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10 Science Stories von 2017, die sich wie Sci-Fi-Taglines anhören
Nach einem weiteren Jahr im Rückspiegel ist es Zeit, sich zurückzulehnen, tief Luft zu holen und einige der wissenschaftlichen Schlagzeilen zu betrachten, die wir möglicherweise übersehen haben. Wissenschaftler entwickeln ständig neue Entwicklungen in verschiedenen Bereichen. Nanotechnologie, Gentherapie und Quantenphysik betreten immer wieder neue Wege.
Wissenschaftliche Schlagzeilen lesen sich immer mehr wie Artikel aus Science-Fiction-Magazinen. Angesichts dessen, was 2017 gebracht hat, können wir es kaum erwarten zu sehen, was 2018 enthüllt…
10 Wissenschaftler erstellen Zeitkristalle und brechen Zeit-Übersetzungssymmetrie
Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik sind Maschinen mit ständiger Bewegung, die ohne Energieeintrag arbeiten, unmöglich. Anfang dieses Jahres haben Physiker jedoch Strukturen geschaffen, die Zeitkristalle genannt werden, die diese Vorstellung sicherlich auf die Probe stellen.
Zeitkristalle sind die ersten realen Beispiele für einen neuen Zustand der Materie, der als "Nichtgleichgewicht" bezeichnet wird, bei dem die Atome unterschiedliche Temperaturen haben und niemals miteinander im thermischen Gleichgewicht stehen. Zeitkristalle haben eine atomare Struktur, die sich nicht nur im Raum, sondern auch in der Zeit wiederholt, sodass sie ohne Energie eine konstante Schwingung aufrechterhalten können. Dies tritt sogar im Grundzustand auf, der der niedrigste Energiezustand ist, in dem eine Bewegung theoretisch unmöglich ist, da er einen Energieaufwand erfordert.
Brechen also Zeitkristalle die Gesetze der Physik? Technisch nein. Energieeinsparung kann nur in Systemen mit Zeit-Translations-Symmetrie definiert werden, die Vorstellung, dass die Gesetze der Physik überall und zu allen Zeiten gleich sind. Und wenn es eine Sache gibt, zu der die Kristalle zerbrechen, dann ist es Zeitverschiebungssymmetrie. Sie sind jedoch nicht die ersten. Magnete werden häufig auch als natürlich asymmetrische Objekte aufgezogen, da sie ein Nordende und ein Südende haben.
Ein weiterer Grund, warum Zeitkristalle die Gesetze der Thermodynamik nicht brechen, ist, dass sie nicht vollständig isoliert sind. Sie brauchen ab und zu einen „Anstoß“ - nur ein bisschen Energie von außen, um sie dazu zu bringen, ihren Zustand immer wieder zu ändern. Mögliche zukünftige Anwendungen für Zeitkristalle beinhalten die Informationsübertragung und -speicherung in Quantensystemen. Sie könnten eine entscheidende Rolle beim Quantencomputing spielen.
9 Libellenflügel sind "lebendig"
Vereinfacht definiert Merriam-Webster „Flügel“ als beweglichen, gefiederten oder häutigen Ansatz, der von Vögeln, Insekten und Fledermäusen für den Flug verwendet wird. Es soll nicht lebendig sein, aber Entomologen an der Kieler Universität in Deutschland haben einige aufregende Entdeckungen gemacht, die zumindest in Morpho-Libellen etwas anderes vermuten lassen.
Insekten atmen durch ein Luftröhrensystem. Die Luft dringt in ihre Körper durch äußere Öffnungen ein. Anschließend durchläuft es ein komplexes Netz von Trachealtuben, die die Luft an alle Körperzellen abgeben. Die Flügel bestehen jedoch fast ausschließlich aus totem Gewebe, das austrocknet und entweder durchscheinend wird oder mit Farbmustern bedeckt ist. Die Bereiche des abgestorbenen Gewebes werden von Venen begrenzt, die die einzigen Flügelkomponenten sind, die Teil des Atmungssystems sind.
