Nach einem Monat im Weltraum zeigt das menschliche Herz Anzeichen der Alterung丨Tech Weekly

Zusammengestellt von Zhou Shuyi und Wang Xiang

Turbulenter Himmel in Van Goghs „Sternennacht“ entspricht wissenschaftlicher Theorie

Das gesprenkelte Sternenlicht und die wirbelnden Wolken in „Die Sternennacht“ sollen Vincent van Goghs turbulenten Geisteszustand widerspiegeln. Eine neue Studie legt nahe, dass der turbulente Himmel in „Die Sternennacht“ mit der wissenschaftlichen Theorie übereinstimmt und dass Van Gogh ein tiefes intuitives Verständnis der mathematischen Struktur turbulenter Strömungen hatte. Der zugehörige Artikel wurde am 17. September in Physics of Fluids veröffentlicht.

Vincent van Goghs „Sternennacht“ entstand 1889.

Turbulenzen sind ein natürliches Phänomen, das in vielen verschiedenen Flüssigkeiten auftritt, beispielsweise in Wasserströmungen, Meeresströmungen, Blutflüssen, rollenden Gewitterwolken und Rauchsäulen. Turbulenzen sind im Wesentlichen chaotische Zustände, bei denen sich ständig größere Wirbel bilden und in kleinere auflösen. Für die Studie verwendeten Wissenschaftler digitale Bilder der „Sternennacht“, um die Maßstäbe von 14 großen Wirbelformen im Gemälde zu analysieren und zu sehen, ob sie mit den physikalischen Theorien übereinstimmen, wenn große und kleine Wirbel kollidieren und miteinander interagieren.

Der Wirbel in „Sternennacht“

Da es unmöglich ist, die Bewegung der Luftströmungen über dem gemalten Himmel direkt zu messen, haben die Forscher die Pinselstriche genau gemessen und die Größe dieser Striche mit den in der Turbulenztheorie vorhergesagten mathematischen Skalen verglichen. Um die physikalische Bewegung zu analysieren, nutzten sie die relative Helligkeit oder Leuchtkraft verschiedener Pigmentfarben. Die Ergebnisse zeigten, dass Größe, relativer Abstand und Intensität der 14 Wirbel in „Starry Night“ der Kolmogorov-Theorie der Strömungsdynamik folgen. Die Theorie, die in den 1940er Jahren vom sowjetischen Mathematiker Andrei Kolmogorov entwickelt wurde, beschreibt die mathematische Beziehung zwischen Strömungsgeschwindigkeitsschwankungen und der Energiedissipationsrate. Die Studie ergab außerdem, dass sich die Pigmente auf kleinstem Raum mit einigen der Hintergrundwirbel vermischen. Dies geschieht auf eine Art und Weise, die von der Turbulenztheorie vorhergesagt wird. Dabei folgt man dem statistischen Muster des Batchelors-Gesetzes. Dieses Gesetz beschreibt mathematisch, wie kleine Partikel (wie etwa im Meer treibende Algen oder vom Wind getragener Staub) durch turbulente Strömungen passiv vermischt werden.

Der räumliche Maßstab einiger typischer Pinselstriche des Wirbels in „Sternennacht“

„Natürlich kannte Van Gogh diese Gleichungen möglicherweise nicht, aber er verbrachte wahrscheinlich viel Zeit damit, Turbulenzen in der Natur zu beobachten“, sagten die Forscher. „Ich glaube, dass diese körperliche Beziehung tief in seinem Geist verankert war, sodass er bei der Schaffung seiner berühmten ‚Sternennacht‘ ganz natürlich echte Strömungen imitierte.“ Ein tieferes Verständnis von Turbulenzen könnte dazu beitragen, Wettervorhersagen zu verbessern, Flugturbulenzen zu reduzieren und viele andere Prozesse zu beeinflussen. Wissenschaftler hatten lange Zeit Schwierigkeiten, Turbulenzen in der Strömungsdynamik zu beschreiben. Es gibt noch keine wirksame Methode, dieses Phänomen vorherzusagen, und eine vollständige Erklärung bleibt ein großes Rätsel der Physik.

Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass der geheimnisvolle und fantastische Himmel in Van Goghs Meisterwerk „Sternennacht“ überraschende Ähnlichkeiten mit der Turbulenztheorie aufweist und damit die subtile Verbindung zwischen Kunst und Wissenschaft verdeutlicht. Van Gogh zeigte eine einzigartige Wahrnehmung von Turbulenzen in seinem Unterbewusstsein. In jener Nacht im Jahr 1889 hat er möglicherweise weit mehr gesehen als die Aufregung und Einsamkeit des Sternenhimmels. (AIP Publishing)

Um die menschliche Evolution zu verstehen, untersuchten Wissenschaftler die DNA von Käse von vor etwa 3.500 Jahren

Wer hat meinen Käse bewegt? In den Millionen Jahren der menschlichen Evolution ist die Fermentation von Lebensmitteln selbst eine alte und weise „Fabel“: Verschiedene Gruppen von Menschen und Kulturen haben ihre eigenen Vorlieben für die Fermentation von Lebensmitteln, und auch die Veränderung der Lebensgewohnheiten und die landwirtschaftliche Entwicklung hängen eng mit der Entwicklung der Fermentationstechnologie zusammen. Eine neue Studie enthüllte die Geschichte der menschlichen Anwendung, Verbreitung und Domestizierung von Kefir-Milchsäurebakterien durch die Untersuchung der alten mikrobiellen Genome von drei Kefir-Käsegruppen, die etwa 3.500 Jahre alt sind, und lieferte neue Ideen zum Verständnis der menschlichen Evolution und ihrer Interaktion mit der Umwelt. Der zugehörige Artikel wurde am 25. September in Cell veröffentlicht.

Eine Käseprobe aus der Bronzezeit, die auf dem Xiaohe-Friedhof in Xinjiang ausgegraben wurde, wird mit einem Flaschenverschluss aus Glasröhren mit einem Außendurchmesser von etwa 1,8 cm verglichen. | Yang Yimin, Fakultät für Geisteswissenschaften, Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Bei den Proben dieser Studie handelt es sich um die ältesten Käseprodukte, die bisher entdeckt wurden: drei Gruppen von Kefirkäse, die auf dem Xiaohe-Friedhof im Tarimbecken in Xinjiang ausgegraben wurden. Es wird aus Kefirjoghurt gewonnen und durch Fermentieren von Kefirkörnern (ähnlich wie Koji) in Milch hergestellt. Die Verbreitung der Milchfermentationstechnologie ging weitgehend mit der Migration und Interaktion des Menschen einher, ein Prozess, der die Entwicklung von Milchsäurebakterien förderte, die bei der Fermentation eine wichtige Rolle spielen.

Das Forschungsteam entwickelte eigenständig eine Vollgenom-Locus-Sonde für Milchsäurebakterien und extrahierte aus den Proben hochwertige Milchsäurebakteriengenome aus altem Kefirkäse. Durch eine phylogenetische Verwandtschaftsanalyse fand die Studie heraus, dass es zwei differenzierte Linien von Kefir-Milchsäurebakterien gibt, die zur Fermentation verwendet werden. Eine Linie folgt der gängigen Verbreitungsroute vom Kaukasus in die Küstengebiete Europas, Asiens und Südostasiens, während die andere Linie hauptsächlich Stämme umfasst, die im Landesinneren Ostasiens (einschließlich Tibet) verbreitet sind. Die Stämme, die von der antiken Bevölkerung im Tarimbecken in Xinjiang zur Fermentierung von Kefirjoghurt verwendet wurden, stammten aus dieser Linie und bildeten die Grundlage. Dies deutet darauf hin, dass es einen weiteren Weg gibt, den Prozess der Kefir-Joghurt-Herstellung durch technischen und kulturellen Austausch von Xinjiang ins ostasiatische Landesinnere zu verbreiten.

(A) Plan des Xiaohe-Friedhofs in Xinjiang; (B) Mumienprobe, ausgegraben auf dem Xiaohe-Friedhof in Xinjiang (genannt „Xiaohe-Prinzessin“, mit der Käseprobe um ihren Hals gewickelt); (C) Drei Gruppen von Käseproben aus der Bronzezeit, aus denen in dieser Studie mikrobielle Genome gewonnen wurden; (D) Mikrobielle DNA-Zusammensetzung in Käseproben

Die Autoren der Studie gehen davon aus, dass die Differenzierung der beiden Linien der Kefir-Milchsäurebakterien wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, dass ihr gemeinsamer Vorfahr domestiziert und dann aufgrund unterschiedlicher Migrationsrouten in verschiedenen Populationen verbreitet wurde. Dies bedeutet, dass verschiedene antike Populationen im Zuge der Anwendung und Domestizierung von Fermentationsmikroorganismen auf unterschiedlichen Routen migrierten und kommunizierten.

Darüber hinaus stellte die Studie fest, dass die langfristige Anwendung und Domestizierung durch den Menschen ebenfalls Einfluss auf die Evolution der Kefir-Milchsäurebakterien gehabt haben könnte. Im Vergleich zu den Kefir-Milchsäurebakterien aus der Bronzezeit in Xinjiang traten in modernen Kefir-Milchsäurebakterienstämmen in Tibet zwei horizontal übertragene Gencluster auf, die mit der Verringerung entzündlicher Reaktionen im Darm in Zusammenhang stehen. Diese Gencluster erleichtern nicht nur das Überleben von Lactobacillus im menschlichen Darm, sondern fördern auch die Darmfunktion. Dies hängt höchstwahrscheinlich mit der Vorliebe der damaligen Menschen für Kefirkörner zusammen, die verschiedene Stämme von Kefir-Milchsäurebakterien enthielten.

