От СПИДа и эликсира молодости до Марса – обзор научных достижений-2011

Чем запомнится ушедший год в области достижений фундаментальной и прикладной науки?

Возможно, большинство, в первую очередь, вспомнит провал российской миссии к Красной планете. Обломки межпланетной станции «Фобос-Грунт», запущенной с космодрома Байконур 9 ноября, но так и не вышедшей на траекторию перелёта к Марсу, вероятнее всего, упадут на Землю в период с 10 по 21 января 2012 года. «Фобос-Грунт» — первая за 15 лет российская автоматическая межпланетная станция, которая должна была доставить на Землю образцы грунта со спутника Марса — Фобоса для лабораторных исследований. Научная задача, поставленная перед «Фобос-грунтом», заключалась в изучении малого тела Солнечной системы, которое состоит из первородного вещества — основы формирования всех твёрдых планет на ранних этапах формирования Солнечной системы. Кроме того, это был один из важнейших этапов, предшествовавших полёту человека на Марс. Стоимость миссии «Фобос-грунт» оценивается в $163 миллионов. Эта станция являлась надеждой России на возвращение в «большую игру» планетарных исследований после многолетнего застоя из-за недостаточного финансирования и ошибок.

Неудача с отечественной марсианской программой далеко не первая, произошедшая за последние 12 месяцев с российскими космическими кораблями и спутниками. В 2011 году, объявленном в России Годом космонавтики, наша страна установила рекорд как по числу космических запусков (35 ракет-носителей), так и по количеству аварий за последнее десятилетие (5 аварий). Зимой 2011 года мы потеряли три навигационных спутника «Глонасс» и геодезический аппарат «Гео-ИК-2», минувшим летом — телекоммуникационный спутник связи «Экспресс-АМ4» и грузовой транспортный корабль «Прогресс М-12М». До 2011 года самым неудачным в истории современной России считался 1996 год, когда из 27 пусков 4 закончились неудачей. Россия продолжает терять свои позиции в освоении космоса, по многим направлениям уступая космическое первенство США, Европе, Китаю.

Между тем, научные исследования в космосе являются одним из ведущих и перспективных направлений, о чём свидетельствует хотя бы то, что в ежегодном списке экспертов журнала «Science», где представлены 10 самых значительных научных открытий года, три позиции отданы астрономии.

На фоне неудач российской космической науки стоит отметить успех японской космической экспедиции зонда Hayabusa, внесённый экспертами «Science» в список ведущих достижений ушедшего года в числе первых. Этот аппарат доставил на Землю взятые на астероиде Итокава пробы грунта. Таким образом, японцы впервые в истории смогли получить вещество небесного тела, находящегося за пределами системы Земля - Луна.

2011 год вообще был годом огромного количества космических сенсаций, самой громкой из которых считается открытие необычных планетных систем. Астрономы с помощью космического телескопа «Кеплер» обнаружили, в частности, систему, в которой гигантская планета двигается по орбите в обратную сторону, а также планетную систему у двойной звезды, и, кроме того, десять «свободных» планет, которые перемещаются в пространстве без всякой связи со звёздами. Американские астрономы также объявили об обнаружении за пределами нашей Солнечной системы 18 новых планет, приблизительно равных массе Юпитера каждая и вращающихся вокруг звезд минимум в 1,5 раза массивнее Солнца. С учётом этого открытия общее число известных науке экзопланет (планет, вращающихся за пределами Солнечной системы), вращающихся вокруг массивных светил, возросло на 50%. Кроме того, с помощью все того же телескопа «Кеплер» астрофизикам удалось обнаружить в звёздной системе Kepler-20 две планеты, сравнимые по размерам с Землёй. Это, возможно, самые близкие планеты, которые многие уже поспешили назвать нашим вторым домом. Так, например, экзопланета, названная Кеплер 22-b имеет массу всего в 2,4 раза больше Земли и обращается вокруг своей материнской звезды в пределах обитаемой зоны, что предполагает умеренный климат и условия для жизни.