Als der Entomologe Rhainer Guillermo Ferreira einen Flügel des Mannes ansah Zenithoptera Libelle durch ein Elektronenmikroskop sah er winzige, verzweigte Trachealtuben. Dies ist die erste derartige Beobachtung in einem Insektenflügel. Es ist eine Menge Tests erforderlich, um zu bestimmen, ob dieses physiologische Merkmal für diese Art spezifisch ist oder vielleicht in Libellen oder sogar in anderen Insekten üblich ist. Es kann sogar eine Mutation sein, die zufällig nur von einer Person gefunden wird, aber Experten sind zweifelhaft. Das Vorhandensein reichlicher Sauerstoffvorräte könnte die lebhaften, komplexen blauen Farben auf den Flügeln von erklären Zenithoptera Libellen, die kein blaues Pigment enthalten.
8 Uralte Zecke mit Dinosaurierblut gefüllt
Wir haben einige erstaunliche Dinge entdeckt, die in Bernstein konserviert wurden, aber die Ergebnisse dieses Jahres könnten den Kuchen kosten. Wissenschaftler in Myanmar haben Bernsteinstücke entdeckt, die vor 99 Millionen Jahren datiert wurden und Parasiten enthalten, die modernen Zecken ähneln. Einer von ihnen war in eine Dinosaurierfeder verwickelt, zwei wurden mit einem Dinosauriernest gefunden und der vierte wurde mit Dinosaurierblut gefüllt.
Natürlich denken die Leute sofort an a Jurassic ParkEin Szenario, in dem wir das Blut nutzen könnten, um Dinosaurier wieder zum Leben zu erwecken. Leider wird dies nicht so bald passieren, da es unmöglich ist, DNA-Proben aus diesen bernsteinkonservierten Fossilien zu extrahieren. Es wird immer noch diskutiert, wie lange ein DNA-Molekül halten kann, aber selbst die optimistischsten Schätzungen sagen nur wenige Millionen Jahre unter idealen Bedingungen aus.
Auch wenn es die Dinosaurier nicht zurückbrachte, die neu benannten Deinocroton draculi (Draculas schreckliche Zecke) ist immer noch ein außergewöhnlicher Fund, der uns neue Informationen lieferte. Wir wissen jetzt nicht nur, dass alte Zecken auf gefiederte Dinosaurier abzielten, sondern auch, dass sie die Dinosauriernester befallen haben.
7 Erwachsener Mensch unterliegt Genveränderung
Der gegenwärtige Scheitelpunkt der Gentherapie ist Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats oder CRISPR. Es ist eine Familie von DNA-Sequenzen, die nun die Grundlage für eine Technologie namens CRISPR / Cas9 bildet, die theoretisch die DNA eines Menschen dauerhaft verändern könnte.
Im Jahr 2017 machte das Gen-Editing-Tool einen Schritt nach vorne, nachdem ein Team des Pekinger Proteome Research Center bekannt gegeben hatte, dass es CRISPR / Cas9 erfolgreich eingesetzt hat, um krankheitsverursachende Mutationen in lebensfähigen menschlichen Embryonen zu korrigieren. Ein anderes Team aus dem Londoner Francis Crick Institute ging den umgekehrten Weg und nutzte die Technologie, um zum ersten Mal absichtlich Mutationen in menschlichen Embryonen zu erzeugen.(Insbesondere "schalteten" sie ein Gen aus und verhinderten, dass sich Embryonen zu Blastozysten entwickelten.)
Die Studien zeigten, dass CRISPR / Cas9 relativ einfach funktioniert. Dies führte jedoch zu intensiven ethischen Debatten darüber, wie weit diese Technologie gehen sollte. Theoretisch könnte dies zu „Designerbabys“ führen, die gemäß den Vorgaben der Eltern intellektuelle, sportliche und körperliche Merkmale aufweisen könnten.
Abgesehen von der Ethik gab es diesen November eine noch größere Entwicklung, als CRISPR / Cas9 zum ersten Mal bei einem erwachsenen Menschen eingesetzt wurde. Der 44-jährige Brad Madeux aus Kalifornien leidet unter dem Hunter-Syndrom, einer unheilbaren Krankheit, die ihn eventuell in einen Rollstuhl stecken könnte. Ihm wurden Milliarden von Kopien des korrigierenden Gens und ein genetisches Werkzeug injiziert, mit dem seine DNA geschnitten, das Gen eingefügt und wieder zusammengenäht wurde. Es wird einige Monate dauern, bis wir feststellen können, ob das Verfahren erfolgreich war oder nicht.
6 Welches kam zuerst - der Schwamm oder das Gelee?
Ein neues Forschungspapier, das in diesem Jahr veröffentlicht wurde, soll die langjährige Debatte über die Herkunft der Tiere endgültig beenden. Laut der Studie sind Schwämme die „Schwestern“ aller anderen Tiere der Welt. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass Schwämme die erste Gruppe waren, die sich vom Evolutionsbaum abzweigte, der zu dieser Zeit nur den primitiven gemeinsamen Vorfahren aller Tiere enthielt. Dies wäre vor ungefähr 750 Millionen Jahren geschehen.
Vor dieser Geschichte schien sich die heiß umstrittene Debatte auf nur zwei Kandidaten reduziert zu haben: die oben genannten Schwämme und wirbellose Meerestiere, die Kammgelees genannt werden. Während Schwämme einfache Kreaturen sind, die auf dem Meeresboden sitzen und durch Filterfütterung überleben, sind Kammgelees komplexer. Sie ähneln Quallen, sind in der Lage, sich durch Wasser zu bewegen, können Lichtmuster erzeugen und haben ein einfaches Nervensystem. Herauszufinden, welcher zuerst kam, bedeutet auch herauszufinden, wie unser gemeinsamer Vorfahr aussah. Es wird als wesentlicher Bestandteil bei der Verfolgung unserer evolutionären Zeitleiste betrachtet.
Während die Studie kühn verkündet, die Angelegenheit sei nur wenige Monate zuvor erledigt, kam eine andere Studie heraus, die besagt, dass Kammgelees unsere evolutionären „Schwestern“ sind Zweifel
5 Waschbären haben einen uralten Intelligenztest bestanden
Etwa um das 6. Jahrhundert v. Chr. Schrieb oder sammelte der griechische Geschichtenerzähler Aesop eine Reihe von Fabeln, die heute unter dem Namen Aesop Fabeln bekannt sind. Darunter befand sich eine Geschichte mit dem Titel „Die Krähe und der Krug“, in der eine durstige Krähe gezeigt wurde, die aus einem Krug ein Getränk erhielt, indem sie Kieselsteine hineinwarf und den Wasserspiegel anstieg, bis der Vogel es erreichen konnte.
Einige tausend Jahre später erkannten die Wissenschaftler, dass die Geschichte eine gute Möglichkeit darstellt, Tierintelligenz zu testen. Das Experiment würde zeigen, dass die getestete Kreatur Ursache und Wirkung versteht. Getreu der Geschichte übertrafen Krähen wie andere Corvids wie Türme und Jays. Große Menschenaffen haben auch den Test bestanden, und dieses Jahr wurde ein weiteres Tier zur Liste hinzugefügt - der Waschbär.
Während des Aesop's Fable-Tests wurden acht Waschbären mit einem Zylinder präsentiert, der einen auf Wasser zu schwimmenden Eibisch enthielt, das zu niedrig war, um es zu erreichen. Zwei von ihnen ließen erfolgreich Kieselsteine fallen, um den Wasserstand zu erhöhen und ihre Leckerei zu erreichen.
