Журнал Science подвел научные итоги десятилетия

Коллектив новостной службы одного из самых авторитетных научных журналов — Science — представил подборку из десяти самых значимых тенденций, идей и технологических направлений, появившихся за последние десять лет. "Лента.Ру" предлагает краткую аннотацию к каждому из пунктов этого списка, подводящего символический итог научного развития начала XXI века.

Темновой геном

В 1869 году швейцарский исследователь Иоганн Фридрих Мишер открыл ДНК, выделив ее из человеческих лейкоцитов. Следующие 75 лет большинство ученых полагали, что клетка использует ДНК для хранения фосфора, но в 1944 году Освальд Эвери, Колин Маклауд и Маклин Маккарти провели эксперимент, который наглядно продемонстрировал, что ДНК является носителем генетической информации (намеки на это замечали и раньше, однако опыт Эвери, Маклауда и Маккарти окончательно доказал правомерность такой гипотезы). В 1953 году Джеймс Уотсон и Френсис Крик определили структуру молекулы ДНК — сейчас даже люди, далекие от биологии знают, что она представляет собой двойную спираль.

В 2001 году впервые был расшифрован полный геном человека — точнее, коллективный геном сразу трех человек. С этого момента в молекулярной биологии началась новая эра, так как исследователи получили доступ ко всем "инструкциям", по которым функционируют живые системы. По мере совершенствования технологий расшифровки и копирования фрагментов ДНК ученые нарабатывали неимоверные количества генетических данных, анализ которых привел к парадоксальному выводу: так называемая "мусорная ДНК", которая считалась ненужным балластом, играет огромную роль в управлении работы клетки.

Кроме того, биологи выяснили, что множество инструкций, указывающих, "как жить дальше", поступает вовсе не от ДНК, а от относительно простых надстроек, которые прикрепляются к отдельным "буквам" генома (такой тип регуляции был назван эпигенетической регуляцией). Наконец, третьей группой "кукловодов" клетки оказались молекулы РНК, которые синтезируются с самых неожиданных участков генома и руководят метаболизмом не хуже белков. Эти три типа неканонических клеточных "управленцев" объединяют под общим названием геномной темной материи или просто темнового генома. За прошедшие 10 лет ученые убедились, что этот геном как минимум не менее важен, чем "обычный".

Перерождение космологии

Астрономия принципиально отличается от других естественных наук тем, что в ней нельзя поставить эксперимент для проверки той или иной гипотезы. Все что могут астрономы — это наблюдать за небом и строить предположения, которые бы объясняли увиденное. На первых порах таких предположений было множество: в распоряжении ученых имелось не очень много не очень точных данных, и при должном развитии фантазии их можно было по-всякому объединять в более или менее стройные картины организации Вселенной.

Но по мере развития техники приборы становились все более точными, методы сбора данных — все более изощренными и надежными, а компьютеры, при помощи которых эти данные анализируются, — все более мощными. Постепенно количество возможных объяснений устройства Вселенной вообще или отдельных типов звезд в частности стало сокращаться, и на сегодняшний день можно сказать, что в астрономии сложилась логичная теория, которая вбирает в себя все этапы развития Вселенной от ее рождения до появления планеты Земля. И хотя в этой теории пока еще много белых пятен (в частности, загадочными остаются первые мгновения после Большого взрыва), в общем и целом она непротиворечива и не оставляет места для спекуляций, которые слишком сильно отклоняются от генеральной линии.

Усовершенствование методов работы с древней ДНК

Долгое время палеонтологи получали сведения о внешнем виде и образе жизни вымерших живых существ только на основании изучения окаменевших костей и орудий труда (если речь шла о гоминидах). Имея на руках столь скудный исходный материал, палеонтологи, тем не менее, смогли детально восстановить обширные фрагменты прошлого и составить очень сложные эволюционные деревья. Сегодня при помощи компьютерных моделей и сравнения с родственными видами ученые умеют восстанавливать внешний вид существ по одной-единственной косточке, хотя полученный результат не всегда бывает надежным.

Но в последние годы у палеонтологов появился новый невероятно мощный инструмент анализа, который им подарили биологи. Последние научились выделять ДНК практически из чего угодно и определять ее последовательность даже в том случае, когда в образце присутствует всего несколько молекул дезоксирибонуклеиновых кислот. Эти методы оказались чрезвычайно востребованы в палеонтологии — внезапно выяснилось, что ДНК может сохраняться в окаменевших останках в течение сотен тысяч лет.

За несколько лет ученые выделили и изучили ДНК мамонтов (по итогам анализа исследователи уточнили эволюционные взаимоотношения мамонтов со слонами и, например, выяснили, что среди древних мохнатых хоботных были брюнеты, блондины и рыжие), расшифровали геном неандертальца и установили, что гены Homo neanderthalensis есть в каждом из нас, нашли останки нового вида людей, которые исходно были приняты за останки "обыкновенных" неандертальцев, и сделали много чего еще. Освоение методов работы с древней ДНК вывело палеонтологию на качественно новый уровень, так что в следующем десятилетии стоит ждать новых открытий.

