Δευτέρα, 11 Δεκεμβρίου 2017

Μικροσκοπική Μόνα Λίζα αποτυπωμένη σε καμβά από DNA. The world's smallest Mona Lisa

Χάρη σε ειδικό λογισμικό. Three new strategies for using DNA to generate large, self-assembling shapes create everything from a nanoscale teddy bear to a nanoscale Mona Lisa. Conceptual animation of a fractal assembly process for creating the Mona Lisa out of DNA. Credit: Caltech

Ερευνητές στις ΗΠΑ δημιούργησαν την μικρότερη παγκοσμίως Μόνα Λίζα του Λεονάρντο ντα Βίντσι πάνω σε ένα καμβά από DNA, όπως αναφέρεται σε σχετικό άρθρο του Nature.

Rendered atomic force microscopy images of the Mona Lisa, a bacterium, and a rooster self-assembled from DNA origami tiles. Credit: GRIGORY TIKHOMIROV, PHILIP PETERSEN, AND LULU QIAN / CALTECH

Οι επιστήμονες είχαν στο παρελθόν αναπτύξει μια μέθοδο που τους επιτρέπει να διπλώνουν μακριές έλικες του μορίου του DNA σε προκαθορισμένα σχήματα, περίπου όπως ένα ιαπωνικό οριγκάμι. Οι δομές του DNA αυτοσυναρμολογούνται έτσι ώστε να σχηματίζουν ένα συγκεκριμένο σχήμα.

Η τεχνική αυτή -γνωστή και ως «DNA οριγκάμι»- έχει ήδη φέρει επανάσταση στη νανοτεχνολογία, ανοίγοντας νέες δυνατότητες για τη δημιουργία μικροσκοπικών μοριακών συσκευών ή «έξυπνων» υλικών που μπορούν να προγραμματισθούν κατά βούληση.

New techniques in DNA self-assembly allow researchers to create the largest to-date customizable patterns with nanometer precision on a budget. DNA rendering of the Mona Lisa viewed with atomic force microscopy. Credit: Qian laboratory

Οι ερευνητές, με επικεφαλής την αναπληρώτρια καθηγήτρια Εμβιομηχανικής Λούλου Τσιάν του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech), βελτίωσαν περαιτέρω την τεχνική, ώστε να δημιουργούνται μεγαλύτεροι από ποτέ «καμβάδες» από DNA, που μπορούν να αναπαραστήσουν ακόμη και ένα πίνακα ζωγραφικής όπως η διάσημη Μόνα Λίζα.

Οι επιστήμονες ανέπτυξαν ένα ειδικό λογισμικό που παίρνει μια εικόνα όπως η Μόνα Λίζα, τη διαχωρίζει σε μικρά τετραγωνάκια και μετά αποφασίζει ποιές αλληλουχίες μορίων DNA θα αναδημιουργήσουν κάθε τετραγωνάκι. Τελικά, αυτά τα επιμέρους κομματάκια αυτοσυναρμολογούνται σε μια ενιαία εικόνα.

Πηγές: Grigory Tikhomirov, Philip Petersen, Lulu Qian. Fractal assembly of micrometre-scale DNA origami arrays with arbitrary patternsNature, 2017; 552 (7683): 67 DOI: 10.1038/nature24655 - http://www.tovima.gr/science/article/?aid=923649 - http://www.caltech.edu/news/worlds-smallest-mona-lisa-80563


O Max Born και η στατιστική ερμηνεία της κυματοσυνάρτησης. Max Born and the statistical interpretation of the wavefunction

Ο Max Born (11 Δεκεμβρίου 1882 – 1970) ήταν Γερμανός φυσικός κι ένας από τους τρεις πρωταγωνιστές -οι άλλοι δύο ήταν ο Bohr και ο Heisenberg- στη διαμόρφωση της πιθανοκρατικής ερμηνείας της Κβαντομηχανικής. Σύμφωνα με την ερμηνεία αυτή ο πιθανοκρατικός χαρακτήρας των νόμων της Κβαντομηχανικής δεν οφείλεται σε ατελή γνώση των παραγόντων, που προσδιορίζουν τις μικροσκοπικές κινήσεις αλλά είναι μια εγγενής ιδιότητα της φύσης στο ατομικό και υποατομικό επίπεδο. Η εργασία που δημοσίευσε το 1924 με τίτλο "Για την Κβαντομηχανική", θεωρείται ότι είναι η έναρξη της. Max Born (1882-1970) | Winner of the Nobel Prize in Physics in 1954 "for his fundamental research in quantum mechanics, especially for his statistical interpretation of the wavefunction", which suggests that a fundamental randomness is built into the laws of nature.