Вообще, в 2011 году международной группой учёных был составлен рейтинг планет, на которых может существовать жизнь. В сообщении BBC News, основанном на данных статьи из журнала «Astrobiology», среди небесных тел с наибольшими шансами оказались луна Сатурна Титан и экзопланета Gliese 581g, располагающаяся на расстоянии 20,5 световых лет в созвездии Весы. А в журнале «Nature» опубликованы самые убедительные на данный момент свидетельства наличия воды под поверхностью Европы, спутника Юпитера. Всё то же BBC News сообщает также о том, что Американское космическое агентство (NASA) выпустила самую подробную карту Луны на настоящий момент.

Среди ведущих астрономических открытий 2011 года, по мнению «Science», – обнаружение в космосе двух «чистых» облаков водорода, в которых отсутствуют значительные примеси тяжёлых элементов, предсказанные теорией химической эволюции ранних галактик. Предполагается, что химический состав этих водородных облаков не менялся 2 миллиарда лет после «Большого взрыва». Ученые полагают, что их открытие может потребовать пересмотра существующих теорий «металлизации» Вселенной.

И вновь возвращаясь к Марсу, обратим внимание на статью, опубликованную осенью 2011 года в журнале «Nature» (оригинал статьи здесь Subsurface water and clay mineralformation during the early history of Mars, её обзор на русском языке здесь), где обобщаются многолетние исследования истории геологических событий на Красной планете. Согласно исследованию, традиционная гипотеза о некогда тёплом Марсе, растерявшем свою плотную атмосферу, оказывается существенно менее обоснованной, чем альтернативная гипотеза о стабильно холодном Марсе с тонкой атмосферой.

Эликсир молодости, ВИЧ и шимпанзе

«Прорывом года», то есть самым значимым научным достижением 2011, названы клинические испытания препаратов в рамках проекта «Попытка предотвращения распространения ВИЧ 052», которые доказали, что антиретровирусные препараты не только помогают больным СПИДом, но и сдерживают распространение вируса этой инфекции. Важнейшее открытие при этом состоит в том, что приём таких препаратов на ранней стадии болезни может на 96% сократить вероятность заражения ВИЧ при гетеросексуальных связях.

Стоит отметить, что в ушедшем году работы над созданием противовирусных препаратов велись достаточно активно. Результат, отмеченный многими экспертами как знаковый для 2011 года, - открытие лекарства, называемого DRACO, который убивает, по крайней мере, 15 разных вирусов, включая вирус гриппа, ВИЧ, Эбола, полиомиелита и даже простуды. Если лекарство окажется эффективным, то это может стать по-настоящему революционным открытием в медицине. Надежду на победу над малярией дарят первые результаты испытаний вакцины от малярии RTS,S, проведённые в семи африканских странах в этом году. А по сообщению BBC News, ученые из Кембриджского университета обнаружили универсальный для всех паразитов путь, по которому малярия попадает в организм человека. Это открытие даёт надежду на разработку универсальной высокоэффективной вакцины от этой болезни.

В списке научных достижений «Science» отмечено широкомасштабное исследование микроорганизмов из кишечника человека, проведённое европейскими учеными в 2011 году. Это исследование позволило сделать вывод о том, что людей можно различать не только по группам крови, но и по типу кишечного микробиома (сообщества микроорганизмов). Оказалось, что бактериальное население кишечника можно разделить на три типа сообществ, которые не зависят ни от возраста, ни от пола, ни от национальности человека. При этом каждый вариант отличается тем, какие витамины он может производить, как он реагирует на разные комплексы питания и влияет на состояние хозяина. Выяснилось, что в великом множестве самых разнообразных микроорганизмов, населяющих наш кишечник, всегда доминируют либо те, которые предпочитают белковую пищу, либо другие, склонные к вегетарианству. Это открытие даёт ключи к пониманию того, как связаны бактериальные сообщества в нашем организме с диетами и болезнями, к которым они приводят.