Relevante Experten kommentierten, dass es sich bei dieser Studie um eine sehr seltene Untersuchung alter DNA auf diesem Gebiet handele, die völlig neue Daten zutage gefördert und neue Erkenntnisse über die Migrations-, Austausch- und mikrobielle Domestizierungsgeschichte der Menschen in der zentralen eurasischen Steppe gebracht habe.

Nach einem Monat im Weltraum zeigt das menschliche Herz Anzeichen der Alterung

Welche Auswirkungen hat die geringe Schwerkraft auf den Körper bei längeren Aufenthalten im Weltraum? Eine am 23. September in PNAS veröffentlichte Studie ergab, dass menschliches Herzgewebe nach einem Monat Aufenthalt im Weltraum schwächer wurde, sein Schlagrhythmus unregelmäßig wurde und es molekulargenetische Veränderungen erfuhr, die denen beim Altern ähnelten.

Die Forscher kultivierten menschliche induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) und differenzierten sie in Kardiomyozyten. Anschließend installierten sie die resultierenden Myokardgewebeproben in einem Herz-auf-einem-Chip, der die menschliche Herzumgebung simuliert. Das Gerät ermöglicht es den Proben, sich wie ein schlagendes Herz zusammenzuziehen und zu entspannen, und überwacht mithilfe von Sensoren ihre Kontraktionsstärke und ihren Pulsrhythmus in Echtzeit. Im März 2020 wurden mit der Raumsonde Dragon von SpaceX 48 Proben zur Internationalen Raumstation ISS geschickt und anschließend alle 30 Minuten 10 Sekunden lange Daten zur Überwachung des Herzmuskelgewebes zur Erde zurückgesendet.

Die Analyse ergab, dass nach 12 Tagen auf der Internationalen Raumstation die Kontraktionsstärke des Herzmuskelgewebes im Vergleich zu einer Kontrollgruppe, die am Boden blieb, fast halbiert war, und diese Schwächung war auch neun Tage nach der Rückkehr zur Erde noch deutlich zu erkennen. Im Weltraum wird der Herzrhythmus mit der Zeit unregelmäßiger. Am 19. Tag hatte sich das Intervall zwischen den einzelnen Gewebeschlägen mehr als verfünffacht. Nach der Rückkehr zur Erde verschwand diese Unregelmäßigkeit jedoch.

Eine mikroskopische Untersuchung des entnommenen Gewebes zeigte, dass die Sarkomere, die für die Muskelkontraktion verantwortlich sind, kürzer und ungeordneter geworden waren. Auch die Mitochondrien schwollen an und zersplitterten. Die RNA-Sequenzierung zeigte, dass die Expression von Genen, die mit Entzündungen und oxidativen Schäden im Gewebe in Zusammenhang stehen, hochreguliert war; gleichzeitig zeigte die Expression von Genen, die für eine normale Herzkontraktion und mitochondriale Funktion erforderlich sind, Anzeichen einer Herunterregulierung. Forscher sagten, dass im Jahr 2023 eine zweite Charge von Myokardgewebeproben zur Internationalen Raumstation geschickt wurde, um potenzielle Medikamente zu testen, die Astronauten vor den negativen Auswirkungen der geringen Schwerkraft schützen sollen.

Die Lehrbücher umschreiben? Diese Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung hat nur ein Elektron

Fast ein Jahrhundert, nachdem die Idee einer kovalenten Einelektronenbindung erstmals vorgeschlagen wurde, gelang es in einer am 25. September in Nature veröffentlichten Studie, die erste kovalente Einelektronenbindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen herzustellen. Diese Entdeckung ist nicht nur für ein tieferes Verständnis der Theorie der chemischen Bindung von entscheidender Bedeutung, sondern liefert auch neue Erkenntnisse für ein besseres Verständnis chemischer Reaktionen.

In einem Molekül bilden zwei Atome eine kovalente Bindung, indem sie sich ein Elektronenpaar teilen. Die meisten kovalenten Bindungen sind Einfachbindungen, die aus einem Paar gemeinsamer Elektronen bestehen, oder Doppel- und Dreifachbindungen, die aus zwei oder sogar drei Elektronenpaaren bestehen. Im Jahr 1931 schlug der Chemiker Linus Pauling vor, dass es möglicherweise kovalente Einzelelektronenbindungen geben könnte, die durch ein einzelnes ungepaartes Elektron gebildet werden. Diese Bindungen wären jedoch sehr instabil: Sie würden leicht brechen und hätten eine starke Tendenz, ein Elektron freizugeben oder einzufangen, um sein Paar wiederherzustellen. Diese Art der Bindung wird als Einzelelektronen-Sigma-Bindung bezeichnet.

