Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Блог компании ua-hosting.company

Извилистые дороги корейских ОС, или Как Tizen OS и webOS к успеху шли

19.04.2021 12:12:03 | Автор: admin

Очень сложно поспорить с утверждением, что корейская нация это одна из самых ярких народностей нашего земного шара. Одно существование двух корейских государств-антагонистов на политической карте мира как ничто лучшее тому тому подтверждение. Но сравнивая фанатически настроенных марксистов с севера и заядлых трудоголиков с капиталистического юга невольно понимаешь, что в своем стремлении к абсолюту, впадая в крайности, корейский полуостров действительно населяет один народ. В то время когда северяне достигли мирового первенства в противостоянии с глобализмом, южане по многим параметрам возглавили процесс всеобщей глобализации. Операционные системы Tizen OS и webOS стали одним из инструментов доминирования южнокорейских корпорация на мировом рынке.

Каким образом две мобильные ОС пережили эпоху глобального вымирания ознаменованного восхождением Android OS? Как так случилось, что платформы предназначенные для управления смартфонами оказались в телевизорах? Зачем корпорации LG и Samsung вдохнули вторую жизнь в угасающие Tizen OS и webOS? Какие перспективы у названных ОС совершить реванш на рынке портативных гаджетов и причем тут загадочная корейская душа? Об этом всем мы и поговорим далее в статье.

Коллеги по несчастью

Свой победоносный путь операционная система от Google - Android OS, начала в 2008 году. В это же самое время готовился к выходу в мир и первый смартфон под управлением webOS. К этому времени также мир увидела и iOS. Все эти молодые и перспективные ОС должны была вступит в бой за перераздел доли рынка дряхлеющей Symbian. С высоты сегодняшних дней реальность шансов на успех webOS многим может показаться весьма утопической, однако в то время это было далеко не так однозначно. Хотя webOS и был наиболее схож с Android OS, как в архитектуре ядра базирующемся в обоих случаях на Linux, так и в принципах проводимой политики максимальной открытости платформ, к 2009 году количество девайсов с предустановленным Android OS все еще было откровенно говоря мизерным. В то же время ОС на основе Symbian хотя и являлась монополистом на рыке мобильных ОС, но даже ее новоиспеченный владелец и главный клиент Nokia осознавала, что ОС морально устарела и замена платформы это лишь дело времени. Собственно доказательством последнего и стал активный передел рынка мобильных ОС, появлением новых и утратой позиций существующими ОС. Всего за два года детище Apple - iPhone под управлением iOS, отхватила впечатляющие 15% рынка мобильных девайсов.

Своевременная ставка корпораций Apple и Google на развитие своих магазинов во многом определила современное состояние рынка мобильных ОССвоевременная ставка корпораций Apple и Google на развитие своих магазинов во многом определила современное состояние рынка мобильных ОС

Хотя Tizen OS и не создавалась с нуля, но по многим параметрам это была действительно новая ОС. Возможно и не такая плохая и явно обладала шансами на жизнь, однако появилась она слишком поздно. Дело в том, что в Samsung озадачились разработкой собственной ОС в общем вовремя и с 2008 года успели выпустить более 20 моделей смартфонов под управлением собственной системы SHP ( Samsung Handset Platform ). Пришедшая на смену SHP операционная система Bada стала ее эволюционным развитием. Увидевшая мир аж в 2012 году Tizen OS для Samsung должна была стать уже скорее революционным развитием собственной платформы. Объединив усилия трех проектов LiMo, MeeGo, Bada новый программный продукт должен был вывести продажи смартфонов Samsung на качественно новый уровень, ведь целый ряд нововведений в ОС делал ее,опятже, чрезвычайно схожим с Android OS. Почему Tizen OS потерпела поражение на рынке смартфонов? Видимо по той самой причине, что и ряд других ОС Sailfish OS, Firefox OS, LiMo и тд. Все эти системы были достаточны подобны друг другу - политика развития в сторону открытости, упрощение жизни разработчикам ПО, кроссплатформенность, а это в свою очередь стало для них роковым фактором. Не сумев заинтересовать массового покупателя чем-то уникальным, новым в череде однотипных ОС победу одержала чуть более успешная Android OS, которая к слову также была далека от идеала в те далекие времена.

Имея такие разные биографии Tizen OS и webOS должно было объединить то, что они обе канут в лето вместе с множеством других ОС. Однако, связало их несколько другое обстоятельство.

Корейский гамбит

Удивительна история. Еще 50 лет тому назад Южная Корея являлась откровенно маргинальным, марионеточным государством. Как бы мы сейчас сказали - банановая республика. В тоже время КНДР довольно успешно строила плановую экономику советского типа. Даже еще в 70х годах большенство побегов к "оккупированному" соседу происходило именно с юга. Гонимые тотальной коррупцией и как следствие нищетой немало корейцев выбирали стабильность на "севере". Но мир не стоит на месте.

ВВП в долларах на душу населения по годам ВВП в долларах на душу населения по годам

Сейчас Южная Корея является лидером, а то и монополистом, в целого ряда важнейших секторов общемировой экономики. В разрезе ИТ невозможно не упомянуть о корпорациях Samsung и LG. Именно они то и сыграли главную роль в современном положении Tizen OS и webOS. В мире разделенном между адептами двух религий iOS и Android OS, само существование еще двух независимых, локально успешных платформ выглядит не менее интригующе как и существование коммунистической КНДР во всецело капиталистическом мире.

В 2012 году, когда webOS уже окончательно потерпела фиаско, а с ней разом и компания Palm, ситуацией как нельзя луче воспользовалась корейская корпорация LG выкупив все права на использование загибающейся ОС. Особенно подогревало интерес к этому приобретению то обстоятельство, что будучи довольно крупным производителем смартфонов LG мог бы вдохнуть новую жизнь во все еще весьма конкурентный продукт . Однако в планы корпорации вовсе не входило воскрешать из забвения павшего героя ведущего свою родословную еще из 90х. Проблема которую должна была решить покупка webOS состояла в отсутствии у LG собственной программной платформы для управления новомодными девайсами производимыми корпорацией. В свое время упустив из виду тот момент, что все чаще в названиях всевозможной техники появляется слово "Smart", LG столкнулась с необходимостью разработки с нуля собственного продукта, либо покупкой уже готового решения, для управления новомодными умными девайсами. Конечно оставался вариант пойти по пути мелких производителей и начать работу по адаптации к выпускаемой продукции Android OS, однако размеры компании, как и разнообразие выпускаемой номенклатуры товаров, диктовали необходимость создания собственной единой программой среды, которая должна была быть достаточно гибкой не только для уже существующей техники, а и для будущих перспективных разработок. Покупкой webOS остались довольны все, как получившее новые смыслы подразделение Palm так и оторвавшая за бесценок кучу патентов на полностью рабочий продукт корпорация LG.

В тоже время, как мы уже упоминали, появление новой операционной системы Tizen OS в 2012 году - во времена массового вымирания существующих ОС, было не просто запоздалым, а откровенно сказать абсурдным. Но надо заметить, это утверждение актуально только если рассматривать Tizen OS с точки зрения исключительно рынка смартфонов. Да, компания действительно выпустила на протяжении нескольких лет целую линейку смартфонов - Samsung Z, под управлением новой ОС, но как и следовало ожидать это не закончилось финансовым успехом. В то же время перед платформой стояли несколько другие задачи в решении которых ей уже скоро было суждено преуспеть.

Не смартфоном единым

Как-то довелось мне быть свидетелем повествования одного отставного военного инженера. Человек еще в 80х принимал участие в разработке "мозгов" межконтинентальных баллистических ракет. Поскольку основой безопасности страны советов были ядерные "щит и меч", внимание уделяемое разработке систем наведения, управления, принятия локальных решений "умными ракетами" было на самом высоком уровне. Со слов отставника, ресурсы выделяемые на эти программы лимитировались не более чем здравым смыслом, да и то не всегда. Но даже в таких "тепличных" условиях стоял целый ряд преград к достижению поставленных к ТТХ вооружения. Вызваны они были в первую очередь низким уровнем развития электронной компонентной базой. На то время в мире просто не существовало достаточно компактных, производительных ЭВМ для реализации всех предъявляемых к блоку управления "хотелок". Пытаясь увязать воедино уровень существующей электроники и предъявляемых требований единственным выходом для конструкторского бюро было максимально оптимизировать/упростить логику принятия решений встроенной ЭВМ. С одной стороны такая реализация изделия существенно повышала риск принятия системой управления ракеты неправильного решения, уже вовремя ее полета, что должно было приводить к провалу ее летного задания и включения системы самоликвидации, с другой стороны успешность поставленной задачи должна была достигаться за счет количества производимых запусков по выбранной цели, в общем-то достаточно рабочей системы.

В современном мире 5 нанометрового технологического процесса, где по вычислительным возможностям бюджетный смартфон превосходит суперкомпьютеры из 90х, задача по созданию максимально эффективного ПО не стоит так остро. Не ЦП, не встроенная память "железа" практически не лимитируют современные операционные системы, в то же время на первое место выходят такие вопросы к ОС как удобство использования, безопасность, универсальность, гибкость в настройке интерфейса. Как оказалось всем этим требованиям два новоиспеченных корейца вполне соответствуют.

Спектор техники с предустановленными Tizen OS и webOS весьма обширен. От упомянутых смартфонов, умных часов до фотоаппаратов, телевизоров, проекторов и холодильников. На сколько разумно, спросите вы, такое использование самой разной технике данных программных платформ? На этот вопрос может дать ответ тот коммерческий успех, который сопутствует сейчас компаниям. Обладая собственной ОС корейские корпорации не только успешно распространили свою продукцию на все континентах нашей планеты, но в значительной мере сохраняют "цифровой" суверенитет от не такой уж, как оказывается, "открытой платформы" - Android.

Неизвестно чего было больше в последних трениях между Huawei и Google политики или экономики, однако не имея сколько-то адекватной альтернативы используемой ОС и сервисам иже с нею, говорить в ближайшие несколько лет о технологическом доминировали китайских ИТ-гигантов просто не приходится.

Возможен ли "камбэк" в мир смартфонов?

В современном мире где 85% смартфонов работают под управлением Android OS, а оставшиеся 15% принадлежат iOS сложно представить появление нового успешного игрока. И дело тут не столько в "совершенстве" существующих операционных системах. Основная причина скорее лежит в плоскости отсутсвия необходимости в появлении новых ОС. Рынок мобильных программных платформ целиком и полностью удовлетворен существующими. Более того соотношение 15/85 между двумя современными монополистами также, скорее всего, существенно не изменится, даже в условиях появления новых игроков. Ведь, если более детально рассмотреть целевую аудиторию двух формальных конкурентов iOS и Android OS мы увидим, что она не слишком и конкурентна. И Google, и Apple "сожрали" своих истинных соперников еще лет 10 тому назад. Истинная борьба за клиента у iPhone развернулась, в свое время, с компанией BlackBerry, которая продвигала максимально защищенный продукт из премиум сегмента, в то время когда Symbian, Palm, Windows Mobile устанавливались в своей массе на абсолютно иного класса аппараты. Точно также и Android OS сражалась за наследие доживающей последние дни Symbian, в первую очередь, среди себе подобных открытых платформ.

Недавняя санкционная заваруха вокруг китайских ИТ-гигантов породила прецедент серьезной дискуссии вокруг необходимости создания альтернативы операционным системам так или иначе подконтрольным правительству одной страны. В этом ключе оказалось, что существующая Harmony OS не слишком и существующая. Те же Tizen OS и webOS, так же требуют доработок и существенных капиталовложении в раскрутку от их корейских владельцев, тогда как китайское правительство готово в принципе выделять на такое благое дело ресурсы, но не готово их выделять зарубежным компаниям. На данный момент публичная дискуссия вокруг альтернативных мобильных платформ замялась, как замялись и угрозы применения санкций. В то же время китайские компании сделали из происходящего выводы и пошли по пути своих корейских соседей. Развивая собственные платформы с перспективой их расширенного применения на бытовой технике, разного рода консолях, мультимедиа через какое-то время это позволит отточить саму ОС и создать целую программную среду для ее существования. Очевидно, что процесс этот также займет годы.

На этом фоне остается напомнить лишь один нюанс. В свое время, глобальное доминирование Symbian было остановлено не количественными показателями конкурентов, а качественными изменениями потребностей рынка. Актуальность Symbian обнулил прежде всего технический прогресс позволивший выйти в мир смартфонам нового поколения. Первым тут был конечно же продукту от Apple, революционный iPhone - "бескнопочный" телефон . Не оценив вовремя всех угроз целый ряд многомиллиардных компаний потерпели огромные убытки и сошли с дистанции. В этой игре на вылет Nokia, как известно, стала абсолютным лидером. Может ли нас ожидать нечто подобное? Естественно.

Куда заведут нас кривые дороги технологического прогресса одному Богу известно. В этом русле политические перипетии между двумя сверхдержавами может быть даже подтолкнут к появлению принципиально новых гаджетов, которые "обнулят" монополию существующих ОС. Главное в этой истории, что бы политика не стала ручным тормозом развития технологий и не отдаляла нас от долгожданного светлого будущего.

Подробнее..

TSMC яркий пример успеха в мире ИТ, проект Госдепа, продукт неотвратимой глобализации?

22.04.2021 22:14:44 | Автор: admin

TSMC - эта не слишком милозвучная аббревиатура от Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, в современном мире стала синонимом феноменального успеха. На данный момент тайваньская компания обрела статус одного из наибольших мировых производителей полупроводниковой продукции, а в некоторых сегментах этой индустрии она и вообще вошла в положение монополиста. Занимая второе место по годовой выручке среди конкурентов является весьма удивительным фактом, что TSMC вполне сознательно сконцентрировалась исключительно на производстве полупроводниковых пластин - в мире просто не существует процессоров, модулей памяти под маркой TSMC. С чем это связано? Может быть и с самим неопределенным статусом острова, который является убежищем для непризнанной Китайской Республики - Тайвань. Каким вообще образом в 1987 году удалось основателю компании Морису Чангу - гражданину США, создать будущего лидера в самой передовой сфере ИТ производства на отсталом технологически, удаленном от центров цивилизации острове? О прошлом, настоящем и о том, что ожидает в будущем такую далеко не тривиальную компанию как TSMC и пойдет далее речь в статье.

Основатель

Очень часто невозможно понять современного положения вещей не уделив внимание исторической ретроспективе вопроса. То в каком состоянии пребывает нынешнее мировое производство полупроводниковой продукции неразрывно связано с такой неординарной личностью как Морис Чанг. Основатель и многолетний руководитель TSMC имеет весьма не заурядную биографию. Судьба этнического китайца Мориса, рожденного в Китае образца 1931 года, была крепко переплетена с судьбой всего Китая. Данное ребенку при рождении европейское имя Морис стало следствием того, что город Нинбо, в администрации которого его отец состоял на службе, являлся одним из 5 китайских "свободных" портов, где активно жили и работали европейские торговцы. Получив достаточно качественное начальное образование на английском языке в дальнейшем молодой китайский иммигрант сможет получить высшее образование в лучшем техническом учебном заведении США - МТИ (Массачусетский Технологический Институт). К иммиграции с родины молодого и перспективного китайца подтолкнули те бурные события которые неистово лихорадили всю юго-восточную Азию. Ряд китайских революций, японская оккупация, в 1949 году окончательное поражение коммунистам Мао националистического правительства Гоминьдана - в рядах которого молодой человек принимал участие, с одной стороны не оставляли Морису ничего другого как бежать из континентального Китая, с другой стороны сделает возможным его возвращение на Тайвань в 1985 году, где ему всего через два года будет суждено основать одного известного ИТ-гиганта.

Для понимание того, кто через 36 лет пребывания в США вернулся на Тайвань можно лишь глянуть на послужной список гражданина США Мориса Чанга.

Поучив в 1953 году диплом магистра Морис попробовал пойти далее по научной стезе, однако защитить докторскую диссертацию ему тогда было не суждено. В 1955 году году он устраивается в небольшую производственную компанию, в подразделение занимающееся полупроводниками. Было ли это предвидение молодого специалиста или просто случай неизвестно, но данное направление в технике теперь будет сопровождать Мориса всю его сознательную жизнь.

В 1954 году в США произошло довольно знаковое, однако малозаметное событие. Компанией Texas Instrumentsвпервые был налажен серийный выпуск транзисторов. Уникальность этого события для широких масс была несколько размыта поскольку сам принцип заложенный в радиодеталь давно уже не был новинкой. Существующие вакуумные лампы были куда надежнее предлагаемых до этого момента исследовательскими институтами "трехлапых монстров", откровенно говоря не обладающих достаточной стабильность в работе. Однако, настоящие специалисты понимали, что именно реализация подхода заложенного в работу транзистора пророчила ему самое светлое будущее. Миниатюризация печатных плат, колоссальное уменьшение электропотребления электроцепями, низкая цена в производстве все это должно было завоевать мир.

В 1958 году один из сотрудников Тexas Instruments создает и патентует первую в мире интегральную микросхему, в этом же году в компанию устраивается и Морис Чанг. Это было крайне удачное решение, ведь набирающей интенсивно обороты компании в самом скором будущем суждено будет стать самым крупным производителем полупроводниковой продукции в мире. В условиях отсутствия заслуженных авторитетов на ниве передовых технологий, хорошо образованный молодой китайский эмигрант с реальным производственным опытом в полупроводниковой тематике уже в 1961 году занимает весьма высокий пост начальника инженерного отдела. Отдав 25 лет жизни своему работодателю - Texas Instruments, Морис прошел практически все ступени карьерного роста. Вице-президент по внешнеэкономической деятельности - пост с которого в 1983 году Морис покинул Texas Instruments.

Возвращение в 1985 году на Тайвань весьма молодого - 54 летнего, человека с таким столь уникальным опытом не было случайным. Еще в конце 70х, США несколько изменила свою концепцию по продвижению своих интересов в юго-восточной Азии. Всесторонне разобрав ситуацию с поражением во Вьетнамской войне, правительство США решило сделать ставку, в первую очередь, на усиление экономических связей со своими союзниками в регионе. В рамках этой программы предполагался массовый перенос трудозатратных производств из самого США в страны с куда более дешевой рабочей силой. Это должно было дать обоюдовыгодный эффект. Япония, Филиппины, Южная Корея, Тайвань, Сингапур это те основные бенефициары проводимой политики США, что сейчас носят гордое название азиатских тигров. Под чутким руководством Мориса Чанга тайваньским китайцам - дисциплинированным и трудолюбивым, только-что оторваны от сохи, в этом новом мире суждено было занять свою новую высокотехнологическую нишу.

Корпорация TSMC

К слову, под управлением несменного лидера Мориса Чанга TSMC пробыла 31 год, основатель корпорации отошел от дел только в 2018 году, отдав ей 31 год своей жизни. Под его руководством компания стала знаковой не только для Тайвани, а и для всего мира. Что бы понять, что из себя сейчас представляет TSMC нужно взглянуть всего на несколько графиков. Главным из которых является конечно же уровень прибыли.

На рынке контрактных производителей полупроводниковой продукции TSMC с общей долей в 60% является безусловным лидером. Что же касается особо передового направления в производстве полупроводниковых пластин диапазона 5-32 нм, тут компания удовлетворила мировой спрос своей продукцией на 80% . Прибыль компании исчисляется миллиардами.

Если рассмотреть более детально структуру заработка самой TSMС по конкретному техпроцессу, то можно увидеть, что основная прибыль идет с наиболее продвинутых производств реализованных на уровне 5-7 нм техпроцесса.

Рассматривая исключительно техпроцесс не всегда понятно что за ним скрывается в мире реальных гаджетов. Но и тут отчет от TSMС поможет пролить свет на положение вещей. Более половины выпущенной компанией продукции устанавливается в смартфоны, треть станет основой для высоко производительных систем.

На сколько такая ситуация стала уникальной для TSMС? Да в общем не особо. За последние шесть лет структура прибыли у компании существенно не меняется. Наиболее прогрессивные технологии приносят около 50% заработка. Столь занятное распределение прибылей дает понимание того, что именно делает TSMС лидером среди контрактных производителей полупроводниковой продукции - интенсивное внедрение передовых технологий.

Но картина мира TSMС была бы не достаточно ясна, если бы не еще одна диаграмма. Поскольку компания весьма открытая ее регулярные статистические отчеты касаются самого разного спектра деятельности, в том числе и распределение получаемой прибыли в зависимости от реализации продукции в конкретном регионов мира. Это может и весьма удивительный факт, однако в 2020 году 75% выручки компании принес рынок Северной Америки. Торговля с КНР всего-навсего на уровне 6%. Торговля полупроводниковой продукцией с КНР резко упала в 2020 году как результат введенных против Поднебесной санкций со стороны США, но даже в досанкционный 2019 год эта цифра колебалась в районе 10%. Фактически, если пристально рассмотреть всю географию поставок продукции становится понятным - TSMС целиком и полностью зависит от потребителей в США как и ее международных партнеров.

Полупроводниковый полуфабрикат

Мы с вами много сказали про достижения TSMС и увидели множество красочных цифр, однако есть один существенный нюанс. Форма бизнеса которую ведет компания не предполагает выпуск собственного завершенного продукта будь то процессоры, модули памяти, SoC и тд. Как мы уже вспоминали TSMС стала самым крупным контрактным производителем полупроводников размещая на своих производственных мощностях заказы таких компаний как Apple, Qualcomm,Nvidia, AMD,MarvellBroadcom, MediaTek, Huawei и даже могущественной Intel. Однако в мире готовых решений ее доля не столь значительна.

Как видно на диаграмме розовая TSMС занимается исключительно "литьем" полупроводниковых пластин. В тоже время зеленые Intel и Samsung обладают полным циклом разработки, производства и реализации процессоров. Голубым цветом обозначены компании не обладающие своим производством полупроводников. Желтые же это исключительно поставщики производственного оборудования Как видно на диаграмме розовая TSMС занимается исключительно "литьем" полупроводниковых пластин. В тоже время зеленые Intel и Samsung обладают полным циклом разработки, производства и реализации процессоров. Голубым цветом обозначены компании не обладающие своим производством полупроводников. Желтые же это исключительно поставщики производственного оборудования

Для мира процессоров тайваньская TSMС хотя и является существенным фактором, но далеко не главным. И тут разговор идет уже не об объемах получаемой прибыли, а о завершенных технологических цепочках. Компания TSMС не обладает полным циклом производства полупроводниковой продукции, даже учитывая ее глубокое партнерство с AMD и Apple. Возникает вполне законный вопрос а кто ж тогда обладает? Обладают им Intel и Samsung, Texas Instruments и Broadcom, но и тут вопрос не такой простой как могло бы показаться. Кроме разработки архитектуры процессоров, коей занимается достаточное количество организаций, в производстве "чипов" ключевую роль играет создание тех самых полупроводниковых пластин, а в особенности оборудования на котором они будут создаваться.

Обозначенные желтым цветом компании это и есть производители оборудования. При казалось бы достаточном количестве предприятий - Applied Materials, ASML, Tokyo Elektron, Lam Reasearch, KLA, говорить о широком выборе оборудования все равно не приходится. Проблема с производителями этого оборудования состоит в том, что наиболее востребованная полупроводниковая продукция та которая обладает максимальным количеством транзисторов на квадратный дюйм, а в этом сегменте конкуренция у компаний уже весьма условна.

Та самая единственная в мире установка фотолитографии в EUV от ASML для производства полупроводниковых пластин по технологическому процессу 5 нмТа самая единственная в мире установка фотолитографии в EUV от ASML для производства полупроводниковых пластин по технологическому процессу 5 нм

Фактически в мире есть лишь одна компания готовая поставлять оборудование для производства полупроводников по 5 нм технологии и это Нидерландская ASML. Именно это оборудование и использует TSMС в производстве своей 5-7 нм продукции, также как собственно и корпорация Samsung. В тоже время Intel утверждает, что ее собственные разработки на основе оборудования от Applied Materials достаточно прогрессивны и дают возможность создавать на полупроводниковых пластинках, произведенных с использованием 7-10 нм техпроцесса, плотность транзисторов аналогичную плотности на пластинах произведенным TSMС с 5-7 нм.

Размытое будущее в едином фарватере

Столкнувшись с необходимостью покупки какого-то новомодного девайса рядовой потребитель зачастую впадает в ступор. Одолеваемый терзаниями выбора он рыщет по просторам интернета в поисках детальных характеристик, подробных обзоров, сравнительных анализов. В поисках ответов нарываясь в сети на бескомпромиссные дискуссии сторонников Samsung и приверженцев Apple, поклонников красных и любителей синих часто вообще теряется логическая нить происходящего. Однако, сняв всю эту цветовую мишуру и оторвав лейбл, не редко можно заметить, что все эти суровые в мире маркетинга конкуренты произведены на одних заводах, одним оборудованием, по весьма схожим технологиям.

Естественно глупо утверждать, что iPhone 12 и Samsung Galaxy S21 одинаковые аппараты, но также не разумно искать в них большие отличия. В современном мире все переплелось. Sony завалила весь мир встраиваемыми в смартфон камерами, Samsung стал абсолютным монополистом в производстве высококачественных экранов на базе OLED матриц, Qualcomm безусловный лидер в создании модулей связи 5G.

"Я беру камень и отсекаю всё лишнее" - Микеланджело Буонарроти в ответ на вопрос: Как вы делаете свои скульптуры?"Я беру камень и отсекаю всё лишнее" - Микеланджело Буонарроти в ответ на вопрос: Как вы делаете свои скульптуры?

Конечно, конкуренция на рынке полупроводников все еще присутствует, о чем хотя бы свидетельствуют потуги корпорации Apple захватить мир с помощью своих АРМ процессоров серии А и М. Intel также не стоит в стороне и хотя уже крепко сотрудничает и сейчас с TSMС, также как и всерьез рассматривает возможность перенести часть производства своих процессоров на фабрики TSMС, но все еще не отказывается от продвижения собственных технологий и очевидно будет их развивать.

В свете таких радужных перспектив для TSMС стоит ли от нее, как независимой компании, ожидать выхода на качественно новый уровень своего развития, что она вложится в свою раскрутку и обзаведется собственной линейкой процессоров, модулей памяти или вообще смартфонов? Очевидно нет. Угрожает ли бизнесу TSMС новый политический тренд в США по возврата производственных мощностей из за границы назад в страну? Скорее всего так же нет, ведь фактически азиатские партнеры настолько сильно завязаны с США технологически, экономически, политически, по линии военной помощи, что называть их в полной мере заграницей американцы могут весьма формально. Что касается непосредственно Тайваня то и подавно, без всеобъемлющей протекции со стороны США остров уже давным бы давно утратил свою независимость.

Все, что мы сейчас вообще наблюдаем в мире полупроводниковой продукции укладывается в единый фарватер планомерного, поступательного движения вперед. Сложность технологического прогресса породила необходимость объединения воедино разбросанных по всему миру разработчиков, производителей, рынков сбыта, маркетологов. Главную скрипку в этом глобализационном процессе сейчас естественно играет США, как собственно это всегда и было в сфере микроэлектроники.

На этом фоне было бы интересно сказать что-то про действительно независимых новаторов производителей полупроводниковой продукции, но действительность такова, что их просто нет. Оценивая те грандиозные финансовые вливания, что осуществляют в развитие и производство полупроводников компаниями Intel, Apple, Samsung, ASML, TSMС и тд. говорить о появлении даже в среднесрочной перспективе некого нового игрока также не приходится. Даже "всесильный" Китай, фактически, не обладает собственным полным циклом производства современных полупроводниковых пластин. Наиболее совершенным производством подобной продукции в континентальном Китае является компания SMIC ( Semiconductor Manufacturing International Corporation ), но и она готовится приступить к выпуску пластин по 7 нм техпроцессу исключительно на оборудовании от ASML и в этом свете любой сбой в технологической цепочке, благодаря тем же грозящим санкциям, может откинуть КНР в технологиях производства назад на целые десятилетия. Ежегодно инвестировать сотни миллиардов на протяжении десятилетий без гарантий ожидаемого результата - ноша довольно тяжелая и наверно не так уж и нужная. Хорошо ли сложившееся положение вещей или не очень? Этот вопрос не имеет смысла, ведь это действительность в которой мы будем жить еще весьма долго.

Если кто-то в серьез задался поставленным в самом начале статьи вопросом и по какой либо причине все еще не нашел на него ответа, можно лишь коротко подытожить - всего по чуть-чуть.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Подробнее..

Интернет в Афганистане на острие перемен

10.05.2021 12:10:00 | Автор: admin

Уровень стабильности нашего сегодняшнего мира, как не удивительно, во многом, определяют регионы наименее развитые. Для кого-то это утверждение может выглядеть не слишком убедительным ведь все мы знаем, что современный миропорядок куется в Вашингтоне, Пекине, Брюсселе. Но учитывая уровень современной глобализации в мире стоит напомнить одну народную мудрость: "Надежность цепи определяет ее наиболее слабое звено". Планета Земля все сильнее и сильнее напоминает единую структуру объединенную производственными цепочками, свободным перемещением капиталов и людей. Кроме очевидных бонусов от кооперации объединенный мир создал и новые вызовы. Одной из таких проблем стали страны "изгои". Как показывает практика отсталые технически, населенные бедными и малограмотными гражданами эти "слабые звенья" угрожают целостности всего нашего хрупкого мира.

Исламская Республика Афганистан является особо ярким примером того как брошенная мировым сообществом на произвол страна может стать для этого самого сообщества серьезной угрозой. Радикальные религиозные идеологии, бесконтрольный оборот оружия, наркоторговля, потоки мигрантов это все то бесчинство которое должны были побороть, не допустить в Афганистане военные интервенции СССР и позже NATO. Как показала история, одной грубой силы недостаточно для трансформации проблемного общества. Какую роль в процессе развития сегодняшнего Афганистана играет интернет? Какие изменения он принес в жизнь рядового гражданина мусульманской страны? Доступность, цена и качество предоставляемой услуги в одной из самых отсталых стран мира. Об этом всем и не только далее в статье.

Ничто ни предвещало беды

История появления интернета в Афганистане не отрывно связана с драматической историей самой страны - с теми зигзагами судьбы которые она преодолевала на протяжении последних 40 лет. До 1979 года про существование государства Афганистан мировая общественность не слишком то и догадывалась. Страна на фоне своих соседей ничем особенно не выделялась. Низкий уровень ВВП на душу населения, аграрная экономика, перманентная политическая нестабильность, этническая раздробленность - все эти факторы были довольно обыденны для всей центральной Азии. Если рассматривать Афганистан в раках всего региона, можно даже сказать, что страна имела весьма хорошие перспективы развития и как следствие могла бы стать примером для своих соседей в скорости и масштабах внедрения таких технических новинок как интернет.

На фотографии изображены студентки кабульского политехнического института - представительницы типичной кабульской молодежи 70-хНа фотографии изображены студентки кабульского политехнического института - представительницы типичной кабульской молодежи 70-х

Сейчас это может звучать дико, но в 70х годах центрально-азиатская республика была довольно светской и открытой к новым идеям и технологиям. На фоне военного противостояния Ирана и Ирака, Пакистана и Индии, в условиях подогреваемого на этой почве у соседей религиозного фанатизма Афганистан выглядел как некий островок стабильности и созидательного труда. Особую роль в развитии страны сыграл СССР, и это тоже без всякого сарказма. Мало кто сейчас помнит, что до того как развязать в Афганистане полномасштабную войну северный сосед на протяжении 20 лет вкладывал в него миллиарды рублей, что собственно в дальнейшем и послужило одним из мотивов к предоставления военной помощи "братскому государству". Начиная с конца 50х годов советские специалисты прокладывали дороги, строили трубопроводы и гидроэлектростанции, пробивали в скалах тоннели и возводили дома в сейсмически активной стране. Особой гордостью советской помощи братскому народу Афганистана стал КПИ - Кабульский Политехнический Институт, который открыл свои двери для будущих инженеров в 1963 году. Аж до самого 1979 года учебное заведение, создание фактически с нуля, в основном комплектовалось советскими преподавателями. По истечению многих лет и событий, даже сейчас, институт существует и все еще несет отпечаток былой дружбы народов.

Афганская сторона впервые принимает генерального секретаря товарища Хрущева Н.С. 1955 год.Афганская сторона впервые принимает генерального секретаря товарища Хрущева Н.С. 1955 год.

При всех внушительных объемах советской помощи не стоит забывать и про британское влияние на регион в целом. Крупные землевладельцы, местная аристократия были знакомы с европейской культурой и ее техническими достижениями не только посредством общения с британской администрацией, а и непосредственно путешествуя в Европу и США. В этом контексте можно лишь напомнить, что нынешний президент Республики Афганистан - Ашраф Гани Ахмадзай, получал высшее образование в США, а к 1983 году и вообще заслужил звание доктора наук при Колумбийском Университете. В следствии борьбы за центральную Азию, в 60-70х годах, также как и СССР, "империалисты" вкладывала не малые ресурсы в развитие Афганистана. Именно на средства США была проведена модернизация и возведены новые корпуса главного учебного заведения страны - Кабульского Университета. Эти подарки должны были нивелировать нарастающее влияние СССР показав обществу капиталистический путь развития, гражданам страны где все более и более укоренялись идеи социализма.

Специфическая география, этнический состав страны, сложное историческое наследие это все то, что усложняло дорогу к светлому будущему страны. Путь был однозначно не простым, но Афганистан шел по нему преодолевая все препоны. Ничто не предвещало особой беды, кроме как подозрительно нездоровый интерес со стороны двух сверхдержав .

На фотографии красуються бортпроводницы компании Ariana Afganistan Airlines. Кабул начало 70-хНа фотографии красуються бортпроводницы компании Ariana Afganistan Airlines. Кабул начало 70-х

Катастрофа

Интернет был изобретен в 1969 году, наиболее его активное внедрение в гражданскую жизнь стран Запада пришлось на начало 80-х. Начавшаяся в 1978 великая афганская социалистическая революция, а по сути рядовой государственный переворот возглавляемый просоветскими силами, не просто сбил Афганистан с дороги планомерного развития, он погрузил огромную 30 миллионную страну на целые десятилетия в тотальный хаос.

