8 главных научных событий 2008

«Русский репортер» вместе с ведущими российскими учеными подводит научные итоги 2008 года. Мы постарались охватить все области знания — от физики частиц до истории и психологии

Поэтому мы решили обратиться к ведущим российским ученым, чтобы они назвали нам важнейшие события, произошедшие в этом году в их области знаний. Естественно, этот выбор очень субъективен. Но авторитет наших экспертов позволяет нам надеяться, что в учебниках конца XXI века появится строчка: «В далеком 2008 году было установлено (создано, опубликовано, открыто, обнаружено)…», после чего будет следовать рассказ о каком-либо событии из нашей «восьмерки».

1. Метафизика высоких энергий

Событие Этой осенью закончено строительство Большого адронного коллайдера — одного из самых мощных и дорогих научных приборов за всю историю человечества.

Область Физика частиц, космология и много-много других областей науки, включая фундаментальную философию.

Выбор эксперта Валерий Рубаков, академик РАН, заместитель директора Института ядерных исследований РАН: «Я бы назвал завершение строительства Большого адронного коллайдера. Можно сказать, что это не вполне научное событие, то есть это не открытие, не подтверждение гипотезы, но событие очень яркое. Если повезет, то, может быть, уже в следующем году будут серьезные открытия. Это зависит от того, как природа устроена».

Содержание Никто и не сомневался, что Большой адронный коллайдер попадет в список самых значимых событий 2008 года. Пожалуй, никогда вокруг физического прибора не было такого ажиотажа. Даже домохозяйки научились писать слово «адронный» без буквы «н» в первом слоге.

Большой адронный коллайдер — самый крупный ускоритель элементарных частиц — семь лет строился в Европейском центре ядерных исследований (CERN). 10 сентября этого года коллайдер запустили в тестовом режиме и успешно прогнали пучки протонов в обе стороны кольца. Но 19 сентября произошел сбой в электросистеме, и в туннель вылилось несколько тонн жидкого гелия. Теперь коллайдер на ремонте, а первые эксперименты перенесены на конец лета 2009 года.

Шедевр научной мысли представляет собой несколько кольцевых туннелей, вырытых на глубине 100 метров под поверхностью Швейцарии и Франции. Пучки протонов разгоняют в этих туннелях до скоростей, близких к скорости света, а затем сталкивают в самом большом, 27−кило­метровом, кольце. Протоны сталкиваются с огромной энергией, которая «выбивает» из вакуума новые частицы. Собственно, ради этих частиц и строятся ускорители: чтобы физики могли по их энергиям, массе и так далее сказать, как устроен мир.

— Когда-то думали, что весь мир состоит из нескольких типов частиц: протонов, электронов, нейтронов, фотонов… — говорит Рубаков. — Потом выяснилось, что частиц гораздо больше, а Вселенная устроена сложнее. В 70−е годы прошлого века усилиями многих физиков построили так называемую Стандартную модель.

Стандартная модель утверждает, что вся материя состоит из небольшого числа элементарных частиц и взаимодействий. Например, протон «сделан» из двух верхних кварков и одного нижнего, а нейтрон, наоборот, из двух нижних и одного верхнего. Вместе эти кварки соединяет сильное взаимодействие, которое переносят специальные кванты — глюоны.

Почти все предсказания Стандартной модели подтвердились экспериментально на предыдущих поколениях ускорителей. Для окончательной картины не хватает только одного кирпичика — бозона Хиггса. Эту частицу, которая «делает массу» всем остальным частицам, и намерены получить на Большом адронном коллайдере.

— На этих энергиях бозон Хиггса должен появляться, — говорит Рубаков, — но если его и откроют в будущем году, то не в ЦЕРНе. Могут открыть в американской Национальной лаборатории Ферми на ускорителе Теватрон. Если им повезет, конечно. Понимаете, сейчас идет такая гонка, невидимая миру.

Про бозон Хиггса и его предстоящие поиски на Большом адронном коллайдере не слышали разве что нерожденные младенцы, а теперь оказывается, что его можно обнаружить и без участия суперколлайдера.

Что же еще может дать этот проект века?

