Текст книги "Научные открытия 2020"

Илья Колмановский
Научные открытия 2020

Редактор Анастасия Маркелова

Иллюстрации Андрея Попова

Главный редактор и руководитель проекта Лана Богомаз

Корректор Зоя Скобелкина

Вёрстка Заира Войцеховская, Ольга Макаренко

Дизайн обложки Диана Труш

Дизайн макета Дарья Лукьянова

© Илья Колмановский, 2021

© Андрей Попов, 2021

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина Паблишер», 2021

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

⁂

Я не буду писать обычную рецензию, а просто опишу ситуацию, случившуюся со мной, когда я открыла первую страницу этой книги и начала читать. В эту же самую секунду возникло ощущение, что у меня руках что-то, чем нельзя не поделиться. Как будто я стою за занавеской и собираюсь съесть что-то вкусное одна. Я поняла, что это нечестно и неправильно, и стала ждать свою младшую дочку и её подружек, которые онлайн занимались музыкой.

И вот я сидела и ждала, а в это время моя рука как-то отдельно от меня переворачивала странички, а мои глаза как-то отдельно от меня подглядывали, что же там написано дальше. Вот как будто мне десять лет и я сижу надкусываю конфетки из общей коробки.

Девочки освободились, и наконец-то я с чистой совестью набросилась на эту книгу. Она оказалась невероятно интересной и, к сожалению, очень короткой. Поэтому мы сразу, без паузы начали читать сначала. Чего и вам советую. Только не повторяйте мою ошибку. Не начинайте читать в одиночестве.

Тема № 1
ихтиозавр, пойманный на удочку

Молодой палеонтолог из России Николай Зверьков несколько лет назад приехал в лондонский Музей естествознания (где происходит действие фильма «Приключения Паддингтона») с пятиметровым удилищем, скотчем и фотоаппаратом. Он намеревался изучить древнейшие скелеты морских ящеров, которые висят на стене под самым потолком.

Этим некрупным ихтиозаврикам не повезло. Их скелеты откопали 150 лет назад и, на скорую руку зарисовав детали устройства ласт и челюстей, повесили в музее очень высоко, где их нельзя толком разглядеть.

Когда смотришь на старинные рисунки, кажется, что у ихтиозавров совсем короткие ласты. Из-за этого они получили название Nannopterygius, «крошечноластый». Но Николай Зверьков не поверил этим рисункам. Он вообще с детства ничему не верит, а всё проверяет сам. Кстати, имейте в виду: это отличный способ совершить открытие!

Единственная возможность изучить скелеты в музее – поднять фотоаппарат на огромную высоту. Дождавшись выходного дня, Зверьков примотал камеру скотчем к удочке, раздвинул удилище на полную длину и немедленно увидел: ласты у «крошечноластого» – совершенно обычные. Быстро сделав несколько снимков, учёный превратил их в наглядные рисунки и начал готовить революцию. Он стал писать коллегам из разных стран с просьбой внимательно посмотреть на мелких ихтиозавров в их коллекциях.

И тут выяснилась замечательная вещь. В каждом европейском музее были свои мелкие ихтиозавры, и всюду им давали разные имена. Вот такой «патриотизм»: это наш, наш собственный норвежский (английский, немецкий, московский) ихтиозавр, и со своим собственным названием! Но, только посмотрев на них свежим взглядом, удалось доказать: на самом деле всё это – один вид. Ведь в ту эпоху, 200 млн лет назад, от Лондона до Москвы простиралось единое море. И в нём плавало практически единое стадо ихтиозавров!

В 2020 году Зверьков опубликовал про своих ихтиозавров научную статью, и теперь начнётся самое интересное: учёные станут расследовать историю этого вида, как он жил, как размножался, кого боялся, кого ел. Он всё равно будет называться Nannopterygius, таковы правила – останется самое старое название. Ну и пусть, зато сохранится напоминание о том, как важно иногда перепроверять старые истины.

Тема № 2
голубая «кровь», или проверка проверки

МЕЧЕХВОСТЫ – это такие древние существа, чей шоколадного цвета панцирь размером и формой похож на перевёрнутую тарелку, а длинный хвост действительно напоминает кинжал. А ноги у них почти как у скорпионов – они, собственно, родственники, только мечехвосты живут в океане и на берег выходят исключительно для того, чтобы отложить яйца во влажный песок.

