Чистые линии это в биологии: «Что такое «чистая линия» в генетике?» – Яндекс.Кью

Действительно, важный вывод, который можно было сделать из опытов Менделя — это то, что организмы содержат по два носителя информации о каждом признаки, передают через гаметы потомкам по одному фактору, и в организме факторы, обуславливавшие один и тот же признак, не смешиваются между собой.

Более глубокое генетическое, а также цитологическое и молекулярное объяснение законы Менделя получили позднее. Были выявлены исключения из законов, которые также были объяснены.

Чистые линии — это гомозиготы. У них исследуемая пара аллелей одинакова (например, AA или aa). Выступая в качестве родителя (P) одно растение образует гаметы, содержащие только аллель A, а другое — только аллель a. Получившиеся от их скрещивания гибриды первого поколения (F1) являются гетерозиготами, так как имеют генотип Aa, который при полном доминировании фенотипически проявляется также как гомозиготный генотип AA. Именно эту закономерность описывает первый закон Менделя.

На схеме w — аллель гена, отвечающий за белый цвет цветка, R — за красный (данный признак доминантный). Черными линиями обозначены разные варианты встречи гамет. Все они равновероятны. В любом случае при любой встрече родительских гамет у гибридов первого поколения формируются одинаковые генотипы — Rw.

Чистота рядом с благочестием: механизмы, позволяющие оставаться чистыми

РЕЗЮМЕ

Загрязнение — фундаментальная проблема, и решение которой мало, особенно для животных огромного размера. Как чистятся и пчела, и белка? В этом обзоре мы обсуждаем два основных типа очистки, рассматриваемых с точки зрения энергетики. Стратегии невозобновляемой очистки полагаются на организм как на источник энергии. Примеры включают ухаживающие движения, тряску мокрой собаки или выделение химикатов.Стратегии возобновляемой очистки зависят от источников энергии окружающей среды, таких как использование ресниц для перенаправления входящего ветра и, таким образом, уменьшения отложений на глаза. Обе стратегии используют волосы на теле для облегчения очистки, а у пчел и белок, например, около 3 миллионов волосков у каждой. Этот коврик для волос увеличивает площадь, на которой частицы могут приземлиться, в 100 раз, но также задерживает частицы над телом, уменьшая их адгезию и облегчая удаление. Мы надеемся, что описанные здесь стратегии вдохновят на создание энергоэффективных стратегий очистки в синтетических системах.

Введение

По мере изменения окружающей среды организмы выживают, поддерживая стабильные внутренние и внешние состояния. Их внутреннее состояние характеризуется температурой, соленостью и pH, регулирование которых хорошо изучено (Schmidt-Nielsen, 1984). Не менее важно, но менее количественно, внешнее состояние организма. Это состояние связано с поверхностью животного — его взаимодействием с внешним миром. Плохой уход за поверхностью может привести к передаче бактерий, болезней, паразитов, таких как клещи и клещи, а также к обструкции органов зрения, слуха и обоняния.Как организмы отражают такое большое количество злоумышленников? Цель этого обзора — представить математическую и физическую основу для понимания того, как животные остаются чистыми. Мы избегаем сложной математики, но стремимся быть количественными, используя масштабирование. Этот подход учитывает размер и геометрию организма и облегчает сравнение организмов различных размеров.

Чистка, как на природе, так и в повседневной жизни, определяется удалением и перемещением накопившегося мусора.Такой мусор часто бывает в виде пыли, пыльцы и капель жидкости, которые легко прилипают к широкому спектру поверхностей. Чтобы убрать такой мусор, нужна энергия. Источник этой энергии позволяет нам определить две широкие категории очистки, перечисленные в таблице 1. Если организм расходует свою собственную энергию, он выполняет невозобновляемую очистку. Например, специальные движения для ухода за телом управляются мышечной энергией. Организм использует свою собственную энергию, чтобы ухаживать, лизать, трясти мокрую собаку или выделять бактерициды. Каждому из этих движений существует аналогия в искусственном мире.Мы пылесосим ковры, протираем столешницы, сушим одежду центрифугированием и распыляем химические вещества, чтобы убить бактерии. Поскольку такие методы требуют ограниченных ресурсов, необходимо позаботиться о том, чтобы минимизировать их использование.

Классификация стратегий очистки, встречающихся в природе и устройствах, созданных руками человека

Организм выполняет очистку с использованием возобновляемых источников, если он полагается на свое окружение в качестве источника энергии. Это идеальная стратегия, поскольку такая энергия практически безгранична. Ресницы млекопитающих отражают набегающий ветер, искривляя траекторию частиц, прежде чем они успеют осесть на поверхность глаза.Волосы между омматидиями сложных глаз насекомых делают то же самое. Листья лотоса имеют микроскопические выпуклости, которые делают их поверхность супергидрофобной, позволяя каплям дождя собирать мусор, когда они скатываются. Нано-столбики на крыльях цикады могут прокалывать и убивать бактерии. Все эти методы очистки основаны на энергии окружающей среды. К сожалению, созданные человеком механизмы очистки в основном полагаются на невозобновляемые источники энергии. Одна из целей этого обзора — привлечь внимание к возможностям стратегий очистки от возобновляемых источников энергии, чтобы можно было разработать большее количество энергоэффективных решений.

В этом обзоре мы обсуждаем биологию и физику уборки в природе. Мы начнем с описания типов частиц в окружающей среде и их воздействия на организмы и устройства. Остальная часть этого обзора относится в основном к организмам, уделяя особое внимание насекомым. Мы приступим к измерению восприимчивости организмов к накоплению частиц. Для этого мы вычисляем истинную площадь поверхности организмов, которая может быть в 100 раз больше, чем их видимая площадь поверхности. Под «волосами» мы обычно подразумеваем любые удлиненные структуры, такие как щетинки, гребни и щетки.В следующем разделе мы представляем математические формулы для сил адгезии частиц, включая капиллярные, ван-дер-ваальсовы, электростатические силы и силы захвата когтями. Мы будем использовать эти силы, чтобы обеспечить базовую силу для удаления частиц. Наконец, мы резюмируем наш физический подход к очистке, подчеркивая новые подходы, которые мы определили.

Частицы окружающей среды и их влияние на организмы и устройства

Воздушный мусор может быть влажным или сухим. В этом разделе и на протяжении всего обзора мы называем аэрозоли в воздухе, как сухие, так и влажные, частицами. Переносимые по воздуху частицы имеют тримодальное распределение по размерам с пиками при размере частиц 0,01, 0,5 и 10 мкм (Wilson et al., 1977). Эти частицы состоят в основном из пыли от дорог, строительства, сельскохозяйственных культур и домашнего скота, а также выбросов от пожаров, сжигания топлива и промышленных процессов (Агентство по охране окружающей среды США, 2014). По мере роста численности населения и спроса на энергию, транспорт, продукты питания и технологии увеличивается и концентрация твердых частиц в атмосфере. Между 1993 и 2003 годами концентрация частиц размером 10 мкм и менее увеличилась на 28% (Агентство по охране окружающей среды США, 2013).Мало что известно о том, как животные приспособились к этому резкому изменению содержания твердых частиц.

Типичные частицы, с которыми приходится бороться животным, показаны на рис. 1. Небольшой размер пыли и пыльцы (рис. 1A, D) может сделать их безвредными для людей, несмотря на аллергию. Однако у более мелких животных, таких как насекомые, постоянное накопление может снизить маневренность или закупорить органы чувств. Типичная медоносная пчела, которая собирает пыльцу, накапливает до 30% своей массы тела в пыльце за один рейс и до пяти раз больше своей массы тела за один день кормления (Winston, 1991).Если бы пыльца не очищалась регулярно от усиков, глаз и крыльев пчелы, управляемый полет был бы невозможен. Считается, что волосы, покрывающие медоносную пчелу, как показано на рис. 2, облегчают удаление скопившейся пыльцы (Thorp, 1979). Живые частицы, такие как Varroa (рис. 1B, E) и трахейные клещи, могут нанести вред медоносным пчелам, если их не удалить быстро (Sammataro et al., 2000; Villa, 2006). Роса и туман могут накапливаться до таких больших масс, что они подавляют мелких насекомых, как показано на рис.1С, Ф. Самая большая капля воды, которую может выдержать поверхностное натяжение, добавит комару около 80 мг массы, что примерно в 80 раз больше его массы! Единственная капля воды диаметром всего 0,6 мм будет весить столько же, сколько комар. Во всех этих случаях контролируемое накопление и удаление частиц является важной частью выживания животного в среде, насыщенной частицами.

Загрязнение насекомыми. (A) Пчела, покрытая пыльцой. (B) Пчела с клещом Varroa на грудной клетке.(C) Комар с скопившимися каплями росы. (D) Разнообразная пыльца. (E) Клещ Varroa на грудной клетке пчелы. (F) Нога комара, покрытая росой. Фотография: (B, D, E) Wikimedia Commons.

Структуры ухода за пчелой и их цели. СЭМ-изображения волосков на глазу (A) пчелы, (B) крыле, (C) антенне, (D) передних конечностях и (E) задних конечностях. (B – C) от Anne Marie Maes (annemariemaes.net; снимки SEM, полученные на кафедре материалов и химии, Брюссельский университет Брюсселя, Бельгия).

Накопление определенных частиц может привести к болезни. Капли, выделяемые при кашле или чихании, могут передавать респираторные заболевания людям на расстоянии нескольких метров (Bourouiba et al., 2014). Опасность передачи болезни при обмене жидкости стала очевидной во время вспышки вируса Эбола в Западной Африке в 2014 году и его распространения в Европе и США. Быстрое распространение вируса продемонстрировало первостепенную важность эффективных методов ограничения распространения жидких частиц.Клещи, клещи и блохи могут передаваться другим животным через контакт. Связанные с клещами вирусные патологии угрожают выживанию содержащихся в неволе и одичавших пчел, которые играют решающую роль в опылении многих наших сельскохозяйственных растений (Sammataro et al., 2000). Понимание того, как организмы борются с такими вирулентными частицами, имеет значение для экологии передачи болезней.

Как и в случае с животными, многие технологии, созданные руками человека, подвержены загрязнению, особенно при работе на природе.Накопление частиц особенно важно для обслуживания приложений дистанционного зондирования, например, для автономных роботов, к которым нелегко получить доступ после развертывания (Mazumder et al., 2003; Calle et al., 2008). Фотоэлектрические солнечные панели также накапливают пыль, что приводит к ежегодному снижению эффективности на 6% (Kumar and Sarkar, 2013).

Площадь поверхности животного

Подобно тому, как береговая линия испытывает прилив, поверхность животного загрязняется. В типичных расчетах площади поверхности для прогнозирования потери тепла учитывается только площадь кожи.Однако как кожа, так и волосы подвержены отложению частиц. Площадь поверхности кожи ( A, , _{, тело} ) и волос ( A, , _{, волосы,} ) схематично показаны на фиг. 3A.

Волосы увеличивают площадь поверхности, подверженную загрязнению. (A) Схема волосистой поверхности, показывающая диаметр основания волоса h и длину L . (B) Связь между площадью поверхности и массой тела животного. Красные квадраты показывают истинную площадь поверхности ( A _волос ) животного, включая его шерсть; синие кресты показывают видимую поверхность ( A _тело ) животного, если оно было выбрито.Пунктирные линии представляют собой кривые наилучшего соответствия. (C) Связь между общим количеством волос и массой тела животного. Кривые наилучшего соответствия представлены пунктирными линиями, уравнения которых представлены в таблице 2.

Мы начинаем с вычисления видимой площади поверхности животного. Площадь поверхности кожи животного может быть приблизительно цилиндрической, или A _тело ≈π D _b L _b , где D _b — диаметр тело животного и L _b — его длина.Если объект увеличен, но сохраняет те же пропорции, его площадь поверхности соответствует изометрическому соотношению A ∼ V ^2/3 (McGowan, 1994), где V — это объем животного. Это явно верно для сфер и кубов, а также для любых других форм. Таким образом, изометрия — хорошее допущение для групп животных с одинаковыми пропорциями. Эвтерианские млекопитающие и саламандры имеют площадь поверхности кожи A _тело , что соответствует изометрии, или A _тело ∼ M _b ^2/3 где M _b — масса тела (МакМахон и др. , 1983; Колдер, 1996). Точно так же для 27 млекопитающих и насекомых, показанных на рис. 3B, мы видим, что A _body ∼ M _b ^0,53 . Поскольку этот показатель меньше единицы, мы заключаем, что по мере уменьшения размера животных отношение их площади поверхности к объему увеличивается. Эта увеличенная площадь делает мелких животных более восприимчивыми к загрязнению.

