Сім наукових відкриттів 2023 року, які можуть призвести до нових винаходів26 грудня 2023
Цього року біологи дізналися багато нового про тварин і рослини, і їхні відкриття можуть надихнути на створення кращих роботів, медицини та екологічних технологійВинахідники часто звертаються до природи, коли обмірковують шляхи покращення людського життя,.
Тварини та рослини, які еволюціонували протягом тисячоліть, щоб процвітати у своєму середовищі, є чудовим планом для інновацій.
Цього року, наприклад, вчені з Китаю та Швейцарії представили пластир для доставки ліків, який нагадує присоски восьминога.
Пристрій у формі присоски прилягає до внутрішньої сторони щоки пацієнта та вливає ліки перорально без голки.
Надихнувшись м’яким морським огірком, інженери розробили магнітного робота, що змінює форму, який може розріджуватися при нагріванні та змінювати форму під час охолодження.
Одного разу винахід може мати медичне застосування, наприклад, видаляти шкідливі речовини зі шлунка пацієнта; він також може допомогти зібрати важкодоступні схеми або працювати як універсальний гвинт.
Але перш ніж з’явитися будь-який із цих винаходів, вченим потрібно було щось дізнатися про світ природи.
У 2023 році дослідники описали білки в отруті гусениць, аеродинамічні моделі метеликів-монархів і світловідбиваючі матеріали в очах ракоподібних, які можуть стати уроком для інженерів.
Ці прориви сьогодні можуть надихнути технології завтрашнього дня.
Ось сім наукових відкриттів цього року, які можуть призвести до нових винаходів.
Отрута гусениці жереха пробиває отвори в клітинних стінкахХоча пухнасті гусениці жереха можуть виглядати як нешкідливі гуляючі косички, ви повинні протистояти будь-якому бажанню простягнути руку й погладити одну з них.
Під своєю м’якою зовнішністю гусениці жереха ховають загрозливу мережу шипів, наповнених отрутою.
Хоча личинки молі виростають трохи більше дюйма, їх жало може помістити дорослу людину в лікарню.
Цього року вчені проаналізували, як діє їхній потужний токсин.
Виявляється, отрута гусениці жереха містить незвичайний білок, що змінює форму, згідно з дослідженням, опублікованим у липні в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Коли токсин досягає зовнішньої поверхні клітини, цей білок набуває форму пончика, а потім пробиває отвір у клітинній стінці.
Токсини, вироблені такими бактеріями, як кишкова паличка та сальмонела, проникають у клітини подібним чином.
Таким чином, вчені припускають, що якась бактерія давно вставила свої гени в ДНК гусениці жереха.
Потім, коли гусениця виросла в дорослу моль, вона передала ці гени своєму потомству.
За допомогою імітації дірчастої природи білків гусениці, інженери можуть розробити стратегії доставки ліків, які «поміщають ліки всередину клітин, де вони повинні працювати»,—сказав співавтор дослідження Ендрю Вокер, молекулярний біолог з Університету Квінсленда в Австралії.
Антонія О'Флаерті з Австралійської радіомовної корпорації.
«Ми могли б сконструювати ці види токсинів, щоб націлюватися на ракові клітини або на патогени, і залишати людські клітини в спокої».
Ця робота може зайняти щонайменше одне-два десятиліття.
Але ця галузь досліджень може означати, що одного дня отрута гусениці жереха може принести не лише біль, але й полегшення.
У сплячки ведмеді не утворюються тромбиВід тривалих перельотів на літаку до постільного режиму після операції, тривалі сидячі періоди можуть призвести до перекривлення вен, і призводити до накопичення крові, а також збільшувати ризик згортання крові або тромбозу глибоких вен.
Але сплячі ведмеді здебільшого лежать нерухомо місяцями поспіль—і ці майстри бездіяльності не утворюють тромби.
Щоб дізнатися, як вони це роблять, вчені вистежили бурих ведмедів у Швеції взимку та влітку.
Вони заспокоїли величезних істот і взяли зразки крові в обидві пори року.
У імпровізованій польовій лабораторії вони виявили, що один білок демонструє значну сезонну зміну: відповідно до статті, опублікованої в Science у квітні, він був присутній у високих рівнях влітку, але майже не існував під час сплячки.
З огляду на минулі дослідження, вчені зрозуміли, що HSP47 бере участь у допомозі тромбоцитам зв’язуватися з білими кров’яними клітинами для боротьби з інфекціями.
