Популярная наука

Для охлаждения тела мы должны забрать у него энергию. Самый простой способ - отдать эту энергию более холодному телу. Если температура окружающей среды ниже температуры тела, тело будет охлаждаться, а окружающая среда нагреваться. Так, например, наши вещи охлаждаются, когда мы заходим в помещение с холодным воздухом, или сами спасаемся от жары, купаясь в водоёмах, где вода явно холоднее прогретого солнцем воздуха. Если же подходящего более холодного тела под рукой нет, нам придётся его сделать. Для этого вспомним некоторые вещи из термодинамики на примере холодильника.

При резком уменьшении объёма газа, он нагревается. С точки зрения термодинамики, над газом совершили работу, и затраченная на сжатие газа энергия перешла в его внутреннюю энергию, то есть на увеличение его температуры. При резком расширении процесс обратный - температура газа уменьшается. Термодинамика говорит нам, что газ потратил свою энергию на увеличение объема и совершение работы.

Обычный советский... есть в каждом доме...

Каждый холодильник состоит из двух устройств - одно для сжатия газа, другое для последующего его расширения. Компрессор сжимает газ, увеличивая его давление и температуру. Окружающая среда охлаждает сжатый газ, поэтому задняя сторона холодильника горячая. Газ под повышенным давлением проходит капилляр, попадает в область с давлением меньше, расширяется и охлаждается. Охлаждённый газ проходит по площади холодильной камеры, забирает тепло у продуктов и нагревается сам. После попадает в компрессор, и цикл повторяется снова.

На примере холодильника видно, что мы отлично умеем охлаждать газ, а с его помощью охлаждать всё остальное. Если мы из вышеописанной схемы выкинем холодильную камеру и контакт с окружающей средой, оставим только компрессор и капилляр, подберём степени сжатия и расширения так, чтобы газ больше охлаждался, чем нагревался, то получим машину для дросселирования. То есть, с каждым циклом температура газа будет уменьшаться. Альтернативный и более продуктивный подход по снижению температуры газа - это заставить его постоянно совершать работу.

Схема работы детандера, утащенная из Википедии

То есть, мы можем в цикле охлаждать газ всё больше и больше. Где же предел такого охлаждения? Пока газ не превратится в жидкость. К счастью, для большинства задач этого достаточно. Так температура кипения гелия 4.2 Кельвин (-269 градусов Цельсия) - самая низкая из газов. После сжижения гелий переливается в сосуд Дьюара (большой и очень качественный термос). Исследуемый образец погружается в гелий и охлаждается, также, как курочка в холодильнике.

Но что делать, если хочется температуру ещё ниже, но у нас уже жидкость? На помощь вновь приходит термодинамика. Многие помнят задачу о том, почему нельзя сварить яйцо на вершине Эвереста. Ответ: потому что при понижении давления температура кипения уменьшается, и на вершине Эвереста она будет 69 градусов Цельсия. Также мы вспоминаем, что при кипении энергия тратится - она уходит на преодоление частицей жидкости притяжения других частиц. Вооружившись этим знанием, мы возвращаемся к жидкому гелию. Если уменьшить давление, то гелий будет кипеть при меньшей температуре. Берём откачную вставку и помещаем в неё образец, один конец прикрепляем к насосу, создающему пониженное давление, а другой конец с капилляром помещаем в жидкий гелий - гелий проходит через капилляр, попадает в область с пониженным давлением, становится газом при температуре 1.5 Кельвин (-272 градуса по Цельсию). Это температура уже ниже той, которую принято считать температурой космоса.

Сосуд Дьюара, откачная вставка и ассистент преподавателя, объясняющий для чего это.

Но что делать, если мы хотим температуру ещё ниже? Тут уже обычным гелием не обойтись, нам понадобится его изотоп гелий-3. В отличии от стандартного гелия-4, у которого 2 протона и 2 нейтрона в ядре атома, у гелия-3 в ядре 2 протона и только 1 нейтрон. Из-за меньшей плотности возможно опустить температуру такого газа до значений в 0.15 Кельвин (-273.05 по Цельсию). Минусом является малая распространённость гелия-3 в окружающем мире, что приводит к необходимости его синтезирования искусственно.

RIP Чимс... Ты навеки в наших мемах

Гелием-3 и гелием-4 заправляют криостаты замкнутого цикла, чей принцип работы в общих чертах схож принципом работы холодильника. Такие криостаты уменьшают расход гелия, так как он меньше испаряется в окружающее пространство, в отличии от сосудов Дьюара. Такая техника уже является профессиональной и стоит весьма ощутимо. Более того, обычно цена предоставляется по запросу, так как криостаты для лабораторий делаются индивидуально исходя из необходимых характеристик.

Но что делать, если...

