Πώς η πρόσκρουση που εξόντωσε τους δεινόσαυρους γέννησε τον Αμαζόνιο. How the Giant Asteroid That Wiped Out the Dinosaurs Gave Rise to Modern Rainforests

O αστεροειδής ή κομήτης που έπεσε στην χερσόνησο Γιουκατάν του Μεξικού οδήγησε στην εξαφάνιση τα δύο τρίτα των φυτών και των ζώων όλου του πλανήτη. Κι όμως, αυτό το δραματικό συμβάν φαίνεται ότι γέννησε το μεγαλύτερο τροπικό δάσος του κόσμου. About 66 million years ago, a huge asteroid crashed into what is now the Yucatan, plunging the Earth into darkness. The impact transformed tropical rainforests, giving rise to the reign of flowers.

Πριν από την πρόσκρουση, τα δάση της Κεντρικής και Νότιας Αμερικής κυριαρχούνταν από γυμνόσπερμα φυτά, αποκαλύπτει μελέτη που δημοσιεύεται στο Science.

From forests filled with ferns to forests filled with flowers: Plants began to produce attractive flowers containing sugary rewards for insects who carry pollen grains (basically the male sperm of the plants) to other flowers, helping plants reproduce. This strategy was so successful that flowering plants took over tropical forests, and the world. Credit: Hace Tiempo. Un viaje paleontologico ilustrado por Colombia. Instituto Alexander von Humboldt e Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales. Banco de Imágenes (BIA), Instituto Alexander von Humboldt.

Περίπου δέκα εκατομμύρια χρόνια μετά το καταστροφικό συμβάν, τα γυμνόσπερμα είχαν δώσει τη θέση τους σε αγγειόσπερμα και τα δάση της περιοχής είχαν ήδη πάρει τη μορφή της ζούγκλας που γνωρίζουμε σήμερα, αναφέρουν ερευνητές του Ινστιτούτου Τροπικής Έρευνας του ιδρύματος Smithsonian.

Γυμνόσπερμα είναι τα φυτά που δεν παράγουν πραγματικά άνθη, σε αντίθεση με τα λεγόμενα αγγειόσπερμα φυτά, τα οποία εμφανίστηκαν περίπου 60 εκατομμύρια χρόνια πριν το τέλος της εποχής των δεινοσαύρων.

125 to 100 million years ago, during the reign of the dinosaurs, much of what is now Colombia was covered in forests dominated by conifers and ferns. Credit: Hace Tiempo. Un viaje paleontologico ilustrado por Colombia. Instituto Alexander von Humboldt e Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales. Banco de Imágenes (BIA), Instituto Alexander von Humboldt.

Οι φτέρες ήταν σημαντικό μέρος της δασικής χλωρίδας πριν από το χτύπημα, έδειξε η μελέτη. Τα μεγαλύτερα δέντρα ήταν κωνοφόρα, μεταξύ άλλων συγγενείς της αροκάριας, τα οποία όμως είχαν μικρή πυκνότητα και άφηναν μεγάλα ξέφωτα ανάμεσά τους.

Fossils of leaves (shown) and pollen from across Colombia reveal how the tropical rainforests shifted due to the extinction event at the end of the Cretaceous. Before the event, the forests were a sunny, open-canopied mix of conifers, ferns and flowering trees (examples in the bottom half of this image). After the event, the forests were dominated by flowering trees, and developed a thick, heavy, light-blocking canopy (examples in the top half of this image). CARVALHO ET AL/SCIENCE 2021

«Η ομάδα μας εξέτασε πάνω από 50.000 απολιθώματα γυρεόκοκκων και πάνω από 6.000 απολιθώματα φύλλων πριν και μετά την πρόσκρουση» λέει η δρ Μόνικα Καλβάλο, επικεφαλής της μελέτης.

After the asteroid impact in Mexico, almost half of the plants existing before the impact became extinct. After the impact, flowering plants came to dominate modern tropical forests.. Credit: Hace Tiempo. Un viaje paleontologico ilustrado por Colombia. Instituto Alexander von Humboldt e Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales. Banco de Imágenes (BIA), Instituto Alexander von Humboldt.

H ανάλυση έδειξε ότι η πρόσκρουση στο Τσιξουλούμπ του σημερινού Μεξικού εξαφάνισε το 45% των διαφορετικών ειδών της χλωρίδας στην περιοχή που σήμερα ονομάζουμε Βενεζουέλα.

Χρειάστηκαν περίπου 10 εκατομμύρια χρόνια για να ανακάμψει η φυτική βιοποικιλότητα της Κεντρικής και Νότιας Αμερικής, λένε οι ερευνητές.

Modern Bogotá is an Andean city at almost 3000m (9000 feet) above sea level. But in the Paleocene (the 10-million-year period following the asteroid impact) it was covered by tropical forest. Insect damage on fossil leaves collected near Bogotá tells researchers that after the impact, insects that picky eaters (insects that only ate a certain species) became less common, replaced by insects with more broad taste that could eat many different plants. Credit: Hace Tiempo. Un viaje paleontologico ilustrado por Colombia. Instituto Alexander von Humboldt e Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales. Banco de Imágenes (BIA), Instituto Alexander von Humboldt.

Τη θέση των κωνωφόρων είχαν πάρει πυκνόφυτα αγγειόσπερμα δέντρα που άφηναν ελάχιστο φως να φτάσει στο επίπεδο του εδάφους, όπως εξάλλου συμβαίνει και σήμερα στα τροπικά υγρά δάση. Τα φυτά της οικογένειας του φασολιού, τα κυαμοειδή, ήταν ανύπαρκτα πριν από την πρόσκρουση, όμως μερικά εκατομμύρια χρόνια αργότερα είχαν γίνει η κυρίαρχη οικογένεια της περιοχής, όπως ισχύει σήμερα στα περισσότερα σύγχρονα υγρά τροπικά δάση.

Τα κυαμοειδή άλλαξαν ριζικά το δάσος και τον κύκλο του αζώτου, καθώς στις ρίζες τους φιλοξενούν βακτήρια που απορροφούν άζωτο από τον αέρα και τον μετατρέπουν σε ενώσεις που μπορούν να χρησιμοποιηθεί από τα φυτά.