Um dies zu erreichen, versuchten die Forscher, durch Jodoxidation ein Elektron aus einer bestehenden kovalenten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Zweielektronenbindung zu entfernen. Auf der Grundlage von Hexaphenylethan (HPE) entwickelten sie die modifizierte Spirodibenzocycloheptatrien-Verbindung (DBCHT) HPE 1. Aufgrund der sterischen Hinderung durch die umgebenden aromatischen Gruppen wird die zentrale Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einfachbindung stark verlängert, was zu einer Erhöhung des HOMO-Energieniveaus des Moleküls führt, was bedeutet, dass es für Elektronen an anderen Stellen im Molekül schwierig ist, die verlorenen Elektronen zu ersetzen.

Bei früheren Versuchen, Elektronen zu entfernen, blieben die Bindungen zu schwach und brachen daher zu schnell für eine genaue chemische Analyse. Doch die diesmal verwendeten Moleküle seien auch nach der Entfernung der Elektronen noch stabil genug, sagte Takuya Shimajiri von der Universität Tokio in Japan, einer der Autoren der Studie. Die Forscher analysierten es mittels Röntgenbeugung und Raman-Spektroskopie und stellten nach Berechnungen mit der Dichtefunktionaltheorie fest, dass es eine stabile kovalente Bindung aufweist, die aus einem einzelnen Elektron besteht, was letztlich die Existenz einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einelektronen-σ-Bindung bestätigte.

Die Ergebnisse stellen den ersten experimentellen Beweis für eine Einelektronen-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Sigma-Bindung dar. Einige Chemiker sagten, dies sei eine Entdeckung von großer Bedeutung. Man geht davon aus, dass die Entdeckung von Einelektronen-Sigma-Bindungen in Kohlenstoff zu einem besseren Verständnis der grundlegenden Eigenschaften chemischer Bindungen führen und Chemikern die Schaffung völlig neuer Molekülfamilien ermöglichen wird.

Schlechte Leistung unter Stress? Affen werden auch

Ihnen wird im Prüfungsraum der Kopf weggenommen? Sie dürfen während der Verteidigung nicht einmal sprechen? Sie möchten auf dem Platz einen Buzzer Beater machen, können aber Ihre Beine nicht heben? Entspannen Sie sich, wir sind alle gleich – sogar Affen. Eine am 12. September in Neuron veröffentlichte Studie zeigte, dass ein „Zusammenbruch“ unter starkem Stress mit einer Abnahme der neuronalen Aktivität des Gehirns in Vorbereitung auf körperliche Betätigung zusammenhängt und dass dies nicht nur beim Menschen vorkommt.

Die Forscher stellten eine Aufgabe auf, bei der Rhesusaffen einen Computercursor möglichst schnell und präzise an eine bestimmte Stelle bewegten und ihnen dann eine Belohnung gaben. Vor Beginn jeder Aufgabe fragten die Forscher die Affen, ob die Belohnung klein, mittel, groß oder ein „Jackpot“ sein würde. Jackpots sind selten und außergewöhnlich hoch, was dies zu einer Situation mit hohem Risiko und hoher Belohnung macht. Sie implantierten den Affen außerdem Elektroden in den vorderen Bereich des Gehirns, der die Bewegung steuert, um Veränderungen der neuronalen Aktivität unter verschiedenen Belohnungsszenarien zu beobachten.

Die Ergebnisse zeigten, dass mit zunehmender Belohnungshöhe die neuronale Aktivität des Affen zunahm und sich sein Zustand verbesserte. Aber in Situationen, in denen die Belohnung ein Jackpot war, war die Aktivität der mit der motorischen Vorbereitung verbundenen Neuronen reduziert. „Bewegungsvorbereitung“ ist das Gegenteil von „motorischer Ausführung“ und umfasst die kognitiven Aktivitäten des Einzelnen wie Aufmerksamkeit, Organisation und Planung vor der Bewegung – ähnlich dem Zielen auf das Ziel vor dem Betätigen des Abzugs. Die verringerte Aktivität der entsprechenden Neuronen führte dazu, dass die Affen nicht gut vorbereitet waren und daher schlechte Leistungen zeigten. Die Studie legt nahe, dass die neuronale Aktivität mit zunehmender potenzieller Belohnung einen Höhepunkt erreicht. Ab diesem Punkt lässt die neuronale Aktivität nach, unabhängig davon, wie großzügig die Belohnung ausfällt, wodurch das Gehirn von seinem optimalen Zustand abweicht.

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