Наука за неделю: «пробки» в воздухе, путь к спокойствию и кое-что о голоде
И в воздухе бывают пробки. К счастью, без участия самолетов
На днях в очередной раз подтвердилось, что метеорология — самая точная в мире наука, вопреки расхожим представлениям о работе синоптиков. Американские ученые из университета Чикаго выяснили, что «блоки» в атмосфере, из-за которых возникают длительные погодные аномалии, по своей природе схожи с пробками на дорогах. Статья с математическим обоснованием такой аналогии вышла 6 июля в научном журнале Science.
Ученые построили теоретическую модель омега-блокирования — ситуации, при которой воздушное течение огибает антициклон и надолго «запирает» его над обширными территориями. Выяснилось, что атмосферные «блоки» хорошо описываются примерно теми же уравнениями, что и пробки на автодорогах.
Как и у автомобильного потока, у высотных струйных течений есть своя «пропускная способность». Стоит ее превысить, как на трассе возникает транспортный коллапс, а поток воздуха начинает «вилять» из стороны в сторону, образуя петли радиусом в сотни и даже тысячи километров. Таким искривлениям воздушных течений способствуют препятствия рельефа, подобно тому как из-за обилия перекрестков возникают заторы на дорогах.
На картах погоды эти искривления, в которых «запутываются» антициклоны, напоминают греческую букву «омега» (Ω). Отсюда и возник сам термин «омега-блокирование». Омега-блоки могут сохраняться в атмосфере от нескольких дней до недель, являясь главной причиной погодных аномалий в средних широтах. Так, например, заблокированный над Европой антициклон стал причиной беспрецедентной жары летом 2003 года. Тогдашнее пекло стоило жизни более чем 20 тысячам человек — в основном, старикам и людям со слабым сердцем.
У метеорологов по сей день не было стройной теории возникновения омега-блоков, что сильно затрудняло долгосрочное прогнозирование погоды. Если модель американских ученых выдержит дальнейшую проверку реальностью, синоптики с полным правом смогут воскликнуть: «Есть такая теория!»
Спокойствие, только спокойствие! На пути к транквилизаторам третьего поколения
С тех пор как в марте 2018 года немецкие ученые определили структуру белка хантингтина, похожих громких открытий случалось не так много. И вот 5 июня в журнале Nature была опубликована структура рецептора гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), с которым связываются бензодиазепиновые транквилизаторы — популярнейшие успокоительные препараты.
Ученые наработали генно-инженерными методами нужные количества искомого ГАМКA-рецептора и закристаллизовали его вместе с самой ГАМК, а также флуманезилом — веществом, которое механически блокирует связывание бензодиазепинов. Пространственная структура комплекса рецептор-ГАМК-флуманезил определена методом электронной микроскопии в жидком азоте с разрешением около 3,9 ангстрем (1 ангстрем (Å) = 10-10 м). Изоформа ГАМКA-рецептора, с которой работали иссследователи, состояла из двух α1-субъединиц, двух β2-субъединиц и одной γ2-субъединицы.
Выяснилось, что эти 5 субъединиц образуют относительно симметричную левозакрученную структуру с пόрой в центре. Ранее уже было известно, что эта пόра открывается для хлорид-ионов (Cl-) в ответ на связывание ГАМК — основного «тормозного» нейромедиатора в центральной нервной системе (ЦНС). Это, в свою очередь, замедляет передачу нервного импульса от нейрона к нейрону через синаптическую щель, в которой и располагается рецептор. На одну молекулу рецептора приходится два одинаковых участка связывания ГАМК, каждый из которых образован внеклеточными фрагментами α1- и β2-субъединиц.
В свою очередь, те же фрагменты α1- и γ2-субъединиц образуют «впадину», куда встраивается молекула флуманезила. Известно, что там же связываются и бензодиазепины, структурным аналогом которых тот является. Еще с тремя потенциальными участками связывания — одним на границе α1- и β2-субъединиц и двумя на стыке β2- и γ2-субъединиц — из-за небольших структурных отличий не взаимодействуют ни ГАМК, ни флуманезил.
Теперь разработка более щадящих и эффективных транквилизаторов, чем классические бензодиазепины, может стать реальностью, если не обыденностью. Во всяком случае, это открытие наверняка облегчит целенаправленный поиск новых успокоительных препаратов, мишенью которых будет всё тот же ГАМКA-рецептор.
В свите Царя Голода прибыло
Давно не секрет, что самые «простые» инстинкты, сколь бы однозначно они ни проявлялись, имеют сложнейшую физиологическую подоснову. На этот счет не дадут соврать сингапурские ученые, которые в сотрудничестве с китайскими коллегами недавно обнаружили в мышином мозгу очередной нервный контур, вовлеченный в чувство голода. Статья с описанием открытия опубликована 6 июля в журнале Nature.
Коллектив ученых изучил, что происходит в гипоталамусе — одном из подкорковых ядер головного мозга — в ответ на принудительное голодание. Выяснилось, что нервные клетки, вырабатывающие гормон соматостатин и находящиеся в латеральном ядре туберальной части гипоталамуса (англ. nucleus tuberalis lateralis; NTL), активируются при долгом отсутствии пищи. То же самое наблюдали и при введении мышам грелина — гормона, который обычно выделяется «на пустой желудок» клетками его слизистой оболочки и сигнализирует о подступающем голоде.