Продолжая обзор достижений медицинской науки, отметим пристальное внимание к поиску так называемого «эликсира молодости» – решению проблемы старения. Вот уже много десятилетий ученые спорят о том, связано ли старение организма со старением на клеточном уровне. В ноябре 2011 геронтологи продемонстрировали, что вымывание старых разрушенных клеток из организма мышей действительно замедляет наступление симптомов, связанных со старением - таких, как катаракта или мышечная слабость. Это было мощным подтверждением того, что клеточное старение действительно играет важную роль. Это исследование, по всей видимости, может стать источником нового поколения исследований механизма старения и, если не продлит жизнь, то может сделать её закат более комфортным. Вероятно, помочь человечеству в борьбе со старением и раком может объявленное уходящей осенью прочтение генома такого уникального грызуна, как голый землекоп (оригинал статьи Genome sequencing reveals insights into physiology and longevity of the naked mole rat, её обзор на русском языке здесь). Голые землекопы обладают удивительной особенностью – они практически не стареют (их смертность не растёт с возрастом). Не исключено, что анализ генома этого зверька поможет решить ряд важных медицинских задач. Публикация генома голого землекопа открывает возможности для изучения генетических механизмов развития адаптаций и путь к расшифровке генетических основ долголетия и защищенности от рака.

Защитники животных теперь могут вздохнуть спокойно. В конце 2011 года Институт Медицины США официально объявил, что при разработке лекарств от гепатита С для исследований больше не будут использовать шимпанзе. Именно гепатит С оставался много лет той единственной болезнью, которая оправдывала эксперименты на обезьянах. Ещё в мае Управление по контролю за продуктами и лекарствами утвердило два новых препарата против гепатита С, которые были разработаны без тестирования на шимпанзе, а значит спор по поводу этики и морали насильственных экспериментов на обезьянах на научном уровне можно считать выигранным.

Мамонты и древние люди

Биологию не зря считают лидером науки XXI века. 2011 год принес немало интересных исследований и открытий в этой области. В этом году был опубликован сравнительный анализ ДНК современного человека и его дальних предков. До сих пор многие ученые предполагали, что кроманьонцы (ископаемые первые люди современного вида) выиграли когда-то конкуренцию у неандертальцев, вытеснив последних из Европы, а не «поглотив» и «растворив» этот вид людей в себе. После проведённого анализа выяснилось, что в нашем геноме присутствуют фрагменты генома и неандертальцев, и алтайских гоминид из Денисовой пещеры (так называемых «денисовцев»), и даже ещё неустановленных африканских «родственников». Ещё предстоит определить функциональную роль раннее нечеловеческих вариантов гена, но их значение стало ясным: человек разумный не является продуктом какой-то одной длинной чистой линии. Проще говоря, мы все ещё носим в себе генетические особенности многих архаических видов людей. Интересно, что связь человека разумного и неандертальцев редко приводила к появлению потомства. Компьютерное моделирование показало, что если люди и неандертальцы жили рядом и вступали в сексуальную связь на протяжении 10 тысяч лет, то общие дети у двух этих видов появлялись один раз в 23-50 лет. Согласно последним данным, среди современных людей от 1 до 4% являются носителями генов неандертальцев. В августе этого года также стало известно, что сексуальные связи с неандертальцами и «денисовцами» укрепили иммунитет современного человека: гены неандертальцев и «денисовцев» составляют сейчас около половины иммунной системы у населения Европы и Азии. Кроме того, установлено, что позднее эти гены были переданы и африканцам. Кстати, что касается иммунной системы, оказалось, что она фактически не отличается от таковой австралопитеков, живших 2 миллиона лет назад. В этом году также были обнародованы результаты исследования еще одного вида прачеловека - австралопитека седиба (Australopithecus sediba), который по новым данным вполне может претендовать на звание «переходного звена» между предками людей и древними приматами.

Не остались в стороне от проблем расшифровки генома человека и учёные Забайкальского края, которые собрали более 700 проб ДНК коренных жителей Забайкалья и Прибайкалья для участия в «The Genographic Project» - крупнейшего в мире популяционно-генетического проекта.