From 66 to 100 million years ago, flowering plants began to diversify in sea level swamps and lowland forests, where the Andes mountains are today. Credit: Hace Tiempo. Un viaje paleontologico ilustrado por Colombia. Instituto Alexander von Humboldt e Instituto Smithsonian de Investigaciones Tropicales. Banco de Imágenes (BIA), Instituto Alexander von Humboldt.

Δεδομένου ότι όλα τα φυτά διαπνέουν, δηλαδή απελεθερώνουν υδρατμούς, η νέα, πυκνή βλάστηση της περιοχής αύξησε και την υγρασία του αέρα. Σήμερα, το δάσος του Αμαζονίου παράγει αρκετό υδρατμό για να προκαλεί βροχές και να κάνει το κλίμα πολύ πιο υγρό από ό,τι θα ήταν αν δεν υπήρχε πυκνή βλάστηση.

Fossil leaves from the collection used for this study. Heavily insect-fed spurge leaves from the 58-60 Myr-old Neotropical rainforests of the Bogotá Formation in Colombia. Today, the spurge family is one of the most abundant and diverse in lowland tropical rainforests. Credit: from Monica Carvalho.

Η δραστική αλλαγή της σύστασης του δάσους έφερε βέβαια μεγάλες αλλαγές και για τα ζώα, όπως μαρτυρούν οι μικροσκοπικές δαγκωματιές που παρατήρησαν οι ερευνητές στα απολιθώματα φύλλων.

«Πριν από την πρόσκρουση, διαφορετικά είδη φυτών έφεραν και διαφορετικά είδη βλαβών», καθώς κάθε έντομο ή άλλο ασπόνδυλο ειδικευόταν στην κατανάλωση συγκεκριμένων ειδών, εξηγεί η Καλβάλο. «Μετά την πρόσκρουση, βρήκαμε τα ίδια είδη βλαβών σε όλα τα φυτά», κάτι που σημαίνει ότι τα φυτοφάγα ζώα είχαν διευρύνει το διαιτολόγιό τους.

Το μεγάλο ερώτημα που προκύπτει από τη μελέτη είναι ο μηχανισμός μέσω του οποίου η πρόσκρουση του Τσιξουλούμπ άλλαξε τόσο δραματικά το οικοσύστημα.

Οι ερευνητές προτείνουν τρεις θεωρίες που δείχνουν εξίσου πιθανές:

Short zoom interview clip with first author and post-doctoral fellow at the Smithsonian Tropical Research Institute and the Universidad del Rosario in Colombia. She answers the question: What was the most exciting part of the project for you? Credit: Ana Endara, STRI

Μια πρώτη ιδέα είναι ότι οι ογκώδεις φυτοφάγοι δεινόσαυροι πατούσαν και βοσκούσαν τα φυτά και εμπόδιζαν έτσι την ανάπτυξη δασών, όπως κάνουν και σήμερα οι ελέφαντες της αφρικανικής σαβάνας.

Μια δεύτερη εξήγηση είναι ότι τα σύννεφα σκόνης που εκτινάχθηκαν στο αέρα κατά την πρόσκρουση εμπλούτισαν το έδαφος των τροπικών σε θρεπτικά συστατικά, ενθαρρύνοντας έτσι την εξάπλωση των ταχέως αναπτυσσόμενων αγγειόσπερμων φυτών.

Και μια τρίτη θεωρία θέλει την επιλεκτική εξαφάνιση των κωνοφόρων να άφησε ελεύθερο το πεδίο για την κυριαρχία των ανθοφόρων φυτών.

Animation based on the @ScienceMagazine publication: Carvalho M.R., Jaramillo C., de la Parra F., Caballero-Rodríguez D., Herrera F., Wing S., Turner B.L., D’Apolito C., Romero-Báez M., Narváez P., Martínez C., Gutierrez M., Labandeira C., Bayona G., Rueda M., Paez-Reyes M., Cardenas D., Duque A., Crowley J.L., Santos C., Silvestro D. 2021. Extinction at the end-Cretaceous and the origin of modern Neotropical rainforests. Science. DOI: 10.1126/science.abf1969. DIRECTED BY: Mónica Carvalho

Οι ερευνητές τονίζουν ότι οι τρεις θεωρίες δεν είναι αλληλοαποκλειόμενες και δεν αποκλείεται να έδρασαν από κοινού.

Medellín, Colombia, trace back to the extinction event at the end of the Cretaceous Epoch, 66 million years ago. CHRISTIAN DAVID GARCIA/EYEEM/GETTY IMAGES

Όποια κι αν είναι η εξήγηση, το συμπέρασμα είναι ένα: χωρίς το καταστροφικό συμβάν που εξόντωσε τους δεινόσαυρος, ο Αμαζόνιος όπως τον γνωρίζουμε πιθανότατα δεν θα υπήρχε.

Πηγές: “Extinction at the end-Cretaceous and the origin of modern Neotropical rainforests” by Mónica R. Carvalho, Carlos Jaramillo, Felipe de la Parra, Dayenari Caballero-Rodríguez, Fabiany Herrera, Scott Wing, Benjamin L. Turner, Carlos D’Apolito, Millerlandy Romero-Báez, Paula Narváez, Camila Martínez, Mauricio Gutierrez, Conrad Labandeira, German Bayona, Milton Rueda, Manuel Paez-Reyes, Dairon Cárdenas, Álvaro Duque, James L. Crowley, Carlos Santos and Daniele Silvestro, 2 April 2021, Science. DOI: 10.1126/science.abf1969 - https://scitechdaily.com/how-the-giant-asteroid-that-wiped-out-the-dinosaurs-gave-rise-to-modern-rainforests/ - https://www.smithsonianmag.com/science-nature/how-dinosaur-killing-asteroid-spurred-evolution-modern-rainforest-180977390/ - https://www.in.gr/2021/04/05/b-science/episthmes/pos-proskrousi-pou-eksontose-tous-deinosayrous-gennise-ton-amazonio/

