Топ-10 научных открытий, которые взорвали 2014 год

Science - академический журнал Американской ассоциации содействия развитию науки,  опубликовал рейтинг главных научных прорывов уходящего года.

Science – академический журнал Американской ассоциации содействия развитию науки,  опубликовал рейтинг главных научных прорывов уходящего года. Его выбор заслуживает внимания, поскольку Science считается наряду с Nature самым авторитетным в мире научным изданием с миллионной аудиторией. Рейтинг научных открытий Science составляет с 1996 года, его Топ-10 высоко ценят в мировом научном сообществе, анализируя при выборе кандидатов на получение Нобелевской премии.

Комета расскажет о Земле

Неудивительно, что среди самых ярких научных прорывов года по версии Science – посадка спускаемого аппарата на комету Чурюмова- Герасименко. Несмотря все неполадки и их пагубные последствия при посадке аппарата Philae, это выдающееся событие в истории космоса. Стоит хотя бы представить, что после десятилетнего путешествия через 6,5 млрд км Rosetta точно попала в нужное место и в нужное время. Научное значение этой миссии огромно. В частности, она поможет выяснить происхождении жизни на Земле.

Фото: lookfor.orgОжидается, что зонд Philae, который сейчас разряжен, возобновит работу весной, когда подзарядится от Солнца. Неожиданных открытий астрономы ждут и с продолжающего вращаться вокруг кометы орбитального зонда Rosetta. Планируется, что в феврале аппарат снизится и станет летать на высоте лишь 6 км над кометой, фотографируя ее поверхность с разрешением несколько дюймов на пиксель. А в июле, когда комета начнет активно испаряться, ученые заставят спутник нырнуть в фонтан испаряющегося льда, чтобы узнать его состав. Изначально запланированная дата окончания миссии, декабрь 2015 года, теперь может быть отодвинута до 2016 года. Возможно также, что орбитальный зонд удастся приблизить к комете и посадить на нее, не дожидаясь, когда он просто истратит топливо.

Как динозавры стали прицами

Команда исследователей во главе с палеонтологами из Эдинбургского университета  собрали самую большую базу данных об эволюционной трансформации динозавров в птиц и построила ее в виде генеалогического древа. Новое исследование показало, что некоторые анатомические особенности птиц, такие как перья, крылья и вилочковые кости впервые частично появились еще у динозавров десятки миллионов лет назад.

С появлением в ходе эволюции полноценной птицы начался эволюционный взрыв. Этот процесс ускорил развитие пернатых, что привело к появлению их огромного количества, которое мы наблюдаем сегодня.

Фото: sciencedaily.com

Ученые изучили эволюционные связи между древними птицами и их ближайшими родственниками, динозаврами, проанализировав анатомические конфигурации более 850 частей тел 150 вымерших видов. Затем они использовали статистические методы для анализа данных и составления генеалогического древа.

Выводы указывают на то, что появление птиц около 150 миллионов лет назад происходило очень медленно, динозавры приобретали  птичьи анатомические особенности постепенно. Таким образом, четкую линию между исчезновением динозавров и появлением птиц провести невозможно. Результаты исследования поддерживают теорию, предложенную в 40-х годах, согласно которой появление частей форм тела разу у нескольких видов неизбежно приводит к эволюционному взрыву. Трансформация динозавров в птиц не менее удивительное событие в истории жизни на Земле, чем появление людей вследствие эволюции обезьян. Поэтому этот вопрос требует максимально тщательного изучения.

Молодая кровь против старости

Ученые Гарвардского института стволовых клеток (Harvard Stem Cell Institute) показали, что белок GDF11, который есть и в организме человека,  может значительно улучшить состояние сердца, а также оказывает положительное влияние и на функции головного мозга и скелетных мышц. Оказывается, в молодости у людей более высокие уровни белка GDF11 и его потеря приводит к общему старению организма. Опыты продемонстрировали, что повышение уровня GDF11у старых мышей корректирует функции каждой из изученных на сегодня систем органов.

Белок омолаживает сердце, увеличивает мускульную силу и провоцирует рост нейронов в мозгу. Другая работа показала, что молодая кровь улучшает у обладателей старой пространственную память. Эксперименты уже проводятся и над людьми – добровольцам, страдающим болезнью Альцгеймера, вкололи инъекции плазмы крови от более молодых доноров. Результаты будут объявлены через год.

