Прорывы года. Версия журнала Science

Журнал Science опубликовал десятку самых заметных научных достижений уходящего года. Представляем их список: клеточное программирование, космические лучи, сверхпроводники и шашки.

1. Какие мы разные

7 лет назад полная расшифровка человеческого генома пролила первый яркий свет на нашу наследственность. С тех пор ученые рассматривают ее механизмы со все большей детализацией. В этом году ряд исследований показал, насколько в действительности мы отличаемся друг от друга. Современные техники секвенирования в сотни раз ускорили процесс расшифровки последовательностей ДНК – и исследователи используют их возможности во всей полноте. Теперь они изучают не только особенности человеческого генома на уровне вида, но и на уровне отдельных индивидуумов. Именно эти исследования стали, по мнению редакторов Science, самым значительным достижением 2007 г.

Зачастую различия в геноме отдельных индивидуумов сводятся к замене лишь одного из нуклеотидов в гене (это явление называется «однонуклеотидный полиморфизм»). Именно этим особенностям был посвящен целый ряд интересных исследований уходящего года. В частности, были раскрыты некоторые изменения, характерные для диабета 2 типа, автоиммунных и сердечно-сосудистых заболеваний, ряда разновидностей рака.

Изучение индивидуальных особенностей геномов разных людей позволит не только обозначить набор, характерный для людей с рыжими волосами или любителей шоколада, астматиков или диабетиков, но и – в перспективе – выявить генетические основы, сделавшие возможными формирование речевых функций и даже разума. Это способно привести и к серьезному прорыву в медицине, когда врачи, изучив индивидуальную карту генома пациента, смогут избавлять его даже от тех болезней, которые еще не развились в нем – но к которым он обнаруживает склонность.

2. Программирование клеток

Вот уже больше десяти лет генетиков будоражит пример знаменитой овечки Долли — первого млекопитающего, клонированного из клетки взрослого животного. Суть настоящей проблемы можно такая: можно ли, взяв генетический материал незрелой яйцеклетки, «омолодить» уже взрослую дифференцированную клетку и заставить ее геном вернуться к состоянию стволовой, из которого уже сформируется новый организм или, скажем, отдельный орган этого организма? То есть – взять любую, а не только стволовую, клетку и из нее вырастить новый организм? В этом году ученые значительно приблизились к решению этой загадки.

В научной прессе появился целый ряд публикаций, описывающих такое достижение: внедрив в обыкновенные клетки кожи некоторое количество генов, можно перепрограммировать их таким образом, чтобы они стали выглядеть и вести себя как зародышевые стволовые клетки. Так как в этих экспериментах были задействованы живые эмбриональные клетки, вокруг них сразу разгорелись жаркие дебаты в этического и политического толка. Как бы то ни было, биологам удалось совершить значительный прорыв, ведущий к разработке новых методов борьбы со старением, выращиванию «запасных» органов и конечностей, а также к эффективной терапии множества неизлечимых заболеваний.

3. Трассы космических лучей

Вопрос: что врезается в Землю с энергией мячика для гольфа, будучи при этом даже не атомом, а отдельной элементарной частицей? Ответ: космические лучи — крайне высокоэнергетические частицы, приходящие к нам из далекого космоса. Некоторые из них обладают поистине колоссальной энергией, превосходящей верхнюю планку земных ускорителей в сотни миллионов раз.

Вплоть до недавнего времени природа этих частиц была неизвестна. Согласно наиболее распространенной версии, это протоны, приходящие к нам из удаленных галактик. В 1990 г. японские астрономы заявили о том, что им удалось обнаружить 11 частиц с энергией более 100 экса-электрон-вольт — что еще примерно в 10 раз больше, чем ожидалось. Этот результат порядком озадачил ученое сообщество. В процессе долгого межгалактического перелета протоны взаимодействуют в реликтовым излучением, пронизывающим всю Вселенную, что должно приводить к их существенному замедлению. Согласно расчетам, итоговая энергия подобных частиц не должна превышать 60 экса-электрон-вольт. Было даже выдвинуто предположение, согласно которому самые высокоэнергетические частицы образуются в непосредственной близости от нашей галактики, в результате естественного распада супер-массивных частиц, образовавшихся еще в ходе Большого взрыва. Лишь затем удалось расставить в этом вопросе все точки над «i».

Когда высокоэнергетическая частица входит в атмосферу, она рождает целую лавину вторичных частиц, образующихся в результате столкновения первичной частицы с молекулами воздуха. Анализ вторичных частиц позволяет выяснить многие свойства частицы первичной. Было проведено специальное исследование с использованием 1,5 тыс. детекторов частиц, распределенных по площади в 3 тыс. квадратных километров. Параллельно целая батарея телескопов отслеживала вспышки, возникающие в верхних слоях атмосферы, когда под действием лавины частиц воздух начинает флюоресцировать. В июле ученые опубликовали первые результаты исследования. Главной сенсацией стал тот факт, что в ходе исследования не было обнаружено массы лучей с энергией, превышающей порог в 60 EeV: их удалось зарегистрировать лишь несколько десятков. Судя по результатам предварительного анализа, источником этих монстров являются активные галактические ядра, а не распад загадочных сверхмассивных частиц, само существование которых по-прежнему остается под большим сомнением.

