Как обычно, ведущие мировые научные журналы выстраивают рейтинг выдающихся научных открытий года. Представляется необходимым все же начать обзор выдающихся событий в науке с Нобелевских лауреатов. Хотя их открытия были сделаны не в этом году, тем не менее, они во многом определили развитие науки.
В первую очередь это относится к открытию израильского профессора института технологий в Хайфе Даниэля Шехтмана. Он полностью изменил современные представления о кристаллах. Хотя до практического применения так называемых квазикристаллов еще далеко, научный результат в первую очередь важен тем, что четко указывает направление дальнейших исследований. Уже сейчас ученые и эксперты предсказывают взрывной характер появления принципиально новых материалов и технологий, в первую очередь в автомобилестроении и авиации. А дальше дело быстро дойдет и до, например, одежды с невиданными свойствами. Кстати, первые фотографии квазикристаллов были получены во Львове.
Премия по физике в области астрономии была присуждена американцам Солу Перлмуттеру и Адаму Рису и австралийцу Брайану Шмидту за открытие того, что Вселенная расширяется с ускорением. Сам по себе этот факт был известен и до них. Однако не было понятно, почему это происходило и что является движущей силой такого типа расширения. Так называемая инфляционная гипотеза предполагает, что в первые мгновения после Большого взрыва Вселенная расширялась с ускорением — этот процесс и получил название инфляции. Из положений этой гипотезы следует ряд предсказаний о том, какой сегодня должна быть геометрия Вселенной — а именно плоской. До того как появились работы Риса, Шмидта и Перлмуттера, данные наблюдений противоречили предсказаниям инфляционной гипотезы. После публикации их статей все встало на свои места — недостающее вещество, необходимое для того, чтобы сделать геометрию плоской, было найдено. Им оказалось темное вещество, которое отвечает за ускоренное расширение Вселенной. И открытие темной энергии полностью подтвердило предсказания инфляционной гипотезы.
Хотя непосредственно с инфляционной гипотезой открытия нынешнего года в астрономии не связаны, тем нем менее, они дополняют общую картину.
С помощью телескопа Keck на Гавайских островах были обнаружены два огромных облака чистого водорода. Именно они были тем материалом, с которого во Вселенной начиналось строительство первых звезд и первых галактик. Особая удача состоит в том, что каким-то чудом эти облака сохранили водород в первозданном виде спустя два миллиарда лет после Большого взрыва. И теперь ученые получили объект изучения того очень важного для современной астрономии и астрофизики периода.
Еще одно открытие этого года и тоже в астрономии. Космический телескоп Kepler нашел две планетных системы, которые противоречат существующим теориям формирования планет и не имеют пока никакого объяснения. Кроме того, этот же телескоп нашел десять планет, существующих в пространстве без привязки к какой-либо звезде, это своего рода сироты, которые звезда-мать когда-то, видимо, выкинула в пространство.
Сейчас внимание ученых привлекают исследования так называемых экзопланет. То есть планет, существующих вне нашей Солнечной системы и в чем-то похожих на Землю или наших соседей. Звезд, которые имеют или могут иметь планетные системы, выявлено достаточно много. Планеты свет не излучают, а только отражают, поэтому их видно хуже. И все же телескоп Kepler обнаружил экзопланеты, по своим параметрам близкие к нашей планете. Дальше пока наука заканчивается и начинается фантастика.
Отметим Нобелевскую премию по экономике, которую получили американские ученые Томас Сарджент и Кристофер Симс из Нью-Йоркского и Принстонского университетов. Как пояснили сотрудники Российской экономической школы, профессоры Константин Стырин и Сергей Измалков: «Сарджент десятками уравнений моделирует поведение разных групп экономических агентов, а Симс — основные макроэкономические показатели: выпуск, инфляция, ставки и пр. Это взаимодополняющие методы, они всегда используются вместе».
Например, центральный банк (ЦБ) какой-то страны изменяет денежную политику. До сих пор ЦБ реагировал на рост инфляции на один процентный пункт повышением учетной ставки на два процентных пункта — и известно, что из этого получалось. Модель позволит сделать расчет, какой будет реакция экономики, если ЦБ повысит ставку на 2,5 пункта. Понятно, какое это имеет значение в обстановке финансового кризиса. Работы Симса, в первую очередь, и ориентированы на анализ шоковой ситуации. Главный упрек разработчикам модели состоит из двух частей. Во-первых, модель весьма сложна, требует решения десятков уравнений. Тем не менее, ее с успехом применяют банки и другие крупные субъекты экономики. Во-вторых, наличие модели не помешало центральным банкам ведущих стран буквально проворонить возникновение финансового кризиса. Ответ довольно банальный, и его дал Томас Сарджент: они дали экономистам и финансистам инструмент для исследований и анализа, а уж как им пользуются — не дело ученых. Молоток ведь не виноват, что кто-то вместо шляпки гвоздя попал по собственному пальцу.
