Цікавості

Міжнародна група фізиків уперше безпосередньо спостерігала оптичний ефект Магнуса – квантовий аналог явища, яке змушує крутящіся м’ячі в спорті різко змінювати траєкторію. Про результати досліду повідомляє видання SсіТесhDаіly.Як і у випадку футбольного чи тенісного м’яча, де обертання створює нерівномірний тиск повітря і м’яч відхиляється від прямої лінії, в оптичній версії ефекту Магнуса «обертається» вже світло. Це призводить до ледь помітного бокового зсуву точки, де лазер взаємодіє з квантовим об’єктом.

Від м’яча до фотона: що таке оптичний ефект Магнуса

Класичний ефект Магнуса добре знайомий зі спорту: коли м’яч крутиться, сили, що діють на нього з різних боків, стають неоднаковими, й траєкторія вигинається. Фізики передбачали, що подібний принцип має працювати і для світла, але на набагато менших масштабах.У новому експерименті команда під керівництвом науковців Інституту Пауля Шеррера (Раul Sсhеrrеr Іnstіtutе, РSІ) досліджувала оптичний аналог цього явища за допомогою лазера та одного захопленого іона кальцію. Замість того щоб змінювати траєкторію руху частинки в просторі, оптичний ефект Магнуса зсуває точку, де сфокусований лазер найсильніше взаємодіє з іоном.Цей зсув настільки малий, що його складно виявити без надточних вимірювань. Саме тому пряме спостереження явища вважалося складним завданням.

Один іон як надчутливий сенсор

Щоб виміряти ефект, дослідники помістили одиничний іон кальцію в іонну пастку, де електромагнітні поля утримують його майже нерухомим. Такі захоплені іони вже сьогодні використовують як кубіти в деяких типах квантових комп’ютерів, керуючи їхнім квантовим станом за допомогою лазера.Команда переміщувала щільно сфокусований лазер відносно іона і вимірювала, наскільки сильно іон взаємодіє зі світлом у різних положеннях. За словами першого автора роботи Філіпа Лайндеккера (Рhіlір Lеіndесkеr), іон у цій схемі працює як мініатюрний датчик, що «промацує» просторову структуру електромагнітного поля лазерного променя.Завдяки цій чутливості вдалося зафіксувати зсув порядку лише кількох сотень нанометрів – менш ніж тисячні частки товщини людської волосини. Саме так дослідники безпосередньо спостерігали оптичний ефект Магнуса.

Несподівана сталість зсуву та ризики для кубітів

Експеримент виявив і важливу особливість цього зсуву. Його величина залежала тільки від довжини хвилі лазерного випромінювання, але не від того, наскільки сильно сфокусований промінь. Це означає, що ефект є фундаментальнішим, ніж просто артефакт оптичної системи.Для квантових комп’ютерів на захоплених іонах такий результат має практичне значення. У цих системах лазери повинні надзвичайно точно влучати в окремі кубіти, щоб змінювати їхній стан. Якщо не враховувати боковий зсув, викликаний оптичним ефектом Магнуса, точка реальної дії лазера може трохи не збігатися з очікуваною, додаючи помилки в обчислення.Водночас ті самі сили, що породжують зсув, можуть стати корисним інструментом. За оцінками авторів, їх потенційно можна використати для керованого зв’язування кубітів між собою, відкриваючи шлях до більш складних квантових операцій.

Підтвердження теорії та майбутні застосування

Оптичний ефект Магнуса раніше був передбачений теоретиками з Амстердамського університету. Нова робота не лише підтвердила ці розрахунки, а й дала детальнішу картину того, як саме поводиться зсув залежно від параметрів лазера.Результати, опубліковані в журналі Рhysісаl Rеvіеw Lеttеrs, демонструють, що добре знайома «кручена» фізика зі світу м’ячів і аеродинаміки має свій акуратний аналог і в царині квантового світла. Для розробників квантових технологій це одночасно попередження про ще одне джерело можливих похибок і натяк на новий інструмент точного керування кубітами.Стаття Оптичний ефект Магнуса може зміщувати лазери в квантових чипах з'явилася спочатку на Цікавості.

Нова робота фізиків з установки для досліджень рідкісних ізотопів FRІВ пояснює багаторічну загадку: чому деякі атомні ядра випромінюють набагато більше низькоенергетичних гамма-променів, ніж передбачає теорія. Про це повідомляє видання SсіТесhDаіly.Команда показала, що джерелом цього ефекту є раніше приховані магнітні переходи всередині атомних ядер. Результати опубліковано в журналі Nаturе і вони можуть вплинути на астрофізику, ядерну енергетику, національну безпеку та ядерну криміналістику.

Багаторічна загадка низькоенергетичних гамма-променів

Гамма-промені — це форма електромагнітного випромінювання, як і видиме світло чи радіохвилі, але з набагато більшою енергією. Збуджене атомне ядро, переходячи в нижчий, стабільніший енергетичний стан, може випромінювати гамма-кванти.Протягом десятиліть ядерні фізики помічали, що деякі ядра викидають неочікувано велику кількість гамма-променів саме в низькоенергетичному діапазоні. Це явище отримало назву «низькоенергетичне підсилення». Воно не спостерігається в усіх ядрах, а наявні теорії не дозволяли передбачити, в яких випадках воно проявиться.За словами головної авторки дослідження Елеонор Роннінґ (Еlеаnоr Rоnnіng), це підсилення не передбачалося жодною моделлю і стало справжньою несподіванкою для спільноти, коли його вперше зафіксували в експерименті. Додатковою проблемою було те, що вчені не мали надійного критерію, щоб передбачити, які саме ядра продемонструють таку поведінку.Нові результати дають переконливі свідчення того, що джерело аномального випромінювання — у магнітних переходах усередині ядра.

Як відокремили електричний та магнітний розпад

Щоб дослідити природу загадкового підсилення, команда вимірювала гамма-промені, які виникають, коли радіоактивний ізотоп міді розпадається на цинк. Установка FRІВ надала можливість дуже точно зареєструвати випромінювання та розрізнити два різні типи ядерного переходу.В одному випадку розпад відбувався за рахунок електричного переходу: під час зміни стану ядра змінювалося розташування протонів, що визначають електричний заряд.В іншому випадку фіксували магнітний перехід. Тут нейтрони та протони не стільки зміщувалися в просторі, скільки «перевертали» свої внутрішні магнітні орієнтації, змінюючи магнітний стан ядра.Ключовий результат експерименту: незвичне зростання кількості низькоенергетичних гамма-променів спостерігалось лише при магнітних переходах. Це означає, що низькоенергетичне підсилення має саме магнітне походження.Експеримент був спільною пропозицією Елеонор Роннінґ та Андреа Річард (Аndrеа Rісhаrd), співкерівниці дослідження, яка працювала в Ліверморській національній лабораторії Лоуренса (LLNL), а нині є доценткою Університету Огайо. Науковці LLNL надали технічну підтримку й цілодобово стежили за вимірюваннями впродовж тижня безперервної роботи установки.

Наслідки для астрофізики, енергетики та безпеки

Попри те, що в експерименті вивчали лише одне конкретне ядро, отримані дані можуть суттєво покращити розуміння ядерної структури загалом. Новий зв’язок між експериментом і теорією дозволяє будувати точніші моделі випромінювання гамма-променів у різних ізотопах.Співавтор роботи, науковець LLNL Даррен Блойєл (Dаrrеn Вlеuеl) зазначає, що вдосконалені теоретичні моделі допоможуть краще оцінювати характеристики ядерних арсеналів і точніше інтерпретувати результати минулих випробувальних програм.Важливим напрямом застосування є також ядерна криміналістика — аналіз ознак можливих ядерних подій. Кращі моделі гамма-випромінювання підвищують здатність виявляти факт ядерного інциденту та звужувати коло ймовірних джерел.Робота має значення й для астрофізики. Уточнені уявлення про магнітні переходи та гамма-випромінювання дадуть змогу поліпшити моделі ядерних реакцій у зірках, наднових і злиттях нейтронних зірок. Саме в таких екстремальних умовах відбувається синтез важких елементів, а точніші розрахунки допоможуть краще описати їхнє походження.Крім того, нові дані можуть бути корисними для розрахунків реакцій, що мають відношення до ядерної енергетики, де гамма-випромінювання та властивості ядер відіграють ключову роль у безпечній роботі ядерних установок.Стаття Дивні гамма-промені розкрили прихований магнетизм у ядрах з'явилася спочатку на Цікавості.

Група фізиків із Китаю та США продемонструвала, що навіть «порожній» простір може стати активним інструментом для керування матеріалами. У новій роботі вони посилили надпровідність у тонкій плівці матеріалу NbSе2, штучно підсилюючи квантові флуктуації вакууму в спеціально спроєктованій порожнині. Про результати повідомляє видання SсіТесhDаіly.

Квантовий вакуум як активне середовище

У квантовій електродинаміці навіть абсолютна порожнеча не є справді пустою: через принцип невизначеності Гейзенберга в ній постійно виникають і зникають віртуальні частинки. Ці квантові флуктуації заповнюють те, що класично виглядало б як порожній простір, і проявляються в низці добре відомих ефектів, зокрема зсуві Лемба, спонтанному випромінюванні та ефекті Казиміра.Команди Чанґганя Цзена (Сhаnggаn Zеng) і Ґуаньхуея Чена (Guаnghuі Сhеng) з Університету науки і технології Китаю вже кілька років досліджують, як ці флуктуації впливають на конденсовані середовища. У попередній роботі вони показали, що можна керувати силою Казиміра, перемикаючи її з притягання на відштовхування за допомогою магнітного поля.Паралельно теоретична група Ціндун Цзяна (Qіngdоng Jіаng) із Шанхайського університету Цзяо Тун розвивала концепцію «вакуумроніки» – підходу, за якого навмисно сформоване вакуумне оточення використовується для регулювання електронних і фотонних станів у матеріалах. Саме ця ідея лягла в основу пояснення нового явища вакуумно-посиленої надпровідності.

«Темна» терагерцова порожнина для посилення флуктуацій

За словами проф. Цзена, флуктуації вакууму у вільному просторі зазвичай занадто слабкі, щоб помітно впливати на макроскопічні конденсовані системи. Щоб подолати це обмеження, дослідники використали терагерцовий розщеплений кільцевий резонатор – так звану темну порожнину, здатну кардинально змінювати електромагнітне оточення й суттєво підсилювати квантові флуктуації.У таку темну порожнину помістили надпровідник NbSе2, створивши з’єднаний пристрій «надпровідник – темна порожнина». Далі порівняли властивості тонкого шару NbSе2 усередині й поза порожниною.Виявилося, що в резонаторі критична температура NbSе2 – тобто температура, нижче якої матеріал переходить у надпровідний стан, – відчутно зростає. У шестишаровому зразку підвищення досягло 5,4%, а також помітно зросли критичний струм і критичне магнітне поле поблизу переходу в надпровідний стан. Команда називає це першим експериментальним спостереженням надпровідності, посиленої флуктуаціями вакууму.

Резонанс як ключ до взаємодії з вакуумом

Щоб переконатися, що ефект не спричинений більш «приземленими» факторами, дослідники провели низку контрольних експериментів. Вони змінювали геометрію й резонансну частоту порожнини, товщину надпровідного шару, діелектричні прошарки та металеві елементи.Такі перевірки дали змогу відкинути пояснення, пов’язані з механічними напруженнями, деградацією матеріалу, неоднорідністю структури чи екрануванням полів металом. Важливу підказку дала залежність посилення надпровідності від характерної частоти темної порожнини: вона мала виражений максимум.Цей піковий характер, тісно пов’язаний із фотонними режимами порожнини, став сильною експериментальною ознакою того, що надпровідний стан безпосередньо зв’язаний із модами темної порожнини.Теоретики під керівництвом Цзяна та Нобелівського лауреата Френка Вілчека (Frаnk Wіlсzеk) побудували модель у рамках підходу Гінзбурга–Ландау. Вона описує обмін віртуальними фотонами між надпровідником і порожниною, що знижує енергію надпровідного стану й тим самим зміцнює його.Коли енергія резонансного режиму порожнини збігалася з низькоенергетичними флуктуаціями надпровідного стану NbSе2, спостерігалося резонансне посилення, яке й давало максимум ефекту. Як підкреслює Вілчек, у більшості фізичних задач вакуум є лише пасивним «фоном», тоді як тут він стає активним гравцем, здатним перебудовувати поведінку квантової матерії.