— В ближайшие годы произойдет радикальное дополнение наших представлений о законах природы, выходящих за рамки Стандартной модели, — считает Валерий Рубаков.

В последние полтора-два десятка лет выяснилось, что обычная материя, из которой состоят планеты, звезды и мы с вами, составляет только 4% всей массы Вселенной. Еще 20–25% — это так называемая темная материя, частицы которой пронизывают все вокруг, но очень плохо взаимодействуют с обычным веществом. Остальные 70–75% — темная энергия, про которую вообще ничего не известно, и пока у физиков нет даже толковых идей, как примирить ее существование с современными теориями.

С темной материей дело обстоит несколько проще: это пусть и не вполне обычные, но все же частицы. Обнаружить и выяснить их свойства — задача Большого адронного коллайдера. Помимо прочего, эти свойства жестко связаны со сценарием самых первых мгновений жизни Вселенной, а значит, с устройством нашего глобального «всего».

Кроме того, внутри самой Стандартной модели нет ответов на некоторые вопросы, которые можно назвать философскими.

Например, почему два из трех видов элементарных взаимодействий работают в близких энергетических масштабах, а энергия третьего — гравитации — на 18–20 порядков больше? Эта разница ничем не обоснована и сейчас выглядит случайной. Но физики случайностей не любят. Они хотят найти общую закономерность, объясняющую, почему так устроено, и уже придумали гипотезы, которые можно проверить.

И сделать это можно на Большом адронном коллайдере. Гипотезы предсказывают, что в столкновениях протонов должны рождаться целые классы новых частиц, для этого уже есть термин — «новая физика». Тогда все будут довольны, а теоретикам найдется работа на много лет вперед. В противном случае, если частицы не обнаружат, придется признать, что и разница в масштабах, и многие другие случайности действительно случайны.

Следствием такого безобразия станет решающее подтверждение антропного принципа: мир устроен так, чтобы в нем было удобно жить человеку. И если не привлекать непродуктивную гипотезу Создателя, то придется признать, что Вселенная намного больше той части, которую мы наблюдаем, и в других местах существуют иные частицы и иные физические законы. Возможно, есть общие принципы устройства мира, но познавать их на нашем уровне пока не представляется возможным. Мы просто живем в том месте Вселенной, где есть подходящие условия.

2. Все мы немножко когнитологи

Событие Возникает новая отрасль знания — когнитивная наука.

Область Психология, физиология, информатика, лингвистика и еще множество самых разных дисциплин.

Выбор эксперта Андрей Юревич, заместитель директора Института психологии РАН, член-корреспондент РАН: «В числе ключевых событий года стоит назвать Международную конференцию по когнитивной науке. Психологи, философы, педагоги, физиологи, филологи и представители многих других отраслей попытались преодолеть междисциплинарные барьеры и все вместе разобраться, как человек воспринимает, хранит, перерабатывает и порождает знания. Не могу сказать, что это получилось на сто процентов. Но все равно эта конференция — очень важный шаг».

Содержание Что может быть общего у докладов: «Репрезентация концепта “страх” в английской и русской картинах мира», «Влияние обмена половых гормонов в процессе менструального цикла на эффективность обучения», «Управление компьютером при помощи движений глаз», «Функции автобиографической памяти» и, допустим, «Гамма-осцилляции мозга в контроле восприятия»?

Первая тема относится к филологии, вторая — где-то на стыке физиологии и педагогики, третья из области техники, четвертая ближе к психологии, пятая — какая-то мудреная нейрофизиология. Но каждая из этих проблем относится к разряду когнитивных.

Это слово происходит от латинского cognitio — знание, познание. Англоязычным гражданам просто: у них есть слово cognition, имеющее примерно то же значение, что и в латинском. А вот на наш язык «когнитивный» переводится туго: прилагательное «знаниевый» режет слух, а Word подчеркивает его красной линией — дескать, ошибочка вышла. Приходится давать громоздкое определение: «Когнитивный — связанный с приобретением, хранением, преобразованием и использованием знания». И вокруг этой темы работают ученые самых разных направлений.