Придётся врубить термодинамику на максимум. При низких температурах смесь из гелия-4 и гелия-3 разделяется на 2 фазы - то есть гелий-3 обладает одними свойствами, а гелий-4 немного другими из-за разных плотностей, критических температур и других параметров. Это можно сравнить со спиртом и водой: при комнатной температуре оба вещества находятся в жидкой фазе и растворены друг в друге, но при понижении температуры вода замерзает при больших значениях, и два вещества разделяются, так как в разных фазах. Чтобы гелий-3 прошёл через гелий-4 нужно затратить энергию, и если мы заставим гелий-3 непрерывно течь через гелий-4, последний будет терять энергию, то есть охлаждаться. Так можно достичь температуры 0.01 Кельвин - навряд ли во вселенной существует место, где естественным образом возникла такая низкая температура. Такие рефрежираторы растворения ещё более редки и дороги, чем криостаты замкнутого цикла. Наиболее известные и ставшие уже почти нарицательными - BlueForce. Не реклама, потому что навряд ли у кого-то хватит средств его купить и места его разместить.

Но что делать...

В этом случае термодинамикой уже не справиться, потому что она рассматривает совокупность частиц газа. Если же мы действительно хотим более низких температур, мы должны действовать с одиночными атомами. Вспомним прошлые посты, где мы говорили про уровни энергии электрона или атома. Чтобы частица поднялась на уровень выше, она должна получить энергию, чтобы опустилась на уровень ниже, энергию она должна отдать. Мы можем манипулировать этим принципом следующим образом: при облучении атома он поднимается на уровень выше, откуда может спуститься на предыдущий уровень или на уровень меньше предыдущего, тем самым испуская фотон с большей энергией и охлаждаясь. Данный процесс вероятностный, то есть происходит не при каждом поглощении фотона, но экспериментаторы терпеливо ждут результата. Он получил название "сизифово охлаждение", потому что поднимаясь на уровень выше, атом падает ещё ниже, чем был. Таким образом можно достичь температур в 0.00001 Кельвин. Конечно, насколько понятие "температура" применимо к одиночному атому - это вопрос терминологии.

Этот мем ещё никогда не был так актуален.

Опустившись на самое дно температурной шкалы, мы можем оценить насколько сложный и увлекательный путь прошли технологии за какие-то пару сотен лет.

Первым, кто убедительно доказал наличие связи между мозговой деятельностью и желудочно-кишечной, был небезызвестный Павлов Иван Петрович. Он провел серию исследований на собаках, которые выявили связь между поступлением сенсорных сигналов (запах и вид пищи) и выделением желудочного и панкреатического секретов. За эти исследования физиологии Павлов получил Нобелевскую премию в 1904 г.

После этого никаких особо прорывных исследований в этой области долго не появлялось. Возможно от того, что на собаках посчитали неэтичным так тренироваться, как это делал Павлов. Возможно от того, что эксперименты на людях носили узкоприкладной характер, как это делал Менгеле. А может хватало других забот. Нет, некоторые исследования, конечно, были. Но в целом уровень был примерно как на комментарии ниже.

В принципе, к началу нашего века уже было понимание о наличии оси "мозг-кишечник", правда трактовали ее скорее как однонаправленное взаимодействие, т.е. мозг управляет кишечником:

"все болезни от нервов, и только одна — от удовольствия"

И осторожно постулировались возможные обратные связи.

И вот в 2004 году группа японских учёных публикует результаты своих исследований, проведенных на мышах - "Postnatal microbial colonization programs the hypothalamic–pituitary–adrenal system for stress response in mice" или, как это будет по-русски, "Постнатальная микробная колонизация программирует гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковую ось на стресс-реакцию у мышей" (извините, правильный перевод в этой области не является моим коньком). Суть исследования заключалась в том, что учёные сравнивали стресс-реакции у разных групп лабораторных мышей - стерильных, с нормальной микробиомой, с одним из микроорганизмов (Bifidobacterium infantis, Escherichia coli, EPEC).

Их выводы:

Настоящие результаты, в которых колонизирующие микробы изменили реакцию ГГНС (Гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая ось) на сдерживающий стресс, указывают на то, что взаимодействие кишечных бактерий с мозгом также является двунаправленным, точно так же, как ось мозг—кишечник. Насколько нам известно, это первый отчет, в котором показано, что комменсальные микробы воздействуют на нейронную сеть, ответственную за контроль реакции на стресс... На сегодняшний день мы не можем четко объяснить точный механизм, с помощью которого висцеральные сигналы, происходящие от бактериальной колонизации, передаются в мозг. Тем не менее, было предложено участие следующих путей: один проходит через цитокин-опосредованный гуморальный путь, а другой - через нервный путь... Разумно предположить, что эндотоксин и/или пептидогликан, компоненты клеточной стенки бактерий, стимулируют иммунные клетки в кишечнике или где-либо еще высвобождать эти цитокины, которые, следовательно, влияют на части ЦНС, участвующие в регуляции ответа оси ГГНС.

