7 открытий 2024 года в живой природе, которые приведут к новым изобретениям

От неуничтожимых тардиградов до сливающихся телами гребневиков — животные могут многому научить человека в области медицины, робототехники, старения и выживания.

Быть человеком — значит творить, изобретать предметы и идеи, которые делают жизнь возможной, простой и приятной. Homo sapiens изобретает уже более 300 000 лет, с тех пор как появились первые каменные орудия. Но природа — итеративный процесс эволюции — так же стара, как сама жизнь.

Современные инженеры иногда обращаются к другим живым видам, чтобы найти способы улучшить наши лекарства и сделать наши технологии лучше. В этом году, например, изобретатели взяли пример с медуз, чтобы создать нетоксичный флуоресцентный спрей, который может сделать отпечатки пальцев видимыми на месте преступления. Вдохновившись зеленым флуоресцентным белком, содержащимся в медузах, они создали два красителя, которые связываются с отрицательно заряженными молекулами отпечатков пальцев и светятся под лучами черного света.

Еще один прорыв: исследователи создали сверхчувствительный микрофон на основе паучьего шелка, который вибрирует при тонких возмущениях звуковых волн, проходящих через воздух. Имитируя эту стратегию, микрофон можно сделать более компактным, чем стандартные микрофоны, созданные по образцу человеческой барабанной перепонки. Основываясь на этом изобретении, исследователи заявили в мае, что паучий шелк может и дальше революционизировать звуковые технологии — от помощи в раннем выявлении потери слуха до улавливания низкочастотных звуков, которые, как известно, предшествуют торнадо и могут стать спасительным ранним предупреждением.

Но прежде чем эти достижения станут реальностью, ученым нужно будет кое-что узнать о биологии. В 2024 году исследователи проверят метаболизм летучих мышей, проанализируют механику плавания рыб и обратят внимание на ранозаживляющие способности приматов и муравьев. Каждое из этих и других исследований может открыть путь к развитию техники или медицины в будущем.

Вот семь научных открытий этого года, которые могут привести к новым изобретениям в будущем.

Морские обитатели могут сливаться телами в одно целое

Найти любовь для самца рыбы-удильщика означает искать яркую приманку — или следовать за запахом самки, которой он становится полностью предан. А преданность для самца рыбы-удильщика означает цепляться зубами за ее нижнюю часть до тех пор, пока их тела не сольются воедино, его глаза не потеряют смысл, а их кровеносные потоки не станут единым целым. Самец теряет свои органы и становится, по сути, постоянно прикрепленным источником спермы для самки.

Эта причудливая история любви представляет собой стратегию спаривания, известную как облигатный половой паразитизм, и, согласно исследованию, опубликованному в журнале Current Biology в июне, она могла помочь удильщикам занять господствующее положение в океанских глубинах.

Между 35 и 50 миллионами лет назад предки рыб-удильщиков эволюционировали, утратив привычку «ходить» на модифицированных плавниках по мелководью, и вместо этого переместились в глубокое море. Этот переход произошел в период глобального потепления, которое привело к вымиранию других организмов, и, согласно исследованию, в то же время у рыбы-удильщика развился половой паразитизм.

С точки зрения генетики, для успешного применения этой стратегии спаривания рыбам необходимо было сделать две вещи. Во-первых, самки должны были стать намного крупнее самцов. Важно, что они также должны были снизить свою иммунную защиту, чтобы организм самки не атаковал крошечного самца, когда он присоединяется к ней.

Такое подавление иммунитета «чрезвычайно важно» для процедур пересадки органов и трансплантации кожи у людей, как сказал в своем заявлении Томас Нир, эволюционный биолог из Йельского университета и соавтор исследования. „Это интересная область для будущих медицинских исследований“.

Аналогичный подвиг совершают гребневики — примитивные морские существа, отличные от медуз, которые, как считается, были первой линией, отделившейся от общего предка всех животных на эволюционном древе. Отдельная группа исследователей сообщила в октябре в журнале Current Biology, что гребневики, получив травму, могут объединять свои тела — две головы, одну нервную систему.

Как и в случае с рыбой-удильщиком, слияние гребневиков может навести ученых на мысль о механизме, способном предотвратить отторжение органов при пересадке. Некоторые эксперты, однако, видят потенциал в другом направлении — изучение того, как нейроны этих существ работают вместе, может пролить свет на регенерацию нервов.

Муравьи Матабеле производят антибиотики для лечения раненых бойцов

Жизнь муравья Матабеле опасна. Эти муравьи, живущие к югу от Сахары, питаются исключительно термитами, но для охоты на свою излюбленную добычу им приходится проникать в колонии насекомых, которые тщательно охраняются. Когда муравьи Матабеле идут в атаку, около 20 процентов из них могут получить ранения ног.

