Del:
10 Science Stories of 2017, der lyder som Sci-Fi Taglines
Med et andet år i bagspeilet er det tid til at læne sig tilbage, tage et dybt indånding og se på nogle af de videnskabelige overskrifter, som vi måske har savnet. Forskere udvikler løbende nye udviklinger på forskellige områder. For blot at nævne nogle få nanoteknologi, genterapi og kvantefysik, bryder altid ny jord.
Videnskabsoverskrifter begynder at læse mere og mere som artikler fra sci-fi magasiner. I betragtning af hvad 2017 bragte, kan vi næppe vente på at se, hvad 2018 afslører ...
10 forskere skaber tidskrystaller og bryder tid-oversættelsessymmetri
Ifølge den første lov af termodynamik er evigt maskiner, der producerer arbejde uden energitilførsel, umulige. Men tidligere i år skabte fysikere strukturer kaldet tidskrystaller, som helt sikkert sætter denne opfattelse på prøve.
Tidskrystaller virker som de første virkelige eksempler på en ny tilstand af materiel kaldet "ikke-ligevægt", hvor atomerne har varierende temperaturer og aldrig er i termisk ligevægt med hinanden. Tidskrystaller har en atomstruktur, som gentager ikke kun i rummet, men også i tid, så de kan opretholde konstant svingning uden energi. Dette sker selv i jordtilstand, hvilket er den laveste energistat, hvor bevægelsen teoretisk er umulig, fordi den kræver energiforbrug.
Så er tidskrystaller, der bryder fysikens love? Teknisk set nej. Energibesparelse kan kun defineres inden for systemer med tids-translationssymmetri, ideen om, at fysikkens love er de samme overalt og til alle tider. Og hvis der er en ting, som tidskrystaller bryder, er det tid-oversættelsessymmetri. De er dog ikke de første. Magneter er også ofte opdraget som naturligt asymmetriske objekter, fordi de har en nordlig ende og en sydlig ende.
En anden grund til, at tidskrystaller ikke bryder termodynamikloven, er fordi de ikke er helt isolerede. De har brug for en "fladder" lige nu og da - bare en smule udvendig energi for at få dem til at begynde at vende deres stater igen og igen. Mulige fremtidige anvendelser af tidskrystaller involverer informationsoverførsel og opbevaring indenfor kvantesystemer. De kunne spille en afgørende rolle i quantum computing.
9 Dragonfly Wings er 'Live'
Forenklet, Merriam-Webster definerer "vinge" som en bevægelig fjer eller membranagtig appendage, der anvendes af fugle, insekter og flagermus til at opnå flyvning. Det er ikke meningen at være i live, men entomologer på Kiel Universitet i Tyskland lavede nogle fantastiske opdagelser, der tyder på ellers, i hvert fald i morpho-dragonflies.
Insekter trækker vejret gennem et trakeal system. Luft går ind i deres kroppe gennem eksterne åbninger kaldet spiracles. Det går så igennem et komplekst netværk af trachealrør, som leverer luften til alle celler i kroppen. Vingerne består imidlertid næsten udelukkende af døde væv, som tørrer op og enten bliver gennemskinnelige eller dækket af farve mønstre. Områderne af dødt væv er omgivet af vener, som er de eneste vingekomponenter, der er en del af åndedrætssystemet.
Men da entomologen Rhainer Guillermo Ferreira kiggede på en vinge af hanen Zenithoptera sløret gennem et elektronmikroskop, så han små forgreningsrør. Dette markerer den første sådan observation i en hvilken som helst insektfløj. Det vil tage meget afprøvning for at afgøre, om denne fysiologiske funktion er særlig for denne art eller måske almindelig i dragonflies eller endda i andre insekter. Det kunne endda være en mutation, der blev fundet tilfældigt hos kun ét individ, men eksperter er tvivlsomme. Tilstedeværelsen af rigelige iltforsyninger kunne forklare de levende, komplekse blå farver, der findes på vingerne af Zenithoptera dragonflies, som ikke indeholder noget blåt pigment.
