Подписаться
Оглавление
Биомолекула

SciNat за июнь 2024 #4: преимущества парящих птиц, этические вопросы LLM, «хорошие» и «плохие» бактерии, как лечатся шимпанзе в дикой природе

SciNat за июнь 2024 #4: преимущества парящих птиц, этические вопросы LLM, «хорошие» и «плохие» бактерии, как лечатся шимпанзе в дикой природе

  • 201
  • 0,0
  • 0
  • 0
Добавить в избранное print
Дайджест

Точка взлета. — The respiratory system influences flight mechanics in soaring birds.

Из нового июньского выпуска SciNat вы узнаете, какие анатомические преимущества есть у парящих птиц, как связаны бактерии и рак, что такое корпускулы Краузе, как научить LLM перестать «галлюцинировать», а также многое другое.

Зоология

Как парить дольше?

Субпекторальный дивертикул (subpectoral diverticulum, СПД), который находится под грудью — часть дыхательной системы птиц, расположенная между основными мышцами, которые отвечают за взмахи крыльев. Исследование 68 видов птиц показало, что СПД присутствует почти у всех парящих птиц, но отсутствует у тех, кто не парит. Это открытие предполагает, что СПД эволюционировал независимо в связи с парящим полетом как минимум семь раз, что говорит о его важной роли в этом типе полета.

На примере парящих канюков Buteo jamaicensis и Buteo swainsoni ученые выяснили, что СПД не участвует непосредственно в дыхании. Тем не менее, в статье рассматриваются предположения о том, зачем птицам нужен субпекторальный дивертикул.

Во-первых, СПД играет важную роль в парящем полете. Птицы, которые долгое время парят в воздухе, нуждаются в устойчивом и экономичном использовании своих мышц. СПД помогает увеличить рычаги мышц, что позволяет им более эффективно использовать силу для поддержания горизонтального положения крыла. Это особенно важно для птиц, которые часто парят, так как они могут держать крылья неподвижными без больших затрат энергии.

Во-вторых, СПД оказывает значительное влияние на механику работы мышц. Хотя он не помогает птицам дышать, как основные воздушные мешки, его наличие увеличивает момент плеча мышц pectoralis, что улучшает механическое преимущество системы рычагов. Проще говоря, это делает мышцы более эффективными, что помогает птицам поддерживать стабильное положение крыльев при парении.

Наконец, исследования показали, что СПД эволюционировал независимо в нескольких группах птиц, и это подчеркивает его важность для адаптации к парящему полету. Открытие позволяет предположить, что СПД улучшает функциональные характеристики мышц, необходимые для долгого и экономичного парения в воздухе.

В целом, эти данные позволяют сделать вывод, что СПД играет ключевую роль в механической эффективности полета у парящих птиц и мог повлиять на эволюцию их летательного аппарата.

Открытие механической роли дыхательной системы в полете птиц подчеркивает, насколько сложной и многофункциональной может быть эта система. Это также указывает на то, что легочные дивертикулы могут выполнять и другие, еще не известные функции. Эти данные объясняют, почему СПД снова и снова появляется у различных парящих видов, и показывают, что дыхательная система может адаптироваться для решения биомеханических задач, связанных с полетом, влияя на эволюцию птиц. — The respiratory system influences flight mechanics in soaring birds, «Биомолекула»: «Перелететь Гималаи».

Онкология

Бактерии и рак

Наш кишечник населен миллиардами микробов, которые играют ключевую роль в нашем здоровье, включая эффективность лечения рака. Недавно ученые обнаружили, что соотношение различных микробных сообществ в кишечнике может предсказывать, как пациент будет реагировать на инновационные лекарства от рака. Это открытие дает возможность точнее диагностировать и индивидуализировать лечение раковых заболеваний.

Исследования показали, что иммунотерапия, которая помогает иммунной системе распознавать и атаковать раковые клетки, зависит от состава микробиоты. До сих пор ученые безуспешно искали одну-единственную бактерию, которая могла бы улучшить результаты лечения. Однако последние данные свидетельствуют о том, что важен не отдельный микроб, а структура микробного сообщества в целом. Например, у пациентов с преобладанием бактерий, связанных с положительным ответом на лечение, наблюдалось значительное улучшение результатов терапии и выживаемости.

На основе этих открытий разработан диагностический инструмент, который анализирует соотношение полезных и вредных бактерий в кишечнике. Этот тест уже продемонстрировал свою эффективность в предсказании реакции на лечение у пациентов с разными видами рака, включая рак легких и почек. Несмотря на необходимость дальнейших исследований и подтверждений, врачи и ученые уверены, что этот инструмент может стать важным шагом вперед в онкологии, позволяя более точно подбирать терапию и улучшать исходы лечения для многих пациентов. — Gut microbiome discovery provides roadmap for life-saving cancer therapies, «Биомолекула»: «Микробиом кишечника: мир внутри нас».