Еще недавно о дисциплинах, изучающих отношения человека и знаний, было принято говорить во множественном числе: «когнитивные науки». Теперь все больше употребляется единственное число, то есть фактически речь идет о появлении самостоятельной научной дисциплины. Именно такая форма была использована в названии форума: «Конференция по когнитивной науке».

Мероприятие было масштабным: почти тысяча участников, представители 60 стран мира со всех континентов, кроме Антарктиды; выступления нобелевских лауреатов. Все было обставлено по высшему разряду. Конечно, мрамор и позолота московского «Президент-отеля» сильно контрастировали с потертыми пиджаками и свитерами ученых, а многочисленные секьюрити были настолько суровыми, что на открытие не смогла попасть часть докладчиков. Но это только подчеркивало значимость момента — все-таки не каждый день рождается новая наука.

Вполне возможно, прилагательное «когнитивный» скоро станет таким же модным, как и приставка «нано». А ученые будущего станут гордо уточнять: «Я не психолог (педагог, филолог и т. д.). Я когнитолог!»

3. Гены левого мизинца

Событие Расшифрован геном рака крови. Благодаря этому в Университете Вашингтона в Сент-Луисе удалось составить перечень мутаций, отличающих раковые клетки от здоровых. Те и другие взяли из организма одного человека.

Область Генетика, в будущем — медицина.

Раковые клетки из организма умершей пациентки, геном которых был расшифрован

Выбор эксперта Михаил Гельфанд, доктор биологических наук, заведующий лабораторией Института проблем передачи информации РАН: «Не люблю, когда про биологию говорят в терминах одного открытия. Открытия делаются долго. Событием года еще несколько лет будет расшифровка геномов конкретных людей — в разных контекстах. Вот появился геном рака крови — это важный пример из целого слоя последствий, которые тянутся за главным результатом. Мы имеем некий прорыв в технологиях, который позволяет такого сорта вещи делать существенно быстрее и дешевле. Скажем, расшифровку генома бактерии ученый теперь может просто пойти и заказать. Это уже не сложнее, чем закупить реактивы для лаборатории. Можно прочитать не геном человека вообще, и даже не геном конкретного Васи Пупкина, а геном его левого мизинца. Который совершенно не обязательно совпадает с геномом правого мизинца: они, левый и правый, слишком долго прожили порознь».

Содержание «Индивидуальные геномы вот-вот пойдут в народ, — говорит Михаил Гельфанд. — Если у человека достаточно денег, он уже может себе это позволить. А социальные и психологические последствия этого никак не осмыслены. Что делать, если вам говорят, например, что у вас риск диабета повышен на двести процентов: пойти и повеситься, класть в чай одну ложку сахара вместо двух, а может, продолжать жить как ни в чем не бывало?

Или, например, тот факт, что человек, обнародовав свой геном, на самом деле обнародует половину геномов своих ближайших родственников. Чем опасно такое разглашение информации? Легко представить, что страховые компании, или работодатели, или наследники попробуют этим злоупотребить. Рассказывают, что в ЦРУ был целый отдел, который пытался понять состояние здоровья Брежнева — Альцгеймер у него или не Альцгеймер, — наблюдая за его движениями на экране. Будь у них генетический материал — им было бы намного проще».

4. Каждую секунду мир становится другим

Событие Статья «Разброс результатов измерений процессов различной природы определяется движением Земли в неоднородном простран­ственно-временном континууме».

Область Физика, химия и, возможно, все остальные науки.

Выбор эксперта Симон Шноль, профессор МГУ, доктор биологических наук, главный научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН: «Может, это нескромно, но главным научным событием я бы назвал публикацию моей статьи в Progress in Physics. Основная ее идея — зависимость земных процессов от обстоятельств космофизики».

Содержание Все началось больше полувека назад, в 1955 году. Молодой научный сотрудник Симон Шноль измерял скорость биохимической реакции. Первый эксперимент, второй, сотый… Результаты слегка различались. Эти различия можно было бы списать на простую погрешность. Но Шноль заметил, что разброс результатов имеет закономерности: получаемые величины группировались около двух-трех значений. Тогда он попробовал совершенно другую реакцию — и снова получился сходный результат.