Волосы животного могут составлять его истинную площадь поверхности, намного превышающую его видимую площадь. Мы моделируем одиночный волос в виде конуса, схематически показанного на рис.3А с базальным диаметром h и длиной L . У животного η волос на единицу площади. Истинная площадь поверхности животного, A _волос , может быть записана как количество волос A _тело η, умноженное на долю площади поверхности каждого волоса, что дает: (1)

Мы можем определить, как истинная площадь поверхности изменяется с размером тела, измеряя расстояние между волосами и геометрию. Мы делаем это с 17 млекопитающими (Wilcox, 1950; McManus, 1974; Jenkins, Busher, 1979; Estes, 1980; Willner et al., 1980; Olsen, 1983; Конли и Портер, 1986; Пасс и Фрит, 1993; Копровский, 1994; Ларивьер и Уолтон, 1998; Пасичняк-Артс и Маринелли, 1998; Сидорович и др., 1999; Маттерн и МакЛеннан, 2000; Скотт и др., 2001; Fish et al., 2002; Валенчак и др., 2003; Споторно и др., 2004; Федосенко и Бланк, 2005; Мекленбург и др., 2009; Dickerson et al., 2012) и 10 насекомых (Carlson and Chi, 1974 и данные из ряда онлайн-изображений SEM). Эти измерения дают масштабные значения, указанные в таблице 2.Диаметр волос h показан на рис. 4A, наилучшее совпадение которого дает h ∼ M _b ^0,081 . Оптимальный диаметр волоса для минимизации конвективных потерь тепла был аналитически найден Бежаном и составляет ч ∼ M _b ^1/12 ∼ M _b ^0,083 (Bejan, 1990), что хорошо в пределах 95% доверительного интервала. Следовательно, волосы на теле могут быть оптимизированы для обеспечения теплоизоляции. Длина волос L показана на рис.4B, и масштабируется как L ∼ M _b ^0,35 , что находится в пределах 95% доверительного интервала изометрии, L ∼ M _b ^1/3 . Плотность волос η показана на рис. 4C в масштабе η∼ M _b ^-0,34 . В совокупности находим A _волос ∼ M _b ^0,63 .

Измеренные аллометрические отношения для волос и щетинок млекопитающих и насекомых

Параметры для расчета общей площади поверхности. (A) Взаимосвязь между толщиной волос и массой тела животного. (B) Связь между длиной волос и массой тела животного. (C) Зависимость между плотностью волос в количестве волос на см ² и массой тела животного. Кривые наилучшего соответствия представлены пунктирными линиями, уравнения которых представлены в таблице 2.

Красные квадраты и синие кресты на рис. 3B относятся к видимой и истинной площади поверхности животного, соответственно.Вклад волосков неоспорим: площадь волосистой поверхности животного может в 100 раз превышать площадь его кожи. Этот коэффициент кажется точным для 12 порядков величины тела. Рассмотрение истинной площади поверхности типичных организмов может быть поразительным. Пчела имеет площадь поверхности 70 см ² , площадь ломтика тоста. Кошка имеет площадь поверхности 3 м ² , площадь стола для пинг-понга. Это число объясняет, почему купание домашнего животного никогда не приводит к идеальной чистоте.Как кажущаяся, так и истинная площадь поверхности масштабируются аналогично массе тела, с показателями степенного закона в пределах 16% друг от друга: 0,53 и 0,63 соответственно. Ожидаемый коэффициент 0,67 находится в пределах 95% доверительного интервала для площади поверхности волос.

Общее количество волос N — безразмерное число, которое можно использовать для визуализации волосатости этих животных. Общее количество волосков можно записать как N = η A _body ∼ M _b ^0.20 и показан на фиг. 3C. Среди исследованных животных бабочка-стрижка и лунная моль являются самыми волосатыми, их количество составляет 10 ¹⁰ волосков, что примерно на порядок больше, чем у бобра и калана. Для сравнения, на голове человека всего 10 ⁵ волос. Большое количество волос у бабочки стало возможным благодаря чрезвычайно высокой густоте волос, которая на три порядка больше, чем у бобра. Таким образом, размер тела часто может вводить в заблуждение при выборе животного, у которого больше шерсти.Другой пример — медоносная пчела, волосатая, как серая белка, у каждой чуть более 3 миллионов волосков, несмотря на то, что пчела на три порядка меньше по массе. Большее количество волосков указывает на большую подверженность загрязнению.

Почему же животные такие волосатые? Волосы выполняют множество функций. Волосы обеспечивают изоляцию, помогающую регулировать температуру у млекопитающих (Bejan, 1990). Волосы на подушечках лап животных обеспечивают сцепление для передвижения (Autumn et al., 2002; Federle, 2006).При небольшой длине и высокой плотности пучки волос могут даже заменить твердые поверхности. Так обстоит дело с небольшими летающими насекомыми, называемыми трипсами (Sato et al., 2013). Массив волосков с высокой плотностью может способствовать хеморецепции у бабочек (Vogel, 1983) и восприятию воздушного потока у сверчков (Casas et al., 2010) и медоносных пчел (Neese, 1965, 1966). Волосы на насекомых также могут повышать их водоотталкивающие свойства, что важно для летающих, наземных и ходящих по воде насекомых (Holdgate, 1955). Тем не менее, чем больше волосков, тем больше мест для прикрепления частиц.В следующем разделе мы рассчитаем силу прикрепления этих частиц.

Адгезия частиц

Частицы часто удаляются встряхиванием или взмахами. Согласно второму закону Ньютона, частица массой M _p , прикрепленная к животному за счет силы сцепления F , должна встряхиваться с ускорением a ≥ ( F / M _p ), чтобы быть выбрасывается по инерции. Таким образом, при данной силе сцепления частицы меньшего размера сложнее стряхнуть.С этого момента в качестве заместителя силы прикрепления мы рассматриваем ускорение a , необходимое для удаления частицы. Это ускорение выражается в безразмерном виде в единицах силы тяжести g . На рис. 5E показано безразмерное ускорение a / g , необходимое для удаления различных частиц, включая капли жидкости, пыльцу, бактерии и клещи. Эти данные были собраны из предыдущих экспериментов (Walker, 1993; Vaknin et al., 2000; Кесель и др., 2003; Вадилло-Родригес и др., 2004; Хитхофф и Кернер, 2007; Бокс и др., 2008; Дикерсон и Ху, 2014). Если была указана сила прикрепления, мы разделили на массу частицы M _p g , чтобы вычислить соответствующее безразмерное ускорение. Поскольку обычные частицы, такие как пыльцевые зерна, имеют плотность ρ _пыльца = 1,3 г см ⁻³ , что близко к плотности воды, мы предполагаем, что частицы имеют плотность, равную плотности воды.

Моделирование аэрозольной адгезии. Схема (A) капиллярного взаимодействия между поверхностью и каплей воды диаметром d , плотностью ρ и поверхностным натяжением σ , (B) электростатическое взаимодействие между пыльцой с зарядом q ₁ и пчела с зарядом q ₂ , (C) Ван-дер-Ваальсово взаимодействие между частицей диаметром d и волосяной нитью толщиной h с зазором между ними r , и (D) коготь длиной L и диаметром d _c изгиб под действием приложенной силы F _a .(E) Соотношение между массой частицы ( M _p ) и безразмерным ускорением ( a / g ), необходимым для удаления частицы. Ускорение удаления a нормировано на ускорение свободного падения g . Линии соответствуют предсказаниям математического моделирования, заданным уравнениями 2–5. Также показаны ранее сообщенные силы адгезии для различных частиц (пыльца), вредителей ( E. coli, , клещи, клещи) и насекомых с мокрыми подушечками ног (жуки, тараканы, мухи, тли) (Walker, 1993; Vaknin et al., 2000; Зейдл, 2002; Кесель и др., 2003; Вадилло-Родригес и др., 2004; Хитхофф и Кернер, 2007; Бокс и др., 2008; Дикерсон и Ху, 2014). Силуэты получены с сайта Flaticon.com.

Сила адгезии включает межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса, электростатические силы и, если присутствует вода, капиллярные силы (Walton, 2008). Мы рассчитываем эти силы сцепления и сравниваем их с экспериментальными измерениями. Для простоты расчета мы предполагаем, что все поверхности гладкие. Мы также предполагаем, что взаимодействие происходит между отдельными частицами и отдельными волосками.Это представляет собой нижнюю границу силы прикрепления. В действительности частицы шире, чем расстояние между волосами, будут демонстрировать более высокие силы адгезии, поскольку они могут касаться нескольких волосков. В результате более высокая площадь контакта может увеличить адгезию, например, за счет сил Ван-дер-Ваальса, которые пропорциональны площади контакта.

Рассмотрим каплю воды диаметром d , расположенную на поверхности животного, как показано на рис. 5A. Уравновешивание капиллярной силы капли σ d с ее инерцией ρ d ³ a _st обеспечивает критическое ускорение капли в зависимости от ее размера, (2)

где σ — поверхностное натяжение воды, а ρ — плотность воды.Эта тенденция в зависимости от массы капли M _p ∼ρ d ³ показана зеленой линией на рис. 5E. Для этого масштабирования и всех других в этом разделе мы предполагаем, что предварительный фактор равен единице. Зеленые закрашенные кружки представляют собой капли, которые комары удаляют крыльями или падают на землю (Dickerson and Hu, 2014). Зеленые белые кружки представляют силы, необходимые для отталкивания насекомых, имеющих мокрые подушечки лап, с плоских поверхностей (Walker, 1993). Согласие между этими экспериментами и предсказанием хорошее.

Летающие насекомые и пыльца могут вырабатывать противоположный электрический заряд. Эта разница в заряде порождает притягивающую электростатическую силу (Вакнин и др., 2000), задаваемую законом Колумба, F = ( k _e q ₁ q ₂ ) / ( d + h ) ² , где k _e — постоянная Кулона ( k _e = 9 × 10 ¹⁸ эрг см C ⁻² ), q ₁ и q ₂ — величины заряда частицы и организма соответственно [e.грамм. q ₁ = 0,58 ± 0,26 фемтокулонов для пыльцы (Bowker and Crenshaw, 2007), q ₂ = 100 ± 80 пикокулонов для пчел и мух (Vaknin et al., 2000; Ortega-Jimenez and Dudley, 2013)] и h — ширина структуры, притягивающей частицу (например, диаметр отдельного волоса). Этот закон рассматривает животных и частицы как заряженные точки, как показано на рис. 5B. Ускорение, необходимое для преодоления электростатической силы, равно (3)

Синяя линия на рис.5E показывает ускорение, необходимое для удаления частицы массой M _p , принимая значения для q ₁ и q ₂ равными среднему значению, приведенному ранее, и h ≈2 мкм. для насекомых. Электростатическая сила используется пчелами для удаления пыльцы с растений (Вакнин и др., 2000).

Межмолекулярная сила Ван-дер-Ваальса выражается через сумму энергетических потенциалов между отдельными атомами (Исраэлачвили, 2011).Сила между двумя произвольными телами находится путем интегрирования по всем точкам внутри каждого из тел. Таким образом, силы Ван-дер-Ваальса во многом зависят от формы рассматриваемых тел. Используя модель, полученную Розенфельдом и Васаном (1974), мы рассматриваем сферическую частицу и цилиндр, представляющий волос, как показано на рис. 5C. Ускорение для преодоления силы Ван-дер-Ваальса составляет: (4)

, где H — постоянная Хамакера [принятая как 4 × 10 ⁻¹³ эрг (Исраэлачвили, 2011)], h — толщина волоса ( h ≈2 мкм) и r — это атомный зазор между частицей и волосами, который зависит от шероховатости каждого из них.Для нашего масштабирования мы используем r = 1 нм после исследования песка, накапливающегося на ресничках пустынных пауков (Duncan et al., 2007). Константа Гамакера H учитывает взаимодействие между атомами двух поверхностей и зависит от концентрации атомов и их межмолекулярных взаимодействий. Красная линия на рис. 5E показывает ускорение, необходимое для выброса частицы массой M _p . Три красных черных круга представляют силы Ван-дер-Ваальса между пыльцой обыкновенной и растениями (Vaknin et al., 2000), что полностью соответствует нашим прогнозам.

