Новая физика, редактирование ДНК и ГМО на прилавках

Чем запомнился 2015 год в науке

Фото:Bengt Nyman/wikimedia

Уходящий год был богат на события не только в политической сфере, но и в науке: ученые совершили десятки прорывных открытий и приняли множество решений, значение и роль которых в дальнейшей жизни человечества станет полностью ясной только через десятилетия. «Чердак» рассказывает о самых ярких и прорывных открытиях и событиях 2015 года.

Биология. Этика и генетика

Наиболее драматичным и богатым на события год выдался для биологии и генетики. Прорывы в этих областях заставили ученых, философов и даже политиков задуматься, насколько дорого человечеству обходится научный прогресс и как далеко научная мысль опережает развитие представлений о допустимом и недопустимом.

Стремительное развитие технологий редактирования генома в несколько предыдущих лет привело к тому, что теперь ученые могут произвольно заменять, удалять и модифицировать отдельные гены и даже «буквы» в ДНК. Исследователи и раньше умели делать это, но придуманная три года назад технология под названием CRISPR/Cas9, без преувеличения, произвела революцию в сфере «исправления» генетической информации. На редкость простой, дешевый, эффективный и довольно точный метод редактирования генома биологи позаимствовали у бактерий, которые используют эту систему как средство «ремонта» ДНК и заодно как встроенный «антивирус».

И одним из самых значимых событий в биологии в 2015 году стало использование системы CRISPR/Cas9 для модификации ДНК у человеческих эмбрионов.


Хотя они и были нежизнеспособны, но до сих пор подобных опытов не проводилось. Эксперимент провели китайские генетики. Они попытались использовать CRISPR, чтобы заменить у эмбрионов дефектный ген HBB, из-за которого развивается талассемия — тяжелое генетическое заболевание крови, приводящее к деформации черепа и костей, умственной отсталости и другим неприятностям.

Эксперимент в целом закончился неудачно и показал, что CRISPR пока нельзя применять для точечного редактирования генома: «молекулярные ножницы» Cas9 вырезают не только нужные сегменты ДНК, но и неповрежденные участки генетического кода. В принципе ничего удивительного в этой неудаче не было: ученые давно знают о «неразборчивости» Cas9 и разными способами пытаются увеличить точность этого фермента. И в декабре 2015 года один из создателей технологии CRISPR/Cas9, калифорнийский биолог Чжен Фан, сумел получить новую версию Cas9, которая работает со стопроцентной точностью.

Китайские специалисты проводили опыты до того, как появилась высокоточная модификация фермента, но эта работа интересна не столько своими результатами, сколько реакцией общества. Начать с того, что целый ряд ведущих научных журналов по этическим соображениям отказался публиковать статью с описанием эксперимента. Когда работа наконец вышла, в научной и политической среде разразилась настоящая буря, которая заставила ученых задуматься обо всех плюсах и минусах подобных опытов, а политиков — о возможности их контролировать. Так что главным итогом неудачного китайского эксперимента стало разделение ученых на два лагеря: сторонников и противников моратория на опыты с CRISPR. Более того, на специально организованной конференции ученые пришли к выводу, что пока общество не готово к опытам, которые изменяют наследуемую информацию.

Человеческий эмбрион на 17-й неделе беременности. Ученые работали с зародышами на более ранних стадиях, но в будущем, возможно, они научатся редактировать ДНК и на поздних сроках. Фото: Darren Brode/shutterstock


При этом несовершенство Cas9 не помешало ученым проводить по-настоящему фантастические опыты с CRISPR: за этот год генетики научились использовать эту систему для того, чтобы «стирать» из клеток иммунной системы ВИЧ, а из клеток свиней — свиной эндогенный ретровирус, из-за которого органы этих животных нельзя пересаживать людям. «Чистые» свиные органы вполне годятся для трансплантологии, и их использование дает надежду тысячам людей, которые годами стоят в очереди на человеческие органы.

Не столь многочисленные, но не менее значимые успехи продемонстрировал конкурент CRISPR — так называемые TALEN-нуклеазы. Главным их достижением стало чудесное излечение от тяжелой формы рака крови годовалой девочки Лейлы, которой не помогли все остальные методы. При помощи генетической терапии исследователи удалили из ее иммунных клеток гены, которые заставляли их атаковать собственный организм. Кроме того, китайские генетики при помощи TALEN-нуклеаз создали необычную породу мини-свиней размером с кошку, которые уже стали популярными домашними питомцами в США. Кроме того, таких крошечных свинок гораздо дешевле содержать в лаборатории.

Еще одним крупным биологическим успехом 2015 года стала вакцина от лихорадки Эбола (rVSV-ZEBOV), эпидемия которой захлестнула страны Западной Африки в 2014 году. В конце июля этого года французские ученые и эксперты ВОЗ объявили о завершении клинических испытаний препарата, в которых была показана стопроцентная надежность вакцинации.