Они прожили совершенно без новостей полмиллиарда лет. Возникли и вымерли динозавры, возникли и вымерли мамонты, появились люди – а мечехвосты продолжали заниматься своими делами. А потом оказалось, что удивительная голубая «кровь» мечехвостов – самая дорогая жидкость на свете и от неё зависят наши жизни. В связи с этим мечехвостам пришлось очень туго. А в пандемию COVID-19 им вообще грозит вымирание.

Дело в том, что в последние сто лет мы производим всё больше и больше разных лекарств, которые вкалывают людям при помощи шприца: вакцины, обезболивающие, антибиотики… Каждый, кто читает эти строки, получил в жизни десятки уколов. Вы, конечно, помните, что при уколе можно занести инфекцию – поэтому место укола протирают спиртом. А шприц и игла, пузырёк с лекарством и вода, пробочка пузырька и абсолютно всё оборудование на заводе, где делают лекарство, должны быть стерильными: ни одной живой бактерии. Это не очень сложно, и мы давно придумали, как строить такие заводы и, главное, проверять, нет ли у бактерий шанса где-то поселиться и размножиться. Всё можно прогреть, продезинфицировать спиртом.

Но, несмотря на все меры предосторожности, в определённый момент обнаружилось, что, если сделать какой-то укол миллионам людей, у части из них почему-то развивается аллергия и некоторые даже умирают. Словно в любом лекарстве может оказаться что-то ещё, опасное для человека…

Выяснилось, что даже убитые бактерии – опасны. Хотя сами они уже не могут заражать организм, их убитые «тельца» содержат опасный тип яда, так называемый эндотоксин. Быстро проверить, нет ли в лекарстве следов этого токсина, было невозможно. Любой укол был лотереей.

И тогда на выручку пришли наши герои – мечехвосты. Оказалось, что их организм выработал систему защиты от токсинов: как только их ярко-голубая «кровь» вступает в контакт с таким ядом, тут же образуется сгусток. Если это происходит в пробирке, такой тёмный сгусток хорошо видно невооружённым глазом. Он чем-то похож на сгусток крови, который образуется в ранке, тоже для защиты, и останавливает кровотечение. Поищите такие штучки у себя на коленях или локтях, если вы недавно падали на асфальт, – есть?

Сегодня мечехвостов собирают на берегу Атлантического океана, в штате Нью-Джерси (США). В особых стерильных лабораториях у этих животных забирают кровь из вены. Потом их выпускают обратно в море. Это чем-то напоминает дойку коровы, только один литр (пакет молока) такой жидкости стоит около 1 млн рублей (как 20 000 пакетов молока). На любом производстве лекарств используют всего несколько капель: берут пробы из всех баков и чанов, из всех пузырьков, проверяют некоторые пробочки и некоторые иголочки. Если где-то увидят тот самый грозный сгусток – тут же уничтожают всю партию. Это всё равно что сигнал пожарной тревоги.

В последнее время мечехвостов стало меньше. Экологи считают, что те часто гибнут, отдав кровь: возможно, погибает один из трёх, а не один из ста, как нас уверяют фирмы-заготовители. А скоро мечехвостам предстоит принять на себя серьёзный удар и защитить миллиарды человек одновременно. Догадываетесь почему? Ну конечно! Для того, чтобы остановить пандемию, мы должны будем подготовить вакцину и вколоть её огромному количеству людей по всему миру.

Вообще-то у нас уже есть искусственная жидкость, которая работает как «кровь» мечехвостов. Её тоже можно применять на заводах. Уже два года именно так проверяют безопасность лекарства от головной боли. Причём обязательно тут же используют и голубую «кровь» – для подстраховки.

И вот в 2020 году закипел спор: как мы будем защищать себя от токсинов при производстве вакцины? Правительство США запретило применять новый тест – он ещё слишком мало используется, следовательно, есть риск, что не сработает в одном случае на миллион и кто-то из вакцинированных пострадает. В Европе разрешили – значит, уже не так много мечехвостов погибнет.

А какой способ защиты предпочли бы вы? Тот, который используется уже очень давно и точно надёжен, или относительно новый? Как долго, на ваш взгляд, нужно проверять проверку?

Тема № 3
как смертельный яд стал лекарством

После истории про мечехвостов я хочу рассказать о похожей суперспособности одного из обитателей моря, которую мы теперь будем использовать. Причём сам обитатель останется там же, где и был, – мы не будем его истреблять. Мы только украдём его интеллектуальную собственность.

Конусы – это такие морские улитки с красивой раковиной. Но не вздумайте собирать их, если встретите в путешествии где-нибудь в Таиланде: уже известно около тридцати случаев гибели людей от яда этих грозных морских хищников.