В 70-х годах Афганистан был частью мировых коммуникационных сетей, находясь в Кабуле вы могли легко позвонить в Москву, Лондон, Нью-Йорк. Во многом страна была куда более открытой и демократической нежели несущие ей свободу, равенство и братство интернациональные должники. В таких условиях появление интернета в стране не упиралось в какие то либо технические, политические барьеры и было чисто делом времени. Ввод советских войск естественно нарушил весь мирный ход вещей. Вместо короткой победоносной операции СССР получил полномасштабную партизанскую войну, щедро подпитываемую ресурсами "из за океана", и загряз в стране на долгих 10 лет. Это стало настоящей катастрофой для национальной инфраструктуры Афганистана. Бывшие благодетели не просто приложились к уничтожению материальной базы страны, противостояние двух сверхдержав породило куда более ужасное явление - моджахедов. То что еще недавно жило в самых далеких уголках сознания, то что проповедовали самые отшибленные муллы в самых удаленных от цивилизации аулах вышло на свет и заняло доминирующую позицию в обществе. Вчерашние молодые и прогрессивные студенты в момент оказались перед делимой - либо они вынуждены покидать свою родину в поисках мирной жизни, либо они вливаются в ряды религиозных экстремистов щедро спонсируемых и вооружаемых ЦРУ. Финальный мазок в этой картине вакханалии насилия, в 1989 году, поставило решении о выводе советских войск из страны. На первый взгляд окончание войны и вывод вооруженных сил оккупанта должно было принести мир и новую эру благополучия на многострадальную афганскую землю, но перемены принесли только новые беды.

Советский воин должен стойко переносить все тяготы и лишения военной службыСоветский воин должен стойко переносить все тяготы и лишения военной службы

С бездумным выводом войск страной советов и резкому охладеванию к теме освободительной войны американскими спецслужбами Афганистан был отдан на растерзание фанатически настроенным, закаленным в боях полевым командирам. Если до того времени в стране еще и оставалось здравомыслящее современное население, то изначально призывающие к мирному сосуществованию под знаменами ислама движение Талибан (араб.студенты) в самом скором времени не оставит ему никаких шансов на нормальную жизнь.

Разрушенная войной страна оставшись без всякой внешней поддержки погрузилась в темное средневековье. Те блага цивилизации, которые еще 20 лет назад казались повседневной нормой: поездки заграницу, телефонная связь, электричество, водопровод, женское образование, остались в далеком прошлом.

Более чем на 9 лет мировое сообщество закрыло глаза на все бесчинства Талибана в огромном 30 миллионном государствеБолее чем на 9 лет мировое сообщество закрыло глаза на все бесчинства Талибана в огромном 30 миллионном государстве

В свое время из наиболее светской страны, в обозначенном регионе, с приходом к власти в 1992 году талибов Афганистан принял за официальное законодательство законы шариата. Даже с учетом того, что шариатское право издавна применяется в целом ряде стран и его гибкое использование довольно органично вписывается даже в существующие демократические нормы, Талибан возвел его использование в абсолют тоталитаризма. Такие вещи как радио, телевидение, музыка, телефоны и конечно же интернет провозглашались происками шайтанов и подпадали под тотальный запрет. Отмена светского образования для мужчин и образования как такого вообще для женщин, должны были окончательно загнать афганское общество в цивилизационный тупик.

До прихода в 2001 году на афганскую землю объединенных вооруженных сил под эгидой NATO, за 9 лет правления талибы оставили после себя выжженную землю.

С чистого листа

В то время когда мир все глубже погружался в глобальную сеть, единственным способом попасть в интернет с территории Афганистана являлся спутниковый интернет, пользоваться коим могли себе позволить единицы. В действительности, в приграничных с Пакистаном районах также существовала ограниченная техническая возможность выйти в сеть используя достаточно развитую инфраструктуру сопредельного государства, однако по целому ряду причин обычное население даже там было лишено доступа к интернету.

Как следствие сложного рельефа и близости этнических групп населяющих регион, Афгано-Пакистанская граница и сейчас остается довольно условным факторомКак следствие сложного рельефа и близости этнических групп населяющих регион, Афгано-Пакистанская граница и сейчас остается довольно условным фактором

С падением режима талибов новая оккупационная администрация разработала целый план по трансформации общества, в том числе одним из его пунктов была повсеместная информатизация страны. В Афганистане из под запрета вышло радиовещание, телевидение и конечно же интернет. Первая и самая важная проблема которую необходимо было решить новоназначенной власти это создание информационной инфраструктуры Афганистана. И это в стране которая занимает 40 место в мире по площади и по населению, состоящая из целого ряда полуизолированных регионов горными массивами с высотами пиков за 7000 метров.

Централью часть Афганистана составляют неприступные горы Гиндукуш. Высота наивысшей горы Ношак составляет 7492 мЦентралью часть Афганистана составляют неприступные горы Гиндукуш. Высота наивысшей горы Ношак составляет 7492 м

Первым этапом вывода страны в "он-лайн" стало создание локальных сетей с доступом к интернету исключительно через спутники. Создавая в крупных городах точки доступа, программа информатизации общества дала возможность простым афганцам впервые увидеть вообще что такое интернет. Поскольку к сети в первую очередь подключали учебные заведения именно подрастающее поколение имело наиболее широкие возможности открыть для себя новый, до сели неизведанный мир. Доступ к интернету осуществлялся на бесплатной для пользователей основе ведь фактическая стоимость спутникового интернета была просто неподъемной для разоренного войной населения.

Не смотря на мусульманские традиции и крепко засевший в наших головах стереотип афганской женщины - наглухо замотанной в бурку, требование полностью скрывать лицо девушкам старше 8 лет существовало в Афганистане только на протяжении короткого периода узурпации талибами власти с 1992 по 2001 годНе смотря на мусульманские традиции и крепко засевший в наших головах стереотип афганской женщины - наглухо замотанной в бурку, требование полностью скрывать лицо девушкам старше 8 лет существовало в Афганистане только на протяжении короткого периода узурпации талибами власти с 1992 по 2001 год

Результатом больших усилий, уже к 2007 году, стал запуск в стране первой национальной оптоволоконной сети которая не просто соединила воедино локальных пользователей, она была полноценно интегрирована в мировую интернет паутину. Первоначально пропускная способность этого канала составляла всего около 2.4 Гигабит/с. На первых этапах своего существования выход в мир осуществлялся через исключительно через Иран, но со временем система соединилась с Узбекистаном и Пакистаном, что существенно увеличило связность и отказоустойчивость интернета в стране.

Протяженность национальной ИТ-кольцевой составляет более 2500 км. В 2007 году она объединила наиболее населенные города Афганистана и позволила населению страны впервые получить доступный интернетПротяженность национальной ИТ-кольцевой составляет более 2500 км. В 2007 году она объединила наиболее населенные города Афганистана и позволила населению страны впервые получить доступный интернет

Хотя первый оператор мобильной связи в стране и появился уже в 2002 году, вплоть до 2007 года стоимость доступа к интернету, да как и к мобильной сети вообще, была просто заоблачной. По оценкам представителей рынка тогда цена "входного билета" для пользователя GSM связи составляла не менее $500 - покупка мобильного, SIM карты, первый месячный взнос. На данный момент весь этот пакет стоит менее $100 и это при том, что операторы покрыли своими сетями более 70% территории страны. Появление полноценной оптики стало для Афганистана поистине революционным событием. На базе новой инфраструктуры были создан целый ряд новых телефонных компаний, провайдеров домашнего интернета, что позволило впервые за три десятка лет простым людям связаться со своими родственниками не только внутри страны, а и за рубежом. Сейчас цена самого дешевого проводного интернета составляет около $10 в месяц. За более-менее удовлетворительный канал можно выложить и до $100.

Помесячная цена на не лимитированные пакеты проводного интернета с гарантированной скоростью в 1Мбит/с для г.КабулПомесячная цена на не лимитированные пакеты проводного интернета с гарантированной скоростью в 1Мбит/с для г.Кабул

Халяльный интернет

Согласно проведенному в прошлом году исследованию уровень свободы интернета в Афганистане ощутимо выше нежели в других мусульманских странах, и даже некоторых европейских. При этом не стоит забывать специфику существования интернета в мусульманском обществе вообще, она сопряжена с целым рядом обструкций, а это часто и способствует довольно низкому рейтингу таких стран в подобных исследованиях. То что в западной культуре является повседневной нормой у мусульман табу, а соответсвенно и поддается блокировке. Эротика, пропаганда религиозных учений, сайты знакомств, ресурсы продвигающие не традиционные семейные ценности, юмористический контент порочащий правоверных все это в Афганистане нещадно банится, при этом назвать такие ограничения тоталитаризмом можно весьма условно. Тот уровень свободы и открытости дискуссии, что сейчас присущ "Западному" миру, еще каких-то лет 30 назад был для него не мыслим и точно также ограничивался компетентными органами. На этом фоне фактический контроль интернета со стороны мусульманского Афганистана выглядит довольно мягким и скорее отвечает запросам сегодняшнего общества страны и не является инструментом узурпации в руках правящих элит.

На самом деле это даже удивительно как все еще воюющая с радикальными исламскими группировками страна смогла достичь такого уровня свободы и беспристрастности в сети. Ведь с точки зрения цензуры, даже на фоне соседних благополучных стран - Иран, Узбекистан, Туркменистан, Китай, проблемный Афганистан выглядит неким островком интернет свободы. В разрезе этих свобод особенно интересным является активный рост пользователей сети в стране. За 20 лет страна пошла путь от полной изоляции до вполне современного развивающегося, с точки зрения ИТ, государства. Поскольку пик развития интернета в стране совпал со временем когда в мире уже доминировали беспроводные технологии передачи данных, особо популярным способом выхода в интернет для жителей Афганистана стал смартфон. На данный момент обладателями телефонов в стране являются. приблизительно, 69% граждан, а среди них активными пользователями мобильного интернета 22% от всего населения страны. Интерпретируя приведенную статистику можно допустить, что среди молодого поколения процент интернетизации существенно выше. Поскольку с каждым годом уровень проникновения интернета в жизнь рядовых граждан Афганистана растет, можно не сомневаться, что постепенно страна будет становится все ближе и ближе к современному глобальному миру и шансов на реванш у деструктивных сил будет становится все меньше.

Надежда на будущее

Одним из классических сюжетов у писателей-фантастов является постапокалиптическое общество, когда-то успешный социум переживший некую катастрофу сваливается во все тяжкие первобытной человеческой природы. Как это не ужасно признавать, но что-то подобное и в наши дни переживают целые регионы и даже страны. Став разменной монетой в разборках сверхдержав Афганистан был вырванный из русла нормальной жизни на долгие десятилетия. Допущенные ошибки по отношению к Афганистану со стороны наиболее влиятельных стран претендующих на статус международного арбитра так или иначе вернулись к ним же с торицей. Террористические акты 11 сентября в Нью-Йорке, тысячи погибших военнослужащих США, десятки миллиардов долларов потраченных на восстановления изуродованной войной страны легли тяжелым бременем на североамериканского гегемона который всем этим искупает проводимую в 80-х бездумную политику по поддержке мусульманских радикалов. Десятки тысяч погибших и искалеченных советских солдат, унесший миллионы жизней невиданный до того героиновый наркотрафик из стогнирующего Афганистана стали в свою очередь следствием преступных игр кремлевских старцев.

Количество в тоннах производимого в Афганистане опиума по годамКоличество в тоннах производимого в Афганистане опиума по годам

Даже после освобождения из оков радикальных исламистов афганское общество еще долго будет нести отпечаток полученной травмы и пройдет не одно десятилетие пока оно сможет обрести внутреннюю гармонию, баланс между древними традициями и современностью, консенсус между религиозными догмами и научно-техническим прогрессом. В этом процессе интернет однозначно выступает в роли катализатора и помогает преодолевать откровенное невежество и мракобесие так долго культивируемое среди людей одиозными группировками и целыми странами.

Пригород КабулаПригород Кабула

Как показывает мировая практика усилиями армий вполне возможно завоевать страну но одних этих усилий недостаточно для покорения народа. Сознание человека захватывают идеи а не страх перед превосходящими силами оккупанта. Попытки покорить Афганистан военным путем предпринимали такие могучие державы как Британская Империя и СССР но результат для обоих государств оказался всецело провальным. Военные достижение NATO, а по-сути играющего главную скрипку в этой симфонии США, также очень сомнительны. Однако, предпринимаемые в стране усилия на создание открытого общества, налаживание всеобщего диалога, обмен информацией сможет наконец-то побороть блуждающий по региону хаос. Новая глобальная информационная империя - интернет, уже поработившая всю планету, пожалуй, сможет сформировать в Афганистане новый социум который найдет в себе силы преодолеть все свои временные трудности и Афганистан наконец сможет гармонично влиться в новый мировой порядок и станет его полноправной частью.

Особенностью Афганистана является высокая концентрация населения в городах. Так в городской агломерации Кабула проживает около 4.5 миллиона людей. Данная специфика особо способствует внедрению интернета в странеОсобенностью Афганистана является высокая концентрация населения в городах. Так в городской агломерации Кабула проживает около 4.5 миллиона людей. Данная специфика особо способствует внедрению интернета в стране

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым,облачные VPS для разработчиков от $4.99,уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас:Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер?(доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме?Только у нас2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199в Нидерландах!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99!Читайте о томКак построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Подробнее..

Вынужденный экспресс-курс эволюции дигиталис и колибри

16.04.2021 10:20:09 | Автор: admin


Природа порой бывает очень цинична и прямолинейна в своих проявлениях. То, что может показаться невероятным примером дружбы между разными видами, на самом деле является взаимовыгодным партнерством, в котором ни один из участников не будет дальше дружить, если второй перестанет быть выгоден. Подобное взаимодействие видов называют симбиозом, у которого имеется несколько разновидностей. К примеру, мутуализм описывает связь видов, когда присутствие видов-напарников является обязательным условием выживания каждого из них. Ярким тому примером являются растения и существа их опыляющие. Но что делать растению, если оно оказалось в новой среде обитания без своих прежних партнеров-опылителей? Конечно же, эволюционировать и очень-очень быстро. Ученые из Британского экологического общества установили, что подобная ситуация произошла с дигиталисом, т.е. с наперстянкой. Примерно 200 лет тому назад это растение, преимущественно произрастающее в Средиземноморье, пересекло океан (не без помощи человека) и попало в Центральную Америку. Под кого пришлось быстро подстраиваться растению-путешественнику, какие изменения в структуре цветка произошли, и зачем они произошли? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Дигиталис или наперстянка получили свое говорящее имя от латинского слова digitus, что в переводе означает палец. Авторство названия приписывают Леонарту Фуксу, который впервые описал данное растение в своей книге De historia stirpium commentarii insignes, где называл его Fingerhut, то бишь наперсток.


Леонарт Фукс

В древнеанглийском языке наперстянка имела название foxes glofe/glofa, т.е. лисьи перчатки. В местах обитания лис росло очень много наперстянки, от чего появилась легенда, что лисы одевали цветки этого растения, чтобы бесшумно охотиться на свою добычу. Другое древнеанглийское название witch's glove (ведьмина перчатка) указывают на ядовитость данного растения.

Несмотря на эстетическое удовольствие, которое может принести дигиталис, это растение может как лечить, так и калечить. Дело в том, что листья (по большей степени) содержат гликозиды*.
Гликозиды* органические соединения, молекулы которых состоят из двух частей: углеводного (пиранозидного или фуранозидного) остатка и неуглеводного фрагмента (агликона).
Данные соединения регулируют работу сердца, улучшают мочеотделение и снимают отечность. Но, как мы знаем, разница между лекарством и ядом заключается в дозе. При ненормированном употреблении дигиталис может вызвать сильнейшее отравление со всеми приятными бонусами: диарея, рвота, головная боль, одышка, головокружение, падение пульса, конвульсии, делирий и галлюцинации. Вишенкой на торте является вероятность получить сердечный приступ. Минимальная смертельная доза составляет всего лишь 2.25 грамма. По этой причине самостоятельное использование наперстянки в качестве лекарственного средства категорически запрещено.

От неприятного перейдем к приятному, к внешнему виду наперстянки. Растение может быть высотой от 30 до 150 см. Самой очевидной визуальной ноткой наперстянки, естественно, являются многочисленные цветы длиной от 1 до 15 мм, расположенные вдоль ствола. Форма цветков действительно напоминает наперсток или колокол. В ночное время многие насекомые прячутся в цветках дигиталис, так как температура в них гораздо выше, чем снаружи.

Благодаря своей красоте дигиталис стал нередким элементом многих произведений изобразительного искусства.


Портрет доктора Гаше (Ван Гог, 1890) и Наперстянки (Фридрих Карл Фриске, 1912-1913).

Но не эстетика и даже не ядовитые свойства наперстянки привлекли внимание авторов рассматриваемого нами сегодня труда. Данный вид, произрастающий по большей степени на территории Средиземноморья, примерно 200 лет назад попал в Центральную Америку, где претерпел ряд изменений во имя адаптации и выживания.

Основной причиной адаптации стала потеря прежних опылителей, которые не отправились в путешествие через океан вместе с растением. Для многих растений опылители являются жизненно необходимыми партнерами, от которых зависит не только процветание конкретного растения, но и сохранность всего вида. Учитывая это, многие растения подстраиваются под опылителей, что проявляется в морфологических признаках цветков. Форма, цвет, аромат все эти элементы морфологии цветков нацелены на привлечение внимания опылителей.

Проблема в том, что морфология наперстянки была максимально адаптирована под средиземноморских (бабочки, чаще всего), а не под центрально-американских опылителей. Конечно, местные насекомые могли опылять дигиталис, но эффективность этого процесса была не максимальна, как в случае с европейскими бабочками. А это вполне могло бы привести к вымиранию виду на территории Центральной Америки, если бы вид не начал меняться.


Изображение 1: продольный разрез цветка Digitalis purpurea с удаленными частью венчика и одной тычинкой. Цветочные нектарники расположены у основания завязи, в суженной проксимальной части трубки венчика.

Ученые отмечают, что эволюционные изменения растения, дабы соответствовать опылителям, не являются редкостью. Однако в случае с дигиталисом эта адаптация произошла рекордно быстро. Следовательно, изучение разницы между видами дигиталиса (средиземноморским и центрально-американским) позволяет лучше понять механизмы быстрой эволюции.

Можно подумать, зачем меняться, насекомые и в Африке насекомые. Однако после переезда в Центральную Америку дигиталис столкнулся с совершенно новым типом опылителей с колибри. Именно из-за этих прытких птичек бедному растению пришлось пройти курс экспресс эволюции.


Изображение 2: спрессованные цветки Digitalis purpurea, иллюстрирующие проведенные морфологические измерения: (a) длина и высота венчика целиком; (b) длина и ширина трубки проксимального венчика.

В ходе исследования ученые провели сравнение коренных популяций (из Южной Англии) и натурализованных популяций в двух районах, где обитают колибри(Колумбия в Южной Америке и Коста-Рика в Центральной Америке). Была проведена оценка самих опылителей, частоту посещения ими цветков и эффективность переноса пыльцы. Также была измерена морфология цветков и характеристики нектара. Связь между этими показателями может играть важную роль в механизмах (и причинах) быстрой адаптации.

Результаты исследования


Сначала было проведено сравнение результатов ручного опыления двух популяций D. purpurea из Англии (из двух регионов) и одной популяции из Южной Америки. Во всех популяциях ручное опыление давало значительно различающееся количество семян (примерно 801.5; N = 8-20 цветков на обработку в каждой популяции).


Изображение 3

Дальнейшие тесты показали, что цветы, собранные для автономного самоопыления (естественного самоопыления) дали значительно меньше семян, чем контрольная группа, как из Англии, так и из Колумбии. В некоторых случаях семян не было вообще. Это лишь подтверждает, что данные растения, где бы они не произрастали, крайне зависимы от опылителей.

Было установлено, что количество семян, полученных в результате самоопыления или за счет опылителей, не сильно отличалось между регионами. Это свидетельствует о том, что растения из каждого региона (Англия или Колумбия) были полностью адаптированы к своей нынешней окружающей среде и к своим нынешним опылителям.

Далее ученые провели оценку частоты посещения опылителями места произрастания дигиталиса, где учитывали посещения продолжительностью 3 минуты. В результате было получено 25-31 час наблюдений для Центральной и Южной Америки: Флореста 524, Чоачи 624 и Ла-Джорджина 506 посещений; и 7-10 часов наблюдений для Англии: Калькот Вуд 140, Холи Кросс 201, Лодер-Вэлли 161 посещений.


Изображение 4

Популяции в тропических горах обладали более разнообразными опылителями (7 видов), чем нативные (2 вида). Самым распространенным опылителем среди всех популяций оказался шмель, а именно вид Bombus. Колибри же в некоторых популяциях составляли примерно 27% от общего числа опылителей. А вот мелкие насекомые и пчелы появлялись крайне редко, поскольку им сложно добраться до пыльцы из-за длинных волосков у основания венчика.

Разница в частоте посещений цветов опылителями начинает проглядываться, когда речь заходит о видовом разнообразии. Цветы в Англии чаще посещались шмелями, а цветы в Америке колибри, что указывает на морфологические отличия в структуре цветков.

Любопытно, что похищение нектара (когда насекомое получает нектар через отверстие, проделанное у основания цветка) на территории Англии встречалось всего в 10.4% случаев. При этом в Флоресте примерно 64% растений имели минимум один ограбленный цветок, из которых примерно 12% были полностью раскрытые цветки. Опять же, это указывает на морфологию цветка, которая не позволяет опылителям получать нектар классическим путем, вынуждая их воровать.


Изображение 5

Эффективность опылителей с точки зрения переноса пыльцы также была проверена. Колибри за одно посещение цветка передавали ему гораздо больше пыльцы (4380 2964 гранул), чем те же шмели (728 1053 гранул) или другие насекомые Колумбии (график выше).

От сравнения опылителей перейдем к результатам сравнения самих цветов.


Изображение 6

Размеры целой трубки венчика у популяций из Америки (N = 783 цветка от 250 растений из 7 популяций) и популяций из Англии (N = 559 цветков от 165 растений из 4 популяциях) никак не отличались (6a). Но проксимальная трубка венчика была в среднем на 13% и 26% больше (в Колумбии и Коста-Рике соответственно), чем у цветков Англии (6b). По объему и по концентрации нектара отличий не было обнаружено. Также не было разницы и в вегетативных признаках всего растения (к примеру, высота соцветия до первого цветка и диаметр розетки).

Важным отличием было число производимых цветков и плодов. Популяции из Америки производили в среднем на 58.2% меньше цветков и плодов при одинаковом количестве семян на один плод: Англия 124.1 цветов/плод на одно растение, Колумбия 53.0, Коста-Рика 48.8. В результате растения из Америки производили на 64.2 % меньше семян.

Касательно более корректных изменений, произошедших с цветками после их перемещения в новый ареал, ученые установили, что таковые были не так уж и разительны. По большей степени главное изменение заключается в проксимальной длине венчика для трех популяций и ширине венчика для одной популяции.

Цветки дигиталиса обладают длинными и узкими проксимальными трубками венчика, где содержится нектар. Из-за такой формы доступ к нему имеют лишь опылители с длинным ротовым аппаратом (например, вышеупомянутые длинноязычные шмели). Сравнение популяций дигиталиса из Англии, Колумбии и Коста-Рики показало, что в двух последних случаях цветки оснащены более длинными трубками, чем популяция Англии.

Подобная морфология цветка очень распространена для растений, опыляемых колибри. Предположительно, это улучшает точность переноса пыльцы во время опыления колибри, при этом отсеивая других опылителей ввиду их низкой эффективности.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


Двести лет назад дигиталис преодолел невероятное для своего вида расстояние, получив в свое распоряжение новый ареал произрастания. В комплекте с новой локацией были и новые опылители, часть из которых была значительно менее эффективна, чем те, что остались на родине цветка. Это побудило дигиталис к быстрой эволюционной адаптации, которая произошла за 85 поколений (учитывая, что некоторые виды этого растения двухлетние).

Основное изменение морфологии цветка заключается в увеличении длины трубки венчика, где хранится нектар. За счет этого опылители, чей ротовой аппарат недостаточно длинный, не могли добраться до нектара, т.е. исключались из процесса опыления. Колибри же обладают выдающимся ротовым аппаратом, особенно колибри-мечеклюв (длина тела до 22 см, из которых 11 см это клюв). Сравнение колибри и шмелей подтвердило, что первые намного эффективнее переносят пыльцу. Однако, как заявляют сами ученые, хоть связь между морфологическими изменениями цветка и наличием колибри существует, она еще не является стопроцентным доказательством того, что исключительно колибри спровоцировали подобные изменения. В дальнейшем ученые планирую провести генетические тесты различных популяций дигиталиса из разных ареалов произрастания.

Результаты данного исследования являются примером быстрой эволюции, которая пока еще не так хорошо изучена. Радикальные изменения окружающей среды, вызванные природными или техногенными факторами, ставит перед организмом весьма простой выбор погибнуть или адаптироваться. Эволюция, как мы ее понимаем, занимает тысячи, а то и десятки тысяч лет. Но в редких исключениях этот процесс протекает значительно быстрее.

Учитывая пчелиный кризис, подобного рода труды могут помочь лучше понять, как растения могут приспособиться к новым условиям и новым опылителям. Это, в свою очередь, открывает новые возможности в области генетических модификаций, этот процесс ускорить.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Белее некуда краска, отражающая до 98.1 солнечного света

21.04.2021 10:22:09 | Автор: admin


Изобретение велосипеда зачастую описывает процесс создания чего-то, что уже создано. Другими словами, бессмысленный труд. Однако в научном мире существует множество трудов, которые можно описать этой фразой. Тем не менее многократное создание одного и того же велосипеда разными людьми позволяет взглянуть на него под разным углом, тем самым усовершенствовав его. Подобная ситуация сложилась и с материалами, способными отражать большой процент солнечного тепла, дабы получить пассивное охлаждение без необходимости в системах кондиционирования. Эта тема уже затрагивалась нами ранее (http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/company/ua-hosting/blog/510582/), но ученые из университета Пердью (США) решили взглянуть на эту проблему по-своему, создав при этом ультрабелую краску, способную отражать до 98.1% солнечных лучей. В чем секрет нового лакокрасочного материала, как он создавался, и будет ли его использование на практике действительно выгодным и экологичным? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Лейтмотивом исследований, связанных со снижением экономической и экологической нагрузки на охлаждение, является радиационное (излучательное) охлаждение. Данный метод заключается в пассивном охлаждении за счет специальных устройств, материалов, покрытий и прочего. Чаще всего для реализации радиационного охлаждения применяются сложные многослойные структуры или отражающие металлические слои. Эффект от них, конечно, имеется, однако такой вариант не особо практичен и выгоден.

Попытки реализовать радиационное охлаждение с помощью одного слоя краски тоже часто заканчиваются провалом, ибо в таком случае этот слой будет весьма толстый, а эффект охлаждения незначительный.

Однако, радиационное охлаждение все же имеет свои преимущества, если правильно его реализовать. К примеру, в отличие от активного охлаждения, которое требует электричества, радиационное охлаждение использует атмосферное прозрачное окно (небесное окно) для испускания теплового излучения непосредственно в глубокое небо без потребления энергии. Если тепловое излучение через небесное окно превышает поглощение солнечного света, то на поверхности может сохраняться холодная окружающая среда даже под прямыми солнечными лучами.

Ранее уже были попытки создать краску, способную реализовать радиационное охлаждение. Был вариант, в котором использовался тонкий слой TiO2 на алюминиевой подложке. В зимний день такая структура демонстрировала температуру на 2 C ниже температуры окружающей среды. Однако, по словам ученых, это, вероятно, было связано скорее с подложкой, а не с самой краской.

Были и варианты без каких-либо красок, основанные на многослойных структурах. В одном из таких вариантов использовались металлический слой, полиэтиленовый аэрогель и делигнифицированная древесина. Очевидно, что подобные конструкции крайне сложны и дороги в реализации, не говоря уже о большой толщине результирующего покрытия.

Другими словами, методов реализации радиационного охлаждения существует довольно много, каждый из них обладает рядом преимуществ и недостатков. Авторы рассматриваемого нами сегодня труда решили попытать удачу в этой области и создали еще один метод пассивного охлаждения, основанный на сочетании пленки из наночастиц BaSO4 и краски, содержащей эти же наночастицы.

Результаты исследования


Выбор BaSO4 в качестве главного героя данного труда был неслучайным. BaSO4 имеет широкую запрещенную зону, что хорошо для малого солнечного поглощения, и фононный резонанс на 9 мкм, что хорошо для высокой излучательной способности. Приняв во внимание эти особенности, удалось создать пленку из наночастиц BaSO4 с высоким коэффициентом отражения солнечного света (97.6%) и коэффициентом излучения прозрачного окна (0.96).

Для повышения стабильности и надежности пленки была создана акриловая краска, содержащая наночастицы BaSO4 (60% от объема). Высокая концентрация наночастиц и их широкое распределение по размерам позволяют снизить показатель преломления BaSO4, что приводит к коэффициенту отражения солнечного света в 98.1% и излучательной способности в 0.95. По заявлению ученых, их BaSO4-акриловая краска имеет показатель качества 0.77, который является одним из самых высоких среди подобных структур для радиационного охлаждения. При этом их вариант надежен, легок в использовании, а также прекрасно имплементируется в промышленный процесс производства красок.


Изображение 1

Коммерческие белые краски (TiO2-акриловая) не могут достичь полноценного охлаждения из-за высокого поглощения в УФ-диапазоне (из-за ширины запрещенной зоны TiO2 в 3.2 эВ) и ближнем инфракрасном (NIR) диапазоне (из-за акриловой абсорбции).

В данном труде была изготовлена пленка из частиц BaSO4 толщиной 150 мкм на кремниевой пластине () в совмещении с коммерческой белой краской. На СЭМ-снимках (СЭМ от сканирующий электронный микроскоп) пленки BaSO4 (1b) видно образование воздушных пустот. Интерфейсы между наночастицами BaSO4 и воздушной полостью увеличивают рассеяние фотонов в пленке, тем самым увеличивая общий коэффициент отражения солнечного света.

Для повышения надежности структуры необходимо обеспечить устойчивость BaSO4 пленки к воздействию окружающей среды. Именно для этого и была использована акриловая краска. Однако, краска на базе BaSO4 (1c) обладает низким коэффициентом преломления, в отличие от TiO2. Чтобы исправить это, концентрация частиц BaSO4 в краске была повышена до 60%, что значительно выше, чем в промышленных красках.


Изображение 2

Как показано на изображении 2a, для достижения успешного охлаждения ниже температуры окружающей среды необходимы высокая степень отражения солнечного света и высокая степень излучательной способности. Для достижения этого необходимо было уменьшить поглощение в УФ-диапазоне. Это было достигнуто за счет BaSO4, обладающего запрещенной зоной в ~6 эВ.

А за счет фононного резонанса на 9 мкм возможно проектирование частиц определенного размера так, чтобы лишь один слой был необходим для достижения как отражательной способности, так и излучательной. В результате оптимальный размер частиц BaSO4 составил 400 нм. В результате пленка BaSO4 обладала коэффициентом отражения солнечного света в 97.6% и коэффициентом излучения в 0.96 (2b). Эти показатели лучше тех, что демонстрируют коммерчески доступные теплоотражающие краски (коэффициент отражения солнечного света от 80% до 91%).

Ученые отмечают, что использованная в их структуре кремниевая подложка была всего лишь фундаментом, и никак не участвовала в повышении показателей охлаждения. На графике 2c показано сравнение коэффициента отражения различных структур: с подложкой (разный материал и толщина) и без нее. Как мы можем видеть, использование подложки никак не влияет на охлаждающую способность всей структуры.

Что касается краски, то вариант с высоким содержанием частиц BaSO4 показал лучшие результаты: коэффициент отражения солнечного света 98.1%; коэффициент излучения 0.95. Физика, лежащая в основе высокой степени отражения, была смоделирована посредством метода Монте-Карло* (2d).
Метод Монте-Карло* метод изучения случайных процессов, когда оные описываются математической моделью с использованием генератора случайных величин. Модель многократно обсчитывается, а на основе полученных данных рассчитываются вероятностные характеристики изучаемого процесса.
Толщина слоя краски также была установлена посредством моделирования и практических опытов. При толщине 400 мкм достигались максимальные значения показателей отражения и излучения, тогда как при других толщинах они были немного меньше: при 200 мкм 95.8%; при 224 мкм 96.2%; при 280 мкм 96.8% (2e).


Изображение 3

Далее были проведены полевые испытания, дабы воочию понаблюдать за работой созданной структуры. Опыты проводились 14-16 марта 2018 года в городе Вест-Лафайет (штат Индиана) при пиковом солнечном излучении 907 Вт/м2 и влажности 42% (3a).

Температура образца упала на 10.5 C ниже температуры окружающей среды в течение ночи и оставалась на 4.5 C ниже температуры окружающей среды даже при пиковом солнечном излучении. Для сравнения, коммерческие варианты краски нагревались на 6.8 C выше температуры окружающей среды при таких же условиях опыта.

Дополнительные опыты в городе Рино (штат Невада) 28 июля 2018 года показали, что мощность охлаждения достигла в среднем 117 Вт/м2 за суточный период при 10% влажности (3b).

Мощность теплового излучения увеличивалась с повышением температуры поверхности в дневное время, что компенсирует более высокое поглощение солнечной энергии. Таким образом, оценка мощности охлаждения без учета температуры поверхности может быть неверным показателем эффективности охлаждения.

Термоэмиссионная мощность пленки BaSO4 при 15 C достигала 106 Вт/м2. Дополнительно были проведены полевые испытания BaSO4 краски (3c и 3d), которая оставалась холоднее окружающей среды в течение суток при пиковом солнечном излучении в 993 Вт/м2 и влажности около 50% (показатель получен в полдень).

Поскольку созданная BaSO4 краска предназначена для наружного применения, необходимо было также проверить ее надежность. Для этого были проведены тесты на истирание, атмосферные воздействия на открытом воздухе и определение вязкости.