Таким чином, зниження рівня білка під час сплячки, здавалося, що ведмеді встановлюють захист від утворення тромбів.
Отримавши інформацію про те, що вони побачили у ведмедів, команда звернулася до людей.
Вони виміряли рівень HSP47 у людей з травмами спинного мозку, які залишаються сидячими протягом тривалого часу, але не борються з тромбозом.
Звичайно, їхні рівні HSP47 були нижчими за середні.
І коли дослідники попросили десятьох добровольців провести 27 днів у ліжку, вони помітили падіння цього білка, що утворює тромби, протягом цього часу.
Розуміння HSP47 може мати медичні наслідки.
Це може допомогти лікарям визначити, хто має підвищений ризик тромбозу.
Або це може надати шляхи для профілактичного лікування онкологічних хворих і тих, хто одужує після операції, у яких більша ймовірність утворення тромбів.
«Ідеальним лікуванням тромбозу глибоких вен є запобігання утворенню тромбів там, де вони не повинні утворюватися, і водночас не перешкоджає нормальному механізму згортання крові у вашому організмі»,—сказав Кім Мартінод, біомедичний вчений з KU Leuven у Бельгії, Елізабет Пеннісі з Science.
«Це має потенціал бути саме таким».
Деякі ракоподібні мають блискучі очі, які допомагають їм ховатися від хижаківЩоб вижити в океані, багато істот вибирають камуфляж.
Але деякі переводять це на інший рівень: примарні тварини фактично ховаються від самого світла, мають прозорі тіла, які практично зникають з поля зору.
Скляні кальмари використовують цю стратегію разом із личинковими формами кількох риб, але в них є одна підводна камінь.
Очі цих істот відбивають світло, створюють трохи блиску, який може видати хижаку їхнє місце розташування.
Прозорі очі просто не функціонуватимуть, оскільки певні темні пігменти необхідні для зору.
Деякі личинки креветок, однак, еволюціонували як обійти цей недолік.
Їхні очі закриті аркушем світлового скла, яке ефективно поєднує їхній блиск очей із кольором навколишньої води.
Таким чином крихітні ракоподібні можуть стати невидимими.
У статті, опублікованій в Science у лютому, дослідники досліджували складний матеріал, який утворює це скло, що захисне для очей.
Насправді він складається з крихітних сфер, кожна з яких становить лише мільярдні частки метра, виготовлених із речовини під назвою ізоксантоптерин.
Ці сфери, які відбивають світло, як мініатюрні диско-кулі, утворюють неорганізований масив із проміжками між ними, тому ракоподібні все ще можуть бачити.
Склоподібний щит може відбивати різні кольори світла—від темно-синього до жовто-зеленого—залежно від потреб тварини в маскуванні.
Під час лабораторних експериментів креветки, які протягом кількох годин були під дією сонячного світла, мали жовті світловідбиваючі очі, але ті, що були залишені в темряві на ніч, замість цього відбивали зелені.
Цікаво, що розмір і розташування сфер контролювали колір світла, яке вони відбивали, і цей колір був постійним під усіма кутами огляду.
Завдяки подальшим дослідженням цих маленьких сфер дослідники могли б відкрити шляхи вдосконалення технологій керування світлом у сонячних батареях, дистанційному зондуванні та зв’язку, згідно з перспективою, що супроводжує статтю.
«В даний час існує великий інтерес до пошуку органічних, біосумісних матеріалів з високим показником заломлення як заміни неорганічних матеріалів у пігментах, косметиці та інших оптичних матеріалах»,—сказав Бенджамін Палмер, співавтор дослідження та хімік Ben- Університет Гуріона в Негеві в Ізраїлі, повідомила Аліса Кляйн з New Scientist.
Або, оскільки крихітні скляні сфери створюють однорідний колір, структури можуть надихнути на створення екологічно чистих фарб або навіть лаку для нігтів.
Метелики-монархи отримують додаткову силу від плям на крилахСмертельна міграція метелика-монарха є особливим.
Відомо, що жоден інший вид метеликів не здійснив би двосторонню подорож, не спрямував би на зиму на південь, а потім повертався б на північ із підвищенням температури, як це роблять птахи.
Комахи можуть долати 100 миль за один день, долають загальну відстань до 3000 миль, перш ніж досягти кінцевого пункту призначення.
