Физика частиц в вашем теле / Хабр
Есть гипотеза, что каждую молекулу воды на Земле кто-то уже пил хотя бы раз за всю многомиллионную историю эволюции жизни. Но если посмотреть ещё глубже — на уровень химических элементов — то окажется что наше тело гораздо древнее, сколько бы лет от роду вам ни было. Об этом и многом другом рассказывает Иван Лозовой в новом видео наших друзей на канале Sci-One. А текстовую версию читайте под катом.
14 миллиардов лет назад наша Вселенная была горячей сверхплотной крупицей, которая невероятно быстро расширялась. Вся материя и антиматерия, что были в те времена, должны были уничтожиться и не оставить нам ничего, кроме энергии. Но почему-то часть материи сохранилась, и сейчас мы живём в мире элементарных частиц. И мало кто догадывается, что это за мир такой на самом деле, и какое место мы в нём занимаем.
Примерно 99% вашего тела состоит из атомов водорода, углерода, азота и кислорода.
Размер атома зависит от того, как расположены его электроны. Ядро, находящееся внутри атома, приблизительно в 100 тысяч раз меньше самого элемента. Если бы ядро было размером с горошину, атом был бы по размеру с футбольный стадион. А если из атома убрать свободное пространство, человек мог бы уместиться в пылинке, а всё человечество — в одном сахарном кубике.
Эти частицы составляют лишь малейшую часть вашей массы тела. Каждый протон и нейтрон внутри ядра атома состоит из трех кварков. Масса кварков, которые появляются из-за их взаимодействия с полем Хиггса, составляет лишь несколько процентов от массы протона или нейтрона.
Всё дело в энергии. Почти вся масса человеческого тела состоит из кинетической энергии кварков и энергии связи глюонов.
Ваше тело — это маленькое месторождение радиоактивных элементов. Каждый год вы получаете дозу природной радиации величиной в 400 микрозивертов — она генерируется внутри вас. Такое же количество радиации вы получаете во время четырех рентгенографий грудной клетки. Также уровень радиации вашего тела может увеличиваться на 10-20 микрозивертов каждые восемь часов, пока вы спите рядом с вашим, таким же радиоактивным, любимым человеком.
Вы излучаете радиацию, потому что еда и напитки, которые вы потребляете, и даже воздух, которым вы дышите, содержит радионуклиды, такие как калий-40 и углерод-14. Они взаимодействуют с молекулами вашего тела, распадаются и продуцируют радиацию.
Радиоактивность вашего тела — лишь часть той радиации, с которой вы сталкиваетесь каждый день, не получая вреда. Еда, которую вы потребляете, дом, в котором вы живете, камни и почва, по которым вы ходите, обдают вас низким уровнем радиации. Если вы просто съедите грецкий орех или сходите к зубному врачу, то получите уровень радиации в несколько десятков микрозивертов. Кстати, курение может повысить уровень радиации на 160 тысяч микрозивертов. А ещё есть космическое излучение. Оно имеет внеземное происхождение и постоянно проникает сквозь атмосферу. Здесь это излучение сталкивается с другими ядрами и производит мезоны, многие из которых распадаются на частицы, такие, как мюоны и нейтрино.
Солнце постоянно бомбардирует нас фотонами, которые позволяют нам видеть этот мир. Но Солнце атакует нас и частицами, называемыми нейтрино. Нейтрино — постоянные гости вашего тела, проникающие в вас в количестве 100 трлн в секунду. Солнце — не единственный источник этих частиц, они приходят также из ядерных реакций внутри других звезд, и даже из ядерных реакций на нашей собственной планете.
Многие нейтрино образовались еще в первые несколько секунд после Большого взрыва, и они старше даже ваших собственных атомов. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с другими частицами, и поэтому их визиты для вашего тела проходят практически бесследно.
Также ваше тело, скорее всего, постоянно взаимодействует с частицами темной материи. Она не излучает, не отражает и не поглощает свет, и поэтому ее очень сложно обнаружить. Однако ученые считают, что темная материя составляет примерно 80% всего вещества во Вселенной. Учитывая такое большое количество, предполагается, что сотни тысяч этих частиц взаимодействуют с вашим телом каждую секунду.