Некоторые археологические исследования 2011 года раскрыли интересные особенности жизни наших далёких предков. Весной при раскопках в пригороде Праги археологи нашли скелет, по всем признакам принадлежавший первому в истории мужчине нетрадиционной ориентации. Он был похоронен по женскому ритуалу, лицом на восток и с посудой, а не с оружием. В ноябре появилась информация об описании, возможно, первой известной науке жертве насилия между людьми, сумевшей выжить и вылечиться - на человеческом черепе возрастом 150-200 тысяч лет из Китая обнаружены следы травмы, нанесённой, скорее всего, другим человеком. Об этом сообщает BBC со ссылкой на журнал PNAS.

Прошло уже около десятилетия с момента первого, «чернового» прочтения человеческого генома (проект «Геном человека»), а работе по его анализу и интерпретации ещё не видно конца. Первоочередная задача, стоящая перед исследователями, состоит в выявлении всех «осмысленных», функциональных участков генома и в выяснении их функций. В 2011 году международная команда генетиков сообщила о завершении шестилетнего проекта по прочтению полных геномов 29 видов плацентарных млекопитающих (оригинал статьи в Nature A high-resolution map of human evolutionary constraint using 29 mammals, её обзор на русском языке здесь). Проведённое сравнение геномов проливает свет и на эволюцию человека. Так, например, выявлено 563 функциональных (консервативных) участка ДНК, эволюция которых шла ускоренными темпами у предков человека после их отделения от предков шимпанзе. Такие участки называются «human-accelerated regions» (HARs). Ранее было известно только 202 таких участка. Авторы данного исследования пришли к выводу, что примерно 5% человеческого генома находится «под отбором». Это мало отличается от прежних оценок, основанных на сравнении человека, мыши, крысы и собаки, однако теперь удалось большинство этих консервативных (функциональных) участков ещё и локализовать, то есть установить их положение на хромосомах. Авторы оценили также масштабы действия положительного отбора полезных мутаций, коим оказались подвержены чуть более 2% кодонов (троек нуклеотидов, каждая из которых кодирует одну аминокислоту). Работа представляет собой важный шаг на пути к пониманию смысла прочтённых генетических текстов. Проведённое авторами картирование консервативных участков генома человека может также помочь медицинским генетикам в поисках мутаций, связанных с различными наследственными заболеваниями.

Большая международная группа ученых использовала внушительный массив молекулярных данных для реконструкции эволюции класса млекопитающих (оригинал статьи в Science Impacts of the Cretaceous Terrestrial Revolution and KPg Extinction on Mammal Diversification, её обзор на русском языке здесь). В результате учёные получили филогенетическое дерево семейств млекопитающих, удовлетворяющее и аминокислотным последовательностям, и нуклеотидным последовательностям, и палеонтологическим данным. И это одна из немногих удачных попыток такого рода. Анализ этого дерева показал, что активная эволюция класса млекопитающих приходится на середину и конец мелового периода (100 и 80 миллионов лет назад), а не на эоцен (55–50 миллионов лет назад), как это предполагалось ранее.

В журнале «Nature» в 2011 году были опубликованы результаты исследования об обнаружении в Южной Америке Cronopio dentiacutus, ископаемого животного, обладавшего узкой мордой, глазами и длинными клыками – удивительно напоминающее саблезубую белку из мультфильма «Ледниковый период».

Чуть ранее учёные сделали другое интересное открытие из жизни древних животных. Палеонтологи из университета Флориды нашли в угольной шахте в Колумбии скелет 20-метрового крокодила, жившего 60 миллионов лет назад. Ранее там же были обнаружены ископаемые останки самой большой в истории змеи, жившей в ту же эпоху. Судя по всему, два монстра были непримиримыми врагами.

Ещё в 2010 году благодаря находкам забайкальского палеонтолога Софьи Синицы мы получили убедительные доказательства того, что в Забайкальском крае обитали динозавры. В 2011 году в поисках, где участвовали ведущие учёные страны, в пади Кулинда обнаружились уже не только остатки хищных динозавров - компсогнатов, но и растительноядных пситтакозавров. Остатки чешуйчатых и оперённых динозавров датируются возрастом от 145 до 170 миллионов лет и, по мнению учёных, это уникальная, единственная в мире находка такого плана.