8 Ancient Tick fundet fyldt med dinosaurblod
Vi har opdaget nogle fantastiske ting bevaret i rav, men årets resultater kan tage kagen. Forskere i Myanmar afdækket stykker af guber dateret til 99 millioner år siden, som indeholder parasitter svarende til moderne ticks. En af dem blev viklet ind i en dinosaurfjer, to blev fundet med bit af en dinosaur reden, og den fjerde var fyldt med dinosaurblod.
Dette fik naturligvis folk til at tænke på a Jurassic Park-lignende scenario hvor vi kunne bruge blodet til at bringe dinosaurer tilbage til livet. Desværre vil det ikke ske, når som helst, da det er umuligt at udvinde DNA-prøver fra disse former for ravbevarede fossiler. Der er stadig igangværende debat om hvor længe et DNA-molekyle kan vare, men selv de mest optimistiske estimater siger kun nogle få millioner år under ideelle forhold.
Selvom det ikke tog tilbage dinosaurerne, den nyligt navngivne Deinocroton draculi (Dracula's forfærdelige tick) er stadig et ekstraordinært fund, der gav os nye oplysninger. Vi kender nu ikke kun de gamle ticks målrettet fjervildte dinosaurer, men også at de angreb dinosaur reden.
7 Voksen menneske gennemgår genmodifikation
Den nuværende apex for genterapi er grupperet regelmæssigt interspaced palindromiske gentagelser eller CRISPR. Det er en familie af DNA-sekvenser, som nu danner grundlaget for en teknologi kaldet CRISPR / Cas9, som teoretisk kunne permanent ændre et menneskes DNA.
I 2017 tog genredigeringsværktøjet et skridt fremad, efter at et hold fra Peking Proteome Research Center meddelte, at det med succes anvendte CRISPR / Cas9 for at rette sygdomsfremkaldende mutationer i levedygtige humane embryoner. Et andet team fra Londons Francis Crick Institute gik på den modsatte vej og brugte teknologien til bevidst at skabe mutationer i humane embryoner for første gang.(Specielt de "slukket" et gen, der forhindrer embryonerne i at udvikle sig til blastocyster.)
Undersøgelserne viste, at CRISPR / Cas9 fungerer og med relativ lethed. Dette førte imidlertid til intense etiske debatter om, hvor langt denne teknologi skulle tages. Teoretisk kunne det føre til "designer babyer", som kunne have intellektuelle, atletiske og fysiske egenskaber pr. Forældrenes specifikationer.
Etik til side, der var en endnu større udvikling i november, da CRISPR / Cas9 blev brugt for første gang på et voksen menneske. Den 44-årige Brad Madeux fra Californien lider af Hunters syndrom, en uhelbredelig sygdom, som i sidste ende kunne begrænse ham til en kørestol. Han blev injiceret med milliarder af kopier af det korrigerende gen og et genetisk værktøj, der blev brugt til at skære sit DNA, indsætte genet og sy det igen. Det tager nogle måneder før vi kan se, om proceduren var vellykket eller ej.
6 Hvem kom først - svampen eller geléet?
Et nyt forskningspapir, der blev offentliggjort i år, har til formål at afslutte den langvarige debat om dyrenes oprindelse. Ifølge undersøgelsen er svampe "søstre" af alle andre dyr i verden. Dette skyldes, at svampe var den første gruppe, der afgrenede sig fra det evolutionære træ, som på den tid kun indeholdt den primitive fællesforfader for alle dyr. Dette ville have været tilfældet for omkring 750 millioner år siden.
Forud for denne historie syntes den meget omstridte debat at have slået ned til kun to kandidater: De ovennævnte svampe og marine hvirvelløse dyr kaldte kamgeler. Mens svampe er enkle væsner, der sidder på havbunden og overlever gennem filtrering, er kamgeler mere komplekse. De ligner vandmænd, er i stand til at fremdrive sig gennem vand, kan skabe lyse mønstre og have enkle nervesystemer. At finde ud af, hvilken der kom først betyder også at finde ud af, hvad vores fælles forfader lignede. Det betragtes som en vigtig del i sporing af vores evolutionære tidslinje.