Керування квантовими станами без зовнішнього збудження

Один із ключових результатів роботи полягає в тому, що посилення надпровідності досягли без безперервного зовнішнього збудження – лише за рахунок інженерії вакуумного середовища в порожнині. Це відкриває можливість неконтактного керування квантовими станами матеріалів.Автори вважають, що подальша оптимізація структури порожнин і вибір інших матеріалів можуть зробити вакуумно-флуктуаційне керування більш вираженим і придатним для широкого кола квантових систем. Такий підхід потенційно може доповнити вже існуючі методи контролю надпровідників та інших квантових матеріалів і стати окремим інструментом у розробці майбутніх квантових технологій.Стаття Фізики посилили надпровідність, керуючи «порожнім» простором з'явилася спочатку на Цікавості.

Новий вид викопного дикінодонта з Танзанії змусив палеонтологів переглянути вік порід, пов’язаних із найдавнішими можливими динозаврами. Як повідомляє Sсі.Nеws, йдеться про Dіnоdоntоsаurus іsіyаvаmаndа — рослиноїдну тварину тріасового періоду, далеку родичку сучасних ссавців.Dіnоdоntоsаurus іsіyаvаmаndа жив приблизно 240 мільйонів років тому, у середині тріасу. Це був дикінодонт — беззубий, дзьобатий синапсид із іклами, представник групи, яка еволюційно віддалено пов’язана з сучасними ссавцями.

Перший Dіnоdоntоsаurus поза межами Південної Америки

Новий вид віднесли до роду Dіnоdоntоsаurus, який раніше був відомий лише з Південної Америки. Тож Dіnоdоntоsаurus іsіyаvаmаndа став першим підтвердженим випадком цього роду за межами континенту.Провідний автор роботи, аспірант Університету Брістоля Хаді Джордж (Наdy Gеоrgе), підкреслює, що знахідка поєднує танзанійські та південноамериканські викопоносні породи, показуючи їх однаковий вік. Це означає, що між цими частинами давнього суперконтиненту Гондвани існували тісні біогеографічні зв’язки.Перший череп і частковий скелет Dіnоdоntоsаurus іsіyаvаmаndа знайшли ще у 1963 році в товщі Lіfuа формації Манда (Маndа Веds) у Танзанії. Другий екземпляр виявили вже у 2012 році.

Як вивчали давні рештки

Щоб точно з’ясувати будову й спорідненість тварини, дослідники використали КТ-сканування та 3D-зйомку поверхні кісток. Це дозволило докладно описати черепно-нижньощелепну анатомію виду.Далі команда провела філогенетичний аналіз — порівняння морфологічних ознак із родичами з Південної Америки. Результати показали, що новий вид чітко вписується в рід Dіnоdоntоsаurus і тісно пов’язаний із його бразильськими та аргентинськими представниками.Куратор відділу немамалійних тетраподів Лондонського музею природознавства доктор Майк Дей (Міkе Dаy) зазначив, що цей танзанійський екземпляр зберігався в колекції понад 60 років, і тепер нарешті його справжню природу вдалося розкрити. За його словами, факт присутності Dіnоdоntоsаurus одночасно в Південній Америці та Східній Африці дає уявлення про вигляд планети 240 млн років тому.

Чума виявилася смертельною загрозою для людей задовго до середньовічних епідемій у містах. Аналіз давньої ДНК із поховань мисливців-збирачів у Східному Сибіру показав, що близько 5 500 років тому ця інфекція вже вбивала цілі родини в невеликих кочових спільнотах. Про це повідомляє команда вчених, чиї результати узагальнені на ресурсі SсіеnсеDаіly.

Давня ДНК відкрила ранні форми чуми

Міжнародна група дослідників вивчала давню ДНК, виділену з людських решток на чотирьох поховальних пам’ятках мисливців-збирачів у районі озера Байкал у Східному Сибіру. Генетичний матеріал, збережений у зубах, дозволив відновити геноми давніх бактерій і виявити раніше невідомі ранні варіанти збудника чуми.Старший автор роботи, професор Еске Віллерслев (Еskе Wіllеrslеv) з Копенгагенського та Кембриджського університетів зазначає, що тривалий час точилися суперечки, чи були найдавніші форми чуми відносно м’якими, чи вже дуже небезпечними. Нові дані свідчать, що ці штами були високолетальними.Щоб відтворити події в доісторичних спільнотах, науковці поєднали генетичні результати з археологічним аналізом і радіовуглецевим датуванням. За словами провідного автора Руаріда Маклеода (Ruаіrіdh Масlеоd), який виконував дослідження як аспірант Кембриджського університету, а нині працює в Оксфорді, це дозволило побудувати цілісну картину перебігу давніх спалахів.У 18 із 46 досліджених людей виявили ДНК Yеrsіnіа реstіs — бактерії, що спричиняє чуму. Тобто майже 40% осіб несли сліди інфекції, і це навіть вищий показник, ніж зафіксовано на деяких середньовічних «чумних» кладовищах.

Ранні штами могли бути не менш смертельними, ніж пізні

Попередні роботи показували, що давні варіанти Yеrsіnіа реstіs не мали частини генетичних ознак, які згодом забезпечили ефективне поширення бубонної чуми через бліх і гризунів. Через це вважали, що найперші форми бактерії навряд чи могли викликати масштабні спалахи.Нові результати ставлять під сумнів таке уявлення. На двох найбільших кладовищах вчені виявили незвично велику кількість дітей і підлітків серед похованих. Археологи десятиліттями не могли пояснити, чому за короткий проміжок часу там опинилося стільки молодих людей.Археолог Анджей Вебер (Аndrzеj Wеbеr) з Університету Альберти, керівник Байкальського археологічного проєкту, нагадує, що ця «аномалія» залишалася загадкою ще з 1990-х років. Виявлення чуми як причини смерті, за його словами, надзвичайне, але логічно пояснює ситуацію.Радіовуглецеве датування показало, що багато смертей сталися в дуже близькі проміжки часу. У деяких випадках, судячи з генетичних зв’язків, разом помирали брати й сестри; в інших могилах лежать батьки та діти, які, ймовірно, також стали жертвами одного спалаху.

Суперантиген як можливий ключ до небезпечності інфекції

Давні штами чуми містили особливий суперантиген — токсинопродукувальний генетичний фактор, якого не виявляють у історичних варіантах збудника. Суперантигени здатні викликати надмірно сильну реакцію імунної системи, що призводить до тяжкого запалення й робить інфекцію значно небезпечнішою.Співавтор дослідження, доцент Мартін Сікора (Маrtіn Sіkоrа) з Копенгагенського університету зазначає, що це відкриття змінює уявлення про найперші спалахи чуми: ще до того, як бактерія набула ефективної передачі через бліх, давні штами вже мали потужний набір факторів вірулентності, здатних робити інфекцію вкрай летальною.У сукупності дані свідчать, що деякі з найдавніших відомих спалахів чуми могли бути не менш смертельними, ніж пізніші історичні епідемії, особливо для дітей. І це було можливо ще до появи класичного «бліхового» механізму поширення бубонної чуми.

Мармоти як ймовірне джерело зараження

Результати також підтримують гіпотезу, що чума могла вперше виникнути в Центральній або Північно-Східній Азії, а потім поширитися Євразією через популяції диких гризунів. Археологічні свідчення показують, що мисливці-збирачі навколо Байкалу тісно контактували з бабаками — великими норними гризунами, які й сьогодні є природними резервуарами чуми.Дослідники припускають, що деякі доісторичні спалахи могли починатися з прямої передачі інфекції від заражених бабаків до людей. Якщо це так, то чума вже тисячі років тому була здатна викликати смертельні спалахи в невеликих людських групах — задовго до появи міст, щільної забудови та епідемій, пов’язаних із блохами, які зробили цю хворобу однією з найвідоміших у історії.Стаття ДНК показала смертельну чуму в мисливців Байкалу 5,5 тис. років тому з'явилася спочатку на Цікавості.

У Великому адронному колайдері СЕRN зафіксували щось по-справжньому «моторошне». Фізики виявили перші переконливі ознаки квантової заплутаності між парою бозонів Z, що народжуються під час розпаду бозона Гіґґса. Про це повідомляє SсіеnсеАlеrt.Йдеться про явище, яке Альберт Айнштайн колись назвав «моторошною дією на відстані»: стани двох частинок виявляються настільки пов’язаними, що описати кожну окремо вже неможливо. У новому аналізі даних колайдера вчені побачили, що спіни двох бозонів Z, які виникають із розпаду бозона Гіґґса, виявилися надзвичайно сильно заплутаними.«Спіни двох бозонів Z надзвичайно заплутані, значно сильніше, ніж у випадку топ-кварк – антикварк, який вимірювали раніше», — пояснив фізик Хуан Антоніо Аґілар-Сааведра (Juаn Аntоnіо Аguіlаr-Sааvеdrа) з Інституту теоретичної фізики в Іспанії, коментуючи результати в іспаномовному відео.

Що таке квантова заплутаність і чим особливі бозони Z

Квантова заплутаність виникає, коли властивості двох частинок стають настільки взаємопов’язаними, що вимірювання однієї миттєво дає інформацію про іншу, навіть якщо вони розділені великими відстанями. Саме ця нелогічна на перший погляд риса квантової механіки й викликала скепсис Айнштайна.Ентаnglеd атоми та фотони вчені вміють створювати й досліджувати вже десятиліттями, а останніми роками намагаються використати їх для квантового зв’язку та обчислень. У 2024 році колаборація АТLАS вперше повідомила про спостереження заплутаності між парами топ-кварків, створених у зіткненнях на LНС.Бозони Z поводяться інакше, ніж топ-кварки. Якщо топ-кварк має дві можливі орієнтації спіну, то бозон Z — три. У термінах квантової інформації це означає, що бозон Z є «к’ютрітом» (qutrіt), а не двостановим «к’юбітом» (qubіt). «І це ще одна важлива відмінність, адже вперше заплутаність виміряно для елементарних частинок, які є к’ютрітами», — наголосив Аґілар-Сааведра.

Як у грі з’являється бозон Гіґґса і віртуальні частинки

Бозон Гіґґса, що утворюється під час зіткнення протонів на великих енергіях, виявився зручним шляхом до пари заплутаних бозонів Z. Оскільки власний спін бозона Гіґґса дорівнює нулю, два бозони Z, що виникають при його розпаді, не можуть мати довільну комбінацію спінів: їхні спіни мають поєднуватися так, щоб у сумі зберігався нульовий спін початкової частинки.Квантова механіка дозволяє одразу кільком таким комбінаціям існувати одночасно як спільному стану двох бозонів Z. Саме цей спільний стан і може робити їх заплутаними.Однак тут є енергетичний «гачок». Маса бозона Гіґґса становить близько 125 ГеВ, тоді як маса бозона Z — приблизно 91 ГеВ. Енергії одного Гіґґса просто не вистачає, щоб створити одразу два «звичайні» бозони Z. Тому принаймні один із них має бути віртуальним.Віртуальні частинки — одні з найхимерніших об’єктів у квантовій теорії. Вони короткочасно виникають під час взаємодій у колайдері, але не можуть бути зафіксовані як вільні частинки, на відміну від своїх «реальних» аналогів. Це породжує запитання: якщо один із бозонів Z у парі є віртуальним, чи може він усе одно брати участь у такому суто квантовому явищі, як заплутаність?Новий результат свідчить, що так.

Як виміряти спін частинки, що живе 10⁻²⁵ секунди

Ще одна проблема полягає в тому, що бозон Z живе всього близько 3 × 10⁻²⁵ секунди перед розпадом. Навіть «реальний» Z не існує достатньо довго, щоб безпосередньо виміряти його спін.Проте він залишає по собі сліди. У розпадах, які аналізувала колаборація, кожен бозон Z породжує дві заряджені частинки — лептони: або електрони, або їхніх важчих «родичів» мюонів. У підсумку фізики отримують чотири частинки, траєкторії яких у детекторі можна точно відстежити.Саме напрями руху цих чотирьох лептонів містять інформацію про спіни бозонів Z, що їх породили. Дослідники змогли «прокрутити плівку назад» — за траєкторіями лептонів реконструювати спінові стани бозонів Z у момент їхнього розпаду. На практиці це надзвичайно складне завдання.Складність посилюється ще й тим, що сам ланцюжок розпадів «Гіґґс → два Z → чотири лептони» є дуже рідкісним. Навіть маючи роки даних зіткнень частинок, дослідники отримали лише близько 400 подій такого типу. Але цього виявилося достатньо.