Но темная материя слабо взаимодействует с материей, из которой вы состоите, и поэтому эффекты этого взаимодействия, скорее всего, незаметны. В следующий раз, когда вы заинтересуетесь, как физика элементарных частиц влияет на вашу жизнь, просто загляните в себя.
Источник
Почитать еще по теме:
- О классификации частиц
- О темной материи
- О нейтрино
- О кварках
Ученые: больше половины ваших клеток — не человеческие
- Джеймс Галлахер
- Обозреватель Би-би-си по вопросам науки
Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.
Более половины клеток в организме человека не являются человеческими, говорят ученые.
Из всех клеток в человеческом теле только 43% — это, собственно, клетки человека. Остальные — это микроскопические колонизаторы.
Понимание этой скрытой области нашего тела — человеческой микробиоты — стремительно меняет наше представление о разных болезнях — от аллергии до болезни Паркинсона.
Некоторые медики даже задаются вопросом — что значит «быть человеком», и в поиске ответа находят новые способы лечения.
- Что хочет сказать наш кишечник, пуская газы
- Кефир улучшает микрофлору кишечника. Научное доказательство
- Ученые: паразиты-лямблии «взламывают» наши клетки
«Они крайне важны для вашего здоровья, — говорит профессор Рут Лей, директор департамента микробиотических исследований в Институте Макса Планка. — Ваше тело существует не только для вас», — добавляет она.
Как бы тщательно вы ни мылись, каждый уголок и каждая складка в вашем теле в любой момент времени обильно заселена микроскопическими созданиями.
Среди них — бактерии, вирусы, грибки и археи (которые обычно по ошибке классифицируют как бактерии). Больше всего этих существ живет в темных и сумрачных глубинах нашего кишечника, куда нет доступа кислороду.
Пропустить Подкаст и продолжить чтение.
Подкаст
Что это было?
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
эпизоды
Конец истории Подкаст
«В вас больше от микроба, чем от человека», — говорит в беседе с Би-би-си профессор Роб Найт из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Раньше исследователи думали, что на каждую человеческую клетку в организме приходится десять микроорганизмов.
«Эту оценку пересмотрели, теперь соотношение скорее один к одному, поэтому сейчас мы считаем, что, если пересчитать клетки, то каждый из нас — на 43% человек», — говорит он.
Но с точки зрения генетики мы находимся в еще более уязвимом положении.
Геном человека — полный набор генетических инструкций, который есть у каждого из нас, — состоит из 20 тысяч «инструкций», которые называют генами.
Однако если сложить все гены живущих в нас микроорганизмов, итоговая цифра будет на уровне 20 миллионов.
«У нас не один геном, гены нашей микробиоты по сути представляют собой второй геном, который дополняет работу нашего собственного», — говорит профессор Саркис Мазманян из Калифорнийского технического университета.
«Я считаю, что нас делает людьми сочетание нашей собственной ДНК и ДНК микробов в нашем кишечнике», — считает он.
Было бы наивно думать, что такое количество микробов в нашем теле никак не взаимодействует с организмом и не влияет на его работу.
Ученые исследуют роль микробиоты в пищеварении, регулировании имунной системы, защиты от болезней и выработке витаминов.
«Мы обнаруживаем, что эти крошечные организмы могут полностью преобразить наше здоровье, до недавних пор мы не могли себе этого представить», — говорит профессор Найт.
Это новый подход к миру микробов — до сих пор человечество с ними главным образом боролось.
Поле битвы с микробами
Антибиотики и вакцины — оружие человека в борьбе с такими напастями, как вирус-возбудитель оспы, палочка Коха или золотистый стаффилокок. Они спасли множество жизней.
Однако ряд исследователей обеспокоены тем, что в борьбе с вредными микробами человечество могло нанести непоправимый вред обитающим внутри человека «полезным бактериям».