У электростатических сил и сил Ван-дер-Ваальса есть расстояния, на которых они доминируют. Уолтон рассмотрел такие расстояния для частицы размером 10 мкм в сухих условиях (Walton, 2008). На расстояниях более 0,1 мкм электростатические силы от чистого заряда на частицах могут доминировать. На расстояниях от 10 до 100 нм электростатические силы от локальных участков заряда на поверхности могут преобладать. Для расстояний менее 10 нм преобладают силы Ван-дер-Ваальса.

Членистоногие, подобно жукам и клещам, раздвигают границы достижимой силы прикрепления. У них развились когти, чтобы хватать неровности на поверхности. Сила крепления определяется максимальным моментом или крутящим моментом, которому коготь может сопротивляться перед тем, как сломаться. На схеме на рис. 5D показан коготь предплюсны членистоногого, сопротивляющийся приложенной силе F _a , захватывая неровность. Максимальный изгибающий момент M _max , испытываемый захватом, составляет M _max = F _a L , где L — длина кулачка.Следуя теории балок Эйлера-Бенулли, максимальное напряжение σ _max , которое может выдержать деформированная балка, может быть выражено как σ _max = ( d _c M _max ) / I (Roylance, 2000) . Здесь d _c представляет средний диаметр кулачка, а I ∼ d _c ⁴ — второй момент площади поперечного сечения кулачка, здесь предполагается, что это круглая балка. . Таким образом, максимальная сила, которую может выдержать захват, составляет F _a = ( σ _max I ) / ( d _c L ).Если клешня растет изометрически, то его длина и диаметр масштабируются как L ∼ d ∼ M _p ^1/3 . Ускорение, которое сломает коготь, можно записать: (5)

Дай и его сотрудники сообщают, что максимальное напряжение для когтя жука, композитной структуры, включающей как жесткую экзокутикулу, так и мягкую эндокутикулу, составляет σ _max = 413,8 Н · мм ⁻² (Dai et al., 2002). Черная линия на рис. 5E показывает, как ускорение изменяется в зависимости от размера вредителя M _p .Два черных заполненных кружка показывают ускорение, необходимое для разрушения когтей клещей (Heethoff and Koerner, 2007) и жуков (Dai et al., 2002). Клещи и жуки могут считаться эктопаразитами, потому что они цепляются за более крупных животных-хозяев (Peck, 2006).

В этом разделе мы рассчитали силы прикрепления в зависимости от свойств материала поверхностей и задействованных контактных площадок. В следующих разделах мы перечисляем методы, с помощью которых животные генерируют силы, превышающие эти силы прикрепления, и удаляют частицы.

Невозобновляемая очистка

Термин невозобновляемая очистка охватывает все процессы, которые зависят от энергии организма. Теперь обсудим каждый метод по очереди.

Расчесывание с щетинистыми придатками

Когда мы расчесываем волосы, мы переносим ворсинки, перхоть и распущенные пряди на расческу. Точно так же насекомые несут щетки, которые они используют для сбора скопившихся частиц. После чистки они используют отдельную технику для чистки своей «кисти». Иллюстрация процесса, происходящего, когда насекомое расчесывает волосы, показана на рис.6А. Физически чистка щеткой использует силы трения и нормальные силы, чтобы преодолеть адгезию частицы к телу. Коэффициент трения между щетиной конечности и частицей определяет силу трения, в то время как кинематика конечности определяет нормальную силу. Чистка щетинистыми придатками эффективна для удаления частиц, находящихся в волосах.

Медоносные пчелы чистят себя сложными щетинистыми структурами, показанными на рис. 2, для удаления и упаковки скопившихся пыльцевых зерен (Thorp, 1979; Winston, 1991).Глаза, крылья и усики (рис. 2A – C), а также голова и грудная клетка обрабатываются с использованием специализированных структур передних конечностей, показанных на рис. 2D. Для сбора пыльцы передние конечности натирают вместе, чтобы собрать и увлажнить скопившуюся пыльцу извергнутым нектаром. Давление пыльцы на «колено» задних конечностей используется для скопления пыльцы. Затем скопившаяся пыльца упаковывается на заднюю конечность, как показано на рис. 2E, и транспортируется обратно в улей.

Медоносные пчелы могут использовать те же методы чистки щеткой для удаления паразитических клещей, таких как Varroa и трахейных клещей.Пчелы улавливают клещей с помощью сенсорных датчиков, запускающих чистку зубов (Villa, 2006). Эффективный уход имеет решающее значение для предотвращения зарождения трахейных клещей, которые зарываются в трахеи пчелы примерно через 24 часа после прикрепления. Попадая в трахеи, клещи затрудняют дыхание и проникают сквозь ткани, чтобы выпить гемолимфу, что приводит к ослаблению мышц пчелы. Удаление клещей до того, как они распространятся в улье, имеет решающее значение для выживания.

Чистка зубов может касаться внешней поверхности тела.Также предполагалось, что разница в поверхностных энергиях между множеством волос и субстратом играет роль в переносе частиц фибриллярными подушечками лап гекконов (Hansen, Autumn, 2005) и насекомых (Clemente et al., 2010). Поверхностная энергия — это избыточная энергия атомов на поверхности, которая определяет, насколько поверхность привлекательна для жидкостей и мелких частиц. Более высокие поверхностные энергии влекут за собой более сильные силы притяжения. Фибриллярные адгезивные системы имеют низкую поверхностную энергию по сравнению с большинством жестких поверхностей, поэтому частицы предпочитают прикрепляться к субстрату, а не к подушечкам ног.Кроме того, частицы могут удаляться за счет сил сдвига при загрузке, перетаскивании и разгрузке фибриллярных подушечек во время передвижения (Mengüç et al., 2014). Это уникальное явление послужило поводом для разработки самоочищающихся клеев (Lee and Fearing, 2008; Glinel et al., 2012; Mengüç et al., 2014).

Инкапсуляция секретируемыми жидкостями

В этом разделе мы представляем стратегии, которые используют секретированные жидкости для инкапсуляции частиц и облегчения их переноса. Примеры включают облизывание языком, срезание мокрыми подушечками ног и выделение специальных желез.Удаление частиц путем лизания зависит от толщины слюны и ее жидких свойств, таких как поверхностное натяжение и вязкость. Вязкие или капиллярные силы, проявляемые слюной во время лизания, должны преодолевать силы сцепления накопленных частиц. Специальные структуры, такие как сосочки на кошачьем языке, также могут помочь им очистить более тщательно.

Облизывание может также иметь антибактериальные, терморегулирующие и социальные преимущества. Было обнаружено, что слюна людей и крыс обладает антибактериальными свойствами (Spruijt et al., 1992). Это антибактериальное свойство используется у грызунов для лечения ран и защиты новорожденных, которые могут быть уязвимы для инфекции. Испарение слюны на теле также может помочь регулировать температуру тела и служить химическим сигналом для привлечения партнеров. И позвоночные, и насекомые вылизывают щеткой и облизывают (Szebenyi, 1969; Lipps, 1973; Hlavac, 1975; Spruijt et al., 1992). В крайнем случае, некоторые животные просто глотают частицы, скопившиеся на щетинистых придатках (Szebenyi, 1969; Lipps, 1973).Пищеварительная система упаковывает и выбрасывает частицы через дефекацию.

Когда мы наступаем на собачьи экскременты, обычно мы вытираем ногу об землю. Точно так же палочники и жуки могут использовать аналогичное сдвигающее движение ногой для переноса накопленных частиц на субстрат (Clemente et al., 2010). Подушечки лап этих животных постоянно выделяют жидкость, которая отталкивает частицы, что облегчает их удаление. Фактически, было обнаружено, что частицы, заключенные в адгезивной жидкости подушечек стопы, остаются во время передвижения (Clemente et al., 2010). Комбинация секреции и стрижки может объяснить, почему влажные липкие подушечки насекомых самоочищаются более эффективно, чем сухие подушечки гекконов (Clemente et al., 2010). Муравьи также используют метаплевральные железы для выделения химических веществ, обладающих свойствами антибиотиков (рис. 7B в Beattie et al., 1985). Эти выделения повреждают пыльцу растений и споры грибов, что объясняет, почему муравьи никогда не развивались как успешные опылители, такие как пчелы и осы.

Flicking

Ранее мы видели, что волосы на придатках могут служить гребнями.Волосы на теле также могут способствовать удалению частиц. Прямые волосы, покрывающие голову и грудную клетку насекомых, позволяют сохранять и высвобождать потенциальную энергию, таким образом действуя как трамплин для катапультирования накопленных частиц, как показано на рис. 6С. Этот механизм использует инерционную силу, передаваемую ускоряющимися волосами, чтобы преодолеть адгезию. Ускорения толчков могут быть рассчитаны с использованием теории пучка Эйлера – Бернулли (Остачович и Кравчук, 1991) для колеблющегося пучка. Ускорение, передаваемое одним движением, можно записать: (6)

Стратегии очистки. Схемы (A – D) невозобновляемых и (E – H) возобновляемых методов очистки. Невозобновляемые стратегии включают (A) чистку зубов, (B) секрецию, (C) взмахи руками и (D) встряхивание. Возобновляемые стратегии включают (E) отклонение потока ресницами, (F) отклонение потока сложными волосками на глазах, (G) эффект лотоса и (H) нанесение наноструктур крыльями цикады. Переменными в C являются: стартовое ускорение a _fl отброшенной частицы, угол θ, который проходит взмахнувший волос, и расстояние между центрами волос S , толщина h и длина L . .

, где ω _n — первая мода собственной частоты взъерошенного волоса, смоделированная как консольная балка с постоянным диаметром h (Остачович и Кравчук, 1991), EI — его жесткость на изгиб (Винсент и Вегст , 2004; Vogel, 2013), ρ — плотность материала волос (Vincent and Wegst, 2004), L — его длина и S — расстояние между волосками, определяющее максимальное и беспрепятственное отклонение волос. Предположим, что E не зависит от размера тела, и заменив чешуйками длину и расстояние между волосами из таблицы 2 ( S ∼ M _b ^0.16 , h ∼ M _b ^0,081 и L ∼ M _b ^0,35 ), находим a _fl ∼ M _b ^−1,1 . Отрицательная экспонента указывает на то, что щелчок более эффективен для мелких животных. Наши эксперименты показывают, что антенна плодовой мухи длиной 250 мкм ускоряется при 100–500 g . Глазной волос пчелы отбрасывает частицы на 500 г .Таким образом, волосы действуют как катапульты, отбрасывающие частицы микрометрового размера. Диапазон ускорений составляет 100–1000 g , режимы обозначены горизонтальными штриховыми линиями на рис. 5Е. Эта большая сила превосходит силы адгезии для ряда частиц, включая пыльцу, капли росы и клещей. Напротив, мех лося с волосками длиной 5 см ускоряет частицы со скоростью 1–2 г , чего достаточно для высвобождения более крупных частиц, застрявших между волосками, но недостаточно для мелких частиц.Уравнение 6 предсказывает значения, показанные в Таблице 3, которые хорошо согласуются с нашими экспериментами с мехом лося и на два порядка больше для пчел. Эффекты перетаскивания в малых масштабах могут объяснить завышенные прогнозы для пчел.

Прогнозируемые и измеренные значения ускорений метательных частиц в соответствии с нашей математической моделью a _fl , уравнение 6 и высокоскоростная видеосъемка a _{fl, exp}

Мерцание также эффективно в чистка щетинистых лап гекконов.Щетинки под ногами гекконов отвечают за сцепление по Ван-дер-Ваальсу, необходимое для лазания по стенам и ходьбы вверх ногами. Чтобы освободить щетину, гекконы сильно вытягивают пальцы ног. Во время гиперэкстензии сила сцепления между щетиной и подложкой действует как фиксатор, позволяющий накапливать упругую энергию в щетине. Как только щетинки отсоединяются, щетина вылетает наружу, выбрасывая частицы (Hu et al., 2012). Когда 10–20% щетинок подушечек соприкасаются с подложкой, высвобождаемая упругая энергия может передавать ускорение частицам размером 10 мкм в 68–120 г (Hu et al., 2012).

Для микроманипуляций была разработана стратегия, аналогичная тряске, наблюдаемому в шерсти животных (Haliyo et al., 2003). Предыдущие сотрудники использовали консольный микролучок для захвата мелких частиц ( d _p ≈ 40–80 мкм), а затем сконструировали пьезоэлектрический привод, чтобы направлять микролуч и передавать 10 ⁴ м с ⁻² ускорение высвобождения частиц. Этого высокого ускорения достаточно, чтобы преодолеть силу сцепления между частицами и микролучем.