Щоб заощадити енергію, вони часто їздять на повітряних потоках.
І, згідно з дослідженням, опублікованим у PLOS One у червні, візерунки крил метеликів також можуть дати їм поштовх.
Згідно з дослідженням, під час польоту монархів сполучення темних і світлих кольорів на краях їхніх крил створює нерівномірну схему нагрівання й охолодження.
Коли темні ділянки трохи тепліші, а білі—трохи холодніші, навколо плям можуть утворюватися крихітні завихрені повітряні кишені.
Ці вихори можуть забезпечити додаткову підйомну силу для комах і зменшити опір їхніх крил, змінюювати течію повітря повз метелика.
Порівняння розміру плями між монархами та іншими видами підтвердило цю ідею.
Метелики, які не мігрували, мали менші білі плями, ніж монархи, як і деякі немігруючі монархи, які належать до поколінь, народжених влітку, які не дожили до міграції восени.
Імітація білих плям монархів може допомогти інженерам створити ефективніші безпілотники, кажуть дослідники.
«Ваш безпілотник міг би нести більше, тому що це забарвлення допомагає їм отримати додаткову підйомну силу»,—сказав Зейні Сайєд з Popular Science, співавтор Мостафа Хассаналіан, інженер-механік із Нью-Мексико Технічного університету, який створив дрони з таксидермічних птахів.
Дослідження показують, що навіть незначні зміни кольору можуть мати велике значення.
Успішні метелики, які потрапили до Мексики, мали білі плями, які були лише на 3 відсотки більші порівняно з тими, які закінчили свої міграційні подорожі на півдні Сполучених Штатів.
Хоча це число може здатися низьким, воно може мати серйозні наслідки для монархів, сказав співавтор Енді Девіс, еколог з Університету Джорджії, Джейсону Біттелу з National Geographic.
«Це може бути різницею між життям і смертю під час міграції»,—сказав він.
Рослина пустелі витягує вологу з повітря за допомогою спеціальних солейКоли справа доходить до пошуку засобів до життя без великої кількості води, організми, що мешкають у пустелях, є майстрами інновацій.
Деякі тварини, такі як чудовисько Гіла, навчилися накопичувати воду у своїх тілах.
А рослини можуть відростити глибоке коріння, щоб отримати напій далеко під землею.
Але одна пристосована до сухості рослина звертається до іншого джерела вологи: повітря.
Веретеноподібні чагарники, які називаються тамарисками, витягують солону воду з ґрунту та виділяють сіль зі свого листя.
Потім, вночі, ці кристали дозволяють їм збирати воду з повітря, йдеться в статті, опублікованій у Proceedings of the National Academy of Sciences у жовтні.
Вчені відрізали гілку від тамариска атель і повернули її до своєї лабораторії.
Вони помістили його в камеру з контрольованим навколишнім середовищем, призначену для імітації умов пустелі: 95 градусів за Фаренгейтом і 80 відсотків вологості.
Через дві години гілка з кристалами солі на листках набрала 15 міліграмів води.
Коли вони перевірили ту саму гілку без солі, вона зібрала лише 1,6 міліграма.
Команда вивчила компоненти солі та виявила, що вона містить щонайменше десять різних матеріалів, які разом дозволяли їй витягувати воду з повітря навіть при відносно низькій вологості 55 відсотків.
Одним із цих компонентів був сульфат літію, який міг збирати воду при найнижчій вологості.
Ці солі, які природним чином виробляються рослиною, ймовірно, є екологічно безпечними, пишуть автори.
Їх виявлення може допомогти інженерам покращити методи вилучення вологи з повітря в регіонах, де немає води.
Посів хмар, процес, який додає кристали до хмар, щоб спонукати їх створювати дощ, уже використовується в таких країнах, як Об’єднані Арабські Емірати, для боротьби з посушливими умовами та в Пакистані для пом’якшення смогу.
«Це обіцяє революцію в методах засівання хмар, зробивши їх більш ефективними та екологічно чистими, а також узгоджувати з нашим обов’язком розумно використовувати дефіцитні водні ресурси планети»,–Марі Аль-Хандаві, хімік з Нью-Йоркського університету Абу-Дабі та Про це йдеться в повідомленні провідного автора дослідження.
Жуки, яких називають снайперами, кидають свою сечу, щоб заощадити енергіюКрихітні комахи, яких називають снайперами, щодня випивають у 300 разів більше, ніж власна вага.