Ο Mαξ Μπορν ήταν Γερμανός φυσικός, ένας από τους θεμελιωτές της Κβαντομηχανικής. Μαζί με τον Πωλ Γιόρνταν διατύπωσε σε ολοκληρωμένη μορφή την μητρομηχανική του Χάιζενμπεργκ και αμέσως μετά –το 1926– τη στατιστική ερμηνεία της κυματοσυνάρτησης ψ, πάνω στην οποία εδράζεται όλο το κβαντικό οικοδόμημα. Ο Μαξ Μπορν συνέβαλε επίσης σημαντικά στην ανάπτυξη της σύγχρονης μοριακής φυσικής –η οποία βασίζεται καίρια στη λεγόμενη προσέγγιση Μπορν-Οπενχάιμερ– καθώς και στη φυσική της στερεάς κατάστασης, ενώ είναι και ο θεμελιωτής της κβαντικής θεωρίας της σκέδασης, με πασίγνωστη την προσεγγιστική μέθοδο που φέρει το όνομά του.

Ο Μαξ Μπορν επηρέασε επίσης σημαντικά τη φυσική της εποχής του ως δάσκαλος μερικών από τους καλύτερους νέους φυσικούς της περιόδου που εκπόνησαν μαζί του τη διατριβή τους. Ήταν όμως πολύ επιτυχής και ως συγγραφέας. Το βιβλίο του για την Ατομική Φυσική ήταν το καθιερωμένο σύγγραμμα στο πεδίο για πολλά χρόνια, ενώ έγραψε κι ένα εξίσου επιτυχές εκλαϊκευτικό βιβλίο με τον τίτλο “The restless universe” – «Το ανήσυχο σύμπαν».

Όπως και όλοι σχεδόν οι μεγάλοι φυσικοί αυτής της «ηρωικής» εποχής, έτσι και ο Μπορν καταγόταν από ακαδημαϊκή  οικογένεια. Ο πατέρας του ήταν καθηγητής εμβρυολογίας και ανατομίας στο πανεπιστήμιο του Μπρέσλαου ενώ ο αδελφός του –από άλλη μητέρα– Βόλφγκανγκ έγινε επίσης καθηγητής (ιστορίας της τέχνης) στο πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης.

Max Born in Göttingen

Τα «κύματα των καιρών» δεν άφησαν ανεπηρέαστο τον Μαξ Μπορν. Λόγω της εβραϊκής καταγωγής του απολύθηκε από τη θέση του στο πανεπιστήμιο του Γκέτινγκεν, αμέσως μετά την άνοδο του Χίτλερ στην εξουσία το 1933. Μετανάστευσε τότε στη Μεγάλη Βρετανία, ως καθηγητής στο πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ αρχικά και στο πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου αργότερα. Επέστρεψε στη Γερμανία το 1952 και πέθανε στο Γκέτινγκεν το 1970.

Η στατιστική ερμηνεία της κυματοσυνάρτησης

Ο τάφος του Μπορν στο Γκέτινγκεν, με επίγραμμα την Αρχή της απροσδιοριστίας, την οποία ο Μπορν θεμελίωσε με αυστηρά μαθηματικό τρόπο. Born's gravestone in Göttingen is inscribed with the uncertainty principle, which he put on rigid mathematical footing.

Το 1954 ο Μαξ Μπορν βραβεύθηκε με το Νόμπελ φυσικής «για την θεμελιώδη έρευνά του στην Κβαντική Μηχανική, και ειδικότερα για την στατιστική ερμηνεία της κυματοσυνάρτησης». Μπροστά στο αδιέξοδο της κλασικής φυσικής να δώσει μια ικανοποιητική φυσική ερμηνεία στα υλικά κύματα ο Μαξ Μπορν προχώρησε το 1926 στην στατιστική τους ερμηνεία, που διατυπώνεται σε «πυκνή» μορφή ως εξής: Η κυματοσυνάρτηση δεν αντιπροσωπεύει ένα φυσικά παρατηρήσιμο κλασικό κύμα αλλά ένα «κύμα πιθανότητας». Το τετράγωνο της απόλυτης τιμής της κυματοσυνάρτησης μας δίνει την πυκνότητα πιθανότητας – δηλαδή την πιθανότητα ανά μονάδα μήκους (ή όγκου) – να βρούμε το σωματίδιο σε μια περιοχή του χώρου.

Ο ίδιος ο Max Born ανέφερε τα εξής σε μια διάλεξη που έδωσε το 1943:

Το Συνέδριο του Solvay το 1927. Ο Μπορν είναι δεύτερος από τα δεξιά στη δεύτερη σειρά, ανάμεσα στους Λουί ντε Μπρολί και Νιλς Μπορ. Solvay Conference, 1927. Born is second from the right in the second row, between Louis de Broglie and Niels Bohr.

Όμως η νέα θεωρία (η κβαντική θεωρία) ήταν άκρως τυποκρατική. Ουδείς εγνώριζε το νόημα της κυματοσυνάρτησης του Schrödinger. Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα και πάλι ήταν αυθαίρετη επινόηση αλλά λύση υπό την καθοδήγηση των πειραματικών στοιχείων. Η στατιστική ερμηνεία των κυμάτων de Broglie ανέκυψε από τη γνώση μου για τα πειράματα ατομικών κρούσεων του συναδέλφου μου James Frank.

H όλη ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής δείχνει πως η συσσώρευση παρατηρήσεων και μετρήσεων παρήγαγε σταδιακά αφηρημένους τύπους, χάριν της εκφραστικής τους πυκνότητας, το ακριβές νόημα των οποίων αναδυόταν αργότερα. Το ίδιο συνέβη και με τις αναζητήσεις του Heisenberg για το ότι είναι αδύνατον να μετρηθούν ακριβώς ταυτόχρονα η θέση και η ταχύτητα ενός σωματιδίου και άλλα παρόμοια ζεύγη «συζυγών» μεγεθών (σχέσεις αβεβαιότητας), που ακολουθήθηκαν από πλήθος αφηρημένων μαθηματικών αναζητήσεων στα όρια της φιλοσοφίας και της επιστημολογίας (Jordan, Dirac, Neumann και άλλοι).

Η ουσία της στατιστικής ερμηνείας έχει ως εξής: το τετράγωνο της κυματοσυνάρτησης ψ του Schrödinger για ένα σύνολο σωματιδίων παριστάνει την πιθανότητα να βρεθούν τα σωματίδια στις θέσεις (ή με τις ταχύτητες ή με τις ενέργειες) που υποδηλώνουν τα ορίσματα της συνάρτησης. Είναι προκλητικό να μακρηγορήσει κάποιος σε αυτό το συναρπαστικό θέμα, ιδίως στις σχέσεις αβεβαιότητας και τα ερωτήματα της αιτιότητας (οι ίδιες αιτίες οδηγούν στα ίδια αποτελέσματα) και της αιτιοκρατίας (τα αίτια προηγούνται των αποτελεσμάτων) στη φυσική. Κάτι τέτοιο θα οδηγούσε έξω από το θέμα της διάλεξης αυτής. Πρέπει, λοιπόν, να περιοριστώ σε μερικές παρατηρήσεις: Σύμφωνα με την κλασική μηχανική, οι θέσεις και οι ταχύτητες όλων των μερών ενός κλειστού συστήματος σε κάποια αρχική χρονική στιγμή προσδιορίζουν πλήρως τη μελλοντική κίνηση του συστήματος. Το ίδιο συμβαίνει και στην κβαντική μηχανική: το μέγεθος ψ προσδιορίζεται από την αρχική του τιμή. Από αυτό το μέγεθος όμως δεν μπορούμε να προσδιορίσουμε τις θέσεις και τις ταχύτητες των σωματιδίων, αλλά μόνο την πιθανότητα κάποιας συγκεκριμένης κατάστασης και ενός συνόλου ταχυτήτων. Όσον αφορά, λοιπόν, το ζήτημα της αιτιοκρατίας η κατάσταση είναι εντελώς διαφορετική.

Οι στατιστικές μέθοδοι χρησιμοποιούνταν στη θερμοδυναμική πολύ πριν από την ανάπτυξη της κβαντομηχανικής. Εξέφραζαν την έλλειψη επαρκών γνώσεων και περιείχαν κατά βάθος την ελπίδα πως αυτό το μειονέκτημα της στατιστικής θα μπορούσε κάποτε να αποφευχθεί. Στη νέα φυσική θεωρία υπάρχει ένα φυσικό όριο στην επαύξηση της πληροφόρησής μας, και η στατιστική αποτελεί αναπόσπαστο τμήμα της ίδιας της μηχανικής.(…)

(απόσπασμα από το βιβλίο: «Το πείραμα και η θεωρία στη Φυσική» – εκδόσεις τροχαλία)

135 χρόνια από την γέννηση του Μαξ Μπορν

Τον Max Born μας θύμισε σήμερα το λογότυπο της Google, 135 χρόνια ακριβώς από τη γέννησή του (11 Δεκεμβρίου 1882).

Πηγή: physicsgg

Επιστήμονες ανακάλυψαν το αρχαιότερο μάτι στον κόσμο. 530-million-year-old fossil has look of world's oldest eye

Είναι το παλαιότερο που έχει βρεθεί σε έμβιο οργανισμό και χρονολογείται προ 530 εκατομμυρίων ετών περίπου. An 'exceptional' 530-million-year-old fossil contains what could be the oldest eye (right eye circled) ever discovered, according to researchers. The 'exceptional' specimen 'shows us how early animals saw the world around them'.

Επιστήμονες ανακοίνωσαν ότι ανακάλυψαν στην Εσθονία το απολίθωμα ίσως του αρχαιότερου ματιού που έχει ποτέ βρεθεί σε έμβιο οργανισμό και το οποίο χρονολογείται προ 530 εκατομμυρίων ετών περίπου.

The remains of the extinct sea creature include an early form of the eye seen in many of today's animals, including crabs, bees and dragonflies. This image shows the full fossil.

Το μάτι, που ανήκε σε ένα προ πολλού εξαφανισμένο θαλάσσιο οργανισμό, ένα είδος τριλοβίτη (εν ονόματι Schmidtiellus reetae), μοιάζει αρκετά με μια πολύ πρώιμη εκδοχή του ματιού που εξελίχθηκε αργότερα σε ορισμένα ζώα όπως τα καβούρια, οι μέλισσες και οι λιβελούλες.

Image of Schmidtiellus reetae fossil's right eye. Credit: Copyright Gennadi Baranov

Επειδή το μάτι είναι μερικώς κατεστραμμένο, οι επιστήμονες μπόρεσαν να μελετήσουν την εσωτερική δομή και ανατομία του οργάνου. Μεταξύ άλλων, φέρει περίπου 100 ομματίδια, τα μικροσκοπικά φωτοευαίσθητα κύτταρα που υπάρχουν και σε σύγχρονα μάτια, αν και πολύ σε πολύ μεγαλύτερο αριθμό πια. Από την άλλη, το παλαιοζωικό μάτι δεν διαθέτει φακό.

Trilobites are an extinct group of arthropods, or jointed-legged animals, known from more than 10,000 fossil species. This image shows two fossil specimens of the trilobite species Kainops invius, one shown from the side (top) and another from above (bottom).

Οι ερευνητές από τη Βρετανία, τη Γερμανία και την Εσθονία, με επικεφαλής τον καθηγητή του Πανεπιστημίου του Εδιμβούργου Ίουαν Κλάρκσον, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών των ΗΠΑ (PNAS), εκτιμούν ότι το πανάρχαιο πλάσμα είχε σχετικά κακή όραση σε σχέση με τα σημερινά ζώα. Παρόλα αυτά, μπορούσε να διακρίνει τα εμπόδια και τους πιθανούς επικίνδυνους θηρευτές μέσα στα ρηχά νερά όπου ζούσε.

Researchers have discovered that the compound eyes of today's insects and crustaceans are still constructed in much the same way as they were in their extinct ancestors 500 million years ago. The research team looked at fossil trilobites. However, these arthropods lacked the lenses of contemporary compound eyes. Trilobite fossil. Credit: © alessandrozocc / Fotolia

«Η ανακάλυψή μας αποκαλύπτει κάτι αξιοσημείωτο: ότι η δομή και η λειτουργία των ματιών έχει ελάχιστα αλλάξει κατά το τελευταίο μισό δισεκατομμύρια χρόνια», δήλωσε ο Κλάρκσον.

Οι ερευνητές δήλωσαν ότι θεωρούν μάλλον απίθανο να βρουν ένα σχετικά άθικτο σύνθετο μάτι παλαιότερο από αυτό που ανακάλυψαν στη Βαλτική.

Πηγές: Brigitte Schoenemann, Helje Pärnaste, Euan N. K. Clarkson. Structure and function of a compound eye, more than half a billion years oldProceedings of the National Academy of Sciences, 2017; 201716824 DOI: 10.1073/pnas.1716824114 - http://www.tovima.gr/science/medicine-biology/article/?aid=923846