Если в раны попадет инфекция, это может стать смертным приговором. Но в колонии придумали, как лечить своих бойцов: муравьи вырабатывают противомикробные секреты, чтобы предотвратить заражение.

В статье, опубликованной в журнале Nature Communications в конце декабря 2023 года, исследователи сообщают, что муравьи Матабеле могут различать своих собратьев с инфицированными и неинфицированными ранами, возможно, благодаря разнице в углеводородном профиле их экзоскелетов. Они будут направлять лечение на особей с инфекциями, выделяя вещество с более чем 50 компонентами, обладающими антимикробными и другими лечебными свойствами.

В серии экспериментов команда либо отделяла раненых муравьев от их колонии, либо позволяла другим насекомым пытаться залечить раны. Они обнаружили, что раненые муравьи, изолированные от своих собратьев, погибали на 90% в течение 36 часов после травмы. А вот у муравьев Матабеле, которые находились под присмотром своих колоний, смертность составила всего 22 процента.

За исключением людей, я не знаю других живых существ, способных проводить столь сложную медицинскую обработку ран, — говорит соавтор исследования Эрик Франк, эколог животных из Вюрцбургского университета в Германии.

Потрясающие медицинские способности муравьев могут помочь там, где человеческие не справляются. Например, несколько штаммов бактерии Pseudomonas aeruginosa заражают людей и эволюционировали, чтобы противостоять многим нашим антибактериальным средствам. Те же бактерии заражают муравьев Матабеле, поэтому исследователи предполагают, что что-то в выделениях насекомых может помочь бороться с патогеном в наших собственных ранах.

Моллюски используют первую известную природную волоконную оптику

Укрытое в сердцевидных раковинах, мягкое тело сердцевидного моллюска живет вдали от света. Чтобы получить необходимое питание, моллюск полагается на фотосинтезирующие водоросли, которые также живут в раковине. Но чтобы обеспечить водорослям доступ к солнечному свету, не подвергая моллюска воздействию жесткой радиации, сердцевидная букашка впервые в природе применила волоконную оптику, говорится в исследовании, опубликованном в ноябре в журнале Nature Communications.

Люди производят волоконно-оптические кабели — пучки стеклянных или пластиковых волокон, которые быстро передают свет и обеспечивают работу интернета — с 1970-х годов. Но оказалось, что сердцевидный моллюск размером с грецкий орех «намного опередил нас» с точки зрения инноваций в области оптоволоконных кабелей, говорится в заявлении об открытии.

Ученые обнаружили, что раковина моллюска, изготовленная из разновидности карбоната кальция под названием арагонит, в основном состоит из структур, похожих на пластины. Между ними находятся так называемые окна, в которых арагонит вытянут в волокна, похожие на волосы. Эти каналы пропускают внутрь раковины красный и синий свет — лучшие длины волн для фотосинтеза — и одновременно блокируют вредное ультрафиолетовое излучение. В ходе компьютерного моделирования исследователи пытались найти более эффективную структуру, проверяя различные размеры, формы и ориентацию волокон, но выяснилось, что метод моллюска является оптимальным.

В будущем инженеры смогут подражать конструкции моллюска и создавать арагонитовые волоконно-оптические кабели, которые будут превосходить по эффективности те, что мы имеем сегодня. Эти устройства завтрашнего дня смогут быстро передавать информацию на большие расстояния и произведут революцию в беспроводной связи. Возможно, они даже позволят внедрить ключевое новшество: передавать свет без дорогостоящего отражающего покрытия на кабеле, которое необходимо для стандартной технологии сегодня, пишет Илья Долгин из Science News.

Полученные результаты также могут помочь в работе по сохранению океанов. Благодаря этому инновационному «солнцезащитному средству» моллюски ограничивают ультрафиолетовое излучение, которое может повредить их ДНК и ДНК водорослей. Таким образом, сердцевидные моллюски избегают обесцвечивания в более теплых водах — явления, от которого страдают как кораллы, так и другие моллюски. Исследователи говорят, что использование этой волоконно-оптической технологии может защитить кораллы и их симбиотические водоросли в нагретых океанах.

Может быть, мы сможем вдохновиться этим и создать новые водоросли или новые кораллы? Немного более устойчивых, немного более прочных? — говорит ведущий автор исследования Дакота Маккой, специалист по эволюционной биофизике из Чикагского университета, в интервью корреспонденту NPR Ари Дэниелу.

В конце концов, на это ушли миллиарды лет проектирования продуктов.

У фруктовых летучих мышей особый метаболизм, который предотвращает диабет

Когда человек постоянно употребляет слишком много сахара, это может привести к развитию диабета — заболевания, при котором организм не может правильно использовать инсулин для регулирования уровня сахара в крови. Ожидается, что к 2045 году заболеваемость диабетом в мире вырастет на 46 процентов. Но у фруктовых летучих мышей такой проблемы нет — они регулярно съедают в два раза больше фруктов с сахаром в день, и при этом у них не развивается аутоиммунное заболевание.