Изображение 4

Во время тестов на истирание (4a) на образец помещали пару абразивных кругов с нагрузкой 250 г на каждый круг. Обновление кругов производилось каждые 500 циклов, между чем измерялась потеря массы образца. Коэффициент износа определялся как потеря массы (мг) на каждые 1000 циклов. Результирующий коэффициент износа BaSO4 краски достигал 150, что сравнимо с коммерческими красками (104). Тест влияния окружающей среды проводился довольно просто: образец помещали под открытым небом на 3 недели (4b). В течение всего времени коэффициент отражения солнечного света и коэффициент излучения оставались практически неизменными. Вязкость BaSO4 краски также была измерена и показала значения, схожие с оным для коммерческих вариантов (4c).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог


В данном труде ученые в очередной раз обратили свое внимание на вопрос радиационного охлаждения, который соблазняет своей экологичностью и экономичностью по сравнению с классическими методами. Их идея заключается в использовании микроскопических частиц BaSO4 и создании двухслойной структуры. Один слой это пленка из этих частиц, второй акриловая краска, в состав которой входят опять же частицы BaSO4.

В результате полученная пленка смогла показать коэффициент отражения солнечного света 97.6%, а коэффициент излучения 0.96. Но это еще не максимум, что может разработанная структура. Совместив пленку из BaSO4 с краской, в состав которой также входит BaSO4, удалось достичь коэффициента отражения солнечного света 98.1% и коэффициента излучения 0.95.

Полевые испытания показали, что температура поверхности, покрытой BaSO4 краской, была на 4.5 C ниже температуры окружающей среды, а средняя мощность охлаждения при этом составляла 117 Вт/м2.

По надежности и износостойкости полученная краска ничем не уступает своим коммерческим собратьям. Кроме того, имплементация данной разработки в промышленность не требует больших затрат или специфического оборудования. Другими словами, создавать и использовать такой материал будет довольно просто и выгодно.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Разнообразие смерти гастрономические предпочтения змей и эволюция их яда

23.04.2021 10:10:48 | Автор: admin


В мире людей существует немало страхов, некоторые их которых перерастают в самые настоящие фобии: арахнофобия (пауки), акрофобия (высота), аквафобия (вода), коулрофобия (клоуны), офидиофобия (змеи) и т.д. Многие люди, даже не имея офидиофобии, относятся к змеям с призрением и недоверием. Змей часто отожествляют с хитростью, подлостью, коварством и прочими малоприятными качествами, которые по иронии им совершенно неприсущи, в отличие от самих людей. С другой стороны змеи часто символизируют мудрость, бессмертие, знания. Одними из самых узнаваемых символов, в которых присутствует змея, являются сосуд Гигиеи (символ фармации) и посох Асклепия (символ медицины). Для многих самой примечательной особенностью некоторых змей является их яд, структура которого может быть невероятна. Ученые из Клемсонского университета (США) выяснили, что структура яда некоторых змей зависит от того, насколько эволюционно далека друг от друга добыча. Как гастрономические предпочтения змей влияют на их яд, чей яд сильнее, и как полученные знания можно применить на практике? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Многие виды на нашей планете связаны друг с другом. Это вполне логично, ибо есть хищники, поедающие добычу, есть паразиты, не способные жить без носителя, есть симбиотические существа, получающие выгоду от совместного проживания с другими видами. Связь проявляется по-разному, но она одинаково играет важную роль в развитии каждого из участников этой связи. Об этом говорил еще Дарвин, уделяющий внимание в своих трудах корреляции между эволюцией признаков и взаимодействиями видов.

Однако связь не формируется сразу, на это требуется уйма времени, в течение которого происходит процесс естественного отбора. Ученые приводят в пример связь носителя и паразитов. Носитель в ходе эволюции может развить уникальную для каждого вида паразита защиту или же универсальную сразу от нескольких видов паразитов. В таком случае необходимо понять, важно ли количество или все же характеристики взаимодействующих видов.

Сложные черты того или иного вида определяются множеством компонентов, вносящих вклад в окончательный функциональный фенотип, который формируется в зависимости от количества информации в геноме, определенной данными компонентами. Молекулярные признаки, участвующие в антагонистических взаимодействиях, проявляются как модели для связывания сложности признака с разнообразием видовых сообществ, поскольку их сложность может быть точно определена количественно числом и разнообразием уникальных компонентов. Это, по словам ученых, позволяет использовать меры разнообразия, такие как H-индекс Шеннона*, для суммирования сложности той или иной черты вида.
Индекс (или энтропия) Шеннона* был предложен Клодом Шенноном в 1948 году для количественной оценки энтропии в строках текста. Суть модели состоит в том, что чем больше разных букв и чем больше их пропорциональное количество в интересующей строке, тем труднее правильно предсказать, какая буква будет следующей в строке. Энтропия Шеннона количественно определяет неопределенность (энтропию), связанную с этим предсказанием.
Одним из ярчайших примеров взаимодействия видов является использование одним их низ яда для защиты/нападения. Яд нарушает гомеостатические физиологические процессы, быстро делая добычу неспособной сопротивляться либо нападающего неспособным продолжить преследование. Это взаимодействие позволяет понять силы, опосредующие сложность признаков во взаимодействиях хищник-жертва.

Что касается белковых смесей, сложность фенотипа яда может быть определена количественно с помощью хроматографии*.
Хроматография* метод разделения и анализа смесей веществ, а также изучения их физико-химических свойств. Суть метода заключается в распределении вещества между двумя фазами: неподвижная (твердая или жидкая) и подвижная (газовая или жидкая).
Кроме того, транскриптом ядовитой железы напрямую связывает протеом (совокупность белков) яда с генотипом вида. То есть транскриптом является вторым независимым методом определения сложности яда за счет оценки сложности геномной последовательности.

Функциональные исследования змеиного яда выявили несколько примеров разнообразия и специфичности добычи, вызванных эволюционными процессами. К примеру, из-за того, что морские змеи вида Aipysurus eydouxii начали питаться практически исключительно икрой рыб, их яд стал намного слабее, а также были выявлены нулевые и негативные мутации в генах яда.

Любопытно и то, что паралоги* высокоэкспрессированных генов яда одной и той же змеи могут обладать таксономической специфичностью.
Паралоги* последовательности, которые присутствуют в одном и том же геноме, а возникают в эволюции путем дупликации первичной последовательности.
К примеру, яд змей Spilotes sulphureus одинаково смертелен для млекопитающих или ящериц, а яд Bothrops neuwiedi по-разному выполняет прокоагулянтную функцию (свертывание крови) в крови любого из представителей млекопитающих.

В данном труде особое внимание было уделено гадюковым змеям, так как их гастрономические предпочтения были хорошо изучены, что позволяет детально оценить различия в рационе питания и влияние этого фактора на структуру яда.

Большинство гадюк питаются в основном мелкими позвоночными, при этом диета их предков, вероятно, состояла из млекопитающих, ящериц и лягушек. Гремучие змеи (Crotalus и Sistrurus), медноголовые и мокассиновые (Agkistrodon) составляют крупнейшую кладу переднезубых ядовитых змей в Северной Америке, насчитывающую от 45 до 64 описанных видов. Питание этих видов также обладает широким разнообразием. К примеру, Crotalus horridus питается исключительно млекопитающими, а вот Agkistrodon piscivorus conanti не брезгует рыбой, лягушками, млекопитающими, ящерицами, птицами, черепахами и даже змеями.

Яды этих родов змей состоят из 1070 белков из 1525 различных семейств генов. Из этого и происходит разнообразие действия яда: нейротоксическое (нарушение периферической нервной системы), коагулопатическое (нарушение свертывания крови), геморрагическое (образование кровяных сгустков) или миотоксическое (предотвращение релаксации мышц после сокращения) и т.д.

Дабы проверить, какие теории о связи между питанием змей и структурой их яда все же верны, а какие нет, ученые проанализировали рацион змей и измерили протеомную сложность яда и транскриптомную сложность ядовитых желез. Образцы яда и желез были получены от змей Agkistrodon, Crotalus и Sistrurus. В результате была сформирована самая крупная база данных протеомов и транскриптомов ядовитых желез для этой группы на сегодняшний день (68 линий). Была также создана филогения* из 125 неядерных генетических локусов* из транскриптомов, после чего был проведен сопоставительный анализ с рационом змей.
Филогения* результат филогенетического анализа, т.е. процесса выявления и объяснения эволюционных взаимоотношений между видами.
Локус* местоположение определенного гена на генетической или цитогенетической карте хромосомы.

Результаты исследования



Изображение 1

В ходе исследования была получена филогения посредством методов видового древа (схема выше) и конкатенации* с использованием последовательностей от 169 особей, представляющих 46 видов Agkistrodon, Crotalus и Sistrurus.
Конкатенация* объединение объектов линейной структуры в одну (например, слова микро и мир дают микромир). В генетике подход, основанный на конкатенации, представляет собой подход полного доказательства, который объединяет все сопоставления генов в суперматрицу.
Чтобы получить максимальное разнообразие в пределах исследуемой основной клады, выборка была расширена. В нее дополнительно были включены филогенетически отдельные подвиды и линии с описанным филогенетическим разнообразием, что привело к окончательному набору данных о 9 линиях Agkistrodon, 5 линиях Sistrurus и 54 линиях Crotalus.

Полученные деревья были использованы для филогенетического сравнительного анализа взаимосвязи между разнообразием рациона и сложностью яда.

Первый анализ, во время которого оценивалась связь между транскриптомной и протеомной сложностью яда, показал, что между выраженным генотипом и сложностью фенотипа в ядах змей присутствует сильная связь (диаграмма на изображении 1).

Ученые отмечают, что в ходе высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) похожие белки могут элюироваться (извлекаться) вместе в виде одного пика на хроматограммах, что потенциально недооценивает сложность фенотипа на уровне отдельных компонентов. Однако применение меры транскриптомной сложности позволяет количественно определять различия между белками, в то время как равный вес всех уникальных последовательностей независимо от длины транскрипта обеспечивает дополнительный акцент на общем разнообразии последовательностей, а не на организации в транскрипты.

Транскриптомная сложность, лежащая в основе ядов, варьировалась в 10 раз между линиями. При этом самый сложный транскриптом был у змей вида Sistrurus tergeminus edwardsii 45191 k-мер (последовательностей из k нуклеотидов); самый же простой транскриптом принадлежал виду Crotalus durissus terrificus 4723 k-мер.

Протеомная сложность яда также значительно различалась: наиболее сложная у Crotalus lepidus lepidus примерно 32 пика белка на хроматограммах; самая простая у Crotalus tigris в среднем 8 пиков.

Реконструкции состояния предков указывают на промежуточный белок (22.3 пика) и транскриптомную сложность (28751 k-мер) у общего предка агкистродонов и гремучих змей. Из этого можно сделать вывод, что с течением времени произошла эволюция как в сторону более простых, так и более сложных ядов.

Разнообразие у змей проявляется не только в аспекте видов, но и в аспекте потребляемой пищи (схема ниже), т.е. видового разнообразия добычи, которое варьировалось от 2.9 до 15 (среднее 6.7) видов и от 118 до 731 (среднее значение = 365) MPD (от million years of divergence, т.е. миллионов лет расхождения*).
Дивергенция (расхождение)* расхождение признаков и свойств у первоначально близких групп организмов в ходе эволюции.

Изображение 2

Наблюдаемые вариации протеомной и транскриптомной сложности яда лучше всего моделировались с помощью MPD добычи по всем альтернативным филогенетическим деревьям, используемым для представления этой взаимосвязи. Кроме того, модели MPD значительно лучше соответствовали данным по сравнению с нулевыми филогенетическими обобщенными моделями наименьших квадратов. Другими словами, используемая модель по MPD показала, что эволюция сама по себе не может объяснить вариативность ядов у змей.

Наряду с положительной корреляцией между сложностью яда и MPD (график ниже), предложенная модель подкрепляет теорию филогенетического разнообразия для эволюции более сложных признаков яда у змей.


Изображение 3

Более детальный анализ показал положительную корреляцию между сложностью яда и MPD добычи, однако не было выявлено связи между видовым разнообразием и сложностью белков яда. Подобная ситуация наблюдалась и при анализе MPD и транскриптомной сложности: корреляция между ними была, но значимой связи между видовым разнообразием и транскриптомной сложностью яда не было.

Далее была выполнена оценка взаимосвязи между транскриптомной сложностью яда и филогенетическим разнообразием добычи на уровне семейства генов для четырех крупнейших семейств генов среди гадюк (SVMP, SVSP, PLA2 и CTL). Значимые положительные корреляции между сложностью транскриптомов и MPD добычи были обнаружены для семейства генов SVMP, SVSP и PLA2 (график ниже). Семейство генов CTL, однако, не показало значимой связи между MPD и сложностью транскриптомики.


Изображение 4

Данный анализ показывает эволюционный ответ на отбор из более филогенетически разнообразной добычи, происходящий через несколько семейств генов.

В заключение была выполнена проверка того, отражает ли филогенетическое разнообразие добычи функциональное разнообразие яда лучше, чем обычное видовое разнообразие.

Анализ аминокислотных последовательностей яда разных змей показал, что MPD добычи в большей степени отражает разнообразие белковых последовательностей в функционально важных элементах яда, чем простое разнообразие видов добычи. Кроме того, разнообразие аминокислотных последовательностей в конкретных аспектах яда может успешно предсказать его сложность.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


Эволюцию сложно назвать быстрым и легким процессом, о каком бы виде не шла речь. Каждый живой организм адаптируется к ряду факторов, в числе которых присутствует и окружающая среда, и ее обитатели. Подавляющее большинство видов так или иначе связано друг с другом. Одни являются хищниками, другие добычей, одни паразитами, другие носителями и т.д. Даже обычное проживание на одной и той же территории видов, которые не контактируют напрямую, вносит свой вклад в их эволюционное развитие.

В данном труде ученые установили, что разнообразие рациона змей коррелирует со сложностью их яда. Другими словами, чем разнообразнее гастрономические аппетиты змеи, тем сложнее будет ее яд. На первый взгляд это кажется весьма очевидным выводом. Далеко не все яды одинаково действуют на разных существ. Следовательно, если есть желание лопать всех подряд, яд должен быть сложным и, следовательно, универсально смертоносным.

Несмотря на простоту вопроса, ответ оказался гораздо сложнее и затронул миллионы лет эволюции. При этом было установлено, что среди четырех семейств генов лишь троим можно приписывать связь видового разнообразия добычи и сложности яда. Четвертое семейство (CTL, т.е. лектины типа С) пошли по другому пути. В дальнейшем ученые намерены выяснить, почему имело место именно такое генное распределение обязанностей.

Важность этого исследования заключается в том, что змеиный яд крайне важный элемент многих препаратов, нацеленных на лечение заболеваний сердца, высокого давления, тромбов и т.д. Змей очень много (порядка 3631 видов по данным 2017 года), среди которых разнообразие ядов еще больше. Чем лучше мы понимаем структуру змеиного яд, тем лучше мы сможем его использовать в фармации.

Пятничный офф-топ:

Порой единственное, что может спасти от неминуемой гибели, это скорость.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Мухи в холодильнике криоконсервация эмбрионов плодовой мушки

30.04.2021 10:21:30 | Автор: admin


В кино, литературе и видеоиграх можно часто встретить вариации на тему криогенной заморозки, особенно, если сюжет разворачивается вокруг длительного межпланетного путешествия. Концепция заморозить что-то или кого-то до лучших времен не нова, но за последние годы она стала намного популярнее. Сейчас даже существуют специализированные учреждения, которые могут заморозить человека с неизлечимой болезнью, а потом разморозить его, когда будет изобретено лекарство. Правда, по законам живых людей замораживать нельзя. Успешно разморозить человека, который фактически переступил черту между жизнью и смертью, а потом еще и вылечить его недуг задача для ученых будущего. Криоконсервация может использоваться не только для людей, но и для других организмов.

Плодовые мушки являются важным модельным организмом во многих отраслях науки, посему ученые из Миннесотского университета (США) разработали методику криоконсервации, позволяющую замораживать эмбрионы дрозофилы. Как работает данная методика, с какими трудностями ученым пришлось столкнуться, и насколько успешна созданная разработка? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Drosophila melanogaster, она же дрозофила или плодовая мушка, является без преувеличения уникальным организмом. Это назойливое насекомое, которое в летние месяцы с радостью становится соседом всех любителей свежих фруктов и овощей, играет важную роль во многих исследованиях.


Томас Морган (1866-1945)

В далеком 1909 году Томас Морган использовал плодовую мушку в качестве модельного организма в своих генетических экспериментах. Модельный организм, как это и предполагает сам термин, используются в качестве моделей в процессе изучения каких-либо процессов или явлений живой природы. Чтобы организм стал модельным, он должен соответствовать ряду требований: ученые должны знать о нем максимум, он должен быть простым в разведении, содержании, а время его развития должно быть минимальным.

Дрозофила подходит по всем этим параметрам и не только. Мушки быстро растут, быстро и массово размножаются, смена поколений также происходит быстро, а их эмбрионы прозрачны, что делает дрозофилу идеальным кандидатом для изучения эмбрионального развития животных.

Использование дрозофилы в качестве модельного организма позволило нам сделать множество важных открытий. Неудивительно, что в разных исследовательских лабораториях по всему миру хранится более 160 000 уникальных генотипов дрозофилы.


Внешний вид Drosophila takahashii.

На данный момент поддержание жизни дрозофил полностью ложится на плечи самих ученых, которые должны периодически переносить взрослых особей к свежему корму, постоянно мониторить условия среды обитания, следить за стерильностью (дабы избежать генетического загрязнения) и т.д. Это крайне трудоемкая задача, требующая немало сотрудников, оборудования и ресурсов.

Криоконсервация, напротив, должна быть гораздо проще и выгоднее, не говоря уже о сохранности самих дрозофил и их генетического материала.

Ранее, как заявляют ученые, уже были попытки разработать метод заморозки дрозофил, который испытывался на диком штамме (Oregon R). Однако разработку свернули из-за ее недостаточной воспроизводимости и сложности.

Если же вернуться ближе к теме исследования, а именно к заморозке эмбрионов дрозофилы, то основными проблемами являются введение криопротекторного агента (CPA от cryoprotectant agent), масштабируемость витрификации*, выживаемость эмбриона в зависимости от возраста и генетический фон, зависящий от штамма.
Витрификация* (стеклование) переход жидкости в стеклообразное состояние при понижении температуры.
Проблема, связанная с CPA, проявляется на этапе дехорионации (Drosophila Egg Dechorionation), так как эмбрион становится непроницаем для криопротекторного агента ввиду воскового слоя и желточной мембраны. Если же CPA все же удастся ввести, то требуются большие скорости заморозки и разморозки для достижения криоконсервации посредством витрификации (стеклования). Однако этот процесс крайне сложно масштабировать, если речь идет о тысячах эмбрионов сразу. Не говоря уже о разнице в генетическом фоне разных штаммов дрозофилы, из-за которой заморозка может по-разному влиять на разные штаммы.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые попытались решить вышеописанные проблемы и достичь успешной криоконсервации эмбрионов разных штаммов дрозофилы.

Результаты исследования


Первый этап заморозки эмбриона это определение того, на какой стадии развития его лучше всего замораживать.


Изображение 1

Для этого использовалась имеющаяся коллекция дрозофил, названная М2 (1a). Особи в этой коллекции являются производными от штамма w[1118], а посему обладают прослеживаемым однонуклеотидным полиморфизмом на X-хромосоме и являются гомозиготными, жизнеспособными и фертильными.

Поскольку скорость эмбрионального развития сильно зависит от температуры, необходимо было постоянно мониторить возраст эмбрионов посредством строгого контроля времени инкубации при установленной температуре (например, 20.1 0.05 C). Также контролировались и морфологические особенности путем изучения внешнего вида кишечника (выглядит, как темные участки) эмбриона под микроскопом (кишечник выделен белыми линиями на 1b). При использовании препарирующего микроскопа кишечник приобретал молочный цвет (ниже на 1b).

С 19-ого по 24-ый час инкубации внешний вид кишечника меняется от структуры в форме сердца (19 часов инкубации) до набора из 34 полупараллельных полос, которые лежат перпендикулярно длинной оси эмбриона (20 часов), затем постепенно наклоняется (2122 часа) и в конечном итоге принимает более вытянутую форму (2324 часа).

После криоконсервации эмбрионов на разном этапе их развития была выполнена разморозка. Это позволило оценить степень выживаемости эмбрионов по скорости вылупления (от эмбрионов до личинок) и выживаемости взрослых особей (вылупившиеся личинки окукливание почти взрослые особи). В результате было установлено, что эмбрионы на 22-ом часу развития обеспечивают самую высокую выживаемость после криоконсервации (2a).


Изображение 2

Дело в том, что у эмбрионов в более старшем возрасте начинает формироваться непроницаемый слой кутикулы, препятствуя поглощение CPA, и поэтому выживаемость резко снижается.

Возраст мошек, используемых для сбора эмбрионов, также повлиял на результат криоконсервации. Выживаемость эмбрионов, полученных от более старых мух (9-12 дней), была значительно ниже, чем от более молодых (1-4 дня).

Далее была выполнена процедура стабилизации проницаемости эмбрионов посредством сетчатой корзины и смеси D-лимонена и гептана (сокращенно LH от D-limonene и heptane). Было установлено, что выдержки эмбрионов в LH растворе в течение 10 секунд вполне достаточно для удаления парафина и повышения проницаемости желточной мембраны, вызывая при этом минимальное повреждение. Далее эмбрионы окрашивались в красный цвет с помощью раствора родамина B, а затем с них удалялся восковой слой (1c).

В результате эмбрионы были полностью проницаемы для CPA, содержащего этиленгликоль (EG), пропиленгликоль (PG) и диметилсульфоксид (DMSO), но не для CPA, содержащего сахариды (сахароза, сортибол и трегалоза).

Чтобы ввести CPA в эмбрионы для последующей витрификации, монослой эмбрионов сначала подвергали воздействию проницаемой CPA с низкой концентрацией (13 мас.%). Более 90% эмбрионов сначала потеряли воду и сжались из-за более высокой внешней осмолярности*, за чем последовало набухание, когда CPA проникал внутрь (1c).
Осмолярность* (осмотическая концентрация) суммарная концентрация всех растворенных частиц.
На следующем этапе было выполнено увеличение внутриэмбриональной концентрации CPA за счет обезвоживания путем помещения эмбрионов в CPA с высокой концентрацией (~ 39 мас.%) при 4 C. Обезвоженные эмбрионы стали плоские по форме и имели множество складок на поверхности.

Важно и то, что более высокая внутриэмбриональная концентрация CPA приводит к большей защите от летального образования льда во время последующего охлаждения и повторного нагревания, но также может привести к большей токсичности CPA, особенно при температурах выше нуля. Проанализировал выживаемость при различных концентрациях CPA, ученые установили, что 9 минут дегидратации в 39 мас.% этиленгликоля + 9 мас.% сорбита идеально подходит для успешной криоконсервации, так как снижает затраты реагентов и время выполнения самой процедуры.

После завершения всех подготовительных этапов ученые приступили непосредственно к заморозке эмбрионов. Для того чтобы криоконсервацию можно было использовать сразу на большом количестве эмбрионов, был разработан метод криосетки нейлоновая сетка, прикрепленная к тонкому держателю из полистирола. Сетка размером 2х2 см может вместить около 1700 эмбрионов. Для каждого отдельного опытного захода заморозки использовалось от 200 до 600 эмбрионов.

Когда криосетка вдавливается в раствор CPA, в котором плавают эмбрионы, последние переносятся на сетку, а CPA поднимается (1a).


Изображение 3

Ученые отмечают, что удаление излишков раствора CPA с криосетки непосредственно перед стеклованием уменьшило общую массу на криосетке в 10 раз, тем самым повысив скорость охлаждения/нагревания и выживаемость эмбрионов после криоконсервации (3a-3d).

Другими словами, чем меньше лишнего раствора CPA остается на сетке, тем быстрее будет процесс заморозки и тем больше эмбрионов одновременно можно будет стекловать (3c).

Затем криосетку с эмбрионами быстро погружали в жидкий азот (LN2) для стеклования и последующего хранения. Выявить успешность стеклования можно было визуально: витрифицированные эмбрионы становились прозрачными, а кристаллизованные (т.е. стеклование прошло неудачно) становились белыми (1c).

Для сравнения был использован другой хладагент SN2 (slush nitrogen). SN2 является более молодым вариантом LN2, который применялся в предыдущих исследованиях для стеклования эмбрионов. В рамках данного эксперимента SN2 показал более высокую скорость заморозки, но такую же скорость нагревания, как и LN2. Кроме того, показатели выживаемости в случае использования SN2 практически не отличались от LN2. По этой причине было решено продолжить использовать именно жидкий азот, так как SN2 гораздо сложнее производить (2c).

Факт того, что на криосетке было минимум раствора CPA, играет важную роль и в процессе нагревания. Предыдущие исследования показали, что скорость нагревания крайне важна для выживаемости эмбрионов. Правильное нагревание может даже спасти те эмбрионы, чья заморозка прошла с ошибками (например, образование льда).

Моделирование процесса нагревания показало, что при наличии CPA этот процесс протекает значительно медленнее. К примеру, скорость нагрева падает до 2.4 х 104 C/мин при толщине слоя CPA в 250 мкм (2e-2f).

Если же удалить CPA, то моделирование показывает, что увеличение площади контакта эмбрионов с криосеткой увеличивает скорость начала вторичного нагревания, так как нейлоновая секта нагревается быстрее эмбрионов (3g-3h).

После успешного охлаждения и последующего нагревания необходимо было удалить CPA, присутствующий внутри эмбрионов. Для этого эмбрионы после нагревания подвергались воздействию 15 мас.% раствора сахарозы перед криобуфером (т.е. изотоническим солевым буфером*) для смягчения осмотического шока (повреждение /распад клеток).
Изотонический солевой буфер* состоит из хлорида натрия (NaCl), диспергированного в стерильной воде в концентрации, при которой объем остается в пространстве внеклеточной жидкости (ECF от extracellular fluid). Буфер называется изотоническим, так как он не меняет размер клеток.
Дополнительно был протестирован метод прямой загрузки эмбрионов в изотонический буфер (т.е. без раствора сахарозы). На удивление скорость вылупления таких эмбрионов была такой же, как и при использовании сахарозы, но выживаемость была ниже. Это, по мнению ученых, связано с желточной мембраной, которая помогает избежать чрезмерного набухания обезвоженных эмбрионов.

Результирующая выживаемость вылупившихся и взрослых особей после криоконсервации составила 52.9 6.3 % и 31.8 5.3 %, тогда как выживаемость без заморозки составляла 97% и 89%. Полученные результаты могут показаться слишком малыми, однако для такого рода процедур это весьма внушительные цифры.

В заключение ученые проверили эффективность данного метода криоконсервации на других 24 штаммах мошек (графики ниже).


Изображение 4

В результате было установлено, что использованные первоначально условия проведения процедуры заморозки/нагревания одинаково успешны для всех протестированных штаммов, хоть и были некоторые незначительные отличия.

В частности, для штамма S7 21-часовые эмбрионы обеспечивали более высокую выживаемость после криоконсервации, чем 22-часовые эмбрионы, из-за несколько более высокой скорости эмбрионального развития.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


В данном труде ученые продемонстрировали методику криоконсервации эмбрионов дрозофилы. Для достижения максимальной выживаемости эмбрионов после охлаждения/нагревания необходимо было учесть несколько важных аспектов и обойти некоторые трудности. К примеру, важную роль играл не только возраст эмбрионов (оптимальный: 22-ой час развития), которые будут подвержены охлаждению, но и возраст родителей (оптимальный: 1-4 дня). Для успешного введения в эмбрионы криопротекторного агента (CPA) была использована методика увеличения проницаемости, основанная на погружении эмбрионов в смесь D-лимонена и гептана. Эта процедура позволяла снять с них парафиновую оболочку и повысить проницаемость желточной мембраны. Но лишний CPA, остающийся на поверхности эмбрионов, мог бы усложнить процедуру охлаждения, потому его необходимо было удалить. Это было сделано посредством криосетки (нейлоновая сетка, прикрепленная к тонкому держателю из полистирола). Очистка эмбрионов от излишков CPA снижала общую массу примерно в 10 раз, тем самым ускоряя процесс заморозки, для которой использовался жидкий азот. А вот удаление CPA из эмбрионов на этапе нагревания происходило за счет погружения последних в раствор сахарозы, что значительно снижало вероятность осмотического шока.

На первый взгляд кажется, что вся эта процедура невероятно сложна. Однако авторы уверяют в обратном. Они даже проверили это, пригласив добровольцев (два старшеклассника), которых обучили проводить криоконсервацию самостоятельно. Новоявленные лаборанты крайне быстро освоились, а выживаемость эмбрионов, с которыми они работали, оставалась на уровне, описанном учеными в их труде.

Несмотря на свои малые габариты, дрозофилы играют крайне важную роль современной науке. Между человеком и дрозофилой много общего, особенно в аспекте генов. Изучение мутантов этого модельного организма позволяет выяснить, как подобного рода генетические изменения могут повлиять на человека, заявляют авторы исследования. Именно потому сохранение взрослых особей и эмбрионов дрозофил для будущих исследований играет столь важную роль.

Пятничный офф-топ:


Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Нестандартный подход кремний и нелинейная оптика

05.05.2021 10:13:29 | Автор: admin


До начала XIX века об этом веществе мало кто знал, а сейчас без него сложно представить современный мир. Найти его можно и в кармане прохожего, и в самых современных лабораториях. Речь, конечно же, о кремнии. За двести с лишним лет своего общения с человеком кремний подарил нам множество новых и удивительных технологий. Он нашел свое применение в металлургии, в химии, в биологии, и, самое главное, в электронике. Список применений кремния очень велик, но благодаря усилиям ученых из университета Суррея (Великобритания) он может пополниться еще одним пунктом. Они провели исследование, в котором установили, что кремний может быть использован в фотонике для создания устройства, которое сможет управлять несколькими световыми лучами. Что под этим подразумевается, как это работает, и какое практическое применение имеет данное открытие? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Несмотря на свои заслуги перед компьютерными технологиями, для фотоники кремний, как правило, считается крайне плохим выбором. Изменить эту ситуацию можно за счет терагерцовой области электромагнитного спектра и за счет нелинейности.

Терагерцовое (ТГц) излучение это вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным и микроволновым диапазонами (3х10113х1012 Гц).

Нелинейность же является свойством динамической системы, свойства и характеристики которой зависят от ее состояния. К примеру, в линейной системе изменение амплитуды входящего сигнала на Х приводит к изменению выходного сигнала тоже на Х, а в нелинейной нет. Другими словами, изменения на выходе не пропорциональны изменениям на входе. Ярким примером нелинейной системы является хаос, который на первый взгляд кажется непредсказуемым и совершенно не вписывается в рамки линейных систем.

Таким образом мы имеем дело с нелинейной оптикой, которая изучает явления, возникающие при взаимодействии светового поля и вещества с нелинейной реакцией вектора поляризации на вектор напряженности электрического поля световой волны.

В рамках данного труда ученые отмечают, что нелинейности третьего порядка позволяют контролировать световой импульс в центросимметричных материалах, таких как кремний и диоксид кремния. Для достижения восприимчивости* третьего порядка ((3)L, где L толщина материала) можно использовать вырожденное четырехволновое смешение*, что также позволяет оптически управлять обнаружением и испусканием фотонов.
Диэлектрическая восприимчивость* мера способности вещества поляризоваться под действием электрического поля. Нелинейные восприимчивости относятся к анизотропным материалам, в которых восприимчивость не одинакова во всех направлениях, как у изотропных. В этих материалах каждая восприимчивость становится тензором (n+1) степени.
Четырехволновое смешение* явление интермодуляции в нелинейной оптике, при котором взаимодействия между двумя или тремя длинами волн создают две или одну новую длину волны.
С помощью пикосекундных импульсов от лазера на свободных электронах ученым удалось показать, что кремний, легированный P или Bi, имеет значение (3)L в ТГц области выше, чем любой другой материал в любом диапазоне длин волн.


Изображение 1

Итак, нелинейность низшего порядка в центросимметричных материалах равна (3). Она отвечает за вырожденное четырехволновое смешение (DFWM от degenerate four-wave mixing), при котором все четыре фотона имеют одинаковую энергию: два из которых возбуждаются, а два излучаются (схема выше). Отклик DFWM обладает потенциалом для применения в активных оптических средах (модуляторы, квантовые повторители и т.д.). Однако количественных измерений восприимчивости для прозрачных объемных материалов в ТГц области до сего момента практически нет, т.е. для любого материала в этом спектре частот на данный момент известно крайне мало значений (3).

Посему ученые решили поэкспериментировать с кремнием, который ранее уже пытались использовать для оценки (3), но безуспешно ввиду, скорее всего, проблем, связанных с количественной метрологией нелинейного ТГц диапазона.

Результаты исследования


В качестве опытных образцов использовался монокристаллический кремний (Si), легированный висмутом (Bi) или фосфором (P). Температура образцов в ходе опытов поддерживалась в диапазоне 510 К.

В ходе исследования были проведены опыты с использованием терагерцовых импульсов от лазера на свободных электронах как при включенном, так и при выключенном резонансе с 1s 2p переходами в Si:P и Si:Bi при 10K.

В пределе плоской волны (т.е. для бесконечно длинных импульсов и бесконечно широких лучей) комплексная амплитуда поляризации генерируемого луча (P3) связана с комплексными амплитудами поля входных лучей (F1,2) внутри материала соотношением:



т.е. интенсивность выхода определяется посредством (3). Определение (3) в уравнении выше предполагает, что импульсного эксперимента внутренние энергии импульса (Ei) трех лучей (ki) связаны соотношением:



где Ec постоянная, обратно пропорциональная (3)L, а L толщина образца.

Ec представляет собой критическую энергию импульса, при которой выходная мощность станет равной входной. Посему необходимо оставаться ниже этой границы, чтобы не пришлось учитывать нелинейные эффекты более высокого порядка.


Изображение 2

E1 варьировалось в ходе опытов, но отношение E2 / E1 при этом оставалось фиксированным (график выше). При низкой энергии наблюдалась четкая кубическая зависимость. При высокой интенсивности в опытах с резонансом происходило насыщение из-за зависящего от интенсивности уменьшения времени дефазировки, что приводило к снижению (3).

Вдали от резонанса, но в пределе длинных импульсов, соотношение между Ec и (3) напрямую зависит от геометрии и длительности импульса и выглядит следующим образом:



где n показатель преломления (в данном труде был установлен n = 3.4);
0 длина волны в свободном пространстве;
Z0 характеристический импеданс свободного пространства;
r0 и t0 среднеквадратичные радиус пучка и продолжительность импульса.

