Dual Activation of Phosphodiesterases 3 and 4 Regulates Basal Spontaneous Beating Rate of Cardiac Pacemaker Cells: Role of Compartmentalization?

Spontaneous firing of sinoatrial (SA) node cells (SANCs) is regulated by cyclic adenosine monophosphate (cAMP)-mediated, protein kinase A (PKA)-dependent (cAMP/PKA) local subsarcolemmal Ca2+ releases (LCRs) from ryanodine receptors (RyR). The LCRs occur during diastolic depolarization (DD) and activate an inward Na+/Ca2+ exchange current that accelerates the DD rate prompting the next action potential (AP). Basal phosphodiesterases (PDEs) activation degrades cAMP, reduces basal cAMP/PKA-dependent phosphorylation, and suppresses normal spontaneous firing of SANCs. The cAMP-degrading PDE1, PDE3, and PDE4 represent major PDE activities in rabbit SANC, and PDE inhibition by 3-isobutyl-1-methylxanthine (IBMX) increases spontaneous firing of SANC by ∼50%. Though inhibition of single PDE1–PDE4 only moderately increases spontaneous SANC firing, dual PDE3 + PDE4 inhibition produces a synergistic effect hastening the spontaneous SANC beating rate by ∼50%. Here, we describe the expression and distribution of different PDE subtypes within rabbit SANCs, several specific targets (L-type Ca2+ channels and phospholamban) regulated by basal concurrent PDE3 + PDE4 activation, and critical importance of RyR Ca2+ releases for PDE-dependent regulation of spontaneous SANC firing. Colocalization of PDE3 and PDE4 beneath sarcolemma or in striated patterns inside SANCs strongly suggests that PDE-dependent regulation of cAMP/PKA signaling might be executed at the local level; this idea, however, requires further verification

Extremely broadband ultralight thermally emissive metasurfaces

We report the design, fabrication and characterization of ultralight highly emissive metaphotonic structures with record-low mass/area that emit thermal radiation efficiently over a broad spectral (2 to 35 microns) and angular (0-60 degrees) range. The structures comprise one to three pairs of alternating nanometer-scale metallic and dielectric layers, and have measured effective 300 K hemispherical emissivities of 0.7 to 0.9. To our knowledge, these structures, which are all subwavelength in thickness are the lightest reported metasurfaces with comparable infrared emissivity. The superior optical properties, together with their mechanical flexibility, low outgassing, and low areal mass, suggest that these metasurfaces are candidates for thermal management in applications demanding of ultralight flexible structures, including aerospace applications, ultralight photovoltaics, lightweight flexible electronics, and textiles for thermal insulation