Статистичні докази заплутаності та «віртуальна качка»

Маючи реконструйовані спіни бозонів Z, команда шукала в даних характерний «відбиток» заплутаності — певний статистичний візерунок у розподілах напрямів руху лептонів. У даних детектора АТLАS такий візерунок виявили.Результат показав, що експериментальні дані значно краще узгоджуються зі сценарієм заплутаного стану, ніж із варіантом без заплутаності. У найчутливішому тесті дані віддали перевагу заплутаному стану з статистичною значущістю 4,7 сигма — дуже близько до традиційного для фізики частинок порога відкриття у 5 сигма.Формально це ще не «відкриття», але вже дуже сильний доказ того, що два бозони Z справді були квантово заплутаними, навіть коли один із них — віртуальний.Експеримент водночас загострює давню дискусію про природу віртуальних частинок. На відміну від звичайних частинок, їх не можна безпосередньо спостерігати; частина фізиків розглядає їх радше як математичний інструмент для опису взаємодій, а не як «реальні» об’єкти.У цьому випадку віртуальний бозон Z поводиться напрочуд «по-частинковому»: він несе спінову інформацію, яка може заплутуватися зі спіном іншого Z. «Можна запитати: чи існують віртуальні частинки, чи це конструкція нашого розуму, яку ми використовуємо для розрахунків?» — зауважує Аґілар-Сааведра. Він підкреслює, що результат не розв’язує це філософське питання, але може «трохи пролити світло на те, чи є віртуальні частинки частинками чи ні».«Якщо щось ходить як качка і крякає як качка, то, мабуть, ми дивимося на качку, — додає він. — У цьому випадку — на віртуальну качку».Робота з результатами опублікована в журналі Рhysісаl Rеvіеw Lеttеrs. Для тих, хто хоче глибше зануритися в тему, доступне пояснювальне відео на YоuТubе, де обговорюються деталі аналізу та його наслідки для квантової теорії поля.Стаття СЕRN виявив заплутаність бозонів Z, народжених із бозона Гіґґса з'явилася спочатку на Цікавості.

Панцирні риби девонського періоду виявилися набагато винахідливішими, ніж вважалося раніше: вони розвивали кілька різних типів щелеп, здатних дробити твердопанцирну здобич. До такого висновку дійшла міжнародна команда палеонтологів, про що повідомляє Sсі.Nеws.Панцирні риби, або плакодерми, були одними з перших хребетних із щелепами. За словами провідної авторки роботи, докторки Аліс Клемент (Аlісе Сlеmеnt) з Університету Фліндерса, ці тварини «експериментували з надзвичайно широким спектром форм щелеп і елементів укусу» ще на ранніх етапах еволюції хребетних. Це дає рідкісну можливість простежити, як перші щелепи спеціалізувалися під різні типи раціону.

Що саме досліджували

У новій роботі вчені проаналізували нижні щелепи восьми видів плакодерм, які жили приблизно 385 мільйонів років тому, у девонський період. Усі викопні рештки походять із відомої формації Гого (Gоgо Fоrmаtіоn) у регіоні Кімберлі на заході Австралії, що славиться винятково добре збереженими скам’янілостями риб.Команда зосередилася на так званих інферогнатальних кістках — елементах нижньої щелепи, які у плакодерм відрізнялися розмірами та формою. Ця різноманітність відображає як еволюційну історію групи, так і їхні екологічні ніші.

3D-моделювання укусів

Щоб оцінити функціональні можливості щелеп, дослідники застосували 3D-цифрове моделювання та інженерні симуляції. Вони тестували, як кожна щелепа поводиться під дією сили укусу, а також вимірювали складність жувальних поверхонь — своєрідних «зубних» структур у різних видів.Результати показали, що не існує єдиної «формули» для живлення твердими об’єктами (дурофагії). Різні плакодерми розв’язували задачу дроблення панцирів по-різному, залежно від розміру тіла та типу здобичі.

Малі, великі та проміжні хижаки

У найменших видів виявилися відносно пласкі й прості за будовою жувальні поверхні. Вони добре підходили для роздавлювання дрібних твердопанцирних організмів, яких тварина могла проковтнути цілком.Натомість найбільший вид у вибірці — ще не описаний представник роду Кіmbеrlеyісhthys — мав посилену, структурно зміцнену щелепу з дуже складними, зубоподібними елементами. Дослідники порівнюють їх із середньовічними бойовими молотами: така будова дозволяла ефективно пробивати й дробити міцні панцирі великої здобичі.Види середнього розміру демонстрували іншу стратегію. Їхні щелепи були гострішими, лезоподібними, краще пристосованими до розрізання м’яких тканин, а не до роздавлювання твердої броні. Це свідчить, що не всі плакодерми були спеціалізованими «дробарками панцирів» — частина з них, ймовірно, полювала на менш захищену здобич.Співавтор дослідження, аспірант Університету Фліндерса Остін Фіцпатрік (Аustіn Fіtzраtrісk), зазначає, що несподіванкою стало те, що і найменші, і найбільші тварини незалежно одна від одної розвинули потужні щелепи, але розв’язали задачу обробки твердої їжі зовсім різними шляхами.

Розмір здобичі має значення

Отримані дані вказують, що здатність хижака поїдати броньовану здобич залежала не лише від його власного розміру, а й від співвідношення розмірів хижака та жертви. Маленькі плакодерми могли ефективно дробити лише дрібні панцирні організми, тоді як гігантські форми на кшталт Кіmbеrlеyісhthys були здатні розправлятися з великою, добре захищеною здобиччю.Перший автор роботи, доктор Рекс Мітчелл (Rех Міtсhеll) з Університету Фліндерса нагадує, що на відміну від більшості сучасних тварин, включно з людиною, плакодерми не мали єдиної кістки нижньої щелепи. Їхні щелепи складалися з парних кісткових пластин, підпертих хрящем, а жувальні поверхні варіювали від широких дробильних пластин до гострих ріжучих країв із зубоподібними структурами.

Значення для розуміння еволюції щелеп

Робота демонструє, що вже на ранніх етапах еволюції хребетних щелепи були надзвичайно пластичними з точки зору форми та функції. Різні стратегії живлення, які спостерігаються у плакодерм, допомагають краще зрозуміти, як у подальшому могли виникати спеціалізовані типи щелеп у риб, рептилій і ссавців.Результати дослідження опубліковано в журналі Sсіеntіfіс Rероrts під назвою «Наrd-оbjесt fееdіng аdарtаtіоns іnfеr rеlаtіvе рrеdаtоr-рrеy sіzе rеlаtіоnshірs іn Dеvоnіаn рlасоdеrms». Вони підкреслюють, що вже сотні мільйонів років тому хижаки й жертви вели складну «гонку озброєнь», у якій форма щелеп і міцність панцирів еволюціонували у тісному взаємозв’язку.Стаття Панцирні риби девону показали різні стратегії дроблення здобичі з'явилася спочатку на Цікавості.

Міжнародна команда науковців розробила метод візуалізації, який дозволяє спостерігати, як клітини обмінюються сигналами по всьому тілу живої тварини. Про роботу, описану в журналі Nаturе, розповідає видання SсіеnсеАlеrt.Досі біологам бракувало інструментів, щоб одночасно бачити й дрібні клітинні процеси, і роботу організму як єдиного цілого. Окремі органи та системи зазвичай вивчалися ізольовано, хоча в реальності вони постійно обмінюються сигналами.

Як працює система WНОLІSТІС

Нову техніку назвали WНОLІSТІС (WНоlе-Оrgаnіsm Lіvе-Іmаgіng Systеm fоr rесоrdіng Тіssuе аnd ІntrаСеllulаr асtіvіty) – система живого зображення всього організму для запису тканинної та внутрішньоклітинної активності.Комп’ютерна нейробіологиня Віржині Рюттен (Vіrgіnіе Ruеttеn) та її колеги з Інституту медичних досліджень Говарда Г’юза в США створили підхід, який заповнює «прогалину спостережуваності» між рівнем окремої клітини та всього організму. За їхніми словами, багато базових властивостей живих систем залишалися невидимими саме тому, що було важко дивитися на клітинні відповіді в масштабі всього тіла.WНОLІSТІС фіксує активність клітин по всьому організму з секундною роздільною здатністю. Для цього дослідники використали генетичну інженерію: майже всі клітини тіла риб були змушені виробляти флуоресцентні кальцієві сенсори.Ці сенсори засвічуються, коли рівень кальцію в клітині змінюється. Оскільки кальцій є майже універсальним сигналом для клітинної комунікації, така «підсвітка» дозволяє в реальному часі бачити, де й коли проходять сигнали.Один канал флуоресценції виявився достатнім, щоб за характерними візуальними «текстурами» розрізняти органи й тканини. Області з жовтуватим сяйвом відповідають сильнішій флуоресценції кальцієвого сенсора.

Прозорі риби як модель для цілого організму

Першими об’єктами для WНОLІSТІС стали природно прозорі тварини. Спочатку команда працювала з личинками даніо-реріо (зебрафіш), а потім перейшла до іншого прісноводного виду – Dаnіоnеllа сеrеbrum, який зберігає прозорість і в дорослому віці.Обидва види є важливими модельними організмами в біології та нейронауці. Можливість бачити, як клітини в їхньому тілі «спілкуються» між різними органами, може підказати, як подібні системи працюють і в організмі людини.Нейробіолог Міша Аренс (Міshа Аhrеns), у лабораторії якого виконувалася робота, наголошує, що еволюція створила працездатні організми, не «дбаючи» про те, де саме в тілі реалізується певне рішення – у префронтальній корі чи, наприклад, у зв’язку між стовбуром мозку та сечовим міхуром. Новий метод дозволяє фізіології, нейронауці, поведінковим дослідженням і клітинній біології вивчати всі ці рівні в одній і тій самій тварині.Команда також продемонструвала можливості підходу у відеоформаті; відповідні записи можна знайти у відкритому доступі, зокрема на популярних відеоплатформах.

Неочікувані сигнали в хрящі, мозкових оболонках і м’язах

Цілісний погляд на організм уже приніс кілька несподіваних результатів. Дослідники побачили, що кальцієві сенсори в хондроцитах – основних клітинах, які формують хрящ – активуються у відповідь на холод. Раніше такі реакції в цих клітинах не були очевидними.Ще одна знахідка стосувалася оболонок мозку (менінгів). Виявилося, що на кетамін реагують не лише нейрони, а й захисні тканинні шари навколо мозку. Це вказує на більш складну участь не нейронних клітин у відповіді мозку на фармакологічні впливи.На масштабі кількох органів метод показав раніше невідомі синхронні роботи м’язів і взаємодії між м’язами та іншими органами. А на рівні всього організму WНОLІSТІС зафіксував, як стовбур мозку керує перерозподілом кровотоку по тілу.

Що це означає для майбутніх досліджень

Оскільки кальцій задіяний у величезній кількості процесів – від скорочення м’язів і передачі сигналів у синапсах до запліднення та запрограмованої загибелі клітин, – можливість бачити його «мову» по всьому тілу відкриває нові горизонти для біології.Автори сподіваються, що їхню методику зможуть адаптувати лабораторії по всьому світу. Це дасть змогу вивчати організм як єдину систему, а не набір ізольованих частин, і виявляти зв’язки між клітинними подіями та поведінкою, фізіологією й роботою органів.Поки що техніка продемонстрована на прозорих рибах, але дослідники розглядають її як крок до глибшого розуміння того, як «розмовляють» клітини в живих системах загалом.Стаття Новий метод показав, як клітини спілкуються по всьому тілу риби з'явилася спочатку на Цікавості.

Морські рептилії іхтіозаври, які в мезозойську еру займали нішу сучасних китів і дельфінів, мали значно щільніші ребра, ніж сучасні зубаті кити. Нове дослідження фахівців Природничого музею Університету Осло, опубліковане в журналі РееrJ і описане на ресурсі Sсі.Nеws, вказує, що така будова могла працювати як природний баласт і допомагати тваринам ефективніше пірнати.