Переменная f в формуле выше напрямую зависит от потерь, а также формы и длительности импульса относительно динамических временных масштабов системы. Если f = 1, то потери незначительны. Увеличение этого показателя сигнализирует об увеличении потерь и зависит от толщины образца.

В случае проведенных опытов, то при отсутствии резонанса f был немного выше единицы, что связано с короткими импульсами. Полученные экспериментальным путем значения Ec и рассчитанные значения f позволили получить (3)expt, т.е. ожидаемое значение (3).

Имея в своем распоряжении теоретические значения (3), ученые смогли провести сравнение с результатами своих опытов.

Кремний при низкой температуре напоминает водород. Энергия уменьшена, а размеры орбиталей увеличены за счет малой эффективной массы и большой диэлектрической проницаемости.

Опыты с резонансом и без него показали хорошее соответствие теоретическим предсказаниям за исключением небольшого расхождения. Разница между этими вариантами опытов была в том, что резонанс значительно уменьшает Ec и увеличивает (3) по сравнению с нерезонансными случаями.


Изображение 3

График выше демонстрирует набор когерентных измерений (3) в других материалах, системах и диапазонах частот. Если точнее, то отображены значения (3)L, так как именно эта величина была измерена в каждом случае.

Ученые отмечают, что материалы Дирака (например, графен) демонстрируют большие значения (3)L, но и резонансные межзонные процессы или процессы со свободными носителями в зависимости от химического потенциала. В таких случаях (когда присутствуют потери поглощения) объемная восприимчивость (3) не является особенно полезным показателем качества материала, поскольку выходная мощность изменяется нетривиальным образом в зависимости от толщины образца из-за тех же потерь.

В двумерных системах и системах с квантовыми ямами* наблюдались большие значения (3).
Квантовая яма* потенциальная яма, которая ограничивает подвижность частиц с трех до двух измерений, из-за чего они могут двигаться только в плоском слое.
Во всех этих случаях измеренный выходной сигнал нормируется по толщине, а чувствительность слоя ((3)L) очень мала по сравнению со значениями, полученными в первоначальных опытах, и остается такой даже в случае систем из множества слоев.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


Данное исследование изначально имело другую цель изучение атомов фосфора в кристаллах кремния для возможного применения в квантовых компьютерах. Однако в ходе опытов было установлено, что атомы фосфора способны повторно излучать лучи практически такой же мощности, как и у лазера, который был на них направлен.

Подобные эффекты возможны за счет терагерцовой области электромагнитного спектра и за счет нелинейности, которую используют для управления лазерами (например, для перенаправления луча). Буквально волей случая ученые обнаружили, что кремний обладает самой сильной нелинейностью из когда-либо обнаруженных.

Несмотря на то, что опыты проводились на образцах, охлажденных до очень низкой температуры, в их результатах есть большой потенциал. Если полностью разобраться в том, как протекают исследуемые процессы, то можно их использовать для создания кремниевых процессоров с функцией управления световыми лучами посредством других лучей, что увеличит скорость и эффективность электронных коммуникаций.

Пока это лишь теории, подтвержденные немногочисленными опытами, однако ученые уверены, что в будущем им удастся разгадать секреты нелинейности кремния.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Монохроматическое зрение осьминоги и диагностика макулодистрофии у человека

07.05.2021 10:12:10 | Автор: admin


Многие существа, обитающие на Земле, обладают теми или иными зрительными особенностями, обусловленными их повадками и средой обитания: кошачьи хорошо видят в темноте, хищные птицы отлично видят быстрые движения, а у раков-богомолов 16 типов фоторецепторов (у нас их всего два: колбочки и палочки), что позволяет им видеть даже инфракрасный и ультрафиолетовый цвет. На фоне всего этого разнообразия суперсил зрение человека кажется весьма скудным. Однако, где не справляется эволюция, человек применяет технологии, в частности и для лечения проблем со зрением. Ученые из Бристольского университета (Великобритания) изучили зрение осьминога, который отличается своей способностью обнаруживать поляризованный свет. Этот труд позволил разработать устройство ранней диагностики макулодистрофии глаза человека, когда нарушается структура сетчатки и возникают проблемы с центральным зрением. Как именно видят осьминоги, какие открытия помогли в создании устройства диагностики, и как оно работает? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Поляризация это характеристика поперечных волн, описывающая положение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Свет является электромагнитной волной, которую можно охарактеризовать векторами напряженности электрического поля (E) и напряженности магнитного поля (Н). Световые волны являются поперечными, т.е. векторы E и Н перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости распространения волны.

Главным отличием естественного света (солнце или настольная лампа) от поляризованного является число направлений, в которых колеблется вектор напряженности.

Для преобразования естественного света в поляризованный необходимо пропустить первый через анизотропную среду, т.е. через поляризатор, который убирает определенные направления колебания.


Неполяризованный свет (слева) проходит через поляризатор (центр) и становится поляризованным (справа).

Поляризация бывает линейная и круговая/циркулярная. В первом случае колебания происходят в одной плоскости, во втором конец вектора амплитуды описывает окружность в плоскости колебаний.

Что касается поляризационного зрения, то это обусловлено необычным строением глаза того, кто обладает этим навыком.

В зрительных нейронах таких существ фоторецепторная мембрана рабдома* свернута в трубку. Из-за этого часть молекул родопсина* не участвуют в поглощении света.
Рабдом* светочувствительный элемент глаза, состоящий из рабдомер (скопление микроворсинок).
Родопсин* основной зрительный пигмент, содержащийся в палочках сетчатки глаза.
Обусловлено это тем, что дипольный момент такой молекулы ориентирован параллельно вектору светового луча. Таким образом микроворсинка получает дихроизм, т.е. способность по-разному поглощать свет в зависимости от поляризации.

Среди наземных существ такая особенность чаще всего проявляется в дорсальной области глаза, которая направлена вверх (т.е. к небу, свет от которого поляризован).

Чувствительность к поляризации всего глаза встречается у многих насекомых (бабочки, стрекозы, пчелы и т.д.). Водные обитатели также не лишены подобного навыка. Многие виды ракообразных и все виды головоногих моллюсков имеют поляризационное зрение всего глаза.

Подобное зрение используется животными для решения самых разных задач, от внутривидового общения до обнаружения добычи или хищника. Для морей и океанов наличие поляризационного зрения вполне ожидаемо, так как такие среды обитания обладают стабильным поляризационным фоном. Некоторые исследования даже говорят о том, что поляризационное зрение в морской среде намного лучше цветового.

Пропускание света через морскую воду сильно зависит от длины волны, при этом короткие и длинные волны затухают быстрее, чем средние длины волн (~ 475 нм). В результате цветовое зрение становится менее полезным с увеличением глубины. Но вот полный диапазон поляризационных контрастов может присутствовать на любой глубине, посему многие животные предпочитают полагаться на поляризацию, а не на цвет. Единственная трудность в том, что поляризационные контрасты быстро размываются при малом освещении, а потому эффективны только на относительно небольших расстояниях под водой.

Мастерами поляризационного восприятия считаются головоногие моллюски, которые при этом не способны видеть цвета (используют один тип пигмента, от чего для них все вокруг монохроматическое). Нехватка цветоощущения компенсирована тем, что их рабдомерные фоторецепторы точно упорядочены по двум каналам поляризационной чувствительности, что приводит к дипольному зрению по всему глазу.

При этом их поляризационное зрение действительно уникально, так как способно обеспечивать обнаружение даже самых незначительных контрастов поляризации, что было подтверждено экспериментально. Но, как говорят ученые, в тех трудах степень поляризации была выше (1.0), чем встречающаяся в природе обычно (<0.7), потому полный спектр возможностей поляризационного зрения головоногих не был исследован.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые решили заполнить это пробел в знаниях, проведя опыты с двумя видами осьминогов Abdopus aculeatus и Octopus cyanea.


Abdopus aculeatus (слева) и Octopus cyanea (справа).

В ходе опытов ученые пытались установить порог обнаружения поляризационных контрастов путем изменения как угла поляризации (AoP от angle of polarization), так и степени линейной поляризации (DoLP от degree of linear polarization) с использованием модифицированного ЖК-дисплея для визуализации стимулов динамической поляризации.

Подготовка к наблюдениям


В опытах участвовали 10 осьминогов (8 особей вида Abdopus aculeatus и 2 особи вида Octopus cyanea), пойманных на коралловых рифах вокруг острова Лизард (Большой Барьерный риф). Осьминогов содержали в индивидуальных стеклянных аквариумах (15 х 15 х 15 см), непрерывно снабжаемых фильтрованной и насыщенной кислородом океанской водой и свежей пищей, при этом поддерживался естественный цикл дня и ночи. Зная, что осьминоги обладают немалым интеллектом и талантом к побегам, верхняя крышка аквариумов была плотно закрыта и прижата свинцовыми грузиками (используются в дайвинге). Спустя 14 дней все особи были выпущены на волю.

Источником визуальных стимулов служил ЖК-дисплей (15 дюймов), расположенный перед тестовым аквариумом (на расстоянии 1016 см от него), куда помещали по одной особи за раз во время тестов. Презентации стимулов начинались, когда осьминог был неподвижен, но бодрствовал (т.е. полностью акклиматизировался к новой среде), и когда по крайней мере один глаз смотрел на экран. Конечно, порой требовалось подождать для удовлетворения этих требований, но так можно было минимизировать стресс для животного, тем самым повысив достоверность результатов наблюдения. Во время тестирования дно и две стенки аквариума, перпендикулярные обзорной поверхности ЖК-дисплея, были покрыты белым войлоком, чтобы уменьшить внутренние отражения. Вся тестовая камера (аквариум и экран вместе) были накрыты темной тканью, чтобы движения в лаборатории не отвлекали осьминогов от визуальных стимулов на экране.


Изображение 1

ЖК-дисплей был модифицирован для отображения видео только с поляризационным контрастом и возможностью менять DoLP (передний поляризатор был удален, так что изображения менялись по AoP, а не по интенсивности).

Для управления DoLP ЖК-дисплей был дополнительно модифицирован путем удаления заднего поляризатора, а также первичного источника света, замененного светодиодом (6 Вт), который проецировал свет (вне оси под углом 30) на один из специально разработанных фильтров DoLP, расположенных напротив задней стенки ЖК-дисплея.

Фильтры DoLP, используемые в тестах: тонкий лист акрила; фильтр нейтральной плотности (например, Lee Filters); зеленый желатиновый фильтр; тонкий (0.28 мм) лист тефлона для полной деполяризации и пространственной гомогенизации света; лист поляризатора; диффузионный / рассеивающий резервуар для уменьшения DoLP до того, как он попадет в жидкокристаллическую матрицу ().

DoLP варьировался за счет использования полых стеклянных сфер разной плотности (10 мкм), размещенных в воде в диффузионных баках (20 х 20 х 1 см, стенки из акрила толщиной 6 мм). Равномерное распределение стеклянных сфер поддерживалось интенсивным потоком от водяного насоса на 12 В.

Вариативность DoLP привела к изменениям общей интенсивности, передаваемой через фильтры: среднее изменение составило 7%, при этом общее изменение интенсивности от самого высокого до самого низкого DoLP фильтра составило 51% (1B). Чтобы компенсировать это, интенсивность различных фильтров DoLP была приблизительно согласована путем добавления желатиновых фильтров нейтральной плотности на задней (светодиодной) стороне тефлонового листа.

AoP света, излучаемого ЖК-дисплеем, варьировался от 45 до 130 по отношению к значению Uint8 (8-битная шкала ЖК-дисплея), которое может изменяться от 0 до 255. Фон, на котором демонстрировался визуальный стимул, был ориентирован горизонтально (0) путем поворота ЖК-дисплея на 45. Деполяризующие фильтры позволяли менять DoLP всего изображения (от 0.0 до 1.0) без изменения AoP контрастности (1B).

Роль визуального стимула выполняло видео с надвигающимся объектом в виде быстро расширяющегося круга. Эффект приближения объекта был сделан с помощью PowerPoint (продолжительность расширения круга была 200 мс), а исчезновение объекта (спустя 5 с) было выполнено анимацией сжатие в том же PowerPoint. Размер стимула на экране составлял 4.0 см, а угол обзора осьминога составлял менее 20.

Чтобы определить порог реакции осьминога на объект, AoP стимула относительно фона постепенно снижали, пока осьминог не переставал на него реагировать. Размер шага в процессе уменьшения AoP составлял 15 по шкале Uint8 (диапазон 0255).

В качестве ответной реакции на стимулы принимались во внимание изменения цвета особи или движение конечностей, которые возникали не позже 200 мс после стимула и отличались от любых других движений/изменений без стимула.

Во время тестов за осьминогами наблюдал человек, а также велась видеозапись. Анализ видео помогал определить незначительные ответные реакции, которые сложно было заметить человеку в момент их проявления вживую. Дополнительно собранные видео были показаны людям, которые не знали ничего о стимулах, демонстрируемых осьминогам. Эти лаборанты должны были отметить когда и какие изменения они заметили на видео.

Ответные реакции осьминогов были разделены на пять категорий: 0 нет ответа; 1 очень слабый ответ; 2 слабый ответ; 3 средний ответ; 4 сильный ответ.


Видео 1: демонстрация разных по силе ответный реакций осьминогов на визуальный стимул (звуки слышны только нам и соответствуют моменту, когда стимул появляется на экране; DoP = 30%).


Видео 2: демонстрация разных по силе ответных реакций осьминогов на визуальный стимул (звуки слышны только нам и соответствуют моменту, когда стимул появляется на экране; DoP = 50%).

Визуальные стимулы демонстрировались осьминогам каждые 2-5 минут. Это время было выбрано, поскольку в таких условиях осьминоги могли сохранять сильную ответную реакцию на стимулы в течение нескольких часов.

Результаты наблюдений


Чаще всего осьминоги реагировали на стимул изменением окраски в течение одной миллисекунды (2A).


Изображение 2

Любопытно, что изменение окраски было пропорционально контрастности визуального стимула. Высококонтрастные стимулы вызывали полное изменение цвета тела, а слабоконтрастные стимулы вызывали небольшие изменения, часто проявляющиеся лишь на небольшом участке тела, например несколько квадратных миллиметров одного щупальца.

Разницы в пороговых значениях реакции между исследуемыми видами (O. cyanea и A. aculeatus) обнаружено не было. Когда DoLP был высоким (> 0.3), особи обоих видов были способны реагировать на различия в AoP стимула относительно фона (AoP) при среднем значении 1.3. Когда DoLP был ниже 0.3, минимальный угловой контраст между стимулом и фоном, необходимый для проявления ответной реакции, быстро увеличивался, пока DoLP не достигал 0 (2B).

Альтернативным методом визуализации поляризационного контраста является мера поляризационного расстояния (PD от polarization distance). PD обеспечивает оценку количества контраста, обнаруживаемого системой поляризационного зрения (в данном случае осьминогами).

При построении графика функции PD, измеренные пороги поляризационного зрения примерно совпадают со средним значением PD в 0.010 (2C). Связь между этим пороговым значением и диапазоном стимулов DoLP и AoP показана методом проецирования порога на ось начального стимула (пунктирная черная линия на 2B). За счет этого видно, что большая часть расхождений может быть связана с ориентацией нижележащих поляризационно-чувствительных фоторецепторов, на которых основана модель поляризационного расстояния. Некоторые расхождения также можно объяснить индивидуальностью реакции тестируемых особей, но средний порог PD для всех комбинаций AoP / DoLP находился в диапазоне от 0.0049 до 0.024.

Анализ результатов наблюдений


В ходе тестов осьминоги успешно реагировали на визуальные стимулы, которые отличались от фона только по поляризационному контрасту. При этом особи демонстрировали высокую чувствительность даже к самым малым значениям AoP, особенно при высоком уровне DoLP.

Большое изменение AoP, необходимое для вызова ответа (1 при высоком DoLP, до 53 при низком DoLP), может быть объяснено с помощью нейрофизической модели поляризационного расстояния. Данная модель использует подход нейронной обработки для понимания контраста с точки зрения системы поляризационного зрения.

Поскольку головоногие моллюски используют дипольную систему, основанную на двух каналах поляризации, ориентированных горизонтально и вертикально по отношению к внешнему миру, контрасты AoP при низком DoLP должны быть больше, чтобы выявить эквивалентный контраст в выходе фоторецепторов по сравнению со стимулами с высоким DoLP.

Ученые отмечают, что оценка функциональности чувствительного к поляризации зрения у осьминогов требует исследования типов зрительных сцен (т.е. совокупности визуальных стимулов в той или иной ситуации в естественной среде), которые могут испытывать эти животные. Фотографическая поляриметрия, проведенная в естественной среде, показывает диапазон поляризационных контрастов, которые близки к диапазону обнаружения зрительной системы осьминога или находятся в его пределах.


Изображение 3

Другими словами, контрастные сигналы от добычи, хищников и даже от сородичей входят в диапазон чувствительности осьминогов, измеренной в ходе данного исследования. Следовательно, данный тип зрения для осьминогов необходим для охоты, для поиска партера или для обнаружения вероятной опасности.

Проведенное исследование, нацеленное на оценку чувствительности осьминогов к поляризационным контрастам, позволяет создать систему ранней диагностики макулодистрофии у человека.

Ученые заявляют, что данное устройство будет нацелено на выявление низкого уровня пигментов желтого пятна, что является фактором риска повышенной предрасположенности к дегенерации желтого пятна.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог


В данном труде ученые уделили внимание удивительным созданиям, обладающим неслабым интеллектом, умением пролезть куда угодно и, как оказалось, очень необычным зрением. Осьминоги не видят цвета, зато прекрасно видят поляризацию света, что позволяет им различать контрастные отличия между фоном (водой) и объектом их интереса (например, добыча, сородич или хищник). Такой тип зрения, именуемый поляризационным, неудивителен для обитателей морских глубин, так как под водой цвет не так полезен, как на суше. Хотя и вне океанов и морей есть существа, обладающие подобным навыком. К их числу относятся и пчелы. Но у осьминогов поляризационное восприятие охватывает весь глаз, тогда как у пчел только ту область, что направлена к небу.

Данное исследование не только позволило лучше понять, как осьминоги видят, но и предоставило фундамент для создания устройства диагностики макулодистрофии, т.е. дегенеративных процессов желтого пятна. Данное устройство способно оценить уровень макулярных пигментов, которые играют роль естественной защиты человека от вредного фиолетово-синего света (380-500 нм). Макулодистрофия, к сожалению, не лечится, но имея возможность вовремя заметить какие-либо изменения, что могут привести к ее развитию, мы можем принять определенные меры: использование солнцезащитных очков, изменение питания и т.д.

Важность данного устройства заключается в том, что ранее уровень макулярного пигмента нельзя было диагностировать без наличия дегенеративных изменений. Другими словами, обнаружить проблему можно было тогда, когда уже было поздно что-либо делать для ее решения. Но с помощью разработанного метода диагностику можно проводить в любом возрасте (от 5 до 95 лет), тем самым выявлять изменения разной степени на любом этапе заболевания или еще до его возникновения.

Диагностику часто называют половиной успешного лечения болезни, вторая половина это уже лекарства, операции и т.д. Это действительно так, ибо зная, с чем ты борешься, можно подобрать соответствующее оружие. Ранняя же диагностика позволяет избежать какого-либо конфликта, поскольку мы будем вооружены самым сильным оружием знанием. Так как зная, где и как может проявить себя болезнь, которой по факту еще нет, мы можем принять меры по ее предотвращению.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Подвижные голограммы космический бой в наперстке

12.05.2021 10:23:58 | Автор: admin


Если взглянуть на произведения из категории научная фантастика, то можно найти немало общих элементов. Конечно же, одним из самых явных являются невероятные технологии роботы, космические корабли, стазис-камеры, и т.д. К лидерам по частоте появлений в кино, играх и фильмах можно с уверенностью причислить и голограммы. Праотцом голограмм считается, как неудивительно, Айзек Азимов, упоминающий эту технологию в цикле романов Основание. Первым же кино-дебютом для голограммы стал фильм Зардоз 1974 года с Шоном Коннери в главной роли. С тех пор голограммы начали появляться практически во всех научно-фантастических фильмах до той степени, что эта технология перестала удивлять, а порой начала вызывать откровенную неприязнь своей невероятной универсальностью в качестве инструмента продвижения сюжета. Однако, несмотря на недовольное ворчание некоторых киноманов, ученые по всему миру испытывают живейший интерес к этой невероятной технологии. Группа исследователей из университета Бригама Янгам (США) создали новый вариант технологии визуализации голографических изображений, которые буквально оживают на глазах. Данный труд уже освещался на Хабре, но давайте рассмотрим его подробнее. В чем же секрет подвижных голограмм, в чем их особенность и как все это выглядит? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Еще в 2018 году был опубликован труд (A photophoretic-trap volumetric display), в котором ученые описывают устройство для объемного отображения с помощью фотофоретического* треппинга (photophoretic trapping). Работа устройства основана на удержании частицы в фотофоретической ловушке, которая перетаскивает частицу через каждую активную точку изображения в свободном пространстве (до 1 см3).
Фотофорез* явление, когда мелкие частицы, взвешенные в газе (аэрозоли) или жидкости (гидроколлоиды), начинают двигаться при освещении достаточно интенсивным светом. Причиной этого явления является неравномерное распределение температуры освещенной частицы в текучей среде.
Когда частица перемещается в свободном пространстве, она освещается лазером видимого диапазона, чтобы сформировать изображение, которое может увидеть человек.

Данная технология нова и требует решения множества проблем, основными среди которых являются увеличение объема свободного пространства от 1 см3 до 100 см3 и устранения фундаментальной неспособности объемных дисплеев создавать виртуальные образы в свободном пространстве. Вторая проблема и стала главной задачей рассматриваемого нами исследования.


Изображение 1

В данном труде использовалась фотофоретическая визуализация на основе оптической ловушки (OTD от optical trap display), способная создавать в воздухе как плоские, так и трехмерные объекты (1b и 1c).

С помощью OTD можно создать изображение на краю объема рабочего пространства и изменить его видимый параллакс так, чтобы наблюдателю казалось, что изображение находится за объемом рабочего пространства (1d). Этот эффект называют перспективная проекция и достигается в OTD путем изменения масштаба, формы и параллакса объекта на плоскости фонового изображения по мере движения наблюдателя. При этом сама плоскость также может поворачиваться лицом к наблюдателю, если она конечна (т.е. не сферическая).

Авторы предыдущих исследований указывают на то, что существует ограничение все точки изображения должны лежать вдоль линии, идущей от наблюдателя через объем дисплея. Точки, которые пользователь воспринимает на задней панели, больше не являются объемными, потому что они больше не совпадают с физическими рассеяниями, поэтому они теряют атрибут идеальной аккомодации*, но получают возможность резко увеличивать воспринимаемый размер изображения.
Аккомодация* физиологическая настройка глаза, позволяющая удерживать объект в фокусе при изменении расстояния до глаза.
Используя перспективную проекцию, OTD может одновременно генерировать как реальные объемные точки изображения для переднего плана, так и моделированные необъемные точки изображения для фона.

Теория устройства


Как мы уже поняли, визуализация на базе оптических ловушек работает, удерживая одну или несколько частиц в фотофоретической ловушке. В разных трудах роль удерживаемых частиц исполняли самые разные материалы с самой разной геометрией и габаритами. В данном труде были использованы частицы целлюлозы размером 10 мкм. Когда ловушка перемещалась, частицы перемещались вместе с ней, проходя через все точки изображения. Когда частица достигала определенной точки изображения, она освещалась комбинацией красного, зеленого и синего света.

Прохождение частицы через точку происходило несколько раз в секунду, создавая видимое для человека изображение (1a). Зрительная система человека может обрабатывать от 10 до 12 кадров в секунду и воспринимать их индивидуально, в то время как более высокие скорости воспринимаются как движение. Посему 10 кадров в секунду можно считать нижней границей убедительного фона для данной методики визуализации.

Чем выше разрешение и частота обновления системы, тем более убедительным может быть этот эффект, поскольку наблюдатель не сможет воспринимать обновления отображаемых изображений.

Одной из наиболее общих форм перспективы является трассировка лучей, при которой наблюдатель (человек или камера) рассматриваются как одна точка E = (x0, y0, z0) плюс отображаемая точка изображения X = (x, y, z) и плоскость, на которой отображается P. Нахождение пересечения прямой EX с плоскостью P дает координату точки X в пикселях. Перспективная проекция может быть определена следующим матричным соотношением для плоскости P, перпендикулярной линии EO, где O начало координат:



Матрица перспективной проекции предназначена для проецирования сцены из пространства на плоскость. Это позволяет отображать трехмерные точки с использованием двухмерной поверхности.

Практическое испытание устройства


Чтобы продемонстрировать смоделированные виртуальные изображения с использованием модифицированного параллакса (перспективной проекции), было создано плоское (2D) OTD-изображение луны на задней стороне рабочего пространства. Эта плоскость, в свою очередь, находилась на передней стороне трехмерной миниатюры дома (2b).


Изображение 2

Камера (наблюдатель) была размещена на вращающемся штативе (2a). Частота смены кадров визуализированной луны сохранялась на уровне 12 кадров в секунду. Количество вокселов (объемных пикселей) в секунду, визуализируемых в ходе опытов, составило примерно 10000 в секунду. Частота обновления векторных изображений была 28 Гц, однако повышенная скорость приводит к снижению качества. Потому было решено снизить частоту до 12 Гц, что снижает эффект мерцания.

Функция воспроизведения изображения OTD менялась перспективной проекцией синхронно с движением кронштейна камеры. Скорость движения камеры составляла примерно 0.0194 м/с. Камера была сфокусирована на дымоходе дома (примерно z = 2 мм). Радиус поворота составлял 100 мм до передней грани объектива камеры. Размеры дома составляли 7.7 х 10.6 х 7.4 мм. Первоначальный диаметр луны составлял 0.5 мм, а скорость ее движения 12 кадров в секунду.

Результаты исследования



Изображение 3

На 3a-3c луна нарисована в плоскости перед домом (z = 0 мм), при этом она не меняется, обеспечивая контрольное изображение. На 3d-3f луна все еще нарисована при z = 0, но при вращении камеры луна смещается в сторону для получения параллакса, соответствующего объекту, воспринимаемому при z = 8 мм. На 3g-3i видео с камеры наложено на симуляцию Blender (оба с включенной перспективной проекцией). При этом наблюдается незначительное смещение, вызванное несовершенством устройства, но относительный параллакс согласуется с результатами моделирования с высокой точностью (средняя ошибка составила всего 5.88%).

Анализ результатов экспериментов показал, что измененный параллакс действительно создает изображения, воспринимаемые за рабочим пространством. Модифицированный параллакс после учета смещения показал хорошее согласование с результатами моделирования, что указывает на потенциальную эффективность увеличения отображаемого пространства объемного дисплея за пределы физических границ дисплея.

Несмотря на вышеописанные результаты, данная методика обладает некоторыми ограничениями: отсутствие диспаратности*, необходимость отслеживать положение глаз наблюдателя и несоответствие аккомодации/вергенции* и других визуальных сигналов.
Вергенция* одновременное движение обоих глаз в противоположных направлениях для получения или сохранения целостного бинокулярного зрения.
Диспаратность* различие взаимного положения точек, отображаемых на сетчатках левого и правого глаза.
Эксперименты проводились с использованием камеры, т.е. монокуляра. Чтобы методика визуализации голограммы была эффективна для людей, необходимо реализовать точный бинокулярный параллакс. А для этого OTD должен обладать управляемым анизотропным рассеянием.

Второе ограничение, связанное с отслеживанием наблюдателя, является достаточно серьезной проблемой, так как обычные OTD-изображения не требуют знания положения пользователя и по-прежнему обеспечивают угол обзора почти 4 стерадиан*.

Стерадиан* единица измерения телесных углов, т.е. части пространства, которая является объединением всех лучей, выходящих из данной точки (вершины угла) и пересекающих некоторую поверхность. Полный телесный угол (полная сфера) равна 4 стерадиан.
Однако, если достичь направленного рассеяния, то отслеживание наблюдателя может быть исключено как минимум в двух измерениях (горизонтальном и вертикальном). Третье же измерение (расстояние от наблюдателя до изображения) по-прежнему будет необходимо для идеальной реконструкции перспективы, поскольку перспективная проекция основана на трехмерной точке наблюдения.

Последним ограничением является несоответствие между аккомодационной меткой, которая заставляет пользователя фокусироваться на плоскости проекции, и меткой параллакса, которая заставляет зрителя фокусироваться на воспринимаемой точке. Подобное несоответствие стереопсиса* и аккомодации может вызывать неблагоприятные побочные эффекты для наблюдателя.
Стереопсис* бинокулярное восприятие формы, размера и расстояния до объекта; субъективное ощущение глубины пространства.
Чтобы смягчить негативные эффекты, необходимо разместить плоскость перспективной проекции на таком расстоянии, где параллакс более важен, чем аккомодация.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог


В данном труде ученые впервые продемонстрировали практическое применение OTD для создания эффекта, аналогичного виртуальным изображениям на дисплеях с оптической ловушкой.

Все это стало возможным благодаря работе ученых, которую они проделали еще в 2018 году. Тогда они смогли создать методику визуализации объектов в свободном пространстве. Фундаментом этой методики стали оптические ловушки, которые улавливают частицы в воздухе с помощью лазера. При передвижении частица следует за ловушкой, а за ней остается освещенный лазером путь, парящий в воздухе. Авторы методики назвали это 3D-принтер для света.

По словам авторов исследования, большинство 3D-дисплеев требуют, чтобы зритель смотрел на экран, но их разработка позволяет создавать физически присутствующие изображения, плавающие в свободном пространстве. Другими словами, перед нами реальный объект, а не какая-то иллюзия.

Видео, в котором авторы исследования рассказывают о своем творении.

В будущем авторы труда намерены заняться совершенствованием своей разработки, в том числе и увеличением рабочего пространства устройства. По их словам, если правильно подобрать параллакс движения, то можно визуально увеличить размеры рабочего пространства без их фактического физического увеличения. Этот трюк позволит создать иллюзию дисплея вплоть до бесконечного размера, говорят ученые.

Голограммы, возможно, всем изрядно поднадоели, учитывая их частоту появления в кино, литературе и видеоиграх. Однако в реальном мире они все еще крайне редки, а их возможности весьма ограничены. Посему, пока мы с восхищением (или неприязнью) любуемся голограммами в кино, ученые продолжают трудиться в поте лица, чтобы эта технология перестала быть научной фантастикой, а стала для нас столь же реальной и обыденной, как и для героев кинематографа.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Свет внутри неинвазивная биолюминесцентная визуализация

14.05.2021 10:12:48 | Автор: admin


Увидеть танец светлячков в сумеречном свете или свечение волн океана из-за необычных микроорганизмов это захватывающее и даже немного сказочное зрелище из мира дикой природы. Светлячки, к примеру, используют свое свечение для коммуникации, поиска партнера, а порой и для охоты. Для светлячков биолюминесценция является вполне естественным эффектом химических процессов, протекающих в их организме. Человек же может воссоздать подобный эффект с помощью технологий и применить его, к примеру, в медицинской диагностике. Последние несколько лет идет активная разработка различных систем биолюминесцентной визуализации (BLI от bioluminescent imaging), и вот ученые из университета Миссури (США) предложили свой вариант недорогой, простой в использовании и, что самое главное, портативный. В чем особенности устройства, как именно проходит диагностика с его использованием, и насколько точны полученные таким методом данные? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования



Биолюминесценция у светлячков.

Если рассматривать BLI детальнее, то этот метод основан на использовании в качестве репортера* фермента люцифераза, который генерирует биолюминесцентный свет при окислении его субстрата люциферина.
Репортер* ген, который специально присоединяет к регуляторным последовательностям других генов для исследования проявлений генов в культурах клеток.
Одно из первых применений BLI основывалось на конститутивной экспрессии фермента люциферазы в раковых клетках для мониторинга роста опухоли и метастазирования. Среди более современных применений стоит выделить клеточные зонды на основе люциферина, позволившие расширить спектр применения BLI для функциональной визуализации ферментативных и метаболических процессов. Главный принцип таких зондов основан на том, что люциферин с химическими клетками не является субстратом для люциферазы до тех пор, пока он не высвобождается или не освобождается в результате определенного представляющего интерес биологического процесса (например, селективного ферментативного расщепления; 1a). Интенсивность биолюминесцентного сигнала количественно коррелирует с количеством свободного люциферина, что отражает уровень функциональной активности биологического процесса, который исследуется этим методом.

Несмотря на свои преимущества, нынешние варианты BLI обладают рядом ограничений и проблем. К примеру, текущая система BLI основана на использовании клеток и животных, экспрессирующих трансгенную люциферазу, а потому может применяться к весьма ограниченному числу животных моделей болезней человека.

В дополнение к этому, современные инструменты для визуализации обычно включают небольшой светонепроницаемый черный ящик и охлаждаемую камеру с зарядовой связью (CCD от charge-coupled device) в качестве светового детектора. Эти технические особенности делают BLI стационарным, крайне дорогим и сложным в использовании, а также ограничивают использование BLI только для мелких животных, таких как мыши и крысы. К тому же во время подобных BLI исследований животное должно находиться под длительным наркозом, который может негативно повлиять на его здоровье и нарушить метаболизм.

Результатом вышеописанных технических особенностей является гибель огромного числа животных, ввиду высокоинвазивности методики. В качестве примера ученые приводят токсикологическое тестирование потенциальных терапевтических кандидатов для активации цитохрома P450 (CYP450), фермента печени, ответственного за дезактивацию большинства клинически используемых лекарств. Каждый год от этого тестирование гибнет сотни тысяч собак.

Посему изменение нынешних BLI систем важно не только с точки зрения экономии, простоты использования и точности анализов, но и с точки зрения сохранения жизней.

Чтобы решить эти проблемы, авторы рассматриваемого нами сегодня труда предложили свой вариант BLI устройства, которое они назвали PBL (от portable bioluminescent), т.е. портативная биолюминесцентная система.

Их разработка дает возможность проводить неинвазивные измерения биологических процессов в живом организме с использованием биоразлагаемой инъекционной пробки на основе люциферазы в сочетании с люцифериновым клеточным зондом и высокочувствительным портативным детектором света.