 

 

 

Οι αρχέγονες δομές του νεογέννητου σύμπαντος. The very first structures in the Universe

Οι αστροφυσικοί προσομοιώνουν το αρχέγονο σύμπαν. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης δείχνουν την ανάπτυξη μικροσκοπικών, εξαιρετικά πυκνών δομών αμέσως μετά την εκθετική διαστολή του νεογέννητου σύμπαντος (η φάση αυτή ονομάζεται πληθωρισμός). Μεταξύ της αρχικής και τελικής κατάστασης της προσομοίωσης (πάνω αριστερά και δεξιά αντίστοιχα), η περιοχή που εμφανίζεται έχει διασταλεί δέκα εκατομμύρια φορές από τον αρχικό της όγκο, αλλά εξακολουθεί να είναι κατά πολύ μικρότερη από το μέγεθος ενός πρωτονίου. Το μεγεθυμένο σύμπλεγμα κάτω αριστερά που προέκυψε περίπου 10^-24 δευτερόλεπτα μετά την Μεγάλη Έκρηξη, αντιστοιχεί σε μάζα περίπου 20 κιλών και ακτίνα της τάξης των 10^-20 μέτρων. The results of the simulation show the growth of tiny, extremely dense structures very soon after the inflation phase of the very early universe. Between the initial and final states in the simulation (top left and right respectively), the area shown has expanded to ten million times its initial volume, but is still many times smaller than the interior of a proton. The enlarged clump at the bottom left would have a mass of about 20kg. Photo: Jens Niemeyer, University of Göttingen

Οι πρώτες στιγμές του σύμπαντος δεν μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα, μπορούν όμως να ανακατασκευαστούν μαθηματικά. Οι φυσικοί από τα πανεπιστήμια Γκαίτινγκεν και Ώκλαντ εκτελώντας σύνθετες προσομοιώσεις σε υπολογιστές κατάφεραν να αναπαράγουν την αρχέγονη δομή του σύμπαντος. Ανακάλυψαν ότι ένα περίπλοκο δίκτυο δομών μπορεί να σχηματιστεί στο πρώτο τρισεκατομμύριο του δευτερολέπτου μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Η συμπεριφορά αυτών των δομών μιμείται την κατανομή των γαλαξιών στο σημερινό σύμπαν. Ωστόσο, σε αντίθεση με το σήμερα, αυτές οι πρώιμες δομές είναι απίστευτα μικροσκοπικές. Τυπικά συμπλέγματα αυτών των δομών έχουν μάζες λίγων γραμμαρίων και χωρούν σε όγκους πολύ μικρότερους από τα σημερινά στοιχειώδη σωματίδια. Η έρευνα πραγματοποιήθηκε από τους Benedikt Eggemeier, Jens C. Niemeyer, Richard Easther και τα αποτελέσματα της μελέτης τους δημοσιεύθηκαν  στο περιοδικό Physical Review D με τίτλο «Formation of inflaton halos after inflation».

Professor Jens Niemeyer. Photo: University of Göttingen

Οι ερευνητές κατάφεραν να προσομοιώσουν την εξέλιξη των περιοχών υψηλότερης πυκνότητας που συγκρατούνται από τη δική τους βαρύτητα. «Ο φυσικός χώρος που αντιπροσωπεύει η προσομοίωσή μας θα χωρούσε εκατομμύρια φορές σε ένα πρωτόνιο», λέει ο καθηγητής στο πανεπιστήμιο του Γκαίτινγκεν Jens Niemeyer. «Είναι πιθανώς η μεγαλύτερη προσομοίωση της μικρότερης περιοχής του σύμπαντος που έχει πραγματοποιηθεί μέχρι τώρα.» Αυτές οι προσομοιώσεις οδηγούν σε ακριβέστερες προβλέψεις για τις ιδιότητες αυτών των αρχέγονων δομών του σύμπαντος.

The first moments of the Universe can be reconstructed mathematically even though they cannot be observed directly. Physicists have greatly improved the ability of complex computer simulations to describe this moment, discovering that a complex network of structures can form in the first trillionth of a second after the Big Bang. These microscopic clumps have masses of only a few grams and fit into volumes much smaller than particles. Shown here, one of the dense clumps of inflatons that emerged during the inflation phase of the Big Bang, in the infant universe. (Image credit: Jens Niemeyer/University of Göttingen)

Αν και οι δομές που προσομοιώνονται στον υπολογιστή είναι πολύ βραχύβιες και τελικά θα «εξατμιστούν» στα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια, ίχνη αυτής της ακραίας πρώιμης φάσης μπορεί να είναι ανιχνεύσιμες σε μελλοντικά πειράματα. «Ο σχηματισμός τέτοιων δομών, καθώς και οι κινήσεις και οι αλληλεπιδράσεις τους, πρέπει να έχουν προκαλέσει έναν θόρυβο υποβάθρου βαρυτικών κυμάτων», λέει ο Benedikt Eggemeier. «Με τη βοήθεια των προσομοιώσεών μας, μπορούμε να υπολογίσουμε την ισχύ αυτού του σήματος βαρυτικών κυμάτων, το οποίο μπορεί να είναι μετρήσιμο (;) στο μέλλον.» Επίσης δεν είναι απίθανο να σχηματίζονται μικροσκοπικές μαύρες τρύπες, αν αυτές οι δομές υποστούν κατάρρευση, οι οποίες θα αποτελούν σήμερα μέρος της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης στο σύμπαν.

