Ο νευρικός «άτλας» των θηλαστικών. Detailed atlas of the nervous system created

Δημιουργήθηκε ο αναλυτικότερος χάρτης του νευρικού συστήματος του ποντικού που αναμένεται να ρίξει φως στα αίτια των νόσων και να οδηγήσει σε νέες θεραπείες. Researchers at Karolinska Institutet have created a systematic and detailed map of the cell types of the mouse nervous system. The map, which can provide new clues about the origin of neurological diseases, is presented in the journal Cell. The researchers will now use the same methods to map out the human brain on a detailed level.

Ερευνητές του Ινστιτούτου Καρολίνσκα στη Στοκχόλμη δημιούργησαν έναν αναλυτικό χάρτη του νευρικού συστήματος του ποντικού, στον οποίο περιλαμβάνονται οι ακριβείς θέσεις των πολλών διαφορετικών κυτταρικών τύπων στον εγκέφαλο. Πρόκειται για τη μεγαλύτερη μελέτη «χαρτογράφησης» του νευρικού συστήματος θηλαστικών.

Εφαρμογή πρωτοποριακής τεχνολογίας

Όπως αναφέρουν οι επιστήμονες στην επιθεώρηση «Cell», προκειμένου να χαρτογραφήσουν με λεπτομέρεια την ποικιλία των κυττάρων του νευρικού συστήματος, εφήρμοσαν μια νέα τεχνολογία που αφορά αλληλούχηση του RNA του κάθε κυττάρου ξεχωριστά – ουσιαστικώς η μέθοδος μετρά την έκφραση των γονιδίων σε κάθε κύτταρο. Η γονιδιακή έκφραση είναι η διαδικασία μέσω της οποίας οι πληροφορίες που «κουβαλά» ένα κύτταρο συντίθενται ώστε να δημιουργηθεί ένα λειτουργικό «προϊόν», όπως μια πρωτεΐνη.

Μετρώντας λοιπόν τη γονιδιακή δραστηριότητα μεμονωμένων κυττάρων από συγκεκριμένες περιοχές του νευρικού συστήματος οι ερευνητές δημιούργησαν ένα προφίλ για κάθε κυτταρικό τύπο. Με βάση αυτά τα προφίλ έγινε τελικώς η χαρτογράφηση, που είναι η πιο συστηματική που έχει γίνει ποτέ.

Ο μεσαιωνικός χάρτης και η δορυφορική εικόνα

Sten Linnarson, professor at the Department of Medical Biochemistry and Biophysics at Karolinska Institute. Foto: Ulf Sirborn

«Μπορεί κάποιος να το συγκρίνει με τη διαφορά ανάμεσα σε έναν μεσαιωνικό χάρτη και μια δορυφορική εικόνα: χιλιάδες λεπτομέρειες που μέχρι πρότινος ήταν αόρατες καθίστανται ορατές με τη χρήση των νέων τεχνικών και έτσι τελικώς ολόκληρος ο χάρτης καθίσταται πολύ πιο αξιόπιστος» ανέφερε ο Στεν Λίναρσον, καθηγητής στο Τμήμα Ιατρικής Βιοχημείας και Βιοφυσικής στο Ινστιτούτο Καρολίνσκα σε σχετικό δελτίο Τύπου.

Το νευρικό σύστημα αποτελείται από μια ευρεία γκάμα κυττάρων – ένας από τους βασικότερους τύπους είναι τα νευρογλοιακά κύτταρα τα οποία με τη σειρά τους περιλαμβάνουν πολλά είδη κυττάρων (π.χ. αστροκύτταρα, ολιγοδενδροκύτταρα, μικρογλοία). Τα κύτταρα αυτά έχουν πολύ ουσιαστικό υποστηρικτικό και προστατευτικό ρόλο και ξεπερνούν σε αριθμό τα νευρικά κύτταρα. Μπορούν επίσης να παράγουν μυελίνη, την ουσία που περιβάλλει τις νευρικές ίνες και η οποία σταδιακά καταστρέφεται στην πολλαπλή σκλήρυνση.

Στο νευρικό σύστημα εντοπίζονται όμως και κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος τα οποία έχουν ως καθήκον να επιτηρούν και να προστατεύουν από επικίνδυνους «εισβολείς», όπως είναι τα βακτήρια και οι ιοί. Εντοπίζονται επίσης κύτταρα από τα οποία δημιουργούνται αιμοφόρα αγγεία και μεμβράνες.

265 διαφορετικοί κυτταρικοί τύποι

Οι ερευνητές με χρήση της προηγμένης τεχνικής αλληλούχησης του RNA ανακάλυψαν άγνωστους μέχρι σήμερα κυτταρικούς τύπους, επιτυγχάνοντας μάλιστα να προσδιορίσουν τη θέση τους με υψηλή ακρίβεια.

Η χαρτογράφηση αφορούσε διαφορετικούς ιστούς ποντικών, συμπεριλαμβανομένων ιστών του εγκεφάλου και του νωτιαίου μυελού (κεντρικό νευρικό σύστημα), των γαγγλίων που περιβάλλουν τον νωτιαίο μυελό (περιφερικό νευρικό σύστημα) καθώς και ιστών του νευρικού συστήματος που ελέγχουν το έντερο (εντερικό νευρικό σύστημα). Τελικώς εντοπίστηκαν 265 διαφορετικοί τύποι κυττάρων ενώ οι επιστήμονες είδαν ότι τη μεγαλύτερη ποικιλομορφία παρουσιάζουν οι νευρώνες με περισσότερους από 200 διαφορετικούς τύπους.