Улитка – грозный хищник? Да, за 50 млн лет эволюции эти небыстрые моллюски научились мгновенно обездвиживать свою добычу укусом, который доставляет в организм жертвы сразу 3–4 разных яда: один останавливает работу сердца, другой – дыхание, третий парализует мышцы. После этого высовывается хобот, обхватывает несчастного червя, или мелкую улитку, или даже рыбку; в хоботе мясо превращается в смузи, а потом всасывается победителем. Когда я ныряю ночью с фонарём на тропических рифах, я всегда стараюсь находить конусов и наблюдать за их удивительной охотой!

Молекулы этих ядов – они называются конотоксины – идеально годятся на роль… лекарств! Они маленькие, очень быстро усваиваются и оказывают прицельное действие на разные процессы в организме. Всё, что нужно, – слегка изменить форму этих молекул, подобрать дозу – и так вместо яда можно, например, получить самое сильное на свете обезболивающее. Врачи уже используют такое лекарство, чтобы помогать больным, на которых не действуют никакие другие обезболивающие!

И вот в 2020 году учёные из Швейцарии заявили, что у них готово новое лекарство. Его формулу им подсказал самый страшный конус, конус географический. Он называется так потому, что узор на раковине немного похож на географическую карту. Одного взгляда на него достаточно, чтобы догадаться, что он опаснее всех: видите, какое широкое устье у раковины? В него должна пролезть довольно крупная добыча, а значит, яда в его укусе очень много. Именно этот конус виноват в большинстве смертельных случаев среди неопытных любителей раковин.

Этот смертоносный конус умеет делать невероятную вещь. Представьте себе, что вы хищник и гонитесь со всех ног за жертвой, а жертва убегает от вас. Работает ваш мотор и тратит топливо, то есть калории, которые вы получили из пищи. Работает мотор жертвы и тоже тратит топливо. А теперь вы просто дыхнули как дракончик, в воздухе распылилось вещество, жертва сделала вдох – и в её организме мгновенно кончилось топливо. Как будто она упала в обморок от голода и совсем не может пошевелиться!

У нас бывает похожее состояние, если мы очень давно не ели. А потом, когда в желудке переварились макароны, в крови появляется сахар – да-да, из макарон тоже получается сахар!

Поджелудочная железа узнаёт об этом и выделяет особую сигнальную молекулу, инсулин. Сигнал разлетается по всему телу. Всем клеткам отдаётся приказ: немедленно начать захватывать сахар из крови.

Есть, правда, люди, у которых поджелудочная железа очень плохо работает: энергия в клетках может кончиться, но они всё равно не понимают, что надо забрать сахар из крови. Такой человек не просто чувствует слабость, он может даже впасть в кому. Эта болезнь называется диабет.

Раньше мы убивали собак и из их организма получали инсулин, чтобы люди с диабетом могли колоть его себе. Но это лекарство было недостаточно эффективным. Потом мы научили специальные бактерии производить на заводах человеческий инсулин, который теперь продаётся в аптеках. Но этот препарат работает не очень быстро, а иногда нужно срочно спасать человека, впавшего в кому. И вообще, зачем в XXI веке пользоваться таким старьём – человеческим инсулином, если мы можем собирать суперспособности всех организмов на планете?

Теперь у нас есть решение получше. Конус распыляет в воде самый быстродействующий инсулин на свете. Когда жертва вдыхает этот яд, в её крови мгновенно кончается сахар и наступает обморок – это даёт хищнику время догнать и захватить добычу, нанести ей несколько смертоносных укусов и не спеша переварить.

Итак, мы воспользуемся инсулином конусов! Мы выяснили, как он устроен, – и, чуть поменяв его, заставим трудолюбивые бактерии на заводе производить нужные молекулы.

Тема № 4
киборг, которого перепрошили

Иан Буркхарт неудачно искупался в океане: подпрыгнул на высокой волне, нырнул головой вниз, но наткнулся на мель и сломал шею. Друзья довезли его до больницы, и оказалось, что Иан полностью парализован. Началась очень трудная жизнь в инвалидном кресле: чтобы совершить любое, даже самое простое действие, ему теперь нужна помощь.

Девять лет назад Иан увидел объявление и решил добровольно поучаствовать в опасном эксперименте. Врачи под общим наркозом сделали отверстие у него в голове и вживили чип в ту часть мозга, где возникают мысли о движении. Иан стал одним из первых в мире киборгов – у него есть разъём для подключения компьютера. Теперь Иан живёт с крышечкой на голове, которую нельзя мочить, но, когда надо, её отвинчивают и подключают его к системе. Компьютер расшифровывает сигналы мозга и понимает, что человек решил, например, сжать подлокотник своего инвалидного кресла.

