2007. Прорывы года. Версия учёных

Журнал Science опубликовал десятку самых заметных научных достижений уходящего года. В списке: 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.