Вони споживають виключно сік ксилеми з рослин—низькоенергетичну речовину, яка на 99 відсотків складається з води,—тому їм доводиться позбавлятися великої кількості зайвої рідини.
В результаті клопи мочаться практично постійно.
Але те, як це відбувається, дивує: снайпер створює краплю сечі на верхній частині гнучкого відростка, який називається анальним стилусом.
Стилус обертається вздовж шарніра, а потім на високій швидкості катапультує мочу від жука.
У дослідженні, опублікованому в Nature Communications у лютому, вчені виявили, що, як не дивно, краплі сечі рухалися в повітрі на 40 відсотків швидше, ніж стилус.
Це вміння, коли снаряд летить швидше, ніж його пусковий пристрій, називається «суперрухом».
За допомогою уповільненого відео та мікроскопії дослідники виявили, що снайпер використовував стилус, щоб стиснути краплю, і цим створює поверхневий натяг, який зберігає енергію, доки крапля не вивільниться в потрібний момент—схоже на те, як водолаз визначає час свого стрибка за допомогою відскоку дошку, щоб отримати додаткову підйомну силу.
Для вчених ця здатність є захоплюючою, оскільки вона відрізняє снайперів від усіх інших тварин: задокументовано не було жодного іншого виду, здатного досягати надпоштовху.
Але для жуків ця дивна тактика має більш практичну користь.
Дослідники виявили, що викид крапель замість вироблення потоку сечі, стрілки економлять енергію.
Дослідники виявили, що викидання сечі насправді в чотири-вісім разів ефективніше, ніж альтернатива.
Інженери могли взяти підказку від снайперів—механізми, що використовуються жуками, могли б створити кращі способи видалення води з електронних пристроїв; наприклад, розумний годинник, який може викидати рідину через вібрацію динаміка.
Можливо, супердвигун міг би надихнути на технології, які також видаляють запотівання окулярів або окулярів шляхом їх вібрації.
Гренландські кити можуть відновлювати свою ДНК, тим самим підвищувати свою стійкість до ракуУ тваринному світі рівень захворюваності на рак є загадковим: згідно зі статистикою, більші тварини, які мають більше клітин, хворіють на рак частіше, ніж менші.
Але з огляду на слонів і китів, це не так—відповідно, у цих величезних істот приблизно в 100 і 1000 разів більше клітин, ніж у людей, але рівень раку в них набагато нижчий.
Ця невідповідність, яка називається парадоксом Пето, довго спантеличила вчених.
Попередні дослідження виявили ген у слонів, який, здається, пригнічує пухлини, що натякає на відповідь на проблему.
Цього року вчені знайшли два білки у гренландських китів, які можуть бути пов’язані з відновленням ДНК, що підвищують стійкість тварин до раку, згідно з препринтною статтею, опублікованою в bioRxiv у травні.
Гренландські кити є найдовголітнішими ссавцями на Землі, тривалість життя яких може перевищувати 200 років.
Дослідження показує, що здатність китів відновлювати ДНК може бути одним із ключів до їхнього довголіття.
У дослідженні дослідники розірвали обидві нитки молекули ДНК у клітинах людей, корів, мишей і гренландських китів.
Відомо, що таке пошкодження, яке називається «дволанцюговим розривом», підвищує ризик раку.
Більш ніж у два рази більше клітин гренландського кита змогли відновити свою ДНК, ніж клітини будь-якого іншого виду.
Клітини китів набагато краще справлялися з точною фіксацією ДНК—клітини людини, корови та миші часто неакуратно ремонтувалися, робили неправильні додавання або видалення послідовності ДНК.
Такі помилки також можуть підвищити ризик раку.
Команда виявила, що білки під назвою CIRBP і RPA2 набагато частіше зустрічаються у гренландських китів і відіграють певну роль у цьому відновленні генів.
Можливо, кажуть вчені, регуляція таких білків у людей може пом’якшити пошкодження ДНК.
«Напевно, ми вже маємо рішення для лікування раку в природі»,—сказала Меган Розен з Science News Орсоля Вінче, еволюційний еколог із Національного центру наукових досліджень Франції, яка не брала участі в дослідженні.
«Ми просто повинні знайти це».
https://www.smithsonianmag.com/innovation/seven-scientific-discoveries-from-2023-that-could-lead-to-new-inventions-180983504/Super-Fast Insect Urination