Сигнал идёт по особым электродам, подключённым к мышцам руки: эти проводки могут давать мышцам лёгкий удар током и добиваться, чтобы они сработали. В первый же день, когда Иана подключили к этой системе, он подумал: «сжать стакан, сжать стакан» – и был совершенно счастлив и поражён тем, что увидел. Рука схватила предмет на столе! Пусть и ненадолго, всего лишь на несколько часов работы в лаборатории, но этот человек снова получил возможность управлять своим телом! Он научился играть в компьютерную игру Guitar Hero и пользоваться кредитной карточкой.

К сожалению, всё это было осуществимо только в лаборатории. Потом оборудование отключали, снимали, крышечку завинчивали, и Иан отправлялся домой, к своей обычной жизни.

Чип Иана должен был проработать всего год – на больший срок никто не надеялся. Но устройство прослужило гораздо дольше. Так долго, что на работу в этот проект успели прийти новые учёные. У одного из них, по имени Патрик Гензер, возникла идея: сделать новую прошивку, добавить новую функцию. Ну, почти так же, как вы ставите новую игру на телефон, – только это не телефон, а живой человек.

Дело в том, что Иан ничего не чувствует пальцами руки. Вот вы берёте предмет не задумываясь, но на самом деле ваш мозг успевает сто раз спросить у вашей руки, правильно ли происходит захват, не соскользнёт ли палец, это лёгкий бумажный стаканчик и его можно помять, повредить или это тяжелый предмет и его можно выронить. А Иану, чтобы взять предмет, нужно внимательно смотреть на него – в этот момент он, например, не видит собеседника.

Разбираясь с файлами в компьютере, Патрик понял, что в потоке сообщений о двигательных сигналах Иана он видит нечто странное. Оказалось, что, несмотря на перебитую шею, в мозг молодого человека всё-таки поступает сигнал о том, что чувствует рука, – просто слишком слабый, чтобы его уловило сознание. Но компьютер научился ловить и этот сигнал. Как бы доставить его в сознание Иану? Очень просто.

Сообщение о том, что рука чего-то коснулась, компьютер превращал в команду мотору, и на плече юноши с большой силой сжималась особая манжетка. Это пожатие Иан отлично чувствовал! Учёные завязали ему глаза и попросили поднять руку и опустить на стол. Иан не мог угадать, просто ли упала рука на стол или обхватила толстый деревянный штырь, по форме похожий на банку газировки.

Но как только включили новую систему, киборг стал каждый раз угадывать правильно: он быстро выучил новый язык, научился понимать, что сжатие манжетки – это то же самое, что ощущение от пальцев, обхвативших какую-то вещь.

Правда, потом деньги в проекте кончились, и уже год Иан сидит дома и грустит. В пандемию у учёных появилось время, и они смогли подготовить великолепную научную статью про этот эксперимент. Я прочитал её и поговорил с Ианом и Патриком, чтобы получше разобраться в этой истории.

Очень надеюсь, что деньги найдутся и Иан продолжит работу в экспериментах, – она даёт ему ощущение смысла в жизни, а ещё надежду очень многим людям вроде него. Ведь когда похожие устройства можно будет просто надеть на голову и носить, каждый желающий сможет стать киборгом и управлять дополнительными роботизированными руками усилием мысли.

Через 10 лет в мире, возможно, появится около миллиона таких киборгов, и их жизнь будет гораздо веселее!

Тема № 5
органоиды

В 2020 году американские учёные заразили кишечники, лёгкие и печени десятков людей вирусом SARS-CoV2, вызывающим COVID-19, – только сами люди спокойно жили своей жизнью, то есть сидели дома. Всем этим издевательствам в лаборатории подвергались крошечные, размером с рисовое зерно, копии их органов. Учёные научились брать небольшой комок клеток у человека из-за щеки: можно просто поскрести там ватной палочкой – а потом растить клетки в стеклянной посуде и превращать во что угодно. Таким копиям правильнее было бы давать названия в кавычках: «печени», «кишечники», «лёгкие» – это всё же не совсем органы. На научном языке они называются органоидами. И в 2020 году у них было множество приключений.