Ученые решили сконцентрировать свое внимание на исследовании ферментативных процессов, так как существует острая потребность в более эффективных методах оценки активности ферментов (например, CYP450) в живом организме. Для исследования возможностей PBL в аспекте внеклеточных ферментов был выбран дипептидилпептидаза 4 (DPP-4), так как этот фермент крайне важен в поиске лекарств от диабета второго типа и некоторых видов онкологии.

Результаты исследования



Изображение 1

На 1b показана схема системы PBL, состоящая из трех основных компонентов:

  • функциональный биолюминесцентный зонд соединение люциферина в клетке, которое может распознавать определенный биологический процесс (например, CYP450 или DPP-4; 1a);
  • биосовместимая биолюминесцентная светопродуцирующая пробка (репортер) на основе люциферазы или устройство для инкапсуляции клеток;
  • портативный датчик (детектор) света.

Как правило, в ходе классического исследования животному сначала вводят однократную дозу люциферинового зонда, инкапсулированного в клетку, с последующей подкожной инъекцией люциферазной пробки спустя несколько минут. Устройство клеточной инкапсуляции с трансплантированными клетками, экспрессирующими люциферазу, используется для длительного мониторинга биологических процессов (до 5 месяцев).

Затем световой датчик немедленно прикрепляется к люциферазной пробке, и биолюминесцентный сигнал записывается через определенные интервалы времени для получения максимального светового потока (1c).

После инъекции инкапсулированного зонда свободный люциферин высвобождается в исследуемом органе (например, в печени) в результате освобождения зонда за счет определенного биологического процесса или фермента (к примеру, CYP450; 1d).

Потом свободный люциферин мигрирует в кровоток и в конечном итоге достигает репортера на основе люциферазы, помещенного под кожу подопытного животного. Количество света, генерируемого люциферазной пробкой, пропорционально концентрации люциферина в кровотоке, что приводит к производству биолюминесцентного света, которое напрямую коррелирует с уровнем функциональной активности биологического процесса, который изучается в ходе конкретного исследования.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые во всех опытах использовали D-люциферин (X = O; 1a; далее по тексту будет просто люциферин). Но это не значит, что их методика работоспособна только с этим типом люциферина, она может быть адаптирована под любые люциферазы и соответствующие им субстраты.

Одним из важнейших элементов устройства является детектор света с высокой чувствительностью и низким уровнем шума, специально разработанный для PBL системы. Особенность этого датчика в том, что он мог отслеживать потоки биолюминесцентных фотонов, которые обычно относительно невелики.

В датчике присутствует большой кремниевый фотодиод (1 см2) в фотоэлектрическом режиме с трансимпедансным усилителем (утрировано говоря, преобразовывает входной ток в выходное напряжение), установленный в цилиндрический корпус диаметром 30 мм и высотой 40 мм. Полученное устройство напоминает стетоскоп и может быть легко применено к маленьким и крупным животным, а также к человеку.

Рабочая поверхность устройства механически защищает чувствительные электронные компоненты и содержит круглую оптическую апертуру диаметром 1 см.

Ученые выбрали фотодиод, а не камеру, по той причине, что первый может работать при комнатной температуре, обладает низкой стоимостью и низким уровнем шума (низкий темновой ток).

Для обнаружения низких уровней освещенности использовался операционный усилитель с низким уровнем шума, сконфигурированный как трансимпедансный усилитель. Коэффициент усиления был установлен на 1010 В/А с резистором обратной связи R = 10 ГигаОм.

Детектор выводит значение напряжения, которое пропорционально оптической мощности излучения, поглощаемой поверхностью диода:
V = P/r, где P мощность излучения, V напряжение, а r коэффициент пропорциональности, называемый чувствительностью. Для определения r выполнялась калибровка детектора.

Вторым важным элементом системы является инъекционная пробка на основе люциферазы (или коротко люциферазная пробка). Эта пробка содержит рекомбинантный фермент люциферазы вместе с его кофакторами и полимерную матрицу, чтобы фермент и его кофакторы оставались неповрежденными под кожей подопытного (1b и 1c).

Пояснение принципа работы BLI.

Чтобы оптимизировать состав инъекционной люциферазной пробки и добиться яркого стабильного сигнала в живом организме, был проведен тест влияния различных компонентов на светоотдачу с помощью стационарного прибора BLI, оснащенного чувствительной CCD камерой. Анализ показал, что люминесценция, генерируемая люциферазной пробкой, прямо пропорциональна количеству фермента люциферазы, добавленного к пробке, и относительно не зависит от концентрации АТФ в диапазоне 110 мМ.

За счет этих данных был выбран определенный состав люциферазной пробки для всех последующих опытов на мышах (общий объем равен 100 мкл): 83 мкл Matrigel, 10 мкг фермента люциферазы, 10 мМ АТФ, 1 мМ Mg2+ и PBS.

Матрица Matrigel была выбрана для этого исследования, так как она нетоксична и легко вводится подкожно, а также производит более яркий и стабильный сигнал по сравнению с другими матрицами. В результате пробка на базе Matrigel сохраняла стабильность в течение 60 минут после инъекции, что позволяло непрерывно измерять биолюминесцентный сигнал.

Поскольку интенсивность света на поверхности зависит от глубины источника света, необходимо было оценить зависимость биолюминесцентного светового потока от глубины люциферазной пробки. Для этого был использован весьма необычный образец кусок мяса из магазина. С его помощью ученые количественно оценили потерю сигнала в зависимости от толщины ткани. Как и ожидалось, интенсивность детектируемого света зависела от глубины источника света.

Любопытно то, что падение интенсивности сигнала не было столь значительным, как ожидалось при использовании обычной люциферазы светлячков (примерно в десять раз на глубине в 0.8 см). Даже на глубине в 1 см был виден отчетливый сигнал.

Далее необходимо было выяснить, пропорционально ли количество света, генерируемого люциферазной пробкой, концентрации люциферина в крови подопытных. Для этого разные концентрации раствора люциферина вводились подопытным внутрибрюшинно, после чего подкожно вводилась люциферазная пробка. После чего биолюминесцентный световой поток непрерывно измеряли для определения максимальной мощности оптического излучения (фотонов в секунду, т.е. максимальный поток фотонов).


Изображение 2

Анализ данных показал, что поток фотонов от люциферазной пробки линейно коррелирует с количеством введенного люциферина в достаточно большом диапазоне дозировок (150, 15 и 1.5 мг/кг). Следовательно, пробка может успешно использоваться для точного определения концентрации люциферина в крови подопытных (2a). На снимках 2b показаны световые сигналы подопытных (полученные с помощью CCD), которым вводили люциферазную пробку и три различных концентрации люциферина.

Далее были проведены аналогичные опыты, но уже с применением портативного детектора света (2c). Результаты (2d) показывают аналогичную линейную корреляцию между концентрацией люциферина и максимальной оптической силой, измеренной портативным детектором света. Даже уровень погрешности обоих методов сопоставим.

Это говорит о том, что метод PBL идеально подходит для высокоточной количественной оценки концентрации свободного люциферина в крови нетрансгенных животных, которые не экспрессируют фермент люциферазы.

На следующем этапе ученые проверяли, насколько эффективен их метод для определения ферментативной активности у живых мышей, а именно активности внеклеточного фермента. Для этого было подготовлено четыре группы мышей (по 5 особей).

Две разные дозы 5 и 10 мг/кг селективного ингибитора DPP-4 ситаглиптина (SIT от sitagliptin) в буфере PBS* вводили двум группам мышей, в то время как третья группа мышей получала чистый PBS (контрольная группа).
Натрий-фосфатный буфер (PBS)* водный раствор солей, содержащий хлорид натрия, гидрофосфат натрия, хлорид калия и дигидрофосфат калия.
Спустя тридцать минут трем группам мышей делали инъекцию люциферинового зонда в клетке DPP-4, а еще через 10 минут подкожную инъекцию люциферазной пробки. Четвертой (контрольной) группу также делали инъекцию пробки, но не вводили люцифериновый зонд.

От всех четырех групп мышей был получен сигнал, зафиксированный как классическим методом (IVIS Spectrum), так и с помощью портативного датчика света.


Изображение 3

Наблюдалось дозозависимое снижение сигнала, полученного от животных, получавших ингибитор DPP-4. Подобные измерения полностью согласовывались между показаниями IVIS Spectrum и портативного светового детектора (3a и 3b).

Из этих результатов следует, что PBL может обеспечить точное считывание внеклеточной ферментативной активности у нетрансгенных животных неинвазивным способом. А полученные таким образом данные сопоставимы с данными, полученными с помощью классической технологии (т.е. IVIS).

Далее было проведено тестирование PBL в работе с внутриклеточными ферментами (CYP450). Для этого был использован CYP450 изофермент цитохром P450 3A (Cyp3a), который является наиболее распространенным и универсальным изоферментом, участвующим в метаболизме лекарственных препаратов.

В этом случае было задействовано две группы мышей. Особям из одной внутрибрюшинно вводили дексаметазон (DEX от dexamethasone, доза 50 мг/кг), который вызывает активацию Cyp3a. Вторая группа мышей (контрольная) получала обычный раствор растительного масла. Через 24 часа обеим группам мышей вводили зонд люциферин-IPATM с последующей анестезией и получением сигнала с помощью IVIS Spectrum.


Изображение 4

На изображениях 4a-4c видно, что биолюминесцентный сигнал от мышей, получивших DEX, был приблизительно в три раза выше, чем сигнал от контрольной группы. Это указывает на то, что зонд может успешно обнаруживать активацию Cyp3a непосредственно в живом организме после обработки мышей дексаметазоном.

Теперь необходимо было провести аналогичные опыты, но с применением метода PBL. Опять же было две группы мышей контрольная и та, которой вводили DEX. Как и ранее, через 24 часа мышам вводили зонд люциферин-IPATM, а потом анестезировали, вводили люциферазную пробку и проводили визуализацию с помощью портативного детектора и IVIS Spectrum (для сравнения).

Как показано на 4d-4f, значительно более сильный биолюминесцентный сигнал был получен от особей с DEX, чем от контрольной группы, как в случае применения IVIS (4d-4e), так и портативного светового детектора ().

Одной из важнейших задач, которые поставили перед собой авторы PBL разработки, является возможность проводить неинвазивную визуализацию крупных животных (например, собак) и людей. Прежде всего был выполнен токсикологический анализ, установивший, что никаких отклонений в ответ на D-люциферин у собак не было выявлено.

Изображение 5 (предупреждение: на 5c снимки руки трупа человека)


Далее была выполнена оценка пропорциональности генерируемого люциферазной пробкой света к концентрации введенного люциферина. Собак анестезировали, и люциферазную пробку имплантировали подкожно в брюшную полость. Затем вводили люциферин в различных концентрациях (15, 1.5 и 0.15 мг/кг) внутрибрюшинно с последующим размещением портативного детектора света непосредственно на области люциферазной пробки ().

На 5b видно, что максимальный световой выход линейно коррелировал с количеством введенного люциферина в большом диапазоне концентраций люциферина.

Данные, полученные во время тестов на собаках, полностью согласуются с данными тестов на мышах. В некоторых случаях сенсорный сигнал у собак был в 30 раз выше, чем у мышей (при дозе в 15 мг/кг).

В заключение была выполнена оценка эффективности PBL методики в рамках применения ее на людях. Для этих экспериментов было подготовлено 100 мкл люциферазной пробки с тремя различными дозами люциферина (конечные концентрации: 2 мкМ, 200 нМ и 20 нМ) с последующей инъекцией смеси под кожу трупа человека в область плеча (5c). Затем переносной световой детектор помещали непосредственно на люциферазную пробку. Длительность регистрации сигналов составляла 15 минут.

Даже при самой низкой концентрации люциферина наблюдался очень сильный сигнал, в три раза превышающий мощность фонового сигнала. В данном опыте сила сигнала также была пропорциональная концентрации люциферина в широком диапазоне величин (5d).

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


В данном труде ученые решили усовершенствовать имеющуюся на данный момент технологию биолюминесцентной визуализации, сделав ее портативной, неинвазивной, легкой в применении и, что самое важное, безопасной для животных и человека.

Принцип работы устройства достаточно прост. В тело вводится зонд для визуализации, который достигает нужного участка (например, печени). Уровень биологической активности участка определяет количество люциферина, которое попадает в кровоток. Когда люциферин достигает области, где размещено устройство, возникает биохимическая реакция с выделением света. Портативный детектор света прикладывается к участку тела, где устройство ближе всего, и замеряет интенсивность света, уровень которого коррелирует с количеством присутствующего люциферина.

Такой способ помогает определить биологические процессы, протекающие в то или ином органе/тканях, в ответ на лечение. Следовательно, медики и ученые, разрабатывающие лекарства, могут понять, работает ли препарат или нет.

Данная разработка также порадует тех, кому не безразлична судьба подопытных животных, которые при обычных условиях могут сильно пострадать или даже погибнуть в ходе биолюминесцентной визуализации. Из-за высокой смертности ученые вынуждены использовать большое число подопытных, чтобы получить необходимый результат того или иного исследования. Неинвазивность PBL метода не только значительно снижает риск для животных, но и нивелирует необходимость в использовании большого числа животных.

Точность портативного PBL не уступает своим стационарным конкурентам, что может сильно ускорить и упростить диагностику пациентов до и во время лечения. Если попытаться одним словом описать, что же PBL в итоге дает, то это слово будет время. Скорость и простота выполнения PBL диагностики экономят драгоценное время медиков, которое в противном случае ушло бы на выполнение какой-то сложной диагностической процедуры без каких-либо гарантий, что она покажет нужные результаты.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Желе для принтера гибридный гидрогель и 3D-печать методом экструзии

19.05.2021 16:06:46 | Автор: admin


Несмотря на свою якобы внезапную популярность в последние годы, аддитивные технологии впервые увидели свет еще в 1971 году. Долгое время 3D-принтеры использовались исключительно для производства функциональных или эстетических прототипов, а сама технология носила название быстрое прототипирование. Стремительное развитие вычислительной техники привело к появлению разных методов реализации аддитивных технологий: от лазерной стереолитографии (SLA) до более знаменитой 3D-печати (3DP). Другой термин, появившийся еще в 1894, это гидрогель полимер, способный поглощать воду (если очень утрировано). У гидрогелей, как и у аддитивных технологий, множество применений: медицина, фармакология и даже энергетика. И вот ученые из университета Северной Каролины решили объединить 3D-печать и гидрогель для создания гидрогелевых структур с желаемыми свойствами. На Хабре была новость об этой разработке, но мы попробуем копнуть глубже. Из чего состоит изучаемый гидрогель, какими свойствами его можно наделить, и что из него можно сделать? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Для начала стоит в двух словах пояснить, что такое гидрогель. Это сеть из пересекающихся полимерных цепей, способных равновесно и обратимо набухать в воде и водных растворах. Основой гидрогеля являются гидрофильные молекулы.

Проблема классических гидрогелей, изготовленных из полимерных сетей в воде, состоит в том, что они мягкие и хрупкие, т.е. им не хватает упругости и прочности. Из-за этого применение гидрогелей в различных отраслях (робототехника, тканевая инженерия и т.д.) сильно ограничено.

Эластичность гидрогелевых материалов может быть улучшена путем объединения взаимопроникающих ковалентных и ионных полимерных сетей с образованием сильно растяжимых и прочных структур. Другой метод улучшения механических свойств гидрогелей основан на использовании наполнителей с высоким коэффициентом формы (высокое отношение длины наполнителя к диаметру его поперечного сечения). Это позволяет механически усилить гелевую матрицу. Однако использование наполнителя из материала, отличного от материала матрицы, приводит к возникновению напряжения на поверхностях интерфейсов, которые вызывают образование трещин при деформации или нагревании.

Противоположный метод основан на применении однополимерных композитов или так называемых гомокомпозитов. Мезомасштабная усиливающая сеть гомокомпозитов сделана из материала, который химически идентичен материалу первичной матрицы. Сети гомокомпозитного армирования позволяют модулировать механические свойства первичной (основной) матрицы без напряжения, точек расслоения и т.д. Звучит очень многообещающе, но и тут есть проблема изготовление HHG (от homocomposite hydrogel, т.е. гомокомпозитный гидрогель) является крайне сложным процессом из-за отсутствия методов создания армирующих сетей с тем же химическим составом, что и матрица гидрогеля.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают новый тип HHG, в котором как первичная гелевая матрица, так и армирующая сеть состоят из альгината натрия (SA от sodium alginate; C6H9NaO7). Эти HHG усилены фибриллярной сетью альгинатных мягких дендритных коллоидов (SDC от soft dendritic colloid). SDC это иерархически структурированный класс мягкой материи, синтезированный посредством процесса осаждения, вызванного сдвигом, в турбулентной среде.

Высокая степень разветвления вокруг ядер частиц SDC делает их морфологически похожими на полимерные молекулярные дендримеры. Однако SDC намного больше, чем эти дендримеры. Ученые считают, что иерархически разветвленные SDC могут быть отличным вариантом для эффективного армирования композитных материалов. Важен тот момент, что ответвления SDC покрывают большую площадь поверхности, что может повысить стабильность композита за счет более равномерного распределения нагрузки.

Результаты исследования


Первым делом необходимо было изготовить мягкие дендритные коллоиды из альгината (т.е. SDC), которые должны были послужить армирующими сетками. Для этого было использовано турбулентное осаждение. Для получения SDC гидрогеля раствор альгината (120190 кДа) вводили в водный раствор ионов Ca2+, которые эффективно связывают две -COO- боковые группы на основной цепи альгината ().


Изображение 1

Процесс осаждения приводит к образованию SDC с характерной иерархической морфологией (1b) с разветвлением разного масштаба и поколениями (вторичными ответвлениями) волокон. Фактически SDC состоят из волокон микронного размера, которые многократно разветвляются на все более тонкие волокна. Самый внешний слой (корона), окружающий каждый SDC, состоит из гибких нановолокон, толщина которых может достигать 10 нм (1b). Нановолокна в коронах наделяют их физической адгезией, которая является основным фактором способности дендриколлоидов создавать структурную прочность коллоидной сети. Конечный размер обычных SDC, включая их корону, находится в диапазоне 100500 мкм.

Далее необходимо было оценить вязкоупругие свойства водных суспензий SDC. В первую очередь ученые проверили, образуют ли альгинатные SDC гидрогели коллоидной сети при низких объемных долях в воде. В теории в водных суспензиях контактирующие SDC будут прочно прилипать за счет сил Ван-дер-Ваальса с образованием перколяционной* сети субконтактов разветвленных волокон (2a).
Перколяция* в химии явление протекания или непротекания жидкостей через пористые материалы.

Изображение 2

Оценка модулей накопления (G') и потерь (G) суспензий SDC в линейной вязкоупругой области показала, что SDC имеют сильную склонность к образованию коллоидных сетей.
Динамический модуль*: совокупность динамического модуля G может быть использована, чтобы представить соотношение между колебательным напряжением и нагрузкой:

G = G +iG

где i2 = -1; G модуль накопления; G модуль потерь.
Предел текучести наблюдался в водных суспензиях 0.25 мас.% SDC, т.е. при более низкой концентрации, чем в большинстве типов обычных коллоидных гелей.

Суспензия 1.0 мас.% SDC показала значение G '= 200 Па, тогда как заявленное значение для 1.0 мас.% альгинатных микрогелей должно быть 10100 Па. Т.е. суспензии SDC обладают более выраженными твердоподобными характеристиками, чем суспензии обычных альгинатных частиц.

Непрерывная фаза HHG состоит из молекулярного альгинатного геля, объединенного ионами Ca2+. Первым делом ученые проанализировали свойства молекулярных гидрогелей, содержащих из 1.0 мас.% связанного альгината, но без SDC. Гидрогель был получен путем добавления наночастиц CaCO3 и -лактона D-глюконовой кислоты (GDL) к раствору SA. Поскольку GDL подвергается гидролизу и понижает pH, CaCO3 медленно высвобождал ионы Ca2+. Спустя 2 часа уравновешивания были получены данные касательно вязкоупругих свойств гидрогеля (2c). При концентрации CaCO3 выше 0.05 мас.% гидрогель вел себя как твердое вещество. При дальнейшем введении Ca2+ в гидрогель его жесткость продолжала увеличиваться. Но при CaCO3 выше 0.2 мас.% наблюдался синерезис (старении структуры) гидрогеля с последующим выделением воды. В результате было установлено, что для поддержания стабильности гидрогеля в его составе должно быть 1.0 мас.% SA и 0.1 мас.% CaCO3.

В итоге у исследователей было на руках две составляющие, которые требовали объединения, SA SDC (альгинатные мягкие дендритные коллоиды) и молекулярная матрица SA CMH (альгинатный гель, связанный ионами Ca2+).

Было синтезировано множество гибридных HHG, где общая концентрация SA поддерживалась на постоянном уровне в 1 мас.%, а отношение SDC к CMH варьировалось.


Изображение 3

Все образцы, полученные таким путем, демонстрировали характеристики твердого вещества (3a). Характерные кривые напряжение-деформация (3b), полученные при испытании на механическое растяжение, также демонстрируют, что гибридные HHG имеют большую жесткость, чем гели только из SDC или CMH. На графике 3c показаны данные измерений растяжения-деформации и реометрии всех образцов. Анализ этих данных показывает, что гомокомпозитные системы, содержащие смешанные SDC и CMH, проявляют сильный синергетический эффект. Значения комплексного модуля (G) и модуля Юнга (E) для гомокомпозитных гелей показали трехкратное увеличение с максимумами при низких отношениях SDC к CMH.

Однако это нельзя приписывать исключительно увеличение концентрации Ca2+ в гомокомпозитной системе. Так максимальный модуль сдвига в HHG (G = 950 Па при 0.125 мас.% SDC / 0.875 мас.% CMH) не соответствует самой высокой концентрации Ca2+, поскольку дальнейшее увеличение доли SDC снижает получаемую жесткость HHG.

Следовательно, сильный синергетический эффект, приводящий к увеличению механической прочности HHG, может быть непосредственно связан с физическим переплетением молекулярной SA и коллоидных сетей SDC (3d). Полученная структура сохраняет стабильность в большинстве сред, но может быть легко разрушена путем помещения ее в растворы сильных хелатирующих агентов, таких как ЭДТА (этилендиаминтетрауксусная кислота; C10H16N2O8).

Ученые отмечают, что еще одной важной особенностью разработанного гибридного гидрогеля является возможность менять кинетику его гелеобразования в зависимости.

Сначала была выполнена проверка зависимости гелеобразования от времени трех вариантов образцов: SDC, CMH и композитный HHG (концентрация SA у всех была одинаковой 1 мас.%).


Изображение 4

На графике 4a представлены результаты анализа чистой суспензии SDC. Видно, что SDC сразу проявляет твердое поведение без добавления CaCO3 или GDL. Это объясняется тем, что формирование этой сети происходит за счет контактного расщепления и переплетения фибриллярных дендриколлоидов.

С другой стороны, чистый CMH сначала проявляет жидкое поведение и постепенно затвердевает по мере высвобождения связывающего агента Ca2+ в результате гидролиза. CMH становится полностью связанной структурой спустя 120 минут (4b).

Важно отметить, что зависимая от времени эволюция HHG напрямую зависит от кинетики, с которой SDC и CMH (основные составные элементы HHG) собираются в сети. Изначально происходит затвердевание HHG из-за гелеобразования механически жесткой сети SDC. Затем формируется более прочный гидрогель, поскольку взаимопроникающая молекулярная сеть CMH становится связанной ионами Ca2+ (4c и 4d).

Эти свойства материала показывают контролируемые начальные напряжения текучести и медленное нарастание эластичности гидрогеля с течением времени. Следовательно, подобный материал можно использовать в 3D-печати, что ученые и решили проверить на следующем этапе исследования.

Факт того, что созданный гидрогель является гомокомпозитной системой, позволяет точно контролировать его свойства. За счет этого такой гидрогель можно использовать в 3D-печати с помощью экструзии, что ранее было крайне сложной задачей. Для примера, оба SDC и CMH не пригодны для экструзии в своей чистой форме, в отличие от гибридного HHG.

Возможность контролировать свойства гидрогеля позволяют создать чернила для экструзии, в которых не зависящие от времени предел текучести и время затвердевания могут быть настроены так, как это угодно человеку.

Синергетический эффект в смешанных композитах SA-SDC.

Поскольку 3D-принтер применяет перепад давления, превышающий предел текучести HHG, экструдированная форма сохраняется за счет быстрого гелеобразования сети SDC (4c, видео выше).


Изображение 5

Важно и то, что разработанный гидрогель можно было использовать для печати в обычных условиях без дополнительной обработки или подготовки материала (). Примечательно, что G чистой суспензии SDC (1500 Па) почти на четыре порядка больше, чем у смеси CMH при до добавления GDL (0.5 Па; 5b).

Несмотря на максимальную жесткость геля HHG, возникающую при более низких относительных соотношениях SDC/CMH (4c), HHG с более высоким относительным содержанием SDC давали больше нитей с улучшенным наслоением (видео ниже).

3D-печать многослойной структуры путем экструзии.

На 5a и 5c показан процесс 3D-печати гомокомпозитного гидрогеля методом прямой экструзии. HHG экструдируется через сопло (25 G, внутренний диаметр 0.26 мм) при 140 кПа, и гель сохраняет свою форму благодаря пределу текучести (80 Па). Дополнительное формирование структур в z-направлении может быть достигнуто путем наложения последовательных слоев, которые, как было обнаружено, хорошо прилегают к нижележащим. Ученым удалось добиться аддитивной печати более 10 слоев гидрогеля в вертикальном направлении без снижения скорости экструзии. После затвердевания (60 минут) готовую напечатанную структуру можно было легко удалить с подложки (5d). Если же есть необходимость в структуре больших размеров, то тут необходима поэтапная экструзия, дающая дополнительное время для затвердевания геля, также необходимо увеличить предел текучести материала за счет изменения состава HHG.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


В данном труде ученые продемонстрировали свое удивительное творение композитный гидрогель, свойствами которого можно манипулировать в зависимости от потребностей конечного пользователя. Созданный ими гидрогель отлично подходит для 3D-печати посредством экструзии, чем не могли похвастаться предшествующие гидрогели.

Ученые заявляют, что материалы на водной не отличаются особой прочностью, они хрупкие и мягкие, что вполне ожидаемо. Однако, если объединить альгинатные мягкие дендритные коллоиды и альгинатный гель, связанный ионами Ca2+, то можно получить гидрогель с повышенной прочностью. Другими словами, они объединили два разных гидрогеля в один, свойства которого превосходят свойства его составных.

К вариантам применения нового гидрогеля его создатели относят медицину, пищевую промышленность и мягкую робототехнику. Но до полноценного использования еще далеко, так как гидрогель требует доработок. В частности, ученые хотят изменить гидрогель так, чтобы его можно было применять в 3D-печати биомедицинских инъекционных материалов.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Дыхательная недостаточность кишечник в помощь легким

21.05.2021 10:23:30 | Автор: admin


Подавляющему большинству организмов на Земле для нормальной жизнедеятельности необходим кислород. Несмотря на эту общую потребность, разные существа используют разные методы его получения, которые часто зависят от среды их обитания. Очевидный пример это рыбы, способные дышать под водой. Но даже в неводной среде условия атмосферы могут сильно отличаться, от чего некоторые организмы, будучи разными видами из общего рода/семейства, обладают разными системами получения кислорода. Однако между морскими и сухопутными обитателями имеются некоторые общие черты. Так ученые из Токийского медико-стоматологического университета выяснили, что млекопитающие способны дышать кишечником, как это умеют морские огурцы или пресноводные вьюны. Как именно происходит дыхание через кишечник, насколько эффективна такая система доставки кислорода, и как полученные знания можно применить для помощи пациентам с дыхательной недостаточностью? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Стоит отметить, что водоем водоему рознь. Условия в океане отличаются от условий в реке или озере, и дело даже не в солености воды, но и в кислородной насыщенности. Соленая вода содержит меньше кислорода, чем пресная: на поверхности концентрация составляет примерно 9 мг/л возле полюсов и 4 мг/л возле экватора. И это не учитывая изменения концентрации в зависимости от глубины, сезона года и даже от времени суток.


Схема распределения растворенного кислорода на поверхности океанов.

Многие факторы, влияющие на уровень кислорода в воде, общие для соленых и пресных водоемов. Любой пресноводный водоем (с достаточной глубиной) можно разделить на несколько слоев: эпилимнион, металимнион, гиполимнион и монимолимнион.


Схема стратификации (разделения на слои) озера (слева) и океана (справа).

Эпилимнион и металимнион разделены термоклином, участком глубины, где температура воды начинает постепенно снижаться. Металимнион и гиполимнион разделены хемоклином, где начинаются определенные изменения в химическом составе воды.

Океаны, в отличие от озер, разделяются на слои как вертикально (по глубине толщи воды), так и горизонтально (рельеф). К вертикальным слоям относятся: эпипелагический, мезопелагический, батипелагический, абиссопелагический и хадальпелагический.

Если не вдаваться в подробности, то и в пресных, и в соленых водоемах разделение на слои обусловлено воздействием солнечного света и контактом с атмосферой. Верхний слой любого водоема всегда получает максимум солнечного света и, естественно, единственный, контактирующий с атмосферой. Конечно, не стоит исключать и промежуточные слои (термоклин и хемоклин), которые в океанах вообще могут быть вертикальными (больше информации о растворенном кислороде можно найти тут).


Уровни требуемой концентрации кислорода для разных видов водных обитателей: пресные водоемы (слева) и океаны (справа).

Зная то, что концентрация кислорода в водоемах различна в зависимости от глубины, становится ясно, что организмы, обитающие на разных глубинах, нуждаются в разных уровнях кислорода в воде. Однако в некоторых случаях помимо классического дыхания существо в ходе эволюции приобретает альтернативный или вспомогательный метод получения кислорода, дабы лучше адаптироваться к существованию в среде, где его крайне мало.

Например, вьюны (Misgumus anguillicandatus), морские огурцы, род сомообразных Corydoras и даже пауки вида Tetragnatha praedonia для дыхания используют постериальный (задний) кишечник. Вполне ожидаемо, что ученые, узнав об этом, захотели выяснить, способны ли на такое млекопитающие, в том числе и люди. В 1950-х и 1960-х годах проводилось немало исследований в этом направлении, однако их результаты были мягко говоря спорными, а порой и вовсе ошибочными. Возможно, это связано с тем, что изучалось дыхание посредством верхних отделов кишечника.

Если же обратить внимание на прямую кишку человека (не думал, что использую подобную формулировку), но можно увидеть, что она содержит тонкий слой слизистой, содержащей большое число мелких сосудов, связанных с основным кровотоком организма. Следовательно, лекарственные препараты, вводимые ректально, крайне быстро проникают в кровоток. Имея в своем распоряжении эти факты авторы рассматриваемого нами сегодня труда решили проверить, можно ли реализовать газообмен через постериальный кишечник у млекопитающих, и какой эффект он окажет в случае дыхательной недостаточности.

Результаты исследования


Первым делом необходимо было детально изучить организм, который точно способен дышать (т.е. получать кислород из окружающей среды) с помощью кишечника. Одним из таких организмов является, как мы уже знаем, вьюн.


Изображение 1

У вьюна задняя часть кишечника состоит из очень тонкого эпителиального слоя, обильных капиллярных сосудов и эритроцитов, которые в условиях обширной гипоксии обеспечивают получение кислорода (O2). Была проведена численная оценка газообменной функции стенок кишечника. Механическое удаление слизистой увеличило уровень растворенного O2 в нижней полой вене* на 13.6 5.66 мм рт. ст. (1A-1C).
Нижняя полая вена* большая вена, открывающаяся в правое предсердие и собирающая венозную кровь от стенок брюшной полости, парных органов брюшной полости и нижней части тела.
Количественный анализ ОТ-ПЦР (полимеразная цепная реакция с обратной транскрипцией) показал, что после умеренного или сильного стирания слизистой гены Vegfa (связан с васкуляризацией) и Anxa1 (связан с воспалением слизистой), значительно увеличились в кишечнике мышей, как и в кишечнике вьюна.

Из этого следует, что механическое удаление слизистой оболочки значительно облегчает энтеральную вентиляцию газов через задний проход (g-EVA от gas enteral ventilation via anus), т.е. газообмен через дистальный отдел кишечника.

Ученые отмечают, что слизистая оболочка кишечного эпителия представляет собой анаэробную среду с PO2 < 10 мм рт. ст. и реагирует на гипоксическую стимуляцию. Для оценки изменений локальной тканевой гипоксии было проведено иммунохимическое окрашивание кишечника мышей с помощью Hypoxyprobe-1. Подопытные были подвержены гипоксии (FiO2 = 0.10, т.е. фракция кислорода во вдыхаемом воздухе) с или без g-EVA.

При отсутствии g-EVA у мышей без гипоксии (контрольная группа) наблюдалось окрашивание клекот (гипоксические клетки) только в эпителии слизистой оболочки. Но при гипоксии количество окрашенных клеток увеличилось и распределилось по слизистой, подслизистой и по соединительных тканях (1D). У мышей с g-EVA уровень окрашенных клеток, как и у контрольной группы, сохранялся на достаточно низком уровне.

Ученые также проверили, обладает ли g-EVA системным оксигенационным действием, т.е. может ли этот метод применяться в терапевтических целях. Контрольная группа с летальной гипоксией (FiO2 = 0.08) показала выживаемость 0% с медианой выживаемости < 700 секунд (около 11 минут). Группа с g-EVA и интактным кишечником показали среднюю выживаемость 1127 секунд (чуть больше 18 минут), а группа с g-EVA после удаления слизистой показала выживаемость 75% спустя 50 минут (1E). Также было отмечено, что парциальное давление O2 в нижней полой вене у группы с g-EVA было ощутимо выше, чем у контрольной группы. Уровни венозного давления O2 для разных групп составляли (1F): контрольная 31.6 7.44; g-EVA + интактная слизистая 32.9 10.6; g-EVA + удаление слизистой 40.3 9.57 мм рт. ст. Венозный pH, венозное давление углекислого газа (CO2) и другие смежные показатели практически не отличались между всеми группами (1G).