Πηγές: Benedikt Eggemeier, Jens C. Niemeyer, Richard Easther. Formation of inflaton halos after inflation. Physical Review D, 2021; 103 (6) DOI: 10.1103/PhysRevD.103.063525 - https://www.uni-goettingen.de/en/3240.html?id=6208 - https://physicsgg.me/2021/04/04/

 

 

Xenobot 2.0: Η πιο εξελιγμένη γενιά «ζωντανών ρομπότ» που δημιούργησαν ερευνητές. Scientists Create the Next Generation of Living Robots

Μία νέα γενιά ζωντανών ρομπότ Xenobot δημιούργησαν επιστήμονες στις ΗΠΑ. Πρόκειται για μικροσκοπικές μορφές ζωής που αυτοσυναρμολογούν ένα σώμα από απλά κύτταρα βατράχου, δεν χρειάζονται μύες για να κινηθούν και διαθέτουν δυνατότητα μνήμης. Scientists up to create the next version of Xenobots - tiny biological robots that self-assemble, carry out tasks, and can repair themselves. Now they can move faster, and record information. Using a fluorescent protein, Xenobots record exposure to blue light, by turning green, (Source: Doug Blackiston)

Αυτές οι «κολεκτίβες» κυττάρων έχουν την ικανότητα να δουλεύουν μαζί σε σμήνη και στο μέλλον θα αναλαμβάνουν διάφορες δουλειές όπως π.χ. το καθάρισμα των μικροπλαστικών ή άλλων ρύπων και σκουπιδιών από την ξηρά και τη θάλασσα.

Πέρυσι, μία ομάδα βιολόγων και ειδικών στους υπολογιστές από τα πανεπιστήμια Ταφτς και Βερμόντ είχαν δημιουργήσει τα πρώτα Xenobot 1.0, μικροσκοπικές βιολογικές μηχανές από κύτταρα βατράχου που ήταν ικανά να κινούνται, να σπρώχνουν κάποιο φορτίο και να εμφανίζουν ομαδική συμπεριφορά σε σμήνη με άλλα παρόμοια ρομπότ. Φέτος, τα νέα Xenobot 2.0 είναι βελτιωμένα, καθώς κινούνται πιο γρήγορα, είναι ικανά να πλοηγηθούν σε διαφορετικά περιβάλλοντα και μπορούν να αυτοεπιδιορθωθούν εάν παρουσιάσουν κάποια βλάβη.

Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον καθηγητή Βιολογίας Μάικλ Λέβιν του Ταφτς, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό Ρομποτικής «Science Robotics», θεωρούν ότι η συγκεκριμένη τεχνολογία έχει τρομερό μέλλον και γι' αυτό τα δύο συνεργαζόμενα αμερικανικά πανεπιστήμια μόλις δημιούργησαν το νέο Ινστιτούτο Οργανισμών Σχεδιασμένων από Υπολογιστή (ICDO), ώστε να δημιουργήσει ακόμη πιο εξελιγμένα ζωντανά ρομπότ.

Xenobots scurry about on cilia, and can work together in swarms. (Source: Doug Blackiston)

Τα Xenobot έχουν πάρει το όνομά τους από το είδος βατράχου Xenopus laevis, από τα έμβρυα του οποίου προέρχονται τα κύτταρά τους. Τα νέα ρομπότ της γενιάς 2.0 ζουν τρεις έως επτά ημέρες περισσότερο από την προηγούμενη γενιά 1.0, η οποία έφθανε έως τις επτά ημέρες. Το σχήμα τους είναι σφαιροειδές (με μικρές τριχοειδείς προεκβολές που λειτουργούν σαν «πόδια» ή «προπέλες» κίνησης) και το μέγεθός τους φθάνει το μισό χιλιοστό προς το παρόν, ενώ το σώμα τους είναι πλήρως βιοδιασπώμενο όταν «πεθαίνουν».

Προηγούμενες προσπάθειες δημιουργίας ζωντανών ρομπότ είχαν εστιάσει στον ασύρματο έλεγχο ζώων (π.χ. κατσαρίδων), κάτι όμως που εγείρει ζητήματα βιοηθικής. Τα Xenobot διαφέρουν επειδή είναι μορφές αυτοδημιούργητες μόνο από κύτταρα, δεν έχουν νευρώνες και δεν μπορούν να θεωρηθούν ζώα.

Scientists at Tufts University and the University of Vermont team up to create the next version of Xenobots – tiny biological robots that self-assemble, carry out tasks, and can repair themselves. Now they can move faster, and record information. Credit: Tufts University

Όμως, τι ακριβώς είναι; Έμβιοι οργανισμοί ή ρομπότ; Σε αυτό δεν υπάρχει σαφής απάντηση. Μάλλον, κάτι ενδιάμεσο.

Πηγές: Douglas Blackiston, Emma Lederer, Sam Kriegman, Simon Garnier, Joshua Bongard, Michael Levin. A cellular platform for the development of synthetic living machines. Science Robotics, 2021; 6 (52): eabf1571 DOI: 10.1126/scirobotics.abf1571 - https://now.tufts.edu/news-releases/scientists-create-next-generation-living-robots - https://www.insider.gr/eidiseis/kosmos/161500/xenobot-20-tin-epomeni-pio-exeligmeni-genia-zontanon-rompot-dimioyrgisan

 

 

Επιστήμονες δημιούργησαν κύτταρο που αναπτύσσεται και διαιρείται κανονικά. Scientists Create Simple Synthetic Cell That Grows and Divides Normally

Νέα ευρήματα ρίχνουν φως στους μηχανισμούς που καθορίζουν τις θεμελιώδεις διαδικασίες της ζωής. New findings shed light on mechanisms controlling the most basic processes of life. Credit: Copyright Emily Grace

Πριν από πέντε χρόνια επιστήμονες δημιούργησαν έναν μονοκύτταρο συνθετικό οργανισμό που, με μόλις 473 γονίδια, ήταν το απλούστερο γνωστό ζωντανό κύτταρο. Ωστόσο ο οργανισμός αυτός συμπεριφερόταν περίεργα όταν αναπτυσσόταν και διαιρείτο, παράγοντας κύτταρα με πολλά διαφορετικά σχήματα και μεγέθη.

Researchers have designed and synthesized a minimal bacterial genome, containing only the genes necessary for life. This material relates to a paper that appeared in the March 25, 2016, issue of Science, published by AAAS. The paper, by C.A. Hutchison III at J. Craig Venter Institute in La Jolla, Calif., and colleagues was titled, "Design and synthesis of a minimal bacterial genome." Credit: C. Bickel / Science (2016)

Επιστήμονες ήταν σε θέση να εντοπίσουν επτά γονίδια που μπορούν να προστεθούν ώστε να «δαμάσουν» αυτή την «άτακτη» φύση του κυττάρου, κάνοντάς τα να χωρίζονται τακτικά σε ομοιόμορφα κομμάτια. Το επίτευγμα αυτό, μια συνεργασία μεταξύ του J. Craig Venter Institute (JCVI), του National Institute of Standards and Technology (NIST) και του ΜΙΤ Center for Bits and Atoms, περιγράφεται στο Cell.

O εντοπισμός αυτών των γονιδίων αποτελεί σημαντικό βήμα προς την κατεύθυνση της δημιουργίας συνθετικών κυττάρων που κάνουν χρήσιμα πράγματα: Τέτοια κύτταρα θα μπορούσαν να λειτουργούν σαν μικρά εργοστάσια που παράγουν φάρμακα, τρόφιμα και καύσιμα, που εντοπίζουν ασθένειες και παράγουν φάρμακα για την αντιμετώπισή τους ενώ ζουν μέσα στο σώμα και λειτουργούν σαν μικροσκοπικοί υπολογιστές.

Ωστόσο ο σχεδιασμός και η δημιουργία ενός κυττάρου που κάνει ακριβώς αυτό που θέλεις να κάνει είναι δύσκολη υπόθεση, οπότε είναι χρήσιμο να έχει κάποιος μια λίστα των απαραίτητων τμημάτων και να ξέρει πώς ταιριάζονται μεταξύ τους.

«Θέλουμε να κατανοήσουμε τους θεμελιώδεις κανόνες σχεδιασμού της ζωής» είπε η Ελίζαμπεθ Στριχάλσκι, μία εκ των συντελεστών της μελέτης και επικεφαλής του Cellular Engineering Group του NIST. «Αν αυτό το κύτταρο μπορεί να μας βοηθά να ανακαλύπτουμε και να κατανοούμε αυτούς τους κανόνες, τότε αρχίζουμε την πορεία μας».

Παρατήρηση από μικροσκόπιο κυττάρων JCVI-syn3A καθώς αναπτύσσονται και διαιρούνται. Η γραμμή κάτω δεξιά αντιστοιχεί σε 50 μm. A time-lapse video showing cells of the synthetic organism JCVI-syn3A growing and dividing under a light microscope, from a research collaboration between the J. Craig Venter Institute, the National Institute of Standards and Technology and the Massachusetts Institute of Technology Center for Bits and Atoms. The scale bar represents 50 micrometers. Credit: E. Strychalski/NIST and J. Pelletier/MIT

Επιστήμονες στο JCVI δημιούργησαν το πρώτο κύτταρο με συνθετικό γονιδίωμα το 2010. Δεν το έφτιαξαν εξαρχής από το μηδέν, μα άρχισαν με κύτταρα από ένα απλό είδος βακτηρίου ονόματι μυκόπλασμα. Κατέστρεψαν το DNA σε αυτά τα κύτταρα και το αντικατέστησαν με DNA που ήταν σχεδιασμένο σε υπολογιστή και είχε συντεθεί σε εργαστήριο. Αυτός ήταν ο πρώτος οργανισμός στην ιστορία της ζωής στη Γη που είχε ένα εντελώς συνθετικό γονιδίωμα, και ονομάστηκε JCV1-syn1.0.

Έκτοτε προσπαθούν να αποσυνθέσουν τον οργανισμό αυτόν στα μίνιμουμ γενετικά του τμήματα, ωστόσο το κύτταρο που δημιούργησαν πέντε χρόνια πριν, το JCVI-syn3.0, ήταν πολύ «μινιμάλ». Οπότε πρόσθεσαν 19 γονίδια, μεταξύ των οποίων τα επτά που χρειάζονταν για κανονική διαίρεση κυττάρου, δημιουργώντας τη νέα παραλλαγή, JCVI-syn3A. Η παραλλαγή αυτή έχει λιγότερα από 500 γονίδια: Συγκριτικά, τα βακτήρια E.coli έχουν περίπου 4.000, ενώ ένα ανθρώπινο κύτταρο 30.000.

These are time lapse videos of the minimal cell (JCVI-syn3.0) and the wild type organism from which it was designed (JCVI-syn1.0). Magnified 1500X, this shows the growth of the bacteria over an 8-hour period. The videos show the minimal cells are larger than the organism they were designed from, and grow at about the same rate. Micrographs provided by James Pelletier (MIT Center for Bits and Atoms and Department of Physics) and Elizabeth Strychalski (National Institute of Standards and Technology). Credit: J. Craig Venter Institute

Εν τέλει, οι επιστήμονες δημιούργησαν ένα «μίνι ενυδρείο» όπου τα κύτταρα μπορούσαν να τρέφονται και να ζουν κάτω από ένα μικροσκόπιο- και το αποτέλεσμα ήταν ένα βίντεο που έδειξε τα κύτταρα να μεγαλώνουν και να διαιρούνται. Όλα αυτά τα κύτταρα ήταν γενετικά όμοια.

«Σκοπός μας είναι να γνωρίζουμε τη λειτουργία του κάθε γονιδίου, ώστε να μπορέσουμε να αναπτύξουμε ένα πλήρες μοντέλο ως προς το πώς λειτουργεί ένα κύτταρο» είπε άλλος ένας εκ των ερευνητών, ο Τζέιμς Πελετιέ. Ωστόσο ο στόχος αυτός δεν έχε επιτευχθεί ακόμα, καθώς από τα επτά γονίδια που προστέθηκαν σε αυτόν τον οργανισμό για κανονική διαίρεση, οι επιστήμονες ξέρουν μόνο τι κάνουν τα δύο από αυτά. Οι ρόλοι που παίζουν τα άλλα πέντε παραμένουν άγνωστοι.