Эта история началась пять лет назад, когда совсем молодая исследовательница Мадлен Ланкастер пыталась выращивать мозг плодовых мушек в чашке Петри – такое блюдечко, на котором обычно неплохо живут и растут группы клеток животных. Мозг отказывался расти, а ещё его всё время смывала питательная жидкость, которую Мадлен вынуждена была менять каждый день, чтобы клетки не голодали. Ей очень хотелось найти какое-то решение. Тогда Мадлен использовала липкий гель, чтобы клетки не уплывали, и тут произошла вещь, которую никто до неё не видел. Клетки стали расти внутри геля во все стороны: влево и вправо, вверх и вниз.

Любой наш орган так и живет в теле: у него есть толщина, ширина и высота. У мозга, конечно, тоже есть толщина, ширина и длина, и клетки в мозге образуют много слоёв, как торт «Наполеон». Эти слои договариваются друг с другом, какой слой за что отвечает, распределяют задачи, передают друг другу информацию, думают, запоминают. До Мадлен никто не мог вырастить такую многослойную штуку в лабораторных условиях. Учёные впервые получили возможность видеть, как работает крошечный мозг целиком, а не отдельные его клетки, и проводить над ним эксперименты. Причём речь идёт не только о мозге мух, но и о мозге человека. Например, о вашем собственном мозге и даже о тысяче ваших мозгов, живущих в чашках Петри.

Каждый, кто читает эту книгу, начал свою жизнь с одной клетки. Она появилась за девять месяцев до его рождения. Клетки умеют делиться пополам и расти, потом снова делиться и расти, и после 45 таких удвоений получается примерно 50 килограммов человека. Но читающий эту книгу – не бесформенный ком клеток, сидящий на стуле. У него есть скелет и мышцы, кожа и кишечник, лёгкие и мозг. Клетки каждого органа знают свою работу, и они, как правило, уже не могут поменять «профессию». Если только они не попались на ватную палочку учёным и не поселились в чашке Петри.

Сегодня мы можем взять клетки из-за щеки и перепрограммировать их. Они забывают свою «профессию» – тот факт, что жили в щеке и что щеке этой (в моём, например, случае) было 44 года. Они считают, что должны заново создать организм с нуля. Рано или поздно так и будет, и ученые клонируют человека – сделают одну или множество его копий, близнецов, из таких вот клеток. Но пока что это запрещено законами всех стран. Зато никто не запрещает заставить эти обновлённые клетки строить не целый организм, а отдельные органы.

Правда, целые органы мы пока выращивать не умеем – только органоиды, не больше рисового зерна, потому что дальше начинаются проблемы с их питанием. Зато мы можем вырастить из одного комочка – тысячи. И делать с ними что угодно – у них нет никаких прав. Хотя в прошлом году учёные забеспокоились: крошечные органоиды мозга начали… думать! Точнее, в них зародились импульсы, очень похожие на работу обычного мозга. Это сложно себе представить: копии моего мозга, и в них – «мысли». Чьи? Мои? Их собственные? Бьётся эта «мысль» в чашке Петри, но у неё даже нет тела, она не может решить, что надо бы куда-то сбежать или хотя бы попросить как следует помыть чашку Петри и добавить соли в питательный раствор.

В одном эксперименте в органоид мозга обычного человека вживили гены неандертальца. Это такой вымерший уже вид людей. Известно, что у некоторых из них мозг был даже больше, чем у нас. И, конечно, интересно узнать, как работал их мозг, – возможно, органоиды скоро нам об этом расскажут. В другом эксперименте органоиды мозга отправили на Международную космическую станцию, чтобы посмотреть, как они будут развиваться в невесомости. Только представьте себе: вы ходите по Земле, а копии вашего мозга летают на орбите – поразительно!

Ещё пример. Учёные из Германии вырастили тысячи органоидов кишечника пациента, больного раком, – и в каждом органоиде жил его рак. Этому больному не помогали лекарства. Учёные поселили органоиды в тысячи крошечных пластиковых ямок. Робот поставил тысячи экспериментов с этими «кишечничками» и подобрал лекарство, которое убивает именно этот рак. Больного успели вылечить.

В другом эксперименте в 2020 году крысам пересадили органоиды человеческой печени, которые тоже вырастили из клеток, взятых из-за щеки. В животе у крыс к органоидам проросли крысиные кровеносные сосуды, и «печёнки» стали получать по ним питание и расти, а потом – заработали на полную мощность! Грызуны несколько дней переваривали корм человеческими «печёнками»! Скоро таким образом мы сможем выращивать себе уже не органоиды, а целые органы на запчасти. Кто откажется иметь в запасе десяток почек на случай болезни? Или парочку сердец к старости? Пригодится, да?