Физиология

Корпускулы Краузе

Нервные клетки на пенисе и клиторе обнаруживают вибрации и вызывают сексуальные реакции, такие как эрекция, как показало исследование на мышах. Эти открытия способны помочь разработать новые методы лечения эректильной дисфункции и восстановить сексуальную функцию у людей с параличом нижней части тела.

Корпускулы Краузе — нервные окончания, расположенные под кожей гениталий. Они были обнаружены более 150 лет назад, но долгое время оставались малоизученными. Исследователи из Гарвардской медицинской школы, используя современные молекулярные методы, активировали эти нервные клетки у мышей и выяснили, что они реагируют на низкочастотные вибрации. Эти частоты часто используются в сексуальных игрушках, что подтверждает их эффективность.

Генетически модифицировав мышей, ученые показали, что активация корпускул Краузе вызывает эрекцию у самцов и сокращения влагалища у самок. Отсутствие этих корпускул приводит к невозможности нормального спаривания, что подчеркивает их важность для сексуальной активности. Исследователи также выяснили, что эти нервные окончания развиваются перед половым созреванием и подключаются к определенной области спинного мозга, что подтверждает автоматический характер сексуальных рефлексов. — Sensory secrets of penis and clitoris unlocked after more than 150 years.

Искусственный интеллект

Когда LLM начинает галлюцинировать

Искусственные интеллекты, такие как ChatGPT или Gemini, уже умеют поражать нас своими способностями ответить практически на любой вопрос. Но есть одна проблема: иногда они генерируют ответы, которые могут быть не только неверными, но и полностью произвольными. Это явление в научном мире получило название «галлюцинаций» и может представлять серьезную угрозу в критически важных областях, таких как медицина или право, где точность информации крайне важна.

Чтобы решить эту проблему, исследователи предложили новый подход, используя так называемую семантическую энтропию — меру, которая помогает понять, насколько разнообразны ответы модели в смысловом плане. Если один и тот же вопрос может быть интерпретирован моделью множеством разных способов, это поднимает семантическую энтропию и указывает на потенциальную неопределенность или даже риск «галлюцинаций».

Методика работает следующим образом: модель генерирует несколько ответов на один и тот же вопрос, затем эти ответы группируются по их смыслу. Если все сгенерированные ответы семантически схожи, значит, модель уверена в своем ответе. Если же ответы сильно различаются — это сигнал о высокой энтропии и потенциальной ненадежности выводов модели.

Этот подход не только помогает определить, когда модель может «галлюцинировать», но и открывает новые возможности для повышения точности и надежности ответов, отказываясь отвечать на вопросы, где риск ошибки высок. Таким образом, семантическая энтропия обещает стать важным инструментом в арсенале разработчиков и пользователей больших языковых моделей, стремящихся к максимальной точности и безопасности своих AI-систем. — Detecting hallucinations in large language models using semantic entropy, «Биомолекула»: «Как языковые модели покорили мир белков».

О важности этики при использовании AI

История Луи Виктора Леборнье, человека, чей мозг помог открыть знаменитую зону Брока, ключевую для речи, напоминает о значении каждого участника научных исследований. В новом номере журнала Nature уделяется особое внимание человеческому мозгу, который изучается с невиданной доселе детализацией.

Современные технологии, такие как записи активности отдельных нейронов у пациентов во время операций на мозге, открывают завесу тайны над тем, как мозг обрабатывает речь. Создание атласов типов мозговых клеток и карт выражения генов обещает революцию в понимании того, как клеточные и молекулярные процессы формируют наше поведение и когнитивные способности.

Перед нейронаукой стоит амбициозная задача — разработка персонализированных методов лечения неврологических и психиатрических расстройств. Такой подход мог бы кардинально улучшить эффективность терапий, которые сейчас зачастую разрабатываются на основе данных, полученных в исследованиях на животных и не всегда успешно адаптируемых для человека.

Однако исследователям важно помнить о моральной и этической стороне своей работы. Мозг — это не просто орган, а хранилище наших воспоминаний, опыта и личности. Используя человеческий мозг в исследованиях, будь то небольшие его части или 3D-органоиды, ученые обязаны сохранять достоинство и уважение к личности доноров.

Этические стандарты, такие как Декларация Хельсинки, требуют от исследователей не только получения информированного согласия участников, но и постоянного поддержания диалога с ними, чтобы люди могли делать осознанный выбор на протяжении всего исследования, особенно если оно касается таких уязвимых групп, как пациенты с неврологическими заболеваниями.

С развитием искусственного интеллекта и машинного обучения появляются новые вызовы, связанные с возможностью идентификации личности по анонимизированным данным или ошибочной профиляцией на основе нейроданных. Исследователи призывают к строгому контролю за использованием данных и к активному вовлечению участников в обсуждение условий их использования.

