Хаос вызывает в памяти образы динозавров, разбушевавшихся в "Парке Юрского периода", или малыша моей подруги, разбушевавшегося в гостиной.
В хаотичном мире никогда не знаешь, чего ожидать. Вещи происходят постоянно, движимые любыми случайными импульсами.
Но хаос имеет более глубокое значение в связи с физикой и климатологией, связанное с тем, что определенные системы - такие как погода или поведение ребенка - являются принципиально непредсказуемыми.
Ученые определяют хаос как усиленный эффект крошечных изменений в настоящий момент, которые приводят к долгосрочной непредсказуемости. Представьте два почти одинаковых сюжета. В одной версии два человека сталкиваются на вокзале, а в другой поезд прибывает на 10 секунд раньше, и встреча не происходит. С этого момента две сюжетные линии могут быть совершенно разными.
Обычно эти мелочи не имеют значения, но иногда крошечные различия приводят к последствиям, которые продолжают усугубляться. И именно это усугубление приводит к хаосу.
Шокирующая серия открытий в 1960-х и 70-х годах показала, как легко создать хаос. Ничто не может быть более предсказуемым, чем маятник дедушкиных часов. Но если отделить маятник на полпути вниз, добавив еще одну ось, качание становится дико непредсказуемым.
Хаос отличается от случайности
Ученые, изучающие сложные системы, постоянно размышляют о том, что такое случайность.
В чем разница между колодой карт и погодой?
Вы не можете предсказать свою следующую руку в покере - если бы вы могли, вас бы выгнали из казино - в то время как вы, вероятно, можете угадать завтрашнюю погоду. Но как насчет погоды через две недели? Или через год?
Случайность, как карты или кости, непредсказуема, потому что у нас просто нет нужной информации. Хаос находится где-то между случайностью и предсказуемостью. Отличительной чертой хаотических систем является предсказуемость в краткосрочной перспективе, которая быстро разрушается со временем, как в речных порогах или экосистемах.
Почему теория хаоса имеет значение
Исаак Ньютон представлял себе физику как набор правил, управляющих вселенной с часовым механизмом - правил, которые, будучи приведенными в движение, приведут к заранее определенному результату. Но теория хаоса доказывает, что даже самые строгие правила и почти совершенная информация могут привести к непредсказуемым результатам.
Это понимание имеет практическое применение для решения вопроса о том, какие вещи вообще можно предсказать. Хаос - это то, почему ни одно приложение не сможет сказать вам погоду через две недели - ее просто невозможно узнать.
С другой стороны, более широкие прогнозы все же возможны. Мы не можем предсказать погоду через год, но мы знаем, какая погода будет в это время года. Таким образом, климат может быть предсказуем даже тогда, когда погода не предсказуема. Теории хаоса и случайности помогают ученым разобраться, какие виды предсказаний имеют смысл, а какие нет.
Многие биологи считают, что есть, такие типы вирусов: бактериофаги или вирусы, заражающие бактерии. Когда ДНК этих вирусов попадает в клетку, она может содержать инструкции, позволяющие клетке выполнять новые трюки.
Могучая сила бактериальных вирусов
Бактериофаги, или сокращенно фаги, держат под контролем популяции бактерий как на суше, так и в море. Ежедневно они убивают до 40% бактерий в океанах, помогая контролировать цветение бактерий и перераспределение органических веществ.
Их способность избирательно убивать бактерии также радует врачей. Природные и сконструированные фаги успешно используются для лечения бактериальных инфекций, которые не поддаются антибиотикам. Этот процесс, известный как фаговая терапия, может помочь в борьбе с устойчивостью к антибиотикам.
Последние исследования указывают на еще одну важную функцию фагов: они могут быть самыми лучшими генетическими мастерами природы, создающими новые гены, которые клетки могут перестраивать для получения новых функций.
Фаги являются самой распространенной формой жизни на планете: в любой момент в мире насчитывается не один миллион - это единица с 31 нулем после нее. Как и все вирусы, фаги имеют высокую скорость репликации и мутации, то есть при каждом размножении они образуют множество вариантов с различными характеристиками.
Большинство фагов имеют жесткую оболочку, называемую капсидом, которая заполнена их генетическим материалом. Во многих случаях оболочка имеет больше места, чем требуется фагу для хранения ДНК, необходимой для его репликации. Это означает, что у фагов есть место для хранения дополнительного генетического багажа: генов, которые на самом деле не нужны для выживания фага и которые он может изменять по своему усмотрению.
Как бактерии перенастроили вирусный переключатель?
Чтобы понять, как это происходит, давайте более подробно рассмотрим жизненный цикл фага.
Фаги бывают двух основных видов: умеренные и вирулентные. Вирулентные фаги, как и многие другие вирусы, действуют по программе "вторжение-репликация-убийство". Они проникают в клетку, захватывают ее компоненты, создают свои копии и вырываются наружу.
Фаги умеренного типа, с другой стороны, играют в долгую игру. Они соединяют свою ДНК с ДНК клетки и могут лежать в спящем состоянии годами, пока что-то не вызовет их активацию. Тогда они возвращаются к вирулентному поведению: реплицируются и вырываются наружу.