Вода на Марсе

Марс — четвертая планета Солнечной системы — привлекает внимание ученых очень давно. Во-первых, он находится относительно недалеко от Земли, и поэтому его удобно изучать, а во-вторых, Марс во многом напоминает нашу планету — ведь исследовать что-то, что похоже на тебя, всегда интереснее. В случае с Марсом ситуация еще более интригующая, потому что сходство с Землей автоматически означает хорошие шансы на обитаемость, хотя бы в прошлом. Для существования земных организмов необходима вода в жидком виде, поэтому ученые упорно пытались обнаружить ее и на Красной планете. Большинство специалистов сходилось на том, что в наши дни жидкой воды на Марсе нет, но вот несколько миллиардов — а может, и миллионов — лет назад она, вполне возможно, там была.

Многочисленные орбитальные и спускаемые аппараты собрали немало косвенных свидетельств наличия на Марсе воды (в основном, это были данные о рельефе планеты, сформированном водой, и о "подозрительном" составе марсианских минералов), однако первый по-настоящему серьезный довод в пользу гипотезы о влажном прошлом Марса обнаружил орбитальный зонд Mars Odyssey. Собранные им данные указывали, что под поверхностью Красной планеты есть залежи водяного льда. Позже это предположение было подтверждено и другими аппаратами, но окончательно вопрос о наличии воды на Марсе был решен в 2008 году, когда зонд "Феникс", севший вблизи северного полюса планеты, получил H2O из марсианского грунта, нагрев его во встроенной печи. Так что одна из сакраментальных проблем Красной планеты теперь решена, и в будущем ученым предстоит выяснить, есть ли жизнь на Марсе когда именно жидкая вода исчезла с поверхности Марса.

Перепрограммирование клеток

Организм любого живого существа состоит из клеток (или хотя бы из одной клетки). У сложных многоклеточных организмов разные клетки не похожи друг на друга и выполняют совершенно различные функции. Но в каждой из них изначально содержатся данные, позволяющие ей стать любой другой клеткой организма. Эти данные записаны в ДНК, которая у всех клеток организма (за исключением половых клеток) одинакова. Различия во внешнем виде и поведении объясняются тем, что у клеток кожи работают одни гены, а у клеток, скажем, поджелудочной железы — совсем другие.

Все клетки организма имеют общее происхождение — их "праматерью" является яйцеклетка, потомки которой несут копии ее ДНК. В отличие от большинства клеток, которые выполнят строго определенные функции и порождают только таких же узкоспециализированных "детей", потомки яйцеклетки могут стать кем угодно. Ученые давно предположили, что при определенных условиях любая клетка организма может вернуться в "первозданное" состояние — то есть обрести способность производить не похожие на себя клетки (ученые используют термин дедифференцироваться), но долгое время фактических подтверждений этой гипотезы у исследователей не было.

За прошедшие десять лет биологи научились некоторым "клеточным превращениям". Так, ученые выяснили, что клетки могут дедифференцироваться при введении в их геном нескольких определенных генов. Кроме того, заставить клетку забыть о своей узкой специализации можно при помощи особого белкового коктейля. Искусственно дедифференцированные клетки должны помочь ученым и медикам найти новые средства терапии заболеваний, связанных с умиранием клеток (например, болезни Альцгеймера), а также изменить подход к трансплантологии — органы для пересадки, выращенные из собственных клеток пациента, не будут отторгаться.

Микробиом

Тот факт, что в организме человека живет множество бактерий, не является новостью уже как минимум сто лет. Однако точное количество микроскопических сожителей человека оставалось неизвестным. В последние годы выяснилось, что число клеток бактерий на порядок превышает число собственно клеток организма — то есть из каждых десяти клеток нашего тела девять являются бактериальными. Коллективный геном всех обитающих в человеке микроорганизмов получил название "микробиом".

Большинство обитающих внутри и снаружи тела бактерий не приносят ему вреда, а некоторые еще и помогают в выполнении самых необходимых действий (например, нормальное пищеварение невозможно без бактерий, обитающих в пищеварительном тракте), но в последние годы ученые узнали о наших "соседях" множество куда более занимательных фактов.

Во-первых, благодаря эффективным и, главное, дешевым технологиям расшифровки и копирования ДНК исследователи смогли прояснить вопрос о том, какие именно бактерии населяют наш организм. Оказалось, что на каждом участке тела, в силу различия условий на соседних участках (например, на двух пальцах одной руки), обитают разные популяции микроорганизмов.

Кроме того, выяснилось, что бактерии могут хотя бы частично определять многие особенности людей, на первый взгляд, с бактериями никак не связанные. Например, склонность к ожирению. Американские исследователи, работавшие с мышами, установили, что животные с определенным набором бактерий в кишечнике ели больше других мышей и, соответственно, толстели. При пересадке бактерий от толстых грызунов худым у последних развивался повышенный аппетит, и они тоже увеличивались в размерах. Бактерии, населяющие пищеварительный тракт мух-дрозофил, управляют жизнью своих хозяев еще строже — недавно было установлено, что они во многом определяют выбор партнера для спаривания.