Встряхивание

Животные могут использовать сильные встряски тела для удаления скопившихся аэрозолей (рис. 6D). Было обнаружено, что такие движения помогают млекопитающим, птицам и комарам вытеснять скопившуюся воду (Dickerson et al., 2012; Ortega-Jimenez and Dudley, 2012; Dickerson and Hu, 2014). Трясущиеся млекопитающие могут сообщать прилипшей воде ускорение 10–70 г (Dickerson et al., 2012). Из Дикерсона и др., Безразмерное ускорение a _sh во время тряски млекопитающих весит как: (7)

Летающие животные, такие как колибри и насекомые, могут использовать взмахи крыльев вместе с встряхиванием для придания высоких ускорений и удаления частиц.Колибри могут передавать ускорение до 10–200 g (Ортега-Хименес и Дадли, 2012), а комары могут передавать ускорение до 2500 g (Дикерсон и Ху, 2014). Комбинируя купание с встряхиванием, млекопитающие и птицы могут использовать смачивающие свойства воды для преодоления адгезии частиц, а затем использовать центробежные силы от встряхивающих движений для удаления как воды, так и частиц.

Встряхивание и толчки создают ускорение в 100–1000 g , которое находится в режиме необходимого ускорения для удаления большинства аэрозолей, таких как пыльца, капли воды, насекомых и клещей.Бактерии слишком легкие, весят 10 ⁻¹² г, поэтому для их стряхивания требуется 10 ⁴ г . Клещи обладают настолько сильным ротовым аппаратом, что им требуется 10 ⁸ г для удаления после того, как они прижались (Seidl, 2002; Kesel et al., 2003). Такие организмы выходят за пределы диапазона ускорений, которые могут быть созданы животными, и удаляются путем царапания или укуса.

Стиральные машины используют цикл отжима для удаления воды с одежды и сокращения времени сушки.Подобно тряске мокрой собаки, центробежные силы, создаваемые вращением, действуют, преодолевая капиллярные силы между водой и одеждой. Современные стиральные машины вращаются со скоростью более 800 об / мин и обычно имеют барабан с радиусом ∼30 см (Akcabay, 2007), что дает примерно 200 г ускорения, достаточного для удаления мелких частиц и капель воды диаметром d = 20 мкм или больше, что рассчитывается по формуле 2.

Точно так же небольшие датчики, такие как устройства с зарядовой связью (ПЗС) в цифровых камерах, вибрируют на высоких частотах, чтобы удалить скопившуюся пыль (Timacheff, 2011).Две разные стратегии были запатентованы Olympus (Takizawa and Kawai, 2008) и Konica Minolta (Okumura et al., 2010). Система Olympus, называемая Supersonic Wave Filter ™, производит вибрацию прозрачной фольги, покрывающей датчики камеры, на частотах выше 20 кГц. Система Minolta вызывает вибрацию реального датчика с частотой около 100 Гц с большой амплитудой. Чтобы удалить частицы диаметром d = 20 мкм, налипшие электростатической силой или силой Ван-дер-Ваальса, эти пылеулавливающие устройства должны создать ускорение 1000 g согласно уравнениям 3 и 4.Такое ускорение потребовало бы, чтобы фильтр Olympus Supersonic Wave Filter ™ вибрировал с амплитудой всего 2,5 × 10 ⁻³ см, в то время как система Minolta должна была бы вибрировать с амплитудой 100 см. Амплитуда Minolta, вероятно, будет намного меньше, что сделает ее менее эффективной, чем Olympus.

Возобновляемая очистка

Если профилактика лучше, чем лечение, то возобновляемая очистка лучше невозобновляемой очистки. При очистке с использованием возобновляемых материалов структура поверхности и химический состав являются ключевыми, и после создания таких структур не требуется никаких специальных перемещений.Вместо этого организмы используют внешние возобновляемые источники, такие как ветер и дождь, для предотвращения загрязнения и облегчения очистки.

Уменьшение отложений за счет отклонения воздушного потока

Ресницы млекопитающих защищают глаз, сводя к минимуму воздушный поток через поверхность глаза, как показано на рис. 6E (Amador et al., 2015). Напряжение сдвига τ, которое окружающий поток воздуха оказывает на поверхность глаза, положительно коррелирует с загрязнением слезной пленки (Schneider and Bohgard, 2005; Amador et al., 2015).Используя теорию вязкого течения, мы можем предсказать, как это напряжение сдвига зависит от наличия ресниц и как оно изменяется в зависимости от длины ресниц L или: (8)

Здесь a и b — константы, зависящие от свойств жидкости и геометрии глаза (Amador et al., 2015). Два члена этого выражения соответствуют вкладу коротких и длинных ресниц. Для коротких ресниц пограничный слой на поверхности глаза утолщается из-за сопротивления потоку, создаваемого ресницами, и поэтому напряжение сдвига приблизительно масштабируется как τ∼ L ^-1 .Длинные ресницы выступают дальше в окружающий воздушный поток и направляют высокоскоростной воздушный поток к глазам; следовательно, напряжение сдвига масштабируется как τ∼ L ² . Конкуренция между этими двумя эффектами приводит к промежуточной оптимальной длине ресниц L / W = 0,3 ± 0,1, где W — ширина раскрытия глаза. Ресницы такой длины уменьшают отложение частиц на 50%. Измерения 22 генетически разнообразных видов млекопитающих, от ежей до жирафов, показывают, что длина ресниц регулируется эволюционным давлением и составляет примерно одну треть ширины глаза, или L / W = 0.38 ± 0,15.

Сложные глаза многих видов насекомых покрыты множеством коротких волосков, равномерно расположенных между каждой линзой, или омматидиями, как показано на рис. 2A. Эти волосы, как и ресницы, поддерживают чистоту сложных глаз за счет отвода воздушного потока, как показано на рис. 6F (G.J.A., неопубликованные результаты). Волосы создают застойную зону перед глазами, но, поскольку они не расположены по окружности, они не направляют воздушный поток, если они длинные. Следовательно, напряжение сдвига τ на поверхности глаза для глаз насекомых масштабируется как первое слагаемое в уравнении 8, или τ∼ L ^-1 .Увеличение длины волос дает минимальные преимущества, кроме длины L = S , где S — это расстояние между центрами волос. Численное моделирование и эксперименты в аэродинамической трубе с имитацией глаз насекомых показывают, что такая длина волос снижает скорость сдвига на поверхности глаза на 90%. Среди 17 изученных видов насекомых длина волос L примерно равна расстоянию S .

Узор на поверхности

В эффекте лотоса капли дождя катятся по поверхности листа лотоса, собирая осевшие частицы, как показано на рис.6G (Barthlott and Neinhuis, 1997). Вода скапливается на шероховатых, структурированных поверхностях, потому что капле воды требуется больше энергии, чтобы покрыть все укромные уголки и трещины, чем просто покоиться на поверхности (Blossey, 2003). Эффект лотоса наблюдался также для фибриллярных подушечек гекконов (Autumn and Hansen, 2006). Эта способность вдохновила на разработку супергидрофобных покрытий для поддержания чистоты поверхностей (Blossey, 2003; Wong et al., 2011), а также грибовидных клеев с микрофибриллами, которые можно полностью очистить, скатывая капли воды (Kim et al., 2009). Использование супергидрофобных поверхностей даже было расширено для предотвращения роста бактерий (Glinel et al., 2012).

Острые точки на крыльях цикад действуют как подушечки для булавок, а бактерии сидят на них, как водяные шары (рис. 6H). Наноструктуры на крыльях растягивают клеточные мембраны бактерий, вызывая их разрыв (Погодин и др., 2013). Наноструктуры не препятствуют слипанию, как лист лотоса. Фактически, они используют адгезию, чтобы разрушить и убить бактерии.Синтетический аналог крыльев цикады был обнаружен в черном кремнии. Наноструктуры с высоким соотношением сторон на его поверхности демонстрируют скорость уничтожения бактерий, аналогичную крыльям цикады, примерно 450 000 клеток мин. ^-1 см ^-2 (Иванова и др., 2013).

Вместо того, чтобы превращать поверхности в подушечки для булавок, можно сделать еще один способ — сделать их сверхгладкими. Волосы золотистых родинок чрезвычайно гладкие, в отличие от волос человека и других млекопитающих, которые грубые. Гладкость родинок объясняется сжатием кутикулярных чешуек на поверхности волоса (Снайдер и др., 2012). Предполагается, что эти гладкие волоски помогают оптимизировать передвижение в грязи и песке, а также поддерживать чистоту на своей нижней поверхности. Кроме того, гладкие листья некоторых растений могут помочь ветру сдуть скопившиеся в воздухе семена и споры (Vogel, 2012). Сохраняя выступающие жилки внизу и имея гладкую верхнюю поверхность, листья обеспечивают минимальное укрытие для спор и семян от ветра.

Перспективы

Убираем каждый день.В США мы тратим 0,33% своей жизни на купание и 2,9% на уборку дома (Министерство труда США, 2014). Мы быстрее наших предков благодаря таким технологиям, как щетки, тряпки и пылесосы. В этом обзоре мы показываем, что уборка — это фундаментальная часть жизни. Животные тратят много времени на самоочищение. Просто понаблюдайте за большинством млекопитающих, птиц или даже комнатных мух. Они скрупулезны в своей деятельности. Подобно тому, как люди изобрели технологию, позволяющую сделать уборку более энергоэффективной и быстрой, насекомые разработали свои собственные методы.

Очистить животное не так просто, как протереть поверхность стола. У животных, от насекомых до медведей, есть волосы. Волосы могут в сто раз увеличить площадь поверхности животного. Хотя животные, вероятно, развили этот волос как изоляцию, они также несут бремя создания большей площади поверхности для очистки. Некоторые типы волос могут облегчить это бремя, облегчая очистку. Например, ресницы предотвращают скопление пыли на глазах, отводя потоки воздуха. Волосы могут действовать как катапульты, отбрасывая мелкие частицы с большим ускорением при срабатывании триггера.Такие методы особенно нацелены на самые мелкие частицы, потому что их труднее всего удалить.

В ограниченном объеме этого обзора мы оставили неизученными большое количество животных. Например, не совсем понятно, как подводные животные, такие как рыба, предотвращают обрастание. Перья птиц также представляют собой огромную поверхность, которую необходимо очистить. У нас нет измерений кинематики движений груминга для большинства животных. Нам также не хватает таких показателей, как эффективность, для описания уборки.Очевидно, что уборка улучшает физическую форму и делает это за счет затрат энергии. Но с учетом этих затрат энергии, как часто животное должно чистить себя? Почему мы убираем дома и города с определенной частотой? Компромисс между очисткой и энергопотреблением не совсем понятен.

Мы рассмотрели методы удаления частиц, но аналогичные методы существуют и для самозагрязнения. Это увлекательная, но малоизученная область. У него могут быть приложения для создания лучших салфеток для повседневного использования. Некоторые виды пауков, обитающих в пустыне, разработали методы покрытия себя песком для маскировки (Duncan et al., 2007). У медоносных пчел разветвленные волосы на грудной клетке привлекают пыльцевые зерна во время кормления (Thorp, 1979). Вместо того, чтобы предотвращать накопление частиц, эта стратегия использует волосы наноразмерного размера для увеличения площади поверхности и силы сцепления. Чтобы прокормить своих личинок, некоторые виды пчел разработали специальные «протирочные» структуры волос для поглощения и улавливания жирных масел из растений (Vogel, 1981). Эти специализированные волоски создают высокие капиллярные силы, которые поглощают жирные масла, выделяемые растениями.В дополнение к этим абсорбирующим структурам пчелы разработали структуры для извлечения этих масел из волос при кормлении личинок.

Технологии самоочистки привлекли большое внимание, особенно с развитием автономных роботов и микроэлектромеханических систем (MEMS). Устройства MEMS в значительной степени зависят от точной калибровки своих чувствительных микрокантилеверов. Малейшее осаждение частиц может сильно повлиять на точность полученных данных из-за малой массы и высокой чувствительности кантилеверов.Современные самоочищающиеся конструкции основаны на уникальных геометрических характеристиках, которые предотвращают накопление частиц, таких как поверхности с микротрещинами, которые отталкивают частицы от контактных поверхностей (Shi and Kim, 2005). Дроны, а также другие автономные технологии, такие как вездеходы, полагаются на камеры для работы и солнечные батареи для получения энергии. При длительном нахождении в условиях окружающей среды чувствительное оборудование дронов и вездеходов может выйти из строя из-за загрязнения. После того, как марсоход Mars Exploration Rover отключился, когда его солнечные панели были покрыты пылью и грязью, была предложена технология для предотвращения таких сбоев (Calle et al., 2008; Уолтон, 2008). Одна из применяемых в настоящее время технологий основана на электростатических покрытиях, которые генерируют колеблющиеся электрические силы для смещения и удаления отложившихся частиц (Calle et al., 2008).