Парциальное артериальное давление O2 в левом желудочке сердца при гипоксической ингаляции было выше в группе с абразивным (обработка слизистой) g-EVA, чем в группе без обработки: 40.0 2.94 и 63.3 6.94 мм рт. ст. соответственно (FiO2 = 0.10; 1I).

Из этих показателей следует, что вентиляция посредством g-EVA была эффективной для системной оксигенации и снижения воздействия летальной гипоксии.

Несмотря на успешность применения данной методики, ученые отмечают, что ее можно улучшить. В частности изменив форму вводимого кислорода, так как в виде газа его использование крайне ограничено, особенно в случае тяжелобольных пациентов.

В качестве альтернативы было предложено использовать оксигенированный перфтордекалин (PFD от perfluorodecalin) жидкости, которая обладает замечательной адсорбционной способностью к O2 и CO2. С ее помощью был создан вариант EVA на жидкостной основе (l-EVA от liquid-based EVA), который послужит заменой g-EVA на газовой основе.


Изображение 2

В результате был создан PFD, обогащенный O2, который далее в объеме 1 мл на особь вводился ректально трестируемым мышам (2A), размещенным в камерах с пониженным содержанием кислорода в воздухе (10%). Среднее давление O2 в PFD составило 438 19.9 мм рт. ст.

В ходе наблюдений было установлено, что применение l-EVA (т.е. жидкости, обогащенной кислородом) значительно снижало симптомы гипоксии (2B). Дальнейший мониторинг SpO2 мышей, подверженных гипоксической вентиляции (FiO2 = 0.10), показал, что снижение эффектов гипоксии продолжается в течение 60 минут после использования l-EVA (2C).

В условиях комнатной атмосферы (т.е. без применения искусственной вентиляции легких) давление O2 в нижней полой вене было у мышей из группы с l-EVA было значительно выше, чем у контрольной группы. Разница в давлении между этими группами составила 9.40 3.65 мм рт. ст. (2D). При этом венозный pH оставался одинаковым (2E), а венозное давление CO2, избыток оснований* и ионы бикарбоната показывали тенденции к снижению (2F).
Избыток оснований* количество кислоты, необходимое для восстановления нормального pH литра крови при PaCO2 40 мм рт. ст.
Парциальное давление O2 в левом желудочке сердца также было значительно выше в группе l-EVA, чем в контрольной группе даже спустя 60 минут. А спустя 120 минут после применения l-EVA наблюдалась максимальная разница в 23.8 3.11 мм рт. ст. Сравнение парциального давления O2 в желудочке сердца мышей из группы g-EVA (газовая форма) и из группы l-EVA (жидкостная форма) показал схожие результаты. Это указывает на то, что l-EVA может полноценно применяться в интактном кишечнике для восстановления оксигенации.

На следующем этапе исследования ученые выполнили проверку эффективности терапевтических свойств метода l-EVA на более крупных организмах (свиньи) в условиях нейтральной гиповентиляции (скорость вентиляции: 56 раз/мин).


Изображение 3

Далее был выполнен анализ SpO2 и газов крови после многократного интраректального введения O2-PFD (3A и 3B). После введения 400 мл O2-PFD уровни SpO2 и PaO2 увеличились на 15% (с 66.6% 24.1% до 81.8% 11.2%), т.е. на 13 мм рт. ст. (с 57.2 13.5 до 70,8 6.22 мм рт. ст.) (3C и 3D). Уровни pH, HCO3 и EtCO2 при этом оставались неизменными (3E, 3G и 3H). А уровень PaCO2 демонстрировал снижение с 61.5 18.8 до 54.4 10.5 мм рт. ст. (3F).

Процедура повторялась несколько раз. Это показало, что улучшения SpO2 и PaO2 за счет O2-PFD являются последовательными и воспроизводимыми (3C и 3D). Средняя стойкость улучшения SpO2 (> 5%) составила 18.7 2.31 минут на дозу O2-PFD.

В дополнение к вышеописанным тестам ученые провели анализ возможных негативных побочных эффектов применения l-EVA (в частности PFD составляющей вводимого вещества). Анализ показал, что уровень PFD находится ниже предела количественного определения (1 мг/мл). Осмотр подопытных также показал отсутствие каких-либо физиологических отклонений. Следовательно, метод l-EVA на данном этапе исследования не приводит к каким-либо побочным эффектам, однако это необходимо будет перепроверить в будущем в условиях более длительного/частого воздействия на организм.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


В данном труде ученые решили узнать, могут ли млекопитающие использовать свой кишечник для получения кислорода, как это делают некоторые морские обитатели (например, морские огурцы). Как оказалось, столь необычный метод оксигенации все же возможен. Для его реализации был создан раствор O2-PFD с высоким содержанием кислорода. Ректальное введение данного раствора в организм подопытных, подверженных искусственной гипоксии, привело к значительному увеличению концентрации O2 в крови, а также к ощутимому снижению эффектов гипоксии. Если точнее, то мыши, размещенные в камере с 10% кислорода в воздухе, могли гораздо дольше чувствовать себя нормально после применения оксигенации методом l-EVA. Подобные результаты наблюдались и у более крупных животных (свиней).

Результаты этого исследования не говорят о том, что классические методы искусственной вентиляции в случаях дыхательной недостаточности будут заменены на l-EVA. Они показывают, что есть возможность и, главное, резон использовать l-EVA в качестве вспомогательного инструмента для получения дополнительного терапевтического эффекта.

Учитывая перспективность методики и ситуацию с COVID-19, ученые намерены незамедлительно приступить к клиническим исследованиям на людях. По их словам, в условиях пандемии стала явной проблема нехватки систем искусственной вентиляции легких (ИВЛ) во многих госпиталях. Использование l-EVA может быть крайне полезным в ситуациях, когда для пациента попросту не осталось свободных ИВЛ.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Хлопай ресницами и шагай создание искусственных цилий, движимых магнитным полем

26.05.2021 10:15:20 | Автор: admin


Для многих организмов движение это жизнь. Некоторые, конечно, могут оспорить это выражение, но большинство все же нуждается в перемещении для добычи пищи, поисков партнера, побега от недоброжелателя и т.д. Несмотря на свои миниатюрные габариты, многие микроорганизмы крайне активны. В зависимости от среды обитания и образа жизни их передвижения реализуются по-разному: кто-то машет жгутиком из стороны в сторону, кто-то им вращает по спирали, а у кого-то тело покрыто волоскообразными отростками, движущимися волной, как болельщики на стадионе. Именно о последних и пойдет речь сегодня. Ученые из Американского химического общества (Вашингтон, США) разработали искусственные реснички, имитирующие оные у микроорганизмов, которые можно привести в движение с помощью контролируемого магнитного поля. Из чего сделаны искусственные реснички, какие принципы лежат в основе их движения, и где можно применить столь необычную разработку? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Реснички (или цилии от cilia) это не только то, чем можно хлопать, выражая полную ошарашенность вопросом на экзамене. На самом деле это лишь термин, обозначающий волоскообразную структуру малых размеров. Реснички являются весьма популярным инструментом для передвижения в микромире. Визуальной особенностью движения таких ресничек является их метахронность, т.е. последовательное движение одной реснички за другой. Подобный эффект можно наблюдать в движении конечностей многоножки или в движении сегментов тела червя.

Пример наличия ресничек на теле микроогранизмов (в видео представлены инфузории Paramecium bursaria, P. caudatum и Oxytricia).

Для микромира метахронность ресничек обеспечивает движение в жидкостной среде, что крайне важно, например, для реализации некоторых процессов в теле человека. Вполне ожидаемо, что для ученых это является крайне привлекательным объектом исследований, так как его можно использовать и в создании робототехники, и в микробиологии. Попытки создания искусственных цилий уже были, но не без проблем. В большинстве случаев реснички либо двигались синхронно (что не является самым эффективным), либо для их создания требовались сложные установки и дорогостоящие материалы.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые предлагают новый и крайне простой метод создания метахронных микроскопических магнитных искусственных ресничек (MAC от microscopic magnetic artificial cilia). Движение MAC обеспечивается контролируемым распределением парамагнитных частиц в массиве ресничек с последующим применением магнитного поля.

Поскольку парамагнитные частицы имеют тенденцию выравниваться (объединяться) под воздействием магнитного поля, соседствующие реснички будут принимать различные распределения парамагнитных частиц. Ввиду этого они будут иметь разные магнитные свойства. Следовательно, геометрически идентичные MAC будут демонстрировать неодинаковое поведение при изгибе в статическом однородном магнитном поле и совершать метахронное движение.

Созданные структуры из массивов ресничек обладают рядом преимуществ: простота изготовления, легкость активации (нужно лишь магнитное поле), эффективная перекачка жидкостей, возможность создания мягких роботов. К слову, мягкие роботы с MAC, по словам ученых, способны переносить массу в 10 раз больше собственной и заползать на поверхности под углом от 0 до 180.

Результаты исследования


Для создания MAC (1A) были использованы полидиметилсилоксан (PDMS от polydimethylsiloxane) и парамагнитный порошок карбонильного железа (CIP от carbonyl iron powder).


Изображение 1

Учитывая, что парамагнитные частицы имеют тенденцию образовывать цепочки, которые выровнены с направлением приложенного магнитного поля, в форму был помещен массив стержневых магнитов. Эти магниты расположены так, чтобы иметь чередующуюся дипольную ориентацию между последовательными магнитами (1A(v)). За счет этого в структуре генерируется неоднородное, но периодическое магнитное поле (1B), из-за чего цепочки парамагнитных частиц имеют разную ориентацию в соседствующих ресничках (1A(vi)).

Процесс выравнивания парамагнитных частиц, когда к пресс-форме приближается стержнеобразный магнитный массив.

Изготовленные MAC размещались в виде прямоугольной решетки (1C), а каждая ресничка была цилиндрической формы с диаметром 50 мкм и высотой 350 мкм (1D). В основе решетки была немагнитная подложка из PDMS. Поскольку стержневые магниты имеют диаметр 4 мм, период генерируемого магнитного поля также составляет 4 мм (1B). Длина массива MAC была выбрана примерно равной периоду магнитного поля (4 мм), ширина при этом должна была быть таковой, чтобы включать 10 ресничек. Следовательно, было создано несколько массивов с разным шагом и разным числом ресничек: 350 мкм 12 х 10 = 120 ресничек; 450 мкм 9 х 10 = 90 ресничек; 550 мкм 8 х 10 = 80 ресничек.

Красные стрелки на 1B показывают плотность магнитного потока (B), приложенного к центральной части массива MAC, которая составляет примерно 700 мкм (половина высоты ресничек (~175 мкм) плюс толщина кремниевой пластины (~525 мкм) над поверхностью магнитной решетки.

На 1E показано ожидаемое выравнивание парамагнитных частиц в одном ряду массива MAC с шагом 350 мкм, полученное в ходе моделирования. А на 1F показаны уже экспериментальные данные по массиву MAC, изготовленного из композита PDMS/CIP с массовым соотношением 2:1.


Изображение 2

На 2A показано распределение магнитных частиц при различных концентрациях и соответствующее изменение MAC (изгиб) в статическом вертикальном однородном магнитном поле 280 мТл.

В ходе опытов использовались и контрольные MAC, в которых распределение парамагнитных частиц было вдоль длинной оси ресничек. В отличие от контрольных MAC, которые не изгибаются вообще, тестовые MAC демонстрируют разницу углов изгиба между соседними ресничками для всех трех концентраций магнитных частиц. Это связано с тем, что направление намагничивания каждой реснички близко к направлению ориентации магнитной частицы: магнитная анизотропия MAC вызвана как анизотропией формы самой реснички, так и анизотропией выравнивания магнитной частицы. Следовательно, из-за возникающего магнитного момента в однородном магнитном поле ресничка изгибается так, чтобы выровнять направление своей цепочки магнитных частиц с приложенным магнитным полем (2B). А степень изгиба зависит от направления и величины намагниченности, а также от жесткости ресничек.

Поскольку выравнивание частиц у соседствующих ресничек разное, они демонстрируют разный изгиб, тем самым реализуя метахрональное движение в однородном магнитном поле (т.е. поле одинаково для всех ресничек).

На графике 2C показаны результаты количественного анализа выравнивания частиц. Для массива ресничек с PDMS/CIP 1:1 выравнивание частиц показывает некоторые вариации для ресничек в том же столбце. Это может быть связано с тем, что высокая концентрация частиц приводит к нежелательному соединению цепочки частиц вдоль длинной оси ресничек. Для контрольного MAC, напротив, направление цепочки частиц почти идеально ориентировано вдоль длинной оси. На 2D показан угол изгиба ( на 2A) этих MAC в однородном вертикальном магнитном поле 280 мТл. По результатам анализа видно, что MAC с PDMS/CIP соотношением 2:1 демонстрируют самый плавный переход угла изгиба от реснички к ресничке, т.е. наблюдается метахрония. Попытки использовать соотношение PDMS/CIP 4:1 закончились не очень успешно (2E), так как реснички изгибались непоследовательно. Это связано с неоднородностью смеси, что приводит к относительно большому изменению магнитных свойств MAC внутри одной колонки ресниц.

На 2F показано поведение ресничек, расположенных на двух конечных сторонах одного ряда MAC, в ответ на магнитное поле разной силы. Как и ожидалось, обе реснички демонстрируют одинаковое поведение.

Их угол изгиба сначала медленно увеличивается до 80 мТл магнитного поля, затем резко увеличивается, когда поле между 80 и 120 мТл, и снова медленно увеличивается, когда поле выше 120 мТл. Такое поведение является результатом конкуренции между упругой жесткостью реснички и магнитным моментом, действующим на ресничку.

Поведение при изгибе всего ряда MAC при воздействии магнитного поля.

Дабы проверить, будет ли массив метахронно двигаться за счет воздействия магнитного поля, была создана тестовая установка из двух постоянных магнитов (50 х 50 х 12.5 мм) с противоположными магнитными полюсами, обращенными друг к другу на расстоянии 50 мм (3A).


Изображение 3

Магниты установлены в раме с приводом от электродвигателя. Таким образом, двумерное вращающееся квазиоднородное магнитное поле силой приблизительно 150 мТл создается в центральном пространстве между двумя магнитами, где расположен массив MAC.

На поверхности массива MAC расположен микрожидкостный чип (), а сам массив расположен внутри квадратного циркуляционного канала с прямоугольным поперечным сечением (высота 2 мм и ширина 6 мм). Камера, установленная на микроскопе, использовалась для наблюдения за движением массива во вращающемся однородном магнитном поле и за генерируемым потоком жидкости ().

На 3C показано движение одного ряда MAC (шаг 550 мкм) во вращающемся однородном магнитном поле с частотой 1 Гц в воде.

Движение одного ряда MAC (шаг 550 мкм) во вращающемся однородном магнитном поле.

Стоит отметить, что частота MAC в два раза превышает частоту вращения магнитов, что вызвано симметрией генерируемого магнитного поля в первой и второй половинах одного цикла вращения двигателя. Также на 3C отчетливо видно, что массив MAC совершает волнообразное движение, т.е. демонстрирует метахронию.

В отличие от тестируемых MAC, контрольные MAC демонстрируют синхронное движение ресничек.

Шаг в 550 мкм между ресничками был выбран, так как при меньшем шаге недостаточно пространства для совершения движения ресничек без их соприкасания, как при шаге в 350 мкм.

На 3D видно, что каждая ресничка выполняет двумерное симметричное движение, состоящее из двух рывков:

  • магнитный удар, когда ресничка в основном следует за приложенным магнитным полем и изгибается влево, тем самым накапливая упругую энергию;
  • упругий ход, когда кончик реснички начинает двигаться вверх и возвращается в исходное положение, высвобождая накопленную упругую энергию.

Демонстрация движения реснички в воде и в глицерине.

В видео выше видно, что ресничка колеблется в течение определенного времени в конце упругого удара, прежде чем она достигнет состояния равновесия в воде, но не в глицерине. Это результат конкуренции между силами упругости, магнитными силами и вязким сопротивлением жидкости, последнее примерно в 1000 раз больше в глицерине, чем в воде.

Также видно, что соседние реснички совершают движения с разными углами раскрытия. В частности, движение ресничек 4, 5 и 6 имеет больший угол раскрытия, чем у других. Это вызвано тем фактом, что реснички в центральной части массива MAC (реснички 4, 5 и 6) содержат более длинные цепочки магнитных частиц и, следовательно, более сильную намагниченность, чем реснички на обоих концах массива (реснички 1, 2, 3, 7 и 8). Кроме того, левая часть массива MAC выполняет почти точно такое же движение, что и правая часть массива MAC, то есть поведение симметрично относительно центра массива. Это связано с одинаковым распределением магнитных частиц в противоположных ресничках.

Метахронное движение MAC приводило к генерации жидкостного потока воды (3E) и глицерина (3F) в микрофлюидном чипе. Максимальная скорость потока воды составила 220 мкм/с, которая создается метахрональным MAC с шагом 350 мкм при 10 Гц. Это соответствует объемному расходу 85 мкл/мин и локальному падению давления 0.027 Па в микрофлюидном канале.

Максимальная скорость потока глицерина составляет 5.5 мкм/с, что также была получена при использовании MAC с шагом 350 мкм и 10 Гц. Это соответствует объемному расходу 2.1 мкл/мин и локальному падению давления 1 Па в микрофлюидном канале.

Ученые заявляют, если детальнее рассмотреть графики 3E и 3F, то можно установить следующее:

  • генерируемый поток воды имеет то же направление, что и направление распространения метахрональной волны, и направление упругого хода, а поток глицерина противоположен направлению распространения метахрональной волны;
  • контрольный MAC не приводил к возникновению потоков глицерина;
  • массив MAC с меньшим шагом, т.е. с большим числом ресничек, генерирует более сильный поток воды, но это не всегда так для глицерина;
  • скорость воды линейно увеличивается с частотой взмахов MAC, а скорость глицерина имеет менее линейную зависимость от частоты взмахов ресничек;
  • поток воды, создаваемый метахрональным MAC, примерно в два раза больше потока, создаваемого контрольным MAC.


Изображение 4

В основе происходящего лежат инерционные эффекты, асимметричное движение и, естественно, метахрония. На 4A видно, что максимальная скорость внешнего кончика реснички во время упругого удара в воде находится в пределах нескольких м/с, что приводит к максимальному локальному числу Рейнольдса* (Remax) в пределах сотен, независимо от частоты взмахов (4B). Среднее значение Re составляет 0.1 при 1 Гц и 1 при 10 Гц.
Число Рейнольдса* величина, описывающая отношение инерционных сил к силам вязкого трения в вязких жидкостях и газах.
Из этого следует, что инерционные эффекты преобладают над вязкими эффектами в воде во время упругого хода, но не во время магнитного. В глицерине, с другой стороны, реснички движутся намного медленнее, а Remax намного меньше 1 в течение всего цикла, т.е. преобладают вязкие эффекты.

На 4C видно, что каждая ресничка соприкасается с той же областью во время магнитного хода и во время упругого. Это означает, что движение MAC является симметричным как в воде, так и в глицерине.

За счет вышеописанных данных можно объяснить разницу в направлении потоков воды и глицерина. В глицерине работает только метахрония, и противофазное движение массива MAC создает чистый градиент давления, который приводит к потоку, противоположному направлению метахрональной волны.

Если же говорить о воде, то тут действует не только метахрония, но и инерционные эффекты. Последние приводят к формированию потока в направлении упругого удара, то есть в направлении распространения метахронной волны.

Важно отметить, что любые эффекты, воздействующие на MAC и на потоки жидкости, поддаются не только численной оценке, но и манипуляции, за счет чего можно менять свойства массива и, как следствие, его функционал.

Одним из самых очевидных вариантов применения MAC являются мягкие роботы, интерес к которым за последние годы растет в геометрической прогрессии. Создатели MAC решили продемонстрировать, что их разработка отлично подходит для создания роботов, способных за счет метахронального движения ресничек перемещаться как по плоской поверхности, так и взбираться на склоны с углом до 180 (в воздушной, не в жидкостной среде).

В качестве испытуемого робота выступил массив MAC с шагом 350 мкм (т.е. 12 х 10 = 120 ресничек), длина которого составила 4 мм, а ширина 3.5 мм. В опытах было задействовано два типа роботов: метахронные из метахрональных MAC; контрольные из синхронно движущихся MAC.

Демонстрация движение метахронного робота (соответствует снимкам на 5A).


Изображение 5

Стоит отметить, что все поверхности (стекло), по которым роботы должны были перемещаться, были покрыты тонким слоем смазочного материала, чтобы обеспечить нужную адгезию между MAC и поверхностью. Из-за слишком низкой адгезии (слишком много смазки) реснитчатый робот останется прилипшим к поверхности, не двигаясь вперед, а из-за слишком высокой адгезии (отсутствует или мало смазки) робот вообще не сможет двигаться. На количественно показано смещение центральной точки тела робота как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении.

В начале опыта магнитное поле перпендикулярно поверхности стекла, а MAC изгибаются в направлении, которое зависит от их расположения в массиве. Когда магнитное поле начинает вращаться по часовой стрелке передние MAC (справа) начинают изгибаться влево. Из-за адгезии между ресничками и поверхностью это движение заставляет тело метахрональных мягких роботов (толщиной 150 мкм) двигаться вперед. При этом задние MAC пытаются изгибаться вправо, но из-за трения они остаются более изогнутыми влево и перемещаются вперед вместе со всем телом робота. С течением времени, когда магнитное поле продолжает вращаться, центральная часть тела робота перемещается вниз вместе с изгибом MAC в средней части массива, что толкает робота вперед. На 0.6-0.8 секунде вращения магнитного поля массив MAC метахронно изгибается вправо, что поднимает робота вверх и толкает его немного назад в результате конкуренции между силами трения и сцепления, действующими на передние и задние MAC, соответственно. В завершение цикла (на 0.8-1.0 секунде вращения поля) передние MAC возвращается в исходное положение, чем еще раз толкают робота вперед. В результате за один цикл вращения поля метахрональный робот продвинулся вперед примерно на 0.35 мм. Стоит отметить, что направление движения робота можно изменить на противоположное, если просто изменить направление вращения магнитного поля также на противоположное (5C).

Демонстрация двунаправленного движения робота.

Метахронные роботы двигались в три раза быстрее роботов из контрольной группы (5D). Отличие было и в форме тела роботов: у метахронного оно изгибалось в ходе движения, а у контрольно оставалось неизменным.

Демонстрация робота из контрольной группы, движение ресничек которого было синхронным, а не последовательным.

Максимальная скорость движения робота составила 2.3 м/с при 10 Гц (5E), что соответствует примерно 7-кратной длине ресничек в секунду, а это можно сравнить со скоростью бега у человека.

В заключение ученые показали, насколько эффективно их роботы преодолевают препятствия, и какие грузы могут при этом переносить.


Изображение 6

На 6A показано, что робот может преодолевать небольшой холм с уклоном в 45. Основные проблемы возникают в точке образования склона, так как лишь часть массива MAC может касаться поверхности в этих местах.

Демонстрация способности робота взбираться на склон.

На 6B показаны результаты тестов, в ходе которых на роботов помещали различный груз, а они должны были преодолеть склон разного наклона так в воздушной, так и в жидкостной среде. Прежде всего видно, что роботы могут преодолевать склоны до 180 в воздухе. Это возможно за счет адгезии ресничек к поверхности, преодолевающей силу тяжести. При этом силы сцепления, управляющие движением, остаются одинаковыми для всех склонов.

Демонстрация способности робота преодолевать склоны с разным углом наклона (от 0 до 180).

На 6C показано, что метахронный робот весом 2 мг может нести стеклянное зерно весом 25 мг в воде со скоростью 0.2 длины ресничек за цикл и в этаноле со скоростью 0.3 длины ресничек за цикл.

Демонстрация способности робота двигаться с грузом.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


В данном исследовании ученые в очередной раз обратились за вдохновением к самому известному его источнику к природе. Многие микроскопические организмы, некоторые виды клеток и даже целые биологические системы оснащены мелкими цилиями (ресничками), с помощью которых они осуществляют движение (себя либо чего-то другого). Важной особенностью этих ресничек является их последовательное движение, т.е. метахрония.

Ученые создали массив, состоящий из одинаковых искусственных ресничек, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. В каждой из них содержалось определенное число парамагнитных частиц, реагирующий на воздействие магнитного поля. Когда массив помещали внутрь установки, состоящей из двух противоположно расположенных вращающихся магнитов, реснички начали реагировать на вращающееся магнитное поле.

За счет этого массив двигался вперед (или назад, если магнитное поле вращалось в обратную сторону) как в воздушной среде, так и в жидкостной (вода или глицерин). По мнению ученых их разработка отлично подойдет для создания мягких роботов, что они и продемонстрировали на практике. Созданный робот мог двигаться и на плоской поверхности, и взбираться на крутые склоны, и даже переносить груз, значительно превышающий массу его тела. Максимальная скорость движения робота составила 2.3 м/с, что сравнимо со скоростью бега человека.

Данная разработка, как и любое новое творение, требует совершенствования, чем ученые и намерены заняться в будущем. Однако уже сейчас они с уверенностью заявляют, что их детище отлично подойдет для создания микрофлюидных насосов и гибких мягких роботов для биомедицины.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Снежная слепота беспилотных авто

02.06.2021 10:16:01 | Автор: admin


У природы нет плохой погоды, каждая погода благодать. Слова этой лирической песни можно понимать образно, интерпретировав погоду как отношения между людьми. Можно понимать и буквально, что также верно, ибо не было бы снежной и холодной зимы, мы бы не так ценили лето, и наоборот. Но беспилотные автомобили лишены лирических чувств и поэтического мироощущения, для них далеко не вся погода благодать, особенно зимняя. Одной из основных проблем, с которыми сталкиваются разработчики робомобилей, это снижение точности датчиков, указывающих машине куда ей ехать, во время плохих погодных условий. Ученые из Мичиганского технологического университета создали базу данных погодных условий на дорогах глазами беспилотных авто. Эти данные были нужны дабы понять что нужно изменить или улучшить, чтобы зрение робомобилей во время снежной бури было не хуже, чем в ясный летний день. Насколько плохая погода влияет на датчики беспилотных авто, какой метод решения проблемы предлагают ученые, и насколько он эффективен? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Работу беспилотных авто можно сравнить с уравнением, в котором очень много переменных, которые нужно учесть все без исключения для получения верного результата. Пешеходы, другие авто, качество дорожного покрытия (видимость разделительных полос), целостность систем самого беспилотника и т.д. Многие исследования ученых, провокационные заявления политиков, колкие статьи журналистов базируются на связи между беспилотным автомобилем (далее просто авто или автомобиль) и пешеходом. Это вполне логично, ибо человек и его безопасность должны стоять на первом месте, особенно учитывая непредсказуемость его поведения. Морально-этические споры о том, кто будет виноват, если автомобиль собьет пешехода, выскочившего на дорогу, продолжаются до сих пор.

Однако, если убрать из нашего образного уравнения переменную пешеход, то все равно останется много потенциально опасных факторов. Погода является одним из них. Очевидно, что в плохую погоду (ливень или снежная буря) видимость может снизиться настолько, что порой приходится просто остановиться, ибо ехать нереально. Зрение автомобилей, конечно, сложно сравнить со зрением человека, но их датчики страдают от снижения видимости не меньше нас. С другой стороны у машин есть более широкий арсенал этих датчиков: камеры, радары диапазона миллиметровых волн (MMW), система глобального позиционирования (GPS), гиростабилизатор (IMU), система обнаружение и определение дальности с помощью света (LIDAR) и даже ультразвуковые системы. Несмотря на это многообразие органов чувств, автономные машины все еще слепы во время плохой погоды.

Дабы понять, в чем же дело, ученые предлагают рассмотреть аспекты, совокупность которых тем или иным образом влияет на возможное решение этой проблемы: семантическая сегментация, обнаружение проходимого (подходящего) пути и объединение датчиков.

При семантической сегментации вместо обнаружения объекта на изображении каждый пиксель классифицируется индивидуально и присваивается классу, который пиксель представляет лучше всего. Другими словами, семантическая сегментация это классификация на уровне пикселей. Классическая семантическая сегментация сверточная нейронная сеть (CNN от convolutional neural network) состоит из кодирующей и декодирующей сетей.

Кодирующая сеть понижает дискретизацию входных данных и извлекает функции, а декодирующая использует эти функции для восстановления и повышения дискретизации входных данных и, наконец, присваивает каждому пикселю тот или иной класс.

Двумя ключевыми компонентами в декодирующих сетях являются так называемые слой MaxUnpooling и слой свертки Transpose. Слой MaxUnpooling (аналог слоя MaxPooling операция пулинга с функцией максимума) необходим для снижения размерности обрабатываемых данных.


Пример операции MaxPooling.

Существует несколько методов распределения значений (т.е. пуллинга), которые имеют общую цель сохранить местоположения максимальных значений в слое MaxPooling и использовать эти местоположения для размещения максимальных значений обратно в совпадающие местоположения в соответствующем слое MaxUnpooling. Этот подход требует, чтобы сеть кодирования-декодирования была симметричной, в которой каждый уровень MaxPooling в кодере имеет соответствующий уровень MaxUnpooling на стороне декодера.

Другой подход разместить значения в заранее определенном месте (например, в верхнем левом углу) в области, на которую указывает ядро. Именно этот метод и был использован в моделировании, речь о котором пойдет немного позже.

Транспонированный сверточный слой противоположен обычному сверточному слою. Он состоит из движущегося ядра, которое сканирует входные данные и свертывает значения для заполнения выходного изображения. Объемом вывода обоих слоев, MaxUnpooling и транспонированного можно управлять, регулируя размер ядра, отступы и шаг.

Второй аспект, играющий важную роль в решении проблемы плохой погоды, является обнаружение проходимого пути.

Проходимый путь это пространство, в котором машина может безопасно двигаться в физическом смысле, т.е. обнаружение проезжей части. Этот аспект крайне важен для различных ситуаций: парковка, плохая разметка на дороге, плохая видимость и т.д.

По словам ученых, обнаружение проходимого пути может быть реализовано как предварительный шаг к обнаружению полосы движения или какого-либо объекта. Этот процесс вытекает из семантической сегментации, цель которой состоит в том, чтобы сгенерировать попиксельную классификацию после обучения на наборе данных с пиксельной разметкой.

Третий, но не менее важный, аспект это объединение датчиков. Под этим подразумевается буквальное объединение данных от нескольких датчиков для получения более полной картины и уменьшения вероятных погрешностей и неточностей в данных отдельных датчиков. Существует однородное и неоднородное объединение датчиков. Примером первого может быть использование нескольких спутников для уточнения местоположения по GPS. Примером второго является объединение данных камер, LiDAR и Radar для беспилотных авто.

Каждый из вышеперечисленных датчиков по отдельности действительно показывает отличные результаты, но только в нормальных погодных условиях. В более суровых условиях работы их недостатки становятся очевидными.


Таблица преимуществ и недостатков датчиков, используемых в беспилотных авто.

Именно потому, по мнению ученых, объединение этих датчиков в единую систему может помочь в решении проблем, связанных с плохими погодными условиями.

Сбор данных


В данном исследовании, как уже упоминалось ранее, были использованы сверточные нейронные сети и объединение датчиков для решения проблемы обнаружения пути, по которому можно проехать, в неблагоприятных погодных условиях. Предлагаемая модель представляет собой многопотоковую (по одному потоку на датчик) глубокую сверточную нейронную сеть, которая будет понижать дискретизацию карт функций (результат применения одного фильтра к предыдущему слою) каждого потока, объединять данные, а затем повторно повышать дискретизацию карт для выполнения попиксельной классификации.

Для проведения дальнейших работ, включающих расчеты, моделирование и тестирование, необходимо было много данных. Чем больше, тем лучше, говорят сами ученые, и это вполне логично, когда речь идет о работе различных датчиков (камеры, LiDAR и Radar). Среди множества уже существующих наборов данных был выбран DENSE, которые охватывает большую часть необходимых для исследования нюансов.

DENSE также является проектом, нацеленным на решение проблем нахождения пути в суровых погодных условиях. Ученые, работавшие над DENSE, проехали порядка 10000 км по Северной Европе, записывая данные с нескольких камер, нескольких LiDAR, радаров, GPS, IMU, датчиков дорожного трения и тепловизионных камер. Набор полученных данных состоит из 12000 выборок, которые можно разбить на более мелкие подгруппы, описывающие конкретные условия: день+снег, ночь+туман, день+ясно и т.д.

Однако для правильной работы модели необходимо было провести коррекцию данных из DENSE. Исходные изображения камеры в наборе данных имеют размер 1920 х 1024 пикселей, их уменьшили до 480 х 256 для более быстрого обучения и тестирования модели.

Данные LiDAR хранятся в формате массива NumPy, который нужно было преобразовать в изображения, масштабировать (до 480 x 256) и нормализовать.

Данные радара хранятся в файлах JSON, по одному файлу для каждого кадра. Каждый файл содержит словарь обнаруженных объектов и несколько значений для каждого объекта, включая x-координаты, y-координаты, расстояние, скорость и т.д. Такая система координат параллельна плоскости автомобиля. Чтобы преобразовать ее в вертикальную плоскость, нужно учитывать только y-координату.


Изображение 1: проецирование y-координаты на плоскость изображения (слева) и обработанный кадр радара (справа).

Полученные изображения подвергались масштабированию (до 480 x 256) и нормализации.

Разработка CNN модели



Изображение 2: архитектура разработанной CNN модели.

Сеть была спроектирована так, чтобы быть как можно более компактной, так как глубокие сети кодирования-декодирования требуют немало вычислительных ресурсов. По этой причине сеть декодирования не была спроектирована с таким количеством уровней, как сеть кодирования. Сеть кодирования состоит из трех потоков: камера, LiDAR и радар.

Поскольку изображения с камеры содержат больше информации, поток камеры сделан глубже, чем два других. Он состоит из четырех блоков, каждый из которых состоит из двух сверточных слоев слоя пакетной нормализации и слоя ReLU, за которым следует слой MaxPooling.

Данные LiDAR не столь массивны, как данные от камер, потому его поток состоит из трех блоков. Точно так же поток Radar меньше, чем поток LiDAR, потому состоит всего из двух блоков.

Выходные данные от всех потоков изменяются и объединяются в одномерный вектор, который подключен к сети из трех скрытых слоев с ReLU активацией. Затем данные преобразуются в двумерный массив, который передается в сеть декодирования, состоящую из четырех последовательных этапов MaxUnpooling и транспонированной свертки для повышения дискретизации данных до размера ввода (480x256).