НЕРАЗМЫВАЮЩИЕ СКОРОСТИ ПОТОКА ДЛЯ НЕСВЯЗНЫХ ГРУНТОВ

There are the values of non-eroding water velocities for various types of bottom sediments (incoherent and cohesive) given in the normative documentation in the form of tables and graphs. Also there are a number of regulatory documents containing methods for calculation such velocities. These methods are based on empirical dependencies adapted to specific conditions. The calculated mean non-eroding water velocities are proportional to the depth of flow and bottom particle size in the case of incoherent bottom sediments erosion. The authors made an attempt to estimate non-eroding water velocity by a physical approach to the problem depending on the internal friction angle, the calculated clutch of incoherent bottom sediments and the depth of the water over the bottom. This approach should be universal. An analysis of the results indicated that the proposed formula for calculating bottom non-eroding water velocities in all considered cases gives results significantly higher than the values given in the regulatory documents for the corresponding size of incoherent bottom sediments. As a result authors obtained non-eroding water velocities, which were overestimated at times on the basis of expert evaluation. When the depth changes from 0.5 to 10 m, the spread of estimated bottom velocities varies from 14 to 22%, depending on the size of the incoherent soil. It was concluded that for smaller particles of incoherent soil, the less deviation of the calculated values of bottom non-eroding water velocities from the normative ones (for massive gravel sands at a 10 m flow depth, the deviation from the normative values reaches 375-510%). In addition, the dependence of the value bottom non-eroding water velocity on the depth is traced, which is not provided in regulatory documents. The authors offer the scientific community to join to discussion of the reasons for these discrepancies.Значения неразмывающих скоростей для различных типов донных отложений (связных и несвязных) приводятся в нормативной документации в виде таблиц и графиков. Кроме этого, существует ряд нормативных документов, содержащих методики их расчета. Эти методики основаны на эмпирических зависимостях, адаптированных к конкретным специфическим условиям. Расчетные значения средних неразмывающих скоростей пропорциональны глубине потока и диаметру частиц в случае размыва несвязных донных отложений. Авторами статьи сделана попытка оценить неразмывающую скорость потока путем физического подхода к проблеме в зависимости от угла внутреннего трения, расчетного сцепления несвязных донных отложений (грунтов) и глубины водной толщи над размываемым участком дна. Данный подход должен являться универсальным. Анализ полученных результатов показал, что предложенная формула расчета придонных неразмывающих скоростей во всех рассмотренных случаях дает результаты значительно больше значений, приведенных в нормативных документах для соответствующих градаций крупности несвязных донных отложений. В результате расчетов были получены неразмывающие скорости, на основании экспертной оценки, завышены в несколько раз. При изменении глубины потока от 0,5 до 10 м разброс оцененных придонных скоростей колеблется от 14 до 22% в зависимости от крупности несвязного грунта. Сделан вывод, что чем меньше частицы несвязного грунта, тем меньше отклонение рассчитанных значений придонных неразмывающих скоростей от нормативных (для крупнозернистых гравелистых песков при глубине потока 10 м отклонение от нормативных значений достигают 375-510%). Кроме того, прослеживается зависимость величин придонной неразмывающей скорости от глубины потока, что не предусмотрено нормативными документами. Авторы предлагают научному сообществу подключиться к обсуждению причин таких несоответствий. Литература Барышников Н.Б. Гидравлические сопротивления речных русел: учебное пособие. СПб.: изд. РГГМУ, 2003. 147 с. Боровков В.С., Волынов М.А. Размыв речного русла в грунтах, обладающих сцеплением // Вестник МГСУ. 2013. Том 8. № 4. С. 143-149. DOI:10.22227/1997-0935.2013.4.143-149 Виноградов А.Ю., Кадацкая М.М., Бирман А.Р., Виноградова Т.А., Обязов В.А., Кацадзе В.А., Угрюмов С.А., Бачериков И.В., Коваленко Т.В., Хвалев С.В., Парфенов Е.А. Расчёт неразмывающих скоростей водного потока на высоте верхней границы пограничного слоя // Resources and Technology. 2019. Т. 16. № 3. С. 44-61. DOI: 10.15393/j2.art.2019.4782. Гришанин К.В. Динамика русловых потоков. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 428 с. Кадацкая М.М., Виноградов А.Ю., Кацадзе В.А., Беленький Ю.И., Бачериков И.В., Хвалев С.В., Каляшов В.А. Анализ методов расчета неразмывающей скорости при проектировании водопропускных и водоотводных сооружений лесного хозяйства // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2019. Вып. 227. С. 174-187. DOI:10.21266/2079-4304.2019.227.174-187 Кадацкая М.М., Виноградов А.Ю., Обязов В.А., Кацадзе В.А., Угрюмов С.А., Беленький Ю.И., Бирман А.Р., Хвалев С.В., Кучмин А.В., Бачериков И.В., Коваленко Т.В. Расчет неразмывающих скоростей на высоте выступов шероховатости донных отложений // Системы. Методы. Технологии. 2020. № 1 (45). С. 80-84. DOI: 10.18324/2077-5415-2020-1-80-84 Ялтанец И.М., Тухель А.Э., Леванов Н.И., Дятлов В.М. Переработка горных пород с использованием средств гидромеханизации: Учебное пособие. М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2008. 318 с