И все же наибольшие открытия этого года произошли в биологии. Ральф Стейнман из Рокфеллеровского университета, Жюль Хоффман из Французской академии наук и Брюс Бетлер из Исследовательского института Скриппса были удостоены Нобелевской премии за открытие дендритных клеток и изучение их значения для приобретенного иммунитета и за исследование активации врожденного иммунитета. Бетлер выявил, что токсины провоцируют разную активность клеток: одни вырабатывают сигнальные молекулы, другие, распознав сигнал, начинают реагировать на токсин. Жюль Хоффман занимался дрозофилами и не помышлял об иммунных проблемах, но вдруг обнаружил в клетках дрозофил рецепторы, одни из которых реагируют на бактерии, а другие — на грибы. Личинки дрозофил, у которых отсутствуют такие рецепторы, становятся чувствительны к инфицированию бактериями или грибами. Хоффман назвал их толл-рецепторами (англ. toll — пошлина, дань).
Дендритные клетки, которые открыл Стейнман, — это промежуточное звено между врожденным и приобретенным иммунитетом. Эти клетки находятся в тканях пограничных сред, например в слизистых желудочно-кишечного тракта или бронхо-легочной системы. У дендритных клеток есть отростки, они захватывают чужеродный антиген — бактерию, вирус или грибок. Если не удается его полностью уничтожить, дендриты перерабатывают антиген не до конца и «знакомят» с ним более тонкую иммунную систему — приобретенную, механизм работы которой разъяснили Бетлер и Хоффман.
Открытие Нобелевских лауреатов перекликается с прорывом этого года. По версии авторитетного американского журнала Science, важнейшее открытие этого года, безусловно, принадлежит специалистам международной группы вич-исследователей, изучавших действие антиретровирусных препаратов (ARV). Использование ARV настолько эффективно предотвращает передачу вич от одного человека к другому, что многие назвали эту работу началом конца эпидемии СПИДа в мире.
В исследовании приняли участие 1763 гетеросексуальные супружеские пары из девяти стран мира (Бразилия, Индия, Таиланд, США, Ботсвана, Кения, Малави, ЮАР и Зимбабве), в каждой из которых один человек был вич-инфицирован. Половине этих пар с 2007 года начали делать инъекции коктейля из ARV, тогда как остальные пары были контрольной группой и этих инъекций не могли получать до тех пор, пока у них не возникнет серьезная опасность развития СПИДа. В этом году, фактически не закончив исследования, ученые решили распространить ARV-терапию на все исследуемые пары, поскольку оказалось, что она в 96% случаев предотвращала передачу вируса вич партнеру, и исследователи посчитали противоречащим медицинской этике лишать кого бы то ни было такого лечения.
Способ интенсификации лечения ВИЧ, возможно, найден, учеными из Калифорнии во главе с нобелевским лауреатом Дэвидом Балтимором. Установлено, что вирусы ВИЧ целыми колониями прячутся в зараженных ими клетках, как в защитных скафандрах, избегая тем самым атак иммунной системы, которая их в этом случае «не видит». Аналогично с антивирусными препаратами. Избежав, таким образом, поражения, вирусы ВИЧ при первом удобном случае подвергают здоровые клетки массированным нападениям.
ВИЧ может заражать иммунные клетки человеческого организма двумя способами — он может нападать на них, находясь «в свободном плавании» по плазме, или участвовать в передаче «клетка-в-клетку», используя уже зараженные им клетки в качестве транспортного средства. В последнем случае клетка-донор при встрече со здоровой клеткой выпускает в нее целую армию находящихся в ней вирусов. Оба этих способа изучила в своем исследовании группа исследователей из Калифорнийского технологического института под руководством Дэвида Балтимора, лауреата Нобелевской премии 1975 года с формулировкой «За открытия, касающиеся взаимодействия между онкогенными вирусами и генетическим материалом клетки».
Исследователи устраивали «битвы» между вирусами ВИЧ или зараженными клетками-донорами и здоровыми клетками-целями в присутствии антиретровирусных препаратов или без них. В ходе исследований выяснилось, что антиретровирусные препараты хорошо справляются со свободно плавающими вирусами и существенно уменьшают количество зараженных клеток-целей. В случае же с передачей «клетка-в-клетку» их успех был куда более скромен — препараты плохо срабатывали даже при очень высоких дозах.
По словам Алекса Сигала, одного из авторов исследования, все объясняется простым обстоятельством: любой антивирусный препарат, даже очень действенный, убивает не все 100 процентов вирусов.
Поэтому при встрече с одним свободно плавающим врагом он уничтожает его с большой вероятностью, однако с армией полностью справиться не в состоянии. А поскольку для заражения здоровой клетки достаточно всего лишь одного вируса, то предотвратить его с помощью такого препарата практически невозможно.
Сигал также считает, что есть и другая причина, по которой антиретровирусные препараты не срабатывают при передаче «клетка-в-клетку»: они просто не замечают клеток-доноров, если вирусы сидят в клеточных ДНК в латентном состоянии. Сигал предполагает, что в заражении участвуют оба типа клеток-резервуаров — латентные и не латентные — и что они, возможно, каким-то образом взаимодействуют между собой.