Именно благодаря этой вакцине мы уже давно не видим новостей о новых жертвах вируса: благодаря вакцинации их просто нет.


Вирус Эбола Фото: Cynthia Goldsmith/PHIL


Другим достижением прикладной биологии 2015 года стала генетически модифицированная семга: американская FDA (аналог нашего Роспотребнадзора) признала, что она полностью безопасна для потребителей. В отличие от диких собратьев, ГМ-семга созревает за 18 месяцев, а не за 36, а это значит, что фермерам не нужно лишних 1,5 года кормить прожорливых рыб. Также в 2015 году FDA разрешила продавать в США ГМ-яблоки и картошку, которые не темнеют в местах среза (а картошка к тому же выделяет меньше акриламида, когда ее жарят во фритюре. Подробнее о том, какие еще вкусные и полезные ГМО могут в ближайшее время появиться на рынке, читайте здесь.

Физика. Странные частицы и квантовые чудеса

Не менее насыщенным 2015 год оказался для физики. Например, много сюрпризов преподнес перезапущенный в этом году Большой адронный коллайдер (БАК). Еще до повторного запуска обновленного и «проапгрейженного» ускорителя физики CERN (Европейская организация ядерных исследований, которая курирует работу коллайдера) обнаружили в данных, собранных на первом этапе работы, следы крайне необычных частиц под названием пентакварки.

Пентакварки демонстрируют принципиально новый принцип «упаковки» материи: они состоят не из двух или трех кварков, как все остальные «жители» микромира, а сразу из пяти. Эти необычные частицы доказывают, что теоретические построения ученых верны, а также намекают на существование новой, еще не открытой и не описанной физики. Самое интересное, что ученые обнаружили пентакварки случайно: они изучали совершенно другие вещи и вовсе не собирались искать необычные частицы, имеющие к тому же весьма сомнительную репутацию. «Чердак» подробно рассказывал про это.

Но это еще не все. После перезапуска БАК физики, работающие с детекторами CMS и ATLAS, заявили, что им, кажется, удалось обнаружить следы существования рекордно тяжелого бозона с массой 750 ГэВ. Для сравнения: масса бозона Хиггса — 126 ГэВ, а топ-кварк, самая тяжелая элементарная частица, весит 173 ГэВ, то есть примерно в 6 и 4,5 раза меньше.

Если ученым удастся подтвердить, что эта частица существует, можно будет говорить о том, что физика за пределами Стандартной модели (основной на сегодня теории, которая объясняет, как устроена Вселенная) однозначно есть.


Другие свидетельства, что элементарные частицны регулярно нарушают общепринятые «нормы поведения» были найдены в ходе наблюдений за сверхредкими вариантами распада очень необычных частиц — B-мезонов. Наблюдая за ними на БАК, ученые обнаружили, что эти частицы распадаются на различные типы лептонов — мюоны и таоны — с неодинаковой вероятностью, что не соответствует предсказаниям Стандартной модели.

Сборка детектора БАК ATLAS. Фото: Inisheer/wikimedia


Нобелевская премия по физике в этом году была присуждена Артуру Макдональду и Такааки Кадзита за открытие нейтринных осцилляций — превращений нейтрино из одного типа в другой. Такие превращения указывают, что эти загадочные и неуловимые элементарные частицы обладают ненулевой массой, чтодо недавнего времени было как минимум не очевидно. Причем открытие осцилляций стало настоящим научным детективом пополам с драмой.

Незадолго до присуждения Нобелевской премии физики из коллаборации OPERA нашли завершающий кусочек этого нейтринного пазла: им удалось доказать, что возможен один из типов осцилляций, которые до этого никак не могли обнаружить (ученые выяснили, что мюонные нейтрино могут превращаться в тау-нейтрино).

В 2015 году исследователи разобрались с еще одним краеугольным камнем современной физики: в августе европейские ученые впервые провели полноценную проверку неравенств Белла — основы основ квантовой механики. Проверка окончательно подтвердила, что квантовые взаимодействия между частицами происходят мгновенно и не зависят от расстояния между ними.

В области прикладной квантовой физики успехи также были впечатляющими: российско-американские физики под руководством Александра Львовского научились восстанавливать «запутанность» квантовых состояний — именно это удивительное свойство «жителей» квантового мира делает возможным квантовые компьютеры, квантовое шифрование, квантовую связь и много других квантовых чудес, которые обещают навсегда изменить наш мир.

На другом берегу Тихого океана австралийские ученым удалось заметно продвинуться в создании твердотельных квантовых компьютеров: они научились запутывать и проводить вычисления на фосфорно-кремниевых кубитах.