Понимание того, как биологические системы, такие как ресницы, предотвращают загрязнение за счет взаимодействия с окружающей средой, может помочь найти решения с низким энергопотреблением для защиты чувствительного оборудования от загрязнения. Биологически вдохновленные возобновляемые стратегии очистки, основанные на структуре поверхности или химическом составе, были разработаны ранее (Glinel et al., 2012; Liu and Jiang, 2012), такие как супергидрофобные и супергидрофильные покрытия, слои из водорослей, препятствующие межклеточной коммуникации, и синтетические бактерицидные покрытия. Однако в целом чаще применяются стратегии невозобновляемых источников энергии. Дальнейшая разработка и внедрение возобновляемых технологий может однажды улучшить биомедицинскую, морскую и промышленную инженерию и принести пользу обществу.

Фраза «чистота рядом с благочестием» имеет древние корни. Фактически, многие религии имеют тщательно продуманные ритуалы мытья, которые имели непреднамеренный эффект улучшения гигиены человека задолго до открытия микробов.Чистота всегда будет частью религии, но она также играет все более важную роль в науке. На нашей планете мы сейчас имеем явные доказательства того, что производство углекислого газа человеком вызывает изменения климата. В ближайшие годы мы, вероятно, испытаем большее количество смога, загрязнителей, пестицидов и других аэрозолей. Мало что известно о том, как эти частицы влияют на жизнь животных и растений. Некоторые из них, возможно, уже затрагивают популяцию медоносных пчел, которые имеют решающее значение для сельского хозяйства, но сокращение численности которых остается неопределенным.Фундаментальное понимание чистки может помочь нам смело справиться с этим новым миром, а также узнать о пределах организмов, от которых зависит наша жизнь.

Благодарности

Мы благодарим F. Durand, D. Waller и E. Jung за их вклад.

СНОСКИ

• Конкурирующие интересы

  Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих или финансовых интересов.

• Финансирование

  Мы благодарим Национальный научный фонд за финансовую поддержку [грант №PHY-1255127 и CBET-1510884].

• © 2015. Издано ООО «Компания биологов»

43 Симпатичные и забавные линии по биологии для девочек

Если вы ботаник-биолог, ищущий способ сломить лед в отношениях с симпатичной одноклассницей или вашим соседом, вы находитесь на правильной странице. Здесь мы даем вам несколько милых и забавных словосочетаний по биологии для девочек.

Предупреждение!

Использование телефонной линии для встречи с девушкой, с которой вы только что познакомились, может быть рискованным.Не вините нас, если вы получите пощечину !

Итак, вы — ботаник-био, который ищет в чате линию, чтобы начать разговор с девушкой, которая вам понравилась. Не пугайтесь и не беспокойтесь. Используйте вместо этого свою карту туза ― биология! Что ж, мы принесли вам несколько забавных и забавных слов о биологии. Используйте их, чтобы произвести впечатление на девушку, которая вам нравится или в которую вы влюблены, если она также изучает биологию, как и вы.

Хотели бы вы написать нам? Что ж, мы ищем хороших писателей, которые хотят распространять информацию.Свяжитесь с нами, и мы поговорим …

Давайте работать вместе!

Пройдите по пунктам выдачи, приведенным в этой статье LoveBondings; вы можете найти их милыми, забавными или непослушными. Используйте их на свой страх и риск, то есть некоторые из них ей тоже могут показаться глупыми.

Я не донор органов, но буду рад передать вам свое сердце.

Ты такой горячий, денатурируешь мои белки.

Эй, детка, ты так хорошо выглядишь, я бы хотел посадить тебя и вырастить целое поле!

Вы меня встряхиваете больше, чем митохондрии!

Ты, должно быть, для меня, потому что моя избирательно проницаемая мембрана пропускает тебя.

Всякий раз, когда я рядом с вами, я делаю анаэробное дыхание, потому что у меня перехватывает дыхание.

Девушка, ваше имя должно быть Филум, потому что вы выше класса.

Хотели бы вы написать нам? Что ж, мы ищем хороших писателей, которые хотят распространять информацию. Свяжитесь с нами, и мы поговорим …

Давайте работать вместе!

Ты такой милый, что заставляешь сокращаться мои скуловые мышцы.

Если бы я был ферментом, я был бы геликазой, чтобы я мог распаковывать ваши гены.

Вы должны быть эритроцитом, потому что вы забираете кислород из моих легких прямо в мое сердце.

Ты как холестерин, потому что опасен для моего сердца.

Думаю, у меня просто сердце задержалось.

Детка, каждый раз, когда я тебя вижу, моя сердечно-сосудистая система работает.

Я хочу приклеить тебя, как клей.

Если бы я был эндоплазматическим ретикулумом, каким бы вы хотели меня: гладким или грубым?

Могу ли я подготовиться к экзамену по анатомии вместе с вами?

Хотел бы я быть аденином, потому что тогда я мог бы соединиться с U.

Вы Афазия Брока? «Потому что ты оставишь меня безмолвным.

Девушка ты любишь воду? Это означает, что ты любишь меня на 80%.

Подобно метагеномике, применяемой к вирусному генетическому материалу, я чувствую, что иногда вы знаете единственный способ увидеть меня по-настоящему.

Когда я встретил вас, мне показалось, что я перешел от двумерной хроматографии к секвенированию на основе флуоресценции.

До того, как я встретил вас, моя жизнь была такой же беспорядочной, как нефильтрованные данные метагеномного эксперимента.

Подобно метагеномике в обычной последовательности генома, вы показали мне, что в мире есть гораздо больше, чем я раньше видел.

У вас 206 костей в теле … хотите еще одну?

Вы, должно быть, гиббереллин, потому что у меня наблюдается некоторое удлинение стебля.

Подобно секвенированию генов окружающей среды с секвенированием микробов, вы показали мне, насколько я пристрастен.

Если вы занимаетесь дифракцией рентгеновских лучей, я должен заниматься дифракцией нейтронов, потому что наши процессы дополняют друг друга.

«Я гомозиготный рецессивный. Хочешь сделать тестовый кросс? »

«Вы — стартовый кодон? Потому что ты меня заводишь! »

«Если бы я был азотистым основанием, я был бы аденином, поэтому меня можно было бы связать с U.”

Если бы я был нуклеиновой кислотой, я был бы РНК. Таким образом, я мог бы получить U!

Мой гипоталамус, должно быть, вырабатывает серотонин, потому что, детка, я хочу тебя!

«Я одна нить, ты — другая. Вместе мы формируем двойную спираль ».

Мы соединяемся друг с другом, как липкие концы рекомбинантной ДНК.

Мой гипоталамус, должно быть, вырабатывает серотонин, потому что, детка, я хочу тебя!

Эй, детка, хочешь создать со мной синапс и обменяться нейротрансмиттерами?

Хотите быть моим субстратом / ферментом?

Могу ли я быть вашим ферментом? Потому что мой активный сайт умирает от химической реакции.

Сейчас у нас всего две РНК, но, возможно, мы могли бы транскрибировать вместе и стать ДНК.

Я не могу ввести инородные тела в свою систему, но для вас сделаю исключение.

Вам так же нравится аэробное дыхание, как и мне?

Если бы я был шванновской клеткой, я бы сжал ваш аксон и дал бы вам потенциал быстрого действия.

Мы можем устроить беспорядок, потому что я наняла несколько лизосом, чтобы потом их очистить.

биологических линий приема

25 июня 2013 г. — Линия подбора биолога… Графический дизайнер днем ​​и рисовальщик ночью Алисса Дуэ также является знатоком забавных линий подбора. 2. Веселые разговоры … GCSE Edexcel Chemistry Paper 1 и 2 (H) Revision and Study Chat Biology graph Knock Knock; Подобрать линии; Загадки; На главную Последние строки Добавить строку. Убедитесь, что вы используете этот подход максимально эффективно, с помощью этих совершенно умных подсказок, основанных на области биологии.Потому что я повсюду падаю ради тебя. Лучшие химические подборщики Забудьте о водороде, вы мой элемент номер один. Подсчитываем победителей по вашим голосам. Эти подборки на научную тематику — занудные, глупые и забавные. Прочтите подборки по биологии, химии и науке! Спасено Амарантой. И нет … я не планирую их использовать. Оставьте комментарий ниже. Симпатичные линии пикапа. Я думаю, что ты в этом большая часть. … (Флорида), в котором зарегистрировано самое большое количество какашек в мире (соотношение какашек к телу).Скопируйте это. 6 февраля 2019 г. — Изучите доску Наоми Томас «Линии подбора науки» на Pinterest. Привет, ребята. Как вы, наверное, знаете, у меня есть сайт / блог, посвященный популяризации науки. 2. 189 людям это понравилось. Какашка, состоящая из песка, жира и еды, занимала так много ее внутренностей, что ее органы превратились в крошечное пространство. Направления развития науки (биология, химия, физика) Согласно второму закону термодинамики, вы должны поделиться со мной своей горячностью. Получите информацию о биологии прямо здесь.Прозрачность страницы Узнать больше. 2,1 млн членов биологического сообщества. Большинство из них — чистые анекдоты по биологии (извините, Билл Клинтон), которые оценил бы средний учитель. Share This Biology and Chemistry Pick Up Lines Оставить комментарий У меня гладкая эндоплазматическая сеть, но я знаю, что мне нравится грубая, если вы понимаете, о чем я. 2) Я понимаю, почему ты выживаешь, потому что ты действительно в хорошей форме. (спасибо Аманде) … 43. 1.7к. Используйте меню, чтобы увидеть лучшие строчки из каждой категории. Facebook показывает информацию, чтобы помочь вам лучше понять цель страницы.отправлено mimika_s. 4) Ты принимаешь душ в одиночестве, это пустая трата воды. Ты такой же особенный, как переходные металлы в химии, дорогая. Дополнительная информация … Дополнительные идеи для вас Статьи по теме: Сейчас у нас всего две РНК, но, возможно, мы могли бы транскрибировать вместе и стать ДНК. Получите правильную химию, и вы получите свидание с помощью этих линий приема химии. Как были эти шутки о ДНК и линии подбора? из рассказа Пикап, автор u_r_gounded (псевдоним Лола Фатаи) с 1678 прочтениями.биология / Химия Pickup Lines. Я не донор органов, но с радостью подарю вам свое сердце. И когда я щелкаю пальцами, ты снимаешь свою одежду и ничего из этого не запомнишь .. Уникальные Линии Подбора Глупые Линии Подбора Линии Подбора Анекдоты Подбирать Линии Веселые Шутки по биологии Веселые Шутки Науки Медицинские Шутки Биология Основные случайные научные факты. 49 лучших случайных вещей для разговора — зажигайте интересные разговоры. 1. Захватывающие линии передачи биологии. … Мы можем устроить беспорядок, потому что я нанял несколько лизосом, чтобы потом очистить их.Сайты собираются немного изменить направление, и как часть этого я хочу включить список забавных (и немного озорных) научных статей. 68. Просматривайте действия, предпринятые людьми, которые управляют и публикуют контент. ДНК-шутки и линии подбора. Значит, вы биолог, который хочет произвести впечатление. Использование телефонной линии на девушке, с которой вы только что познакомились, может быть рискованным. Линии забора морской фауны Здесь вы найдете забавные, глупые и веселые линии забора морской фауны для подростков и взрослых. -8. У кого-нибудь есть идеи? Животное 108 Птица 23 Кошка 33 Динозавр 51 Собака 79 Лошадь 28 Насекомое 27 Морская жизнь 56 Подборка: глупый, банальный, биология, наука Две большие массы, расположенные близко друг к другу, должны излучать гравитационные волны.За этим следят 190 человек. Я делаю школьный проект по биологии, и мне нужно подумать о пикапе с центриолями. Мы перечислили некоторые из лучших, глупых, веселых, злых и забавных биологических явлений для подростков и взрослых. Возможно, я не поеду в город позже, но, надеюсь, я пойду на тебя. Сообщество See All. Закрывать. Грязные линии посадки, которые могут привести к неприятностям. Мужчина случайно проглотил немного альфа-L-глюкозы и обнаружил, что у него не было никакого вредного воздействия. (Мне нужно сделать проект для ap bio) вопрос.«Биологические подсказки», которые я дам вам сегодня, пожалуйста, не используйте их на таких людях, с которыми вы только что познакомились. В противном случае вы можете получить пощечину, и мы не будем нести за это ответственность. Автор: 2 месяца назад. Уникальные линии посадки. Они включают в себя потрясающие начала разговора и полезные линии чата и возвращение в ситуациях, когда вы обожжены, и гарантированно работают лучше всего в качестве открывателя Tinder. Ты такой горячий, что денатурируешь мои белки. Если бы я был. Если бы я был ферментом, я был бы ДНК-геликазой, чтобы я мог распаковать ваши гены.А если вы знаете учителей биологии, поделитесь с ними этой страницей. Вы образец углерода? Нажмите J, чтобы перейти к ленте. Вот 4 умных подсказки по биологии: 25. Весь смысл подбора биологии в значительной степени состоит в том, чтобы продемонстрировать свой интеллект. Не стесняйтесь делиться своими соображениями по биологии в комментариях. О компании See All. 25 4 июля Общие вопросы и ответы — узнайте удивительные факты. 50 лучших линий подбора биологии. Ниже приводится наша коллекция гладких и грязных линий подбора биологии. Zinnen работает лучше, чем reddit.Линии сбора биологии милые, грязные и юмористические. Если вам понравилась эта страница, вам также могут понравиться: Шутки по биологии Шутки по химии Шутки по математике Физика Шутки по плаванию Шутки по плаванию Йо, мама, так бедные шутки. Ты повредил мой мозжечок? Десять плохих экологических / биологических строк. Какие самые лучшие выводы по естествознанию и математике вы слышали? (Чарльз Дойл) 44. Ты заставляешь меня чувствовать себя плазмой (Трина Вардиус-Нильсен), Ингрид Пресли, CrimsonDeath и 3… Химия и биология. Эй, детка, ты не против эндотермических реакций? В эпоху 2020 года каждый решил повлиять на свою любовь.Девушка, мне плевать на твои физические свойства, потому что я люблю тебя. Все линии упорядочены после большинства голосов нашего сообщества в несколько тысяч избирателей. Жизнь — болезнь, передающаяся половым путем. Поделиться. 1/3. Используйте их, чтобы добавить кокетливости в вашу жизнь с близкими! Отправьте свое! Лучшие линии доставки. Биология — единственная наука, в которой умножение — то же самое, что деление. Вы можете использовать эти строки на студентах-медиках, чтобы рассмешить их лица. Мои любимые: я хотел бы быть вашей геликазой, чтобы я мог распаковать ваши гены. Могу ли я быть вашей производной, чтобы я мог касаться ваших кривых. Я хотел бы быть вирусом, чтобы я мог ввести в вас свою ДНК.Теперь у вас есть множество статей по химии и науке, которые можно использовать. -3. Надеюсь, эти строки, содержащие общие психологические термины и идеи, могут сработать для вас. Вы меня встряхиваете сильнее митохондрии! Розы красные, фиалки синие, я не такая уж красавица, но черт возьми, на тебя смотрю. Если бы я был ферментом, я был бы геликазой, чтобы распаковать ваши гены. Категории линий подбора. Больше сообщений. Линии подбора биологии # наука.

