Самые важные научные достижения 2014 года
Посадка на комету
Самым освещаемым в прессе событием года стала посадка аппарата Philae на комету 67P/Чурюмова-Герасименко в рамках миссии Rosetta (ПМ подробно писала о ней) Европейского космического агентства (ЕКА). Миссию начали разрабатывать еще в середине 1990-х, а запустили ее в 2004 году. Совершив четыре гравитационных маневра - три в поле тяготения Земли (2005, 2007, 2009) и один вблизи Марса (2007), Rosetta направилась к месту рандеву со своей целью в 400 млн км от Земли - кометой Чурюмова-Герасименко, куда и прибыла через 10 лет полета. Наиболее амбициозной частью миссии должна была стать посадка аппарата Philae на комету с целью изучения процессов, происходящих по мере приближения к Солнцу, и выяснения происхождения земной воды (считается, что ее на нашу планету занесли кометы).
К сожалению, во время посадки Philae не сработал двигатель на сжатом азоте, который должен был «прижать» аппарат к поверхности кометы, и не смогли отстрелиться гарпуны с ледовыми якорями. В результате посадочный модуль два раза отскочил от поверхности и совершил посадку в тени. Такая ситуация не оставила возможности зарядить аккумуляторы от солнечных батарей (хотя ученые надеются, что при приближении к Солнцу ситуация изменится). Тем не менее оставшегося в аккумуляторах заряда хватило на выполнение довольно обширной научной программы. Уже появилась и первая сенсация: по результатам измерений изотопного состава воды можно сделать вывод, что короткопериодические кометы семейства Юпитера из пояса Койпера, по видимому, не являются источниками земной воды, как это считалось ранее. Следующий на очереди кандидат на доставку воды на нашу планету - это астероиды внутренней части Солнечной системы, из пояса астероидов.
Внеземные океаны
Целью множества космических миссий является поиск воды. Причина тому - современная научная точка зрения на условия существования известной нам жизни. Нахождение следов воды, хотя бы в виде льда или в связанном состоянии в минералах, считается одним из признаков того, что в этом месте когда-то могла быть жизнь. Вообще говоря, водяной лед вовсе не редкость в Солнечной системе - его обнаружили в составе комет, на астероидах и карликовых планетах, на Луне, Марсе и на многих спутниках планет-гигантов - Юпитера и Сатурна. Существуют предположения о том, что на некоторых из этих спутников есть и жидкая вода, но пока их не удавалось подтвердить. Однако в этом году были опубликованы результаты обработки данных гравитационной съемки, выполненной аппаратом NASA Cassini с 2010 по 2012 году, согласно которым под ледовым покровом толщиной 30−40 км Энцелада (спутника Сатурна) находится океан жидкой соленой воды.
А это означает, что там (гипотетически) есть все условия для существования жизни - конечно, не братьев по разуму, но хотя бы простейших бактерий. Чуть позднее ученые нашли жидкий океан и на другом спутнике Сатурна - Титане, однако содержащаяся в нем вода содержит слишком много солей, поэтому существование там жизни сомнительно.
Генетические лекарства
Диаграмма, иллюстрирующая возможный механизм CRISPR
Несколько лет назад ученые обнаружили у бактерий систему, выполняющую роль адаптивного иммунитета - CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами. CRISPR хранит последовательности геномов вирусов-бактериофагов, по которым бактерия распознает опасных чужаков, а затем и обезвреживает их, разрезая с помощью белка Cas9 (CRISPR-associated 9). Сейчас этот метод является самым перспективным инструментом для редактирования генома - он не просто очень точно наводит Cas9 на нужный фрагмент ДНК, но и, в отличие от других методов, позволяет сделать это не только в лабораторных условиях, но и в живом организме. Поэтому очень важным научным достижением является эксперимент ученых из Массачусетского технологического института, которые в марте 2014 года смогли скорректировать с помощью CRISPR/Cas9 дефектный ген, вызывающий редкое заболевание печени (тирозинемию) у живой взрослой мыши единичной инъекцией. Это гигантский шаг вперед по направлению к возможности лечения многих заболеваний человека, вызванных дефектами единичных генов - таких как гемофилия или болезнь Хантингтона.
Лечение сахарного диабета
В мире насчитывается 350 миллионов больных сахарным диабетом (СД). Около 10% из них болеют СД I типа, аутоиммунным заболеванием, причины которого все еще неясны. В организме больных СД I типа иммунная система ошибочно принимает вырабатывающие важный гормон инсулин бета-клетки поджелудочной железы за «чужаков» и уничтожает их. А без гормона инсулина организм не может усвоить глюкозу. До открытия инсулина больные СД I типа (а это в основном дети, пик заболеваемости приходится на возраст 10−15 лет) были обречены на недолгую и довольно мучительную жизнь. С началом массового производства генно-инженерного инсулина их качество жизни практически не отличается от такового у обычных людей - при условии, что они регулярно (несколько раз в день) измеряют уровень глюкозы в крови и делают инъекции соответствующих доз инсулина. Другого лечения пока не существует, так что к этим процедурам они привязаны пожизненно. Но в этом году исследователи из Гарварда сделали очень важный шаг в направлении лечения СД I типа - они смогли вырастить из эмбриональных стволовых клеток человека бета-клетки, способные вырабатывать инсулин. Теперь они работают над использованием в этом процессе индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (вместо эмбриональных) и защитой выращенных бета-клеток от иммунной системы. Когда эта задача будет решена, СД I типа, возможно, перестанет быть пожизненным приговором.
Гигантский вирус
«Да, были люди в наше время, не то, что нынешнее племя: богатыри - не вы!» - эти слова классика русской поэзии можно отнести не только к людям, но и к другим представителям живой природы. Французские ученые из Университета Экс-Марсель обнаружили в образце почвы из зоны вечной мерзлоты северо-восточной Сибири вирус, который немало их изумил своими размерами: его длина составляла 1,5 мкм (сравним по размеру с некоторыми бактериями). Вирус, названный Pithovirus sibericum, пролежавший в замороженном виде 30 тысяч лет, удалось «оживить»! Впрочем, не стоит волноваться о сценариях, хорошо знакомых нам по фильмам ужасов - этот вирус поражает лишь амёб. С другой стороны, этот факт показывает, что вечная мерзлота таит еще множетсов неизвестных ученым сюрпризов, и далеко не все из них могут оказаться столь безвредными при оттаивании в результате глобального потепления.
Расширение генетического кода
Все создания в живой природе, от бактерий до человека - используют один и тот же генетический код, состоящий из «букв», обозначающих азотистые основания. Всего таких букв пять, они могут комбинироваться очень ограниченным количеством способов. При этом их комбинации определяют синтез двадцати аминокислот, из которых построены белки. Но в этом году ученые Института Скриппс смогли добавить в этот генетический алфавит еще две дополнительные «буквы», которые значительно изменили ситуацию. Такой расширенный алфавит позволяет синтезировать не двадцать, а 172 аминокислоты для строительства белков. И это не просто теоретические рассуждения, а результаты эксперимента: ученым удалось создать бактерии с расширенным генетическим кодом (правда, не способные размножаться самостоятельно). Этот результат настолько значителен, что авторитетный научный журнал Science признал этот эксперимент самым выдающимся научным прорывом 2014 года.
Далекая луна
Полвека назад ученые считали, что с Земли принципиально невозможно увидеть или обнаружить другими методами планеты в других звездных системах (экзопланеты). Однако технический прогресс не стоял на месте, научные методы стали гораздо более совершенными, и сейчас экзопланеты открывают сотнями штук в год. В настоящее время таких экзопланет насчитывается чуть меньше двух тысяч, причем если на первых этапах среди них преобладали гиганты, расположенные близко к своим звездам («горячие Юпитеры»), то в настоящее время приборы стали настолько чувствительными, что позволяют обнаруживать землеподобные планеты. А в этом году международная группа астрономов, объединяющая ученых из Японии, США и Новой Зеландии, объявилаобъявила о возможном открытии с помощью гравитационного микролинзирования первой экзолуны - спутника далекой планеты - в рамках программ Microlensing Observations in Astrophysics (MOA) и Probing Lensing Anomalies NETwork (PLANET). В системе, получившей номер MOA-2011-BLG-262, легкий спутник обращается вокруг более тяжелого (в 2000 раз массивнее) компаньона, хотя пока нельзя сказать, является ли этот тяжелый объект планетой или очень тусклой звездой. Выяснить это можно, лишь измерив расстояние до этого объекта, но пока это невозможно.
Думать как человек
Суперкомпьютеры способны считать гораздо быстрее человека, но в некоторых аспектах они все еще далеки от человеческого мозга. В первую очередь это касается энергетической эффективности: потребляемая мощность суперкомпьютеров, занимающих помещения в сотни квадратных метров, достигает десятка мегаватт, причем значительная часть потребляемого рассеивается в виде тепла. А человеческий мозг, занимающий объем в пару литров, имеет эквивалентную потребляемую мощность всего лишь в 20 Вт. И в некоторых задачах, таких как распознавание образов, он все еще способен опередить суперкомпьютер. Все это благодаря уникальной архитектуре человеческого мозга, насчитывающего более 22 миллиардов нейронов, образующих порядка 220 трлн связей - синапсов. Но в этом году сразу несколько групп исследователей и инженеров добились серьезных успехов в разработке процессоров, построенных по образцу и подобию человеческого мозга. Команда из Стэнфорда создала чип Neurocore, ученые из Гейдельбергского университета - чип HICANN, а исследователи IBM Research - чип TrueNorth(см. «ПМ» №12'2014, «По образу и подобию»). Эти чипы построены по мозгоподобной архитектуре, то есть имеют множество «нейронов» и синапсов, в результате чего в некоторых задачах способны показывать фантастическое быстродействие при фантастически малом же энергопотреблении. В основном это как раз те задачи, которые решает правое полушарие человеческого мозга - обработка сенсорных сигналов от многочисленных датчиков и распознавание образов (левое полушарие отвечает за аналитическое мышление - эти функции успешно выполняют обычные компьютеры, построенные по фон-неймановской архитектуре).
Эликсир молодости
На протяжении многих тысячелетий алхимики, философы и врачи искали способ омолаживания. И с древних времен многие из них считали, что все дело - в крови. И, как показывают современные исследования, они были не так уж и далеки от истины. Исследователи медицинского факультета Стэнфордского университета показали, что память и способности к обучению у старых мышей значительно улучшаются, если им перелили плазму крови молодых мышей. Пока что ученые не знают, какое именно вещество в составе плазмы так благотворно воздействует на мозг старых мышей (а точнее, на ту часть, которая называется гиппокамп), но эксперименты позволяют сделать вывод, что это, вероятнее всего, какой-то белок (поскольку переливание плазмы, которая была нагрета выше определенной температуры, не дает омолаживанющего эффекта). Неизвестно и то, работает ли такой метод в отношении человека. Тем не менее, находка потенциально сулит серьезные возможности по продлению интеллектуального активного возраста и защиту от возрастной деменции, вызванной, например, болезнью Альцгеймера.
Вспомнить все
Оптогенетика, то есть использование генетически кодируемых молекул-индикаторов, которые могут служить сенсорами протекающих в клетках биологических процессов и способны за счет своих оптических свойств (флуоресценции под действием лазерного излучения или собственной люминесценции) сообщать об этом исследователям - очень молодой и чрезвычайно перспективный метод исследований в биологии. Наибольшее применение оптогенетика получила при изучении клеток нервной системы, в особенности головного мозга. Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего, используя оптогенетические методы, смогли впервые стереть условный рефлекс (один из типов ассоциативной памяти) лабораторной крысы, созданный с помощью обусловливания страхом (удар током при соответствующем оптогенетическом возбуждении миндалин мозга). А потом ученые вновь записали этот рефлекс обратно в мозг. Хотя, конечно, о возможности имплантации воспоминаний (как в фильме «Вспомнить все») или их стирании (как в фильме «Люди в черном») речь пока не идет. Но кто знает, куда может привести изучение работы мозга и памяти через несколько десятков лет?