Mens undersøgelsen med fede proklamerer sagen afgjort, bare et par måneder før, kom der en anden undersøgelse ud, at kamgeler er vores evolutionære "søstre". Det er for tidligt at fortælle om den seneste forskning faktisk er tåbelig nok til at quell enhver dvælende tvivl.
5 vaskebjørne har bestået en gammel intelligens test
Nogen gange omkring det sjette århundrede f.Kr. skrev den græske fortæller Aesop eller samlet en flok fabler, som nu kollektivt kaldes Aesops Fabeller. Blandt dem var en fortælling kaldet "The Crow and the Pitcher", der viste en tørstig krage at drikke en drink fra en kande ved at slippe småsten ned i det og hæve vandstanden, indtil fuglen kunne nå det.
Et par tusind år senere indså forskerne, at historien gav en god måde at teste dyre intelligens på. Forsøget vil vise, at den væsen, der testes, har en forståelse for årsag og virkning. Tro på fortællingen udmærkede krager, ligesom andre korvider, som rooks og jays. Store aber har også bestået testen, og i år blev et andet dyr tilføjet til listen-vaskebjørn.
Under Aesops Fable-test blev otte vaskebjørn præsenteret med en cylinder indeholdende en marshmallow, der flydede på vand, som var for lav til at nå. To af dem slog succesfuldt småsten ned for at hæve vandstanden og nå deres behandler.
Andre testpersoner fandt deres egne kreative løsninger, som testerne ikke havde forventet. Kanalerer hendes erfaring som en skraldespand, en vaskebjørn klatrede oven på cylinderen og begyndte at svinge fra side til side, indtil hun bankede den over. I en anden test ved hjælp af flydende og synkende bolde i stedet for småsten, håbede eksaminatørerne, at vaskebjørne ville bruge synkende bolde og kassere de flydende. I stedet dunkede nogle dyr gentagne gange en flydende bold, indtil bitene af marshmallow stænkede enten på siden af cylinderen eller fik sig fast i kuglen, hvilket gør dem nemme at hente.
4 fysikere opretter første topologiske laser
Fysikere fra University of California, San Diego, hævder at have konstrueret en ny slags "topologisk" laser, der kan påtage sig enhver form og slange omkring et hulrum uden at have lysdisplayet. Enheden arbejder ud fra begrebet topologiske isolatorer (materialer, som er isolerende i deres masse, men ledende langs deres overflader), som vandt Nobelprisen i fysik i 2016.
Normalt er et laserhulrum forstærket af lys formet som en ring. Dette er mere effektivt end figurer med skarpe hjørner, men giver stadig spildt mellemrum mellem ringene. Forskerholdet overvandt denne hindring ved at skabe et topologisk hulrum ved hjælp af en fotonisk krystal som et spejl. Specifikt brugt de to fotoniske krystaller med forskellige topologier, hvoraf den ene er en stjerneformet enhedscelle i en firkantet gitter, og den anden et trekantet gitter med cylindriske lufthuller. Teammedlem Boubacar Kante sammenlignede dem med en bagel og en pretzel: Selvom de begge er brød med huller, gør de forskellige huller deres forskellige former.
Når krystallerne er på plads og grænsefladen tager den ønskede form, tændes systemet ved at påføre et magnetfelt. Dette ændrer retningen, hvor lyset udledes, og dermed er i stand til at styre lysstrømmen. Umiddelbare praktiske anvendelser indebærer at pakke flere lasere på en chip, hvilket øger hastigheden af den optiske kommunikation. Men i den store ordning af ting ses dette som et skridt fremad i forfølgelsen af optisk databehandling.
