Исследование повседневности

Законы природы одинаково хорошо работают в исследовательской лаборатории и за ее пределами. Каждый день мы имеем дело с физикой, химией и биологией, но не замечаем этого. Между тем, взглянуть на повседневность с точки зрения науки полезно, чтобы напомнить себе о том, насколько сложно устроен окружающий мир. Вместе с компанией Bayer рассказываем, как науки о жизни помогают увидеть сложные концепции в привычных вещах.

Подъем. Время: 6:30 утра

Каждый день начинается с того, что мы открываем глаза. Но пробуждаться организм начинает за некоторое время до этого, выходя из состояния сна постепенно. В какой именно момент мозг решает, что пора?

Наш организм умеет фильтровать нейронные сигналы, поступающие от сенсорного органа в мозг. Фильтрация может происходить на разных уровнях нервной системы: в спинном мозге, стволе мозга, таламусе, коре больших полушарий и некоторых других структурах. В результате на определенные уровни нервной системы поступает только часть информации, полученной предшествующими уровнями.

За счет существования таких механизмов в состоянии бодрствования мы очень хорошо воспринимаем сенсорные сигналы, а во сне — нет. Однако яркие стимулы, например яркий свет или громкий звук, могут с определенной легкостью запускать процесс пробуждения.

Важную роль в этом процессе играет ретикулярная формация. Это сетчатая структура, которая тянется вдоль всей оси ствола головного мозга. Практически все нервные сигналы, посылаемые в большой мозг по сенсорным путям, также поступают в ретикулярную формацию. Там оценивается их важность. Именно ретикулярная формация выполняет функцию фильтра, активируя кору только для обработки важных сигналов, но не для привычных или повторных сигналов.

Нейроны ретикулярной формации, особенно нейроны восходящей ретикулярной активирующей системы, играют решающую роль в поддержании бодрого состояния в течение дня и пробуждения ото сна.

После включения восходящей ретикулярной активирующей системы может пройти еще некоторое время до того, как человек окончательно проснется. Все дело в том, что для выведения всех «сонных» нейромедиаторов из вашего мозга требуется несколько минут. Именно поэтому, просыпаясь по будильнику, человек может ощущать навалившуюся слабость.

Умывание или душ. Время: 7:00 утра

Мы встаем с кровати и отправляемся в ванную, чтобы умыться или принять душ. Водные процедуры помогают нам окончательно проснуться — мы чувствуем себя бодрее. Побочным эффектом после контакта с водой может быть неприятное стягивание кожи и шелушение. Откуда это берется?

Начнем с того, что кожа — это три крупных слоя: эпидермис и дерма, под которыми находится гиподерма (подкожная клетчатка). Наружный слой — эпидермис кожи — это плоский многослойный ороговевающий эпителий. Многослойный — потому что включает в себя пять слоев: базальный, шиповатый, зернистый (живые клетки), блестящий и роговой (когда кожа шелушится, мы видим чешуйки этих слоев). Плоский он по виду клеток наружного рогового слоя. Ороговевающий — также из-за наличия рогового слоя.

Толщина и выраженность слоев разнится по всему телу. Например, блестящий слой есть только в сильно ороговевших участках кожи, на ступнях и ладонях. Эпителий на губах — тоже ороговевающий, но роговой слой там совсем тонкий. А вот внутренняя часть губы не ороговевает.

Кожа — это один из барьеров, отделяющих организм от внешней среды и возможных угроз: пыли и грязи, инфекционных агентов, токсических веществ. За барьерные функции кожи отвечает роговой слой эпидермиса. Сухость, которую может испытывать человек, обусловлена пониженным содержанием воды и межклеточных липидов в роговом слое, что вызывает нарушение нормальной функции клеток кожи и протекающих в ней ферментативных и синтетических процессов. Достаточный уровень воды в принципе очень важен для поддержания естественной структуры кожи и активности ферментов. Всему виной регулярные столкновения кожи с низкой влажностью, агрессивными моющими и дезинфицирующими веществами, ветром и солнечными лучами. Именно это приводит к сухости, шелушению, зуду, покраснению, микротрещинам и чувству стянутости кожи.

Для увлажнения рогового слоя важны как минимум два фактора: наличие межклеточных липидов, образующих барьерный слой и препятствующих выходу воды из кожи, и натурального увлажняющего фактора (НУФ). НУФ — комплекс молекул, обладающих способностью притягивать и удерживать влагу. Он состоит из различных аминокислот, солей и их метаболитов.

