Ученые сделали искусственную певчую птицу. Из резиновой трубки и моторчика
Ученые из Гарвардской Школы инженерных и прикладных наук имени Джона Полсона разработали устройство, подражающее птичьему пению. Оно позволяет воспроизводить сложные песни, отличающиеся большим диапазоном частот и резкой сменой тона. Также исследователи предложили математическую модель, описывающую механизм пения. Статья опубликована в Journal of the Royal Society Interface.
В отличие от млекопитающих, у птиц отсутствуют голосовые связки. Птицы поют с помощью специального органа, расположенного в основании трахеи — сиринкса. При продувании воздуха через сиринкс его стенки и козелок (выступ в нижней гортани) вибрируют, что и создает звук. Птица может менять частоту звука и его окраску, контролируя натяжение мембран и диаметр бронхов. При этом допустимый диапазон частот и скорость переходов обычно довольно велики, что позволяет птицам исполнять сложные песни.
Тем не менее, физика птичьего пения пока еще исследована недостаточно подробно, и существующие теоретические модели плохо описывают происходящие в ходе пения процессы. Например, они не в состоянии объяснить широкий диапазон частот, доступных птицам. Кроме того, не ясно, как именно птицы управляют своим пением. Эти вопросы учёные прояснили в своей работе, разработав простую модель сиринкса и воспроизведя записи живых птиц.
Чтобы собрать механический сиринкс, исследователи использовали тонкую эластичную трубку (модуль Юнга около 1 мегапаскаля) 2 сантиметра в длину, 2,5 миллиметра в диаметре и с толщиной стенок 0,1 миллиметра. Для моделирования снижения напора воздуха в ходе выдоха у торца трубки был установлен счетчик и регулятор потока. Для имитации мышц, контролирующих напряжение стенок, использовался мотор, сжимающий и растягивающий трубку. Мотор мог двигаться с частотой до 30 герц и амплитудой до 1 миллиметра, что позволило воспроизвести быстрые переходы в сложных песнях. Стоит заметить, что настоящий сиринкс гораздо более короткий (около 1 миллиметра в длину) и мягкий (модуль Юнга 1000 паскаль), чем механический, что приводит к различным скоростям звука в системах. Однако параметры были подобраны исследователями таким образом, чтобы издаваемые искусственным и настоящим органом частоты были одинаковы.
Для проверки механического сиринкса ученые смоделировали песни трех различных видов птиц — виреона, бенгальского зяблика и зебровых амадин. Чтобы воспроизвести тональную песнь виреона, мотор был помещен близко ко «рту» прибора (конец трубки, противоположный тому, где установили регулятор потока водуха) и запрограммирован на медленное изменение частоты. Для имитации пения бенгальского зяблика двигатель поместили дальше от торца, чтобы вызвать как тональные звуки, так и переливы. Случай зебровых амадин был наиболее сложным, поскольку их пение отличается большим диапазоном частот и быстрыми переходами. Исследователям пришлось сдвинуть мотор еще дальше и заставить его быстро менять форму трубки, но полностью воспроизвести пение не удалось из-за ограничений на максимальное линейное ускорение двигателя. В двух других случаях спектральная картина была восстановлена практически точно.
Также учеными была предложена простая математическая модель, позволяющая описать механизм изменения звука. Они считали, что процессы, происходящие в ходе пения, приближенно описываются гармоническим осциллятором с медленно изменяющейся частотой и затуханием, так что на коротких временных интервалах параметры можно считать постоянными. Анализируя затем запись пения живой птицы, исследователи определили, как эти параметры меняются со временем. Особенно хорошо способ работал на тональных песнях виреона.
Ученые давно интересуются механизмом птичьего пения. Например, ранее уже предлагали описывать сиринкс как неконтролируемый нелинейный самовозбуждающийся осциллятор. Также активно изучались физические свойства этого органа у птиц и предпринимались попытки искусственно воспроизвести пение на образцах сиринксов, добытых из птиц (in vivo). В новой работе ученые показали, что сложная задача моделирования птичьего пения может быть разбита на набор более простых биомеханических задач.