Кроме того, прямо на католическое рождество в Nature появилась публикация, авторы которой реализовали мечту многих любителей физики: им впервые удалось создать реальный аналог знаменитого кота Шредингера. Более того, рукотворного «кота» можно увидеть глазами, правда, только при помощи специальных приборов. В роли несчастного животного, которое ни живо, ни мертво, выступило облако атомов рубидия, охлажденное до почти абсолютного нуля. Благодаря сложным манипуляциям с лазером, облако находилось одновременно в двух точках, удаленных друг от друга на полметра.

Наконец, физики работающие на LIGO, самой большой в мире установке по поиску гравитационных волн («складок» на ткани пространства-времени, которые, согласно теории относительности (ОТО), должны появляться от взаимодействия очень массивных объектов) могли бы преподнести в 2015 году шикарный подарок Эйнштейну, будь он жив. Тем более что созданная им теория относительности как раз отмечала в прошедшем году столетний юбилей. Если верить твиттеру известного космолога Лоуренса Краусса, детектор мог обнаружить гравитационные волны, но официального подтверждения этой информации пока нет.

Антропология и палеонтология. Человек-звезда и первые птицы на Земле

Останки древних людей и животных, найденных в этом году учеными, грозят произвести настоящую революцию в антропологии — науке о том, как развивался человек.

За последний год палеонтологи нашли останки нескольких новых представителей рода Homo, два из которых претендуют на роль древнейших членов нашего рода. Например, в начале этого года в долине реки Аваш были обнаружены останки нашего древнего родственника, который жил на территории Турканской долины примерно 2,7 миллиона лет назад, то есть он был современником некоторых южноафриканских австралопитеков. Это открытие впервые доказало, что австралопитеки и наши предки могли сосуществовать друг с другом на протяжении длительного времени, не вытесняя друг друга. До недавнего времени большинство специалистов придерживались мнения, что к моменту, когда на планете начали хозяйничать представители рода Homo, австралопитеки вымерли. Подробнее о том, как открытия 2015 года изменили представления ученых об эволюции людей и их родственников, можно прочитать здесь.

Пожалуй, главной антропологической находкой года стало открытие останков еще одного претендента на звание первого представителя нашего рода, Homo naledi. Эти существа, как предполагают ученые, ходили на двух ногах, а их руки были приспособлены и к созданию орудий труда, и к перемещениям по веткам деревьев. Так что школьные учебники биологии придется переписывать.

Реконструкция головы Homo naledi. Изображение: University of the Witwatersrand, National Geographic Society and the South African National Research Foundation


Все эти открытия в очередной раз свидетельствует, что человечество двигалось к своему современному состоянию не по прямой линии, от одной точки эволюции к другой, а множеством различных путей.

Более того, эти пути неоднократно пересекались: выполненный в 2015 году генетический анализ подтвердил, что неандертальцы и кроманьонцы (то есть мы) частенько скрещивались между собой.


ДНК кроманьонца, жившего 42 тысячи лет назад в Румынии, содержит в себе примерно 10% неандертальских генов, что в два с лишним раза больше, чем в ДНК современных людей. Это доказывает, что контакты между нашими предками и неандертальцами были, причем они происходили не только на Ближнем Востоке, как считалось ранее, но и после заселения Европы. Со временем неандертальские гены «растерялись», но, тем не менее, «следы преступления» все еще можно обнаружить.

Палеонтологи в 2015 году тоже постарались. В августе они рассказали, что, наконец, разобрались, как размножались одни из самых древних и загадочных животных нашей планеты — рангеоморфы. Оказалось, что они используют сложную стратегию почкования и отращивания побегов — спустя 600 миллионов лет нечто похожее проделывает современная клубника.

Вторая важнейшая палеонтологическая новость пришла из Китая. Весной 2015 года ученый Чжен Сяотин, в честь которого назван целый ряд динозавров и птиц, нашел на северо-востоке Китая останки предположительно первой в истории Земли настоящей птицы с клювом и перьями Archaeornithura meemannae. Именно потомки ее и ее родственников сегодня живут на Земле. Это открытие доказывает, что предки современных пернатых появились примерно на 5—6 миллионов лет раньше, чем считалось.

История. Тайны Нефертити, живые мертвецы греков и секреты вдовы Клико

Зачастую наиболее ценными открытиями в исторических науках становятся не тайны политики или перипетии войн, а свидетельства того, как протекала повседневная жизнь простых людей и королевских особ в давно минувшие времена. В этом отношении 2015 год оказался на редкость плодотворным.