Результаты обучения/тестирования CNN модели


Обучение и тестирование проводились на Google Colab с использованием GPU. Подмножество данных, размеченных вручную, состояло из 1000 выборок данных камеры, LiDAR и радара 800 для обучения и 200 для тестирования.


Изображение 3: потери в обучающих выборках во время фазы обучения.

Выходные данные модели были подвергнуты постобработке с расширением и эрозией изображения с различными размерами ядер, чтобы уменьшить количество шума в выходных данных классификации пикселей.


Изображение 4: точность в тестовых выборках во время фазы тестирования.

Ученые отмечают, что самым простым показателем точности системы является пиксельная, т.е. отношение правильно определенных пикселей и неправильно определенных пикселей к размеру изображения. Пиксельная точность рассчитывалась для каждой выборки в наборе тестирования, среднее из этих значений и представляет общую точность модели.

Однако этот показатель не является идеальным. В некоторых случаях определенный класс недостаточно представлен в выборке, от чего точность пикселей будет значительно выше (чем на самом деле) из-за того, что не хватает пикселей для тестирования модели для определенного класса. Посему было решено дополнительно использовать MIoU среднее отношение области пересечения к области объединения.


Визуально представление IoU.

Подобно точности пикселей, точность по IoU вычисляется для каждого кадра, а конечный показатель точности это среднее от этих значений. Однако MIoU рассчитывается для каждого класса отдельно.


Таблица значений точности.


Изображение 5

На изображении выше показаны четыре выбранных кадра движения по снегу с камеры, LiDAR, радара, наземных данных и выходных данных модели. Из этих изображений очевидно, что модель может очертить общую окружность области, в которой транспортное средство может безопасно двигаться. Модель при этом игнорирует какие-либо линии и края, которые в противном случае можно было бы интерпретировать как края проезжей части. Модель также показывает хорошие результаты в условиях пониженной видимость (например, во время тумана).

Также модель, хоть это и не было основной целью данного конкретного исследования, избегает пешеходов, другие машины и животных. Однако этот конкретный аспект необходимо усовершенствовать. Тем не менее, учитывая, что система состоит из меньшего числа слоев, она обучается гораздо быстрее, чем ее предшественники.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные данные к нему.

Эпилог


Отношение к беспилотным автомобилям неоднозначное. С одной стороны, робомобиль нивелирует такие риски, как человеческий фактор: нетрезвый водитель, лихачество, безответственное отношение к ПДД, малый опыт вождения и т.д. Другими словами, робот не ведет себя как человек. Это хорошо, так ведь? И да, и нет. Во многом автономные транспортные средства превосходят водителей из плоти и крови, но далеко не во всем. Плохая погода тому яркий пример. Человеку, конечно, непросто ехать во время снежной бури, но для беспилотных авто это было практически нереально.

В данном труде ученые обратили внимание на эту проблему, предложив сделать машины немного человечнее. Дело в том, что у человека тоже есть датчики, которые работают командно для того, чтобы он получал максимум информации об окружающей среде. Если датчики беспилотного авто также будут работать как единая система, а не как отдельные ее элементы, можно будет получить больше данных, т.е. повысить точность нахождения проходимого пути.

Конечно, плохая погода это собирательный термин. Для кого-то легкий снегопад это плохая погода, а для кого-то буря с градом. Дальнейшие исследования и тестирования разработанной системы должны научить ее распознавать дорогу в любых погодных условиях.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Суперклей 2.0 адгезивный материал, вдохновленный морскими обитателями

09.06.2021 10:16:43 | Автор: admin


Когда-то давно по тв крутили креативную рекламу суперклея. Основной фишкой в ней был мужчина, чьи ботинки были приклеены к потолку и спокойно держали его в подвешенном состоянии. Это необычное зрелище плюс уверенный голос диктора, рассказывающего о невероятной силе рекламируемого продукта, внушали потенциальному покупателю вполне ожидаемую мысль купить. Меня же всегда смущало одно радостное выражение лица этого новоявленного Бэтмена: кто-то присобачил его к потолку, а он радуется. В общем, странная реклама, очевидно гиперболизирующая свойства продукта в угоду повышения его продаж. Однако адгезивный материал способный на такое был бы крайне полезен во многих отраслях, посему многие ученые пытаются из года в год создать все более липкий клей. Так ученые из университета Тафтса (США) в попытках создать новый тип клея обратились за вдохновением к морским обитателям. Новость об этом исследовании уже была, но мы, как обычно, рассмотрим его подробнее. Какие именно существа вдохновляют на мысли о клее, как именно их физиология и биохимия помогли в разработке адгезивного материала, и насколько клейкий такой клей? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


В водах морей и океанов полно не только снующих туда-сюда рыб и млекопитающих, но и существ, предпочитающих сидеть на одном месте и не двигаться без особой на то причины. На первый взгляд это кажется весьма простой задачей достаточно какой-то присоски, плоской поверхности и вуаля постоянное место жительства готово. Однако морская среда неоднородна: регион, глубина, течения, температура, соленость, и даже соседи могут тем или иным образом влиять на способность сидячих существ прикрепляться к поверхностям. Из менее очевидных, но не менее важных аспектов, является химический состав воды.

Одним из самых именитых природных адгезивных материалов, применяемый в морской среде, это биссус, выделяемый некоторыми двустворчатыми моллюсками (например, мидиями). Биссус представляет собой полипептидное волокно, состоящее из адгезивных белков, специфически консервативных олигопептидов, богатых остатками лизина, гидроксипролина и дигидроксифенилаланина (ДОФА или DOPA от dihydroxyphenylalanine).


Биссус

У моллюска имеется биссусовая железа, выделяющая биссус, который застывает в воде и образует своеобразный корень, с помощью которого и происходит крепление к поверхности. Отодрать моллюска, полностью присоединившегося к поверхности, бывает крайне сложно.

Столь высокая адгезионная способность обусловлена механизмом адгезии, включающему катехиновые остатки L-DOPA, которые окисляются до реакционноспособных хиноновых фрагментов, дополнительно способствуя сшиванию с другими связанными с белками остатками, такими как амины и тиолы. Ученые считают, что окисление остатков* L-DOPA требуется для когезии*, возникающей за счет образования поперечных связей. А неокисленные остатки DOPA способствуют способности прикрепляться к разным поверхностям.
Остаток* структурная единица биополимера, состоящего из аминокислот и сахаров.
Когезия* связь между одинаковыми молекулами (атомами, ионами) внутри тела в пределах одной фазы, т.е. взаимное притяжение одинаковых молекул.



Баланусы

Помимо мидий необычайно крепкой хваткой обладают морские желуди (баланусы, Balanus), способные прикрепляться как к природным, так и к искусственным материалам. Клейкое вещество (иногда называемое цемент), выделяемое баланусами, основано на нерастворимых адгезивных нановолокнах, которые состоят из множества белковых компонентов с высоким содержанием -листов*. Этот цемент способен выдержать воздействие сильных кислот, органических растворителей, щелочей и даже температуры в 200 C.
-лист* форма регулярной вторичной структуры белков, состоящая из бета-цепей, связанных с боков двумя или тремя водородными связями, образуя слегка закрученные, складчатые листы.
Клей баланусов богат амилоидоподобными -листовыми доменами, которые организованы как очень компактные водородно-связанные структуры, ориентированные перпендикулярно основной оси полимера. Данные структуры очень стабильны и способны прилипать к любой поверхности.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые предложили объединить механизмы адгезии мидий и баланусов вида Cirripedia для создания клея, в основе которого будет композит, состоящий из регенерированного водного раствора фиброина шелка (SF от silk fibroin) и полидофамина (PDA от polydopamine). PDA использовался в качестве молекулы, несущей катехол, что позволяет имитировать адгезию мидий. PDA представляет собой полимер, полученный в результате окислительной полимеризации дофамина, с различными мономерными и олигомерными фрагментами. В нем содержится большое количество донорных и акцепторных водородных связей и ароматических колец.

Имитация клея баланусов была выполнена путем применения фиброина* шелка Bombyx mori (тутовый шелкопряд), так как он способен собираться в домены из -листов.
Фиброин* фибриллярный белок, выделяемый паукообразными и некоторыми насекомыми, является основой нитей паутины и коконов.
Дело в том, что фибрион и клей баланусов очень похожи по аминокислотному составу и имеют общее эволюционное происхождение. Обе эти структуры характеризуется исключительными механическими свойствами, такими как высокая прочность на разрыв и растяжимость.


Изображение 1

В основе создания клея лежал процесс смешивания SF и PDA в различных пропорциях путем прямой окислительной полимеризации дофамина в водном растворе SF. За счет объединения SF и PDA полученный адгезионный материал берет лучшее от обеих сторон (от мидий, и от баланусов). В частности, сшиваемые и хелатирующие железо части DOPA из мидий вводятся катехинами PDA, в то время как структурная стабильность обеспечивается -листовым амилоидоподобным клеем балануса через основную цепь полипептида SF ().

Кроме того, сила адгезии была значительно увеличена за счет отверждения* FeCl3/HCl в результате комплексообразования катехоловых единиц (как у мидий) и агрегации SF, наблюдаемой в кислой среде.
Отверждение* процесс преобразования жидких олигомеров и/или мономеров в твердые неплавкие и нерастворимые сетчатые полимеры.
Одним из основных свойств, которым хотели ученые наделить свой SF-PDA клей, это сохранение адгезивности в водной среде, что им успешно удалось. В сухой среде адгезия клея составляла 2.5 МПа, а в водной 2.4 МПа.

В качестве практической демонстрации ученые собрали модельку самолета, применив при этом композитный клей SFPDA 200 х 10-3 м, отвержденный с помощью FeCl3 (1c).

Результаты исследования


Во время приготовления клея к раствору SF (7.3%, т.е. 73 мг/мл) добавляли различное количество дофамина (до концентраций 2 х 10-3, 20 х 10-3 или 200 х 10-3 м). Далее смесь оставляли в покое при комнатной температуре на два дня, чтобы начался процесс самопроизвольной полимеризации дофамина.

Чтобы проверить адгезионную прочность композита, 20 мкл полученных растворов SF-PDA были налиты на стеклянные предметные стекла размером 25 х 10 мм (1b). После высыхания в течение 1 часа смесь подвергали воздействию различных отвердителей (4 мкл): бидистиллированная вода, HCl (55 х 10-3, 550 х 10-3 м) и FeCl3 (30 х 10-3, 300 х 10-3 м). Затем второе предметное стекло помещалось поверх первого. Полученная конструкция зажималась биндерами (скрепками) и оставлялась на ночь.

Далее стекла подвергались тестированию прочности на разрыв. Во всех проведенных экспериментах было обнаружено, что разрушение связи имеет когезионную природу, поскольку полимер распределялся на обеих подложках после разрыва связи ().


Изображение 2

HCl использовался в качестве отвердителя для предотвращения окисления катехолов до хинонов, что часто происходит при pH выше 5.5, а также в качестве контрольной группы для образца, обработанного FeCl3, который также является кислым и имеет такие же свойства pH.

FeCl3 необходим для запуска хелатирующей способности катехолов по отношению к Fe3+, что впоследствии приводит к образованию прочных комплексов и, следовательно, к высокой степени адгезии при одновременном создании кислой среды, как и в случае с HCl. Кроме того, FeCl3 способствует агрегации SF за счет координации полярных аминокислот, таких как остатки тирозина и серина.

Результаты тестов на разрыв при использовании различных отвердителей показаны на 2b. Стоит отметить, что чистый PDA не смог склеить два стекла без SF. Следовательно, PDA действует как эффективный сшивающий агент между реакционноспособными фрагментами SF, но не приводит к каким-либо заметным явлениям когезии. Другими словами, PDA помогает SF склеивать стекла, но самостоятельно на это не способен.

SF в чистом виде также показал плохую адгезию, сравнимую с большинством полностью натуральных клеев. Прочность сцепления 20 мкл раствора SF (7.3%) составила всего лишь 0.2 МПа.

Добавление дофамина, который свободно самополимеризуется в растворе SF, увеличивает адгезионные свойства пленок SF по мере увеличения концентрации дофамина. Максимальная концентрация, использованная в экспериментах (200 х 10-3 м), увеличивала прочность сцепления чистого SF в три раза, т.е. до 0.6 МПа (слева на 2c).

Добавление HCl дополнительно улучшило адгезионную прочность образцов (2b/2 и 2b/4). В частности, SF-PDA 200 х 10-3 м, отвержденный самой высокой концентрацией HCl (550 х 10-3 м), показал прочность адгезии до 2 МПа (слева на 2c).

Высокая прочность адгезии также может быть достигнута, если использовать Fe3+ в качестве отвердителя (2b/1 и 2b/3). В результате использования FeCl3 с концентрацией 30 х10-3 м было получено значение прочности в 2.0 МПа.

Выбор FeCl3 в качестве отвердителя был обусловлен механизмом адгезии, проявляемым мидиями, которые накапливают Fe3+ и используют его в качестве сшивающего агента между катехиновыми звеньями. Для комплексообразования железа требуются депротонированные катехиновые (пирокатехиновые) единицы, и поэтому хелатирование зависит от значений pH.

Это подтверждается результатами тестов, в которых SF-PDA 200 х 10-3 м отвержденные как 550 х 10-3 м HCl, так и 300 х 10-3 м FeCl3, которые имеют примерно одинаковый pH (0.96), демонстрируют практически одинаковую силу сцепления: 1.2 и 1.3 МПа соответственно.

Но у образцов, отвержденных с помощью FeCl3 30 х 10-3 м (1.96 pH), сила адгезии превышает 2 МПа, вероятно, из-за более высокого отношения Fe3+/H+, поскольку оба конкурируют за взаимодействие с катехолами.

Дополнительно были проведены аналогичные тесты с образцами из стали, алюминия и фанеры, которые показали прочность на сдвиг 4.7, 2.2 и 0.8 МПа соответственно.

Далее была проведена оценка морфологии тестируемых смесей с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), показавшей, что после процесса отверждения полученная структура напоминает натуральный биссус (3a/6).


Изображение 3

На изображениях 3a/1-3a/4 показаны СЭМ снимки высушенных адгезивов SF-PDA до и после отверждения с помощью FeCl3, на 3a/5 показано расслоение адгезивов. При этом толщина слоя клея между стеклами составляла всего лишь 3 мкм (3a/8).

Ученые отмечают, что перед отверждением адгезивы демонстрируют повышенную шероховатость с увеличением процентного содержания дофамина. Сравнение клея SF-PDA и клея мидий (т.е. биссуса) показало сходство как в морфологии структуры, так и в размерах пор.

Пористость структуры клея напоминает ту, что присутствует у мидий и других морских организмов. Им она помогает повысить эластичность клея и свести к минимуму резкое несоответствие модуля упругости между жесткими частицами и гибким цементом (биссусом).

Немаловажной особенностью клея мидий и баланусов является сохранение его клейкости в водной среде. Чтобы выяснить, обладает ли SF-PDA клей такой же характеристикой, ученые провели тест с тремя образцами, отвержденными с помощью H2O, HCl и FeCl3. Каждый из образцов после добавления отвердителя помещался в бидистиллированную воду на сутки.
Спустя это время образцы подвергались тестам на сдвиг либо в воде (отмечено A на графиках), либо в сухой среде (отмечено B на графиках) (2b/5 2b/8). Дополнительно был проведен такой же тест, но в обычной воде (pH 9; отмечено C на графиках) для проверки влияния уровня pH на адгезию.

Находясь в воде, стеклянные пластины, соединенные SF-PDA клеем отвержденным самой водой, самопроизвольно отделялись друг от друга спустя 24 часа. Чистый SF также не мог обеспечить сцепление пластин даже после отверждения с помощью HCl или FeCl3. Сцепление смогли обеспечить лишь варианты клея SF-PDA, отвержденные до их помещения в воду.

Измерения показали (справа на 2c), что кислотное отверждение с помощью HCl было необходимо для получения адгезии под водой, которая улучшается за счет увеличения концентрации дофамина до 1.5 МПа.

Лучшие результаты адгезии показали образцы после отверждения FeCl3 (справа на 2c) 2 МПа. Концентрация PDA в составе клея также играла важную роль в показателях адгезии: самое высокое значение (1.9 МПа) наблюдалось при высокой концентрации, а при низкой адгезия была либо резко падала, либо практически отсутствовала. Рекордной значение адгезии (2.4 МПа) в рамках данного исследования было получено во время тестов в обычной воде.

Если же сравнивать образцы, отвержденные HCl или FeCl3, то именно вторые показали лучшее сцепление в водной среде. Это объясняется взаимодействием Fe3+ с SF-PDA, которое происходит через хелатирование, и окислительно-восстановительной природой FeCl3.

Процесс отверждения также вызывает увеличение гидрофобности смесей SF-PDA, что было оценено путем измерения угла смачивания (3b), когда стекло, покрытое PDA, показывало полную смачиваемость (капли полностью растеклись по поверхности). Соответственно, по мере увеличения содержания PDA увеличивалась смачиваемость смесей SF-PDA.

После отверждения с помощью HCl углы смачивания в каждой смеси увеличивались с 14 до 43, что свидетельствует об увеличении гидрофобности поверхности. Наибольшая модификация наблюдалась в SF-PDA (200 х 10-3 м), угол смачивания которого достигал 93.22.

Аналогичную картину можно было наблюдать и при использовании FeCl3 в качестве отвердителя. Увеличение кислотности среды, вызванное ионами Fe3+, приводило к увеличению угла смачивания. А незначительно повышенная смачиваемость по сравнению с HCl объясняется присутствием значительного количества ионов Fe3+ в смеси SF-PDA (3c).

Ученые заявляют, что среди коммерческих клеев, используемых под водой, лучшим является клей на основе полиуретана, так как в нем достигается компромисс между его свойствами, проявляемыми в сухой и подводной среде. Прочность адгезии такого клея составляет 2.8 МПа в сухой среде и 2.5 МПа в подводной (если применено 13.5 мг клея). Есть варианты клея, способные показать 3 МПа под водой, но для их применения используется хлороформ.

Вышеописанный клей действительно показывает отличные результаты, однако он является синтетическим и включает использование вредных реагентов и растворителей. А для получения рекордных 3 МПа необходимо было использовать 13 мг клеевой смеси, что примерно в 13 раз выше, чем в случае с разработанным SF-PDA, которого достаточно всего лишь 1-2 мг для получения прочной адгезии.

Ученые отмечают, что среди имеющихся на данный момент адгезивов природного происхождения максимальные значения адгезии составляют 0.4 МПа в сухой среде (14 мг чистого SF в качестве клея) и те же 0.4 МПа в подводной среде (100 мг смеси хитозан-PDA). А это наглядно показывает превосходство разработанного SF-PDA над другими адгезивами.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


В данном труде ученые описали новый тип клея, способного прочно соединять различные поверхности как под водой, так и на суше. Главным вдохновением этого труда послужили морские обитатели, способные намертво прикрепляться к разным поверхностям с помощью веществ, выделяемых их организмом.

Ученые решили объединить в своем клее лучшее от мидий и баланусов, обладающих своей уникальной техникой адгезии. Это позволило создать полностью натуральный клей на водной основе с использованием фиброина шелка и дофамина (SF-PDA).
Важно и то, что во время изготовления и применения созданного клея используются практически безвредные реагенты. А сила адгезии сравнима с лучшими коммерческими вариантами доступными на данный момент. При этом достаточно всего лишь 1-2 мг SF-PDA клея для достижения эффекта, сравнимого с тем, что и можно получить с помощью 14 мг коммерческого синтетического клея, в котором используется хлороформ.

Конечно, многие синтетические вещества, материалы и т.д. намного лучше своих природных эквивалентов. Однако в последние годы, когда общество начало куда больше думать об экологии, мы часто выбираем что-то природное, хоть и с худшими свойствами. Но это исследование показало, что бывают случаи, когда природный во всех аспектах лучше синтетического.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Живой пылесос динамика хобота слона во время притягивания объектов

11.06.2021 10:21:30 | Автор: admin


В мире природы полно созданий, отличающихся своим необычным методом передвижения, внешним видом, гастрономическими предпочтениями, поведением и т.д. Конечно, для них самих ничего необычного нет, ибо все это является результатом сотен тысяч лет эволюции, нацеленной на выживание вида в постоянно меняющихся условиях окружающей среды. То, что является необходимостью для животного, для нас становится объектом исследований и вдохновением в разработках, применяемых в самых разных отраслях, от медицины до робототехники. Так ученые из Технологического института Джорджии (США) решили провести детальный анализ хобота слона, с помощью которого травоядный гигант способен и пить, и собирать еду. Что происходит с хоботом, когда слон пьет, какую силу он применяет, когда поднимает мелкие объекты, и где можно применить полученные данные? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Слоны хоть и являются самыми крупными обладателями хобота, но далеко не единственными. Бабочки, ленточные черви, пиявки, клопы, тапиры, морские слоны и т.д. все они обладают той или иной формой хобота. В разных случаях хобот служит органом осязание, питания и даже защиты.

Для слонов же хобот, образованный из носа и верхней губы, является своего рода швейцарским ножом. С его помощью они набирают воду (которую потом выливают в рот), подбирают мелкие предметы, срывают плоды, дышат во время переправы через водоемы, используют в коммуникации со своими сородичами и т.д.


Изображение 1

Один африканский слон (Loxodonta africana) ежедневно потребляет более 200 кг растительности, тратя около 18 часов в день на добычу травы, листьев, фруктов и коры деревьев (1a).

Самое удивительно то, что хобот слона может весить порядка 100 кг, но при этом слон с легкостью может поднять с пола мелкий и хрупкий предмет, не повредив его. Секрет такой аккуратности не только в гибкости и подвижности хобота, но и в воздухе, который он всасывает. Ученые предположили, что важную роль в том, как слон манипулирует хоботом, играют ноздри и легкие животного. Во время всасывания воды также происходят определенные изменения, вызванные сокращением мышц, что позволяет слону получать больше воды за один заход.

Факт того, что слоны используют воду и воздух в качестве дополнительных инструментов для манипуляции с объектами окружающей среды, был описан еще в 1871 году Чарльзом Дарвином. Он заметил, что слоны могут перемещать объекты вне их досягаемости с помощью дуновения через хобот. Слоны могут регулировать продолжительность дуновения в зависимости от расстояния до объекта и даже намеренно направлять струю воздуха на стену, которая затем оттолкнет объект ближе к ним.

Ученые отмечают, что животные, которые манипулируют объектами с помощью потока жидкости, обычно обитают в воде, а не на суше. Ярким примером являются рыбы из рода Toxotes (брызгуны), способные выстреливать струей воды в насекомых над поверхностью водоема.


Брызгун на охоте.

Кальмары и осьминоги также стреляют водой, но не для охот, а для передвижения. Многие виды рыб используют так называемое всасывающее кормление, когда они втягивают еду в ротовое отверстие.

Учитывая уникальность подобного поведения среди наземных существ, слоны и их хоботы требуют изучения, считают ученые. Посему было проведено несколько тестов, во время которых ученые фиксировали любые изменения морфологии хобота слона во время кормления, забора воды и манипуляций с мелкими хрупкими объектами.

Результаты исследования


В ходе тестов (14 заходов) подопытного слона кормили брюквой, нарезанной кубиками разных размеров. Захват хоботом менялся в зависимости от размера и количества кубиков (1b). Когда слону давали 10 мелких кубиков (менее 40 мм), он использовал цепкий конец хобота без всасывания. Если же мелких кубиков было больше 10, то слон предпочитал всасывание (1c). Забавно, что ученые охарактеризовали звук, которым сопровождался этот процесс, как звук работающего пылесоса.


Методы сбора мелких (16 мм) и крупных (32 мм) кубиков брюквы. В первом случае присутствует всасывание (обратите внимание на звук). Во втором его нет, так как кубики слишком большие.

Любопытно, что во время тестов с зернами всасывание не использовалось, вместо этого слон пытался захватить как можно больше зерен в пригоршню. Скорее всего всасывания не было, чтобы предотвратить застревание зерен в хоботе.

Далее трапеза слона продолжилась чипсами (тортилья), чтобы оценить его взаимодействие с крупными плоскими объектами. Толщина чипса не более 500 мкм, посему его сложно поднять с плоской поверхности (использовалась силовая платформа). Для разрушения чипса нужно приложить силу в 11 2 Н (Ньютон), что составляет около 1% от веса хобота слона.

После первого контакта процесс поднятия чипса занимал 3.0 0.2 секунды. Сам процесс можно разделить на три этапа (1d и 1e): приближение к объекту, поиск объекта, подъем объекта.


Притягивание чипса методом всасывания воздуха (видео замедлено в 5 раз).

Слон сначала не касался чипса напрямую, а дотрагивался до внешнего края силовой платформы, прикладывая при этом силу в 4 1 Н. На этапе поиска он приближался к чипсу, применяя силу в 5 Н, т.е. 50% от необходимой для разрушения чипса силы.

Во время этапа подъема наблюдалось два разных поведения. В первом случае слон применял всасывание на фиксированном расстоянии от чипса (1d). Во втором применял всасывание, прижимая хобот прямо к чипсу (1e). Любопытно и то, что в любом случае слон практически всегда поднимал чипс без его повреждения.

Визуальные наблюдения за слонами хоть и веселое занятие, но они дают слишком мало данных. Потому ученые дополнительно измеряли создаваемое давление всасывания во время тестов с водой. Дабы лучше визуализировать поток, всасываемый хоботом, в воду были добавлены семена чиа. Профиль потока кажется параболическим, о чем свидетельствует большее расстояние, пройденное семенами чиа в области центра ноздрей ().


Изображение 2

График 2c показывает ход потока жидкости в хоботе по времени, измеренный по мере уменьшения жидкости в резервуаре. Во время трех тестовых заходов слон всасывал воду в течение 1.5 0.1 с, что соответствует объемному расходу Qw = 3.7 0.3 л/с. И тут ученые опять проводят странное сравнение (для американцев это вполне нормальная практика): такой объемный расход эквивалентен 20 смывам туалета (не знаю, как такое сравнение может помочь оценить или визуализировать силу потока, но ладно).


Эксперимент с всасыванием воды.

Общий объем жидкости в хоботе составил 5.5 0.41 литра. После всасывания 3 литров была пауза примерно в полсекунды, в момент которой скорость потока была 1 1.2 л/с. Затем поток снова увеличивался до 4.5 2.1 л/с в последние полсекунды цикла всасывания. Подобная динамика наблюдалась во время всех наблюдений. Ученые предполагают, что кратковременные перерывы во время всасывания необходимы для предотвращения попадания воды в постериальный сфинктер хобота.

Для дальнейшего анализа необходимо было установить внутренний объем хобота (длиной примерно 1.9 м). Для этого были использованы данные измерений поперечного сечения хобота. Полость хобота имеет радиус 1 см на дистальном конце и 3 см на проксимальном. Расчетный объем хобота в таком случае будет 5.2 литра, что почти равно объему втягиваемой воды (5.5 л). Как слон может втягивать воду в объеме большем, чем объем его собственного хобота? Ранее проведенные исследования показали наличие мышечной структуры, идущей от ноздрей, которая позволяет хоботу расширяться.

Далее ученые провели ультразвуковое исследования (3a), чтобы выяснить пределы расширения этой структуры. Ультрасонографические измерения стенок хобота проводились в трех условиях: естественное дыхание, втягивание воды и втягивание воды с отрубями.


Изображение 3

На снимках 3c и 3d видно, что радиальные мышцы сокращались, когда слон втягивал воду с отрубями.


Ультразвуковое исследование носовой стенки слона во время всасывания отрубей. Красной стрелкой отмечена граница между жидкостью и стенкой носа.

Исходный радиус хобота и ноздри равны 7.5 и 1.5 см соответственно. Следовательно, толщина исследуемой стенки хобота равна 6 см. При всасывании воды толщина стенки уменьшалась до 5.7 см, а при всасывании воды с отрубями до 5.6 см.

Было установлено, что радиус ноздри во время всасывания воздуха, воды и воды с отрубями составил: 1.5 0.2 см, 1.8 0.2 см и 1.9 0.2 см соответственно (3e). Таким образом значения радиуса во время всасывания воды и воды с отрубями увеличивались на 18% и 28% соответственно.

Если предположить, что радиус увеличивается по всей длине хобота, то внутренний объем хобота увеличивается на 40% для воды и на 64% для воды с отрубями.

Однако у любой системы есть свой предел. Ученые создали математическую модель для расчета эффективного расстояния для кормления методом всасывания (2d). Модель позволила установить максимальное давление, применяемое в экспериментах с водой, и максимального расстояния от чипса, на котором слон может его поднять с помощью всасывания.

В экспериментах с водой средняя скорость воды (uw) в хоботе представляет собой расход, деленный на площадь поперечного сечения ноздрей: Qw / (2a2) 2.7 м/с, где a = 2.1 см это радиус ноздри. Максимальное давление наблюдалось в конце цикла всасывания, когда вода достигает максимальной скорости и высоты в хоботе. Если рассчитать число Рейнольдса* потока внутри ноздри, можно узнать, испытывает ли жидкость турбулентность.
Число Рейнольдса* отношение инерционных сил к силам вязкого трения в вязких жидкостях и газах.
Число Рейнольдса для транспортировки воды по трубе Rew = 8.1 х 104, а число Рейнольдса для воздуха 4.2 х 106. Учитывая, что эти числа Рейнольдса выше 4000, для аппроксимации можно использовать закон Бернулли*. В результате было установлено, что прилагаемое давление составляет -20 кПа.
Закон Бернулли* если вдоль линии тока давление жидкости возрастает, то скорость течения убывает, и наоборот.
Если аналогичное давление применяется во время всасывания чипса, то скорость воздуха составляет 150 м/с. Также расчеты показывают, что расстояние, на котором слон может эффективно притягивать объекты, линейно зависит от размера ноздри. Следовательно, объект с меньшей массой или большей площадью может эффективно всасываться и на большем расстоянии, чем во врем экспериментов с чипсами.

В экспериментах площадь поверхности чипса составляла 113 см2, а масса 10 г. Учитывая ускорение свободного падения (в расчетах было 9.81 м/с2) и рассчитанное давление (-20 кПа), ученые установили, что максимальная высота эффективного всасывания составляет 4.6 см.

Важнейшим аспектом, влияющим на эффективность всасывания, является давление в легких слона. Слоны могут создавать высокое давление в легких из-за их специализированной дыхательной системы. Растяжимая сеть коллагеновых волокон заполняет плевральное пространство, свободно соединяя легкие с грудной стенкой, при это не ограничивая движения легкого по отношению к грудной стенке (Почему у слона нет плевральной полости?, Джон Б. Уэст, 2002).

Именно эта анатомическая особенность позволяет генерировать потоки воздуха с такой большой скоростью. Кроме того, эндоторакальная фасция* у слонов в восемь раз толще, чем у людей, кроликов, крыс и мышей, что может создавать дополнительное давление в их легких.
Эндоторакальная фасция* слой рыхлой соединительной ткани глубоко в межреберных промежутках и ребрах, отделяющий эти структуры от подлежащей плевры. Фасциальный слой является самой внешней мембраной грудной полости.


Изображение 4

В заключение ученые, основываясь на полученных данных, решили определить, способны ли другие животные притягивать объекты всасыванием, как и слоны. Сначала было оценено соотношение массы тела к радиусу ноздри (4a), который увеличивается с размерами существа (из тех, что учитывались в расчетах).

У слонов самые широкие ноздри из всех исследованных млекопитающих, с радиусом ноздри от 10 мм на кончике до 30 мм на расстоянии 90 см от него. Используя слонов как точку отчета, ученые составили диаграмму максимального расстояния, на котором млекопитающие в теории может притягивать объекты всасыванием (4b). К примеру, для коров такое расстояние составляет 1 см, а для свиней и тапиров 0.65 см.

Ну и самое забавное, конечно. Человек тоже может притягивать предметы всасывая воздух, правда они будут не толще листа бумаги, а максимальное расстояние для успешности трюка с чипсом не может быть больше 0.4 мм. А любые флуктуации воздуха между чипсом и носом сделает трюк невыполнимым.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог


За что можно любить науку, так это за ее безграничность. Человек готов с необъятным любопытством исследовать все, от таинственного космоса и глубин океанов до хобота слона.

В данном исследовании ученые провели эксперименты и расчеты, детально описывающие то, как именно слону удается притягивать объекты с помощью всасывания. С одной стороны это кажется весьма простым процессом, однако для его реализации необходимо множество факторов, от нестандартных легких до гибкой мышечной структуры хобота.

Для слона его хобот является и манипулятором, и датчиком окружающей среды, и инструментом по забору образцов. Обоняние слонов намного лучше нашего, а гибкость и подвижность хобота позволяют им взаимодействовать даже с самыми хрупкими предметами, не повреждая их.

Слоны это удивительные создания, которых можно с легкостью назвать примером того, как даже самые, на первый взгляд, странные причуды эволюции обладают смыслом, логикой и практическим применением.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята. :)

P.S. Большая просьба после прочтения сего материала не пробовать дома притянуть чипсы методом втягивания воздуха. Вряд ли авторы исследования хотели, чтобы вы поперхнулись, пытаясь изобразить Дамбо.

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Вкусная экология преобразование пластика в ванилин

16.06.2021 10:13:29 | Автор: admin


У современного мира много современных проблем, которых не существовало триста и даже сто лет назад из-за отсутствия нынешнего уровня технологического прогресса. Как правило, большая часть проблем уходит в сторону экологии. А когда разговоры заходят о загрязнении окружающей среды, то одним из лидеров в этом аспекте является вездесущий пластик. Этот универсальный материал можно найти и в производстве сложнейших аппаратов, и на кухне. Полезность пластмассы никто не может оспорить, а поиски замены пока не увенчались успехом, ибо пластик легок в производстве и стоит дешево, в отличие от предлагаемых более экологичных вариантов. Поcему исследований, нацеленных на решение проблемы пластиковых отходов, достаточно много, и каждое из них предлагает свой уникальный подход. На Хабре уже была новость об этом исследовании, но мы, как обычно, рассмотрим его подробнее. Ученые из Эдинбургского университета (Великобритания) предложили использовать бактерию E. coli (кишечная палочка) для преобразования пластиковых отходов в ванилин. Какую роль исполняет бактерия, какие процессы лежат в основе столь необычного преобразования, и можно ли употреблять в пищу полученный таким путем ванилин? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Важность и полезность пластика сложно преуменьшить. Он используется во многих отраслях производства, не говоря уже о его распространенности в быту. Попросите кого-то показать три предмета из пластика, лежащие в квартире, и эта задача будет выполнена моментально. Для примера, я сижу за столом с пластиковыми деталями, на нем стоит лампа с пластиковым корпусом, мышка с пластиковым корпусом, ноутбук с пластиковыми клавишами и т.д. В общем, картина яснее некуда.