4. Картина рецептора

В этом году удалось, наконец, получить точную и подробную картину основной цели гормона адреналина, а именно — бета-2 адренорецептора. Структура этого объекта уже давно стоит в списке одной из наиболее приоритетных задач современной биологии.

Белок принадлежит к довольно многочисленному семейству сложных мембранных рецепторов, благодаря которым мы чувствуем запахи, различаем вкусы и даже видим. Они также помогают нам регулировать бесчисленное множество внутренних процессов, играя ключевую роль в функционировании гормонов, нейротрансмиттеров и других управляющих молекул. Лечение множества заболеваний оказывается связано с лекарственной блокадой различных рецепторов. Соответственно, знание точной структуры этих рецепторов поможет в разработке более эффективных и безопасных лекарств.

Работа по выяснению структуры бета-2 адренорецептора заняла у ученых почти 20 лет. Но полученный результат можно смело назвать значительным научным прорывом.

5. Убийцы кремния

60 лет назад полупроводниковые материалы были всего лишь любопытным научным курьезом. Потом исследователи догадались совместить два полупроводника разных типов, в результате чего на свет появились диоды, транзисторы и микропроцессоры, а мы оказались по уши в электронном веке. Возможно, ушедший год предвосхищает еще один похожий прорыв, связанный с появлением материалов нового класса — оксидов переходных металлов.

Об этих веществах впервые заговорили в 1986 г., в связи с очередной Нобелевской премией, врученной за достижения в области высокотемпературной сверхпроводимости. С тех пор они закрепили за собой статус одной из самых причудливых тем современной физики. Эти вещества обладают кучей интереснейших свойств, например, способностью кардинально менять свои проводящие свойства под действием очень незначительных внешних магнитных полей. Однако еще интереснее то, что будучи упакованными в слоеную структуру, такие оксиды начинают взаимодействуют друг с другом а атомарном уровне, изменяя свойства соседних слоев весьма хитрым и нелинейным способом.

Используя «бутерброды» из различных оксидов, в отдельности являющихся диэлектриками, ученые смогли получить структуры, которые вели себя как металлы и даже сверхпроводники, — в зависимости от текущей комбинации слоев. Исследователи утверждают, что в будущем из переходных оксидов можно будет создавать структуры, гораздо более эффективные и изощренные, чем стандартные полупроводниковые элементы. Количество возможных комбинаций переходных оксидов практически бесконечно, что позволяет надеяться на получение абсолютно удивительных качеств и свойств.

6. Новая ипостась электронов

В прошлом году группа калифорнийских физиков-теоретиков сделала интересное предсказание, согласно которому в «бутерброде» из полупроводников с тонким слоем теллурида ртути (HgTe) посередине электроны будут вести себя очень необычно, демонстрируя спин-эффект Холла. В этом году соответствующий бутерброд сделали физики-экспериментаторы и из Германии. И обнаружили в нем именно то, что предсказали их коллеги из Калифорнии.

Спин-эффект Холла является одной из разновидностей квантового эффекта Холла. Их физическая природа весьма непроста, поэтому мы лишь отметим, что эффект Холла позволяет создавать локальные каналы сверхпроводимости в самых обыкновенных проводниках за счет помещения проводника в чрезвычайно сильное магнитное поле. Спин-эффект Холла позволяет сформировать аналогичные каналы за счет связанности групп электронов по спину, причем без использования экстремальных магнитных полей. Тот факт, что ученым удалось воспроизвести этот эффект в рамках лабораторного эксперимента, позволяет надеяться на скорое создание проводников, сохраняющих сверхпроводящие свойства при комнатной температуре, а с ними – сверхскоростных и экономичных компьютеров.

7. Разделяй и властвуй

В этом году удалось значительно продвинуться в понимании механизма специализации иммунных клеток, который обеспечивает и краткосрочную, и долговременную защиту организма от возбудителей различных болезней. Речь идет о способности иммунной системы узнавать инфекции, с которыми организм уже сталкивался.

Уже довольно давно известно, что при атаке патогена иммунные T-клетки разделяются на два подкласса. Большая часть из них играет роль короткоживущих клеток-смертниц, чьей главной задачей является немедленное уничтожение врага, однако часть их претерпевает метаморфозу и превращается в «клетки памяти», которые затем мирно циркулируют в крови на протяжении многих десятилетий — до тех пор, пока им вновь не встретится уже знакомый возбудитель.