Данная работа практически прорвала плотину, и количество научных работ, посвященных взаимодействию микробиома человека с остальным организмом, растет колоссальными темпами. В работах стали употреблять ось не "мозг-кишечник", а "кишечник-мозг".

Общий вид системы "кишечник-мозг"

Сейчас эта система имеет следующее определение:

Ось кишечник-мозг - это двусторонняя биохимическая сигнализация, которая происходит между желудочно-кишечным трактом и центральной нервной системой. В широком смысле ось кишечник-мозг включает центральную нервную систему, нейроэндокринную систему, нейроиммунную систему, гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковую ось (ГГНС), симпатические и парасимпатические рукава вегетативной нервной системы, энтеральную нервную систему, блуждающий нерв и микробиом кишечника. В современных работах это ещё могут называть осью микробиота-кишечник-мозг.

Под микробиомом подразумевают бактерии, археи, грибы, протисты и вирусы. Его часто ещё называют "микрофлорой", хотя это название технически неверное.

С тех пор, как прогремело указанное выше исследование, учёные успели разобраться с воздействием некоторых микроорганизмов на человека, и выяснили биохимию связанных процессов. Какие-то зависимости нынче выявлены полностью, по поводу иных высказаны пока лишь предположения. На самом деле, во многих работах вы встретите слова "возможно", "вероятно" - уж извините, на людях опыты ставить нынче не очень удобно, а иного пути получить "стерильную" группу нереально.

Итак, что же нам известно на текущий момент?

С самого нашего рождения (как это было показано в первом исследовании и подтверждено в дальнейших) микробиома кишечника производит вещества, которые способны влиять на развитие центральной нервной системы, "регулируя химию мозга и влияя на нейроэндокринные системы, связанные с реакцией на стресс, тревогой и функцией памяти".

Синдром раздражённого кишечника, который долгое время лечили как "болезнь от нервов", в современных работах четко ассоциируется именно с микробиомом. В настоящее время обнаружена взаимосвязь между увеличенным присутствием некоторых микроорганизмов в кишечнике и болезнями Паркинсона и Альцгеймера. Активно обсуждается роль населения кишечника в формировании депрессии, расстройств аутистического спектра, тревоги, шизофрении, рассеянного склероза, синдрома дефицита внимания и гиперчувствительности.

Синтез нейромедиаторов через кишечные микроорганизмы, и его влияние на когнитивные способности.

Кишечная микробиота может либо продуцировать предшественники нейромедиаторов, либо катализировать синтез нейромедиаторов посредством метаболизма пищи, либо в комбинации. Некоторые бактериальные таксоны могут передавать сигналы через свои метаболиты, стимулируя синтез и высвобождение нейромедиаторов энтероэндокринными клетками (например, метаболиты, продуцируемые спорообразующими бактериями, служат сигнальными молекулами для регулирования биосинтеза серотонина путем увеличения экспрессии гена, ограничивающего его скорость TPH1 в энтерохромаффинных клетках). Нейромедиаторы, синтезируемые бактериями и энтероэндокринными клетками, могут попадать в систему кровообращения и транспортироваться в другие части тела. Некоторые предшественники нейромедиаторов могут проникать через гематоэнцефалический барьер и участвовать в цикле синтеза нейромедиаторов в головном мозге. Кроме того, нейроподовые клетки, расположенные в эпителии кишечника, синтезируют и высвобождают нейромедиаторы, такие как глутамат, которые могут передавать сенсорные сигналы в мозг в течение миллисекунд по блуждающему нерву. Модулируемые кишечной микробиотой изменения в синтезе нейромедиаторов/предшественников могут привести к изменениям в функциях мозга. ("Regulation of Neurotransmitters by the Gut Microbiota and Effects on Cognition in Neurological Disorders")

Нейро/иммуноактивные вещества, полученные из просвета кишечника, могут проникать через слизистую оболочку кишечника, транспортироваться кровью, пересекать гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) и влиять на ЦНС. Микробиота кишечника может влиять на функцию ЦНС благодаря своей способности синтезировать или имитировать ряд нейроактивных молекул, передающих сигналы хозяина, таких как ацетилхолин (Ach), катехоламины, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), гистамин, мелатонин и 5-гидрокситриптамин (5-HT, серотонин). 5-HT имеет решающее значение в регуляции перистальтики или модуляции ощущений. ("Gut-microbiota-brain axis and effect on neuropsychiatric disorders with suspected immune dysregulation")

Давайте обратим внимание на мелатонин, который, как следует из текста, может быть синтезирован микроорганизмами кишечника человека. Мелатонин - гормон, влияющий на сон.

Так что наши когнитивные способности, это не только продукт скрещивания мамы и папы.