Как биология пишет свою подпись

В последние десятилетия в поисках внеземной жизни произошел значительный прогресс в технологии и методологии.Поиск биосигнатур на экзопланетах вокруг звезд, подобных нашей, вызвал новые вопросы, такие как: «Как мы узнаем, что жизнь существует на другой планете, не посещая ее?»

Чтобы ответить на этот вопрос, ученые используют так называемую биосигнатуру . Биоподпись — это признак жизни, обнаруживаемый с другой планеты. Такие газы, как кислород (O2), метан (Ch5) и закись азота (N2O), являются биосигнатурой на Земле и могут быть обнаружены из космоса. Эти признаки наблюдаются с помощью мощных телескопов, измеряющих свет, отраженный от планеты.Свет, отраженный, испускаемый или рассеянный планетой, свидетельствует о наличии там определенных элементов и соединений. Земля — ​​единственная известная планета, на которой обитает жизнь, и мы демонстрируем множество биосигнатур, обнаруживаемых из космоса. Это подчеркивается в статье доктора Эдварда В. Швитермана, в которой основное внимание уделяется поверхностным и временным биосигнатурам, а также достижениям в области проверки удаленных биосигнатур.

В документе объясняется, что поверхностные и временные биосигнатуры — это те, которые появляются на поверхности планеты, или те, которые демонстрируют активность во времени.Это можно интерпретировать как признаки жизни. С таких больших расстояний не видны все составные части или особенности планеты. По этой причине биосигнатуры так же важны, как и развитие новых технологий.

Поверхностные биосигнатуры могут свидетельствовать о существовании жизни на земной коре, например животных и растений. Например, обнаружение фотосинтеза на планете — это один из типов поверхностной биосигнатуры. Временные биосигнатуры выглядят немного иначе и зависят от изменений во времени в геологии, атмосфере или составе планеты.

Биосигнатура, связанная с фотосистемой I и II, известна как вегетативный красный край (VRE). Это полезная отправная точка для поиска подобных явлений на других планетах. Биология, казалось бы, универсальна, но такие ученые, как доктор Швитерман, напоминают, что мы можем не знать точно, как будет выглядеть другая жизнь. Он может использовать ту же биологию и химию, а может и нет. Возможно, что растительность планеты стремится использовать наиболее эффективную доступную длину волны энергии, это могло бы стать причиной для поиска краев растительности на различных длинах волн.С этой целью также рассматриваются альтернативные сигнатуры отражательной способности. Также возможно, что минеральные полупроводники или комбинации минералов, пыли или жидкостей могут давать «ложноположительные» биосигнатуры. Таким образом, планеты с несколькими линиями свидетельств биосигнатур наиболее полезны для обнаружения возможных признаков жизни.

Временные подписи жизни — еще одна биоподпись, которую доктор Швитерман обсуждает в своей статье. Временные сигнатуры демонстрируют изменения на планете с течением времени.Примером на Земле могут служить сезонные колебания концентрации CO2 в атмосфере. В течение года содержание CO2 в атмосфере меняется. Поскольку летом растения процветают и потребляют CO2, их концентрация падает. И наоборот, большинство растений в конце зимы бездействуют, и в атмосфере накапливается CO2. Этот поток можно обнаружить из космоса, и аналогичные потоки во времени могут помочь указать на действующий биологический источник.

Потоки других наблюдаемых характеристик с течением времени также могут свидетельствовать о биологической активности.Вариации содержания водяного пара, количества получаемого солнечного света или других параметров, которые следуют вместе с сезонными изменениями, могут взаимодействовать с доказательствами VRE и указывать на биологическую активность.

При всех рассмотренных возможностях важна способность опровергать ложные срабатывания и ложноотрицания. Ученые, ищущие внеземную жизнь, предпочитают несколько линий доказательств, указывающих на биотический источник. Несмотря на то, что поверхностные и временные биосигнатуры менее надежны, чем газовые биосигнатуры, технология их обнаружения продолжает развиваться и улучшаться.Доктор Швитерман заключает, что создание поверхностных и временных биосигнатур является важным инструментом в подтверждении существования жизни на других планетах.

Слизистая оболочка (слизистая оболочка) — определение, функции и примеры

Слизистая мембрана Определение

Слизистая оболочка, также известная как слизистая оболочка (во множественном числе: слизистые оболочки), представляет собой слой клеток, который окружает органы и отверстия тела.Он сделан из эктодермальной ткани. Слизистые оболочки могут содержать или выделять слизь, которая представляет собой густую жидкость, защищающую внутренние части тела от грязи и патогенов, таких как вирусы и бактерии. Существует множество различных слизистых оболочек, таких как слизистые оболочки дыхательной системы, пищеварительной системы и репродуктивной системы.

Разница между словами «слизистая» и «слизь»

«Слизистая», как и слизистая оболочка, пишется иначе, чем «слизь». Какая разница? Существительное; слизь; это слово, описывающее секрецию жидкости из слизистой оболочки.Слизь получила свое название от латинского слова «слизь», что означает сопли или слизь. С другой стороны, слизистая — прилагательное; это слово, описывающее мембрану, которая производит или содержит слизь.

Функции слизистых оболочек

В целом слизистые оболочки выполняют функции защиты организма от заражения вирусами и бактериями и поддержания достаточного увлажнения тканей тела. Определенные слизистые оболочки выполняют специализированные функции. Например, слизистые оболочки желудка и кишечника участвуют в переваривании и всасывании пищи.Носовые и обонятельные слизистые оболочки помогают избавиться от запахов в носу, чтобы можно было обнаружить их частицы и почувствовать запах. Слизистые оболочки также находятся в репродуктивных органах, таких как влагалище; естественные выделения из влагалища вырабатываются слизистой оболочкой влагалища для самоочистки и поддержания влагалища во влажном состоянии.

Примеры слизистых оболочек

Слизистые оболочки пищеварительной системы

Рот, язык, пищевод, желудок и кишечник выстланы слизистой оболочкой.Эти мембраны называют слизистой оболочкой полости рта, слизистой оболочкой пищевода, слизистой оболочкой желудка и слизистой оболочкой кишечника. Слизистая оболочка ротовой полости обнаруживается во рту, и изменения ее состояния могут быть признаками витаминной недостаточности, диабета или результатом длительного употребления табака или алкоголя. Выделяют три типа слизистой оболочки полости рта: слизистую, жевательную и специализированную. Слизистая оболочка выстилает такие поверхности, как мягкое небо и дно рта. Жевательная слизистая оболочка обеспечивает более твердую поверхность для жевания, в то время как специальная слизистая оболочка находится на языке и содержит вкусовые рецепторы.Слизистая оболочка пищевода выделяет слизь, которая защищает пищевод от истирания пищей. Слизистая оболочка желудка, обнаруженная в желудке, вырабатывает слизь, пищеварительные ферменты и клетки, которые стимулируют выработку кислоты для расщепления пищи. Кишечник выстлан слизистой оболочкой кишечника, которая поглощает питательные вещества из пищи, а также воду.

Это изображение слизистой оболочки желудка под микроскопом.

Слизистые оболочки дыхательной системы

Слизистая оболочка носа — это слизистая оболочка носовой полости.Он увлажняет воздух, поступающий в организм при вдохе. Обычно он поражается во время простуды, а во время простуды выделяется больше слизи, чем обычно; это создает симптомы заложенности носа. Обонятельная слизистая оболочка расположена в верхней части носовой полости и помогает нам обонять. Слизистые оболочки также выстилают бронхи легких, где происходит газообмен. Если у кого-то астма, слизистая оболочка бронхов может воспаляться, что повышает вероятность спазма бронхов. Это вызывает временное ухудшение работы легких.

Слизистые оболочки репродуктивной системы

Слизистые оболочки также встречаются в органах репродуктивной системы. Слизистая оболочка влагалища выстилает влагалище и выделяет жидкость, которая помогает поддерживать влагалище влажным. Матка также содержит слизистую оболочку, которая называется эндометрием. У эндометрия есть слой, который утолщается, так что в него может имплантироваться оплодотворенная яйцеклетка; если оплодотворение не происходит, во время менструального цикла эта подкладка сбрасывается.

Пенис также имеет слизистую оболочку, которую называют слизистой оболочкой полового члена или слизистой оболочкой препуциального отдела.Слизистая оболочка препуциальной оболочки, в частности, относится к слизистой оболочке на внутренней стороне крайней плоти (крайней плоти). Функция слизистой оболочки препуция — поддерживать уровень влажности. Эта слизистая оболочка в значительной степени удаляется во время обрезания, поэтому у мужчин, которые были обрезаны, эта влага теряется, и головка полового члена становится более сухой.

• Отверстие — отверстие в теле, например, для рта; он часто выстлан слизистой оболочкой.
• Ectoderm — самый внешний слой клеток в развивающемся эмбрионе, который продолжает формировать такие структуры, как кожа, нервы и слизистые оболочки.
• Пережевывание — Разрушение пищи зубами, т. Е. Жевание.
• Эндометрий — Слизистая оболочка матки.

Тест

1. В чем разница между слизистой и слизью?
A. Слизистая — прилагательное, описывающее слизистую оболочку, а слизь — существительное.
B. Слизь — это прилагательное, описывающее слизистую оболочку, а слизистая — существительное.
C. Слизь находится только в носу, а слизистая — в других частях тела.
D. Слизь находится только в носу, в то время как слизь находится в других частях тела.