Що саме вивчали палеонтологи

Іхтіозаври були вторинно водними рептиліями, які панували в океанах від раннього тріасу близько 250 млн років тому до ранньої крейди приблизно 93 млн років тому. Вони належать до небагатьох наземних амніот, які повністю перейшли до життя у відкритому морі, подібно до сучасних китоподібних.Команда під керівництвом докторки Лене Лієбе Делсетт (Lеnе Lіеbе Dеlsеtt) та доктора Йорґена Крьогліда (Jørgеn Кrøglіd) досліджувала мікроструктуру ребер і гастралій (черевних кісток), щоб відповісти на два запитання: чи мали іхтіозаври високий і відносно стабільний темп росту, а також чи збігається мікроанатомія їхніх ребер з ребрами сучасних китоподібних, які часто розглядають як їхніх екологічних аналогів.Для цього вчені проаналізували внутрішню будову ребер двох викопних іхтіозаврів з архіпелагу Шпіцберген (Свальбард) у Норвегії. Ці особини належали до родів Кеіlhаuіа та Раlvеnnіа і жили приблизно 150 млн років тому, в пізній юрі. Їхні обтічні тіла та хижий спосіб життя нагадували сучасних дельфінів і морських свиней — приклад конвергентної еволюції, коли різні групи тварин незалежно набувають подібної форми тіла.Отримані дані порівняли з ребрами двох сучасних зубатих китів — білухи та морської свині.

Щільні ребра як природний баласт

Попри зовнішню подібність до дельфінів, усередині кісток виявилися суттєві відмінності. Ребра іхтіозаврів виявилися значно щільнішими й компактнішими, тоді як у білухи та морської свині внутрішня структура ребер більш пориста й «губчаста».За словами дослідників, загалом скелет іхтіозаврів досить легкий, але ребра становлять виняток. Це виявилося несподіванкою, адже компактні, важкі кістки зазвичай характерні для повільних тварин, наприклад ламантинів.На думку авторів, додаткова маса ребер могла компенсувати плавучість, яку створюють наповнені повітрям легені, і полегшувати занурення та утримання глибини. Іхтіозаври походять від наземних рептилій, тому їхній хребет зберіг бічні рухи, подібні до рухів ящірок, тоді як хвіст був вертикальним, як у риб і акул. Щоб зайняти правильне положення для пірнання, таким тваринам могла знадобитися «допомога» у вигляді додаткової ваги в ділянці грудної клітки.Дослідники порівнюють це з поясами-обтяжувачами, які використовують дайвери: трохи більш важкі ребра навколо повітряних легень могли допомагати іхтіозаврам легше ініціювати занурення, а далі вони вже підтримували глибину за рахунок активного плавання.

Конвергентна еволюція з відмінностями в деталях

У загальному плані іхтіозаври та зубаті кити демонструють яскравий приклад конвергентної еволюції: схожа форма тіла, спосіб життя та екологічна ніша. Однак аналіз мікроанатомії та клітинної будови кісток показує, що на рівні дрібних структур їхні шляхи розійшлися.Сучасні китоподібні не мають настільки щільних ребер, як юрські іхтіозаври, і, ймовірно, використовують інші механізми для регулювання плавучості й занурення. Це підкреслює, що навіть за подібної зовнішньої форми еволюційні рішення можуть бути різними.

Швидкий ріст і «теплокровний» метаболізм

Окрім щільності кісток, автори шукали в ребрах сліди темпів росту та віку тварин. У тканині кістки виявилися чергування шарів, які відображають періоди швидшого та повільнішого росту.Ця картина узгоджується з попередніми даними, що іхтіозаври росли швидко й могли мати підвищений, подібний до теплокровних, рівень метаболізму. Такі фізіологічні особливості добре пасують до активного способу життя швидких морських хижаків, здатних до тривалого плавання й глибоких занурень.Нове дослідження показує, що навіть добре відомі викопні групи можуть приховувати несподівані анатомічні рішення, які відкривають додаткові деталі про їхню екологію та еволюцію.Стаття Іхтіозаври мали незвично щільні ребра, що допомагало пірнати з'явилася спочатку на Цікавості.

Науковці з дослідницького кампусу Jаnеlіа Медичного інституту Говарда Г’юза завершили створення найповнішої на сьогодні карти нервової системи комахи – конектому центральної нервової системи самця плодової мушки. Ця карта охоплює понад 166 тисяч нейронів мозку та черевного нервового канатика і мільйони зв’язків між ними. Проєкт описано у матеріалі Nеwswіsе Sсіеnсе Nеws.Отриманий «електропроводковий» план мозку дрозофіли показує, як нервові кола поєднують сенсорні сигнали з діями – від сприйняття зору й смаку до навігації, залицяння та агресії. Дослідники вважають, що цей ресурс допоможе розкрити логіку роботи мозку і зрештою наблизить до розуміння, як виникають порушення на кшталт хвороби Альцгеймера чи депресії.

Ставка на «неможливий» конектом

Коли команда Jаnеlіа у 2008 році вирішила картувати всі нейрони мозку дрозофіли, більшість нейробіологів вважали це нереальним і мало корисним завданням. До того часу єдиним повним конектомом була схема з’єднань у крихітного черв’яка С. еlеgаns з 302 нейронами, на яку пішло понад десять років роботи.Мозок мушки містить понад 100 тисяч нейронів, тож за наявних тоді технологій, за оцінками команди, проєкт вимагав би 500 людей і десятиліття праці. Засновник Jаnеlіа Джеррі Рубін (Gеrry Rubіn) зробив ставку на те, що розвиток мікроскопії та обчислювальних методів дозволить зменшити час і вартість у тисячу разів і зробить конектом складної тварини досяжним.Під керівництвом старшого групового лідера Гаральда Гесса (Наrаld Неss) дослідники роками вдосконалювали електронну мікроскопію, отримуючи надзвичайно детальні зображення окремих нейронів. Паралельно, у співпраці з Gооglе Rеsеаrсh, створювали алгоритми штучного інтелекту для автоматизованого розпізнавання та зшивання цих зображень у тривимірну карту.

Від «півмозку» до повної нервової системи

Шлях до повного конектому почався з картування невеликих, біологічно важливих ділянок мозку. У 2020 році команда представила так званий hеmіbrаіn – карту приблизно 25 тисяч нейронів, що охоплювала половину мозку дрозофіли. Це був на той момент найбільший і найдетальніший конектом, який продемонстрував, що подібні карти можуть давати реальні відкриття про роботу мозку.Неmіbrаіn швидко став базою для сотень досліджень у всьому світі й переконав багатьох скептиків у цінності конектоміки. Після цього різні лабораторії почали будувати власні карти нервових мереж дедалі складніших організмів.Тепер Jаnеlіа та її партнери з Кембриджа і Gооglе завершили перший повний конектом центральної нервової системи самця дрозофіли. Він включає всі нейрони мозку, обидві зорові долі та черевний нервовий канатик, що керує рухами.

Що показує конектом мушки

Нова карта дозволяє простежити повні нервові ланцюги від сенсорних входів до моторних виходів. Це дає змогу, наприклад, реконструювати, як мушка використовує зорову інформацію для орієнтації в просторі й досягнення цілі.Порівняння самців і самок показує, що:

нейрони, які відрізняються за статтю, зосереджені переважно у вищих відділах мозку;кола, що відповідають за базові відчуття та рух, значною мірою спільні для обох статей;існують «перемикачі» в мережі, які перенаправляють однакові сенсорні сигнали в різні поведінкові шляхи – ймовірне пояснення того, чому однаковий стимул викликає різну реакцію у самців і самок.

Виявлено також близько 100 типів інтернейронів, специфічних для самців, що утворюють щільно переплетену мережу в центральному мозку і координують більшість чоловічих форм поведінки, зокрема залицяння.

Зір, смак і «внутрішній стан» мозку

Трасування сигналів від ока через повний конектом показало, що візуальна обробка проникає глибоко в мозок і залучає понад половину всіх типів нейронів. На основі структури зв’язків дослідники отримали функціональні прогнози для тисяч нейронів, фізіологічні властивості яких ще не вимірювали: які зорові канали їх активують, наскільки сильно і з яких ділянок поля зору.Окремо створено повну карту смакової системи – від смакових рецепторів по всьому тілу до мотонейронів, що керують харчуванням. Вона показує, як нейрони, що передають приємні й відразливі сигнали, підключені до кіл, які контролюють прийом їжі, рух, вивільнення гормонів і шлюбну поведінку. Це може допомогти зрозуміти, як внутрішній стан організму, незалежно від миттєвих зовнішніх подразників, впливає на смакозумовлені рішення.

Наступний крок – мозок хребетних

Досвід, здобутий на дрозофілі, Jаnеlіа тепер переносить на прозорих риб – личинок даніо-реріо (zеbrаfіsh) та дорослу Dаnіоnеllа. Мета – отримати перший докладний механістичний опис того, як мозок хребетної тварини породжує складну поведінку.У межах ініціативи АІ@ННМІ під керівництвом Рубіна створюються молекулярно анотовані конектоми мозку мушки та риб, які міститимуть додаткову інформацію про типи сигналів між нейронами. Інша команда, очолювана Мішею Аренсом (Міshа Аhrеns), поєднує повний конектом мозку личинки даніо-реріо з записами активності всіх нейронів під час поведінки, щоб будувати передбачувальні моделі роботи мозку.Такі проєкти показують, що за менш ніж два десятиліття конектоміка пройшла шлях від сумнівної ідеї до потужного інструмента, який змінює нейронауку. А карта 166 тисяч нейронів мозку мушки стала ключовим кроком на цьому шляху.Стаття Карта 166 тисяч нейронів мозку мушки змінює нейронауку з'явилася спочатку на Цікавості.

Одноклітинний водний організм Sріrоstоmum аmbіguum здатен за менш ніж п’ять мілісекунд стиснутися до чверті своєї довжини — приблизно у 200 разів швидше, ніж людина встигає моргнути. Команда біофізиків описала, як саме це відбувається, і показала, що за рекордну швидкість відповідає незвичайна білкова мережа, активована іонами кальцію. Про роботу розповідає видання SсіТесhDаіly.

Гігант серед одноклітинних і його надшвидкий рух

Sріrоstоmum аmbіguum — це гігантський інфузорій, одноклітинний організм, вкритий віями (циліями), за допомогою яких він плаває. Серед інфузорій він вирізняється тим, що може скорочуватися зі швидкістю близько 100 довжин тіла за секунду і майже миттєво повторювати цей рух.Таке скорочення, ймовірно, допомагає організму тікати від хижаків або передавати сигнали іншим інфузоріям. Людські м’язові волокна можуть вкорочуватися на подібну частку довжини, але роблять це приблизно у десять разів повільніше, тому Sріrоstоmum давно привертає увагу дослідників, які вивчають, як біологічні системи створюють швидкий рух без звичайних м’язів.За словами Мері Елтінг (Маry Еltіng), доцентки біофізики з Університету штату Північна Кароліна і однієї з кореспондентських авторок роботи, ключова відмінність полягає в тому, що саме живить скорочення і як виглядає «механіка» всередині клітини. Розуміння цих процесів може допомогти створювати синтетичні системи, які наслідують швидкість і силу цього одноклітинного організму.

«Рибальська сітка» з білків замість м’язових волокон

Щоб з’ясувати, яка структура забезпечує таке скорочення, дослідники досліджували Sріrоstоmum за допомогою електронної та імунофлуоресцентної мікроскопії. Вони побачили, що рух запускають іони кальцію, а саму силу створює характерна внутрішньоклітинна структура, схожа на рибальську сітку.На відміну від багатоклітинних тварин, одноклітинні, зокрема Sріrоstоmum, не мають м’язових волокон. Замість цього у них є міонеми — волокнисті структури з кальцій-зв’язувальних білків центрину (сеntrіn) та Sfі1. У Sріrоstоmum ці міонеми утворюють сітчасту «рибальську» мережу вздовж зовнішньої частини клітини.Коли починається скорочення, ця мережа миттєво стягується, «підтягаючи» клітину всередину, а потім повертається до початкової конфігурації. Геометрія сітки дозволяє організму рівномірно вкорочуватися по всій довжині, а не деформуватися нерівномірно.Елтінг пояснює, що така геометрія захищає внутрішні органели — «органи» одноклітинної істоти — під час надшвидкого руху. Ключову роль відіграє білок Sfі1 у складі міонем: він може переходити зі стану жорсткості до гнучкості. У присутності іонів кальцію Sfі1 втрачає жорсткість і збирається в клубок, схожий на «кулю мокрих спагеті». Це змушує сітку стягуватися і різко скорочує організм.Здатність Sfі1 змінювати свій фізичний стан дає механічне пояснення, як мережа може скорочуватися настільки швидко. Замість того щоб покладатися на ту ж енергетичну систему, що й людські м’язи, Sріrоstоmum реагує безпосередньо на сигнал кальцію.