Дмитрий Мамонтов, научный редактор журнала «Популярная Механика»
Самым освещаемым в прессе событием года стала посадка аппарата Philae на комету 67P/Чурюмова-Герасименко в рамках миссии Rosetta (ПМ подробно писала о ней) Европейского космического агентства (ЕКА). Миссию начали разрабатывать еще в середине 1990-х, а запустили ее в 2004 году. Совершив четыре гравитационных маневра - три в поле тяготения Земли (2005, 2007, 2009) и один вблизи Марса (2007), Rosetta направилась к месту рандеву со своей целью в 400 млн км от Земли - кометой Чурюмова-Герасименко, куда и прибыла через 10 лет полета. Наиболее амбициозной частью миссии должна была стать посадка аппарата Philae на комету с целью изучения процессов, происходящих по мере приближения к Солнцу, и выяснения происхождения земной воды (считается, что ее на нашу планету занесли кометы).
К сожалению, во время посадки Philae не сработал двигатель на сжатом азоте, который должен был «прижать» аппарат к поверхности кометы, и не смогли отстрелиться гарпуны с ледовыми якорями. В результате посадочный модуль два раза отскочил от поверхности и совершил посадку в тени. Такая ситуация не оставила возможности зарядить аккумуляторы от солнечных батарей (хотя ученые надеются, что при приближении к Солнцу ситуация изменится). Тем не менее оставшегося в аккумуляторах заряда хватило на выполнение довольно обширной научной программы. Уже появилась и первая сенсация: по результатам измерений изотопного состава воды можно сделать вывод, что короткопериодические кометы семейства Юпитера из пояса Койпера, по видимому, не являются источниками земной воды, как это считалось ранее. Следующий на очереди кандидат на доставку воды на нашу планету - это астероиды внутренней части Солнечной системы, из пояса астероидов.
Внеземные океаны
Целью множества космических миссий является поиск воды. Причина тому - современная научная точка зрения на условия существования известной нам жизни. Нахождение следов воды, хотя бы в виде льда или в связанном состоянии в минералах, считается одним из признаков того, что в этом месте когда-то могла быть жизнь. Вообще говоря, водяной лед вовсе не редкость в Солнечной системе - его обнаружили в составе комет, на астероидах и карликовых планетах, на Луне, Марсе и на многих спутниках планет-гигантов - Юпитера и Сатурна. Существуют предположения о том, что на некоторых из этих спутников есть и жидкая вода, но пока их не удавалось подтвердить. Однако в этом году были опубликованы результаты обработки данных гравитационной съемки, выполненной аппаратом NASA Cassini с 2010 по 2012 году, согласно которым под ледовым покровом толщиной 30−40 км Энцелада (спутника Сатурна) находится океан жидкой соленой воды.
А это означает, что там (гипотетически) есть все условия для существования жизни - конечно, не братьев по разуму, но хотя бы простейших бактерий. Чуть позднее ученые нашли жидкий океан и на другом спутнике Сатурна - Титане, однако содержащаяся в нем вода содержит слишком много солей, поэтому существование там жизни сомнительно.
Генетические лекарства
Диаграмма, иллюстрирующая возможный механизм CRISPR
Несколько лет назад ученые обнаружили у бактерий систему, выполняющую роль адаптивного иммунитета - CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами. CRISPR хранит последовательности геномов вирусов-бактериофагов, по которым бактерия распознает опасных чужаков, а затем и обезвреживает их, разрезая с помощью белка Cas9 (CRISPR-associated 9). Сейчас этот метод является самым перспективным инструментом для редактирования генома - он не просто очень точно наводит Cas9 на нужный фрагмент ДНК, но и, в отличие от других методов, позволяет сделать это не только в лабораторных условиях, но и в живом организме. Поэтому очень важным научным достижением является эксперимент ученых из Массачусетского технологического института, которые в марте 2014 года смогли скорректировать с помощью CRISPR/Cas9 дефектный ген, вызывающий редкое заболевание печени (тирозинемию) у живой взрослой мыши единичной инъекцией. Это гигантский шаг вперед по направлению к возможности лечения многих заболеваний человека, вызванных дефектами единичных генов - таких как гемофилия или болезнь Хантингтона.