Andere Testpersonen fanden ihre eigenen kreativen Lösungen, die die Tester nicht erwartet hatten. Ein Waschbär, der ihre Erfahrung als Mülleimer-Kipper durchführte, kletterte auf den Zylinder und schwankte hin und her, bis sie ihn umstieß. In einem anderen Test, bei dem schwimmende und sinkende Bälle anstelle von Kieselsteinen verwendet wurden, hofften die Prüfer, dass die Waschbären sinkende Bälle verwenden und die schwebenden abwerfen würden. Stattdessen tauchten einige Tiere wiederholt einen schwimmenden Ball ein, bis die Marshmallow-Stücke entweder auf die Seite des Zylinders spritzten oder am Ball klebten, wodurch sie leicht wiederzufinden waren.
4 Physiker erstellen ersten topologischen Laser
Physiker der University of California, San Diego, behaupten, einen neuen "topologischen" Laser konstruiert zu haben, der jede Form annehmen und sich um einen Hohlraum schlängeln kann, ohne Lichtstreuung zu verursachen. Das Gerät basiert auf dem Konzept topologischer Isolatoren (Materialien, die in ihrem Volumen isolieren, aber auf ihren Oberflächen leitfähig sind), die 2016 den Nobelpreis für Physik gewonnen haben.
Normalerweise hat eine durch Licht verstärkte Laserkavität die Form eines Rings. Dies ist effizienter als Formen mit scharfen Ecken, lässt aber immer noch Platz zwischen den Ringen. Das Forscherteam hat dieses Hindernis überwunden, indem ein topologischer Hohlraum mit einem photonischen Kristall als Spiegel erzeugt wurde. Im Einzelnen verwendeten sie zwei photonische Kristalle mit unterschiedlichen Topologien, von denen einer eine sternförmige Elementarzelle in einem quadratischen Gitter und der andere ein dreieckiges Gitter mit zylindrischen Luftlöchern war. Das Teammitglied Boubacar Kante verglich sie mit einem Bagel und einer Brezel: Obwohl beide Brote mit Löchern sind, machen sie aufgrund der unterschiedlichen Anzahl von Löchern unterschiedliche Formen.
Sobald die Kristalle angebracht sind und die Grenzfläche die gewünschte Form annimmt, wird das System durch Anlegen eines Magnetfelds eingeschaltet. Dadurch ändert sich die Richtung, in die das Licht emittiert wird, wodurch der Lichtstrom geleitet werden kann. Unmittelbare praktische Anwendungen umfassen das Packen von mehr Lasern auf einen Chip, wodurch die Geschwindigkeit der optischen Kommunikation erhöht wird. Im Großen und Ganzen wird dies jedoch als ein Schritt nach vorne auf dem Weg des Optical Computing gesehen.
3 Wissenschaftler freuen sich über Excitonium
Physiker auf der ganzen Welt sind begeistert von der Entdeckung einer neuen Form der Materie, entsprechend als Exzitonium bezeichnet. Es besteht aus seltsamen Teilchen, den sogenannten Exzitonen. Diese sind der gebundene Zustand eines entweichenden Elektrons und das Loch, das es gerade hinterlassen hat und von der Coulomb-Kraft angezogen werden. Darüber hinaus postulierte der theoretische Harvard-Physiker Bert Halperin bereits in den 1960er Jahren die Existenz von Exzitonium, und Wissenschaftler haben seitdem versucht, ihn als richtig (oder falsch) zu beweisen.
Wie bei vielen großen wissenschaftlichen Entdeckungen war auch hier eine ganze Reihe von Zufälligkeiten von Bedeutung. Das für den Fund verantwortliche Team der University of Illinois in Urbana-Champaign entwickelte in der Tat eine neue Technik, die als Impulsaufgelöste Elektronenenergieverlust-Spektroskopie (M-EELS) bezeichnet wurde, um Exzitonen zu identifizieren. Ihr "Eureka" -Moment geschah jedoch, als die Forscher Kalibrierungstests für ihre neue Methode durchführten. Ein Teammitglied betrat den Raum, während alle anderen auf ein Whiteboard starrten und sagten, dass sie nur ein "weiches Plasmon" gemessen hätten, den Vorläufer der Exzitonen-Kondensation.
Studienführer Professor Peter Abbamonte verglich die Entdeckung mit der des Higgs-Bosons - es wird keine unmittelbaren Anwendungen in der realen Welt geben, aber es zeigt, dass unser gegenwärtiges Verständnis der Quantenmechanik auf dem richtigen Weg ist.
2 Wissenschaftler entwickeln Nanomaschinen, die Krebs abtöten
Forscher der Universität Durham behaupten, Nanomaschinen entwickelt zu haben, die Krebszellen bohren und in nur 60 Sekunden töten können. In einem erfolgreichen Test, der an der Universität durchgeführt wurde, dauerten die winzigen Maschinen zwischen einer und drei Minuten, um die äußere Membran einer Prostatakrebszelle zu durchdringen und sie sofort zu zerstören. (Das Bild ganz rechts zeigt das Zytoplasma, das aus einer angegriffenen Krebszelle austritt.)
Die Nanomaschinen sind 50.000 Mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Sie werden durch Licht aktiviert und drehen sich zwei bis drei Millionen Mal pro Sekunde, um sich durch Zellauskleidungen graben zu können. Wenn sie ihr Ziel erreichen, können sie es entweder sprengen oder eine therapeutische Wirkstoffnutzlast abgeben.
Bisher wurden die Nanomaschinen nur an Einzelzellen eingesetzt, aber die ermutigenden Ergebnisse veranlassten die Wissenschaftler, sich zu Mikroorganismen und kleinen Fischen zu bewegen. Ihr aktuelles Ziel ist es, bald zu Nagetieren und schließlich zu Menschen vorzudringen.
1 Interstellarer Asteroid Könnte Sei ein außerirdisches Raumschiff
Es ist erst ein paar Monate her, seit die Astronomen freudig die Entdeckung unseres ersten interstellaren Besuchs, eines Asteroiden namens "Oumuamua", angekündigt hatten. Seitdem haben sie viele seltsame Dinge über das Himmelsobjekt beobachtet, selbst für etwas, das nicht aus unserem Sonnensystem stammt. Tatsächlich ist es so seltsam, dass sie glauben, es könnte ein außerirdisches Raumschiff sein.
An erster Stelle steht die Form. Oumuamua hat eine Zigarrenform mit einem Verhältnis von 10: 1 zu Länge und Breite, die von keinem anderen Asteroiden jemals beobachtet wird. Zuerst dachten wir, es sei ein Komet, aber uns wurde klar, dass dies nicht der Fall war, wenn er nicht näher an die Sonne kam. Einige Experten argumentieren außerdem, dass die Geschwindigkeit, mit der sich das Objekt dreht, einen normalen Asteroid zerstören würde. Stattdessen scheint es, als sei es speziell dafür ausgelegt, interstellare Reisen zu überstehen.
Wenn es also künstlich ist, was könnte es sein? Einige sagen eine außerirdische Untersuchung, während andere meinen, es könnte ein Raumschiff sein, dessen Triebwerke ausgefallen sind und nun im Weltraum versinken. So oder so, Programme wie SETI und Breakthrough Listen denken 'Oumuamua rechtfertigt weitere Ermittlungen und hat ihre Teleskope darauf gerichtet, auf jegliche Art von Funksignalen zu hören.
Für die außerirdische Hypothese sieht es bisher nicht gut aus, da die ersten Beobachtungen von SETI nichts ergeben haben. Viele Weltraumwissenschaftler sind nach wie vor pessimistisch, was die Wahrscheinlichkeit angeht, dass 'Oumuamua außerirdischer Herkunft ist, aber es bedarf sicherlich weiterer Untersuchungen, um festzustellen, was das mysteriöse Objekt tatsächlich ist.