Главным открытием года в египтологии и археологии стала работа известного специалиста Николаса Ривза, который заявил, что за одной из стен в гробнице Тутанхамона может находиться склеп знаменитой Нефертити, жены фараона Аменхотепа IV и идеала красоты своего времени. В октябре Ривз и египетские археологи посетили гробницу фараона и подтвердили часть догадок ученого: специалисты обнаружили углубления в стенах и другие признаки пустот и коридоров за ними. Однако пока власти Египта не дали разрешения на демонтаж стен гробницы. Если санкция все же будет получена, то, возможно, уже в 2016 году мы узнаем, что унесла с собой в могилу самая красивая женщина Древнего Египта.

Бюст Нефертити в берлинском Новом музее. Фото: Philip Pikart/wikimedia


Другое интересное открытие из жизни древних правителей было сделано в Греции, где археологи нашли гробницу и останки Филиппа II, отца Александра Македонского и создателя первого единого греческого государства. Анализ его костей помог ученым впервые «взглянуть» на автократора Греции и Македонии: выяснилось, что для своего времени он был гигантом. Рост Филиппа II превышал 180 сантиметров, но при этом он страдал от хромоты и искривления шеи.

Еще два археологических открытия 2015 года проясняют, как жили обычные люди нового времени и античности. В апреле ученые нашли на дне Балтики полторы сотни бутылок великолепно сохранившегося шампанского от «Вдовы Клико», которое хранилось на дне моря почти 200 лет. Дегустация и изучение напитка позволили ученым раскрыть секреты, которые использовали знаменитые французские виноделы, а также выяснить, что найденный на дне моря груз направлялся в Россию.

На противоположной стороне Европы, в Сицилии, археологи раскрыли необычную черту менталитета древних греков. Раскапывая одно из древних кладбищ, ученые обнаружили, что эллины боялись «живых мертвецов». Они погребали своих усопших таким образом, чтобы те не могли превратиться в зомби, заботливо придавливая их тела огромными булыжниками. Кроме того, по кладбищам разбрасывали таблички, покрытые некромантическими «заклинаниями».

Химия. Призрак «Фукусимы», роковые яйца и ремонт ДНК

Одним из самых интересных и многообещающих событий 2015 года в области химии стало известие, что японские радиологи синтезировали необычный препарат, CsTolen A, который препятствует всасыванию радиоактивных изотопов цезия в корни и клетки растений. Это вещество потенциально позволит японцам, чьи дома находятся рядом с «Фукусимой», а также белорусам и украинцам, живущим в окрестностях ЧАЭС, выращивать овощи и злаки, не боясь, что в урожай попадут радионуклиды.

Нельзя не отметить и лауреатов Шнобелевской премии этого года — в январе калифорнийские химики заявили о том, что им удалось превратить частично сваренное яйцо в набор из сырых белков, используя специальную мешалку и мочевину. Это открытие, как утверждают авторы, должно помочь их коллегам медикам и биологам здорово сэкономить: они смогут «развертывать» свернувшиеся белки и использовать их повторно, вместо того чтобы синтезировать новую партию белковых реактивов.

Нобелевка 2015 года по химии была присуждена за раскрытие механизмов, которые отвечают за починку ДНК в живых клетках. Биохимики Томас Линдол, Пол Модрич и Азиз Санкар, которые детально разобрались, как именно работают такие механизмы, считают, что понимание того, как клетка ремонтирует свою ДНК, поможет нам понять причины, по которым возникает рак, и найти способы бороться с ним.

Математика. Слишком умный «Перельман» из Японии

В 2012 году назад японский математик Синити Мотидзуки, возможно, совершил одно из самых важных открытий в истории математики: как он утверждает, ему удалось доказать так называемую ABC-гипотезу в теории чисел. Она описывает некоторые ключевые закономерности в «поведении» чисел и позволяет относительно легко доказывать сложнейшие математические теоремы и упрощать решение целого ряда сложных вычислительных задач.

Проблема в том, что доказательство Мотидзуки занимает 1,5 тысячи страниц и его почти никто не понимает.


До прошлого года лишь четыре математика заявили, что согласны с выкладками японского коллеги, и внесли некоторые коррективы в его формулы. В этом году к ним присоединился российско-британский математик Иван Фесенко, который разбирался с выкладками Мотидзуки три года.

Как это нередко случается с математиками, сам «японский Перельман» здорово мешает коллегам понять, что же он сделал: он отказывается от контактов с прессой и другими учеными, не читает лекции и не выступает на мероприятиях, язык которых отличается от японского, ну и в целом никак не сдерживает свой непростой характер.

В 2015 году после конференции по ABC-гипотезе, которую Фесенко организовал для 50 ведущих специалистов в области теории чисел, количество «просветлившихся» математиков выросло до 10 человек. По самым оптимистичным оценкам, если математики будут соглашаться с доказательством Мотидзуки с той же скоростью, что и сейчас, до того как она получит всеобщее признание, пройдет не меньше 10—20 лет.

Александр Телишев
Теги:

Читать еще на Чердаке: