Край Будущего

Возможно, в будущем продолжительность нашей жизни значительно увеличится. Некоторые депутаты высказывают идеи о продлении молодости до 60 лет, и, возможно, это не такая уж и безумная мысль. По крайней мере, если у медиков действительно появятся технологии, позволяющие достичь долголетия.

И, похоже, такие технологии уже существуют. В ходе совместной работы с международными коллегами специалисты БФУ обнаружили участок человеческого генома, который играет ключевую роль в продолжительности жизни и способствует «здоровому старению». Согласно полученным данным, этот фрагмент митохондриальной ДНК непосредственно связан с развитием «старческих» заболеваний мышечной и нервной ткани. Результаты этой работы могут стать основой для создания методов, направленных на подбор «третьего родителя» для будущего потомства. Это позволит обеспечить ему долгую и здоровую жизнь. Полученные данные были представлены на сайте bioRxiv.

В организме млекопитающих существует несколько видов молекул ДНК, различающихся по своей структуре и функциям. Одним из таких видов является митохондриальная ДНК (мтДНК), небольшой фрагмент которой располагается не в ядре клетки, где находится основной генетический материал, а в митохондриях — органеллах, отвечающих за снабжение клетки энергией. Как объяснили специалисты БФУ, мтДНК образует замкнутую кольцевую структуру, напоминающую генетический материал бактерий.

Основной гипотезой возникновения этой ДНК в организме человека является предположение о древнем симбиозе между прокариотом (одноклеточным организмом без выраженного ядра, например, бактерией) и эукариотической клеткой животного. Последовательность нуклеотидов в митохондриальной ДНК, в отличие от ядерной, не определяется обоими родителями, а передается в неизменном виде от матери. В результате химическое разнообразие в этой небольшой молекуле (состоящей из нескольких десятков генов) значительно меньше, чем в ядерной ДНК.

Специалисты предложили представить классификацию групп по составу митохондриальной ДНК в виде дерева, где ветвями являются современные группы людей, а корнем — «митохондриальная Ева».

В этой кольцевой молекуле существуют «скользкие места», где молекулярная машина, ответственная за копирование ДНК, может «спотыкаться» и «перескакивать» на другой похожий фрагмент. В результате часть информации теряется, и молекула становится короче и «сломанной».

Один из авторов работы, старший научный сотрудник Центра геномных исследований БФУ, объяснил, что «неправильные» молекулы митохондриальной ДНК возникают во всех человеческих организмах, независимо от пола, образа жизни и возраста. Накопление «ошибок» происходит в тканях, которые не подвергаются постоянному клеточному обновлению, например, в мышцах и нейронах.

Укорачивание митохондриальной ДНК превращает ее из «доброй» в «злую». Этот процесс происходит при наличии в молекуле одинаковых по последовательности нуклеотидов фрагментов, которые расположены на некотором удалении друг от друга (повторы). Если эти повторы абсолютно идентичны, то молекулярная машина, копирующая ДНК, может перескочить с одного повтора на другой, «вырезав» часть информации посередине.

Когда внутри клетки накапливается «критическая масса» молекул мтДНК без фрагмента генетического материала, хозяйская клетка погибает, и развиваются заболевания опорно-двигательного аппарата и нервной системы, которые существенно ухудшают качество жизни человека. Однако издревле было известно, что некоторые люди доживают до 100–120 лет, сохраняя при этом ментальное и физическое здоровье.

Коллектив ученых из БФУ, МГУ, ряда институтов Российской Академии наук и медицинских вузов совместно с коллегами из Австрии, Германии, Швейцарии, Японии и США выявил, что митохондриальные ДНК долгожителей отличаются от мтДНК обычных людей. Эти мтДНК содержат изменения в химическом составе самого «скользкого» места длиной в 13 нуклеотидов — оно перестает быть «скользким», и «копировальная машина» мтДНК с большей вероятностью правильно производит дочернюю молекулу.

Было показано, что изменение даже одной «буквы» из 13 в повторе на другую в десять раз снижает вероятность проскальзывания и образования делеции — генетической перестройки, при которой происходит потеря участка хромосомы. Одной из причин долголетия некоторых ветвей развития митохондриального древа может быть именно этот факт — отсутствие длинных повторов, считают специалисты.

«Мы провели исследование генетического материала в митохондриях ветви D4A, представители которой живут в Японии и Китае. Их вариант «скользкого» места оказался не таким, как у других групп: один из двух повторов в мтДНК содержит замену нуклеотида, что делает два повтора не идеально похожими друг на друга, что оказывается достаточным для отсутствия проскальзывания», — рассказал учёный.

Специалист пояснил, что это можно сравнить со скороговоркой. Сложно без ошибок произнести фразу "шла Саша по шоссе и сосала сушку", а при замене "шоссе" на "дорогу" вероятность запинки снижается.
"У долгожителей в мтДНК "дорога" и "Александра", а не "шоссе" и "Саша". Это и обуславливает меньшую хрупкость генетического материала, способствует более здоровому старению и долгой жизни", — объяснил Попадьин.

Специалисты видят одно из возможных практических применений полученных данных в митохондриальной медицине, которая появилась около 20 лет назад. В этой области более здоровые митохондриальные ДНК (мтДНК) переносят в ткани или даже в яйцеклетки с менее здоровыми мтДНК.

Долгожители могут рассматриваться как универсальные доноры мтДНК, так как они не только не имеют больных вариантов, но и способны обеспечить более долгую жизнь с меньшим риском нарушений в нервной и мышечной системах организма.

"Мы предлагаем использовать материал долгожителей с отсутствием повторов в мтДНК в качестве потенциальных третьих родителей в случае необходимости митохондриального переноса. Это может быть необходимо, когда у матери ребёнка в мтДНК присутствуют вредные мутации. В таком случае вторая мама, выступающая в роли донора мтДНК, сможет обеспечить будущему ребёнку более здоровую и продолжительную жизнь. В некоторых странах такие процедуры уже проводятся", — сообщил Попадьин.

Похоже на то, что наш мозг можно рассматривать как идеальный квантовый компьютер, или, если идеал недостижим, то как близкий к нему. Если это так, то автономные компьютеры и машины, созданные на основе сочетания классических и квантовых процессоров, смогут решать разнообразные задачи, интегрироваться в существующие системы и эффективно обмениваться данными, подобно нам. Возможно, они даже обретут сознание.

Новое теоретическое исследование международной команды ученых открывает горизонты для создания нового класса роботов, которые благодаря квантовым компьютерам смогут преодолеть ограничения и приблизиться к уровню человеческого интеллекта!

«Квантовые вычисления и искусственный интеллект сами по себе являются революционными технологиями, меняющими наше настоящее и будущее», — говорится в исследовании. — Объединение этих двух парадигм обещает создать технологии, обладающие поразительной вычислительной мощностью и интеллектом на уровне человеческого».

Идея квантовой робототехники заключается в использовании законов квантовой механики для создания машин, способных обрабатывать огромные объемы данных в режиме реального времени. Это позволит им быстро реагировать на изменения окружающей среды и даже демонстрировать поведение, подобное человеческому.

Исследователи из Китая, Саудовской Аравии, Египта и Японии описали два основных направления применения квантовых алгоритмов в робототехнике. Первое — это облегчение выполнения задач машинами, улучшение их навыков ориентации в пространстве, принятия решений и повышения точности. Второе направление связано с включением квантовой механики в конструкцию и функции роботизированных систем. Например, речь идет о способности обмениваться информацией через квантовую связь или об использовании квантовых методов для контроля над выполнением задач.

Таким образом, у гипотетического квантового робота квантовые модули будут отвечать за сложные процессы обработки информации, а классические — за более простые, рутинные задачи и связь с существующей инфраструктурой. Сочетание этих элементов улучшит когнитивные способности роботов и позволит им выполнять действия, которые сейчас им недоступны.

Однако исследователи отмечают, что развитие квантовой робототехники сдерживается ограничениями аппаратного обеспечения и недостаточным развитием программного обеспечения для квантовых компьютеров.

Алмазы — не только украшение и сверхпрочный острый материал. Алмазы теоретически можно применять в ядерной физике. А теперь китайские учёные из университета науки и технологий создали метод хранения данных на алмазах, который обещает сохранить информацию на многие века. Этот метод основан на использовании микроскопических пустот в структуре алмаза, которые создаются с помощью лазерных импульсов. Эти пустоты кодируют данные через изменение свечения. В результате учёным удалось достичь рекордной плотности хранения — 1,85 терабайта. Скорость записи составила всего 200 фемтосекунд, что эквивалентно одной квадриллионной части секунды!

В современном мире остро стоит проблема нехватки ёмких носителей информации. Традиционные решения, такие как USB-накопители и Blu-ray диски, уже не справляются с растущим объёмом данных. Многие специалисты предлагают обратить внимание на алмазные оптические диски, которые могут хранить колоссальные объёмы информации. В 2021 году в Японии уже был создан мини-алмазный диск, способный вместить 1,25 терабайта данных. Однако технология записи на такие диски остаётся сложной и требует дополнительных исследований и разработок.

Для создания нового устройства для хранения данных исследователи из Поднебесной использовали крошечные алмазные пластины. Они облучали эти пластины сверхкороткими лазерными импульсами, что приводило к смещению атомов углерода в кристаллической решётке алмаза и образованию пустот — вакансий. Эти вакансии служат основой для записи информации. Плотность вакансий в определённой области алмаза определяет уровень его свечения, который, в свою очередь, кодирует различные значения данных. Тщательно контролируя структуру этих пустот, исследователи смогли записать информацию внутри минерала.

Такой подход обеспечивает высокую плотность хранения, а также сверхбыструю запись информации. Записанные данные могут храниться миллионы лет без необходимости обслуживания. Чтобы продемонстрировать потенциал разработки, исследователи выбрали в качестве тестового материала знаменитую серию фотографий Эдварда Майбриджа. Принцип записи заключался в сопоставлении яркости каждого пикселя изображения с яркостью определённых областей алмаза. Результаты эксперимента оказались впечатляющими: системе удалось сохранить и восстановить изображения с точностью 99%.

Технология хранения данных на алмазах пока не готова к массовому применению из-за высокой стоимости специализированного оборудования — лазеров и высокоскоростных флуоресцентных камер. Однако исследователи уверены, что с развитием науки и техники в скорое время станет возможным создание более компактных устройств и снижение их стоимости. Авторы отмечают, что этот метод подойдёт организациям, которым необходимо долгосрочное хранение информации. Это могут быть государственные архивы, научные институты и библиотеки, которые хранят уникальные исторические и научные документы.

Полиакриламид (ПАА) представляет собой полимер, который при комнатной температуре приобретает гелеобразную консистенцию. Его применение охватывает множество областей, включая медицину, где он используется для лечения артритов и артрозов, нефтяную промышленность для проведения ремонтных работ в скважинах, а также бытовые нужды для очистки как промышленной, так и питьевой воды. Более того, ПАА может стать основой для разработки мягких роботов, способных преобразовывать химическую энергию в механическую, что подчеркивает его многофункциональность.

«Мы впервые синтезировали автоколебательные гели на основе недорогих, простых в производстве и нечувствительных к свету комплексов кобальта», — сообщается в пресс-релизе университета. В результате реакции Белоусова-Жаботинского в этих гелях формируются и распространяются химические волны, вызванные окислительно-восстановительными переходами, происходящими в комплексах кобальта. Полученные результаты исследования были опубликованы в журнале Gels.

Одной из отличительных черт автоколебательных гелей является их способность к периодическому изменению плотности, объема, цвета и других свойств. Обычно подобные гели синтезируют на основе комплексов рутения, которые характеризуются высокой стоимостью, чувствительностью к свету и сложностью в производстве.

Однако новые гели не имеют этих недостатков, что открывает перспективы для создания актуаторов (преобразователей энергии), необходимых для мягких роботов — устройств, имитирующих ткани живых организмов. Кроме того, ПАА также может найти применение в разработке нанороботов, внешне аналогичных живым биологическим клеткам.

«Мы разработали два типа гелей. В процессе реакции в обоих типах гелей возникали и распространялись химические волны, в результате чего субмиллиметровые фрагменты гелей периодически меняли цвет. Что касается одного из гелей, он, помимо изменения цвета (с желтого на оранжевый), также изменял объем, то сжимаясь, то набухая», — пояснили исследователи из БФУ.

Калининградские ученые намерены продолжить свою работу над автоколебательными гелями на основе комплексов кобальта. Их цель — добиться более выраженных механических колебаний гелей и разработать методику получения этих гелей в виде трехмерных фигур заранее заданных размеров и форм, что является необходимым для создания актуаторов.