Ответ на вопрос № 1

А правильный. Слизистая — прилагательное; он описывает мембраны, которые производят слизь. Слизь — существительное, обозначающее защитную жидкость. Слизь обнаруживается не только в полости носа, но и в других частях тела, выстланных слизистыми оболочками.

2. Какая слизистая оболочка не является частью пищеварительной системы?
А. Слизистая оболочка полости рта
B. Слизистая оболочка желудка
C. Слизистая оболочка препуциального отдела
D. Слизистая оболочка пищевода

Ответ на вопрос № 2

C правильный. Слизистые оболочки полости рта, желудка и пищевода находятся во рту, желудке и пищеводе соответственно. Все они являются частью пищеварительной системы. Слизистая оболочка препуциальной оболочки расположена на крайней плоти полового члена, поэтому она является частью репродуктивной системы.

3.Что не является функцией слизистой оболочки?
A. Для смазывания влагалища
B. Для поглощения питательных веществ из пищи
C. Чтобы тело оставалось сухим
D. Для устранения запахов, чтобы их можно было обнаружить и почувствовать

Ответ на вопрос № 3

C правильный. Варианты A, B и D — все функции разных слизистых оболочек. Вариант A описывает слизистую оболочку влагалища, вариант B описывает слизистую оболочку кишечника, а вариант D описывает слизистые оболочки носа и обоняния.Вариант C не зависит от слизистой оболочки; Фактически, это противоположность общей функции слизистой оболочки. Поскольку слизистые оболочки производят или содержат слизь, их задача — поддерживать влажность различных частей тела, а не сухость.

Валидация процессов очистки (7/93)

Примечание. Этот документ является справочным материалом для исследователей и другого персонала FDA. Этот документ не связывает FDA и не предоставляет никаких прав, привилегий, льгот или иммунитетов любому лицу (лицам).

Валидация процедур очистки вызвала широкую дискуссию, поскольку в документах агентства, включая Руководство по инспекции сыпучих фармацевтических химикатов и Руководство по биотехнологической инспекции, кратко рассматривается этот вопрос. Эти документы агентства четко устанавливают ожидания, что процедуры (процессы) очистки будут валидированы.

Это руководство разработано для обеспечения согласованности и единообразия проверки путем обсуждения методов, которые были признаны приемлемыми (или неприемлемыми).В то же время нужно понимать, что для валидации очистки, как и для валидации других процессов, может быть более одного способа валидации процесса. В конце концов, проверка любого процесса валидации состоит в том, показывают ли научные данные, что система последовательно работает так, как ожидалось, и дает результат, который последовательно соответствует заранее определенным спецификациям.

Это руководство предназначено для очистки оборудования только от остатков химических веществ.

Для FDA, требующего очистки оборудования перед использованием, нет ничего нового, в Правилах GMP 1963 г. (Часть 133.4) указано следующее: «Оборудование *** должно содержаться в чистоте и порядке ***». Очень похожий раздел по очистке оборудования (211.67) был включен в правила CGMP 1978 года. Конечно, основным аргументом в пользу необходимости чистого оборудования является предотвращение загрязнения или фальсификации лекарственных препаратов. Исторически сложилось так, что исследователи FDA искали грубую дезинфекцию из-за неадекватной очистки и обслуживания оборудования и / или плохих систем контроля пыли. Кроме того, исторически сложилось так, что FDA больше беспокоило загрязнение лекарственных препаратов непенициллина пенициллинами или перекрестное загрязнение лекарственных препаратов сильнодействующими стероидами или гормонами.Ряд продуктов был отозван за последнее десятилетие из-за фактического или потенциального перекрестного заражения пенициллином.

Одним из событий, которое повысило осведомленность FDA о возможности перекрестного заражения из-за несоответствующих процедур, был отзыв в 1988 г. готового лекарственного препарата, холестираминовой смолы USP. Основная масса фармацевтического химического вещества, используемого для производства продукта, была загрязнена низкими уровнями промежуточных продуктов и продуктов разложения в результате производства сельскохозяйственных пестицидов.Предполагается, что перекрестное загрязнение в этом случае произошло из-за повторного использования восстановленных растворителей. Восстановленные растворители были загрязнены из-за отсутствия контроля за повторным использованием бочек для растворителей. Бочки, которые использовались для хранения восстановленных растворителей в процессе производства пестицидов, позже использовались для хранения восстановленных растворителей, используемых в процессе производства смол. Фирма не имела надлежащего контроля за этими бочками с растворителями, не проводила адекватных испытаний растворителей в бочках и не имела утвержденных процедур очистки бочек.

Некоторые партии этого загрязненного пестицидами фармацевтического препарата были доставлены на второе предприятие в другом месте для обработки. Это привело к загрязнению пакетов, используемых в сушилках с псевдоожиженным слоем на этом предприятии, пестицидами. Это, в свою очередь, привело к перекрестному заражению партий, произведенных на этом участке, где обычно пестициды не производились.

FDA ввело предупреждение об импорте в 1992 г. иностранного производителя фармацевтических препаратов, который производил сильнодействующие стероидные препараты, а также нестероидные препараты, используя обычное оборудование.Эта фирма была многоцелевым фармацевтическим предприятием. FDA считает, что вероятность перекрестного заражения значительна и представляет серьезный риск для здоровья населения. Фирма только недавно начала программу валидации очистки во время инспекции, и FDA сочло ее неадекватной. Одна из причин, по которой это было сочтено неадекватным, заключалась в том, что фирма искала только доказательства отсутствия предыдущего соединения. На основании испытаний ТСХ промывочной воды у фирмы были доказательства присутствия остатков побочных продуктов реакции и продуктов разложения от предыдущего процесса.

FDA ожидает, что фирмы будут иметь письменные процедуры (СОП), детализирующие процессы очистки, используемые для различных единиц оборудования. Если фирмы используют один процесс очистки для очистки между разными партиями одного и того же продукта и используют другой процесс для очистки между сменами продукта, мы ожидаем, что письменные процедуры будут учитывать эти разные сценарии. Точно так же, если у фирм есть один процесс для удаления водорастворимых остатков и другой процесс для нерастворимых в воде остатков, письменная процедура должна учитывать оба сценария и четко указывать, когда данная процедура должна выполняться.Крупные фармацевтические фирмы могут принять решение выделить определенное оборудование для определенных этапов химического производственного процесса, при которых образуются смолистые или липкие остатки, которые трудно удалить с оборудования. Сушильные мешки с псевдоожиженным слоем — еще один пример оборудования, которое трудно чистить, и часто оно предназначено для определенного продукта. Любые остатки самого процесса очистки (моющие средства, растворители и т. Д.) Также должны быть удалены с оборудования.

FDA ожидает, что фирмы разработают общие процедуры проверки процессов очистки.

FDA ожидает, что в общих процедурах валидации будут указаны лица, ответственные за выполнение и утверждение валидационного исследования, критерии приемлемости и сроки, когда потребуется повторная валидация.

FDA ожидает, что фирмы заранее подготовят конкретные письменные протоколы валидации для исследований, которые будут проводиться на каждой производственной системе или единице оборудования, которые должны решать такие вопросы, как процедуры отбора проб и используемые аналитические методы, включая чувствительность этих методов.

FDA ожидает, что фирмы проведут валидационные исследования в соответствии с протоколами и задокументируют результаты исследований.

FDA ожидает окончательного отчета о валидации, который будет одобрен руководством и в котором будет указано, действителен ли процесс очистки. Данные должны поддерживать вывод о том, что остатки были снижены до «приемлемого уровня».

Первый шаг — сосредоточиться на цели процесса валидации, и мы видели, что некоторым компаниям не удалось достичь таких целей.Нет ничего необычного в том, что производители используют обширные программы отбора проб и испытаний после процесса очистки, даже не оценивая эффективность шагов, используемых для очистки оборудования. При оценке процесса очистки необходимо ответить на несколько вопросов. Например, в какой момент оборудование или система становятся чистыми? Нужно ли его чистить вручную? Что достигается ручной чисткой, а не просто промывкой растворителем? Насколько изменчивы процессы ручной очистки от партии к партии и от продукта к продукту? Ответы на эти вопросы, очевидно, важны для проверки и оценки процесса очистки, поскольку необходимо определить общую эффективность процесса.Ответы на эти вопросы могут также определить шаги, которые можно исключить, чтобы принять более эффективные меры и привести к экономии ресурсов для компании.

Определите количество процессов очистки для каждой единицы оборудования. В идеале, у единицы оборудования или системы должен быть один процесс очистки, однако это будет зависеть от производимых продуктов и от того, происходит ли очистка между партиями одного и того же продукта (как в большой кампании) или между партиями разных продуктов.Когда процесс очистки используется только между партиями одного и того же продукта (или разными партиями одного и того же промежуточного продукта в массовом процессе), фирме нужно только соответствовать критерию «видимая чистота» для оборудования. Такие промежуточные процессы очистки не требуют проверки.

1. Конструкция оборудования

Изучите конструкцию оборудования, особенно в тех крупных системах, которые могут использовать полуавтоматические или полностью автоматические системы очистки на месте (CIP), поскольку они представляют собой серьезную проблему.Например, следует использовать трубы санитарного типа без шаровых кранов. Когда используются такие антисанитарные шаровые краны, как это часто бывает в фармацевтической промышленности, процесс очистки затрудняется.

При обнаружении таких систем важно, чтобы операторы, выполняющие операции по очистке, знали о проблемах и прошли специальную подготовку по очистке этих систем и клапанов. Определите, знакомы ли операторы по очистке с этими системами, а также уровень подготовки и опыта в очистке этих систем.Также проверьте письменный и утвержденный процесс очистки, чтобы определить, были ли эти системы правильно идентифицированы и валидированы.

В более крупных системах, таких как те, в которых используются длинные линии передачи или трубопроводы, проверьте блок-схемы и схемы трубопроводов на предмет идентификации клапанов и письменных процедур очистки. Трубопроводы и клапаны должны иметь бирки, и оператор, выполняющий функцию очистки, должен легко их идентифицировать. Иногда неправильно идентифицированные клапаны, как на отпечатках, так и физически, приводили к неправильным методам очистки.

Всегда проверяйте наличие часто критического элемента в документации по процессам очистки; определение и контроль времени между окончанием обработки и каждым этапом очистки. Это особенно важно для препаратов местного действия, суспензий и лекарственных препаратов. При таких операциях сушка остатков напрямую влияет на эффективность процесса очистки.

Независимо от того, используются ли системы CIP для очистки технологического оборудования, следует учитывать микробиологические аспекты очистки оборудования.Это в основном превентивные меры, а не удаление загрязнения после того, как оно произошло. Должны быть доказательства того, что регулярная чистка и хранение оборудования не допускают размножения микробов. Например, оборудование должно быть высушено перед хранением, и ни при каких обстоятельствах нельзя позволять застаивающейся воде оставаться в оборудовании после операций по очистке.

После процесса очистки оборудование может подвергаться процедурам стерилизации или санитарной обработки, если такое оборудование используется для стерильной обработки или для нестерильной обработки, когда продукты могут способствовать росту микробов.Хотя такие процедуры стерилизации или санитарной обработки выходят за рамки данного руководства, важно отметить, что контроль бионагрузки посредством надлежащей очистки и хранения оборудования важен для обеспечения того, чтобы последующие процедуры стерилизации или санитарной обработки обеспечивали необходимую гарантию стерильности. Это также особенно важно с точки зрения контроля пирогенов при стерильной обработке, поскольку процессы стерилизации оборудования могут оказаться недостаточными для достижения значительной инактивации или удаления пирогенов.

2. Написание процесса очистки

Процедура и документация

Изучить детали и специфику процедуры валидации процесса (очистки), а также объем необходимой документации. Мы видели общие СОП, в то время как другие используют систему пакетных записей или журналов, которые требуют определенной документации для выполнения каждого шага. В зависимости от сложности системы и процесса очистки, а также способностей и подготовки операторов объем документации, необходимой для выполнения различных этапов или процедур очистки, будет варьироваться.

Когда требуются более сложные процедуры очистки, важно задокументировать важные этапы очистки (например, определенные процессы синтеза лекарственных препаратов). В этом отношении важна специальная документация на само оборудование, которая включает информацию о том, кто и когда его чистил. Однако для относительно простых операций очистки может быть достаточно простой документации о том, что весь процесс очистки был проведен.