Были проведены десятки тысяч измерений. В результате оформилась гипотеза о «макроскопических флуктуациях». Из нее, например, следует, что в каждый момент времени и в каждой точке пространства все процессы происходят по-разному. Одна и та же реакция будет иметь разную динамику рано утром и ближе к вечеру. Разница эта очень маленькая, но она существует.

— Мы уверены: в случайных процессах проявляются особые свойства пространства и времени, — говорит Симон Шноль.

Это видно при анализе формы гистограмм, построенных по результатам измерений. Среди доказательств верности этих утверждений — эффект «синхронности по местному времени»: формы гистограмм оказываются очень похожими, если часы в лаборатории показывают одно и то же время независимо от того, где происходит дело — в Москве, Екатеринбурге или в Мельбурне.

Шноль предполагает, что это связано с влиянием космических факторов:

— При движении по околосолнечной орбите, вращении Земли вокруг своей оси, вращении Луны вокруг Земли, вращении Солнца, движении Солнечной системы в Галактике мы попадаем в разные области пространства-времени. Эти различия отражаются в разбросе результатов любых измерений: мы делаем все одинаково, а результаты разные. Сложность сочетания этих космических движений создает впечатление, что все происходит случайно. Это неверно. Год за годом при одинаковых сочетаниях разных видов движения Земли мы попадаем в одни и те же области. За внешне случайными процессами оказываются четкие закономерности. Все это относится к любым процессам: от биохимических реакций до радиоактивного распада.

Многие считают идеи Симона Шноля довольно спорными. Кто-то не уверен в корректности его математических расчетов. Кто-то считает, что он покушается на общепринятые законы мироздания. Но в любом случае публикация в международном журнале — это возможность для полноценной дискуссии. А уж кто в ней победит, покажет время. И пространство.

5. Удвоение CPU

Событие Закон Мура, согласно которому каждые два года компьютеры становятся вдвое быстрее, вновь заработал. В IBM изобрели способ и дальше делать транзисторы, основу любого электронного устройства, все меньше и меньше.

Область Микроэлектроника.

Гордон Мур — отец-основатель Intel и автор правила имени себя

Выбор эксперта Геннадий Красников, академик РАН, генеральный директор завода «Микрон»: «Компания IBM придумала простой путь к 22−нанометровым технологиям, и это дает возможность работать правилу Мура. Стандартный лазер, который “выжигает” микросхему лучом с длиной волны 193 нанометра, научили выжигать детали в 10 раз меньше. Значит, не нужно нанометровых лучей, новых сканеров — техника остается прежней».

Содержание В 1965 году один из основателей корпорации Intel Гордон Мур предложил формулу, согласно которой число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца. Сорок лет этот прогноз более-менее оправдывался. Но в последние годы заговорили о том, что технологии достигли пределов физики и удвоение производительности микросхем стало невозможным. Даже сам Гордон Мур в прошлом году признал, что его закон перестает действовать из-за атомарных ограничений и влияния скорости света.

Новая разработка вселяет надежду. Если закон Мура удастся поддерживать и дальше, то через 10 лет компьютеры будут в 32 раза быстрее нынешних, через 20 лет — в 1024 раза и так далее. А средний мобильник или фотоаппарат сравняются по интеллекту с нынешним суперкомпьютером в крупном университете.

6. Маразм оказался двуядерным

Событие В мозге пациентов с диагнозом «болезнь Альцгеймера» обнаружены двуядерные нейроны.

Область Нейрофизиология.

Двуядерные нейроны, какими их увидели в СССР 60−х

Выбор эксперта Наталья Гуляева, доктор биологических наук, профессор, заместитель директора по научной работе Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН: «Много лет ученые пытаются понять, в чем причина болезни Альцгеймера и целого букета других похожих заболеваний. Одна из версий: у нервной клетки ломается запрет на деление. Но данных, подтверждающих это, не было. И вот в нынешнем году в журнале Neuropathology and Applied Neurobiology появилась статья группы американских ученых из университетов Кливленда, Техаса и Мэриленда под руководст­вом Марка Смита. Им удалось заснять двуядерные нейроны в гиппокампе пациента с болезнью Альцгеймера. Это очень большое открытие».