ОЦЕНКА ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ШЕРОХОВАТОСТИ

The article considers one of the main parameters while conducting water management calculations – the roughness coefficient. Up-to-date assessment of its value is carried out according to special tables or by calculation. Article presents various methods for calculating the roughness coefficient – from the reverse evaluation using the Chezy formula by the measurements to the empirical relations obtained by various specialists on the basis of field studies. In addition, the authors considered formulas for calculating the roughness coefficient based on physics. The results of calculations obtained for such formulas best fit their values obtained in the inverse way from the Chezy formula. The calculation methods presented in the article were tested on the data of gauging station on the river Polist' – near the settlement Podtopol'e for the period of 1954 year and on the river Gozovka – near the settlement Goza for the period 2014-2017. Behind comparing the results of measurements, calculations for various formulas and estimated tabular data, the authors made the following conclusions. Pressure losses in explicit depends on the depth of the stream and the slope of the free surface, the last one implicitly characterizes the frictional of the channel. At the same water flow rates, a change in the roughness coefficient can reach tens of percent. With different filling of the channel, the roughness coefficient can change by several times, which predetermines the corresponding errors in the tabular estimation of the roughness coefficient, even for a simplified case – only for an open channel. Therefore, all the dependencies, taking into account only the granulometric of riverbed deposits, basically can not have practical application. General conclusion: even with the same water level for simplified conditions of an open channel without vegetation, the roughness coefficient can differ by several times, which nullifies all attempts to theoretically evaluate it in the absence of direct measurements of slope, speed, and average depth.В статье рассматривается один из основных параметров при проведении водохозяйственных расчетов – коэффициент шероховатости. Оценка его величины до настоящего времени проводится по специальным таблицам или расчетным способом. Приведены различные методы расчета коэффициента шероховатости – от оценки обратным путем по формуле Шези по результатам измерений до эмпирических зависимостей, полученных различными специалистами на основе натурных исследований. Кроме того, авторами рассмотрены формулы расчета коэффициента шероховатости на основании физических соображений. Результаты расчетов, полученных по таким зависимостям, наилучшим образом соответствуют их значениям, полученным обратным путем из формулы Шези. Приведенные в статье методы расчета апробированы на данных гидрологических постов р. Полисть – Подтополье за 1954 г. и р. Гозовка – Гоза за период 2014-2017 гг. При сравнении результатов измерений, расчетов по различным зависимостям и оценочных табличных данных сделаны следующие выводы. Потери напора в явном виде зависят от глубины потока и уклона свободной поверхности, последний параметр в неявном виде характеризует сопротивление русла. При одних и тех же расходах воды изменение величины коэффициента шероховатости может достигать десятков процентов. При различном же наполнении русла коэффициент шероховатости может измениться в несколько раз, что предопределяет соответствующие ошибки при табличной оценке коэффициента шероховатости даже для упрощенного случая – только для открытого русла. Поэтому все зависимости, учитывающие только крупность русловых отложений, принципиально не могут иметь практического применения. Общий вывод: даже при одном и том же уровне воды для упрощенных условий открытого русла без растительности, коэффициент шероховатости может отличаться в разы, что сводит к нулю все попытки в его теоретической оценке при отсутствии прямых измерений уклона, скорости и средней глубины. Литература Барышников Н.Б. Гидравлические сопротивления речных русел: учебное пособие. СПб.: изд. РГГМУ, 2003. 147 с. Барышников Н.Б., Плотки­на Н.П., Рублевская Р.М. Коэффициенты шероховатости речных русел // Динамика русловых потоков и охрана природных вод. Сборник научных трудов (межвузовский). Вып. 107 / Под ред. Н.Б. Барышникова и др. Л.: изд. ЛГМИ, 1990. С. 4-11. Виноградов А.Ю., Кацадзе В.А., Угрюмов С.А., Бирман А.Р., Беленький Ю.И., Кадацкая М.М., Обязов В.А., Виноградова Т.А. Взаимодействие руслового потока с дном в пограничном слое // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2019а. №. 12. С. 38-43. DOI: 10.31044/1994-6260-2019-0-12-38-43 Виноградов А.Ю., Минаев А.Н., Кадацкая М.М., Кучмин А.В., Хвалев С.В. Расчет значений параметров И.И. Никурадзе и Т. Кармана в зависимости от температуры воды и крупности донных отложений // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2019б. Вып. 229. С. 196-204. DOI: 10.21266/2079-4304.2019.229.196-204 Гришанин К.В. Динамика русловых потоков. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 428 с. Железняков Г.В. Пропускная способность русел и каналов рек. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 308 с. Косиченко Ю.М. Влияние эксплуатационных факторов на пропускную способность земляных русел каналов // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2011. № 3(03). С. 55-68. Мамедов А.Ш. Об определении коэффициента шероховатости рек [Электронный ресурс] // Труды VII Всероссийского гидрологического съезда (г. Санкт-Петербург, 19-20 ноября 2013 г.). URL: https://clck.ru/LfhCf (дата обращения: 26.05.2019). Снищенко Б.Ф. К.В. Гришанин и учение о динамике русловых потоков // Журнал университета водных коммуникаций. 2010. Вып. 2 (6). С. 10-18. Триандафилов А.Ф, Ефимова С.Г. Гидравлика и гидравлические машины: учебное пособие. Сыктывкар: изд. СЛИ, 2012. 212 с