3 Forskere er spændte over Excitonium
Fysikere over hele kloden er begejstrede for opdagelsen af en ny form for materie, passende navngivet excitonium. Det er lavet af mærkelige partikler kaldet excitoner, som er den bundet tilstand af en undslippet elektron, og hullet, der lige efterlod, tiltrukket af hinanden af Coulomb-kraften. Desuden var Harvard teoretiske fysiker Bert Halperin den første til at postulere eksistensen af excitonium tilbage på 1960'erne, og forskere har forsøgt at bevise ham rigtigt (eller forkert) siden da.
Ligesom mange store videnskabelige opdagelser involverede denne en hel del serendipity. Holdet, der var ansvarlig for funden fra Illinois Universitet i Urbana-Champaign, udviklede faktisk en ny teknik kaldet momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy (M-EELS), der specifikt identificerer excitoner. Men deres "Eureka" øjeblik skete, da forskerne lavede kalibreringstest for deres nye metode. Et holdmedlem kom ind i lokalet, mens alle andre stirrede på en tavle og sagde, at de bare målte en "blød plasmon", forløberen til exciton kondensering.
Studieleder Professor Peter Abbamonte sammenlignede opdagelsen med Higgs boson-den vil ikke have nogen umiddelbare real-world applikationer, men det viser, at vores nuværende forståelse af kvantemekanik er på rette spor.
2 forskere udvikler nanomaskiner, der dræber kræft
Forskere fra Durham University hævder at have udviklet nanomachiner, der er i stand til at bore i kræftceller og dræbe dem på bare 60 sekunder. I en vellykket test udført på universitetet tog de små maskiner mellem et og tre minutter for at trænge ind i den ydre membran af en prostatacancercelle og ødelagde det øjeblikkeligt. (Det højeste billede ovenfor viser, at cytoplasma lækker ud fra en angrebet kræftcelle.)
Nanomachinerne er 50.000 gange mindre end diameteren af et menneskehår. De aktiveres af lys og spinder to til tre millioner gange i sekundet for at kunne grille gennem celleforinger. Når de når deres mål, kan de enten sprænge det eller levere et terapeutisk middel nyttelast.
Hidtil har nanomachinerne kun været anvendt på enkeltceller, men de opmuntrende resultater fik forskerne til at bevæge sig op til mikroorganismer og små fisk. Deres nuværende mål er at fremme gnavere hurtigt og til sidst til mennesker.
1 Interstellær Asteroid Magt Vær et fremmed rumfartøj
Det har kun været et par måneder siden astronomerne med glæde annoncerede opdagelsen af vores første interstellære besøgende, en asteroide, der hedder 'Oumuamua. Siden da har de observeret mange mærkelige ting om det himmelske objekt, selv for noget, der ikke er fra vores solsystem. Faktisk er det så mærkeligt, at de tror det er muligt, at det kunne være et fremmed rumfartøj.
For det første er formen. 'Oumuamua har en cigarform med et forhold mellem 10 og 12 bredde, i modsætning til andre asteroider, der nogensinde er observeret. Først troede vi, det var en komet, men vi indså, at det ikke var tilfældet, da det ikke spire en hale efter at være kommet tæt på Solen. Derudover hævder nogle eksperter, at den hastighed, hvormed objektet drejer sig, ville adskille en normal asteroide. I stedet virker det som om det er specielt designet til at udholde interstellar rejse.
Så hvis det er kunstigt, hvad kunne det være? Nogle siger en fremmed sonde, mens andre mener, at det kunne være et rumskib, hvis motorer har svigtet og nu går gennem rummet. Uanset hvad, programmer som SETI og Breakthrough Listen think "Oumuamua garanterer yderligere undersøgelse og har rettet deres teleskoper til det for at lytte til nogen form for radiosignaler.
Hidtil ser det ikke godt ud for den fremmede hypotesen, da SETIs oprindelige observationer ikke viste noget. Mange rumforskere forbliver pessimistiske over chancerne for, at "Oumuamua er af fremmed oprindelse, men yderligere undersøgelse er bestemt nødvendig for at bestemme, hvad den mystiske objekt faktisk er.