Содержание Болезнь Альцгеймера — пожалуй, самая большая головная боль современной нейрофизиологии. Этим недугом страдает 30% населения планеты старше 70 лет (на фоне нашей средней продолжительности жизни это, конечно, не самая большая проблема: россияне до Альцгеймера просто не доживают).

Сначала забываются знакомые слова, имена близких, потом в поведении начинают побеждать стереотипные реакции. Затем человек теряет представление о грамматике, перестает понимать речь, не узнает знакомые предметы. В конце концов от личности остаются одни примитивные рефлексы: сосательные, жевательные, глотательные.

Медицина здесь почти бессильна. Главным образом, потому, что пока не раскрыт механизм возникновения заболевания. Нервные клетки вдруг перестают работать и гибнут. Почему?

— Один из механизмов гибели клеток, — говорит Наталья Гуляева, — характерен для всех болезней. Почему-то начинают вырабатываться те белки, которые характерны для деления клеток. Происходит так называемая митотическая (от слова «митоз» — тип клеточного деления. — «РР») катастрофа: клетки делятся не вовремя и не к месту. В результате происходит стремительное перерождение ткани и фактическая гибель клеток — то же самое, что и при раковых опухолях.

и в США 2000−х

Однако нервные ткани в организме на особом счету: нейроны, то есть нервные клетки, по идее вообще не делятся. Но в последние годы нейрофизиологи стали высказывать предположение, что при Альцгеймере в нервных тканях тоже происходит митотическая катастрофа: нервные клетки вдруг начинают делиться.

До сих пор это было лишь предположение, причем невероятно смелое. Никаких признаков деления нейронов обнаружить не удавалось. И вдруг Марк Смит вместе с коллегами разработал методику, благодаря которой получил фотографии двуядерных нейронов мозга пациентов с диагнозом «болезнь Альцгеймера». Проследить весь цикл деления пока невозможно. Но два ядра — это уже начало митоза. Получается, что все-таки нервные клетки делятся.

Российские ученые не оспаривают приоритет американцев, но Наталья Гуляева уточняет:

— В одном из научных атласов Академии наук СССР в 60−х годах мелькали уже подобные фотографии, сделанные нашими нейрофизиоло­гами. То есть мы это уже наблюдали, но до конца объяснить не могли. Конечно, это была доинтернетная эпоха, и Марк Смит понятия не имел о наших данных. Честь открытия, безусловно, принадлежит ему. Однако мы сейчас будем писать в Neuropathology, что все-таки первыми увидели двуядерные нейроны наши ученые.

7. Репортаж о нашествии Батыя

Событие В январе на раскопках в Ярославле найден хорошо сохранившийся колодец XIII века, на дне которого обнаружены останки 79 человек, погибших при нападении Батыя в 1238 году.

Область История.

Выбор эксперта Николай Макаров, директор Института археологии РАН, член-корреспон­дент РАН: «Понимаете, есть находки, которые отражают длительные процессы, общие тенденции, а есть те, которые рисуют картину какого-то конкретного события. Это что-то вроде стоп-кадра, мгновенный срез истории. Вот ярославский колодец — это стоп-кадр».

Содержание О нашествии татаро-монгольского хана Батыя на Ярославль было известно предельно мало. «Татарове поплениша Володимер… и ови идоша к Ростову, а ини к Ярославлю…» — скупо сообщает летопись. Вот, собственно, и все.

Главные события зимы 1238 года разыгрывались в 120 км к северо-западу от Ярославля, на реке Сить. Там встал с войском великий князь владимирский Георгий Всеволодович. Поражение на Сити было страшным, но до сих пор археологи не могли отыскать погребения погибших дружинников и ополченцев. Неужели мы имеем дело с очередным «историческим фантомом», который будет «разоблачен» господином Фоменко, уверяющим, что Куликовская битва была на территории Москвы, а хан Батый и Иван Калита — одно лицо?

Раскопки в Ярославле, проведенные экспедицией Института археологии РАН под руководством Аси Энговатовой, похоже, проясняют ситуацию. Боги истории на сей раз расщедрились по-настоящему: археологам удалось получить что-то вроде репортажа с места событий восьмисотлетней давности — такое документальное кино о нашествии Батыя. Фильм получился довольно страшным, но зато правдивым.