Чтобы понять причину этого, исследователи сравнили ДНК, почки и поджелудочную железу ямайских фруктовых летучих мышей, в рационе которых много сахара, и больших бурых летучих мышей, которые питаются насекомыми с высоким содержанием белка. О результатах они рассказали в январе в журнале Nature Communications.

У летучих мышей, питающихся фруктами, поджелудочная железа содержала больше клеток, связанных с выработкой инсулина и глюкагона — гормонов, регулирующих уровень сахара. Они обнаружили генетические изменения, которые помогают летучим мышам реагировать на огромное количество сахара и перерабатывать его. А почка, которая фильтрует отходы из крови, помогала организму летучих мышей удерживать электролиты. В этом органе было больше клеток, предназначенных для улавливания этих солей, в результате чего у плодовых летучих мышей моча была более разбавленной и водянистой, чем у больших бурых летучих мышей.

Даже небольшие изменения, касающиеся отдельных букв ДНК, делают эту диету жизнеспособной для плодовых летучих мышей, — сказал Вэй Гордон, соавтор статьи и биолог из колледжа Менло.

Нам необходимо понять метаболизм сахара, чтобы помочь каждому третьему американцу, страдающему от преддиабета.

Исследователи говорят, что полученные результаты могут помочь создать способ, позволяющий человеческому организму лучше распознавать инсулин или сахар и реагировать на них. Но вопросы остаются: Участвуют ли другие органы, такие как печень или тонкий кишечник, в регулировании уровня сахара у ямайских плодовых летучих мышей? И могут ли эти выводы быть применимы к другим видам летучих мышей, не говоря уже о людях?

Использование новых знаний для лечения людей, страдающих диабетом, не будет немедленным; это «очень перспективно», — сказал Гордон в августе Ари Дэниелу из NPR. Но если исследователям удастся найти применение этим знаниям для здоровья человека, „это будет окончательное „Вау, мы сделали это““.

Рыбы плавают вместе, чтобы экономить энергию

Ученые давно поняли, что совместное плавание с себе подобными делает таких рыб, как гигантский данио, менее уязвимыми для хищников. Скоординированные расширения и сокращения группы могут сбить с толку потенциального нападающего и сделать любую отдельную рыбу менее вероятной целью. Но исследователей интересовало, не служат ли школы и другой цели — помогают рыбам экономить энергию.

Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи поместили гигантских данио на беговую дорожку для рыб — по сути, замкнутый круг для плавания, в котором используется пропеллер для создания течения. Когда рыбы двигались против течения, высокоскоростные камеры фиксировали их движения, а зонд измерял количество потребляемого ими кислорода, чтобы определить их энергозатраты. В одних опытах рыбы плавали группой, в других — поодиночке.

Результаты исследования, опубликованные в июне в журнале PLOS Biology, показали, что данио, плавающие группами по восемь особей, тратили на 79 процентов меньше энергии, чем те, кто плавал в одиночку. По сути, подобно велосипедистам в пелотоне, школьные рыбы могли преодолевать турбулентность и экономить энергию. Независимо от того, плыли ли они в бурной или спокойной воде, их группа расходовала одинаковое количество энергии. Одиночная рыба должна была увеличить расход энергии примерно на 22 процента, чтобы поддерживать скорость против течения.

Понимание этой гидродинамики может открыть путь к развитию робототехники. Например, флот летающих дронов мог бы следовать тем же принципам, чтобы двигаться вместе и экономить энергию. Или, возможно, плавающие роботы могли бы иметь форму не одной крупной рыбы, а нескольких, идущих вместе. Такие устройства могли бы подсчитывать популяции рыб или искать источники загрязнения под водой, сообщает Андреа Тамайо.

Но результаты исследования могут иметь значение и для самих рыб: По мере потепления океанов рыбам придется тратить больше энергии на плавание и поддержание температуры тела. Поэтому учет их энергетических потребностей во время движения может помочь ученым лучше предсказать, как животные будут вести себя в меняющемся мире.

В условиях изменения климата мы очень хотим понять такие вещи, как [энергетические потребности] рыб, — сказал Дэвид Кофлин, биолог-рыбовод из Университета Уиденера, не принимавший участия в исследовании.

Тардиграды используют экстремальное обезвоживание, чтобы противостоять стрессу

Что может победить тардиград? Восьминогие микроскопические животные известны тем, что они практически неуничтожимы. Они могут переносить жару и давление в глубоководных жерлах, выдерживать температуру, близкую к абсолютному нулю, и в несколько тысяч раз превышающую радиацию, которая может убить человека. Вакуум космического пространства? Взрыв из ствола пушки на скорости почти 2 000 миль в час? Тардиграды могут это пережить. Даже пять массовых вымираний на нашей планете не смогли уничтожить их.