«За последние 50 лет мы проделали замечательную работу по уничтожению инфекционных заболеваний, — говорит профессор Лей. — Однако в то же время мы увидели огромный и устрашающий рост аутоимунных и аллергических заболеваний».
«Задача работы с микробиотой в том, чтобы понять, каким образом ее изменения, ставшие результатом нашего успеха в борьбе с патогенами, приводят к развитию целой категории новых болезней, с которыми нам нужно будет разбираться», — считает ученый.
Состояние микробиоты связывают и с другими болезнями, например с воспалением кишечника, болезнью Паркинсона, эффективностью лекарств от рака и даже аутизмом и депрессией.
Еще один пример — ожирение. Гены и диеты, безусловно, играют здесь свою роль, но как насчет микрофлоры кишечника?
Здесь тема становится сложнее.
Если есть только бургеры и шоколад, то такая диета и повысит риск ожирения, и повлияет на то, какие микробы живут у вас в пищеварительной системе.
Многие страдающие ожирением люди не знают, что у них в кишечнике живут «плохие» бактерии, которые метаболизируют пищу таким образом, что ожирение усугубляется — но как об этом узнать?
Профессор Найт провел эксперимент: подопытными выступили мыши, выращенные в идеальных санитарных условиях.
С рождения они ни разу не вступали в контакт с микробами.
«Нам удалось показать, что, если взять худых и тучных людей и пересадить бактерии из их кала мышам, то мыши жиреют или становятся худыми в зависимости от того, чьи бактерии им пересадили», — говорит Найт.
Когда мышам, получившим бактерии от страдающих ожирением людей добавляли бактерий от худых, мыши начинали худеть.
«Это довольно удивительно, правда? Теперь вопрос в том, каким образом всё это можно применить к человеку», — говорит Найт.
На применение микробов в качестве лекарств сегодня возлагают большие надежды в медицине.
Залежи информации
В кембриджширском Институте Сенгера я встречаюсь с доктором Тревором Лоли, который пытается вырастить в лабораторных условиях полные микробиоты как здоровых, так и больных людей.
«У больных, например, могут отсутствовать некоторые микробы. Задача в том, чтобы вернуть их в организм», — говорит он.
Как утверждает Лоли, сегодня появляется все больше свидетельств того, что восстановление микробиоты больного может привести к ремиссии, например, в случае с язвенным колитом.
«Я думаю, что для большинства болезней, которые мы изучаем, вскоре придумают конкретные смеси микробов, где-то 10 или 15, которые будут давать пациентам», — уверен ученый.
Лечение микробами как сфера медицины находится на ранних этапах развития, но ученые думают, что вскоре регулярный мониторинг состояния микробиоты станет частью повседневной рутины, что даст нам огромное количество информации о нашем здоровье.
«Удивительно думать, что в каждой чайной ложке нашего кала содержится больше генетической информации о микробах, чем может уместиться на тонне DVD-дисков,» — говорит ученый.
«Каждый раз, когда вы, так сказать, сбрасываете эти данные, они попросту смываются без следа», — добавляет он.
«Мы видим решение так: в недалеком будущем, каждый раз, когда вы будете смывать унитаз, он будет делать что-то вроде моментального анализа и сообщать вам, хорошая у вас динамика, или не очень.
Я считаю, что это всё преобразит», — уверен исследователь.
Из чего сделаны люди? • Earthpedia • Earth.com
Автор: Патрик О’Хара
Штатный сотрудник Earth.com
До того, как Леонардо да Винчи стал художником, он изучал анатомию. Его наставник, Андреа дель Верроккьо, считал, что анатомия необходима мастеру живописи, и да Винчи согласился, написав: «Художнику необходимо быть хорошим анатомом, чтобы он мог изображать обнаженные части человеческого тела». структурировать и знать анатомию сухожилий, нервов, костей и мышц».
Еще в 15 веке ученые и художники задавались вопросом: «Из чего сделаны люди?» Вопрос как минимум сложен, поэтому давайте рассмотрим несколько разных способов анализа того, что на самом деле находится внутри каждого из нас.
Атомарно
Разве мы все не просто набор атомов и молекул? Какими бы сложными ни были люди (и другие формы жизни), 99% наших тел состоят всего из шести элементов: кислорода, углерода, водорода, азота, кальция и фосфора.
Есть два больших способа посмотреть на то, сколько людей составляет конкретный элемент: массовый и атомный процент. Первое — это просто то, какой процент веса человека приходится на определенный элемент. Через эту линзу кислород легко забирает торт с 65% нашей массы! Учитывая относительно большую массу кислорода (16 г/моль), а также огромное количество воды (H3O) и газообразного кислорода (O2) в нашем организме, это имеет смысл.
Если вместо этого мы посмотрим через последнюю линзу атомных процентов, то кислород больше не будет королем. В данном случае наиболее распространенным является водород, составляющий около 62% всех атомов в наших телах. Атомы водорода есть практически во всех органических молекулах нашего тела: в жирах, углеводах, ДНК и белках. Для сравнения, азот является четвертым по распространенности элементом в нашем организме, но составляет всего 1% всех атомов.
Клеточное
Тело среднего человека содержит около 30 000 000 000 000 (30 триллионов) клеток.
Ну, 30 триллионов человеческих клеток. Вместе с тем насчитывается около 38 трлн бактериальных клеток. Да, по чистому количеству клеток мы больше бактерии, чем люди! Эти бактерии чрезвычайно важны для всех основных функций человека, от защиты до пищеварения.
Если мы просто сосредоточимся на клетках человека, то насчитываем около 200 различных типов клеток. Из всех 200 подавляющее большинство из них находится в нашей крови. Около 84 из каждых 100 клеток являются эритроцитами, также известными как эритроциты. Следующая по величине категория — тромбоциты, составляющие около 5% наших клеток. Остальные 10% наших клеток разделены между остальными типами клеток, такими как нейроны, мышечные клетки, жировые клетки и клетки кожи.
Системы органов
Сколько весит ваша селезенка? Как насчет среднего мизинца? В серии исследований, опубликованных в 2012 году, была предпринята попытка установить «нормальные» диапазоны для основных органов человеческого тела.
Они использовали только самцов, а средний вес составлял примерно 75 кг (165 фунтов). Людям нравится считать себя довольно умными, и если судить по массе, то они просто ошибаются. В то время как средний мозг в исследовании весил 1,41 кг (это 3,11 фунта или около 2% от общей массы тела), средняя печень была немного тяжелее — 1,56 кг (3,44 фунта)! Другими заслуживающими внимания тяжелыми органами были легкие (0,84 кг вместе), сердце (0,31 кг) и почки (0,26 кг вместе).
Когда мы начинаем рассматривать различные поверхности органов, вопрос о «наибольшем» становится еще более интересным. Распространённая поговорка «кожа — самый большой орган» очень далека от истины. В то время как средний мужчина весом 70 кг имеет общую площадь поверхности кожи 1,7 м2, это далеко не самый большой показатель. Исследования показали, что воздухообменная поверхность легких составляет 70 м2, что примерно вдвое меньше площади теннисного корта. Более того, поверхность слизистой желудочно-кишечного тракта человека оценивается примерно как футбольное поле!
Звездная пыль
13,8 миллиарда лет назад произошел Большой взрыв, породивший все, что когда-либо было или будет.
Через несколько сотен тысяч лет после этого события начали формироваться простые атомы, а именно водород и гелий. Постепенно гравитационные силы стянули эти атомы в сверхплотные, сверхгорячие клубящиеся облака частиц. Звезды начинают формироваться по всей Вселенной, и в конечном итоге их число исчисляется миллиардами.
В центре этих звезд (и современных звезд тоже) находится ядро, где водород превращается в гелий. Во время этого процесса высвобождается огромное количество энергии, обеспечивая строительные блоки для других известных нам сегодня элементов: углерода, кислорода и азота. Эти звезды являются конечным источником для каждого отдельного атома, кроме водорода и гелия, в нашей известной Вселенной. Из чего сделаны люди? Через призму Большого взрыва мы сделаны из звездной пыли!