Ένα από τα πιο αναπάντεχα ευρήματα ήταν ότι τα αστροκύτταρα εμφανίζουν πολύ μεγαλύτερη ποικιλομορφία από ό,τι πιστευόταν ως σήμερα και ότι πιθανότατα κατέχουν πολύ διακριτούς ρόλους σε διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου. Τα αστροκύτταρα είναι κύτταρα που ονομάζονται έτσι ακριβώς επειδή έχουν το σχήμα άστρου και επιτελούν πολλαπλές λειτουργίες, όπως το να παρέχουν θρεπτικές ουσίες στο νευρικό σύστημα, αλλά και το να βοηθούν στη διαδικασία «επιδιόρθωσης» και επούλωσης του εγκεφάλου και του νωτιαίου μυελού μετά από τραυματισμούς.

Φως στη «ρίζα» νευρολογικών νόσων

Basic Diagram of CNS (Central Nervous System) and PNS (Peripheral Nervous System). Source: Travis S. Patterson, PhD

Τα νέα ευρήματα εκτιμάται ότι θα ρίξουν άπλετο φως στη «ρίζα» διαφορετικών νευρολογικών νόσων, όπως η πολλαπλή σκλήρυνση. «Με τη βοήθεια του νέου άτλαντα του νευρικού συστήματος, οι ερευνητές είναι πλέον σε θέση να «τοποθετήσουν» συγκεκριμένα γονίδια που σχετίζονται με συγκεκριμένες νόσους σε συγκεκριμένους κυτταρικούς τύπους, γεγονός που θα παράσχει σημαντικές πληροφορίες σχετικά με το πώς ξεκινά η κάθε νόσος» ανέφερε ο καθηγητής Λίναρσον και πρόσθεσε ότι μακροπρόθεσμα η καινούργια αυτή γνώση αναμένεται να συνεισφέρει σημαντικά στην ανάπτυξη νέων φαρμάκων και άλλων θεραπειών.

Επόμενος στόχος για την ερευνητική ομάδα είναι να αποκαλύψει την αρχιτεκτονική του ανθρώπινου εγκεφάλου με χρήση της ίδιας προσέγγισης.

Πηγές: Amit Zeisel et al. Molecular architecture of the mouse nervous system, Cell (2018). DOI: 10.1101/294918 - Karolinska Institutet - http://www.in.gr/2018/08/30/tech/o-neyrikos-atlas-ton-thilastikon/

Γιώργος Θέμελης, «Σύναξη σιωπής»

Erna Rosenstein, From the Very Bottom of Silence, from the series Homeless Paintings, 1986

Σαν τη γραμμή στο φως,

Που γράφει το πουλί

Μ’ αστραφτερό φτερό και χτύπο,

Μες στη μετέωρη θαμπή του αποδημία,

Θα χαράζει το γλήγορο πέρασμά σου.

Κάτω από κάθε σύγνεφο κυνηγημένο

Από Βοριά και Νότο, κάτω από κάθε ήλιου στροφή.

Πώς φωσφορίζει η θάλασσα

Στη θαμπωμένη καταχνιά.

Η αναμμένη λάμπα, που έσβησε,

Κι αντιφεγγίζει και θ’ αντιφεγγίζει.

Η έξαφνη λάμψη που έλαμψε.

Ατελείωτη εξαφάνιση εκθαμβωτική.

Τόσοι ήλιοι σβηστοί,

Τόσα κλειστά

Βλέφαρα, φώτα μες στη νύχτα.

Μια αγάπη εδώ αγαπήθηκε,

Μια αγάπη, όσο καμιά.

Βαραίνουν τα σώματα μέσα στο χρόνο

Σηκώνοντας απάνω τους τη θλίψη τους

Την ακατάλυτη, σηκώνοντας τη μοναξιά.

Σαν τα πανάρχαια σταματημένα δέντρα.

Βαραίνουν τα πράγματα, που βρέθηκαν

Γύρω μας, μέσα μας, μες στην αγάπη,

Φορτωμένα την άφθαρτη ουσία μας.

Συνοδεία αχώριστη,

Σύναξη σιωπής.

Erna Rosenstein, Dying Swann, 1970

Από τη συλλογή Έξοδος (1968)

Αστρικά σμήνη «μιλούν» για την εξέλιξη των άστρων. Stellar 'swarms' help astronomers understand the evolution of stars

Όπως τα σμήνη των πουλιών πετούν συντονισμένα στον ουρανό, έτσι και οι αστρικοί συσχετισμοί/σχηματισμοί μπορούν να μας δώσουν πληροφορίες για τον τρόπο που σχηματίζονται τα άστρα, την ηλικία τους και τη σύνθεσή τους. Researchers have identified nearly a thousand potential members and 31 confirmed members of stellar associations -- stars of similar ages and compositions that are drifting together through space -- in our own corner of the Milky Way. Their research could help astronomers understand the evolution of stars and the properties of future exoplanet discoveries. Credit: CC0 Public Domain

Αμερικανοί ερευνητές ανακοίνωσαν ότι ανακάλυψαν χίλια πιθανά μέλη και 31 επιβεβαιωμένα μέλη αστρικών συσχετισμών, δηλαδή άστρων όμοιας ηλικίας και σύνθεσης που κινούνται ομαδικά στο Διάστημα.

Η μελέτη τους δημοσιεύεται στο επιστημονικό έντυπο Astrophysical Journal και θα μπορούσε να συμβάλλει στην καλύτερη κατανόηση του πως δημιουργούνται και εξελίσσονται τα άστρα.

«Όπως τα σμήνη των πουλιών πετούν συντονισμένα στον ουρανό, έτσι και οι αστρικοί συσχετισμοί/σχηματισμοί μπορούν να μας δώσουν πληροφορίες για τον τρόπο που σχηματίζονται τα άστρα, την ηλικία τους και τη σύνθεσή τους», εξηγεί ο Τζόναθαν Καγκνεϊ από Επιστημονικό Ινστιτούτο Carnegie.