Эти забавные на вид существа, известные также как «водяные медведи», могут пережить экстремальные условия, войдя в так называемое туннельное состояние. Они приостанавливают обмен веществ и выбрасывают 95 процентов влаги, превращаясь в обезвоженный шар. В работе, опубликованной в январе в журнале PLOS One, ученые выяснили, как работает эта выносливая адаптация.

Когда исследователи подвергали тардиградов воздействию сильного холода или таких веществ, как сахар, соль или перекись водорода, животные начинали вырабатывать свободные радикалы, или атомы кислорода с дополнительным электроном. В результате дополнительного заряда свободные радикалы очень реактивны и могут дестабилизировать ДНК или белки. Некоторые ученые даже предположили, что свободные радикалы могут приводить к старению людей и других существ, хотя эта идея оспаривается.

Свободные радикалы в организме тардиградов реагируют с белком, называемым цистеином, как выяснила команда, но когда эти реакции блокируются, тардиграды не могут войти в тун. Без цистеина тардиграды также не могли пережить замораживание, хотя в таких условиях они не попадают в тун. Это позволяет предположить, что белок может играть более важную роль в общей выживаемости водяных медведей. По словам исследователей, полученные результаты могут пролить свет на старение человека или длительные космические путешествия, а также на такие спящие состояния, как криптобиоз.

Второе исследование, опубликованное в журнале Protein Science в марте, сделало еще один шаг вперед и рассмотрело, как тардиграды переносят тун. Один из их трюков заключается в использовании так называемых цитоплазматических теплорастворимых белков, которые образуют гель, поддерживающий клетки тардиграды в увлажненном состоянии. Исследователи поместили эти белки в человеческие клетки и обнаружили, что они делают то же самое — повышают устойчивость клеток к стрессу и замедляют их метаболизм.

По мнению Сильвии Санчес-Мартинес, ведущего автора второго исследования, это исследование не означает, что мы собираемся начать сохранять целых людей в сверхустойчивом обезвоженном состоянии. Напротив, сказала она Коди Коттье (Cody Cottier) из журнала Discover, это может научить врачей приостанавливать распад тканей при пересадке органов или травмах, например, в зоне боевых действий.

Потенциально мы можем остановить или приостановить некоторые травмы, пока не сможем устранить их должным образом, — сказала она.

Шимпанзе используют лес как аптеку

Когда шимпанзе болеют или получают ранения, они, как и люди, ищут лекарства. Но в этом случае приматы используют лес как аптеку, похоже, выбирая листья и деревья с целебными свойствами.

В исследовании, опубликованном в июне в журнале PLOS One, ученые описывают наблюдение за двумя группами шимпанзе в угандийском лесу Будонго в течение восьми месяцев. Они следили за тем, что едят животные, а также за тем, есть ли у них признаки болезни, определяя их по ранам и анализу мочи и кала. Команда остановилась на группе из 13 растений, употребляемых обезьянами в пищу, которые не имели особой питательной ценности, но обладали антибактериальными и противовоспалительными свойствами. В некоторых случаях шимпанзе, страдающие от недомоганий, отправлялись на поиски этих растений.

Ученые говорят, что такое поведение может стать окном в новые лекарства для людей.

Мы не можем проверить [каждое растение] в этих лесах на предмет их лекарственных свойств, — говорит ведущий автор исследования Элоди Фрейманн, приматолог из Оксфордского университета в Англии, в интервью BBC News Виктории Гилл.

Так почему бы не проверить растения, о которых у нас есть такая информация, — растения, которые шимпанзе ищут?

В другом случае самолечения ученые недавно наблюдали, как орангутанг залечивает собственную рану. В статье, опубликованной в мае в журнале Scientific Reports, исследователи описали курьезный случай с Ракусом, самцом суматранского орангутана в Индонезии. Животное получило рану на щеке, а спустя всего несколько дней начало жевать растение под названием желтый корень и натирать больное место его соком. На следующий день он съел растение, хотя обычно желтый корень составляет всего 0,3 процента от рациона орангутангов. Меньше чем через неделю рана закрылась и осталась незараженной.

Этот случай не только может навести человека на мысль об открытии новых природных средств, но и позволяет предположить, что способность к самолечению зародилась в роду приматов очень давно. Как сказала соавтор исследования Каролина Шуппли, приматолог из Института поведения животных имени Макса Планка, Гаятри Вайдьянатан из Nature News, «это показывает, что орангутаны и люди обмениваются знаниями».

Ранее мы опубликовали 10 биотехнологических инноваций в 2025 году.

01.01.2025