Связанные новости
News.
Новости
Видео
Изображения
Earthpedia
Действия
Магазин
EARTHPEDIA
Статьи
002002 Животные 9 Endanger 9 Эн003энциклопедия0003растения Энциклопедия
Вымирающие растения
Земля Новости
БЛАДНЫЕ НОВОСТИ
Окружающая среда
Lifesyle
Голоса
Животные
растения
Получите на подъеме
. Свяжитесь с нами
© 202222222
. права защищены
Химия жизни: человеческое тело
Живая наука поддерживается аудиторией. Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот почему вы можете доверять нам.
никто Примечание редактора: в этой серии статей рассматриваются жизненно важные вещи в нашей жизни и химия, из которой они состоят. Ты то, что ты ешь. Но помните ли вы, как жевали немного молибдена или перекусывали селеном? В организме обнаружено около 60 химических элементов, но что все они там делают, до сих пор неизвестно.
Некоторые из наиболее известных представителей называются макроэлементами, тогда как те, которые появляются только на уровне частей на миллион или меньше, называются микронутриентами. Эти питательные вещества выполняют различные функции, в том числе строят кости и клеточные структуры, регулируют рН тела, несут заряд и запускают химические реакции. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) установило рекомендуемую суточную норму потребления 12 минералов (кальций, железо, фосфор, йод, магний, цинк, селен, медь, марганец, хром, молибден и хлорид). Натрий и калий также имеют рекомендуемые уровни, но они рассматриваются отдельно. Однако это не исчерпывает список элементов, которые вам понадобятся.
По иронии судьбы, самая важная роль кальция заключается в функциях организма, таких как сокращение мышц и регуляция белков. Фактически, организм будет вытягивать кальций из костей (вызывая такие проблемы, как остеопороз), если в рационе человека недостаточно этого элемента. Фосфор (1%) содержится преимущественно в костях, но также и в молекуле АТФ, которая обеспечивает клетки энергией для запуска химических реакций. Калий 
Этот электролит важен для поддержания нормального баланса жидкостей. Магний (0,05%) играет важную роль в структуре скелета и мышц. Он также необходим в более чем 300 основных метаболических реакциях. Железо (0,006%) является ключевым элементом в метаболизме практически всех живых организмов. Он также содержится в гемоглобине, который является переносчиком кислорода в эритроцитах. Половина женщин не получают достаточного количества железа в своем рационе. Фтор (0,0037%) содержится в зубах и костях. Помимо предотвращения кариеса, это, по-видимому, не имеет никакого значения для физического здоровья. Цинк (0,0032%) является важным микроэлементом для всех форм жизни. Некоторые белки содержат структуры, называемые «цинковыми пальцами», которые помогают регулировать гены. Известно, что дефицит цинка приводит к карликовости в развивающихся странах. Медь (0,0001%) играет важную роль в качестве донора электронов в различных биологических реакциях.
Без достаточного количества меди железо не будет работать должным образом в организме. Йод (0,000016%) необходим для производства гормонов щитовидной железы, которые регулируют скорость метаболизма и другие клеточные функции. Дефицит йода, который может привести к зобу и повреждению головного мозга, является важной проблемой здравоохранения во многих странах мира. Селен (0,000019%) необходим для некоторых ферментов, включая несколько антиоксидантов. В отличие от животных, растениям не требуется селен для выживания, но они его поглощают, поэтому известно несколько случаев отравления селеном при употреблении в пищу растений, выращенных на богатых селеном почвах. Хром (0,0000024%) помогает регулировать уровень сахара, взаимодействуя с инсулином, но точный механизм до сих пор полностью не изучен. Марганец (0,000017%) необходим для некоторых ферментов, в частности тех, которые защищают митохондрии — место, где внутри клеток вырабатывается полезная энергия — от опасных окислителей.