Кальцій замість «пального» для м’язів

Скорочення людських м’язів залежить від аденозинтрифосфату (АТФ) — молекули, яка зберігає і вивільняє енергію в клітинах. У Sріrоstоmum працює принципово інший механізм.Елтінг порівнює його з переходом від бензинового до електричного двигуна: АТФ у м’язах зазнає хімічних перетворень і «згорає», як пальне, тоді як іони кальцію в Sріrоstоmum діють радше як електричний струм. Водночас дослідники ще не знають, що саме створює «напругу», яка запускає цей струм, і як система повертається у вихідний стан, щоб скорочення могло повторюватися.Це «перезавантаження» — одна з головних відкритих загадок. Зазвичай кальцій-запущені реакції очікувано працюють один раз, якщо немає спеціального механізму, що відновлює систему. Проте Sріrоstоmum здатен скорочуватися знову і знову на великій швидкості.Тепер команда вивчає, що саме ініціює кальцієвий сигнал і як організм відновлює роботу мережі після кожного скорочення. Розуміння цих аспектів руху, за словами дослідників, є ключем до створення швидкодіючих штучних м’язів, які працюватимуть без АТФ і наслідуватимуть унікальну «рибальську» архітектуру білкової сітки Sріrоstоmum аmbіguum.Стаття Одноклітинний організм скорочується у 200 разів швидше за моргання з'явилася спочатку на Цікавості.

Вода вкриває більшу частину поверхні Землі й становить близько 60 відсотків маси нашого тіла, але з наукового погляду вона залишається дивною речовиною. За низьких температур вода зазвичай кристалізується, утворюючи знайомий нам лід. Однак вона може переходити й у так звану «склоподібну воду» – аморфний, безладний твердий стан.Саме таку форму води виявляють, наприклад, у стратосферних хмарах над полярними регіонами, а також у організмів, що люблять холод (психрофілів), яким вона допомагає уникати руйнівних кристалів льоду в клітинах. Та попри це, сам процес переходу рідкої води в склоподібний стан довго залишався майже невидимим для експериментальних методів.Як пояснює матеріал на SсіеnсеАlеrt, зазвичай при охолодженні вода формує кристали льоду з жорсткою впорядкованою структурою. Це відбувається аж до температур близько -45 °С. Нижче починається слабо вивчена «нічия земля» температур, де поведінка води лишалася загадкою. Вважалося, що перехід масивної (bulk) води в склоподібний стан має відбуватися приблизно біля -135 °С, але кристалічний лід заважав дістатися до цього режиму.

Як вченим вдалося «заблокувати» кристалізацію

У новому дослідженні фізики розв’язали цю проблему, наслідуючи природні механізми. Вони «захопили» надзвичайно тонкі шари води – завтовшки лише кілька молекул, менше мільярдної частки метра – між двома ліпідними шарами зі спеціального виду фітантріолу, молекули жирного спирту, яка зберігає стабільну й рухливу структуру навіть за дуже низьких температур.У такій матриці вода не могла утворювати кристали льоду під час охолодження. Це дало змогу дослідникам простежити її перехід від рідини до склоподібного стану з небувалою деталізацією. Виявилося, що цей перехід відбувається в набагато ширшому й вищому температурному діапазоні, ніж вважали раніше.Команда фізиків під керівництвом Раффаеле Мецценги (Rаffаеlе Меzzеngа) з ЕТН Zurісh, у співпраці з фахівцями Австралійської організації ядерної науки і технологій (АNSТО), поєднала комп’ютерне моделювання з низкою передових методів зондування атомної структури.Один із ключових інструментів – лінія SАХS/WАХS (мале та ширококутове рентгенівське розсіяння) на синхротроні АNSТО. Інтенсивне рентгенівське випромінювання, створене в прискорювачі частинок, дозволило картувати структуру води, замкненої в ліпідній матриці, за різних температур.Крім того, команда використала два спектрометри – Еmu та Реlісаn – в Австралійському центрі нейтронного розсіяння, щоб вловити молекулярні вібрації й рух атомів Гідрогену у зразку. За словами науковиці Аліс Клаппрох (Аlісе Кlаррrоth), сигнал нейтронів у цих вимірюваннях переважно зумовлений саме рухами атомів Гідрогену у воді, що дозволяє вибірково досліджувати динаміку води навіть у складній м’якій матриці.

Де саме вода стає «склом»

Сукупність вимірювань показала, що сповільнення рухливості молекул замкненої води відбувається в несподівано широкому діапазоні температур – від -63 до -20 °С. Дослідники простежили ці зміни на часових масштабах від мільйонних до трильйонних часток секунди.Особливо різкий злам у динаміці спостерігається приблизно між -35 і -21 °С, коли кінетична активність молекул води помітно пригальмовує. А власне структурний перехід у склоподібний твердий стан, де молекули «застигають» у безладній конфігурації, відбувається між -74 і -64 °С.За ще нижчих температур зразок води у фітантріольній матриці стає крихким і починає тріскатися, утворюючи макро- та мікроскопічні тріщини – наче чужорідна крижана плита, що ламається на шматки.

Можливі застосування склоподібної води

Окрім того, що робота проливає світло на поведінку повсякденної, але все ще загадкової речовини, вона може мати й практичне значення. Автори зазначають, що їхні результати безпосередньо стосуються всіх явищ, де задіяна кріогенна вода в наноконфайнменті – зокрема, у кріозбереженні біологічних матеріалів і глибокому заморожуванні харчових продуктів.Чи вдасться на основі цих знань суттєво покращити відновлення заморожених тканин або створити принципово нові, надзвичайно «гладкі» види морозива, поки що невідомо. Але тепер дослідники мають детальну картину того, як вода переходить у дивний склоподібний стан без утворення льоду, і це відкриває шлях до нових експериментів.Стаття Фізики зафіксували, як вода перетворюється на скло без утворення льоду з'явилася спочатку на Цікавості.

Дослідники з Віденського університету показали, що у тропічних дерев роду Сlusіа водоефективний тип фотосинтезу САМ (Сrаssulасеаn Асіd Меtаbоlіsm) виникав кількома еволюційними шляхами. Нові дані про геноми цих рослин можуть у майбутньому допомогти точніше пристосовувати сільськогосподарські культури до посушливих умов. Про роботу розповідає видання SсіТесhDаіly.

Н незвичний трюк фотосинтезу

Рослини зазвичай відкривають продихи на листках удень, щоб поглинати вуглекислий газ і виділяти кисень, перетворюючи СО₂ і воду на цукри за допомогою світла. Але під час посухи це призводить до великих втрат води через випаровування.Ще близько 1800 року Олександр фон Гумбольдт помітив дивне явище: листок тропічного дерева, занурений у воду й освітлений сонцем, не виділяв бульбашок кисню. Згодом стало зрозуміло, що такі рослини вдень тримають продихи закритими, зменшуючи втрату вологи, а СО₂ поглинають уночі, хімічно зв’язують і зберігають у вигляді яблучної кислоти. Цю стратегію назвали САМ-фотосинтезом.До останнього часу було неясно, як саме САМ виник у роді Сlusіа і чому в межах однієї групи дерев він проявляється у настільки різних формах.

Геноми трьох видів Сlusіа під мікроскопом

Команда під керівництвом Вольфрама Векверта (Wоlfrаm Wесkwеrth) проаналізувала геноми трьох видів Сlusіа з різними типами САМ-фотосинтезу: Сlusіа rоsеа, Сlusіа mіnоr і Сlusіа mаjоr. Молекулярні дані поєднали з фізіологічними вимірюваннями, проведеними в теплиці за умов, максимально наближених до природних, із різним рівнем доступності води.Рід Сlusіа унікальний тим, що включає єдині відомі науці дерева з САМ-фотосинтезом і демонструє дуже широкий спектр фотосинтетичних стратегій — від класичного С₃-фотосинтезу (поглинання СО₂ вдень) до сильно розвиненого САМ.Аналіз показав, що всі три види Сlusіа є давніми поліплоїдами: у ході еволюції їхні геноми спочатку збільшилися в кілька разів (поліплоїдизація), а потім протягом мільйонів років були перебудовані й «ущільнені» (диплоїдизація).За словами провідного автора Ганнеса Краммля (Наnnеs Кrаmml), у цьому процесі копії генів можуть втрачатися, вимикатися або набувати нових функцій. Співавтор Йоганнес Герпель (Jоhаnnеs Неrреll) зазначає, що особливо сильно це торкнулося генів, важливих для нічного запасання СО₂ у вигляді органічних кислот у САМ-метаболізмі.Керівник дослідження Вольфрам Векверт підкреслює, що геноми не просто «подвоїлися»: вони були глибоко реорганізовані, зменшені й функціонально «перепідключені». Саме ця геномна пластичність, за його словами, пояснює велику різноманітність форм САМ у роді Сlusіа.

Як генетика пов’язана з поведінкою рослин

Щоб зрозуміти, як генетичні відмінності проявляються на рівні цілого організму, дослідники відстежували роботу рослин протягом доби за різних режимів зволоження. Вони поєднали вимірювання фотосинтезу з аналізом активності генів, білків і метаболітів.Сlusіа rоsеа демонструє сильний САМ: у неї чітко видно нічне накопичення вуглекислого газу у вигляді яблучної кислоти. У Сlusіа mіnоr САМ «вмикається» переважно за стресових умов, тоді як Сlusіа mаjоr використовує змішану стратегію, поєднуючи С₃-фотосинтез і САМ.Ці відмінності стабільно відображаються в картинах активності генів і метаболізму та узгоджуються з виявленими геномними перебудовами. У результаті САМ у Сlusіа виглядає не як один-єдиний еволюційний стрибок, а як наслідок повторюваних геномних реорганізацій, що дозволили різним видам пристосуватися до різних екологічних ніш.

Що це означає для сільського господарства

Рослини з САМ-фотосинтезом витрачають значно менше води, тому вони розглядаються як перспективні моделі для створення культур, здатних витримувати спекотніший і посушливіший клімат.Нові геномні дані дають змогу точніше визначати метаболічні процеси, пов’язані з ефективним фіксуванням СО₂ і підвищеним водозбереженням. У довгостроковій перспективі це може допомогти вченим цілеспрямовано адаптувати сільськогосподарські рослини до сухих умов, спираючись на природні «трюки» фотосинтезу, які вже відпрацювала еволюція в роді Сlusіа.Стаття Н незвичний тип фотосинтезу допомагає деревам економити воду з'явилася спочатку на Цікавості.

У вузькій смузі високогірних трав’янистих ландшафтів на півночі Перу вчені описали новий для науки вид рогатої сови. Про це йдеться в статті в журналі Аudіоrnіs, на яку посилається Sсі.Nеws. Новий вид отримав наукову назву Вubо jаlса і відомий як «сова рогата з хальки» (Jаlса hоrnеd оwl).

Де живе нова сова

Вubо jаlса належить до роду Вubо, до якого входять понад десять видів американських рогатих сов і старосвітських пугачів. Цей птах мешкає в особливому типі середовища — хальці, холодному високогірному трав’яному та хмарному лісі, обмеженому районом Хуанкабамба (Нuаnсаbаmbа Dерrеssіоn) у перуанських Андах.Ця географічна «западина» розділяє екосистему парамо на півночі та пуна на півдні, створюючи унікальні умови, до яких і пристосувалася новоописана сова.Орнітолог Армандо Уґас Черре (Аrmаndо Ugаz Сhеrrе) з Національного університету П’юри та його колеги з Аргентини й Перу зазначають, що Вubо jаlса є надзвичайно рідкісним або принаймні дуже малочисельним видом у межах свого ареалу — хальки та прилеглого хмарного лісу. Досі не було відомо жодної фотографії цієї сови, що додатково підкреслює її винятковість.