В 2011 году ученые объявили о возможности клонирования шерстистых мамонтов в течение пяти лет с помощью процесса, называемого «ядерной трансплантацией», используя сохранившуюся бедренную кость времён сибирской вечной мерзлоты. Но, так как ДНК в костном мозге может быть сильно разрушена, возрождение шерстистого мамонта все ещё имеет мало шансов на успех, хотя в пределах возможности науки.

Изучая вопрос о мамонтах и других крупных животных четвертичного периода, причиной вымирания которых многие называли человека, можно упомянуть статью, опубликованную в ноябре в журнале «Nature» (оригинал статьи в Species-specific responses of Late Quaternary megafauna to climate and humans, её обзор на русском языке здесь). Согласно работе большого коллектива учёных, в числе которых и наши соотечественники, вполне возможно, что древний человек может быть реабилитирован в глазах своих потомков, то есть нас с вами. Данные по изменчивости ископаемой митихондриальной ДНК позволили оценить различные популяционные параметры вымерших и выживших животных и сопоставить их с антропологическими и климатическими данными, что приводит к выводу, что всё же первичным фактором сокращения численности и вымирания животных был климат, а человек лишь ускорил неизбежные события.

Возвращаясь к рейтингу ведущих достижений 2011 года журнала «Science», отметим достижение японских биологов, которые раскрыли секреты ключевого элемента механизма фотосинтеза у растений - процесса, от которого зависит практически вся жизнь на Земле. Им удалось детально описать структуру белка «фотосистема II» (Photosystem II или PSII), который используется растениями для расщепления воды на атомы водорода и кислорода. Это дало исследователям шанс точнее понимать процессы, ключевые для всей жизни на Земле, а заодно может послужить основой для создания новых, чистых источников энергии будущего.

От 6 до 7 миллиардов за 12 лет

В октябре 2011 года население Земли достигло 7 миллиардов. Это случилось всего спустя 12 лет после того, как нас стало 6 миллиардов. Для сравнения, человечеству потребовалось 72 000 лет, чтобы достичь 1-го миллиарда. Публикаций и рассуждений научного и социально-экономического характера на этот счёт было не мало. В частности, в журнале «Oikos» детально проанализирована общая картина динамики численности народонаселения Земли за последние две тысячи лет, и показано, что рост численности людей на Земле регулировался как положительными, так и отрицательными обратными связями (оригинал статьи Positive and negative feedbacks in human population dynamics:future equilibrium or collapse?, её обзор на русском языке здесь). На протяжении некоторых промежутков времени, например с 400-го по 1200 год, а также с 1700-го по 1960 год, в человеческой популяции наблюдалась чёткая положительная обратная связь между численностью и скоростью удельного роста: более высокая численность способствовала более быстрому росту, и наоборот. Однако положительная обратная связь обычно ведет к дестабилизации и коллапсу всей системы. Неудивительно, что с 1960-х годов в популяции устанавливается отрицательная обратная связь между численностью и скоростью ее роста: по мере увеличения численности удельная скорость популяционного роста снижается. В будущем численность человеческой популяции может стабилизироваться на одном уровне, хотя очень вероятно и возникновение долгосрочных циклических колебаний. Авторы обсуждаемой статьи осторожны по части прогнозов. Хотя тенденция последнего времени соответствует логистической модели популяционного роста (S-образный рост, выходящий на плато), сохранение численности на одном уровне потребует равновесия среднего (на душу населения) потребления ресурсов, скорости размножения и скорости возобновления лимитирующего ресурса. Но такое равновесие трудно достижимо при ограниченности ресурсов и меняющемся климате. Скорее всего, в популяции с некоторой задержкой возникнут долгосрочные циклические колебания, которые в отдельных обществах (субпопуляциях) уже возникали.

