Доктор физико-математических наук Александр Печень описал «Ленте.ру» самые перспективные направления физики и смежных наук по итогам самой крупной премии для молодых ученых National Blavatnik Award. Сейчас Печень - ведущий научный сотрудник и ученый секретарь Математического института имени В.А. Стеклова Российской академии наук, он получил образование на физическом факультете в МГУ, работал в Принстонском университете и стал одним из первых россиян, получивших премию Блаватника в 2009 году.

Главная тема

Фото: Jens Kalaene / ZB / Global Look

Фотоника исследует возможности применения света для передачи, хранения, обработки информации, управления микрообъектами (клетками, макромолекулами) и квантовыми системами (отдельными атомами). Основанные на фотонике технологии могут ускорить либо сделать энергетически менее затратными передачу, хранение и обработку информации. Это важно, например, для дата-центров, являющихся сейчас крупнейшими потребителями энергии в США. Модулированный свет и искусственно созданные материалы с особыми, не встречающимися в природе оптическими свойствами, - основа лазерной и фотохимии, а также таких интересных вещей, как «плащи-невидимки» и оптического пинцета.

Практическое применение фотоники

Фото: Tachi Laboratory, the University of Tokyo

Метаматериалы - новый класс искусственных материалов со специальными оптическими свойствами, позволяющими скрывать объекты, делать их невидимыми. Теоретически такие материалы впервые исследовались советским физиком Виктором Веселаго.

В настоящее время ведется активная разработка таких материалов. Например, в 2009 году физики ковры-невидимки для инфракрасного света.

Оптический пинцет - инструмент, позволяющий манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света, например, сортировать и перемещать отдельные клетки, белковые молекулы.

Премия, учрежденная американским миллиардером российского происхождения Леонидом Блаватником, присуждается работающим в США исследователям младше 42 лет. Сумма - 250 тысяч долларов - позволяет считать ее своеобразным аналогом Нобелевской премии для молодых ученых. В США чествовали лауреатов этого года, и состоялся симпозиум, посвященный самым перспективным научным тенденциям современности.

Номинанты

Премия присуждается в трех номинациях: «науки о жизни» (биология, медицина, нейробиология и т.д.), «физические и инженерные науки», «химия». В 2015 году было выдвинуто около 300 номинантов из 147 американских институтов и университетов. По каждой из дисциплин отобрали примерно по десять финалистов. Затем из каждой группы финалистов выбрали одного лауреата. Все три лауреата этого года представляют Калифорнийский университет: Эдвард Ченг (Edward Chang, университет Сан-Франциско, специализация науки о жизни), Сид Джафар (Syed Jafar, университет Ирвина, физические науки) и Кристофер Чанг (Christopher Chang, университет Беркли, химия).

Сейчас в фотонике формируется новый подход к управлению квантовыми системами, то есть отдельными атомами или молекулами. (Это основная тема научных работ Александра Печеня - прим. «Ленты.ру» ). Традиционно частицами управляют посредством лазера с изменяемой интенсивностью излучения. Новые методы используют для этого окружающую среду. В традиционных системах ее влияние практически никогда нельзя устранить, и она оказывает разрушительное воздействие на атомные и молекулярные квантовые системы. Однако теперь влияние внешней среды учитывается и используется для управления этими системами.

Управление квантовыми системами применяется в контроле скорости химических реакций с помощью лазера для повышения выхода желаемого продукта реакции и селективного разрыва химической связи в сложных молекулах, разделения изотопов с помощью лазеров или некогерентного оптического излучения. Квантовое управление применяется и в квантовых вычислениях, которые пока исследуются, и на практике - для повышения быстродействия магнитно-резонансных томографов.

Квантовые симуляторы и новые материалы

Квантовые материалы могут применяться в устройствах квантовой памяти, для создания высокотемпературной сверхпроводимости, биодиагностики на основе квантовых точек, суперконденсаторов на основе лазерно-индуцированного графена.

Для моделирования биологических молекул, кристаллов, атомных ядер и других сложных систем требуется рассчитывать квантовую динамику большого числа частиц, что абсолютно недоступно современным вычислительным устройствам. Квантовые симуляторы - модельные квантовые системы, подстройка параметров которых позволяет моделировать другие представляющие практический интерес сложные системы. Фактически квантовые симуляторы - это аналоговые квантовые компьютеры.

Медицинские и биотехнологии

Фото: Robson Fernandjes / Estadao Conteudo / Global Look

В области наук о жизни более внимание ученые уделяют развитию телемедицины - использованию телекоммуникационных технологий, например, смартфонов, вместе с различными медицинскими сенсорами для удаленной диагностики заболеваний без личного визита к врачу. Именно это направление была самым заметным среди примеров коммерциализации научных разработок.

Однак из перспективных областей нейронаук - оптогенетика, изучающая управление нейронами с помощью световых импульсов. Применение оптоволоконных световодов и светочувствительных белков позволяет добиться высокой точности воздействия на нервные клетки. Благодаря прицельной активации и выключению различных зон мозга оптогенетика в последние годы произвела настоящую революцию в исследованиях нервной системы.

Математическая физика

Современные теоретические модели требуют сложного математического аппарата. Хотя Нобелевская премия по этой дисциплине не вручается, но есть менее известные, а также номинации в близких областях. Например, Климент Хонглер (Clement Hongler) стал лауреатом региональной премии Блаватника 2014 года. Примечательно, что степень PhD он получил под руководством российского математика и лауреата Филдсовской премии Станислава Смирнова. Хонглер сообщил о новых точных результатах в модели Изинга - математической модели, применяемой для описания процесса намагничивания материалов. Модель Изинга также служит основой для наиболее крупных на сегодня квантовых вычислительных устройств D-Wave, производимых компанией D-Wave Systems. Оговорюсь, что продолжаются дискуссии о том, в какой степени эти компьютеры следует считать квантовыми.