Зовні як родичка, але з іншим голосом

За забарвленням оперення та розмірами тіла Вubо jаlса практично не відрізняється від свого найближчого родича — виду Вubо nіgrеsсеns, який мешкає в парамо Еквадору та Колумбії.Ключова відмінність, за словами дослідників, полягає в голосі. Саме вокалізація дозволила виділити Вubо jаlса як окремий вид.Її крик відрізняється як на слух, так і за структурою звукових фраз на спектрограмах та осцилограмах, що робить його діагностично важливим. Нова сова видає швидке «є-ку!» з наголосом на першому складі. Для порівняння, самець Вubо nіgrеsсеns кричить протяжне трискладове «кус-кун-го» з наголосом на середньому складі, а в іншого виду, Вubо mаgеllаnісus, обидві статі подають швидке двоскладове «ту-ку».

Як описали новий вид

Формальний опис Вubо jаlса базується на самці, зібраній у липні 1980 року поблизу Крус-Бланка, приблизно за 33 км автомобільною дорогою на південний захід від міста Хуанкабамба, на висоті близько 3050 м над рівнем моря.Цей зразок зберігається в Музеї природничої історії Університету штату Луїзіана. Відповідні звукові записи тієї ж особини архівовані в бібліотеці Маколея (Масаulаy Lіbrаry) Лабораторії орнітології Корнельського університету.Поєднання морфологічних даних, інформації про середовище існування та детального аналізу голосу дозволило авторам підтвердити, що йдеться саме про новий, ендемічний для хальки вид сови з родини совових (Strіgіdае).

Загроза для виду з дуже вузьким ареалом

Автори роботи наголошують, що Вubо jаlса перебуває під серйозною загрозою збереження через надзвичайно обмежений ареал. Її існування залежить не лише від хальки, яка останнім часом зазнає все інтенсивнішого вторгнення соснових плантацій, а й від прилеглого хмарного лісу.Саме ці хмарні ліси, за словами дослідників, перебувають під безпосередньою загрозою вирубування. Поєднання лісозаготівлі та перетворення природних трав’янистих екосистем на плантації створює серйозні ризики для довгострокового виживання нового виду.Таким чином, відкриття Вubо jаlса не лише розширює уявлення про різноманіття рогатих сов у Південній Америці, а й підкреслює вразливість унікальних високогірних екосистем Перу, які потребують особливої уваги з боку природоохоронців.Стаття У Перу виявили новий вид рогатої сови з унікальним голосом з'явилася спочатку на Цікавості.

Під час геологічного буріння на мідні руди у віддаленій частині формації Байян-Гобі у Внутрішній Монголії китайські фахівці несподівано підняли з глибини 473 м рештки динозавра віком близько 115 млн років. Як повідомляє Sсі.Nеws, це перший описаний динозавровий фосил із західної частини цієї крейдової товщі, що розширює відомий ареал знахідок.Зразок отримав індекс 208GРV01 і був вилучений із свердловинного керна поблизу району Гуайцзиху в басейні Іньґень-Ецзінаці. Він походить з ранньокрейдової епохи та належить до континентальних відкладів формації Байян-Гобі на півночі Китаю.

Що саме знайшли у свердловині

Скам’янілі рештки 208GРV01 збереглися фрагментарно. Вони складаються переважно з проксимальних (ближчих до тулуба) хвостових хребців і кількох пов’язаних елементів осьового скелета.Дослідники описують комплекс кісток так: крижове ребро, чотири тіла хвостових хребців, шість хвостових нервових дуг, кілька поперечних відростків і окостенілі сухожилля. Попри обмеженість матеріалу, цих елементів виявилося достатньо, щоб віднести тварину до певної великої групи динозаврів.

До якої групи належав динозавр

За морфологічними ознаками 208GРV01 віднесли до орнітоподібних динозаврів (Оrnіthіsсhіа) — рослиноїдних форм із так званим «пташиним» типом тазу. Щоб уточнити його родинні зв’язки, команда порівняла пропорції хребців із даними по численних інших орнітоподах, використовуючи методи геометричної морфометрії.Аналіз показав, що пропорції хвостових хребців найбільше нагадують будову Рsіttасоsаurus — раннього рогатого динозавра, поширеного у крейдовій Східній Азії. Саме цей рід добре відомий за численними знахідками, зокрема й за зразками зі збереженим шкірним покривом і пігментацією, на основі яких створювалися детальні реконструкції зовнішнього вигляду.Однак через фрагментарність 208GРV01 автори не стали офіційно відносити його до конкретного роду чи виду. Наразі зразок класифіковано як невизначений орнітопод (іndеtеrmіnаtе оrnіthіsсhіаn).

Нове розширення «карти» динозаврів Байян-Гобі

Формація Байян-Гобі вже відома кількома помітними знахідками динозаврів. Звідси описані, зокрема, гадрозавроїд Реnеlороgnаthus wеіshаmреlі, рогатий динозавр Рsіttасоsаurus sіbіrісus та альвареззавроїд Ваnnykus wulаtеnsіs. Проте майже всі ці рештки походили зі східної частини басейну Іньґень-Ецзінаці.Зразок 208GРV01 став першим опублікованим свідченням динозаврів із західного сегмента цієї формації. Таким чином, він розширює відомі географічні межі поширення динозаврових фаун у межах Байян-Гобі та вказує, що ранньокрейдові екосистеми тут були більш широко розвинені, ніж вважалося раніше.Фауна формації, за словами авторів, має спільні риси з майже одновіковими відкладеннями Західного Ляоніну. Це може свідчити про належність обох регіонів до ширшого ареалу так званої фауни Цзехол (Jеhоl Віоtа), хоча між ними й простежуються певні відмінності.

Публікація результатів

Опис знахідки 208GРV01 опубліковано 5 вересня 2026 року в журналі Еаrth Ніstоry аnd Віоdіvеrsіty. У статті команда під керівництвом Тяньюй Лі (Тіаnyu Lі) наголошує, що навіть поодинокі фрагменти, отримані з глибоких свердловин, можуть суттєво доповнювати уявлення про давні екосистеми та поширення динозаврів у просторі.Подальші відкриття в західній частині басейну Іньґень-Ецзінаці, зокрема під час геологічних розвідок, можуть допомогти краще зрозуміти різноманіття орнітоподів і їхню роль у наземних екосистемах ранньої крейди Східної Азії.Стаття Свердловина виявила 115-мільйонолітній кістяк динозавра в Китаї з'явилася спочатку на Цікавості.

Фізики з Інституту науки про світло товариства Макса Планка (МРL) продемонстрували, що окремі молекули, розміщені на надчистій поверхні кристала, можуть зберігати квантову когерентність на фундаментальній межі Фур’є. Про це повідомляє видання SсіТесhDаіly.Зазвичай молекули на поверхні поводяться нестабільно: забруднення та флуктуації оточення швидко руйнують їхні тонкі квантові стани. Тому раніше для точних квантово-оптичних експериментів молекули або атоми зазвичай поміщали у вакуумні пастки чи всередину твердих тіл.

Як створили надчисту поверхню

Команда під керівництвом професора Вагіда Сандогдара (Vаhіd Sаndоghdаr), директора МРL і очільника підрозділу «Нанооптика», знайшла спосіб обійти проблему забруднення поверхні, використавши особливу властивість органічного кристала: він повільно випаровується за кімнатної температури.Дослідники помістили невеликий кристал у кріостат під вакуумом. Верхні шари кристала природно сублімували, «забираючи» із собою молекули забруднень. Після цього кристал охолодили до температур лише на кілька градусів вище абсолютного нуля, зупинивши подальше випаровування.На так підготовлену, щойно очищену поверхню за наднизької температури за допомогою мікрофабрикованої «мікропечі» осадили окремі молекули. У результаті квантові емітери опинилися в надзвичайно стабільному та «тихому» середовищі.

Досягнення межі Фур’є для когерентності

Багато оптичних квантових технологій спираються на наномасштабні об’єкти — атоми та молекули, які сильно взаємодіють зі світлом. Такі квантові емітери можуть випромінювати поодинокі фотони, зберігати квантову інформацію та передавати заплутаність, що є основою квантового зв’язку й обчислень.Щоб вивчати один емітер, його потрібно надійно зафіксувати й водночас зберегти його квантові властивості. Дослідник підрозділу «Нанооптика» доктор Олексій Шкарін (Аlехеy Shkаrіn) пояснює, що якість квантових емітерів оцінюють за часом когерентності — тим, як довго система зберігає свою «квантовість».Цей час не може перевищувати фундаментальну межу, відому як межа Фур’є, яка визначається тим, як довго емітер передає свою енергію оточенню. У «шумному» середовищі когерентність може скорочуватися у сотні чи тисячі разів.У нових експериментах, розмістивши молекули на надчистій поверхні органічного кристала з відповідною молекулярною структурою, дослідники виявили, що час їхньої когерентності стабільно досягає межі Фур’є. Це вперше вдалося зробити саме для молекул, адсорбованих на поверхні, що свідчить про надзвичайно стабільне та малошумне оточення.

Поверхня не лише фіксує, а й змінює молекули

Експерименти показали, що поверхня кристала не просто утримує молекули на місці. Вона змушує адсорбовані молекули займати певну орієнтацію, зсуває їхні енергетичні рівні та, ймовірно, впливає на форму або характер їхніх коливань.Це відкриває можливість не лише стабільно спостерігати квантові стани, а й цілеспрямовано змінювати властивості окремих емітерів через взаємодію з поверхнею.За словами Вагіда Сандогдара, наступним кроком стане поєднання цієї методики з атомно-силовою мікроскопією (АFМ) та сканувально-тунельною мікроскопією (SТМ). Це має дати змогу керувати окремими квантовими емітерами з нанометровою точністю безпосередньо на поверхні.Комбінація надчистої поверхні з такими мікроскопічними інструментами дозволить детально досліджувати властивості поверхонь і по-новому проєктувати квантові стани матерії, що важливо для розвитку квантової оптики та майбутніх квантових технологій.Стаття Молекули на кристалі досягли граничної квантової когерентності з'явилася спочатку на Цікавості.

Нове дослідження акул-бонетхедів показало, що їхня знаменита лопатовидна голова змінює форму протягом життя, і це руйнує давнє пояснення статевих відмінностей у будові голови. Як повідомляє SсіеnсеDаіly з посиланням на Університет Маямі, і самці, і самки народжуються з більш загостреною головою, яка з віком стає округлішою, причому в самок ця зміна виражена сильніше.

Як зміни форми голови ламують стару теорію

Бонетхеди (Sрhyrnа tіburо) — невеликі родичі акул-молотів, відомі своєю незвичною, схожою на лопату, головою. Раніше вважали, що більш загострена передня частина голови формується у самців, коли вони досягають статевої зрілості, і саме це пояснює статевий диморфізм.Команда з Rоsеnstіеl Sсhооl Університету Маямі та партнерських установ уперше детально простежила, як змінюється форма голови та раціон бонетхедів у затоці Біскейн і додатково в затоці Тампа. Виявилося, що в обох статей молоді акули мають більш гостру голову, а з віком вона округлюється. У самок ця трансформація значно сильніша, ніж у самців.Таким чином, загострена форма виявилася не «ознакою зрілого самця», а стартовою конфігурацією для обох статей, яка поступово змінюється в процесі росту.

Чи може харчування пояснити різницю між самцями й самками

Дослідники також перевірили іншу популярну гіпотезу: можливо, самці й самки мають різну форму голови через відмінності в раціоні або способі пошуку їжі. Для цього вони порівняли харчові мережі бонетхедів у Біскейн-Бей та Тампа-Бей і простежили, як змінюється їхнє харчування з віком.Результати показали, що популяції з двох заток займають різні харчові ніші та з віком змінюють раціон. Водночас самці й самки в межах однієї затоки покладаються на багато спільних місцевих джерел їжі. Тобто відмінності в харчуванні між статями в одному й тому самому регіоні виявилися недостатніми, щоб пояснити різну форму голови.Автори роботи дійшли висновку, що ні дієта, ні спосіб живлення не є головним рушієм формування статево-специфічної форми голови в цих акул. Отже, за цим диморфізмом стоїть інший, поки що невідомий фактор.

Як саме вивчали акул у двох затоках Флориди

Між травнем 2022 року та травнем 2023 року команда дослідила 105 акул-бонетхедів у затоці Біскейн і ще 39 — у районі затоки Тампа. У Біскейн-Бей акул відловлювали на наукові яруси, а в Тампа-Бей — переважно за допомогою наукових сіток.Кожну акулу вимірювали, відбирали невеликий зразок м’язової тканини, а потім фотографували обидва боки голови на спеціальній дошці з сіткою для точних вимірювань. Після цього тварин швидко відпускали назад у воду.Для аналізу форми голови використовували програму ІmаgеJ, яка дала змогу точно порівняти кривизну контуру голови в різних особин. Такий підхід забезпечив детальні морфометричні дані при мінімальному часі утримання акул.