Также бактерии определяют способность метаболизировать некоторые лекарства, ну и, наконец, иногда они все-таки начинают вредить хозяину, провоцируя развитие таких заболеваний, как экзема и псориаз.

Экзопланеты

Долгое время наличие планет у других звезд было всего лишь гипотезой. То есть, астрономы понимали, что во Вселенной существует множество звезд (и многие из них очень похожи на Солнце) и у какой-нибудь из них наверняка есть один или несколько "привесков", но обнаружить внесолнечные планеты, несоизмеримо более мелкие и тусклые по сравнению со своими звездами, было невозможно из-за несовершенства техники.

Первое достоверное сообщение о существовании экзопланет появилось в 1992 году — ученые нашли несколько планет, обращающихся вокруг пульсара. В 1995 году была найдена планета у звезды. С тех пор количество вновь открытых планет постоянно увеличивалось, причем скорость их обнаружения росла. В 2009 году в космос был запущен орбитальный телескоп "Кеплер", приборы которого позволяют отыскивать не только планеты, но даже их спутники. С тех пор как он заработал, списки известных ученым экзопланет стали пополняться еще быстрее — в общей сложности, к концу 2010 года астрономы обнаружили более пяти сотен внесолнечных планет.

Пока большинство из них было найдено косвенными методами — то есть астрономы не могли наблюдать планету непосредственно, а делали вывод о ее существовании, оценивая влияние, которое планета оказывает на свою звезду. В 2008 году астрономам впервые удалось сфотографировать экзопланеты, а еще через два года был напрямую получен спектр излучения планеты, обращающейся вокруг звезды в созвездии Пегаса. В будущем технологии обнаружения и исследования экзопланет будут все больше оттачиваться, и ученые смогут узнать о них много новой информации, включая и ту, которая пригодится при поиске жизни в космосе.

Воспаление

Долгое время считалось, что воспаление — это довольно сложный процесс, происходящий на месте повреждения организма или при нападении на него болезнетворных бактерий и других патогенов. Воспаление облегчает иммунным клеткам задачу по борьбе с инфекцией — например, при воспалительном процессе расширяются кровеносные сосуды, по которым различные клетки добираются до той или иной части тела. Разные стадии воспаления были подробно изучены, а ученые и медики разработали препараты, позволяющие контролировать интенсивность этого процесса, иногда приобретающего патологический характер (например, при аллергиях).

Но в последние годы исследователи заподозрили, что с воспалением не все так просто. Большое количество клинических и лабораторных данных указывало на то, что воспалительные процессы являются первопричиной множества различных хронических заболеваний, а не только следствием заражения или повреждения. Собранная информация, например, свидетельствует, что постоянное воспаление связано с развитием и усугублением болезни Альцгеймера, атеросклероза, диабета и даже ожирения. С одной стороны, это открытие огорчает, так как получается, что до сих пор медики и ученые неверно понимали природу многих смертельных заболеваний. Но с другой стороны, теперь, когда они знают, в каком направлении двигаться, есть шанс, что в обозримом будущем им удастся разработать новые более эффективные подходы к лечению этих патологий.

Метаматериалы

В 1967 году советский физик Виктор Веселаго предположил, что некоторые материалы могут особым образом преломлять лучи света и, благодаря этой особенности, обладать очень необычными свойствами. На тот момент никаких данных о существовании таких материалов, называемых материалами с отрицательным коэффициентом преломления, не было, и идею Веселаго сочли не более чем изощренной игрой ума. В 2000 году сразу несколько ученых развили теорию необычных материалов и показали, что их можно создать искусственно — "хитрое" преломление света будет обеспечиваться не химическим составом материала, а его структурой (такие вещества получили название метаматериалов).

Вскоре первые метаматериалы были созданы не на бумаге, а в лаборатории. Заставляя лучи света изгибаться, такие материалы делали объект, находящийся рядом с ними, невидимым для наблюдателя — отраженное от маскируемого объекта излучение просто не доходило до него. За несколько лет разные группы исследователей создали множество вариантов метаматериалов (правда, многие из них пока существуют только в виде выкладок и формул), "подходящих" для различных длин волн. Главная цель ученых, работающих по этой теме, — создание метаматериала, который бы делал объекты невидимыми в оптическом диапазоне, то есть не для датчиков приборов, а для человеческого глаза. Впрочем, другие диапазоны исследователям тоже небезразличны — теоретически, объекты можно делать неслышимыми (или, напротив, недоступными для шума) или устойчивыми к землетрясениям (сейсмическим колебаниям).

Наконец, у метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления есть еще одно применение — с их помощью можно создавать (и это уже было сделано для некоторых длин волн) так называемые суперлинзы — линзы, для которых не существует ограничения дифракционного предела. То есть при помощи таких линз можно увидеть объекты, размер которых меньше длины волны используемого излучения.

Глобальное потепление

Этот пункт будет самым коротким. Несмотря на сомнения скептиков и на разразившийся в конце 2009 года "климатгейт", большинство ученых считают, что глобальное потепление — это реальность и что одной из причин этого процесса является человеческая деятельность. Уверенность ученых объясняется тем, что слишком много фактических данных подтверждают: на нашей планете с каждым годом становится все теплее.