Избирательная активация соматостатиновых нейронов NTL повышала мышиный аппетит, в то время как их «выключение» давало обратный эффект. Мыши, у которых эти нейроны были полностью удалены, ели очень мало и быстро теряли вес.
Ученые также выяснили, какие ближайшие структуры активируются вслед за NTL, когда мышь голодна. Оказалось, что возбуждение передается непосредственно в паравентрикулярное ядро гипоталамуса (англ. paraventricular nucleus of the hypothalamus; PVN) и так называемое ядро терминальной полоски (англ. bed nucleus of the stria terminalis, BNST).
У человека в состоянии голода, по всей вероятности, срабатывает тот же нервный контур, что и у мышей. И дело тут не только в эволюционной близости приматов и грызунов, но и в экспериментальных свидетельствах, пусть и косвенных. Так, известно, что повреждение или патология NTL приводит к тяжелейшему истощению организма — так называемой кахексии. Интересно, что при некоторых заболеваниях центральной нервной системы (ЦНС) эта область мозга также страдает. В частности, при болезни Хантингтона нейроны NTL постепенно отмирают, а при болезни Альцгеймера — вырабатывают всё меньше и меньше соматостатина.
Связано ли одно с другим, науке пока точно неизвестно, однако ожирение и само по себе представляет серьезную социальную проблему. Особенно если учесть, что избыточным весом, по оценкам ВОЗ, страдает ни много ни мало 13% населения Земли. Во многом именно поэтому ученые мечтают научиться управлять чувством голода на нейрофизиологическом уровне, к чему и был сделан очередной шажок.
Выведем рак на чистую воду!
Свои новости, как водится, пришли на этой неделе и с антиракового фронта. Однако на этот раз это были не очередные вариации на давно знакомые темы, а по-настоящему прорывное иммуннотерапевтическое исследование. Субстанцию, которая помогает макрофагам «съедать» в числе прочих раковые клетки, разработал коллектив американских ученых, о чем 2 июля вышла статья в журнале Nature Biomedical Engineering.
Известно, что раковые клетки спасаются от «съедения» макрофагами двояко. Во-первых, они секретируют макрофагальный колониестимулирующий фактор (MCSF), который связывается со своим рецептором CSF-1R и способствует переходу макрофагов в «антивоспалительное» M2-состояние, в котором те подавляют антиопухолевый иммунитет. Во-вторых, опухолевые клетки несут на своей поверхности белок CD47, который взаимодействует со своим рецептором SIRPα и тем самым тоже не дает макрофагам нейтрализовать «диверсантов».
Американским исследователям удалось отчасти преодолеть каждый из этих механизмов. Для этого они объединили в одну структуру жироподобные молекулы, которые блокируют CSF-1R, и антитела к SIRPα. Такая субстанция блокирует оба этих макрофагальных рецептора. В результате макрофаги возвращаются в свое «нормальное» M1-состояние, а эффективность «поедания» ими раковых клеток возрастает в разы. Лучшее тому подтверждение — выраженная антиопухолевая активность соединения в животных моделях меланомы и рака груди.
Авторы изобретения считают, что будущее антираковой иммунотерапии именно за такими «бифункциональными» структурами, с чем сложно не согласиться, ведь блокировать сразу две мишени гораздо надежнее и эффективнее, чем одну. Кроме того, такие структуры лучше концентрируются внутри опухоли, что усиливает и продлевает терапевтический эффект, равно как и снижает их токсичность для здоровых тканей.
Куда ты, мотылек, путь держишь?
Для большинства не секрет, что многие животные способны не только воспринимать магнитное поле Земли, но и ориентироваться по нему. Это касается некоторых птиц, рыб и черепах, ведущих преимущественно ночной образ жизни. Однако среди насекомых таких примеров не встречалось, пока интернациональный коллектив ученых из Европы, Канады и Австралии не обратил внимание на гигантского мотылька Богонга. Статья c описанием открытия опубликована 9 июля в журнале Current Biology.
Про этих удивительных насекомых известно, что они совершают перелеты на расстояние до 1000 километров, достойные иных представителей семейства пернатых. Каждую весну эти мотыльки мигрируют с юго-западного побережья Зеленого континента в район Австралийских Альп, где живут в пещерах около полугода, после чего перед смертью возвращаются по тому же маршруту «в родные пенаты».
В своих экспериментах ученые использовали систему колец Гельмгольца, в которой можно варьировать азимутальное направление магнитного поля Земли от 0 до 120° без изменения напряженности. Предварительные измерения показали, что сама по себе ориентация магнитного поля не влияет на то, под каким углом полетит мотылек, как это бывает у ночных птиц. В похожем опыте с нанесенными на стенку катушки визуальными ориентирами мотыльки «заблуждались» в воздухе, когда местоположение этого ориентира не совпадало с заданным направлением поля. Если же оба фактора действовали согласованно, то курс изменялся.
Всё говорит о том, что эти ночные насекомые корректируют свой полет и по магнитному полю Земли, и по визуальным ориентирам, причем сочетание обоих факторов обязательно. Не исключено, что очередной «урок» от матушки-природы поможет нам в усовершенствовании навигационного оборудования, подобно тому, как изучение аэродинамических особенностей колибри помогло в разработке шпионских беспилотников.