Исследователи сумели разобраться в том, как именно регулируется процесс деления T-клеток, сопряженный с образованием двух разных типов. T-клетка остается пассивной до тех пор, пока ей не встретится древовидная клетка (еще один важный компонент иммунной защиты), несущая специфические молекулы патогена. В течение нескольких часов клетки взаимодействуют друг с другом, при этом на рецепторах T-клетки накапливаются различные белки. Ученые решили проверить предположение, согласно которому ближайшие потомки T-клетки, образующееся в ходе последующего деления, наследует разные типы этих белков, что в конечном итоге определяет их специализацию. Как выяснилось, из той стороны T-клети клетки, которая примыкала к древовидной клетке, образуется «клетка-солдат», а из противоположной стороны T-клетки получается клетка памяти. Полученные знания помогут ученым увеличить эффективность вакцин и иных препаратов, связанных с коррекцией иммунного ответа.

8. Меньше делать, больше получать

Сейчас, когда общество всерьез озаботилось вопросами экологической безопасности, главной задачей промышленных химиков становится не создание новых синтетических материалов, но адаптация производства тех, что уже разработаны и получили массовое применение. В большинстве случаев это требует уменьшения количества стадий синтеза и более тонкого контроля над протеканием химических реакций. В минувшем году в этой области наметились весьма значительные достижения.
Многие ценные продукты химического синтеза, применяющиеся в фармацевтике и электронной промышленности, представляют собой весьма сложные структуры, состоящие из углеродных каркасов с «навешенными» на них сложными группами атомов. Чтобы придать промежуточному сырью нужные свойства, химикам необходимо выборочно изменять те или иные группы, оставляя нетронутыми все остальные. Подобная избирательность достигается следующим образом: к исходной молекуле прикрепляются либо специальные «активаторы», стимулирующие реакцию в нужном участке, либо наоборот, «защитные группы», которые блокируют ход реакции там, где она протекать не должна.

В этом году разработан процесс, позволяющий преобразовывать спиртовую и аминогруппу превратить в амиды с использованием рутениевого катализатора. Такой подход был с успехом использован и для связывания отдельных кольцевых молекул в масштабные молекулярные комплексы. Еще одна группа ученых сумела добиться значительного снижения числа защитных групп при получении определенных лекарственных соединений, а другие достигли больших успехов в имитации синтеза сложных токсинов живыми микробами. И это всего лишь отдельные примеры. В общем, для химиков минувший год был очень и очень удачным.

9. Назад в будущее

В греческой мифологии богиня памяти Мнемозина рождает девять муз — вдохновительниц человеческого воображения. Современная наука готова согласиться с этой «теорией» как на символическом, так и на сугубо предметном уровне.

Именно память о прошлом позволяет нам готовиться к будущим испытаниям, а в минувшем году данное положение получило массу весьма интересных подтверждений. В январе было объявлено, что пациенты с повреждением гиппокампа — важнейшего мозгового центра, регулирующего функцию запоминания — гораздо хуже ориентируются в гипотетических ситуациях (таких как воображаемый поход в магазин или воображаемый отдых на пляже), нежели здоровые волонтеры. Нормальные люди способны описать гипотетическую ситуацию весьма красочно, в то время как больные ограничиваются несколькими скупыми и несвязанными друг с другом подробностями. Это говорит о том, что поражение гиппокампа и связанная с этим потеря способности запоминать ведет и к потере способности воображать что-либо.

Еще одна группа ученых, обследовав весьма представительную выборку здоровых добровольцев, выяснила, что для анализа прошедших событий и построения возможных вариантов развития событий в будущем люди используют одни и те же мозговые центры, включающие в себя уже упомянутый гиппокамп. Даже опыты на крысах показывают, что гиппокамп играет ключевую роль в предсказании будущего. Ученые объясняют связь между памятью и предсказанием тем, что мозг конструирует варианты развития событий из отдельных кусочков прошлого опыта – и только из них. Пока это всего лишь рабочая гипотеза, однако не исключено, что в будущем ученым и в самом деле удастся строго доказать, что именно память является фундаментом воображения.

10. Конец игры

После 18 лет напряженных исследований удалось-таки доказать, что если оба игроки в шашки играют безошибочно, игра неизбежно окончится вничью. Таким образом, шашки стали самой сложной из всех «разгаданных» математиками игр.

На самом деле, это достижение стало очередной победой компьютера над человеческим интеллектом. Дело в том, что программа, написанная учеными, обыгрывает любого, даже самого искушенного живого игрока — потому что первая действует всегда безошибочно, а второй неизбежно сделает хотя бы один не до конца идеальный ход. Количество возможных комбинаций фишек на шашечной доске достигает 500 миллиардов миллиардов. Чтобы просчитать все эти варианты «в лоб», не хватит никаких суперкомпьютеров. Поэтому пришлось создать специальный алгоритм, который исключил из расчетов большое число вариантов, гарантированно не ведущих к победе одной из сторон. Это позволило значительно сократить общее число комбинаций, подлежащих обсчету. По итогам исследования была составлена база из 39 биллионов (тысяч миллиардов) возможных позиций с указаниями единственно верных беспроигрышных ходов.

По публикации Science