Χάρη στις εσωτερικές ομοιότητες μεταξύ των μελών των αστρικών συσχετισμών και των εξωτερικών διαφορών μεταξύ των διαφορετικών ομάδων, οι αστρονόμοι μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα αστρικά σμήνη για να αντλήσουν πληροφορίες για το πως σχηματίζεται ένα άστρο στον Γαλαξία μας.

Οι ηλικίες των άστρων διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους ανάλογα με το σμήνος στο οποίο ανήκουν.

Ο Κάγκνεϊ σε συνεργασία με την Ζακλίν Φαχερτι του Αμερικανικού Μουσείου Φυσικής Ιστορίας άντλησαν στοιχεία από την τρισδιάστατη χαρτογράφηση του Γαλαξία μας που έχει πραγματοποιήσει η Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος.

Visualization rendered by Dan Tell from the California Academy of Sciences using SCISS Uniview software and directed/written by Jackie Faherty from the American Museum of Natural History.

«Τα δείγματα αστρικών σμηνών που μελετήσαμε απαρτίζονται κυρίως από κόκκινους νάνους, που είναι άστρα μικρότερα από τον Ήλιο και σχετικά ψυχρότερα. Λόγω του μεγέθους τους είναι δύσκολο να μελετηθούν αν και γνωρίζουμε ότι είναι εξαιρετικά συχνά στον Γαλαξία μας», προσθέτει.

Τέλος, οι αστρονόμοι εντόπισαν και 111 καφέ νάνους που είναι μέλη συγκεκριμένων αστρικών σμηνών. Οι καφέ νάνοι είναι άστρα που συχνά ονομάζονται και υπέρ-Δίες. Είναι μικρότεροι από άστρα αλλά πιο εκτεταμένοι από μεγάλους πλανήτες και αποτελούν έναν φυσικό σύνδεσμο μεταξύ αστρονομίας και πλανητικής επιστήμης.

Πηγές: Jonathan Gagné, Jacqueline K. Faherty. BANYAN. XIII. A First Look at Nearby Young Associations with Gaia Data Release 2. The Astrophysical Journal, 2018; 862 (2): 138 DOI: 10.3847/1538-4357/aaca2e - Jacqueline K Faherty, John J. Bochanski, Jonathan Gagné, Olivia Nelson, Kristina Coker, Iliya Smithka, Deion Desir, Chelsea Vasquez. New and Known Moving Groups and Clusters Identified in a Gaia Comoving Catalog. The Astrophysical Journal, 2018; 863 (1): 91 DOI: 10.3847/1538-4357/aac76e - http://www.in.gr/2018/08/29/tech/astrika-smini-miloun-gia-tin-ekseliksi-ton-astron/

Παρατηρήθηκε η διάσπαση του μποζονίου Higgs προς 2 κουάρκ πυθμένες. ATLAS observes elusive Higgs boson decay to a pair of bottom quarks

Ένα υποψήφιο γεγονός για την παραγωγή μποζονίου Higgs που διασπάται σε 2 κουάρκ πυθμένες (μπλε κώνοι), σε συνδυασμό με ένα μποζόνιο W που διασπάται σε ένα μιόνιο (κόκκινο) και ένα νετρίνο. Το νετρίνο δεν ανιχνεύεται, αλλά η τροχιά του (διακεκομμένη γραμμή) ανακατασκευάζεται παίρνοντας υπόψη την ελλείπουσα ενέργεια. A candidate event display for the production of a Higgs boson decaying to two b-quarks (blue cones), in association with a W boson decaying to a muon (red) and a neutrino. The neutrino leaves the detector unseen, and is reconstructed through the missing transverse energy (dashed line). (Image: ATLAS Collaboration/CERN)

H ερευνητική ομάδα ATLAS του CERN ανακοίνωσε ότι ανίχνευσε επιτέλους την διάσπαση του μποζονίου Higgs προς ένα ζεύγος b(ottom) κουάρκ, γνωστά και ως κουάρκ πυθμένες.

Aυτή η αλληλεπίδραση (H→bb) που διέφευγε από τους πειραματιστές καλύπτει το 60% των διασπάσεων του μποζονίου Higgs και επομένως είναι η κυρίως υπεύθυνη για το φυσικό πλάτος του Higgs. Ωστόσο, πέρασαν πάνω από 6 χρόνια από την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs το 2012, για να πραγματοποιηθεί αυτή η παρατήρηση.

Candidate event display for the production of a Higgs boson decaying to two b-quarks. A 2-tag, 2-jet, 0-lepton event within the signal-like portion of the high pTV and high BDTVH output (Run 339500, Event 694513952) is shown. The ETMiss, shown as a white dashed line, has a magnitude of 479.1 GeV. The two central high-pT b-tagged jets are represented by light blue cones. They contain the green and yellow bars corresponding to the energy deposition in the electromagnetic and hadronic calorimeters respectively. The dijet invariant mass of 128.1 GeV. (Image: ATLAS Collaboration/CERN)

Πρόκειται για άλλη μια επιβεβαίωση του Καθιερωμένου Προτύπου των στοιχειωδών σωματιδίων και τεράστιο επίτευγμα των ερευνητών που πραγματοποίησαν την συλλογή και την ανάλυση των δεδομένων στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC).

Οι συγκρούσεις των πρωτονίων στον LHC παράγουν άφθονα ζεύγη από b κουάρκ, κάνοντας πολύ δύσκολη την ανίχνευση των ζευγών που προέρχονται από την διάσπαση του μποζονίου Higgs.