Многие умеренные фаги используют повреждение ДНК в качестве пускового механизма. Это своего рода сигнал "Хьюстон, у нас проблема". Если ДНК клетки повреждается, это означает, что ДНК фага-резидента, скорее всего, будет повреждена следующей, поэтому фаг мудро решает перепрыгнуть на другой корабль. Гены, которые направляют фаг на репликацию и вырываются наружу, выключены, если не обнаружено повреждение ДНК.
Бактерии перенастроили механизмы, контролирующие этот жизненный цикл, чтобы создать сложную генетическую систему, которую ученые изучают уже более двух десятилетий.
Бактериальные клетки также заинтересованы в том, чтобы знать, не повреждается ли их ДНК. Если это так, они активируют набор генов, которые пытаются восстановить ДНК. Эта реакция известна как бактериальная реакция SOS, потому что если она не сработает, клетка погибнет. Бактерии организуют SOS-ответ с помощью белка, похожего на переключатель, который реагирует на повреждения ДНК: Он включается, если есть повреждение, и выключается, если его нет.
Возможно, что бактериальные и фаговые переключатели эволюционно родственны. В связи с этим возникает вопрос: Кто изобрел переключатель, бактерии или вирусы?
Предыдущие исследования и работы других исследователей показывают, что фаги сделали это первыми. В нашем недавнем докладе мы обнаружили, что SOS-реакция бактерий Bacteroidetes, группы бактерий, составляющих до половины бактерий, живущих в вашем кишечнике, находится под контролем фагового переключателя, который был перенастроен для реализации собственных сложных генетических программ бактерий. Это позволяет предположить, что бактериальные SOS-переключатели на самом деле являются фаговыми переключателями, которые были перенастроены много веков назад.
Не только бактериальные переключатели оказываются изобретениями фага. Прекрасная детективная работа показала, что бактериальный ген, необходимый для деления клеток, также возник в результате "одомашнивания" гена токсина фага. А многие системы бактериальной атаки, такие как токсины и генетическое оружие, используемое для их введения в клетки, а также камуфляж, который они используют для уклонения от иммунной системы, известны или подозреваются в фаговом происхождении.
Положительные стороны вирусов.
Хорошо, подумаете вы, фаги - это здорово, но вирусы, которые нас заражают - это, конечно, не круто. Тем не менее, появляется все больше доказательств того, что вирусы, заражающие растения и животных, также являются основным источником генетических инноваций в этих организмах. Например, было показано, что одомашненные вирусные гены играют ключевую роль в эволюции плаценты млекопитающих и в поддержании влажности кожи человека.
Последние данные свидетельствуют о том, что даже ядро клетки, в котором находится ДНК, также могло быть вирусным изобретением. Исследователи также предположили, что предки современных вирусов могли быть пионерами в использовании ДНК в качестве первичной молекулы для жизни. Не такой уж маленький подвиг.
Поэтому, хотя вы привыкли считать вирусы квинтэссенцией злодея, они, возможно, являются мощным двигателем генетических инноваций в природе. Люди существуют сегодня, скорее всего, благодаря им.
Этот прорыв в медицине обычно приписывают одному человеку, Фредерику Бантингу, который искал лекарство от диабета. Но создание надежного средства для лечения диабета зависело от исследований двух других ученых, Оскара Минковского и Сёрена Сёренсена, которые ранее проводили исследования на, казалось бы, несвязанные темы.
История инсулина иллюстрирует тот факт, что медицинские инновации строятся на фундаменте науки, а затем требуются квалифицированные инженеры, чтобы вывести лечение из лаборатории и доставить его людям, которые в нем нуждаются.
Эта идея, в некотором роде, заложена в правилах легкой атлетики. В соревнованиях с несколькими забегами - от студенческого уровня до Олимпийских игр - люди, показавшие более высокое время в ранних забегах, назначаются на средние дорожки в последующих забегах. Другими словами, самые быстрые бегуны получают вознаграждение в виде, как предполагается, лучших дорожек.
Моя недолгая беговая карьера давно позади, но в своей профессиональной деятельности я много думаю об использовании статистики для извлечения смысла из данных. В преддверии Олимпийских игр я решил проверить достоверность фольклора о распределении дорожек, оставшегося со времен моей спринтерской карьеры.
Используя данные Международной ассоциации легкоатлетических федераций за 20 лет, я обнаружил, что давние убеждения о преимуществе дорожки не подтверждаются данными. И на самом деле, в спринте на 200 метров данные свидетельствуют о том, что дорожки, которые часто воспринимаются как наименее желательные, на самом деле являются самыми быстрыми.
Первым шагом в создании модели затонувшего корабля было обучение компьютера тому, как выглядит затонувший корабль. Также важно было научить компьютер отличать затонувшие корабли от рельефа морского дна. Для этого понадобилось множество примеров кораблекрушений. Также нужно было научить модель тому, как выглядит естественное дно океана.
Удобно, что Национальное управление океанических и атмосферных исследований ведет общедоступную базу данных о затонувших кораблях. У нее также есть большая общедоступная база данных различных видов изображений, собранных по всему миру, включая сонарные и лидарные снимки морского дна.
Техническая поддержка проекта ВсеТут