Микробиом кишечника влияет на системное воспаление, окислительный стресс, гликемический контроль, содержание липидов в тканях и настроение.

У человека окислительный стресс является причиной или важной составляющей многих серьёзных заболеваний, таких как атеросклероз, гипертензия, болезнь Альцгеймера, диабет, бесплодие, а также является одной из составляющих синдрома хронической усталости и процесса старения. (википедия)

Ладно. Это же не страшно, подумаете вы, до болезни Альцгеймера ещё далеко. Что ж, дам вам еще несколько моментов по влиянию микробиома на человека.

Микроорганизмы способны изменять пищевые пристрастия.

А другие микроорганизмы заставляют вас задумываться о походе в спортзал:

Люди с ожирением являются носителями метаногенных групп бактерий и архей, продуцирующих водород (H2 ), в частности, членов семейства Prevotellaceae и некоторых групп Firmicutes. Увеличение образования водорода (H2 ) облегчает ферментацию поступающих с пищей углеводов, при которой производится больше КЦЖК, которые затем поглощаются эпителием кишечника человека, что может способствовать увеличению массы тела. ("Микробиота как фактор, влияющий на изменение вкусовых предпочтений после бариатрической операции")

Кстати, раз микроорганизмы влияют на выработку дофамина, 5-НТ и норадреналина в головном мозге, значит они влияют и на сексуальное влечение.

@Cholerae, так что и тут микробиом постарался :)

Кишечные микроорганизмы влияют на функцию мозга, высвобождая следующие химические вещества: цитокины, нейротрансмиттеры, нейропептиды, хемокины, эндокринные мессенджеры и микробные метаболиты, такие как короткоцепочечные жирные кислоты, аминокислоты с разветвленной цепью и пептидогликаны. Затем кишечный микробиом может перенаправлять эти продукты в мозг через кровь, клетки нейроподов, нервы, эндокринные клетки и многое другое. Затем продукты попадают в важные места мозга, влияя на различные метаболические процессы. Исследования подтвердили связь между гиппокампом, префронтальной корой и миндалевидным телом (ответственным за эмоции и мотивацию), который действует как ключевой узел в поведенческой оси кишечник-мозг.

Так что, дорогие будущие родители, задумайтесь о привитии ребенку правильной микробиомы с самого рождения, когда она ещё только формируется. Намного проще её сформировать, чем потом исправлять.

И это ведь нам ещё известны далеко не все возможности влияния микроорганизмов в вопросе управления человеком.

Тем, кто всё равно не верит во подобное влияние микробиома на поведение человека, рекомендую PubMed как источник различных работ на эту тему.

Пост родился как ответ для спора о симуляции с одной стороны, и отрицания отдельными личностями микробиомы, как одного из возможных факторов появления земледелия у человечества, высказанное в обсуждении Глобальное потепление, микробиота и человеческие страсти как причина земледелия.

🌱 Секреты под землей 🌿 Интересно, что растения могут также использовать свои корни для обмена информацией. В некоторых случаях они даже могут передавать сигналы через грибные гифы, своеобразные "проводники", распространяющиеся между корнями разных растений.

Так что, друзья, наш мир полон удивительных открытий! Растения доказывают, что даже в крошечном мире флоры есть свои секреты общения и взаимопомощи. Кто бы мог подумать, что цветочки могут быть настолько социальными и дружелюбными?

🌱 Источники:

• Исследование о химическом взаимодействии растений

• Связь растений через корни и грибы

• Больше подобного контента

Наблюдаемая нами вселенная огромна. Она простирается на миллиарды световых лет и содержит бесчисленные галактики, звезды и планеты. Но что, если вселенная намного меньше, чем мы думаем? Что, если она уместится в одном атоме?

Атомы - это крохотные кирпичики, из которых построена вселенная. Для лучшего понимания размеров атома, приведу сравнительный пример. Тело среднестатистического взрослого человека состоит из приблизительно семи октиллионов атомов. Это огромное количество атомов, которое можно представить в виде семерки с двадцатью семью нулями. Все эти атомы работают вместе, чтобы создать нас. По подсчетам ученых, всего в наблюдаемой нами вселенной примерно 10 октадециллионов атомов (число 10 и 80 нулей). Наблюдаемая вселенная - это лишь часть всей вселенной. Возможно, что за пределами наблюдаемой вселенной находится еще больше атомов.

Теория бесконечной вложенности материи предполагает, что каждый атом может содержать в себе целую вселенную, которая, в свою очередь, состоит из атомов, содержащих еще одну вселенную, и так далее до бесконечности. Это очень захватывающая идея, которая может добавить новый уровень глубины и сложности к нашему пониманию мироздания.

Возможно, вселенная намного больше и сложнее, чем мы можем себе представить. Возможно, вселенная существует в одном атоме, и мы просто маленькая часть этого атома.

Источник мой Телеграм канал