Стивен Кинг – МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ №2, 2018(24) (страница 53)

Исследователи из лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ(руководитель Дмитрий Свинцов) и Тохоку выяснили, что запрещенное классическими законами сохранения Оже-рекомбинация электронов и дырок в графене разрешается в квантовом мире благодаря соотношению неопределенностей «время – энергия». Согласно ему, закон сохранения можно нарушить на величину, обратно пропорциональную времени свободного пробега частицы. А время свободного пробега электрона в графене очень мало, поскольку электроны представляют собой плотную «кашу».

Привычные законы сохранения разрешают Оже-рекомбинацию, только если все три частицы — участницы процесса движутся строго в одну сторону. Вероятность такого события стремится к нулю. Используя мощные методы квантовой физики, учитывающие неопределенность энергии частицы, авторы решили проблему. Вероятность процесса оказалась конечной и достаточной для экспериментального наблюдения, причем полученные результаты показали хорошее согласие с экспериментальными данными.

Важно, что исследование не только объясняет возможность «запрещенного» процесса Оже-рекомбинации, но и указывает условия, при которых он будет слабым. Это делает возможным создание лазеров на основе графена. Первые экспериментальные свидетельства лазерной генерации уже получены в университете Тохоку (Япония). Кроме того, при быстром «сгорании» электроны и дырки нагреваются до сверхвысоких температур, а в лазерах можно использовать носители с малой энергией, которые, согласно расчетам, живут дольше, а значит, лазерная генерация будет более эффективна.

Не менее важно, что развитый метод расчета времени «сгорания» электронов и дырок не ограничен графеном. Он применим к целому семейству так называемых «дираковских материалов», в которых поведение носителей заряда подобно электронам и позитронам из теории Дирака. По предварительным расчетам, много большего времени жизни носителей можно достичь в квантовых ямах из теллурида кадмия-ртути, где законы сохранения для Оже-рекомбинации получаются даже «более строгими».

По материалам пресс-релиза МФТИ.

Пчелы понимают ноль

Учась сравнивать «больше» и «меньше», пчелы могут представить себе ситуацию, когда один – это больше, чем ничего.

Пчела сравнивает листы с кругами, где больше, где меньше. (Фото: Scarlett R. Howard / RMIT University)

Многие животные понимают, что такое «больше» и что такое «меньше», и им даже не обязательно показывать для этого разное количество еды – животные вполне могут сравнить количество каких-то абстрактных кубиков или точек. Но что если предметов становится все меньше, меньше и меньше, и так до тех пор, пока они не исчезнут совсем? Представить, что такое «ноль», сравнить наличие с отсутствием – это задача более сложная, чем сравнить «меньше» и «больше».

Тем не менее некоторые животные справляются и с ней: например, ноль вполне по плечу обезьянам (в том числе и нечеловекообразным) и попугаям жако. Можно было бы ожидать, что концепция ноля будет доступна только таким признанным умникам, как приматы и попугаи, но исследователи из Королевского Мельбурнского технологического института внезапно выяснили, что ноль могут понимать и пчелы.

Про пчел известно, что они могут считать до пяти, и сначала Скарлет Хауард (Scarlett R. Howard) и ее коллеги учили пчел просто выбирать между «больше» и «меньше»: насекомые должны были приземляться рядом с листами бумаги, на которых было разное число черных кругов разного размера. Если пчела выбирала правильный вариант, она получала сладкое угощение; в результате насекомые довольно быстро научились правильно сравнивать между собой листы с различным количеством кругов.

Но потом эксперимент изменили: на листах бумаги был либо один кружок, либо никаких кружков вообще. И пчелы вполне поняли, что отсутствие кружков – это меньше, чем хотя бы один имеющийся круг, и верно выбирали, куда им сесть, в 63% случаев. С одной стороны, 63% правильных ответов – не очень много, с другой стороны, животным, которые вообще не понимают смысл ноля, даже такая доля правильных ответов недоступна.

В целом представление о полном отсутствии чего-то, несмотря на всю свою абстрактность, может очень даже пригодиться в жизни; например, полезно было бы понимать, что значит полное отсутствие еды (то есть нужно идти ее искать в какое-то другое место) или полное отсутствие хищников (значит, можно почувствовать себя в безопасности и расслабиться). Так что даже удивительно, что не все животные понимают это самое полное отсутствие.