От моющих средств до «Фукусимы»

Единственной технологией, внесённой в список научных достижений года от «Science», стали так называемые цеолиты - пористые минералы, которые широко используются в качестве катализаторов в производстве нефтепродуктов, в водяных и воздушных фильтрах, для моющих средств. Эти вещества применяются для очистки воды на космических кораблях и для обеззараживания радиоактивной воды при ликвидации аварии на японской АЭС «Фукусима». В этом году сразу в нескольких лабораториях мира цеолиты получили новую жизнь – стали совершеннее, дешевле и обрели новые свойства.

Тем не менее, помочь человечеству в разработке новых эффективных технологий, таких, например, как производство азотных удобрений, может открытие американских и германских ученых, которым после многолетних усилий удалось расшифровать структуру «железо-молибденового кофактора», образующего каталитический центр фермента нитрогеназы и играющего ключевую роль в фиксации атмосферного азота (оригиналы статей в Evidence for Interstitial Carbon in Nitrogenase FeMo Cofactor // Science. 2011 X-ray Emission Spectroscopy Evidences a Central Carbon in the Nitrogenase Iron-Molybdenum Cofactor // Science. 2011 One Atom Makes All the Difference // Science. 2011, её обзор на русском языке здесь).

Новая научная революция

Несмотря на то, что открытиям в области физики в 2011 году не нашлось места среди 10 ведущих достижений от экспертов журнала «Science», тем не менее, некоторые громкие заявления и публикации по проблемам этой самой уважаемой среди фундаментальных наук также можно вынести в наш обзор. В сентябре 2011 года исследователи из Италии дали исходный материал для тысяч статей, где заявляли о том, что нейтрино (субатомные частицы) двигаются быстрее скорости света, опровергая теорию Альберта Эйнштейна. Большинство физиков пытались опровергнуть эти выводы, указывая на какие-то ошибки в измерениях или анализе, но это не помешало миллионам людей надеяться на то, что они стали свидетелями начала новой научной революции.

Известный и почему-то пугающий многих обывателей Большой андронный коллайдер – огромный ускоритель частиц, который был построен на границе Швейцарии и Франции - возможно, оправдал себя, после того как результаты двух экспериментов ATLAS и CMS показали небольшое отклонение в данных, которое может соответствовать бозону Хиггса. Бозон Хиггса - теоретически предсказанная, но так и не обнаруженная пока элементарная частица. Она крайне важна для сведения воедино нескольких фундаментальных теорий современной физики, поэтому её часто называют «частицей Бога». В сентябре этого года было объявлено, что поиски неуловимого бозона Хиггса идут с опережением графика. Сообщалось, что физики рассчитывают получить значимые результаты уже к декабрю 2011 года. Однако бозон Хиггса пока так и не найден. Ученые лишь заявили, что «почти» подобрались к искомому результату. Исследования будут продолжены в 2012 году, и если последующие данные подтвердят выводы исследований, то её обнаружение станет величайшим открытием 21 века. Открытие бозона Хиггса станет поворотной точкой в науке, хотя пока сложно сказать, каково будет практическое значение этой находки. Десятилетия спустя изменения в моделях теоретической физики могут найти применение в самых разных областях - от медицины до энергетики.

BBC News сообщает, что учёные, работающие на Большом адронном коллайдере сделали открытие, которое может стать первым этапом «новой физики», меняющей наше нынешнее представление о Вселенной. Они заметили, что частица под названием D-мезон (D-meson) распадается быстрее, чем соответствующая ей античастица. Это может объяснить, почему материи образуется больше, чем антиматерии, однако учёные заявляют, что им понадобится время для того, чтобы подтвердить полученные результаты. Сейчас существует вероятность в 0,05%, что полученные результаты окажутся случайными. Физики удвоили количество анализируемого материала для того, чтобы достичь уровня, которого будет достаточно для того, чтобы считать полученные результаты открытием.

А вот в наступившем 2012 году, по прогнозам, индустрия высоких технологий переживёт очередное перерождение - планшеты изменят картину рынка персональных компьютеров и мировой интернет завоюют социальные сети, а научный мир продолжит искать «частицу Бога», активизирует борьбу с раком, а также вынужден будет вести утомительную дискуссию со сторонниками апокалипcической теории декабря-2012.