Завтрак. Время: 8:00 утра

Наступает время завтрака. Почти наверняка нам понадобится плита и сковородка, а также немного масла. Иногда вода или масло, попавшие на раскаленную сковороду, не начинают кипеть, а недолго «прыгают» по поверхности. С чем это связано?

Дело в том, что при определенной температуре поверхности масло, попавшее на раскаленную сковороду, сначала немного левитирует над ее поверхностью. Это явление объясняется эффектом Лейденфроста: жидкость при контакте с поверхностью, температура которой превышает температуру кипения этой жидкости, образует теплоизолирующую прослойку, которая замедляет выкипание.

На сковороде, разогретой примерно до 200 °C (точка Лейденфроста), вода испаряется с такой скоростью, что между раскаленной поверхностью и каплей жидкости образуется тонкий слой пара. Он и не позволяет воде мгновенно перейти в другое агрегатное состояние. Капля все равно испарится, но это произойдет медленнее, чем если бы поверхность сковороды была нагрета до температуры выше кипения воды, но ниже точки Лейденфроста.

Путь на работу. Время: 9:00 утра

После завтрака мы отправляемся на работу. Возможно, мы садимся на общественный транспорт, в личную машину или берем такси. Но почему стекло прозрачное? На первый взгляд, детский вопрос, но ответить на него не так просто.

Стекло — некристаллическое, часто прозрачное аморфное твердое вещество. В масштабе атомов стекло имеет общие характеристики структуры переохлажденной жидкости, но также демонстрирует все механические свойства твердого тела. Мы легко убеждаемся в этом сами каждый день.

Чтобы разобраться, почему обычное стекло пропускает волны диапазона видимого света, нужно в общих чертах разобраться в атомной структуре стекла и выяснить, каким образом с ней взаимодействуют фотоны.

Электроны окружают ядро атома, занимая разные энергетические уровни. Чтобы перейти с более низкого на более высокий уровень, электрон должен обладать большей энергией. И, наоборот, чтобы переместиться с более высокого на более низкий уровень, электрон должен обладать меньшей энергией.

Взаимодействуя с твердым веществом, фотон может поглощаться, отражаться или проходить сквозь препятствие без изменений. Стекло — как раз второй случай: атомы в стекле имеют электроны на таких орбиталях, что для перехода на более высокий уровень им необходим толчок энергии, которой недостаточно у фотонов видимого света.

Таким образом, фотон проходит сквозь стекло, практически не сталкиваясь с его атомами. А вот ультрафиолетовые фотоны несут энергию, необходимую для перехода электронов с орбитали на орбиталь. Поэтому обычное оконное стекло в ультрафиолетовом свете совершенно непрозрачное.

Обед. Время: 13:00

Первые несколько часов трудового дня позади. Самое время отправиться в столовую, где на обед подают картофельный суп. Жители России привыкли к картофелю. Это питательная пища, богатая калориями, β-каротином, полифенолами, аскорбиновой и α-липоевой кислотами, селеном и пищевыми волокнами. Однако перед тем, как эта культура окажется в супе, картофель необходимо вырастить, защитить от болезней и вредителей.

Погубить картофель могут резкие и продолжительные холода, дожди и засуха. Кроме самого знаменитого вредителя, колорадского жука, опасность для картофеля представляют другие различные насекомые, например жуки-щелкуны, особенно их личинки — проволочники. Они повреждают клубни и стебли растения. В отверстия, проделанные проволочником, могут попадать грибы и бактерии, вызывая гниение урожая. Ряд грибов может приводить к фитофторозу и парше. Также картофель уязвим к более чем 20 вирусам. Это приводит к снижению урожайности растения и порче клубней.

Один из способов уберечь картофель — применение пестицидов, химических средств защиты, которые помогают бороться с вредителями и болезнями растений. Пестициды объединяют следующие группы средств: гербициды (защищают от сорняков), инсектициды (защищают от насекомых-вредителей), фунгициды (защищают от патогенных грибов) и некоторые другие группы соединений. В зависимости от химического состава пестициды различаются по степени опасности.