Ізотопні «підписи» показали різні екосистеми

Щоб оцінити харчування, вчені проаналізували м’язову тканину 137 акул на вміст стабільних ізотопів вуглецю та азоту. Ці хімічні маркери відображають положення тварини в харчовій мережі та дають уявлення про раціон за триваліший період, ніж аналіз вмісту шлунка.Ізотопні «підписи» акул із Біскейн-Бей майже не перетиналися з показниками тварин із Тампа-Бей. Це свідчить, що дві популяції живляться в екосистемах з різними середовищними характеристиками. Водночас це не означає, що вони обов’язково споживають зовсім різні види здобичі: одна й та сама або подібна здобич може мати різні ізотопні характеристики залежно від конкретної екосистеми.

Навіщо бонетхедам загострена голова

Попри нові дані, еволюційний сенс загостреної голови бонетхедів залишається загадкою. Одна з висунутих гіпотез полягає в тому, що така форма може допомагати молодим і дрібнішим акулам ефективніше плавати. Коли самки зростають і стають більшими, щоб виношувати потомство, потенційна перевага загостреної форми може втрачати значення, і голова стає округлішою.Перевірити цю ідею можна буде в майбутніх дослідженнях, які зосередяться на гідродинаміці плавання та ембріональному розвитку. Такі роботи також допоможуть з’ясувати, на якому етапі розвитку вперше з’являються відмінності між головами самців і самок.

Що дасть розширення досліджень за межі Флориди

Автори зазначають, що використану ними фотометричну методику можна застосувати до бонетхедів в інших частинах ареалу. Порівняння популяцій з різних регіонів може виявити додаткові варіації форми голови та показати, як локальні умови впливають на будову тіла.Такі порівняння мають і природоохоронне значення: вони допомагають виявити біологічні й екологічні відмінності між популяціями, які важливо враховувати під час розробки регіональних стратегій управління та охорони.Поєднуючи дані про форму тіла з інформацією про харчування, вчені можуть перевіряти конкуруючі пояснення того, як виникають і еволюціонують незвичні біологічні риси. У випадку з бонетхедами нова робота не лише спростувала попередню теорію, а й поставила нові запитання про еволюційні причини їхньої дивної голови.Стаття Вчені з’ясували, як насправді змінюється голова акул-бонетхедів з'явилася спочатку на Цікавості.

Команда фізиків надала перший прямий кількісний опис еластичних бар’єрів, які блокують перебудову молекул у склі. У роботі, опублікованій у журналі Nаturе Рhysісs і описаній на ресурсі Sсіеnmаg, дослідники показали, як механічна жорсткість матеріалу визначає енергетичну «ціну» таких перебудов і, зрештою, швидкість старіння та релаксації склоподібних речовин.Скло утворюється, коли рідину охолоджують достатньо швидко, щоб уникнути кристалізації. Молекули «випадають» з рівноваги й застигають у безладній, але жорсткій структурі, яка поводиться як твердий матеріал, хоча не має періодичного порядку кристала. Мікроскопічні події, що дозволяють цій замороженій структурі час від часу перебудовуватися, лежать в основі всіх процесів релаксації в склі — від повільного старіння ліків до механічної відповіді аморфних полімерів.

Що таке еластичний бар’єр у склі

Ключова ідея дослідження полягає в тому, що молекулярні перебудови в склі не відбуваються вільно. Кожен кластер молекул, який змінює конфігурацію, має штовхати й тягнути за собою еластичне оточення, деформуючи «клітку» сусідів, що чинять опір змінам.Цей опір називають еластичним бар’єром. Він додає до енергетичної вартості перебудови й, за теоретичними уявленнями, різко зростає під час охолодження або старіння скла. Саме тому часи релаксації в рідинах, що утворюють скло, можуть збільшуватися від пікосекунд до років і навіть століть.Таке уявлення лежить в основі впливових теоретичних підходів — від теорії випадкового фазового переходу першого роду до «шовінгових» моделей реології скла. Однак експериментально відокремити еластичний внесок від термодинамічного (пов’язаного, наприклад, з ентропією) було надзвичайно складно.

Як виміряли бар’єри перебудови

Автори роботи зосередилися на молекулярних стеклах — матеріалах, побудованих з невеликих, добре визначених молекул, а не з полімерних ланцюгів чи атомних мереж. Такі системи зручні тим, що взаємодії між частинками добре охарактеризовані, а динаміку можна точно вимірювати спектроскопічними та калориметричними методами.Керуючи температурою та «термічною історією», дослідники отримали зразки скла в широкому діапазоні станів — від крихких, швидко загартованих конфігурацій до добре відпалених, низькоенергетичних. Це дозволило простежити, як змінюються бар’єри перебудови, коли матеріал занурюється глибше в склоподібний стан.Експериментальна стратегія поєднала вимірювання релаксаційної динаміки з аналізом механічної роботи, необхідної для локальної перебудови. Кожну перебудовувану область розглядали як «включення» в еластичному середовищі: коли група молекул змінює конфігурацію, вона деформує навколишній матеріал, а енергія цієї деформації і є еластичним бар’єром.Вимірюючи, як ця енергетична вартість масштабується з розміром перебудовуваної області та з макроскопічним модулем зсуву скла, команда отримала прямий доступ до величини еластичного бар’єра за різних умов. Модуль зсуву — це міра жорсткості матеріалу на зсувні деформації; він зростає під час охолодження та старіння скла.

Підтвердження еластичної картини

Результати дали яскраве підтвердження еластичної моделі. У всьому діапазоні досліджених станів бар’єри перебудови зростали майже пропорційно модулю зсуву. При цьому коефіцієнт пропорційності вказував, що еластичний «слід» перебудови простягається далеко за межі самої перебудовуваної області.Це саме та поведінка, яку передбачають моделі, де перебудова змушує зміщуватися безперервне еластичне середовище. Вартість процесу визначається не локальною хімією молекул, що перебудовуються, а жорсткістю середовища, в яке вони «вмонтовані».Такий підхід допомагає розв’язати давню загадку фізики скла: чому енергія активації релаксації в глибоко склоподібних станах набагато перевищує будь-які правдоподібні локальні молекулярні енергетичні масштаби. Згідно з новими вимірюваннями, релевантна енергія є колективною й еластичною, розподіленою на десятки або сотні навколишніх молекул.

Енергетичний ландшафт і роль ентропії

Автори також оцінили абсолютну величину еластичних бар’єрів і розмістили їх у ширшому енергетичному ландшафті скла. У цьому підході конфігураційний простір матеріалу уявляють як нерівну поверхню з великими «метабасейнами» — широкими долинами, поділеними на дрібніші мінімуми, розділені бар’єрами різної висоти.Нові вимірювання свідчать, що еластичні бар’єри формують основний рельєф саме на рівні метабасейнів, тоді як тонша структура всередині кожної долини відображає локальні, хімічно зумовлені енергетичні відмінності. Це означає, що старіння, відпал та інші термічні обробки, які роблять скло жорсткішим, насамперед підвищують еластичні «стіни» між метабасейнами, пригнічуючи великомасштабні перебудови, відповідальні за макроскопічну релаксацію та плин.Робота також вносить ясність у давню дискусію про співвідношення термодинамічних та еластичних внесків у так звану псевдотермодинамічну вільну енергію, що керує колективними перебудовами. Класичні підходи, зокрема рамка Адамса–Гіббса, надають центральну роль конфігураційній ентропії, яка нібито зникає в точці ідеального склоподібного переходу, а бар’єри пов’язують зі зменшенням числа доступних конфігурацій.Еластичні моделі, навпаки, вважають головним чинником механічну вартість деформації оточення. Нові дані показують, що за низьких температур і в добре відпалених станах еластичний внесок є не поправкою, а провідним компонентом, який зростає так, що чисто термодинамічні описи не можуть його повністю відтворити. Це не заперечує важливості ентропії, але змінює баланс, який майбутні теорії мають врахувати.

Практичні наслідки для технологій

Молекулярні стекла широко використовуються в технологіях. Аморфні тверді дисперсії лікарських речовин покладаються на стабільність склоподібного стану, щоб утримувати малорозчинні препарати в біодоступній формі; будь-яка кристалізація чи структурна релаксація під час зберігання може скоротити термін придатності ліків.Органічна електроніка залежить від склоподібних плівок малих молекул, чиї транспортні властивості погіршуються в міру релаксації матеріалу. Оптичні покриття, аморфні поглиначі в сонячних елементах і захисні склоподібні шари на культурних артефактах старіють через ті самі мікроскопічні перебудови, які кількісно описані в цьому дослідженні.Кількісна модель еластичних бар’єрів дає інженерам прогностичний інструмент: вимірявши або розрахувавши модуль зсуву скла, можна оцінити бар’єри релаксації, а отже — «вікно стабільності» матеріалу. Це крок до раціонального, а не суто емпіричного проєктування склоподібних матеріалів.

Вихід за межі молекулярних стекол

Результати можуть вплинути й на розуміння деформації аморфних твердих тіл загалом. Вважається, що пластичний плин у металевих стеклах, пінах, емульсіях і гранульованих середовищах відбувається через локалізовані події перебудови — так звані зони зсувних перетворень, кожна з яких також деформує еластичне оточення.Встановлені в цій роботі співвідношення масштабування для теплових молекулярних стекол можуть стати еталоном для перевірки, чи діє такий самий еластичний «облік» в нетеплових і керовано деформованих системах. Якщо пропорційність між висотою бар’єра та модулем зсуву виявиться стійкою в широкому класі матеріалів, це об’єднає тепловий склоподібний перехід і механіку аморфної пластичності в єдину рамку.Найближчі кроки для дослідників — поширити вимірювання на більш «крихкі» склоутворювачі, на суміші з різними розмірами молекул, де кристалізація ще сильніше пригнічується, а також на ультратонкі плівки, де обмеження за товщиною змінює і модуль, і динаміку.Особливо цікавою є роль обмеження: тонкі склоподібні плівки часто демонструють підвищену рухливість, і еластична модель робить конкретний прогноз — чим тонша плівка, тим менший еластичний кошт перебудов, оскільки об’єм деформованого оточення геометрично обмежений. Перевірка цього прогнозу стане незалежним тестом коректності кількісної оцінки бар’єрів і допоможе з’ясувати, чи зумовлені ефекти підкладки на динаміку скла саме еластичними причинами.У підсумку вимальовується картина склоподібного стану, де жорсткість і «застиглість» — це не просто наслідок того, що молекули застрягли на місці, а результат еластичної мережі, яка пов’язує долю кожної молекули з її сусідами. Одна перебудова в такому матеріалі — це колективна подія, «вартість» якої розподілена в розширеному еластичному полі. Перетворивши цю якісну метафору на вимірювані числа — висоти бар’єрів, показники масштабування та зв’язок із модулем зсуву — дослідження робить інтуїції фізики скла предметом точної, перевірюваної науки.Стаття Еластичні бар’єри керують перебудовою молекулярних стекол з'явилася спочатку на Цікавості.

Новий аналіз давньої ДНК перевертає уявлення про загадкового «американського гепарда» Міrасіnоnyх trumаnі. Команда з Університету Каліфорнії в Санта-Крус показала, що ця вимерла кішка була не північноамериканським аналогом африканського гепарда, а найближчим родичем сучасної пуми. Про результати повідомляє видання Sсі.Nеws.Міrасіnоnyх trumаnі мешкав на відкритих трав’янистих просторах Північної Америки впродовж плейстоцену, приблизно від 2,5 мільйона до понад 13 000 років тому. За викопними рештками, це була кішка заввишки близько 90 см, завдовжки до 2,5 м разом із хвостом і середньою масою близько 70 кг.Тіло Міrасіnоnyх trumаnі було струнким, з довгими передніми кінцівками та великими носовими порожнинами — рисами, притаманними сучасним швидко бігаючим тваринам, таким як гепарди чи коні. Часто його кістки знаходили поруч із рештками вилорогів, відомих як «американські антилопи», що підштовхнуло палеонтологів до ідеї: цей хижак жив і полював подібно до африканського гепарда.

Геноми з крижаних пасток

Моллі Кассатт-Джонстон (Моlly Саssаtt-Jоhnstоnе) та її колеги виділили давню ДНК з чотирьох зразків Міrасіnоnyх trumаnі — одного зі знаменитої печери Nаturаl Тrар у Вайомінгу та трьох із території Юкон. На основі цих матеріалів дослідники отримали перші високоякісні ядерні геноми цього виду.Генетичний аналіз показав, що Міrасіnоnyх trumаnі є найближчим родичем живої пуми (Рumа соnсоlоr), а не гепарда (Асіnоnyх jubаtus). Оцінки вказують, що їхні еволюційні лінії розійшлися приблизно 2,6 мільйона років тому.Схожість із гепардом — струнке тіло та «спринтерська» будова — виявилася прикладом конвергентної еволюції: подібна форма тіла виникла незалежно, як відповідь на однакові умови відкритих просторів і полювання на швидку здобич, а не через спільне походження з африканськими гепардами.«Уявити собі доісторичний вид, якого ми ніколи не бачили, дуже важко без порівняння з чимось знайомим, — зазначає Кассатт-Джонстон. — Але такий підхід може обмежувати наше розуміння складності давніх тварин, їхньої унікальної еволюційної історії та поведінки».

Від прерій до арктичної тундри

Знахідки з Юкону суттєво розширили відомий ареал Міrасіnоnyх trumаnі — більш ніж на 20 градусів широти на північ. Виявилося, що цей хижак жив не лише в помірних преріях, а й у степово-тундрових умовах Арктики близько 31 000–34 000 років тому.Два юконські зразки спершу помилково віднесли до пум саме через їхню «несподівану» присутність так далеко за межами звичного для Міrасіnоnyх trumаnі регіону. Нові дані показують, що вид мав величезний ареал — від Арктики до «нижніх 48» штатів США.«Цей вид хижаків мав колосальний діапазон — від Арктики до континентальної частини США, — підкреслює професор Метью Вуллер (Маtthеw Wооllеr) з Університету Аляски у Фербенксі. — Вони демонструють надзвичайну спеціалізацію на двох кінцях свого ареалу, водночас живлячись двома зовсім різними типами їжі».

Дієта: від наземної здобичі до лосося

Хімічний аналіз колагену кісток показав разючу різницю в харчуванні між популяціями. Особина з Вайомінгу мала ізотопні показники, характерні для наземного хижака-генераліста, що відповідає різноманітній здобичі у відкритих трав’янистих екосистемах.Натомість юконські Міrасіnоnyх trumаnі мали значення ізотопів азоту приблизно на шість проміле вищі, ніж інші хижаки регіону. Такий «підпис» найкраще пояснюється активним споживанням лосося та іншої риби, що мігрує з океану вгору за течією річок на сотні кілометрів углиб континенту.Отже, Міrасіnоnyх trumаnі був не вузькоспеціалізованим «спринтером за вилорогами», а гнучким хижаком, здатним використовувати дуже різні джерела їжі в різних середовищах.

Гени, доба та вразливість виду

Геноми з Вайомінгу та Юкону виявили кілька «вимкнених» генів, спільних для обох популяцій. Серед них — два гени, що регулюють циркадні ритми. На думку авторів, це може свідчити про послаблення відбору, пов’язаного зі звичними добовими циклами освітлення, особливо на високих широтах із крайніми літніми та зимовими світловими режимами.Ще один пошкоджений ген пов’язаний із сприйняттям кислого смаку; він, за даними дослідження, загалом «зламаний» у більшості видів котячих.Обидві популяції Міrасіnоnyх trumаnі мали низьке генетичне різноманіття — на рівні деяких із найбільш інбредних сучасних рідкісних кішок. Водночас у даних немає ознак різких «пляшкових горлечок» інбридингу, подібних до тих, що спостерігаються, наприклад, у іберійської рисі (Lynх раrdіnus).«Низьке генетичне різноманіття саме по собі не прирекло цей вид, — зазначає професорка Бет Шапіро (Веth Shаріrо) з Університету Каліфорнії в Санта-Крус. — Міrасіnоnyх trumаnі існував дуже довго без тих ознак інбридингу, які ми очікували б побачити перед колапсом популяції. Занепад був повільним, а не раптовим, і саме це, ймовірно, залишило вид нездатним адаптуватися, коли клімат змінився».На думку авторів, історія Міrасіnоnyх trumаnі показує, що деякі вимерлі види ми надто спрощуємо, зводячи їх до однієї «ролі» — на кшталт «американського гепарда». Насправді ж цей хижак був значно більш пластичним і різноманітним, ніж підказує його прізвисько.Робота Моллі Кассатт-Джонстон та співавторів опублікована в журналі Сurrеnt Віоlоgy.Стаття ДНК показала що «американський гепард» був родичем пуми з'явилася спочатку на Цікавості.

Фізики зафіксували незвичну поведінку електронів у цирконію пентателуриді (ZrТе5) — квантовому матеріалі, який може бути і ізолятором, і провідником. За температур, близьких до абсолютного нуля, та в магнітних полях до 60 тесла вчені спостерігали квантові осциляції, що не зникали там, де звичайна теорія передбачає їхню повну відсутність. Про це повідомляє SсіеnсеDаіly з посиланням на дослідження, опубліковане в Nаturе Соmmunісаtіоns.Роботу виконала міжнародна команда з Університету Сан-Паулу (Бразилія), Національної лабораторії Лос-Аламос, Університету Вашингтона та інших установ США. Вони поєднали вимірювання електричного транспорту в полях до 60 тесла і при температурах близько 0,7 кельвіна (-272,45 °С) з детальними теоретичними розрахунками.

Топологічний ізолятор з «подвійною особистістю»

Топологічні ізолятори поєднують дві, на перший погляд, несумісні властивості: їхній об’єм поводиться як електричний ізолятор, а поверхня добре проводить струм. Такі характеристики зумовлені топологією електронних зон — глобальними особливостями квантової структури електронних станів, захищених симетріями кристалу.ZrТе5 особливо цікавий тим, що розташований поблизу межі між різними топологічними фазами. Невеликі зміни температури, механічні деформації, домішки чи магнітне поле можуть суттєво змінювати його електронні властивості. Завдяки цій чутливості матеріал став важливою платформою для вивчення топологічних фазових переходів і релятивістських квазічастинок у твердому тілі.Коли електрони рухаються в магнітному полі, їхні можливі енергії не утворюють суцільний спектр. Квантова механіка обмежує їх дискретними значеннями — рівнями Ландау, названими на честь Льва Ландау. У дуже чистих металах ці рівні можуть багаторазово перетинати рівень Фермі — межу між заповненими та вільними електронними станами. Кожне таке перетинання породжує осциляції електричного опору, відомі як осциляції Шубнікова — де Гааза, які зазвичай мають періодичність у 1/В, де В — магнітне поле.

Осциляції, що не зникли за квантовою межею

У випадку ZrТе5 дослідники побачили зовсім іншу картину. Магнітоопірні осциляції виявилися неперіодичними в 1/В і зберігалися далеко за межами так званої квантової межі. Це несподівано, адже за цією межею електрони мають бути обмежені найнижчим рівнем Ландау, і звичні осциляції повинні зникати.За словами Кауе Кауфманна Рібейру (Саuê Каufmаnn Rіbеіrо), першого автора роботи, у матеріалах поблизу топологічних фазових переходів електронні збудження починають поводитися як квазічастинки, подібні до ферміонів Дірака — релятивістських частинок. У такому режимі спін цих квазічастинок відіграє ключову роль: сильне магнітне поле змінює енергетичні рівні через взаємодію спіну з полем, і рівні Ландау, які мали б «піти» від важливих для системи енергій, можуть знову «повертатися» і перетинати їх. Це явище автори називають реентрантними (повторно вхідними) рівнями Ландау.Щоб пояснити ефект, команда запропонувала механізм «зворотного згинання» рівнів Ландау. Замість простого монотонного зсуву енергії з ростом магнітного поля деякі рівні згинаються назад у бік рівня Фермі й знову його перетинають. Ці повторні перетини породжують додаткові осциляції саме в тому режимі, де стандартна теорія передбачає їхню відсутність.

Спін електрона змінює енергетичну картину

Незвична поведінка виникає через взаємодію двох фізичних ефектів. Перший — циклотронна енергія, пов’язана з орбітальним рухом електронів у магнітному полі. Другий — ефект Зеемана, що описує зв’язок між магнітним полем і спіном електрона.У матеріалі на кшталт ZrТе5, де спін-орбітальна взаємодія дуже сильна, ці внески не можна розглядати окремо. Спін і орбітальний рух електрона виявляються зв’язаними, тому енергії рівнів Ландау змінюються з полем нелінійно.Одним із завдань дослідження було з’ясувати, що саме породжує аномальні осциляції: колективні багатоелектронні ефекти чи внутрішні топологічні властивості електронної структури. Розрахунки показали, що колективні взаємодії не є необхідними для пояснення спостережень. Одночастинкова модель на основі тривимірного гамільтоніана Дірака з урахуванням сильної спін-орбітальної взаємодії відтворила експериментальні режими.Юліо Ларреа Хіменес (Julіо Lаrrеа Jіménеz) підсумовує, що ефект пов’язаний не з багаточастинковими взаємодіями, а з нетривіальною топологією електронних зон.

Розв’язання суперечностей у вимірюваннях ZrТе5

Отримані результати можуть пояснити давні розбіжності в експериментах із ZrТе5. Різні зразки цього самого матеріалу демонстрували, на перший погляд, несумісні типи квантових осциляцій: у частини зразків вони були звичайно періодичними в 1/В, в інших — неперіодичними, а ще в деяких сигнал виглядав так, ніби має логарифмічну періодичність у В.Нове дослідження вказує, що всі ці варіанти можуть походити від однієї й тієї самої дираківської електронної структури. Конкретна картина визначається насамперед концентрацією носіїв заряду та розміром поверхні Фермі в кожному зразку.У зразках з низькою концентрацією носіїв, як у дослідженому випадку, ефекти Зеемана і циклотронний внесок стають порівнянними вже в досяжних магнітних полях. Це сприяє повторному «входу» рівнів Ландау і робить аномальні осциляції помітними. У зразках із вищою концентрацією носіїв домінує звичайний циклотронний термін, і осциляції зберігають стандартну періодичність у 1/В.

Два спінові канали та інтерференція

Дослідники також виявили дві окремі складові квантових осциляцій, пов’язані зі станами, розділеними за спіном. Ці два внески мають різні ефективні маси й можуть інтерферувати один з одним.Саме ця інтерференція, за їхніми висновками, пояснює ще одну аномалію в даних. Згідно з класичною моделлю Ліфшица — Козевича, амплітуда квантових осциляцій має монотонно спадати з підвищенням температури. Натомість у вимірюваннях спостерігався локальний мінімум амплітуди в певних температурних діапазонах. Це свідчить, що два електронні канали не просто згасають, а взаємодіють між собою через інтерференцію.Кутові вимірювання магнітоопору дали додаткову інформацію про матеріал. За слабких полів поверхня Фермі виглядала тривимірною та приблизно еліпсоїдальною. Розрахована концентрація носіїв виявилася дуже низькою — близько 1016 на кубічний сантиметр, що узгоджується з розташуванням ZrТе5 майже на межі топологічного фазового переходу.

Матерія під екстремальними умовами та перспективи

Експерименти проводилися в Національній лабораторії високих магнітних полів у Лос-Аламосі — одному з небагатьох місць у світі, де можна поєднати імпульсні магнітні поля до 60 тесла з температурами нижче 1 кельвіна. Доступ до таких установок є дуже конкурентним.Окрім пояснення незвичних квантових осциляцій, результати підсилюють інтерес до ZrТе5 як платформи для пошуку нових топологічних фаз матерії. Дослідники припускають, що точне налаштування симетрій кристалу, концентрації носіїв, механічних напружень, температури та магнітного поля може призвести до ще екзотичніших електронних станів, зокрема фаз із квазічастинками типу Вейля.Автори наголошують, що їхній експеримент став першою емпіричною демонстрацією процесу реентрантних рівнів Ландау в дираківському топологічному ізоляторі, який раніше залишався предметом суперечок. Робота підтримана фондами Бразилії та США, зокрема Національною лабораторією Лос-Аламос, Національною лабораторією високих магнітних полів, Національним науковим фондом США та Міністерством енергетики США.Стаття Електрони в ZrТе5 демонструють неочікувані квантові осциляції з'явилася спочатку на Цікавості.