Почему какаду танцует

Своевременный прием лекарств необходим в некоторых случаях, например, для подавления иммунитета после пересадки органа, лечения людей с туберкулезом и ВИЧ. Однако пациенты могут забыть принять препарат. Чтобы облегчить соблюдение расписания, ученые из Массачусетского технологического института придумали пилюлю, которая «сообщает» о том, что была проглочена.

Каждая пилюля содержит маленькую антенну из цинка, покрытую целлюлозой. Она компактно свернута и помещена внутрь пилюли вместе с лекарством. Сама капсула выполнена из желатина, покрытого целлюлозой и молибденом или вольфрамом, которые блокируют радиосигнал. После попадания в пищеварительный тракт покрытие растворяется, выпуская лекарство и антенну. Последняя получает сигнал из внешнего источника и с помощью небольшого чипа отсылает подтверждающий сигнал обратно. Обычно для этого требуется 10 минут.

Только чип не разлагается в пищеварительном тракте. Но его размер — 400 на 400 мкм, так что он выходит самостоятельно. Это коммерчески доступный компонент. Остальные компоненты распадаются в течение нескольких дней. В опытах на животных система успешно передавала сигнал из желудка на внешний приемник, который можно в будущем оформить как носимое устройство. Исследователи планируют в скором времени перейти к испытаниям на людях.

На охраняемой природной территории Де Лука во Флориде комары питаются не менее чем 86 видами животных, таким образом, их кормовая база охватывает почти все местное биоразнообразие позвоночных. Авторы статьи в Scientific Reports подтверждают, что кровососущих насекомых можно использовать для получения ДНК диких животных с целью мониторинга их разнообразия и численности. Руководитель исследования Лоуренс Ривз из Университета Флориды говорит, что его вдохновил «Парк юрского периода», где завязкой сюжета стала экстракция ДНК динозавров из комаров в янтаре.

За восемь месяцев исследователи собрали в заповеднике десятки тысяч комаров и проанализировали методом ДНК-баркодинга 2051 образец крови на наличие геномов млекопитающих, птиц, рептилий и амфибий. Среди комариной добычи оказались койоты, выдры, гремучие змеи, белоголовые орланы, жабы, аллигаторы и даже черепахи гоферы. Из крупных млекопитающих, обитающих в заповеднике, не удалось получить только ДНК находящейся под угрозой исчезновения флоридской пумы.

Преимущество этого подхода в том, что можно обнаруживать широкое видовое разнообразие, исследуя один тип образцов. Однако чтобы определить в конкретной местности виды комаров, обилие и пищевые предпочтения которых наиболее соответствуют целям мониторинга, необходимы дополнительные исследования.

Нейроморфные вычисления, сочетающие компактность с производительностью, считаются перспективными для создания искусственного интеллекта. Однако из-за отличий в работе полупроводниковых схем и биологических нейронов их сложно реализовать. В Nature Electronics описан искусственный нейрон с импульсным режимом работы, который обладает шестью ключевыми характеристиками живого нейрона. 

Искусственный нейрон, сконструированный учеными, состоит из одного диффузионного мемристора, одного транзистора и одного резистора. Он, как и биологические нейроны, обладает порогом срабатывания (аналогично порогу возбудимости нейрона), периодом рефрактерности и стохастичностью. Кроме того, он характеризуется внутренней пластичностью и некоторой утечкой. Наконец, искусственные нейроны можно соединять каскадно. 

Чтобы продемонстрировать возможности созданного нейрона, авторы смоделировали рекуррентную импульсную нейронную сеть и подтвердили, что ключевые характеристики влияют на производительность системы. Энергопотребление на один импульс измерялось пикоджоулями (10^–12), и авторы утверждают, что при дальнейшем масштабировании оно может достигнуть порядка аттоджоулей (10^–18). Исследователи заключают, что их разработка достаточно приближена к биологическому нейрону, чтобы обеспечить нейроморфные вычисления.

Природные характеристики грибов делают их идеальными объектами для биоэлектроники. Ученые из Университета штата Огайо наглядно продемонстрировали это на примере съедобного гриба шиитаке, получив из него органический мемристор — резистор с эффектом памяти, который можно использовать для создания вычислительных устройств.

Нейроморфные вычисления, вдохновленные структурой мозга, перспективны с точки зрения параллельной обработки и хранения данных. Однако подходящие для них чипы на основе полупроводников дороги в производстве, а нейронные органоиды требуют сложного обслуживания биореакторов. В качестве альтернативы исследователи предложили использовать гриб шиитаке (Lentinula edodes). Адаптивная электрическая сигнализация в мицелии этого гриба напоминает нейронные импульсы, где реакция на новые стимулы зависит в том числе от прошлых состояний.

Ученые вырастили грибы шиитаке и сконструировали из них ячейку памяти, контролируемо подавая электрические импульсы с помощью подключенных к грибам электродов. Оказалось, что мицелиальная сеть может функционировать как оперативная память компьютера, сохраняя функциональность на частотах до 5,85 кГц. Точность переключения между состояниями составила около 90%, но снижалась с дальнейшим увеличением частоты. Однако авторы уточняют, что эту проблему можно решить, включив в электрическую схему больше грибов.

Исследователи приходят к выводу, что «грибные компьютеры» могут лечь в основу масштабируемых систем для нейроморфных вычислений, а устойчивость шиитаке к радиации делает его перспективным для применения в аэрокосмической отрасли.

Международная группа ученых секвенировала геномы 390 трио «родители-потомок» для собак 43 пород. Исследования в формате трио применяются в медицинской генетике человека для поиска мутаций de novo, которых нет в геномах родителей, — мутаций, возникающих в сперматозоиде, яйцеклетке или в эмбрионе вскоре после зачатия.

В среднем у одного щенка появляется несколько десятков таких мутаций (4,89 × 10⁻⁹ на пару оснований). Возраст отца увеличивал количество новых мутаций у щенков, причем быстрее, чем это было показано у людей. (Самцы собак накапливают в 1,5 раза больше мутаций в сперме за год после полового созревания, чем люди.) Материнский эффект также наблюдался, хотя и менее выраженный.

Крупные породы, по-видимому, накапливали больше ранних мутаций, однако у мелких пород число мутаций быстрее увеличивалось с возрастом. Общее число мутаций de novo на поколение было сходным у разных пород, независимо от того, насколько интенсивным был отбор при разведении.

Интересно, что у собак, в отличие от человека, количество новых мутаций было повышено в регуляторных участках генов, известных как CpG-островки. Причиной может быть отсутствие у псовых функционального гена PRDM9, продукт которого регулирует генетическую рекомбинацию в мейозе при образовании половых клеток у людей и других млекопитающих.

У одной собаки (чистокровная бордер-колли) было выявлено на порядок больше мутаций, чем в норме; большинство из них возникло у матери. Вероятно, это было связано с временным нарушением репарации ДНК в ходе развития яйцеклетки. Подобные явления известны и у людей. Гипермутировавшая собака, как и ее родители, прожила достаточно долго (14 лет).

Данные о скорости накопления мутаций de novo у собак важны для изучения эволюционной истории собак и волков; по оценкам авторов, собаки отделились от волков 23 000–30 000 лет назад. (В работе 2019 года давалась оценка 25 000–33 000 лет назад). Эти данные также стоит учитывать заводчикам.