Перед выходом на рынок каждый пестицид проходит государственную регистрацию — сложную процедуру научно-исследовательских и правовых мероприятий, которая длится практически пять лет. В процессе регистрации пестицида оцениваются его биологическая эффективность, воздействие на человека и окружающую среду, определяются классы его опасности и выявляются все возможные риски применения. В ходе регистрации эксперты регулирующих органов дают полную экологическую оценку и рекомендации к применению для минимизации экологических рисков, а также делают заключение о возможности регистрации пестицида. Препараты, которые не проходят испытания на безопасность, не допускаются к выводу на рынки. А для пестицидов, разрешенных к применению, устанавливаются санитарные нормативы и экологические регламенты, которые можно найти в инструкциях к этим препаратам.

Несоблюдение норм и правил применения пестицидов может привести к неприятным последствиям: гибели посевов, накоплению химических веществ в почве, появлению в объектах окружающей среды патогенной микрофлоры и превышению нормативов содержания в продукции остаточных количеств пестицидов.

Перерыв на кофе. Время: 15:00

Половина рабочего дня позади. Требуется перезагрузка, и вместе с коллегами мы отправляемся на кофе-брейк. Если вы не пьете один и тот же кофе каждый день, то, возможно, замечали, что вкус может отличаться в зависимости от способа приготовления.

Кофе можно заваривать по-разному, и даже холодным способом. Это долгий (вплоть до суток) процесс, идущий при комнатной температуре. Как выяснили ученые, таким образом, особенно при условии средней обжарки, выделяется больше кофеина, чем при горячем заваривании. Ученые полагают, что связано это с большей продолжительностью холодной заварки кофе. А вот от степени помола концентрация кофеина при холодном заваривании почти не зависит, то есть удельная площадь поверхности никак не влияет на концентрацию.

Разнообразить кофейный напиток можно не только за счет другого способа приготовления. Многие любят смягчать кофейную горечь молоком или сливками. При этом холодные молоко или сливки обычно добавляются в горячий кофе.

Помните раскаленную сковороду, левитирующее масло и эффект Лейденфроста? В случае с кофе можно наблюдать похожий эффект: капля холодного молока может недолго левитировать над горячим кофе из-за эффекта Марангони. Холодная капля нагревается вблизи горячей поверхности кофе, а поверхность кофе, напротив, охлаждается вблизи капли. Происходит локальное изменение поверхностного натяжения и возбуждение потоков в кофе и молоке. Течение жидкости приводит к тому, что воздух медленнее уходит из пространства между ними — таким образом, недолгое время молоко находится в «подвешенном» состоянии над поверхностью напитка.

Ужин. Время: 19:00

Мы вернулись домой и готовим ужин. Одно неловкое движение — и на пальце образуется небольшой порез. Это довольно распространенная бытовая травма. Она вряд ли вызовет у кого-либо сильное беспокойство: спустя несколько минут кровь останавливается. Что произошло?

В случившемся важную роль играет система свертывания крови. Свертыванием крови называют сложный ферментативный процесс образования в крови нитей белка фибрина, который полимеризуется и образует тромбы. В результате кровь теряет текучесть, приобретая немного творожистую консистенцию.

Обычно это слаженный процесс, которой препятствует излишней кровопотере при травмах. Но иногда что-то идет не так и процесс нарушается в сторону гиперкоагуляции — повышенной свертываемости крови. Это приводит к увеличению риска развития тромбоза. Такое состояние может быть унаследовано или приобретено в течение жизни, однако чаще всего тромбоз возникает из-за совокупности как генетических факторов, так и факторов окружающей среды. Антикоагулянты — препараты, которые, уменьшая свертываемость крови, снижают риск образования кровяных сгустков крови в кровеносных сосудах и сердце, уменьшая вероятность наступления неблагоприятных сердечно-сосудистых событий.

Прогулка. Время: 20:00

Порез как будто спустил триггер, и на нас обрушивается усталость, которая накопилась за целый день. Мы отправляемся на вечернюю прогулку, чтобы снизить уровень стресса. И действительно — на улице чувствуется прилив хорошего настроения. С чем это связано?

Большая часть нейронов головного мозга человека задействована в управлении движениями, в запоминании двигательных программ. Часто для эффективной реализации движения их нужно повторять и проходить процедуру двигательного обучения. Для этого необходимо положительное подкрепление и эмоции.

Для этого есть нейромедиатор — дофамин, его основным источником являются нейроны компактной части черной субстанции (определенный участок среднего мозга). Их аксоны идут в базальные ганглии и там обеспечивают основу для формирования двигательных навыков. Также обучение происходит на уровне мозжечковых структур.

