это большое пространство, заполненное клеточным соком. Клеточный сок представляет собой раствор сахара и солей.
Хлоропласты – содержат хлорофилл, необходимый для фотосинтеза.
Питание растений
Знаете ли вы, что растения сами производят себе пищу? Они используют процесс, называемый фотосинтезом, который представляет собой химический процесс, происходящий в каждом зеленом растении. Фотосинтез использует углекислый газ и воду, а также энергию солнечного света для производства глюкозы (энергии для растений) и кислорода!
Уравнение фотосинтеза
углекислый газ + вода → глюкоза + кислород
Растения получают углекислый газ из воздуха через листья, а воду из земли через корни.
Световая энергия исходит от Солнца и поглощается хлорофиллом (находится в хлоропластах). Именно хлорофилл придает листьям зеленый цвет.
Глюкоза, образующаяся в процессе фотосинтеза, превращается в другие вещества, включая крахмал, для хранения энергии. Эта энергия может быть высвобождена дыхание .
Что влияет на фотосинтез?
Четыре фактора влияют на фотосинтез. Чем быстрее происходит фотосинтез, тем больше растет растение.
Свет – чем больше света, тем быстрее происходит фотосинтез.
Вода – недостаток воды замедляет фотосинтез.
Температура – лучше всего фотосинтез работает при температуре около 30 градусов Цельсия.
Уровни углекислого газа – фотосинтез происходит быстрее, если в воздухе больше углекислого газа.
Простая модель клеток растений
Мы сделали эти модели клеток растений, используя желе ( желе ) и различные леденцы. Их очень легко сделать, а выглядят они великолепно.
Что нужно для изготовления желейной модели клетки растения
Желе/Желе
Разные сладости – вам понадобится что-то длинное и тонкое для клеточной мембраны.
Инструкции
Приготовьте желе в соответствии с инструкциями в слегка смазанной маслом емкости.
После установки аккуратно опрокиньте его в контейнер, в котором вы хотите хранить ячейку (после этого момента его будет трудно перемещать)
Добавьте конфеты, чтобы они выглядели как каждая органелла.
Используйте зубочистки и наклейки в качестве знаков для обозначения модели клетки.
Если вы внимательно посмотрите, вы можете обнаружить ошибку в нашей маркировке.
Мы обнаружили, что некоторые сладости, особенно сваренные вкрутую или покрытые сахаром, через некоторое время просочились в желе. Хранение их в холодильнике, казалось, помогло замедлить этот процесс.
Карточки проверки клеток растений и животных
Загрузите мои БЕСПЛАТНЫЕ карты проверки клеток, щелкнув изображение ниже! Прикрепите их куда-нибудь или разрежьте на карточки, чтобы носить с собой.
Модель клетки для пиццы
Если вам не нравится модель желе, как насчет модели клетки для пиццы ?
Модель растительной клетки Modroc
Эта модель изготовлена из modroc (гипсовая повязка). Мы построили его на прямоугольном контейнере и оставили сохнуть, чтобы он приобрел форму.
Мы использовали скомканные кусочки модрока, чтобы сформировать органеллы, а затем покрасили их!
Или как насчет более легкой конфетной версии?
Подробнее о растениях для детей
Используйте две бумажные тарелки и шплинт, чтобы создать счетчик жизненного цикла растений
Узнайте, как вода транспортируется в растениях, с помощью этих простых экспериментов, демонстрирующих транспортировку воды растениями .
У нас также есть множество идей для занятий по науке о растениях , которые соответствуют английской учебной программе по естественным наукам, включая препарирование цветов!
Последнее обновление: 14 сентября 2021 г., автор: Эмма Ванстон дополнительные ресурсы. Science Sparks не несет ответственности за травмы или ущерб имуществу, которые могут возникнуть в результате использования информации и выполнения практических действий, содержащихся в этом ресурсе или в любом из предложенных дополнительных ресурсов.
Эти занятия предназначены для детей, работающих с родителем, опекуном или другим подходящим взрослым. Участвующий взрослый несет полную ответственность за обеспечение безопасного выполнения действий.
Взаимодействие с читателем
простых шагов по созданию модели растительной клетки
Нравится? Поделиться этим!
Моделирование растительной клетки может оказаться интересным способом узнать структуру и функции ее органелл. В данной статье представлен простой способ создания собственной модели клеток растений с использованием простых декоративных материалов, а также съедобных угощений, таких как желе, конфеты и драже.
Клетки служат строительными блоками в структурной и функциональной организации живых существ. Они являются основными единицами жизни, которые работают вместе, чтобы выполнять функции поддержания жизни.
В зависимости от фундаментальной структуры клетки все живые организмы подразделяются на две большие группы, называемые прокариотами и эукариотами. Структурная и функциональная сложность прокариот меньше, чем у эукариот, при этом основное отличие заключается в отсутствии у прокариот ядра.
Растения относятся к группе многоклеточных эукариот и обладают способностью синтезировать сахар в присутствии солнечного света. Автотрофность – одна из их самых отличительных черт. Их клетки содержат дополнительные органеллы, специфичные для фотосинтеза, а также жесткости.
Ниже приведена простая процедура построения модели растительной клетки из некоторых легкодоступных элементов, которые можно использовать для представления различных органелл.
Модель растительной клетки
Шаг 1
В противень размером 12×12 дюймов налейте немного смеси желе с лаймом (или любой другой смеси желе зеленого цвета), чтобы представить цитоплазму . Лоток служит опорной конструкцией для вашей модели. Сверните немного темно-коричневой глины в трубку и поместите ее на края лотка, чтобы обозначить клеточную стенку . Охладите эту сборку, пока желе не станет шатким, но достаточно твердым, чтобы оно не ломалось и не фрагментировалось.
Клеточная стенка представляет собой прочную, но гибкую структуру, окружающую мембрану и обеспечивающую внешнюю поддержку мембраны и клетки в целом. Он служит физическим барьером и пропускает в клетку только определенные молекулы.
Цитоплазма представляет собой гелеобразную структуру, которая скрепляет все внутренние структуры клетки. Он играет важную роль во внутреннем движении клеточных органелл. Он также участвует в распределении кислорода, питательных веществ и других необходимых молекул в соответствующие части клетки.
Шаг 2
Чтобы изобразить ядро , возьмите теннисный мяч и аккуратно втолкните его в желе в одном углу лотка. При необходимости осторожно соскребите немного желе ложкой, чтобы шарик прочно поместился.
Ядро является наиболее важной органеллой и служит центром управления клеткой. Он содержит генетический материал в виде ДНК, организованной в хромосомы.
Шаг 3
Вырежьте круглый срез из большого зефира и поместите его в угол, противоположный ядру, чтобы показать вакуоль . Теперь остальные органеллы можно расположить в пространстве вокруг этих двух органелл.
Вакуоли представляют собой запасающие органеллы растительных клеток. Они содержат воду, молекулы пищи, а также клеточные отходы.
Шаг 4
Расположите ленточки из сахарной глазури вокруг теннисного мяча, чтобы показать эндоплазматический ретикулум (ЭР) .
ER представляет собой сеть мембран, находящихся вне ядра. К шероховатой ЭР прикреплены рибосомы, и она является местом синтеза белка. Гладкий ЭПР лишен рибосом и является местом синтеза липидов и транспорта белков.
Этап 5
Поместите несколько шариков термокола по всей цитоплазме, чтобы обозначить рибосом . Наклейте несколько из них на часть конфетных лент, чтобы изобразить грубое отделение скорой помощи.
Рибосомы представляют собой сферические структуры, состоящие из РНК и белков. Рассредоточенные в цитоплазме, а также присутствующие вместе с шероховатым ЭР, они ответственны за синтез белков, необходимых для различных клеточных процессов.
Шаг 6
Возьмите несколько лент с сахарной глазурью другого цвета, чем тот, который используется для ER, и сложите их концентрическими кривыми. Поместите 2-3 таких набора ремней в цитоплазму желе, чтобы показать аппарат Гольджи клетки.
Аппарат Гольджи представляет собой еще одну сложную сеть мембранных стопок, участвующую в модификации белков. Он также упаковывает молекулы в везикулы и транспортирует их внутри и вне клетки.
Шаг 7
Поместите 3-4 зеленых драже в случайные места в цитоплазме, чтобы представить хлоропластов . Обязательно оставляйте места для митохондрий и не перегружайте клетку.
Хлоропласты являются органеллами растительной клетки, производящими пищу, поскольку они являются местом фотосинтеза. Каждый хлоропласт состоит из сети мембран, содержащих пигменты и ферменты, необходимые для сбора энергии света и преобразования ее в химическую энергию.
Шаг 8
В пространство, оставшееся в цитоплазме, поместите 2-3 кусочка леденца (желательно желтого цвета), чтобы обозначить митохондрий .
Митохондрии известны как электростанции клеток, поскольку эти органеллы участвуют в синтезе энергии в форме АТФ (аденозинтрифосфата). Эта мембранная структура играет важную роль в выживании клетки.
Шаг 9
Добавьте 4-5 больших термоколов, чтобы обозначить пероксисомы .