Extremely broadband ultralight thermally emissive metasurfaces

We report the design, fabrication and characterization of ultralight highly emissive metaphotonic structures with record-low mass/area that emit thermal radiation efficiently over a broad spectral (2 to 35 microns) and angular (0–60°) range. The structures comprise one to three pairs of alternating nanometer-scale metallic and dielectric layers, and have measured effective 300 K hemispherical emissivities of 0.7 to 0.9. To our knowledge, these structures, which are all subwavelength in thickness are the lightest reported metasurfaces with comparable infrared emissivity. The superior optical properties, together with their mechanical flexibility, low outgassing, and low areal mass, suggest that these metasurfaces are candidates for thermal management in applications demanding of ultralight flexible structures, including aerospace applications, ultralight photovoltaics, lightweight flexible electronics, and textiles for thermal insulation

РАСЧЕТ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОРАНА И МАКСИМАЛЬНЫХ РАСХОДОВ ПРИ ПРОРЫВАХ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН

The work is devoted to the calculation of the size of the closure channel in the ground dams when water is poured from the water reservoir through peak and the extreme discharge of the dam break wave. The authors analyzed the methods of calculation prescribed in regulations and recommended by regulatory authorities. The calculation was made of the morphometric characteristics of the closure channel and extreme discharge of the dam break wave by various methods for specific objects, the comparison with expert estimates of these parameters. It is noted that the method, described in two regulations, has no physical justification, because according to it the size of closure channel and the parameters of breakthrough wave do not depend on the initial volume of water in the reservoir. The calculation method in the third regulation, does not take into account such factor as the time of erosion and the results are different at times with different specified step of erosion depth. This regulation is characterized by the use of empirical relations, which have a rather narrow range of use, and a lack of account of the relationship between the formation of the closure channel and the value of water discharge. Due to the lack of validity of the recommended calculation methods and large variation with expert estimates prescribed in the regulations, there is a need to create new alternative methods of calculation. This article discusses 2 such methods developed in various organizations. The first of them indirectly takes into account the material of the dam through calculated non-eroding velocity. The second one is based on the physical process of erosion, that is distinguishe it from others. As a test of the calculated values, there were used data on several recent catastrophic breakthroughs of groundwater dams. The comparison results allow us to conclude that alternative methods give greater accuracy. Based on the previous, can be done a preliminary conclusion about the need to revise existing regulations.Работа посвящена вопросу расчета размеров прорана в грунтовых плотинах при переливе воды из водохранилища через гребень и максимального расхода волны прорыва. Были проанализированы методы расчета, прописанные в нормативных документах и рекомендованные контролирующими органами. Выполнен расчет морфометрических характеристик прорана и максимальных расходов прорывной волны различными методами для конкретных объектов, сравнение с экспертными оценками этих параметров. Отмечено, что изложенная в двух нормативных документах методика, не имеет под собой физического обоснования, поскольку полученные размеры прорана и параметры волны прорыва не зависят от первоначального объема воды в водохранилище. В свою очередь расчетная схема другого нормативного документа не учитывает такой фактор, как время размыва и результат расчета отличается в разы при различном заданном шаге глубины размыва. Для данного документа характерно использование эмпирических соотношений, которые имеют довольно узкий диапазон использования, а также недоучет связи между формированием прорана и величиной сброса воды. Из-за недостаточной обоснованности рекомендованных методик и больших несоответствий с экспертными оценками возникает необходимость создания новых альтернативных методов расчета. В данной статье рассмотрено 2 таких метода, разработанных в различных организациях. Первый метод косвенно учитывает материал плотины через расчет неразмывающей скорости. В основе второго метода лежит физический процесс размыва, что выгодно отличает его от других. В качестве проверки расчетных значений были использованы данные о нескольких произошедших в последнее время катастрофических прорывах грунтовых плотин. Результаты сравнения позволяют сделать вывод о том, что альтернативные методы дают большую точность. На основе вышесказанного можно сделать предварительный вывод о необходимости пересмотра существующих нормативных документов.   Литература Бобков С.Ф., Боярский В.М., Векслер А.Б., Швайнштейн A.M. Основные факторы учета пропускной способности гидроузлов при декларировании их безопасности // Гидротехническое строительство. 1999. №4. С. 2-9. Кадацкая М.М., Виноградов А.Ю., Кацадзе В.А., Беленький Ю.И., Бачериков И.В., Хвалев С.В., Каляшов В.А. Анализ методов расчета неразмывающей скорости при проектировании водопропускных и водоотводных сооружений лесного хозяйства // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2019. Вып. 227. С. 174-187. DOI: 10.21266/2079-4304.2019.227.174-187 Катастрофы конца XX века / Под ред. В.В. Владимирова. М.: Издательство Геополитика, 2001. 400 с. Малик Л.К. Чрезвычайные ситуации, связанные с гидротехническим строительством ретроспективный обзор // Гидротехническое строительство. 2009. №12. C. 2-16 Пономарчук К.Р. Оценка параметров развития прорана при разрушении грунтовой плотины // Природообустройство. 2011. №3. С. 77-82. Чугаев Р.Р. Гидравлика: учебник для вузов. Л.: Энергоиздат, 1982. 672 с. Фролов Д.И., Волосухин В.А. Совершенствование российского законодательства по безопасности гидротехнических сооружений // Бюллетень «Использование и охрана природных ресурсов в России». 2012. №6. С. 17-2