Лечение сахарного диабета
В мире насчитывается 350 миллионов больных сахарным диабетом (СД). Около 10% из них болеют СД I типа, аутоиммунным заболеванием, причины которого все еще неясны. В организме больных СД I типа иммунная система ошибочно принимает вырабатывающие важный гормон инсулин бета-клетки поджелудочной железы за «чужаков» и уничтожает их. А без гормона инсулина организм не может усвоить глюкозу. До открытия инсулина больные СД I типа (а это в основном дети, пик заболеваемости приходится на возраст 10−15 лет) были обречены на недолгую и довольно мучительную жизнь. С началом массового производства генно-инженерного инсулина их качество жизни практически не отличается от такового у обычных людей - при условии, что они регулярно (несколько раз в день) измеряют уровень глюкозы в крови и делают инъекции соответствующих доз инсулина. Другого лечения пока не существует, так что к этим процедурам они привязаны пожизненно. Но в этом году исследователи из Гарварда сделали очень важный шаг в направлении лечения СД I типа - они смогли вырастить из эмбриональных стволовых клеток человека бета-клетки, способные вырабатывать инсулин. Теперь они работают над использованием в этом процессе индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (вместо эмбриональных) и защитой выращенных бета-клеток от иммунной системы. Когда эта задача будет решена, СД I типа, возможно, перестанет быть пожизненным приговором.
Гигантский вирус
«Да, были люди в наше время, не то, что нынешнее племя: богатыри - не вы!» - эти слова классика русской поэзии можно отнести не только к людям, но и к другим представителям живой природы. Французские ученые из Университета Экс-Марсель обнаружили в образце почвы из зоны вечной мерзлоты северо-восточной Сибири вирус, который немало их изумил своими размерами: его длина составляла 1,5 мкм (сравним по размеру с некоторыми бактериями). Вирус, названный Pithovirus sibericum, пролежавший в замороженном виде 30 тысяч лет, удалось «оживить»! Впрочем, не стоит волноваться о сценариях, хорошо знакомых нам по фильмам ужасов - этот вирус поражает лишь амёб. С другой стороны, этот факт показывает, что вечная мерзлота таит еще множетсов неизвестных ученым сюрпризов, и далеко не все из них могут оказаться столь безвредными при оттаивании в результате глобального потепления.
Расширение генетического кода
Все создания в живой природе, от бактерий до человека - используют один и тот же генетический код, состоящий из «букв», обозначающих азотистые основания. Всего таких букв пять, они могут комбинироваться очень ограниченным количеством способов. При этом их комбинации определяют синтез двадцати аминокислот, из которых построены белки. Но в этом году ученые Института Скриппс смогли добавить в этот генетический алфавит еще две дополнительные «буквы», которые значительно изменили ситуацию. Такой расширенный алфавит позволяет синтезировать не двадцать, а 172 аминокислоты для строительства белков. И это не просто теоретические рассуждения, а результаты эксперимента: ученым удалось создать бактерии с расширенным генетическим кодом (правда, не способные размножаться самостоятельно). Этот результат настолько значителен, что авторитетный научный журнал Science признал этот эксперимент самым выдающимся научным прорывом 2014 года.
Далекая луна
Полвека назад ученые считали, что с Земли принципиально невозможно увидеть или обнаружить другими методами планеты в других звездных системах (экзопланеты). Однако технический прогресс не стоял на месте, научные методы стали гораздо более совершенными, и сейчас экзопланеты открывают сотнями штук в год. В настоящее время таких экзопланет насчитывается чуть меньше двух тысяч, причем если на первых этапах среди них преобладали гиганты, расположенные близко к своим звездам («горячие Юпитеры»), то в настоящее время приборы стали настолько чувствительными, что позволяют обнаруживать землеподобные планеты. А в этом году международная группа астрономов, объединяющая ученых из Японии, США и Новой Зеландии, объявилаобъявила о возможном открытии с помощью гравитационного микролинзирования первой экзолуны - спутника далекой планеты - в рамках программ Microlensing Observations in Astrophysics (MOA) и Probing Lensing Anomalies NETwork (PLANET). В системе, получившей номер MOA-2011-BLG-262, легкий спутник обращается вокруг более тяжелого (в 2000 раз массивнее) компаньона, хотя пока нельзя сказать, является ли этот тяжелый объект планетой или очень тусклой звездой. Выяснить это можно, лишь измерив расстояние до этого объекта, но пока это невозможно.