Рой минироботов отправится в космос

Ученые из Гарвардского университета создали 1024 миниробота, которые могут самостоятельно объединяться в группы для выполнения какого-либо задания. Каждый робот размером с пятикопеечную монету взаимодействует с другими, вместе они выстраиваются в различные фигуры, принимают различные формы. Исследователи разработали программу, которая позволяет роботам работать над той или иной задачей, принимая во внимание действия «соседа», а не опираясь на команды из »центра».

Роботы питаются от литиевых аккумуляторов на 3,4 вольта, самостоятельно заряжая их на станции питания. Они передвигаются на трех жестких ножках и оснащены парой вибромоторов. За коммуникацию отвечает инфракрасный приемопередатчик: сигнал посылается на пол, отражается и распознается ближайшими соседями.

Фото: dailytechinfo.org

Ученых вдохновили «социальные» насекомые, такие как муравьи, термиты, пчелы, стаи рыб и птиц. Эти существа могут взаимодействовать друг с другом для выполнения сложных задач, хотя ни один индивидуум ими фактически не руководит. Рой минироботов сможет помогать очищать разливы нефти в море, будет применяться в военной разведке, исследовать планеты и морские глубины.

«Живой» компьютерный чип

IBM создала чип с новой архитектурой, который работает по подобию мозга человека. Чип не имеет аналогов – он содержит миллион «нейронов» и 256 млн «синапсов». Раньше компании IBM удалось создать микросхему, имеющую 256 «нейронов». У нового чипа многократно возросло количество ядер – теперь их 4096 штук. Кроме того, это самая крупная из когда-либо существовавших CMOS-микросхем: в нем содержится 5,4 млрд транзисторов.

Фото: softpedia.com

При этом показатели энергопотребления рекордны – чип в целом потребляет 70 мВт, что, в сравнении с современными полупроводниковыми компонентами, гораздо меньше. С этой разработкой человечество еще на шаг приблизилось к созданию того компьютера, функционирующего как человеческий мозг. Программу финансирует Агентство передовых оборонных исследовательских проектов Министерства обороны США, на проект уже потрачено $53 млн.

Стволовые клетки от диабета

Сотрудники Фонда изучения стволовых клеток в Нью-Йорке взяли стволовые клетки выращенных эмбрионов и трансформировали их в клетки Лангерганса (бета-клетки), вырабатывающие инсулин. Предполагается, что метод положит основу новой эре борьбы с сахарным диабетом первого типа.

Новые разработки в этой сфере тормозились вопросами этики: для получения стволовой ткани требуются эмбрионы. Однако ученые нашли выход: генетический материал клетки кожи пациентки с сахарным диабетом перенесли в безъядерную яйцеклетку. Исследователям удалось получить клетки, которые в дальнейшем сохранили возможность развиваться в клетки самых разных тканей: нейроны, клетки поджелудочной железы, хрящевые клетки и пр. А самое главное, они превращаются в бета-клетки, производящие инсулин – именно те, которых недостает организму диабетика.

Фото: novostimira.com.ua

Благодаря методике, больные смогут избавиться от инсулиновой зависимости: нужный гормон будут производить его собственные новые клетки. Технология может использоваться не только для лечения диабета, но и других болезней: Паркинсона, заболеваний печени, рассеянного склероза, а также для замены или восстановления поврежденных костей.

Азиаты рисовали раньше европейцев

Ученые из Университета Гриффита нашли в Индонезии на острове Сулавеси наскальные рисунки возрастом 40 тыс. лет. Это пошатнуло существующие представления об эволюции современного человека и о том, в какой части света люди впервые обрели абстрактное мышление и искусство. До того считалось, что древнейшими в мире примерами наскальной живописи являются изображения животных во французской пещере Шове, которые были сделаны примерно 40 тыс. лет назад.

Фото: nationalgeographic.comНовое открытие ставит индонезийские творения рук человека в один ряд с древнейшими европейскими рисунками древних людей и недавно открытыми в Гибралтаре картинками неандертальцев. Наскальная живопись – один из первых проявлений абстрактного мышления, появления человека, каким он является теперь. Европейцы больше не могут говорить, что первыми развили абстрактное мышление. Они делят пальму первенства как минимум с ранними жителями Индонезии.

Как сделать плохие воспоминания хорошими
Группа нейрофизиологов под руководством профессора Судзуми Тонегавы, нобелевского лауреата, основателя Института обучения и памяти Массачусетского технологического института (MIT), научилась превращать плохие воспоминания в хорошие. Этой работой ученые подвели научную базу под работу психотерапевтов, которые лечат фобии и постстрессовые расстройства.