Дмитрий Трунин
Он повышает синтез высокомолекулярной гиалуроновой кислоты
Американские и российские исследователи обнаружили, что трансгенные мыши с повышенной экспрессией гена синтазы гиалуроновой кислоты от голых землекопов меньше подвержены спонтанному и индуцированному раку, дольше живут и дольше сохраняют здоровье. Кроме того, у таких животных значительно снижен уровень воспаления в различных тканях. Отчет о работе опубликован в журнале Nature. Голые землекопы (Heterocephalus glaber) выделяются среди грызунов крайне высокой продолжительностью жизни (в неволе — более 40 лет). Кроме того, у них слабее работают рецепторы внутреннего уха и механизмы торможения в нервной системе, зато замедлено клеточное старение и короче иммунная память (из-за чего у них больше наивных лимфоцитов для реакции на новые инфекции). Одно из главных отличий голых землекопов от других млекопитающих состоит в том, что они практически не болеют раком. Как было показано ранее, это связано с высоким содержанием в их тканях высокомолекулярной гиалуроновой кислоты. Этот гликозаминогликан составляет основу внеклеточного матрикса, участвует в пролиферации и миграции клеток, а также влияет на прогрессирование опухолей, причем его свойства зависят от молекулярной массы — высокомолекулярный обладает защитными свойствами, низкомолекулярный — наоборот. Голые землекопы продуцируют гиалуроновую кислоту с крайне высокой молекулярной массой (более 6,1 мегадальтона), которая оказывает мощную цитопротекцию. Чтобы проверить, производит ли она схожий эффект у других видов животных, сотрудники Университета Рочестера, Гарвардской медицинской школы, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Московского государственного университета под руководством Андрея Селуанова (Andrei Seluanov) и Веры Горбуновой (Vera Gorbunova) создали трансгенных мышей с управляемой повышенной экспрессией гена синтазы 2 гиалуроновой кислоты голого землекопа (nmrHas2). У самок и самцов таких животных наблюдалось повышенное содержание высокомолекулярной гиалуроновой кислоты в мышцах, сердце, почках и тонкой кишке; низкое — в печени и селезенке, утилизирующих ее. Тем не менее оно было ниже, чем у голых землекопов, что, вероятно, связано с более высокой активностью гиалуронидазы у мышей. Наблюдения в когортах из 80–90 животных показало, что экспрессирующие трансген nmrHas2 мыши умирают от спонтанного рака реже, чем обычные (57 против 70 процентов). Эта разница была еще заметнее у пожилых (старше 27 месяцев) животных — 49 против 83 процентов. В эксперименте по химической индукции кожного канцерогенеза нанесением 7,12-диметилбензантраценом (DMBA) и форбол-12-миристат-13-ацетатом (TPA) число папиллом на 21-й неделе от него у трансгенных мышей было почти вдвое меньше, чем у обычных. От пола животных подверженность раку не зависела. Масса тела животных из обеих групп в течение жизни не различалась. При этом экспрессирующие nmrHas2 мыши жили дольше, чем обычные — медианная продолжительность жизни у них была на 4,4 процента, а максимальная — на 12,2 процента больше. У животных женского пола сильнее различалась медианная продолжительность жизни (на девять процентов), а мужского — максимальная (на 16 процентов). Оценка эпигенетического возраста по паттернам метилирования ДНК в печени в возрасте 24 месяцев показала, что у трансгенных мышей он примерно на 0,2 года меньше хронологического. Животные из основной группы жили не только дольше жили, но и дольше оставались здоровыми. У них медленнее, чем в контрольной группе, возрастал интегральный индекс немощности (frailty index), который рассчитывается по 31 физиологическому показателю, и они в пожилом возрасте сохраняли подвижность и координацию движений в тесте на ротароде. Кроме того, у трансгенных самок замедлялось развитие остеопороза. Анализ транскриптомов различных органов и тканей экспрессирующих nmrHas2 пожилых мышей выявил особенности, присущие молодым животным, и пониженный уровень воспаления, связанного с возрастом. Молекулярные исследования показали, что высокомолекулярная гиалуроновая кислота производит противовоспалительные и иммунорегулирующие эффекты, а также предохраняет клетки от окислительного стресса. Кроме того, она стимулирует барьерную функцию кишечного эпителия, сохраняет стволовые клетки кишечника и поддерживает оптимальный состав кишечной микробиоты, что дополнительно способствует снижению возрастного воспаления. Таким образом, высокомолекулярная гиалуроновая кислота, произведенная трансгеном nmrHas2, продлила жизнь мышей и сохранила их здоровье в пожилом возрасте, подавляя возрастные воспалительные реакции. Это значит, что эволюционные адаптации долгоживущих животных, таких как голый землекоп, можно искусственно воспроизвести у других видов — возможно, и у человека — с пользой для их здоровья. Также полученные результаты указывают на потенциал клинического применения высокомолекулярной гиалуроновой кислоты для лечения возрастных воспалительных заболеваний кишечника и других органов, заключают авторы работы. В 2016 году исследователи из Великобритании, Германии и ЮАР выяснили, что низкая болевая чувствительность голых землекопов связана с мутацией гена одного из рецепторов воспринимающих боль нейронов. Годом позже американские, немецкие, британские и южноафриканские ученые показали, что эти животные могут долго обходиться без кислорода — в эксперименте они выжили 18 минут в атмосфере чистого азота, после чего восстановили аэробный метаболизм.