Думать как человек
Суперкомпьютеры способны считать гораздо быстрее человека, но в некоторых аспектах они все еще далеки от человеческого мозга. В первую очередь это касается энергетической эффективности: потребляемая мощность суперкомпьютеров, занимающих помещения в сотни квадратных метров, достигает десятка мегаватт, причем значительная часть потребляемого рассеивается в виде тепла. А человеческий мозг, занимающий объем в пару литров, имеет эквивалентную потребляемую мощность всего лишь в 20 Вт. И в некоторых задачах, таких как распознавание образов, он все еще способен опередить суперкомпьютер. Все это благодаря уникальной архитектуре человеческого мозга, насчитывающего более 22 миллиардов нейронов, образующих порядка 220 трлн связей - синапсов. Но в этом году сразу несколько групп исследователей и инженеров добились серьезных успехов в разработке процессоров, построенных по образцу и подобию человеческого мозга. Команда из Стэнфорда создала чип Neurocore, ученые из Гейдельбергского университета - чип HICANN, а исследователи IBM Research - чип TrueNorth(см. «ПМ» №12'2014, «По образу и подобию»). Эти чипы построены по мозгоподобной архитектуре, то есть имеют множество «нейронов» и синапсов, в результате чего в некоторых задачах способны показывать фантастическое быстродействие при фантастически малом же энергопотреблении. В основном это как раз те задачи, которые решает правое полушарие человеческого мозга - обработка сенсорных сигналов от многочисленных датчиков и распознавание образов (левое полушарие отвечает за аналитическое мышление - эти функции успешно выполняют обычные компьютеры, построенные по фон-неймановской архитектуре).
Эликсир молодости
На протяжении многих тысячелетий алхимики, философы и врачи искали способ омолаживания. И с древних времен многие из них считали, что все дело - в крови. И, как показывают современные исследования, они были не так уж и далеки от истины. Исследователи медицинского факультета Стэнфордского университета показали, что память и способности к обучению у старых мышей значительно улучшаются, если им перелили плазму крови молодых мышей. Пока что ученые не знают, какое именно вещество в составе плазмы так благотворно воздействует на мозг старых мышей (а точнее, на ту часть, которая называется гиппокамп), но эксперименты позволяют сделать вывод, что это, вероятнее всего, какой-то белок (поскольку переливание плазмы, которая была нагрета выше определенной температуры, не дает омолаживанющего эффекта). Неизвестно и то, работает ли такой метод в отношении человека. Тем не менее, находка потенциально сулит серьезные возможности по продлению интеллектуального активного возраста и защиту от возрастной деменции, вызванной, например, болезнью Альцгеймера.
Вспомнить все
Оптогенетика, то есть использование генетически кодируемых молекул-индикаторов, которые могут служить сенсорами протекающих в клетках биологических процессов и способны за счет своих оптических свойств (флуоресценции под действием лазерного излучения или собственной люминесценции) сообщать об этом исследователям - очень молодой и чрезвычайно перспективный метод исследований в биологии. Наибольшее применение оптогенетика получила при изучении клеток нервной системы, в особенности головного мозга. Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего, используя оптогенетические методы, смогли впервые стереть условный рефлекс (один из типов ассоциативной памяти) лабораторной крысы, созданный с помощью обусловливания страхом (удар током при соответствующем оптогенетическом возбуждении миндалин мозга). А потом ученые вновь записали этот рефлекс обратно в мозг. Хотя, конечно, о возможности имплантации воспоминаний (как в фильме «Вспомнить все») или их стирании (как в фильме «Люди в черном») речь пока не идет. Но кто знает, куда может привести изучение работы мозга и памяти через несколько десятков лет?
Дмитрий Мамонтов, научный редактор журнала «Популярная Механика»