Так, вступая в новую эру, нейронаука обещает не только новые открытия, но и поднимает важные вопросы о том, как эти знания будут использоваться в интересах человечества. — Human neuroscience is entering a new era — it mustn’t forget its human dimension.

Медицина

COVID-19 и T-клетки

Когда речь заходит о COVID-19, ученые все еще стараются разгадать, почему некоторые люди легко подхватывают вирус, а другие — нет. Исследование команды Линдебума, опубликованное в журнале Nature, бросает вызов этому вопросу, используя уникальный подход — контролируемую инфекцию у людей, которые никогда ранее не сталкивались с вирусом SARS-CoV-2. Это позволило ученым заглянуть в самое начало иммунного ответа на вирус.

В этом исследовании участвовали 16 молодых здоровых взрослых, которые не были вакцинированы против COVID-19 и не имели антител к белкам вируса SARS-COV-2, что свидетельствует о том, что они не перенесли инфекцию ранее. Участникам вводили через нос очень низкие дозы исходного штамма вируса SARS-CoV-2, и затем ученые внимательно наблюдали за их реакцией. Для анализа использовались образцы соскобов из носа и крови, взятые до заражения и после него на протяжении 28 дней.

Результаты оказались удивительными: из 16 участников шестеро развили устойчивую инфекцию с легкими симптомами, проявляющуюся в многократных положительных результатах тестов на вирус. Остальные десять участников либо испытали преходящую инфекцию с периодическими положительными тестами, либо так называемую абортивную инфекцию, при которой вирус так и не был обнаружен.

Несмотря на различия в исходах инфекции, у всех участников были зафиксированы схожие ранние сигнатуры генной экспрессии, указывающие на активацию врожденной иммунной системы. Это включало временное снижение активированных моноцитов и повышение уровня активированных Т-клеток, связанных со слизистыми оболочками — клеток, которые играют ключевую роль в первой линии защиты от инфекций.

Особенно интересным было наблюдение за тем, как участники с преходящей инфекцией показали стабильный иммунный ответ на вирус уже в первый день после заражения, что, возможно, помогло их организмам быстро справиться с вирусом. В то время как у участников с устойчивой инфекцией этот ответ проявился значительно позже, что указывает на замедленную реакцию их иммунной системы на месте первичного контакта с вирусом.

Это исследование не только подсветило важные аспекты иммунного ответа на SARS-CoV-2, но и подчеркнуло потенциальную эффективность терапевтических подходов, стимулирующих раннюю антивирусную активность в носоглотке, что может стать ключом к предотвращению развития полноценной инфекции. — First encounter with SARS-CoV-2: immune portraits of COVID susceptibility, «Биомолекула»: «SARS-CoV-2».

Шимпанзе — мастера самолечения

Исследование показывает, что больные шимпанзе целенаправленно ищут растения с антибактериальными и противовоспалительными свойствами.

За последние десятилетия накопились доказательства того, что животные обращаются к лечебным растениям для облегчения своих недугов. Шимпанзе, например, проглатывают листья, чтобы очистить кишечник от паразитов, и используют сердечник Vernonia amygdalina для избавления от кишечных червей. Недавно наблюдали, как самец суматранского орангутана жевал листья Fibraurea tinctoria и наносил сок на рану.

В журнале PLOS ONE международная команда предлагает добавить 17 образцов из 13 видов растений в фармакопею шимпанзе. Наблюдения проводились в лесу Будонго в Уганде, где из 170 шимпанзе исследователи сосредоточились на 51 больной особи. В течение 10 часов в день ученые следили за шимпанзе, отмечая, какие растения они ели.

В одном случае особь с диареей съела немного мертвой древесины Alstonia boonei, что необычно для шимпанзе. Другой шимпанзе с раной на руке ел листья папоротника Christella parasitica.

Исследователи протестировали все растения, съеденные шимпанзе, на наличие антибактериальных и противовоспалительных свойств. Из 13 исследованных растений 11 используются в местной традиционной медицине.

Для всех 51 больных шимпанзе самолечение оказалось эффективным. «Каждая особь выздоровела — и относительно быстро», — говорит приматолог из Оксфорда Элодие Фрейманн.

Остаются вопросы о сознательности выбора лечебных растений шимпанзе. Приматолог из Гарварда Ричард Врангем хотел бы увидеть, есть ли у растений, которые шимпанзе избегают, отсутствие лечебных свойств. Тем не менее, статья — хороший шаг вперед.

Ученые не уверены, как животные учатся самолечению. Майкл Хаффман считает, что болезнь вызывает инстинктивное желание горькой пищи. Джон Арнасон полагает, что приматы могли использовать те же методы проб и ошибок, что и люди, передавая информацию потомкам.

Другие животные тоже используют природные средства. Например, дельфины трутся об антибактериальные кораллы и губки для лечения кожных инфекций. — Chimps use more plant medicines than any other animal.

Комментарии