Другие факторы, такие как история очистки, уровни остатков, обнаруженные после очистки, и вариабельность результатов испытаний также могут определять объем необходимой документации.Например, когда после очистки обнаруживаются различные уровни остатков, особенно для процесса, который считается приемлемым, необходимо установить эффективность процесса и работу оператора. Должны быть выполнены соответствующие оценки, и когда работа оператора считается проблемой, может потребоваться более подробная документация (руководство) и обучение.

3. Аналитические методы

Определите специфичность и чувствительность аналитического метода, используемого для обнаружения остатков или загрязняющих веществ.Благодаря достижениям в области аналитических технологий, остатки от производственных процессов и процессов очистки могут быть обнаружены на очень низком уровне. Если уровни загрязнения или остаточного загрязнения не обнаружены, это не означает, что после очистки нет остаточного загрязнения. Это означает только то, что в пробе отсутствуют уровни загрязнения, превышающие чувствительность или предел обнаружения аналитического метода. Фирме следует подвергнуть сомнению аналитический метод в сочетании с методом (-ами) отбора проб, чтобы показать, что загрязняющие вещества могут быть извлечены с поверхности оборудования и на каком уровне, т.е.е. 50% извлечение, 90% и т. Д. Это необходимо, прежде чем можно будет сделать какие-либо выводы на основании результатов пробы. Отрицательный результат теста также может быть результатом неправильной техники отбора проб (см. Ниже).

4. Отбор проб

Есть два основных типа отбора проб, которые признаны приемлемыми. Наиболее желателен прямой метод отбора проб с поверхности оборудования. Другой метод — использование растворов для полоскания.

1. Прямой отбор проб с поверхности — Определите тип используемого материала для отбора проб и его влияние на данные испытания, поскольку материал для отбора проб может мешать испытанию.Например, было обнаружено, что клей, используемый в тампонах, мешает анализу образцов. Поэтому на раннем этапе программы валидации важно убедиться, что среда для отбора проб и растворитель (используемый для экстракции из среды) являются удовлетворительными и могут быть легко использованы.

Преимущества прямого отбора проб заключаются в том, что участки, которые труднее всего очищать и которые достаточно доступны, могут быть оценены, что позволяет установить уровень загрязнения или остатков на данной площади поверхности.Кроме того, «высохшие» или нерастворимые остатки можно отбирать путем физического удаления.

2. Пробы для полоскания — Два преимущества использования образцов для полоскания заключаются в том, что можно брать пробы с большей площади поверхности, а из недоступных систем или систем, которые нельзя разобрать рутинно, можно брать и оценивать пробы.

Недостатком образцов для полоскания является то, что остатки или загрязняющие вещества могут быть нерастворимыми или могут физически задерживаться в оборудовании.Можно использовать аналогию с «грязным горшком». При оценке очистки грязной посуды, особенно с засохшими остатками, нельзя смотреть на промывочную воду, чтобы убедиться, что она чистая; один смотрит на горшок.

Убедитесь, что в промывочной воде было проведено прямое измерение остатков или загрязнений, когда она используется для подтверждения процесса очистки. Например, недопустимо просто проверять качество воды для ополаскивания (соответствует ли она критериям компендиума), а не проверять ее на наличие потенциальных загрязнений.

3. Текущее производственное управление в процессе

Мониторинг — Косвенное тестирование, такое как проверка проводимости, может иметь некоторую ценность для текущего мониторинга после подтверждения процесса очистки. Это особенно верно для производителей нерасфасованных лекарственных веществ, где образцы реакторов, центрифуг и трубопроводов между таким большим оборудованием могут быть взяты только с использованием образцов промывочного раствора. Должно быть продемонстрировано, что любой косвенный метод испытаний коррелирует с состоянием оборудования.Во время валидации фирма должна документально подтвердить, что тестирование неочищенного оборудования дает неприемлемый результат для непрямого теста.

FDA не намеревается устанавливать приемочные спецификации или методы определения того, является ли процесс очистки валидированным. Для FDA это непрактично из-за большого разнообразия оборудования и продуктов, используемых в производстве массовых и готовых лекарственных форм.Обоснование установленных фирмой предельных значений остатков должно быть логичным, основанным на знании изготовителем используемых материалов, и быть практичным, достижимым и поддающимся проверке. Важно определить чувствительность аналитических методов, чтобы установить разумные пределы. Некоторые ограничения, которые были упомянуты представителями промышленности в литературе или в презентациях, включают аналитические уровни обнаружения, такие как 10 частей на миллион, уровни биологической активности, такие как 1/1000 от нормальной терапевтической дозы, и органолептические уровни, такие как отсутствие видимых остатков.

Проверьте способ установления лимитов. В отличие от готовых фармацевтических препаратов, химическая идентичность остатков которых известна (то есть активных, неактивных, детергентов), массовые процессы могут содержать частичные реагенты и нежелательные побочные продукты, которые, возможно, никогда не были бы химически идентифицированы. При установлении остаточных пределов может быть недостаточно сосредоточиться только на основном реагенте, поскольку другие химические вариации может быть труднее удалить. Существуют обстоятельства, при которых помимо химического анализа может потребоваться ТСХ.В массовом процессе, особенно для очень сильнодействующих химикатов, таких как некоторые стероиды, необходимо учитывать вопрос о побочных продуктах, если оборудование не предназначено для этого. Цель инспекции — убедиться, что основания для любых ограничений являются научно обоснованными.

1. Плацебо

Для оценки и валидации процессов очистки некоторые производители обработали партию плацебо в оборудовании при практически тех же рабочих параметрах, которые использовались для обработки продукта.Затем образец партии плацебо проверяется на остаточное загрязнение. Тем не менее, мы задокументировали несколько важных проблем, которые необходимо решить при использовании продукта плацебо для проверки процессов очистки.

Нельзя гарантировать, что загрязнение будет равномерно распределено по системе. Например, если выпускной клапан или желоб блендера загрязнены, загрязнение, вероятно, не будет равномерно распределено в плацебо; скорее всего, он будет сосредоточен в исходной разгрузочной части партии.Кроме того, если загрязнитель или остаток имеют больший размер частиц, они не могут быть равномерно распределены в плацебо.

Некоторые фирмы сделали предположение, что остаточные загрязнения будут стираться с поверхности оборудования равномерно; это тоже неверный вывод. Наконец, аналитическая способность может быть значительно снижена за счет разбавления загрязнителя. Из-за таких проблем образцы для полоскания и / или мазка следует использовать в сочетании с методом плацебо.

2. Моющее средство

Если для чистки используется моющее средство или мыло, определите и примите во внимание трудности, которые могут возникнуть при попытке проверить наличие остатков.Распространенной проблемой, связанной с использованием моющего средства, является его состав. Многие поставщики моющих средств не предоставляют конкретный состав, что затрудняет оценку остатков для пользователя. Как и в случае с остатками продукта, это важно и ожидается, что производитель оценит эффективность процесса очистки для удаления остатков. Однако, в отличие от остатков продукта, ожидается, что после очистки не останется (или для сверхчувствительных аналитических методов испытаний — очень низкий) уровень детергента.Моющие средства не являются частью производственного процесса и добавляются только для облегчения очистки во время процесса очистки. Таким образом, они должны легко сниматься. В противном случае следует выбрать другое моющее средство.

3. Тест до очистки

Изучать и оценивать уровень тестирования и результаты повторных тестов, поскольку концепция «тестирование до очистки» используется некоторыми производителями. Они тестируют, повторяют пробы и повторно тестируют оборудование или системы до тех пор, пока не будет достигнут «приемлемый» остаточный уровень.Для системы или оборудования с проверенным процессом очистки эту практику повторной выборки использовать нельзя, и она допустима только в редких случаях. Постоянное повторное тестирование и повторная выборка могут показать, что процесс очистки не прошел валидацию, поскольку эти повторные тесты фактически документируют наличие неприемлемых остатков и загрязнений в результате неэффективного процесса очистки.

1. Дж. Родехамел, «Очистка и техническое обслуживание», стр. 82-87, семинар «Процедуры контроля производства лекарств Висконсинского университета», семинар , 17-22 июля 1966 г., Уильям Блокштейн, редактор, Издано Висконсинским университетом, Л.O.C. № 66-64234.
2. J.A. Констанс, «Почему не работают некоторые выхлопные системы контроля пыли», Pharm. Eng., 24-26 января-февраля (1983).
3. S.W. Хардер, «Проверка процедур очистки», Pharm. Technol. 8 (5), 29-34 (1984)
4. W.J. Mead, «Техническое обслуживание: его взаимосвязь с качеством лекарств», Pharm. Англ. 7 (3), 29-33 (1987).
5. J.A. Смит, «Модифицированный метод тампона для проверки остатков моющего средства в системах очистки на месте», Pharm.Technol. 16 (1), 60-66 (1992).
6. Fourman, G.L. и Mullen, M.V., «Определение пределов приемлемости для валидации очистки для фармацевтических производств», Pharm. Technol. 17 (4), 54-60 (1993).
7. McCormick, P.Y. и Каллен, Л.Ф., в Pharmaceutical Process Validation, 2nd Ed., под редакцией I.R. Берри и Р.А. Нэш, 319-349 (1993)

Биология — Scientific American

Примечание блоггера: Я все еще не в блоге в течение нескольких недель. А пока вот еще один пост из архива Artful Amoeba.Первоначально он появился 4 октября 2010 года.

8 октября 2012 года — Дженнифер Фрейзер

Нобелевская премия по физиологии и медицине 2012 года была присуждена совместно Джону Б. Гардону и Шинье Яманака за открытие возможности перепрограммирования зрелых клеток в pluripotent

8 октября 2012 г. — Стив Мирски

Теперь, когда научными достижениями занимаются команды, а не отдельные лица, Нобелевский фонд должен изменить порядок присуждения своей премии

8 октября 2012 г. — РЕДАКТОРЫ

Меры защиты кажутся не повлияли на гибель китов, согласно новому исследованию, которое подтверждает необходимость научно обоснованных подходов к снижению смертности крупных китов

7 октября 2012 г. — Дэниел Кресси

Когда у самцов гулдовых вьюрков были закрыты правые глаза, они потеряли прежнюю дискриминацию в пользу окраски конкретных самок.Карен Хопкин сообщает

6 октября 2012 г.

Библиотека звуков Маколея в Корнельской лаборатории орнитологии в Итаке, штат Нью-Йорк, хранит самую старую и самую большую коллекцию звуков животных в мире. Коллекция помогает ученым понять визги, крики, жужжание и песни жизни …

5 октября 2012 г.

Фитопланктон Heterosigma akashiwo уплывает от зоопланктона, своего естественного хищника, но остается в присутствии других хищников без какого-либо вмешательства. специфический вкус к нему.Гретхен Куда Кроен сообщает …

5 октября 2012 г.

Яд черной мамбы содержит особый ингредиент: болеутоляющее, столь же сильное, как морфин. Кристофер Интаглиата сообщает

4 октября 2012 г.

Новое исследование — первое, которое связывает повсеместное химическое вещество, обнаруженное в твердых пластмассах, консервированных продуктах и ​​бумажных чеках, с измененными гормонами щитовидной железы у младенцев

4 октября 2012 г. — Брайан Бьенковски и Новости экологического здоровья

Новая работа объясняет, как микроб может процветать в условиях высокого содержания мышьяка в Калифорнийском озере Моно

4 октября 2012 г. — Дэниел Кресси

Веселая задача от Science Buddies

4 октября 2012 г.

Лучший способ научить современных гиперсвязанных студентов — избавиться от факультетов геологии и биологии

4 октября 2012 г. — Майкл М.Ворона

Статус мирового уровня в области научных исследований сопровождается новым набором задач

3 октября 2012 г. — Филип Г. Альтбах и Ци Ван

Чтобы медузы, грибы и другие существа не захватили здоровую среду обитания, ученые исследуют продукты питания паутины и переломные точки

3 октября 2012 г. — Карл Циммер

Наблюдение за сигнальными молекулами до того, как они покинут клетку, может дать исследователям понимание того, как клетки нашего тела влияют друг на друга

3 октября 2012 г. — Марисса Фессенден

Молоко могло помогает младенцам, у которых развивается аллергическая реакция на сыворотку, но в ней также содержится больше несывороточного протеина, называемого казеином, который также вызывает аллергию

2 октября 2012 г. — Тревор Стоукс и LiveScience

Ученые нанесли на карту крошечный круглый червь нервная система.Он научил их чему-нибудь о своем поведении?

2 октября 2012 г. — Феррис Джабр

Прививки детям — лучший способ защитить всех от гриппа.