Однако проблема пластиковых отходов является на данный момент одной из самых серьезных в аспекте экологии. К тому же существует и экономический подтекст (который куда важнее экологии для многих предпринимателей и производств) из-за того, что 95% пластиковых изделий теряют свою материальную стоимость уже после первого использования, мировая экономика теряет примерно 110 миллиардов долларов в год.

Неудивительно, что исследования, нацеленные на решение проблемы с пластиковыми отходами, столь многочисленны. Среди них в последнее время все чаще встречаются труды, основанные на микробиологии, биокатализе, направленной эволюции, синтетической биологии и неферментативном катализе. В частности, ученые достигли хороших результатов в области ферментативному разложению ПЭТ (полиэтилентерефталат, (C10H8O4)n). Одними из самых многообещающих ферментами стали варианты ПЭТазы из бактерии Ideonella sakaiensis и кутиназы (фермент, катализирующий гидролиз кутина) из компоста ветвей и листьев (LCC от leaf and branch compost cutinase). Отличие в том, что ПЭТаза и ее модифицированные варианты работают при температуре окружающей среды (3037 C), высвобождая бис- и моно-(2-гидроксиэтил) терефталат. Фермент из LCC является термостабильным (72 C).

Помимо очевидного плюса в виде ускоренного разложения пластикового мусора, вышеописанные методы также имеют свое применение и в повторном производстве. К примеру, в ходе разложения ПЭТ методом LCC образуется ТА (thioacrylate, т.е. тиоакрилат), который можно использовать в качестве сырья для производства ПЭТ второго поколения и в качестве строительного блока для синтеза металлоорганических каркасов.

Учитывая эти изыскания, ученые предложили свой метод, результатом которого должно стать преобразование полученного в ходе LCC разложения ТА в ванилин посредством ферментации (1b). Ванилин (в обычных условиях) получают из экстракта стручков ванили. Это широко используют в пищевой промышленности, в косметике, и даже в фармакологии. По данным на 2018 год глобальное потребление ванилина составляет порядка 37000 тонн в год. По прогнозам эта цифра возрастет до 59000 тон к 2025 году.

Спрос на ванилин, как мы видим, очень велик, но он не соответствует мощностям его производства естественным путем (из ванили). Посему проводилось немало исследований, нацеленных на создание искусственного (синтетического) ванилина. Самым широко используемым на данный момент считается производство ванилина из биомассы лигнина (вещество, характеризующее одеревеневшие стенки растительных клеток). Также существуют методы ферментации ванилина из феруловой кислоты, глюкозы, глицерина, L-тирозина, ксилозы, куркумина, эвгенола и изоэвгенола, когда используются микробные и грибковые организмы-носители (1c).


Изображение 1

Авторы исследования заявляют, что о преобразовании ТА в ванилиновую кислоту (VA от vanillic acid, C8H8O4) известно, но на практике никто еще не пытался это реализовать. В своем труде они предложили объединить этот метод с LCC разложением ПЭТ для получения ванилина непосредственно из бытовых пластиковых отходов при температуре окружающей среды и в водных условиях.

Результаты исследования


Дабы получить желаемый результат, ученым в первую очередь необходимо было создать новый ферментативный путь для превращения ТА (тиоакрилат) в ванилин. В качестве организма-носителя был выбран штамм E. coli MG1655 RARE, так как данная бактерия способна восстанавливать альдегиды до соответствующего спирта. Ранее этот штамм уже использовался для получения ванилина, но из глюкозы.

Предположительно ТА может превращаться в ванилин с помощью ферментативного пути, включающего (2a):

  • терефталат-1,2-диоксигеназа (TPADO);
  • дегидрогеназа дигидрокси-3,5-циклогексадиен-1,4-дикарбоновой кислоты (DCDDH);
  • редуктаза карбоновой кислоты (CAR);
  • катехол-O-метилтрансфераза (COMT).


Изображение 2

Ученые отмечают, что CAR и O-MT принимают PC (протокатеховая кислота, C7H6O4), дигидроксибензальдегид (DHBAl) и ванилиновую кислоту (VA) в качестве субстратов, так что ферментативный путь может протекать через два возможных промежуточных продукта (VA или DHBAl) с образованием ванилина.

Ферменты данного ферментативного пути были собраны в две плазмиды*, названные pVan1 и pVan2.
Плазмиды* молекулы НДК, отделенные от хромосом и способные к самостоятельной репликации.
pVan1 кодирует TPADO (гетеротример, содержащий субъединицы TphA1, TphA2 и TphB2) и DCDDH от бактерии Comamonas sp., которые вместе катализируют превращение TA в PC с использованием кислорода из воздуха в качестве окислителя. Оба фермента экспрессируются в E. coli.

pVan2 кодирует редуктазу карбоновой кислоты из бактерии Nocardia iowensis (NiCAR) и одноточечный мутант растворимой формы катехол-O-метилтрансферазы (S-COMT Y200L) из бактерии Rattus norvegicus (2b). Этот мутант был выбран из-за его высокой стереоселективности в отношении метилирования в мета-положении PC и DHBAl. NiCAR был выбран для стадии восстановления.

Кроме того, клетки были котрансформированы третьей плазмидой, кодирующей фосфопантетеинилтрансферазу (pSfp) из бактерии Bacillus subtilis, которая необходима для посттрансляционной модификации NiCAR.

В процессе создания работающего пути ферментации были проведены тесты. Так, варианты, в которых экспрессировалась только pVan1 либо отсутствовал ТА-субстрат ванилина в результате не было обнаружено. Зато в опытах, где клетки экспрессировали все три плазмиды с добавленным ТА (5 мМ) было образование ванилина (5 мкМ, конверсия < 1%; 2c). При этом промежуточные соединения PC, DHBA1 и ванилиновая кислота также обнаруживаются при концентрациях 18 мкМ, 10 мкМ и 2 мкМ соответственно.

Однако таких результатов недостаточно, потому процесс обходимо было оптимизировать. Анализ сред для экспрессии белка показал, что лучшим вариантом питательной среды* является М9 с примесью казаминовых кислот (M9-CA).
Питательная среда* субстрат для культивирования микроорганизмов или культур клеток высших организмов. М9 среда минимальная (минимально необходимая) питательная среда, используемая для бактериальных культур.


Изображение 3

Ресуспендирование (повторное суспендирование*) целых клеток в среде M9 оказалось более эффективным, чем добавление ТА к экспрессирующим культурам во время фазы экспоненциального роста, что дало 4-кратное увеличение титров ванилина (77 11 мкМ; 3a).
Суспендирование* образование суспензии, т.е. частиц твердого вещества, распределенных в жидкой среде во взвешенном состоянии.
Добавление в питательную среду микроэлементов привело к увеличению титров PC в 1.5 раза (3c). При этом добавление бензилового спирта (BnOH) без каких-либо микроэлементов повышало уровень титров PC в два раза.

Далее было проведено исследование влияния условий биотрансформации целых клеток на превращение ТА в ванилин и промежуточных продуктов ферментативного пути.

Поскольку TPADO является O2-зависимым, увеличение свободного пространства реакции должно повысит конверсию TA в PC. Это было подтверждено увеличением титров ванилина (от 5 3 мкМ до 327 15 мкМ), когда отношение свободного пространства к реакционному объему было увеличено с 1:5 до 1:99.

Дополнительное улучшение преобразования TA в ванилин было достигнуто путем увеличения проницаемости клеточных мембран E. coli для ТА. Для этого к буферу биотрансформации было добавлено 1% N-BuOH, что приводило к трехкратному увеличению преобразования TA в ванилин (3b).

Важную роль для этого процесса играл и уровень pH. Если он нейтрален, то диффузия TA через клеточную мембрану не происходит. Анализ показал, что pH 5.5 является идеальным вариантом для достижения баланса максимальной диффузии ТА в клетку и минимального индуцированного кислотой стресса для клетки.

Еще более важным аспектом была температура (3e). Снижение температуры реакции с 30 C до 22 C дало 5-кратное увеличение выхода ванилина (577 22 мкМ по сравнению с 117 40 мкМ при 30 C). Дальнейшее снижение температуры (до 16 C) более не давало каких-либо положительных эффектов.

Ученые предположили, что применение методики ISPR* может увеличить выход ванилина за счет снижения его токсичности для E. coli и за счет увеличения потока к ванилину наиболее гидрофобной молекуле в этом пути.
Удаление продукта на месте* (ISPR от in situ product removal) это быстрое удаление продукта из продуцирующей клетки, предотвращающее его последующее вмешательство в клеточные компоненты или компоненты среды.
Из трех исследованных вариантов реализации ISPR (слои органических растворителей; захват продукта биосовместимыми мицеллами или -циклодекстрином; улавливание продукта посредством обратимого нуклеофильного присоединения к альдегидной части DHBAl и ванилина) был выбран второй вариант. Если точнее, то были использованы биосовместимые мицеллы TPGS-750-M, полученные из олеилового спирта (OA) и витамина E. Этот вариант давал максимальный выход ванилина при минимальных уровнях промежуточного DHBAl. При использовании OA из 1 мМ ТА удалось получить 744 мкМ 100 мкМ ванилина. Исследование динамики реакции показало, что максимальный результат достигается спустя не менее 16 часов (3f).

Результатом вышеописанных анализов и исследований стала оптимизированная процедура преобразования TA в ванилин. Основные аспекты оптимизации: клетки E. coli штамма RARE_pVanX ресуспендировали в M9-глюкозе с добавлением L-Met и nBuOH; уровень pH был 5.5; инкубация с TA в течение 24 часов при комнатной температуре; применение олеилового спирта.


Изображение 4

Методика была готова, оставалось лишь проверить ее на практике. Для практического опыта был выбран термостабильный фермент LCC WCCG15 (далее LCC) в качестве биокатализатора, чтобы способствовать гидролизу ПЭТ в ТА. В отличие от ПЭТазы из Ideonella sakaiensis, LCC высвобождает ТА напрямую и не требует дополнительного фермента для гидролиза моно-2-гидроксиэтилтерефталата для высвобождения ТА.

ПЭТ (в данном случае использованные пластиковые бутылки) обрабатывали полуочищенным LCC при 72 C (). Реакционную смесь охлаждали до комнатной температуры и добавляли свежеприготовленную E. coli RARE_pVanX и концентрат буфера для биотрансформации. Спустя 24 часа проводился анализ реакции.

Ванилин был обнаружен еще до оптимизации (68 мкМ; 4b). В контрольных группах, где не было либо ПЭТ, либо клеток, экспрессирующих ферменты, ванилина не было. В случае без LLC ванилин был, но в очень малом количестве, что предположительно связано с фоновым гидролизом ПЭТ в реакционном буфере LCC (pH 10) в отсутствие LCC. Добавление олеилового спирта не привело к значительному увеличению титров ванилина, что предположительно связано с более низкими концентрациями ТА в результате разложения ПЭТ (300400 мкМ).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


В данном труде ученые решили описать крайне необычный, но весьма эффективный метод борьбы с пластиковыми отходами преобразование в ванилин. Для реализации этого процесса использовалась бактерия E. coli. Сама же реакция является достаточно простой, так как в ней используется цельноклеточный катализатор, полученный из возобновляемого сырья. Сама же реакция протекает в условиях окружающей среды (комнатная температура и pH 5.5-7), в водной среде и не требует дополнительных реагентов или кофакторов. Кроме того, реакция не производит никаких опасных побочных продуктов.

В ходе практических опытов удалось достичь выхода ванилина в 785 мкМ (119 мг/л), т.е. конверсия составила 79%. Столь впечатляющие результаты были получены не сразу, а спустя множество попыток, нацеленных на оптимизацию процесса.

Полученный ванилин, по словам ученых, вполне безопасен для человека и может использоваться в пищевой промышленности, как и его естественный эквивалент. Однако для пущей уверенности они намерены провести ряд дополнительных тестов, подтверждающих это.

К сожалению, многие предприятия готовы задуматься об экологии только в том случае, если использование экологически небезопасного сырья или технологии грозит им экономическими потерями. Конечно, это цинично и меркантильно с их стороны, но их опасения в случае полного перехода на экологически чистое производство вполне осязаемы. Ведь никто не говорит, что это сделают все одновременно, в том числе и их конкуренты. Тем более подавляющее большинство людей, к сожалению, предпочтут продукт дешевый и неэкологичный, нежели дорогой, но безопасный для окружающей среды. Не все, конечно, но все же большинство.

Посему разработки подобного плана удовлетворяют обе стороны тех, кто готов отдать все за экологию, и тех, кто в первую очередь думает о прибыли. Пока не придумано идеального универсального метода решения экологической проблемы, который подойдет всем, нам придется использовать такие вот компромиссные варианты. Хорошо это или плохо, сказать пока сложно, однако это лучше, чем ничего.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Не препятствие, а подспорье турбулентность и птицы

18.06.2021 10:22:12 | Автор: admin


Технологический прогресс позволил нам делать то, что многие птицы умеют делать от природы летать. Конечно, со времен братьев Райт многое изменилось, и нынешние самолеты намного эффективнее, безопаснее и комфортнее. Однако, в отличие от техники, которую человек может изменить, погодные условия и атмосферные явления живут по своим правилам и обладают весьма непредсказуемым характером. Для многих даже самые спокойные перелеты уже являются испытанием на прочность характера. А когда железная птица входит в зону турбулентности, люди с аэрофобией проверяют на прочность подлокотники своих кресел. Для авиации турбулентность, которая может продлиться от нескольких миллисекунд до нескольких минут, является препятствием, которое инженеры и ученые всячески пытаются преодолеть, совершенствуя те или иные детали самолетов. Но как турбулентность влияет на птиц? Ученые из Корнелльского университета (США) выяснили, что для пернатых летчиков турбулентность не является проблемой, а помогает им быстрее преодолевать большие расстояния. Как именно влияет турбулентность на полет птицы, насколько эти эффекты значимы, и как полученные данные можно применить в авиастроении? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Жизнь многих птиц тесно связана с небом. Для них это не только пространство для преодоления расстояния от точки А к точке Б, но и место проведения игр, брачных танцев, охоты, и даже отдыха (черный стриж проводит в воздухе примерно 10 месяцев в год, 2 месяца период гнездования). Посему вполне очевидно, что эти создания научились не только справляться с тяготами и проблемами, связанными с непредсказуемым небом, но и использовать их в свою пользу.

Турбулентность в небе является крайне непредсказуемой, она может возникнуть будто ниоткуда и так же мгновенно прекратиться. Длительность турбулентности также зависит от множества факторов. Следовательно, если птица без неба не может, ей необходимо адаптироваться под такие переменные условия.

Проблема в том, как говорят авторы труда, что нам крайне мало известно о взаимосвязи турбулентности и поведения птиц. Различные наблюдения в естественных условиях и опыты в аэродинамической трубе дают весьма противоречивые результаты. В одних случаях турбулентность приводит к уменьшению затрат на полет, в других к увеличению. Правда это касается мелкой турбулентности.

Соврем другая картина наблюдается с крупномасштабной турбулентностью, образующейся в следствии восходящих потоков из-за топографии, восходящих тепловых потоков, внутренних волн и фронтов. Все эти факторы в той или иной степени способствуют эффективности полета. К тому же взаимодействие птицы (или даже аппарата) с такими явлениями проводить гораздо проще, ибо они протекают медленнее и устойчивее.

В случае с птицами структура потока накладывает свой отпечаток на траекторию их полета, анализ которой и позволяет предположить наличие положительного влияния турбулентности.

Ученые отмечают, что несмотря на непредсказуемость турбулентности и ее чувствительность к малейшим изменениям условий среды, она демонстрирует уникальные признаки, включая определенное распределение энергии между различными по силе движениями в сочетании с отсутствием точной масштабной инвариантности, называемой перемежаемостью.

Эти уникальные признаки можно увидеть в траекториях частиц, переносимых турбулентными потоками. Подобная картина наблюдается и в траекториях птиц.


Изображение 1

Дабы разобраться в этой запутанной ситуации, ученые проанализировали данные наблюдений за взрослой самкой беркута (Aquila chrysaetos; 1A). Масса птицы составляла 5 кг, размах крыльев около 2 м. Ученые наблюдали за ее полетом из Алабамы в Нью-Йорк вдоль гор Аппалачи с 15 по 31 марта 2016 года (1B). К телу беркута был прикреплен аппарат, регистрирующий положение тела и трехосное ускорение. Данные передавались ученым на землю через мобильную сеть.

Путь беркута пролегал через области с разными ветровыми условиями. При этом траектория полета не всегда следовала ветровым потоком. Это могло быть связано с силой потока, остановками для принятия решения (куда лететь дальше), сопротивление воздуха, тяга и т.д.

Картина ускорения и положения беркута указывают на различное поведение (например, взлет, посадка, полет). Ученые определили те части пути (1B), где беркут парил, и где он активно махал крыльями, что было определено как регулярные колебания ускорения с частотой 2.8 Гц (изображение 2).


Изображение 2

Результаты наблюдений


Парящее ускорение беркута было весьма прерывистым, на что указывают длинные хвосты в распределении ускорений (изображение 3).


Изображение 3

То, что распределения являются сильно негауссовыми, согласуется с картиной ускорения частиц в условиях сильной турбулентности, несмотря на различия в масштабе и геометрии между частицами и птицами. Частицы-индикаторы турбулентности, которые точно следуют за турбулентным потоком, демонстрируют экстремальные ускорения, которые на много порядков более вероятны, чем предсказывает распределение Гаусса. Увеличение размеров и массы частиц приводит к сужению хвоста* распределения, что измеряется числом Стокса* (St), которое < 1 для легких и мелких частиц.
Хвост* вытянутая часть распределения, которая при графическом представлении выглядит как часть кривой.
Число Стокса* критерий подобия, определяющий соотношение между кинетической энергией взвешенных частиц и энергией их взаимодействия с жидкостью. Если оно < 1, то частицы будут огибать препятствия на своем пути, если 1 врезаться в них.
Распределение ускорения беркута находится между распределением ускорения трассирующих частиц (без инерции) и распределением ускорения слабоинерционных частиц (St = 0.09 0.03). Распределения турбулентности часто напоминают растянутые экспоненциальные функции, и эти функции описывают хвост распределения ускорения беркута как показатель растяжения около 1.8, что соответствует значениям для мелкомасштабных величин. Стандартные отклонения компонент ускорений x, y и z составляют 0.90, 0.88 и 1.62 м/с2 соответственно.

Самой явной и частой характеристикой спектров ускорения во время миграции и пребывания на одном месте у беркута был степенной закон*, преобладающий между частотами около 0.2 и 2 Гц.
Степенной закон* функциональная зависимость между двумя величинами, когда изменение одной приводит к изменению второй, независимо от их исходных значений.
Область, которая подчиняется степенному закону, ограничена на высоких частотах с колебанием, которое происходит с частотой около 2.8 Гц. Точно неизвестно что ограничивает интервал масштабирования на низких частотах.

Спектры ускорения беркута имеют логарифмический наклон, близкий к -5/3 наклон, который существенно не меняется, когда спектры варьируются в зависимости от скорости ветра или маршрута миграции.


Изображение 4

Спектры ускорения беркута были описаны с помощью второго закона Ньютона с учетом того, что изменения аэродинамических сил, воздействующих на птицу, были линейными по отношению к изменениям относительной скорости между беркутом и воздухом. То есть колебания скорости птицы относительно средней скорости ветра вызывают изменения аэродинамических сил, которые линейны по отношению к колебаниям скорости. Такое объяснение может наблюдаться в нескольких случаях: подъемная сила, создаваемая крылом, линейна по вертикальным возмущениям по отношению к вектору ветра до момента сваливания; тяга, создаваемая воздушным винтом, линейна по отношению к изменениям его воздушной скорости, которая мала по сравнению с создаваемым им ветром; нелинейное сопротивление, проявляющееся при высоких числах Рейнольдса, линейно при небольших изменениях воздушной скорости.

Результирующие расчеты показали, что колебания ускорения беркута имеют тот же спектр, что и колебания скорости ветра, с которыми беркут сталкивается в полете. Данные показывают (изображение 4), что более высокие скорости ветра связаны с большими ускорениями беркута в интервале от 0.2 до 2 Гц. Любопытно, что спектр ускорения не исчезает при нулевой скорости ветра. Это может быть связано с турбулентностью, создаваемой термиками*, возникающими даже в отсутствие заметного ветра.
Термик* масса поднимающегося воздуха, возникает из-за неравномерного нагрева поверхности Земли солнечным излучением.
Увеличение ускорения при более сильном ветре можно объяснить увеличением силы турбулентности. Ключевым моментом является то, что спектр скорости ветра пропорционален 2/3 от скорости диссипации турбулентности, которая пропорциональна кубу интенсивности турбулентности. На заданной высоте в пограничном слое атмосферы, где летит беркут, интенсивность турбулентности изменяется пропорционально скорости ветра. Учитывая линейную зависимость между ускорением птицы и скоростью ветра, можно предположить, что предварительный коэффициент спектра ускорений увеличивается квадратично со скоростью ветра.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог


В ходе данного исследования ученые провели анализ данных, полученных из наблюдений за беркутом, летящим из Алабамы в Нью-Йорк. По этим данным полет птицы был неравномерным, что было связано с зонами турбулентности. Картина, которую наблюдали ученые в ходе анализа, напоминала ту, что описывает поведение частиц в турбулентных воздушных потоках. Так в период от 0.5 до 10 секунд ускорение птицы и атмосферная турбулентность были полностью синхронизированы. Другими словами, беркут использовал турбулентные потоки для упрощения своей задачи перелета из точки А в точку Б. Для птиц, мигрирующих на большие расстояния, не является удивительным минимизировать затраты энергии, связанные с полетом.

Забавно, что инженеры и ученые, связанные с аэронавтикой, всячески стараются, чтобы уменьшить влияние турбулентности на воздушное судно, тогда как птицы используют ее себе во благо. Данное исследование не только показывает наличие такой возможности, но и дает больше эмпирических данных для такого изучения загадочного и непредсказуемого явления как турбулентность.

Пятничный офф-топ:

Колибри по праву считаются мастерами полета, но есть вид, который отличается еще и своим удивительным клювом.

Офф-топ 2.0:

В то время как человек изобрел танец модерн в конце XIX века, птицы из семейства шалашниковых (Ptilonorhynchidae) используют его для привлечения партнера уже очень давно.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Бактерии в шахтах внутриклеточное преобразование сульфата меди в одноатомную медь

28.04.2021 10:12:44 | Автор: admin


Планету Земля часто называют колыбелью жизни, и в этом титуле совсем мало преувеличений. Жизнь можно найти и в вечнозеленых тропиках, и в знойных пустынях, и на бескрайних ледяных просторах, и даже в жерлах подводных вулканов. Как сказал Ян Малкольм в фильме Парк Юрского периода: life finds a way. Ученые из Хьюстонского университета провели исследование любопытных бактерий, проживающих в шахтах Бразилии и способных преобразовывать ионы сульфата меди (CuSO4) в одноатомную нуль-валентную медь (Cu0). Чем столь интересен это процесс, и как его можно применить в мире людей? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Тяжело представить современный мир без меди. Диэлектрические, магнитные, оптические, антимикробные и каталитические свойства позволяют применять медь во множестве отраслей, от солнечных элементов до антимикробных покрытий. При этом химический синтез одноатомной металлической меди является крайне сложным процессом, требующим инертных или восстановительных условий, а также использования токсичных реагентов. Но вот некоторые организмы способны делать это без труда.

Недавние исследования показали, что многие микроорганизмы, такие как бактерии и грибы, могут продуцировать неорганические наночастицы (НЧ): Ag, Au, Cu, CuO, магнетит и т.д. Особенно любопытны труды, где описан синтез наночастиц меди в диапазоне от 10 до 40 нм внутри- и внеклеточно с использованием бактерий. В данном случае использовались ферменты редуктазы, такие как NADPH (восстановленная форма никотинамидадениндинуклеотидфосфата, C21H29N7O17P3), обладающих окислительно-восстановительным потенциалом для восстановления ионов металлов. Но то, как микроорганизмы естественным образом синтезируют CuO (в размере от 170 до 179 мкм), ранее было неясно.

Почему синтез одноатомной меди столь привлекателен? Дело в том, что отдельные атомы можно использовать и в катализе, и в легировании, и в энергетике. Однако, как мы уже знаем, одноатомный синтез сопряжен с рядом трудностей, среди которых необходимость в использовании токсичных реагентов. Альтернативные методы (осаждение из паровой фазы, распыление и фемтосекундная лазерная абляция) пока еще остаются малоэффективными.

Именно потому ученые решили детально изучить бактерии, которые самостоятельно выполняют одноатомный синтез меди без каких-либо токсичных реагентов.

Результаты исследования


В качестве подопытных были выбраны бактерии, обитающие в рудниках Бразилии (62715.848 ю.ш. и 50437.507 з.д.).


Изображение 1

Обнаружение изолята из рода Bacillus, способного продуцировать одноатомную медь внутриклеточно, было зарегистрировано с помощью визуального наблюдения изменений цвета среды для роста бактерий с CuSO4 через 48 часов. Изменение цвета с зеленого (CuSO4 + бактерии) на оранжевый указывает на преобразование CuSO4 в Cu0 (1A). Дополнительным подтверждением наличия Cu0 стали результаты просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), где показаны бактерии после 48 часов инкубации в сульфате меди (1B). На 1C и 1D показаны снимки бактерии с большим и меньшим увеличением соответственно. Также на 1D отчетливо видны отдельные атомы меди.

Для определения габаритов атомов меди было проанализировано около 13000 атомов (1E). Радиус каждого атома находился в пределах от 1.7 до 1.85 . На диаграмме размаха (1F) суммированы фактическое распределение населенности и размеры всех измеренных атомов, обнаруженных на ПЭМ снимках. Более 75% атомов меди имели радиус 1.89 0.19 . Более крупные размеры ученые рассматривают как перекрытие атомов меди на снимках, когда один атом находится слишком близко к другому.

Данные размеры говорят о том, что обнаруженные атомы это именно нейтральные атомы меди (с нулевой валентностью, Cu0). Радиусы Cu1+, Cu2+ и Cu3+ находятся в диапазоне от 0.54 до 0.63, т.е. не попадают в диапазон наблюдаемых радиусов. Это дополнительно подтверждает, что присутствующая в образцах медь это именно Cu0.

Распределение элементов в клетках было определено с помощью энергодисперсионной спектроскопии (EDS от energy dispersive spectroscopy). Молибденовая сетка гарантировала, что все медные сигналы, обнаруженные EDS, принадлежат исключительно бактериям (снимки ниже).


Изображение 2

Визуализация в режиме обратного рассеяния показывает четкий контраст между более тяжелыми и более легкими атомами, в данном случае между медью и углеродом, азотом и кислородом.

Следовательно, медь является одним из наиболее распространенных элементов в образце, а Cu0 самым распространенным типом меди. Это было дополнительно подтверждено анализом результатов рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (3A).


Изображение 3

На графиках 3B и 3C показана спектроскопия характеристических потерь энергии электронами (EELS от electron energy loss spectroscopy) меди. В первом EELS спектре (3B) можно увидеть присутствие углерода, азота и кислорода, которые являются типичными компонентами органического вещества, входящего в состав бактерий. Уровень энергии для каждого из этих элементов составил: 290 эВ углерод; 400 эВ азот и 530 эВ кислород.

Медь обычно обнаруживается в диапазоне от 931 до 953 эВ. Но в данном случае обнаружить ее с помощью EELS было невозможно (3C). Ученые объясняют это толщиной одноатомной меди, что является известным ограничением этого метода. Однако с помощью EELS удалось установить, что атомы меди распространены в клетках остаточно равномерно, а вероятность их кластеров крайне мала в отличие от углерода, азота и кислорода.

На графиках 3D-3F показаны результаты рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии C 1s, O 1s и Cu 2p на уровне ядра, полученные от меди, синтезированной Bacillus, спустя 48 часов инкубации.

Спектр C 1s (3D) представляет три компонента при 285.8, 287 и 288.9 эВ, соответствующих связям между белком/пептидами и атомарной медью. Область XPS-спектров O 1s на уровне ядра (3E) показывает максимум энергии связи при 532.8 эВ, соответствующий карбоксильным группам, которые принадлежат белкам на поверхности атомарной меди. Cu 2p показывает два пика при 932.3 и при 952.0 эВ, которые соответствуют энергиям связи 2p3/2 и 2p1/2 электронов Cu0 (3F). Эти наблюдения указывают на то, что тип меди, синтезируемой бактериями, это именно одноатомная медь, т.е. Cu0.

Полностью удостоверившись в том, что бактерии производят одноатомную медь, ученым осталось понять, как именно это происходит.

Сначала белки бактерий идентифицировали в двух различных условиях роста: культивирование без сульфата меди (контрольная группа) и с сульфатом меди (CuSO4; 100 мг/л). В контрольной группе было зафиксировано экспрессию 652 белков, а в группе с CuSO4 458 белка. Из этих 458 белков 313 одинаково экспрессировались в обоих условиях роста, а 145 белков экспрессировались только в присутствии сульфата меди.

Большинство белков (102 белка) участвовали в первичном метаболизме (углерод и энергия). Следовательно, Cu влияет на клетку негативным образом, вызывая выработку большей энергии, дабы пережить это воздействие. Пятнадцать белков участвовали в функциях устойчивости и стресса, а три из них выполняли функции транспорта и поглощения Cu клеткой.

Среди белков, задействованных в транспорте меди, были регулируемый железом транспортер SufB, переносящая медь аденозинтрифосфатаза P-типа (ATPase) и Copz.

Copz это шаперонный* белок, выполняющий роль внутриклеточной секвестрации (накопления) и транспорта Cu+ из цитоплазмы* в периплазму*.
Шапероны* белки, выполняющие функцию восстановления правильной нативной третичной или четвертичной структуры белка, а также образование и диссоциация белковых комплексов.
Цитоплазма* полужидкое содержимое клетки.

Периплазма* обособленный компартмент клеток грамотрицательных бактерий.
Остальные 11 белков, идентифицированные в присутствии сульфата меди, были белками, которые могут участвовать в биосинтезе и стабилизации одноатомной меди. Шесть из них восстанавливают либо сульфат, либо металлы: тиолдисульфид изомераза / тиоредоксин; тиоредоксинредуктаза (TRXR), дикластер 4Fe-4S, ферредоксин 4Fe-4S, дисульфидредуктаза семейства TlpA и сульфатаденилилтрансфераза.

Учитывая функции этих белков, можно предположить, что они восстанавливают сульфат из CuSO4, оставляя свободную токсичную медь (Cu2+) внутри клеток.


Изображение 4

Продукция наночастиц Se с помощью Stenotrophomonas maltophilia показала возможную ассоциацию с алкогольдегидрогеназой. В рамках данного исследования в бактериях Bacillus были идентифицированы два белка-гомолога: NADH (восстановленная форма никотинамидадениндинуклеотида) зависимая бутанолдегидрогеназа А и NADH-зависимая бутанолдегидрогеназа.

Подобная находка указывает на то, что белки могут участвовать в биогенном синтезе одноатомной меди. Также в бактериях были выявлены белки семейства Ferritin Dps и индуцируемый голоданием ДНК-связывающий белок (Dps от DNA binding protein). Ранее высказывалось мнение, что пути синтеза наночастиц с участием этих белков включают процессы автоокисления, гидроксилирования или восстановления. Но пока это лишь теория.

В данном труде ученые предположили, что в процессе преобразования Cu2+ в Cu0 важную роль играет белок ферритин*.
Ферритин* сложный белковый комплекс, выполняющий роль основного внутриклеточного хранилища железа.
Вероятно, комбинация этого белка и других белков, экспрессируемых в Bacillus, в среде с добавлением сульфата меди напрямую связано с биосинтезом одноатомной меди (изображение 4).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


В данном труде ученые исследовали довольно любопытный организм бактерию Bacillus, способную внутриклеточно синтезировать одноатомную медь (Cu0) из сульфата меди (CuSO4). Данный процесс, являющийся естественным для бактерий, крайне сложно воспроизвести с помощью даже самых современных технологий и методик. Для производства одноатомной меди люди вынуждены применять токсичные реагенты, тогда как бактерии в этом не нуждаются.

По словам авторов труда, их результаты позволяют лучше понять, как столь малые организмы способны регулировать столь сложные химические реакции. Кроме того, это исследование может стать основой для промышленного производства атомарной меди, которое будет лишено прежних недостатков, но обретет новые преимущества, такие как снижение стоимости производства.

Учитывая, что медь используется во многих направлениях (от антибактериального покрытия до электроники), подобного рода открытия действительно несут в себе немалый потенциал.

Важно отметить и то, что изученные бактерии могут быть далеко не единственными микроорганизмами, способными синтезировать одноатомные металлы, которые найдут свое применение в науке, технике и медицине.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Категории

Последние комментарии

  • Имя: Макс
    24.08.2022 | 11:28
    Я разраб в IT компании, работаю на арбитражную команду. Мы работаем с приламы и сайтами, при работе замечаются постоянные баны и лаги. Пацаны посоветовали сервис по анализу исходного кода,https://app Подробнее..
  • Имя: 9055410337
    20.08.2022 | 17:41
    поможем пишите в телеграм Подробнее..
  • Имя: sabbat
    17.08.2022 | 20:42
    Охренеть.. это просто шикарная статья, феноменально круто. Большое спасибо за разбор! Надеюсь как-нибудь с тобой связаться для обсуждений чего-либо) Подробнее..
  • Имя: Мария
    09.08.2022 | 14:44
    Добрый день. Если обладаете такой информацией, то подскажите, пожалуйста, где можно найти много-много материала по Yggdrasil и его уязвимостях для написания диплома? Благодарю. Подробнее..
© 2006-2023, personeltest.ru