— В колодце были найдены останки 79 человек, — говорит Николай Макаров. — Они были сброшены туда, после того как перезимовали под открытым небом. Очевидно, что погибли все и хоронить было некому. Только спустя несколько месяцев, видимо, из ближних деревень пришли на разрушенное место люди и стали хоронить погибших. Делали специальные могильники или просто сбрасывали в колодцы и закапывали. Среди погибших и мужчины, и женщины, хорошо сохранились остатки одежды, а на телах — следы колотых и резаных ран, нанесенных татарским оружием; поверх тел лежал деревянный лук. Это значит, ярославцы отчаянно сопротивлялись.

Но самое интересное обнаружилось, когда провели антропологический анализ останков. Оказалось, что мужчины из ярославского колодца выше среднего русича тех времен примерно на 5–7 см. Они имели крепкое телосложение, хорошо развитую мускулатуру и следы многочисленных заживших ран на черепах и конечностях. Скорее всего, это и есть те потерянные герои с реки Сить. После битвы они собрали погибших и добрели до Ярославля, где приняли еще один бой, после которого в живых уже не осталось никого. Спустя много месяцев в одном колодце оказались и тела защитников Ярославля, и останки погибших на Сити.

8. Клетку убедили стать стволовой

Событие Возможность получать стволовые клетки из любых других клеток.

Область Биология и, возможно, медицина.

Выбор эксперта Алексей Оловников, ведущий научный сотрудник Института биохимической физики РАН, биолог-теоретик: «Самым значимым в этом году было развитие методов по созданию стволовых клеток из нестволовых».

Содержание Первая работа на эту тему была опубликована в 2006 году группой Шинья Яманаки из Университета Киото. Они взяли клетки соединительной ткани мышей и ввели в них набор из четырех генов. Клетки перепрограммировались в стволовые, из которых можно получить любую ткань — мышечную, нервную и т. д.

В прошлом году японцы продолжили эксперименты. Они ввели перепрограммированные клетки в эмбрион мыши и получили химерное животное: одни клетки оказались потомками «родного» эмбриона, другие — искусственно введенных. В том же году несколько лабораторий в разных странах начали проводить похожие эксперименты, но уже с клетками человека.

После первых же результатов стало понятно, что набор генов, вызывающий перепрограммирование клеток, зачастую превращает их в раковые. Оставались и другие, фундаментальные, вопросы. Например: любую ли клетку можно превратить в стволовую? Или: теряется ли с возрастом их способность к изменению? Если мы это узнаем, то поймем, как работают гены, что в конечном счете ведет (и приведет когда-нибудь) к фантастическим возможностям в управлении организмом.

В 2008 году наблюдался всплеск работ по созданию стволовых клеток из нестволовых. Впервые удалось получить такие клетки из лимфоцитов человека. Другая работа: удалось уменьшить число внесенных чужих генов до двух, что сильно снижает вероятность перерождения клеток в раковые. Третий пример: клетки 82−летней женщины, больной боковым амиотрофическим склерозом, удалось конвертировать в стволовые, из которых затем получили здоровые моторные нейроны, то есть те клетки, которые при этой болезни отмирают.

Уже сейчас стволовыми клетками пробуют лечить — пока в режиме клинических испытаний. Например, ими обкалывают пораженные тромбофлебитом мышцы или вносят при инфарктах в сердце. Понятно, что эти исследования находятся в самом начале. Также понятно, что их логическое продолжение — выращивание тканей и органов пациентов. Плюс получение «генетически улучшенных» тканей, то есть генная терапия.

И все бы хорошо, но стволовые клетки пока получают из человеческих эмбрионов.

— Когда речь зашла о том, что стволовые клетки полезны, выяснилось, что хороши только эмбриональные стволовые клетки, — говорит Оловников. — И тогда же поднялся большой шум, потому что брать их из эмбрионов не совсем этично. С помощью новых методов можно получать стволовые клетки от самого пациента. Я вообще не удивлюсь, если за эту работу дадут Нобелевскую премию по медицине.