В то же время, как пишет портал The Scientist, некоторые специалисты сомневаются в корректности сделанных выводов. Например, Клинт Перри (Clint J. Perry) из Лондонского университета королевы Марии – Перри много занимается поведением шмелей, и мы уже как-то рассказывали о его экспериментах по повышению оптимизма у шмелей и о шмелях, играющих в футбол, – так вот, Клинт Перри полагает, что пчелы в данном случае сравнивали листы бумаги по соотношению черного и белого, а вовсе не по количеству кругов-точек.

Со своей стороны, авторы работы отвечают, что полностью чистый лист пчелы раньше не видели, им приходилось осмыслять его прямо в ходе эксперимента. Поскольку их учили получать угощение, когда они выбирали круги на бумаге, то и в последнем варианте можно было бы ожидать, что они предпочтут один-единственный круг белому листу – потому что круг (или круги) связаны у них с наградой. Тем не менее в большинстве случаев насекомые выбирали именно «ничто».

Видимо, спор о понимании пчелами нуля еще будет какое-то время продолжаться – во всяком случае, до тех пор, пока исследователи не сумеют считать электрические импульсы в их мозге и сопоставить активность мозга с поведением.

Впрочем, даже если пчелы действительно окажутся такими умными, тут не будет ничего удивительного: мы неоднократно рассказывали о том, как довольно сложное поведение обнаруживали у животных, про которых никто не мог бы подумать, что они на это способны. Тут можно вспомнить про утят с абстрактным мышлением и тех же шмелей, которые не только способны выучиваться каким-то странным вещам (вроде вышеупомянутого футбола), но и могут перенимать навыки у своих товарищей.

Человеческому мозгу помогли увеличиться три гена

Гены, появившиеся у древних людей, заставляют стволовые клетки в развивающемся мозге дольше делиться, тем самым увеличивая число будущих нейронов.

Человеческий мозг больше, чем мозг любого другого животного, включая даже наших ближайших эволюционных родственников шимпанзе. (На всякий случай уточним, что имеются в виду не абсолютные размеры, а величина мозга по сравнению со всем телом.) Очевидно, чтобы мозг стал таким большим, должны были произойти какие-то изменения в генах. Действительно, время от времени появляются сообщения о том, что биологи нашли очередной «ген большого мозга», и таких генов накопилось уже порядочно.

На днях в журнале Cell вышло сразу две статьи  с описанием трех генов, благодаря которым человеческий мозг смог перерасти мозг других человекообразных приматов. Однако в отличие от большинства работ, посвященных «генам большого мозга», в новых статьях рассказывается еще и о том, как такие гены работают. В обеих статьях речь идет о генетическом семействе NOTCH2NL. Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Крузе выясняли, какие гены управляют развитием коры мозга у человека и макак резуса (опыты ставили на стволовых клетках, которых заставляли превращаться в нейроны коры, формируя так называемый мозговой органоид). В эмбриональном развитии большую роль играют гены NOTCH, которые кодируют сигнальные белки, от которых, в свою очередь, зависит взаимодействия эмбриональных клеток друг с другом. Оказалось, что сигнальные пути NOTCH в человеческих клетках и обезьяньих работают по-разному, и различия здесь обусловлены тем, что у человека работает другие варианты генов NOTCH – те самые NOTCH2NL.

Раньше считалось, что NOTCH2NL – это один ген, когда-то давно отделившийся от семейства NOTCH. Теперь же выяснилось, что NOTCH2NL – не один ген, а три, которые сидят рядом на первой хромосоме. У обезьян есть NOTCH2NL-подобные гены, но они у них нефункциональны. С другой стороны, известно, что работающие версии NOTCH2NL появлялись в геномах других видов людей – у неандертальцев и денисовцев. В конечном счете удалось восстановить следующую картину: около 14 млн лет назад, у общего предка людей, горилл и шимпанзе ген NOTCH2 удвоился – это обычный случай, когда при копировании ДНК какой-то ее кусок копируется лишний раз. Но в случае с NOTCH2 вторая копия оказалась дефектной, неполной. Именно такой дефектный NOTCH2 есть у горилл с шимпанзе.

Потом, спустя 11 млн лет, у предков людей к неработающей копии NOTCH2 добавился необходимый кусок – так появился работающий ген NOTCH2NL. Спустя какое-то время рядом с ним появились еще две его копии, и число генов NOTCH2NL стало равно трем. Когда гены NOTCH2NL пересаживали мышам, кора мозга у животных развивалась сильнее, чем обычно, а когда NOTCH2NL выключали в человеческих стволовых клетках, которые должны были превращаться в нейроны коры, то такие стволовые клетки давали меньше зрелых нейронов.