Самые разные типы движений, которые мы генерируем корой больших полушарий, «прописываются» в мозжечке базальных ганглиев после многократных повторов. Это происходит на фоне выделения дофамина, поэтому повторять движения приятно. Особенно эта система развита у маленьких детей, поэтому они охотно повторяют одни и те же действия.

Если у вас активно развита черная субстанция, по жизни вы можете быть очень активным. Вы будете охотно гулять и заниматься спортом, заряжаясь хорошим настроением. Биологический смысл двигательного обучения заключается в том, что для удовлетворения самых разных потребностей нужно хорошо двигаться — например, для ловли добычи или побега от хищника.

Спонтанная уборка. Время: 22:00

После прогулки нам все еще не очень хочется спать. Почему бы не почитать? Из-за плотного рабочего графика мы редко читаем и постоянно откладываем дела по дому — например, уборку. Неудивительно, что книжная полка успела покрыться слоем пыли. Откуда она берется, из чего состоит?

Пыль представляет собой мелкие твердые частицы органического или минерального происхождения. В домашней пыли могут встречаться чешуйки кожи, цветочная пыльца, волокна ткани и бумаги. Также в ее составе могут встречаться даже частички космического происхождения: это мелкие кусочки метеоритов.

В домашней пыли могут обнаруживаться даже крохотные клещи. Сам по себе такой клещ безопасен — он не портит продукты и не переносит заболевания или яйца паразитов. Однако продукты жизнедеятельности клещей домашней пыли — наиболее частая причина возникновения аллергии и одна из наиболее частых причин возникновения астмы. В пыли могут находиться и другие живые существа, например бактерии и грибки.

Состав пыли неодинаков и многое может рассказать о жильце дома. Вообще говоря, довольно важно понимать состав пыли, потому что некоторые ее «жители» могут вредить здоровью человека (например, устойчивые к антибиотикам бактерии или же аллергены), а некоторые, наоборот, могут быть даже полезны — пониженное разнообразие микробов в доме может объяснять рост числа аллергий у детей.

С помощью молекулярного анализа состава пыли и статистической обработки полученных данных уже в 2015 году ученые смогли вычислить пол жителей дома, примерное соотношение мужчин и женщин в нем и его географическое расположение по тому, какие бактерии и грибки присутствуют в домашней пыли. Также по наличию тех или иных бактерий в пыли оказалось возможным достаточно точно определить, живет ли в квартире кошка или собака.

В результате исследования, опубликованного в Proceedings of the Royal Society B, ученые пришли к выводу, что грибки в основном оказываются в доме извне, и если вам необходимо избавиться от каких-либо из них (например, из-за аллергии), то, скорее всего, придется сменить место жительства. В случае бактерий, напротив, большее влияние оказывают жильцы дома, а не география его расположения.

Чтение перед сном. Время: 23:00

Когда с уборкой покончено, можно наконец открыть книгу. Мы чувствуем характерный «книжный» запах. На самом деле, разные книги могут пахнуть по-разному.

Бумага в основном состоит из целлюлозных волокон. В отличие от целлюлозы, другие сопутствующие вещества (в основном гемицеллюлозы и лигнин) гораздо более уязвимы для реакций старения, вызванных повышенной влажностью или сильной сухостью, теплом и светом. Соответственно, старение бумаги сильно зависит от нецеллюлозных примесей, количество которых различается в зависимости от технологических методов, используемых при производстве бумаги. Добавки в бумагу (проклеивающие реагенты и вспомогательные агенты) также могут быть источником уязвимости бумаги.

Летучие органические соединения являются источником запаха книг. По мере старения бумаги некоторые химические реакции приводят к появлению этих летучих соединений. Например, в результате окисления целлюлозы образуются альдегиды и кетоны, а от разложения лигнина — ванилин. Некоторые книги могут неприятно пахнуть старой одеждой (за это, по-видимому, ответственен гексан) или мусором (из-за пропионовой кислоты). Ванилин, бензальдегид, фурфурол могут быть связаны с более приятными запахами миндаля, ванили, карамели, печенья и шоколада. Сладкий аромат также характерен для толуола и ксилола, а за травянистые древесные нотки ответственны такие альдегиды, как гексаналь, нонаналь и ундеканаль.

Чтение книги продолжается недолго — после насыщенного дня человека клонит в сон. Однозначного объяснения, почему чтение может усыплять, нет. Возможно, так происходит потому, что многие люди читают как раз в конце рабочего дня, прямо перед сном. И чаще всего — в удобной позе.

Кьяра Макиевская