На нашу память полагаться нельзя, нам только кажется, что мы в точности помним события, которые происходили. Но, во-первых, как показали эксперименты, память искажается при любом воспоминании, так как в этот момент происходит стирание и перезапись информации (как на жестком диске компьютера). Во-вторых, со временем может поменяться эмоциональная окраска воспоминаний. Хорошие воспоминания могут стать плохими и наоборот.

Фото: oceaneyre.com.au

Как мозг это делает, ученые до сих пор не знали. Японские и американские нейрофизиологи наконец разобрались в мозговом механизме, связывающем память с эмоциями, и сумели поменять эмоциональное восприятие одного и того же места. Для этого использовался метод оптогенетики – определенные нейроны мозга возбуждали светом, идущим по вживленному оптоволокну. Исследователи заключили, что внешним воздействием можно переключить память о каком-то событии на другие эмоции, чтобы они перестали быть травмирующими

Миниспутники выходят в космос

В этом году значительных успехов удалось достичь в развитии технологии Cubesat – спутников, масса которых не превышает 10 кг – так называемых пико- (до 1 кг) и наноспутников (от 1 до 10 кг). Появился еще более малый формат покетсат – в несколько сотен или десятков грамм и несколько сантиметров. Традиционно такие аппараты используются для обучения и отработки новых технологий, однако сфера их применения постоянно расширяется. В частности, комплекс из таких устройств способен вести наблюдения за земной поверхностью, которые порой недоступны даже большим спутникам.

Сложность использования кубсатов обусловлена их небольшим размером –  он сильно ограничивает доступную электрическую мощность из-за недостаточной площади солнечных батарей, и низкую скорость передачи данных на землю по радиоканалу. Мощности миниатюрного передатчика и антенны хватает лишь для работы вблизи Земли- уже на геостационарной орбите скорость падает до 10 бит в секунду.

Фото: it.ibtimes.com

На больших спутниках применяют раскладные антенны. Проводились и эксперименты по использованию надувных с применением газа в баллонах, но для крошечных спутников CubeSat это слишком громоздко. Специалисты MIT предложили для надувания антенн для кубсатов химические вещества, способные к сублимации (фазовому переходу из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое) в условиях космоса, в частности – бензойную кислоту. Антенна представляет собой «воздушный шарик» одна сторона которого сделана из металлизированного майлера, а другая – из прозрачного. Металлизированная половина при надувании принимает параболическую форму и служит рефлектором. В вакууме достаточно давления, чтобы антенна расправилась.

Эксперименты и компьютерное моделирование показали, что надувная антенна способна в семь раз увеличить предельное расстояние, на котором сигнал со спутника будет приниматься на Земле – возможна будет передача с орбиты Луны и еще дальше. На геостационарной орбите скорость передачи данных может достичь 100 килобит в секунду. Надувная антенна в сложенном виде будет занимать примерно половину модуля CubeSat.

Новые буквы в «книге жизни»

Наследственная информация всех живых организмов закодирована в молекулах ДНК с помощью четырех букв генетического алфавита, теперь ученые добавили к ним еще две. В ДНК используется четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), которые в русскоязычной литературе обозначаются А, Г, Ц и Т. Это своеобразный генетический алфавит, ведь именно последовательность азотистых оснований в молекуле ДНК обеспечивает хранение, передачу из поколения в поколение программы развития всех живых организмов.

Фото: southcn.comНо в последние годы исследователи, работающие в сфере синтетической биологии, почувствовали, что столь скудного алфавита для реализации некоторых идей уже не хватает. А потому взялись за создание искусственных, не существующих в природе нуклеотидных оснований. В этом году американским ученым из исследовательского института Скриппса в Ла-Холья удалось внедрить в геном живой бактерии – кишечной палочки Escherichia coli искусственные азотистые основания – X и Y. В результате получили настоящую живую клетку, обладающую расширенным запасом генетической информации. Ее внедрили в живой организм, чтобы его клетки развивались и самовоспроизводились, сохраняя новую генетическую информацию.

Цель эксперимента – заставить организм самостоятельно получать чужеродные основания и воспроизводить искусственную ДНК. Экспериментами заинтересовались крупные компании разных сфер.

В частности, генетический код из шести вместо четырех букв позволит придать бактерии целый ряд полезных биохимических свойств, которых она изначально не имела. Благодаря этому будут производить усовершенствованные лекарства нового поколения.