Πηγές: J.F. Pelletier, L. Sun, K.S. Wise, N. Assad-Garcia, B.J. Karas, T.J. Deerinck, M.H. Ellisman, A. Mershin, N. Gershenfeld, R.Y. Chuang, J.I. Glass and E.A. Strychalski. Genetic requirements for cell division in a genomically minimal cell. Cell. Published online March 29, 2021. DOI: 10.1016/j.cell.2021.03.008 - https://www.nist.gov/news-events/news/2021/03/scientists-create-simple-synthetic-cell-grows-and-divides-normally - https://www.naftemporiki.gr/story/1708739/sunthetiki-zoi-epistimones-dimiourgisan-kuttaro-pou-anaptussetai-kai-diaireitai-kanonika

 

 

Οι περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες «ερωτεύονται». Spinning Black Holes Fall in Love

Νέοι υπολογισμοί που περιέχονται στην δημοσίευση με τίτλο «Spinning Black Holes Fall in Love» δείχνουν ότι οι περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες – σε αντίθεση με τις μη περιστρεφόμενες – μπορούν να παραμορφωθούν παλιρροιακά από ένα μη συμμετρικό βαρυτικό πεδίο. New calculations show that spinning black holes—unlike nonspinning ones—can be tidally deformed by a nonsymmetric gravitational field. Credit: Caltech/R. Hurt (IPAC)

Θα μπορούσε μια μαύρη τρύπα να έχει παλίρροιες; Η κοινή λογική έλεγε όχι. Αυτά τα πυκνά αντικείμενα είναι πολύ άκαμπτα για να σχηματίσουν τέτοιες επιφανειακές παραμορφώσεις. Όμως, ένας νέος θεωρητικός υπολογισμός διαπιστώνει ότι μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα μπορεί να αναπτύξει μια παλιρροιακή διόγκωση σε ένα μη αξονο-συμμετρικό βαρυτικό πεδίο.

Οι Alexandre Le Tiec και Marc Casals στην εργασία τους δείχνουν ότι αυτές οι συνθήκες θα μπορούσαν να προκύψουν κατά τη συγχώνευση μιας μαύρης τρύπας και ότι η διόγκωση επηρεάζει την περιστροφή της μαύρης τρύπας.

They are called "tidal" because they are responsible for the ocean tides on earth. Our planet is in free fall toward the moon. The portion of the ocean's water closer to the moon experiences a stronger attraction than the portion furthest away. That elongates the waters that jacket the earth into two lobes. The earth rotates under these two lobes, once every day, producing two high tides.

Η Γη αλλάζει το σχήμα της εξαιτίας των βαρυτικών δυνάμεων της Σελήνης και του Ήλιου. Μια τέτοια παλιρροιακή παραμόρφωση μπορεί να χαρακτηριστεί από τους «παλιρροιακoύς αριθμούς Love» (Τidal Love Νumbers – συντομογραφικά TLNs, από το όνομά του μαθηματικού Augustus Love). Πρόκειται για το βαρυτικό ανάλογο της ηλεκτρικής επιδεκτικότητας στην ηλεκτροδυναμική

Οι TLNs περιγράφουν διαφορετικούς τρόπους παλιρροιακής απόκρισης. Ο τετραπολικός αριθμός Love της Γης, για παράδειγμα, έχει τιμή 0,3, ενώ η ίδια παράμετρος για ένα (λιγότερο παραμορφώσιμο) άστρο νετρονίων εκτιμάται ότι είναι περίπου 0,1.

Παλαιότερη εργασία έδειξε ότι οι TLNs είναι μηδενικοί για μια μη περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα σε ένα στατικό παλιρροιακό πεδίο. Αλλά η κατάσταση είναι διαφορετική όταν το πεδίο αλλάζει με το χρόνο ή όταν η μαύρη τρύπα περιστρέφεται σε ασυμμετρικό πεδίο. Οι Le Tiec και Casals διαπίστωσαν ότι μια μαύρη τρύπα που περιστρέφεται στο 10% της μέγιστης ταχύτητας σε ένα μη συμμετρικό πεδίο θα πρέπει να έχει ένα τετραπολικό αριθμό Love 0,002. Παρά το γεγονός ότι είναι σχετικά μικρές, τέτοιες παλιρροιακές παραμορφώσεις θα μπορούσαν να επηρεάσουν τη δυναμική των συγχωνεύσεων των μαύρων οπών. Για την περίπτωση μιας μαύρης τρύπας με αστρική μάζα που κινείται σπειροειδώς γύρω από μια περιστρεφόμενη τερατώδους μάζας μαύρη τρύπα, διαπίστωσαν ότι οι παλιρροιακές παραμορφώσεις στο μεγαλύτερο αντικείμενο δημιουργούν μια ροπή που επιβραδύνει την περιστροφή της.

Πηγές: A. Le Tiec and M. Casals, “Spinning black holes fall in Love,” Phys. Rev. Lett. 126, 131102 (2021) - https://physics.aps.org/articles/v14/s38 - https://www.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters/black_holes/index.html - https://physicsgg.me/2021/03/31/

 

 

 

Η μουσική είναι εξάρτηση και τώρα γνωρίζουμε το γιατί. Neuroscientists Uncover Why the Brain Enjoys Music

Επιστήμονες με δημοσίευση τους στην επιθεώρηση «JNeurosci» υποστηρίζουν ότι εντόπισαν τον μηχανισμό που προκαλεί τα συναισθήματα ευχαρίστησης στον άνθρωπο όταν ακούει μουσική και είναι ο ίδιος με αυτόν που συνδέεται με εξαρτήσεις όπως αυτές στο αλκοόλ, στην κοκαΐνη και στο πρόχειρο φαγητό (φαγητό των fast food κλπ. Interaction between auditory and reward brain circuits underpins musical pleasure. Communication between the brain’s auditory and reward circuits is the reason why humans find music rewarding, according to new research published in JNeurosci. Julius Schmid (1854-1935), Schubertiade (1897), further details not known. Wikimedia Commons.

Ο άνθρωπος απολαμβάνει την μουσική αλλά το γεγονός ότι δεν υπάρχει κάποιο βιολογικό όφελος που να προκύπτει από αυτή την λειτουργία προκαλεί διαχρονικά πεδίο επιστημονικής έρευνας χωρίς μέχρι σήμερα να έχουν υπάρξει ικανοποιητικές απαντήσεις.

Επιστήμονες του Πανεπιστημίου McGill στον Καναδά προσπαθούν να ρίξουν φως σε αυτή την μυστηριώδη σχέση ανθρώπου και μουσικής εδώ και περίπου μια δεκαετίες. Με δημοσίευση τους στην επιθεώρηση «JNeurosci» υποστηρίζουν ότι εντόπισαν τον μηχανισμό που προκαλεί τα συναισθήματα ευχαρίστησης στον άνθρωπο όταν ακούει μουσική και είναι ο ίδιος με αυτόν που συνδέεται με εξαρτήσεις όπως αυτές στο αλκοόλ, στην κοκαΐνη και στο πρόχειρο φαγητό (φαγητό των fast food κλπ.).

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την μέθοδο της διακρανιακής μαγνητικής διέγερσης για να διαπιστώσουν τι συμβαίνει στον εγκέφαλο των ανθρώπων όταν ακούνε μουσική. Στην μελέτη πήραν μέρος άτομα 20-25 ετών στους οποίους οι ερευνητές επέλεξαν να τους βάλουν να ακούν μουσική ποπ καταγράφοντας παράλληλα την εγκεφαλική τους δραστηριότητα. Οι συμμετέχοντες άκουγαν κατά την διάρκεια της μελέτης τόσο τραγούδια που είχαν επιλέξει οι ίδιοι αλλά και τραγούδια που είχαν επιλέξει οι ερευνητές.

Greater induced pleasure differences was associated with increased synchronized activity between auditory and reward regions. Credit: Mas-Herrero et al., JNeurosci 2021

Διαπιστώθηκε πώς όταν ξεκινούσε η μουσική στον εγκέφαλο των συμμετεχόντων ενεργοποιούνταν αμέσως ο επικλινής πυρήνας. Πρόκειται για μια λειτουργική μονάδα του εγκεφάλου που βρίσκεται στα αποκαλούμενα κέντρα επιβράβευσης και παίζει σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη εθιστικών συμπεριφορών.

Ο επικλινής πυρήνας κατέχει επίσης κεντρικό ρόλο στην παρουσία και δράση της ντοπαμίνης. Πρόκειται για την ορμόνη που ρυθμίζει την διάθεση και τα συναισθήματα έχοντας αποκτήσει μαζί με την σεροτονίνη τον χαρακτηρισμό «ορμόνες της χαράς». Όσο περισσότερο απολάμβανε κάποιος από τους συμμετέχοντες την μουσική που άκουγε τόσο μεγαλύτερη ήταν η διέγερση στον επικλινή πυρήνα. Όταν η μουσική σταματούσε αυτόματα εξασθενούσε και η διέγερση σε αυτή την περιοχή.

It is thought the research may provide new insights into the lifestyles of music legends such as David Bowie.

Τα ευρήματα της έρευνας προσφέρουν εκτός των άλλων και μια εξήγηση στο γιατί οι άνθρωποι με πολύ στενή σχέση με την μουσική και ειδικότερα οι καλλιτέχνες εμφανίζουν συχνά διαφόρων ειδών εθιστικές τάσεις. «Η μουσική λειτουργεί ως μια πολύ ισχυρή δύναμη που μας κινητοποιεί στην καθημερινότητα μας και κάνει να καταναλώνουμε πολύ χρόνο αλλά και χρήμα για αυτή είτε περιμένοντας για ώρες σε μια ουρά ακόμη και μέσα σε κακοκαιρία για να πάρουμε ένα εισιτήριο μιας συναυλίας είτε επενδύοντας χρόνια εκμάθησης ενός μουσικού οργάνου» αναφέρει ο Ερνστ Μας Χερέρο, μέλος της ερευνητικής ομάδας.

Όπως και να έχει το πράγμα πάντως σε αντίθεση με τις άλλες εξαρτήσεις η μουσική κάνει καλό στον άνθρωπο με διαφόρους τρόπους και είναι δύσκολο να αντιμετωπίσει κάποιος προβλήματα «υπερβολικής δόσης μουσικής».

Πηγές: “Unraveling the Temporal Dynamics of Reward Signals in Music-Induced Pleasure with TMS” 29 March 2021, Journal of Neuroscience. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.0727-20.2020 - https://scitechdaily.com/neuroscientists-uncover-why-the-brain-enjoys-music/ - https://www.naftemporiki.gr/story/1708415/i-mousiki-einai-eksartisi-kai-tora-gnorizoume-to-giati

 

 

Γαλαξιακό Διαδίκτυο και βαρυτικοί φακοί. Gravitational Lenses Could Allow a Galaxy-Wide Internet

Το Γαλαξιακό Διαδίκτυο μπορεί να δημιουργηθεί (έστω … από εξωγήινους πολιτισμούς) εφόσον τα άστρα αξιοποιηθούν ως βαρυτικοί φακοί, υποστηρίζει ο Claudio Maccone, στην δημοσίευσή του με τίτλο «Galactic internet made possible by star gravitational lensing». Some kind of galactic Internet is possible taking advantage of the gravitational lensing effect that stars can provide with a properly focused radio signal. The project could be an impressive advance for space expeditions. What phase is it in and how is it possible. Maccone in his recent paper showed that galactic internet could be made possible by star gravitational lensing and it may already existed.

Όμως, τι είναι ένας βαρυτικός φακός; Εμείς γνωρίζουμε τους συγκλίνοντες και αποκλίνοντες φακούς της οπτικής. Για παράδειγμα αν μια παράλληλη μονοχρωματική δέσμη συναντήσει τον συγκλίνοντα φακό όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα, τότε οι διαθλώμενες ακτίνες διέρχονται από ένα σημείο F το οποίο ονομάζεται κύρια εστία του φακού. Η απόσταση f ονομάζεται εστιακή απόσταση.

This graphic shows a reconstruction (at lower left) of the brightest galaxy whose image has been distorted by the gravity of a distant galaxy cluster. The small rectangle in the center shows the location of the background galaxy on the sky if the intervening galaxy cluster were not there. The rounded outlines show distinct, distorted images of the background galaxy resulting from lensing by the mass in the cluster. The image at lower left is a reconstruction of what the lensed galaxy would look like in the absence of the cluster, based on a model of the cluster's mass distribution derived from studying the distorted galaxy images. Illustration Credit: NASA, ESA, and Z. Levay (STScI) Science Credit: NASA, ESA, J. Rigby (NASA Goddard Space Flight Center), K. Sharon (Kavli Institute for Cosmological Physics, University of Chicago), and M. Gladders and E. Wuyts (University of Chicago)

Ως βαρυτικός φακός θεωρείται κάθε κατανομή ύλης (όπως ένα άστρο, ένας γαλαξίας ή σμήνος γαλαξιών) που βρίσκεται ανάμεσα σε μία μακρινή πηγή φωτός (ηλεκτρομαγνητικό κύμα) και έναν παρατηρητή, η οποία καμπυλώνει την διαδρομή του φωτός από την πηγή μέχρι τον παρατηρητή. Το φαινόμενο χαρακτηρίζεται ως βαρυτική εστίαση και αποτελεί μία από τις προβλέψεις της Γενικής Θεωρίας της σχετικότητας. Το φαινόμενο αυτό αποτέλεσε την πρώτη πειραματική επαλήθευση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας από τον Arthur Eddington.

Αντίθετα με έναν συνηθισμένο φακό, ένας βαρυτικός φακός εκτρέπει (πολύ) περισσότερο το φως που περνά πιο κοντά από το κέντρο του και (πολύ) λιγότερο το φως που περνά πιο μακριά από αυτό. Κατά συνέπεια δεν έχει μοναδικό σημείο ως εστία, αλλά μία γραμμή (εστιακή γραμμή). Ο όρος «φακός» για τη βαρυτική κάμψη των φωτεινών ακτίνων χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον O.J. Lodge, ο οποίος σχολίασε ότι «δεν είναι σωστό να λέμε ότι το ηλιακό βαρυτικό πεδίο δρα ως φακός, διότι δεν έχει εστιακή απόσταση». Σύμφωνα με τον Claudio Maccone αν στείλουμε ένα κατάλληλα εξοπλισμένο διαστημικό σκάφος κατά μήκος οποιασδήποτε ακτινικής κατεύθυνσης μακριά από τον Ήλιο έως την ελάχιστη απόσταση των 550 AU και πέραν, η μάζα του Ήλιου θα λειτουργήσει ως ένας τεράστιος μεγεθυντικός φακός ραδιοκυμάτων, επιτρέποντάς μας να «δούμε» στην άλλη πλευρά του Ήλιου, ακόμη και σε πολύ μεγάλες αποστάσεις.

Ο Ήλιος ως βαρυτικός φακός με ελάχιστη εστιακή απόσταση 550 AU (=3,17 ημέρες φωτός=13,75 φορές πέρα από την τροχιά του Πλούτωνα) και την θέση του διαστημικού σκάφους πέρα από το ελάχιστο εστιακό μήκος. Geometry of the Sun gravitational lens with the minimal focal length of 550 AU (= 3.17 light days = 13.75 times beyond Pluto’s orbit) and the FOCAL spacecraft position beyond the minimal focal length. Credit: Claudio Maccone

Στην μελλοντολογική του εργασία ο Claudio Maccone εξετάζει επίσης την ραδιοφωνική γέφυρα μεταξύ του Ήλιου και κάθε άλλου άστρου, που αποτελούν σύστημα δυο βαρυτικών φακών. Η λειτουργία της ευθυγράμμισης μιας τέτοιας ραδιογέφυρας είναι πολύ δύσκολη, αλλά η εξοικονόμηση ενέργειας είναι τεράστια, λόγω των τεράστιων συνεισφορών των φακών των δύο άστρων στο συνολικό κέρδος της κεραίας του συστήματος.

Channel Capacities for all five information channels made up by the radio bridges between the Sun and another star. The second and third column give the Channel Capacity for bandwidth equal to 1 Hz (typical SETI case) and 1 kHz (sometimes used in SETI also), respectively. © Maccone

Μελετά επίσης την χωρητικότητα πληροφοριών του καναλιού για καθεμία από αυτές τις ραδιογέφυρες, θέτοντας έτσι έναν φυσικό περιορισμό στο μέγεθος της μεταφοράς πληροφοριών που θα είναι δυνατή στην περίπτωση που χρησιμοποιούνται άστρα ως βαρυτικοί φακοί. 

A classic spiral, the Whirlpool Galaxy (M51) is 30 million light years distant and 60 thousand light years across. What sort of communications network might link civilizations here? Credit: N. Scoville (Caltech), T. Rector (U. Alaska, NOAO) et al., Hubble Heritage Team, NASA.

Βέβαια, ακόμα κι αν ξεπεραστούν όλα τα προβλήματα που εμφανίζονται στην υλοποίηση ενός τέτοιου γιγαντιαίου εγχειρήματος, θα πρέπει να ξεχάσουμε την γνωστή μας άμεση επικοινωνία με σύντομα μηνύματα. Μπορεί τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα να κινούνται με την μέγιστη ταχύτητα στο σύμπαν, την ταχύτητα του φωτός, όμως οι αποστάσεις στον γαλαξία μας είναι τεράστιες (το κοντινότερο άστρο στον Ήλιο μας, ο Εγγύς του Κενταύρου, απέχει 4,2 έτη φωτός). Γι' αυτό τα μηνύματα πρέπει να είναι μεγάλα και με εξειδικευμένο περιεχόμενο (διαβάστε σχετικά ΕΔΩ: Finding the Galactic Internet).

Πηγές: Claudio Maccone, “Galactic internet made possible by star gravitational lensing”, ArXiv, pp. 1-6, 2021. https://arxiv.org/abs/2103.11483 - https://www.universetoday.com/150671/gravitational-lenses-could-allow-a-galaxy-wide-internet/ - https://theuncoverreality.in/2021/03/23/does-galactic-internet-exists-when-humans-could-be-able-to-build-theirs-astronomy/ - https://physicsgg.me/2021/03/29