Κατανομή μάζας του ζεύγους κουάρκ πυθμένων από όλα τα κανάλια αναζήτησης μετά την αφαίρεση όλων των γεγονότων υποβάθρου, εξαιρουμένων των WZ και ZZ. Τα δεδομένα (τα σημεία με τα σφάλματα) συγκρίνονται με τα δεδομένα από την παραγωγή των WZ και ZZ (γκρι) και των WH και ZH (με κόκκινο) https://arxiv.org/abs/1808.08238

Η ανάλυση επικεντρώθηκε στις υπογραφές παραγωγής μποζονίου Higgs, σε συνδυασμό με ένα διανυσματικό μποζόνιο, αυξάνοντας έτσι την καθαρότητα του σήματος. Έτσι, αναζητήθηκαν μποζόνια Higgs τα οποία παράχθηκαν διαμέσου ενός διανυσματικού μποζονίου W ή Z, όταν το τελευταίο διασπάται σε ένα ζεύγος λεπτονίων. Αυτή η τεχνική αποδείχθηκε εξαιρετικά επιτυχημένη. Με την εν λόγω ανίχνευση επιβεβαιώνεται ξανά η αποκαλούμενη «σύζευξη Yukawa». Παρόμοια με τον μηχανισμό Higgs, αυτές οι συζεύξεις με το πεδίο Higgs δίνουν μάζα σε φορτισμένα φερμιόνια (κουάρκ και λεπτόνια), τα οποία αποτελούν τα δομικά στοιχεία της ύλης.

Πηγές: http://atlas.cern/updates/press-statement/observation-higgs-boson-decay-pair-bottom-quarks - https://physicsgg.me/2018/08/29/παρατηρήθηκε-η-διάσπαση-του-μποζονίο/

Ανακαλύφθηκε νέο είδος ιππόκαμπου. New Species of Pygmy Seahorse Discovered

Το νεοανακαλυφθέν είδος, που ονομάστηκε Hippocampus japapigu, έχει διαστάσεις μεταξύ 1.4 έως 1.6 εκατοστά. An international team of marine biologists has discovered a new species of the seahorse genus Hippocampus in the waters off southeast Japan. Hippocampus japapigu, Hachijo-jima Island, Izu Islands, Japan from 33 feet (10 m) depth. Image credit: Richard Smith

Ένα νέο είδος θαλάσσιου ιππόκαμπου ανακάλυψαν επιστήμονες στη θάλασσα της νοτιοανατολικής Ιαπωνίας.

Οι ιππόκαμποι είναι μικρά ψάρια της οικογένειας Syngnathidae, η οποία περιλαμβάνει επίσης τα σωληνόψαρα και οι θαλάσσιοι δράκοι ή πήγασοι.

Οι ιππόκαμποι οφείλουν το όνομά τους στο σχήμα του κεφαλιού τους, που μοιάζει πολύ με το κρανίο του αλόγου. Ζουν σε ρηχά τροπικά και εύκρατα νερά και σε αντίθεση με τα περισσότερα άλλα ψάρια, είναι μονογαμικά όντα.

Οι πυγμαίοι ιππόκαμποι είναι υπολειμματικοί σε μέγεθος (1.36-2.6 εκατοστά) και μορφολογικά είναι διακριτοί από τους πιο πολυάριθμους και μεγαλύτερους ιππόκαμπους (2.4-35 εκατ.).

Hippocampus japapigu, Hachijo-jima Island, Izu Islands, Japan at 49 feet (15 m) depth. Image credit: Richard Smith

Το νεοανακαλυφθέν είδος, που ονομάστηκε Hippocampus japapigu, έχει διαστάσεις μεταξύ 1.4 έως 1.6 εκατοστά και εντοπίστηκε από την ομάδα του Δρ Γκράχαμ Σορτ της Ακαδημίας Επιστημών της Καλιφόρνια με τη συνδρομή ειδικών από την Ομάδα Pipefish Stickleback Specialist Group, το Μουσείο του Πανεπιστημίου Καγκοσίμα και το Ινστιτούτο Αλιείας Port Stephens.

«Ο ιππόκαμπος japapigu περιγράφεται με βάση τρία δείγματα που συλλέχθηκαν από ένα μικτό μαλακό κοραλλιογενές και αλυσοειδές ύφαλο σε βάθος 11 μέτρων στο νησί Hachijo-jima της Ιαπωνίας», εξηγούν οι ερευνητές.

Ο ιππόκαμπος japapigu εμφανίζεται σε ολόκληρη την υπο-τροπική νοτιοανατολική Ιαπωνία και αποτελεί το πέμπτο είδος πυγμαίων ιππόκαμπων που καταγράφεται στα ύδατα της χώρας, σύμφωνα με την επιστημονική ομάδα.

Η αναλυτική περιγραφή του νέου θαλασσιού είδους περιλαμβάνεται στο τρέχον ηλεκτρονικό τεύχος του επιστημονικού περιοδικού ZooKeys.

Πηγές: https://zookeys.pensoft.net/articles.php?id=24799 - http://www.in.gr/2018/08/27/tech/anakalyfthike-neo-eidos-ippokampou/

Ο Jim Al-Khalili και ο περίεργος κόσμος της κβαντικής βιολογίας. Jim Al-Khalili and the extremely strange world of quantum biology

Πώς ένας κοκκινολαίμης γνωρίζει να πετάξει νότια; Η απάντηση μπορεί να είναι πιο περίεργη από ό, τι νομίζετε: Η Κβαντική Φυσική μπορεί να εμπλέκεται. Ο Τζιμ Αλ-Καλίλι συλλέγει τον εξαιρετικά καινούριο, εξαιρετικά παράξενο κόσμο της Κβαντικής Βιολογίας, κάτι που ο Αϊνστάιν κάποτε αποκάλεσε «αλλόκοτη δράση από απόσταση» βοηθά την πλοήγηση των πτηνών, και τα κβαντικά φαινόμενα ίσως εξηγούν την καταγωγή της ίδιας της ζωής. It allows particles to be in two places at once, pass through impenetrable barriers or maintain spooky connections with other particles – but can quantum physics really govern biology? One of the most intriguing candidates for quantum biology is bird navigation. Many birds and other animals are known to navigate around the globe during their annual migrations by detecting the earth’s magnetic field: they have a built-in compass. But how it works is a mystery – the earth’s magnetic field is very weak; so weak that it’s difficult to see how it could be detected inside an animal’s body. Further puzzles emerged in studies with the European robin, which demonstrated that its compass is light-dependent, and that, unlike a conventional compass, it detects the angle of magnetic field lines relative to the Earth’s surface, rather than its orientation. No one had any idea why a compass should be light-dependent or how such a compass could detect the angle of the Earth’s magnetic field.

Ουρές σχηματίστηκαν έξω απ’ το αμφιθέατρο της Τεχνόπολης (στα πλαίσια του Athens Science Festival) για να παρακολουθήσουν τη διάλεξη του Jim Al-Khalili με τίτλο: «Είναι η ζωή κβαντομηχανική; Η αναδυόμενη επιστήμη της κβαντικής βιολογίας». 

Κρίνοντας από τα προηγούμενα βιβλία του, που επιτρέπουν ακόμα και όσους θεωρούν τους εαυτούς τους επιστημονικά αναλφάβητους να κατανοήσουν έννοιες όπως οι μαύρες τρύπες και ο κυματοσωματιδιακός δυϊσμός, ελάχιστοι συγγραφείς είναι πιο κατάλληλοι από τον Αλ-Καλίλι για να περιγράψουν τον κόσμο του μέλλοντος. Ως καθηγητής κβαντικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Σάρεϊ, είναι απόλυτα εξοικειωμένος με τις θεωρίες, την ορολογία και τις τελευταίες εξελίξεις στον χώρο των θετικών επιστημών. Επιπλέον, έχει επανειλημμένως βραβευθεί για το έργο του στην εκλαΐκευση της εξειδικευμένης γνώσης, γνωρίζει όλα τα «τρικ» για τη συγγραφή επιτυχημένων ιστοριών, ενώ τις παρομοιώσεις του θα ζήλευαν και οι πιο ταλαντούχοι μυθιστοριογράφοι. Πάντοτε μετριοπαθής, ο ίδιος υποστηρίζει ότι οι περισσότεροι ευφάνταστοι παραλληλισμοί στη «Ζωή στην κόψη», ανήκουν στον συνεργάτη του και καθηγητή μοριακής γενετικής Johnjoe McFadden. 30 years’ experience in nuclear reaction theory and few-body quantum scattering methods to study nuclear structure, particularly as applied to the study of exotic nuclei. Pioneered the application of few-body methods in nuclear reactions, in particular stripping and knockout reactions at fragmentation energies. Nuclear physics research has spanned a wide range of phenomena from low energy astrophysics and decay studies to hadron physics and meson production. Current interest is in open quantum systems and in particular quantum mechanisms in molecular biology. Recent papers include modelling proton tunnelling processes in DNA and the effects of environmental de-phasing and the quantum measurement problem. Also has a number of papers, review articles and books on the history of science. Jim Al-Khalili in his laboratory at the University of Surrey (Susannah Ireland)

Ο Jim Al-Khalili είναι καθηγητής Κβαντικής Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Surrey, διευθυντής του Τμήματος Επικοινωνίας και Διάδοσης Επιστημονικών Θεμάτων προς το ευρύ κοινό, παρουσιαστής εκπομπών στο BBC καθώς και ένας από πιο διάσημους συγγραφείς εκλαϊκευμένης επιστήμης στον κόσμο του οποίου τα βιβλία έχουν μεταφραστεί σε 22 γλώσσες ανά τον κόσμο.

Jim Al-Khalili, «Ζωή στην κόψη – Η μυστηριώδης Κβαντική Βιολογία», Τραυλός

Στην Ελλάδα τα βιβλία του κυκλοφορούν από τις Εκδόσεις Τραυλός: «Σκουληκότρυπες, μαύρες τρύπες και χρονομηχανές» (2001), «Quantικά Παράδοξα» (2005), «Οι Δαίμονες της Φυσικής» (2014), καθώς και το καινούργιο του βιβλίο με τίτλο: «Ζωή στην κόψη – Η μυστηριώδης Κβαντική Βιολογία».

Η Κβαντική Βιολογία είναι ένας σχετικά καινούργιος κλάδος των θετικών επιστημών, ο οποίος όμως αντιμετωπίζεται με ιδιαίτερο σκεπτικισμό από την επιστημονική κοινότητα. Όμως τα ευρήματα των δύο τελευταίων ετών ωθούν όλο και περισσότερους επιστήμονες από τους χώρους της φυσικής, της χημείας και της βιολογίας να ασχοληθούν με αυτόν τον κλάδο. Η κβαντική μηχανική, μυστηριώδης από τη φύση της, μπορεί να περιγράψει την ανθρώπινη πραγματικότητα και να δώσει απαντήσεις σε αλλόκοτα φαινόμενα τα οποία οι άλλες επιστήμες αδυνατούν να εξηγήσουν. Ο κβαντικός κόσμος εξετάζει φαινόμενα στον μικρόκοσμο της τάξης των νανοχιλιοστών, στον οποίο ανήκουν τα μόρια και τα άτομα καθώς και το DNA. Η κλασική φυσική δεν μπορεί να δώσει απαντήσεις σε υποατομικό επίπεδο, συνεπώς η κβαντική μηχανική, που χρονολογείται απ’ το 1920, μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε τα δομικά στοιχεία του έμβιου κόσμου μας, καθώς τις βαθύτερες δομές της ύλης στο σύμπαν.

Οι επιστήμονες από το χώρο της φυσικής χρησιμοποιούν την κβαντική μηχανική για να εξηγήσουν θεωρίες όπως αυτή της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν. Κατασκεύασαν τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC – Large Hadron Collider) με τον οποίο, πράγματι, κατάφεραν να ανιχνεύσουν το μποζόνιο του Higgs, το θεμελιώδες σωματίδιο που δίνει μάζα στην ύλη και το επόμενο βήμα είναι να ανιχνεύσουν τα υπερσυμμετρικά σωματίδια. Στην κβαντική μηχανική συμβαίνουν περίεργα, ασυνήθιστα, κόντρα στη λογική φαινόμενα, όπως αυτό που απεικονίζεται από τον σκιέρ που «διασχίζει» ένα δέντρο με πολύ φυσικό τρόπο! Αυτή η σχηματική αναπαράσταση δείχνει ότι πολλά περίεργα πράγματα μπορούν να συμβαίνουν ταυτόχρονα.

Οι χημικοί επίσης έχουν χρησιμοποιήσει την κβαντική μηχανική ώστε να κατανοήσουν τις ιδιότητες των στοιχείων του περιοδικού πίνακα. Η ίδια η δομή, η ταξινόμηση των στοιχείων στον περιοδικό πίνακα βασίζεται στην κβαντική μηχανική. Οι βιολόγοι πάλι αντιμετωπίζουν με σκεπτικισμό την κβαντική μηχανική. Όμως εφόσον η κβαντική μηχανική εξηγεί φαινόμενα της οργανικής χημείας και η οργανική χημεία εξηγεί φαινόμενα της μοριακής βιολογίας (κυτταρική βιολογία, γενετική, γονιδιωματική), αναγωγικά προκύπτει πως η κβαντική μηχανική είναι θεμελιώδης στη βιολογία δίνοντας απαντήσεις για τη συμπεριφορά των μορίων του έμβιου κόσμου (ζωή) όπως το υδρογόνο, το οξυγόνο, ο άνθρακας και το νάτριο.

Η Κβαντική Βιολογία όμως είναι κάτι διαφορετικό. Δεν λέει ότι «πρέπει να περιγράψουμε τη ζωή επειδή όλα είναι φτιαγμένα από άτομα και τα άτομα είναι αντικείμενα της κβαντομηχανικής». Λέει κάτι διαφορετικό. Περί το 1940, ο Αυστριακός φυσικός Έρβιν Σρέντινγκερ (Erwin Schrödinger) έγραψε το περίφημο βιβλίο «Τι είναι η ζωή;» [«Τι είναι η ζωή; Πνεύμα και ύλη – Αυτοβιογραφικά σκαριφήματα, Εκδόσεις Τραυλός, 1995] βασισμένο σε μια σειρά διαλέξεων.

German physicist Pascual Jordan in the 1920s

Ήταν ο πρώτος που διατύπωσε το ερώτημα: «Πόσο σημαντική είναι η Κβαντική Μηχανική στη ζωή;» Εννοούσε όμως όχι τη «συμβατική» συνεισφορά της κβαντομηχανικής στο υποατομικό επίπεδο, αλλά τα περίεργα φαινόμενα που αναπαρίστανται στην απεικόνιση με τον σκιέρ. Μήπως, μάλιστα, οτιδήποτε σημαντικό στη ζωή, οφείλεται ακριβώς στην κβαντική μηχανική; Τι είναι αυτό που δίνει ζωή σε ένα αντικείμενο; Όμως παρότι αυτοί οι προβληματισμοί οδηγούσαν στη γέννηση της Κβαντικής Βιολογίας, εγκαταλείφθηκαν μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο πόλεμο. Εκείνη την εποχή η πυρηνική φυσική καθώς και η μοριακή βιολογία έκαναν άλματα χωρίς την κβαντική μηχανική, συνεπώς δεν υπήρχε η ανάγκη για έναν νέο επιστημονικό κλάδο. Σημαντική ήταν επίσης και η συνεισφορά του Pascual Jordan ο οποίος ασχολήθηκε με το ερώτημα: «είναι η κβαντομηχανική απαραίτητη για την εξήγηση της ζωής;» Ιδεολογικά ήταν ένθερμος υποστηρικτής των ναζί και ένας από τους λόγους που εγκαταλείφθηκε τότε η Κβαντική Βιολογία για δεκαετίες ήταν ο συσχετισμός του Pascual Jordan με το ναζιστικό κόμμα.

Ο Philip Ball, καλεσμένος του θεωρητικού φυσικού Jim Al-Khalili, μας εξηγεί πως τα φαινόμενα της κβαντικής θεωρίας εκδηλώνονται σε βιολογικό επίπεδο. Ο Philip Ball με βασικό πτυχίο στη χημεία και διδακτορικό στη φυσική, είναι συγγραφέας πολλών βιβλίων και εκλαϊκευμένων επιστημονικών άρθρων σε Nature, New Scientist, New York Times, The Guardian κ.ά. What is quantum biology? Philip Ball explains how strange quantum effects take place in the messy world of biology, and how these are behind familiar biological phenomena such as smell, enzymes and bird's migration.

Το 2011, με ένα άρθρο του Philip Ball στο επιστημονικό περιοδικό Nature, άρχισε η αναγέννηση της Κβαντικής Βιολογίας.

Jim Al-Khalili and Johnjoe McFadden

Ο Jim Al-Khalili άρχισε να ασχολείται με προβλήματα της βιολογίας, που ίσως χρειάζονταν την συμβολή της κβαντικής μηχανικής, πριν από είκοσι χρόνια. Το 1997, ένας μοριακός βιολόγος, συνάδερφος του Jim Al-Khalili στο Πανεπιστήμιο Surrey, o Johnjoe McFadden, έκανε ένα σεμινάριο στο Τμήμα της Φυσικής μιλώντας για προσαρμοστικές μεταλλάξεις (adaptive mutations) προσπαθώντας να εξηγήσει γιατί ορισμένα βακτήρια ακολουθούν μια συγκεκριμένη κατεύθυνση μεταλλάξεων. Είναι σαν να μπορούν να προβλέψουν ποια μετάλλαξη θα είναι η ευνοημένη και ακολουθούν αυτήν την κατεύθυνση, ενώ στην πραγματικότητα οι μεταλλάξεις πρέπει να γίνονται τυχαία. Σε αυτό το πρόβλημα ο Johnjoe McFadden πρότεινε ότι μπορεί να υπάρχει μια κβαντομηχανική εξήγηση. Η ιδέα αυτή απορρίφθηκε ως τρελή από την πλειοψηφία των επιστημόνων, αλλά για τον Jim Al-Khalili ήταν η έναρξη μιας συνεργασίας με τον Johnjoe McFadden. Έκτοτε υπήρξε έντονη αντιπαράθεση αλλά και πειραματικά αποτελέσματα που οδηγούσαν στο συμπέρασμα ότι κάποια φαινόμενα της βιολογίας μπορούν να εξηγηθούν μόνο με την κβαντική μηχανική, μόνο με τις περίεργες ιδιότητες που αποδίδονται στα σωματίδια στην κβαντική μηχανική.

Είναι αναγκαίο λοιπόν να αναφερθούν μερικά πειραματικά αποτελέσματα καθώς και η περίεργη κβαντική εξήγησή τους. Ένα ηλεκτρόνιο είναι παγιδευμένο σε έναν περιορισμένο χώρο και παρότι κανονικά δεν πρέπει να μπορεί να διαπεράσει ένα ενεργειακό φράγμα, η σκιά του φαίνεται να διαπερνά το φράγμα, δίνοντας την εικόνα ενός σωματιδίου-φάντασμα. Στη βιολογία τα ένζυμα λειτουργούν σαν κυτταρικοί καταλύτες: έχουν την ιδιότητα να επιταχύνουν πολύπλοκες διαδικασίες. Για να δράσουν σαν καταλύτες θα πρέπει να μεταφέρουν με μεγάλη ταχύτητα στοιχειώδη σωματίδια μέσα σε ένα κύτταρο και ο μόνος τρόπος για να επιτευχθεί κάτι τέτοιο είναι μέσω κβαντικών τούνελ. Αυτή ήταν η πρώτη επιβεβαιωμένη ένδειξη ότι εκπληκτικά κβαντικά φαινόμενα συμβαίνουν εντός των κυττάρων έμβιων οργανισμών! Το αμέσως επόμενο ερώτημα που προκύπτει είναι κατά πόσο μπορούν να ανιχνευθούν κβαντικά τούνελ στο DNA και ειδικά στις μεταλλάξεις. Μπορεί λοιπόν η κβαντική μηχανική να βοηθήσει στις μεταλλάξεις και συνεπώς επέμβει στην εξέλιξη που μέχρι τώρα θεωρείται μια τυχαία διαδικασία;

Άλλο ένα παράδειγμα είναι η όσφρηση. Στη μύτη υπάρχουν υποδοχείς μορίων και ένα μόριο μπορεί να χωρέσει σε έναν τέτοιο υποδοχέα αν έχει το κατάλληλο μέγεθος και μόνο τότε στέλνει σήμα στον εγκέφαλο ότι πρόκειται για μια ορισμένη μυρωδιά (shape theory). Πρόσφατα όμως, ανακαλύφθηκε ότι μόρια διαφορετικού μεγέθους έχουν διαφορετική μυρωδιά. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί με μια νέα θεωρία που εξετάζει τη συχνότητα δόνησης των συγκεκριμένων μορίων και η συχνότητα των δονήσεων είναι μέρος της κβαντικής μηχανικής, συνεπώς η κβαντική μηχανική μπορεί τελικά να εξηγήσει τον μηχανισμό της όσφρησης.

Άλλο ένα παράδειγμα είναι ο σκιέρ και η φωτοσύνθεση! Η απεικόνιση μας δείχνει ότι ο σκιέρ είναι καλά παρότι έχει διασχίσει ένα δέντρο και το δέντρο φυσικά βρίσκεται στη θέση του, δηλαδή περίεργα φαινόμενα συμβαίνουν ταυτόχρονα. Στην πυρηνική φυσική ο πυρήνας του μόλυβδου 186 βρίσκεται ταυτόχρονα σε τρία διαφορετικά σχήματα: σφαιρικό, πεπλατυσμένο και ωοειδές. Στην κβαντική μηχανική αυτό το φαινόμενο εξηγείται με την αρχή της υπέρθεσης. Η αρχή της υπέρθεσης έχει εφαρμογή στη φωτοσύνθεση. Κατά τη φωτοσύνθεση όταν ένα φωτόνιο προσκρούει σε ένα μόριο χλωροφύλλης θα πρέπει να μετασχηματίσει τη φωτεινή ενέργεια σε χημική για τη δημιουργία βιομάζας. Η συμπεριφορά του φωτονίου είναι όμοια με τη συμπεριφορά του σκιέρ. Δείχνει να ακολουθεί όλες τις δυνατές διαδρομές μέχρι να φτάσει στο μόριο της χλωροφύλλης.

Ενήλικος κοκκινολαίμης. European Robin (Erithacus rubecula). “It appears that robins, and probably other birds and animals, use Einstein’s spooky action to navigate around the globe every year.”

Το τελευταίο και πιο τρελό παράδειγμα είναι η μυστηριώδης αίσθηση πλοήγησης του ευρωπαϊκού κοκκινολαίμη. Έχει εντός του μια χημική πυξίδα που του επιτρέπει να ανιχνεύει το μαγνητικό πεδίο της γης και συνεπώς μπορεί να ακολουθήσει μια συγκεκριμένη διαδρομή αποδημίας. Αυτή η ικανότητα είναι γνωστή ως μαγνητοαντίληψη. Το μαγνητικό πεδίο της γης είναι ασθενές για την αντιληπτική ικανότητα του κοκκινολαίμη και δεν μπορεί να επηρεάσει τις χημικές αντιδράσεις στο σώμα του πτηνού. Η μοναδική θεωρία που δείχνει να μπορεί να εξηγήσει τη μαγνητοαντίληψη χρησιμοποιεί της αρχές της κβαντομηχανικής και συγκεκριμένα την κβαντική διεμπλοκή: Δύο απομακρυσμένα ωστόσο διεμπλεκόμενα σωματίδια λέγεται ότι είναι μη τοπικά συνδεδεμένα επειδή αποτελούν μέρη της ίδιας κβαντικής κατάστασης, ή αλλιώς, σωματίδια τα οποία βρίσκονταν αρχικά κοντά αλλά αργότερα βρέθηκαν στα δύο άκρα του σύμπαντος μπορούν, τουλάχιστον θεωρητικά, να παραμείνουν συνδεδεμένα. Γνωρίζουμε ότι η χημική πυξίδα του πτηνού πυροδοτείται από το φως. Στον αμφιβληστροειδής του πτηνού υπάρχει ένα μόριο με δύο ηλεκτρόνια. Τα δύο αυτά ηλεκτρόνια είναι πολύ ευαίσθητα στο μαγνητικό πεδίο της γης ακριβώς επειδή είναι διεμπλεκόμενα. Μόνο αν είναι διεμπλεκόμενα μπορούν να είναι ευαίσθητα στο μαγνητικό πεδίο της γης και να μπορέσουν έτσι να λειτουργήσουν τη χημική πυξίδα του πτηνού κατά την αποδημία. Δεν είναι σίγουρο ότι αυτή είναι η εξήγηση, αλλά είναι η μόνη εξήγηση που έχουμε προς το παρόν.

Από τα παραπάνω παραδείγματα προκύπτει ότι ορισμένα βιολογικά φαινόμενα μπορούν να εξηγηθούν μόνο με την κβαντική μηχανική. Η Κβαντική Βιολογία είναι ένας σχετικά καινούργιος κλάδος γι’ αυτό και υπάρχει αρκετός σκεπτικισμός. Οι βιολόγοι λένε ότι η κβαντική μηχανική είναι τρέλα. Οι φυσικοί προφανώς την υπερασπίζονται σαν θεωρία και οι χημικοί βρίσκονται κάπου στη μέση. Όμως η προσωπική εκτίμηση του Jim Al-Khalili υπερασπίζεται ένθερμα την Κβαντική Βιολογία. Οι κανόνες της Κβαντικής Βιολογίας είναι τέτοιοι που μπορούν να εξηγήσουν φαινόμενα που έως τώρα ήταν αδιανόητο να εξηγηθούν. Αν η ζωή μπορούσε να χρησιμοποιήσει κανόνες της κβαντικής μηχανικής προς όφελός της, είναι βέβαιο ότι σε τόσα χρόνια εξέλιξης θα τους χρησιμοποιούσε. Όπως επίσης είναι βέβαιο ότι η Κβαντική Βιολογία είναι ένας καινούργιος επιστημονικός κλάδος με πάρα πολλά ερευνητικά πεδία που προσελκύουν όλο και περισσότερους επιστήμονες και ερευνητές. Οι Jim Al-Khalili & Johnjoe McFadden είναι οι πρώτοι που τόλμησαν να γράψουν ένα βιβλίο για τις «τρελές» θεωρίες της Κβαντικής Βιολογίας που ίσως τελικά να μπορέσουν να εξηγήσουν τα μυστήρια της ζωής!

Πηγές: Ο Jim Al-Khalili και ο περίεργος κόσμος της κβαντικής βιολογίας - https://www.labnews.co.uk/features/quantum-weirdness-powering-biology-05-11-2015/ - http://www.jimal-khalili.com/books/

Βύρων Λεοντάρης, «Έλεος δεν έχει τούτο το φεγγάρι»

John Atkinson Grimshaw, Southwark Bridge By Moonlight, 1882

«Έλεος δεν έχει τούτο το φεγγάρι

απλώνει απλώνει αδιάκοπα στο δέρμα του καλοκαιριού

πήζει τον ουρανό πήζει τον άνεμο

κερώνει την καρδιά και τις χαραματιές της θύμησης

και τα σκιαγμένα πρόσωπα ψηλά στις πολεμίστρες….

Πεσμένοι πάνω στα καμένα βράχια με το θρυμματισμένο

πρόσωπο της ανταρσίας αναστραμμένο στο αύριο

μ’ ένα τραγούδι αλλουλούδιστο στα μάτια μας

με τα κεραυνωμένα χέρια σωριαστά

κι απ’ τα χαλαρωμένα δάχτυλα φευγάτα όλα τα ελάφια

πόσες φορές θα σκοτωθούμε ακόμα;

Το αίμα στο αίμα πάνω πέτρωσε δεν δίνει πια χρησμό

άδειος εδιάβηκε ο καιρός χωρίς κανένα θάμα…

πεσμένοι πάνω στα καμένα βράχια

πόσες φορές θα σκοτωθούμε ακόμα

ρωτώντας πάντα αμετανόητα ρωτώντας πού τραβάει

αυτός ο δρόμος πού περνάει

ανάμεσα σε σκοτωμένους και φονιάδες.»

André Masson, The Moon, 1942

Από τη συλλογή «Ψυχοστασία», Ύψιλον/Βιβλία