Effect of gold nanocomposites treatment on male reproductive function under conditions of experimental hyperglycemia

Background: Given the urgency of the problem of clinical and experimental pathology of diabetes mellitus (DM) and the reproductive function disorders and their correction, the direction of research was determined in the following way: to establish the functional state of testicular cells and appendages under experimental hyperglycemia, and to assess future prospects for gold nanoparticles for clinical trials. The aims to evaluate the effect of five times treatment with gold nanocomposites (gold nanoparticles (AuNPs) in the polymer matrix D-g-PAA(PE) on male reproductive function under conditions of experimental hyperglycemia.Methods: Experiments (two series) have been conducted on 120 (60 males and 60 females) Albino white laboratory mice (weighing 25-30 gm). Experimental hyperglycemia, a model of type 2 diabetes mellitus (DM2) was reproduced by administration of nicotinamide and streptozotocin (internally peritoneally). The treatment of substances was carried out in the following way: D-g-PAA (PE) (10.00 mg/kg), D-g-PAA (PE)/AuNPs (9.78 mg/kg) in the tail vein, in 0.3 ml, once a day, five times, 2 weeks after EG induction once a day, five times.Results: it was established for the first time that there is disorder of male reproductive function under conditions of experimental hyperglycemia and five-fold treatment of gold nanocomposites (D-g-PAA(PE)/AuNPs, namely an increase in the number of abnormal sperm and a decrease in spermatids, as well as an increase in preimplantation mortality of embryos (compared to this value under experimental hyperglycemia).Conclusions: Our new data suggest that treatment with such gold nanocomposites (gold nanoparticles in D-g-PAA (PE) polymer matrix) are not critical for therapeutic use (in photodynamic chemotherapy), even in hyperglycemia when there is diabetes

Extremely broadband ultralight thermally-emissive optical coatings

We report the design, fabrication, and characterization of ultralight highly emissive structures with a record-low mass per area that emit thermal radiation efficiently over a broad spectral (2 to 30 microns) and angular (0–60°) range. The structures comprise one to three pairs of alternating metallic and dielectric thin films and have measured effective 300 K hemispherical emissivity of 0.7 to 0.9 (inferred from angular measurements which cover a bandwidth corresponding to 88% of 300K blackbody power). To our knowledge, these micron-scale-thickness structures, are the lightest reported optical coatings with comparable infrared emissivity. The superior optical properties, together with their mechanical flexibility, low outgassing, and low areal mass, suggest that these coatings are candidates for thermal management in applications demanding of ultralight flexible structures, including aerospace applications, ultralight photovoltaics, lightweight flexible electronics, and textiles for thermal insulation