Если это так, то появляется новый путь если не справиться с болезнью полностью, то хотя бы существенно улучшить качество лечения, избавив организм от зловредных латентных резервуаров. Например, активизировав в таких клетках «спящие» вирусы, а когда такие вирусы проявят себя, их можно уничтожить уже известными препаратами, не давая им проникать в здоровые клетки. По словам Сигала, следующим шагом этого исследования будет изучение процесса передачи «клетка-в-клетку» в реальной среде, то есть в лимфатических узлах, где заражение происходит в действительности.
Несомненные прорывные открытия в деле изучения и лечения ВИЧ и СПИД породили слишком большие надежды, что удастся в ближайшее время справиться с эпидемией. Однако если это и начало конца всемирной эпидемии, то еще вовсе не ее конец, предупреждают ученые. Во-первых, остались проблемы с лечением тех, кто уже инфицирован, хотя коктейли ARV в этом смысле выглядят весьма многообещающе, а во-вторых, более половины нуждающихся в немедленной ARV-терапии (7,6 млн чел.) не имеют доступа к этим медикаментам.
Еще одно важное открытие относится к палеогенетическим работам по сравнению геномов современного человека и его древних, «архаичных» предков. Благодаря им история человеческой эволюции выглядит не так просто, как в прошлом году. Существовало представление, что наши африканские предки 100 тысяч лет назад предприняли поход в Европу и постепенно вытеснили там неандертальцев. На самом деле благодаря скрещиванию между неандертальцами и людьми современного типа наш геном представляет собой смесь из геномов всех ветвей генеалогического древа человечества, в том числе и странного подвида из Денисовой пещеры на Алтае.
Также следует отметить исследования микробов, населяющих наши кишечники. Обнаружено, что из трех доминирующих видов этих микробов одни предпочитают исключительно белковую диету, а другие — только вегетарианскую. Эта работа проясняет весьма сложную связь между диетами, микробами и болезнями кишечника. В этом году исследователи существенно продвинулись в попытке создать вакцину против малярии — ее пока не существует, но последние исследования показали, что такая вакцина вполне возможна.
Завершим обзор прорывных работ в биологии работой по очистке мышиного организма от постаревших клеток, которые уже не могут делиться. Жизнь подопытным мышкам эта процедура не продлила, зато избавила их от чисто старческих неприятностей типа катаракты или мышечной слабости. Другими словами, у людей появился шанс если не отдалить старость, то, по крайней мере, сделать ее менее дискомфортной.
Как это ни странно, но в этом году не было особых сенсаций в области электроники и компьютерной техники, средств связи. Конечно, новинки были, но главные научные журналы отдали предпочтение созданию новых цеолитов — пористых минералов, очищающих воду, воздух, превращающих нефть в бензин и т. д. Новые цеолиты дешевле, их поры тоньше и они лучше приспособлены для работы с большими органическими молекулами. С ними связывают надежды и экологи. Проблема надежной защиты от загрязнения разлившейся нефтью до настоящего времени не решена полностью. Как, впрочем, и не очень дорогой очистки воды.
Год принес сенсацию в физике. Именно такой эффект имел обнародованный 23 сентября пресс-релиз Европейского совета по ядерным исследованиям (ЦЕРН), посвященный новым результатам интернациональной исследовательской группы OPERA. В ходе эксперимента накоплена информация, которая позволила предположить, что некоторые виды элементарной частицы нейтрино движутся чуть-чуть быстрее света. Это была заявка на супероткрытие, которая произвела огромный шум и большие дискуссии в кругах физиков и философов. При этом абсолютное большинство специалистов, включая плеяду Нобелевских лауреатов, отнеслось к ней с изрядной долей скепсиса.
Сенсация просуществовала недолго. Группа физиков из группы ICARUS располагает собственным детектором нейтрино, который действует на иных принципах, нежели детектор OPERA. Ее участники провели анализ своих данных, полученных в течение 2010 года, и сделали заключение, что нейтрино не опережают свет. Теория утверждает, что сверхсветовые нейтрино должны быстро терять энергию за счет испускания гамма-квантов и электронно-позитронных пар. Как показывают вычисления, если бы скорость нейтрино соответствовала выводам группы OPERA, они бы по пути лишались свыше 60% первоначальной энергии. Ничего такого группа ICARUS не обнаружила. Таким образом, общая теория относительности Эйнштейна устояла. Наверное, поэтому, в рейтинге открытий заканчивающегося года физики нет.
И последнее. Наука стала инструментом политической борьбы. Один из лозунгов митингующих на Болотной площади в Москве имел чисто математическое содержание: «Чурову не верим! Верим Гауссу», «...мы за гауссово распределение!» Фальсификаторам из российского ЦИК напоминают, что голоса на выборах распределяются по закону теории вероятности, который сформулировал великий немецкий математик Карл Гаусс. Отклонение от него является точным и безусловным признаком фальсификаций. Неплохо было бы и украинскому ЦИК проконсультироваться со специалистами в связи с приближением октября 2012 года. Свои чуровы есть и у нас.