Работы Хонглера находятся на стыке статистической механики, теории вероятностей, комплексного анализа и квантовой теории поля. Им с соавторами получены строгие результаты исследования модели Изинга, в том числе в такой важной области, как установление связи критической модели Изинга с конформной теорией поля Белавина, Полякова и Замолодчикова - универсальной теорией, служащей для описания разных критических явлений в физике, то есть ситуаций, когда незначительное изменение какого-то параметра, например температуры, приводит к самым радикальным изменениям в поведении физической системы.

Также интересными являются направления, связанные с блуждающими планетами, не связанными с какой-либо звездой, и создание новых наблюдательных инструментов, которые в ближайшее время введут в строй для поиска и исследования планет вне Солнечной системы. Они помогут значительно расширить наши знания о таких планетах, исследовать химический состав их атмосфер, определить наличие органических веществ и искать там жизнь.

Коммерциализация исследований

Современная тенденция - коммерциализация научных открытий. На мероприятии, посвященном вышеупомянутой премии, почти два десятка компаний в области медицинской диагностики, хранения энергии, анализа данных, были основаны лауреатами премии. Также развивается Гарвардский центр Блаватника по ускоренному развитию биомедицины (Harvard Blavatnik Biomedical Accelerator).

Уровень современной науки позволяет сравнительно быстро переходить от фундаментальных исследований к прикладным, а затем применять научные открытия в коммерческих продуктах.

Физикам уже более ста лет известно о квантовых эффектах, например, способности квантов исчезать в одном месте и появляться в другом, или же находиться в двух местах одновременно. Однако поразительные свойства квантовой механики применимы не только в физике, но и в биологии.

Лучший пример квантовой биологии - фотосинтез: растения и некоторые бактерии используют энергию солнечного света, чтобы построить нужные им молекулы. Оказывается, фотосинтез на самом деле опирается на поразительное явление - маленькие массы энергии «изучают» все возможные пути для самоприменения, а затем «выбирают» самый эффективный. Возможно, навигация птиц, мутации ДНК и даже наше обоняние так или иначе опираются на квантовые эффекты. Хотя эта область науки пока весьма умозрительна и спорна, учёные считают, что однажды почерпнутые из квантовой биологии идеи могут привести к созданию новых лекарств и биомиметических систем (биомиметрика - ещё одна новая научная область, где биологические системы и структуры используются для создания новых материалов и устройств).

3. Экзометеорология

Юпитер

Наряду с экзоокеанографами и экзогеологами, экзометеорологи заинтересованы в изучении природных процессов, происходящих на других планетах. Теперь, когда благодаря мощным телескопам стало возможно изучать внутренние процессы на близлежащих планетах и спутниках, экзометеорологи могут следить за их атмосферными и погодными условиями. и Сатурн со своими невероятными масштабами - первые кандидаты для исследований, так же как и Марс с регулярными пылевыми бурями.

Экзометеорологи изучают даже планеты за пределами нашей Солнечной системы. И что интересно, именно они могут в итоге найти признаки внеземной жизни на экзопланетах путём обнаружения в атмосфере органических следов или повышенного уровня углекислого газа - признака индустриальной цивилизации.

4. Нутригеномика

Нутригеномика - это изучение сложных взаимосвязей между пищей и экспрессией генома. Учёные, работающие в этой области, стремятся к пониманию роли генетических вариаций и диетических реакций на то, как именно питательные вещества влияют на геном.

Еда действительно оказывает огромное влияние на здоровье - и начинается всё в буквальном смысле на молекулярном уровне. Нутригеномика работает в обоих направлениях: изучает, как именно наш геном влияет на гастрономические предпочтения, и наоборот. Основной целью дисциплины является создание персонализированного питания - это нужно для того, чтобы наша еда идеально подходила нашему уникальному набору генов.

5. Клиодинамика

Клиодинамика - это дисциплина, сочетающая в себе историческую макросоциологию, экономическую историю (клиометрику), математическое моделирование долгосрочных социальных процессов, а также систематизацию и анализ исторических данных.

Название происходит от имени греческой музы истории и поэзии Клио. Проще говоря, клиодинамика - это попытка предугадать и описать широкие социальные связи истории - и для изучения прошлого, и как потенциальный способ предсказать будущее, например, для прогнозов социальных волнений.

6. Синтетическая биология

Синтетическая биология - это проектирование и строительство новых биологических частей, устройств и систем. Она также включает в себя модернизацию существующих биологических систем для бесконечного количества полезных применений.

Крейг Вентер, один из ведущих специалистов в этой области, заявил в 2008-м году, что он воссоздал весь геном бактерии путем склеивания её химических компонентов. Два года спустя его команда создала «синтетическую жизнь» - молекулы ДНК, созданные при помощи цифрового кода, а затем напечатанные на 3D-принтере и внедрённые в живую бактерию.

В дальнейшем биологи намерены анализировать различные типы генома для создания полезных организмов для внедрения в тело и биороботов, которые смогут производить химические вещества - биотопливо - с нуля. Есть также идея создать борющуюся с загрязнениями искусственную бактерию или вакцины для лечения серьёзных болезней. Потенциал у этой научной дисциплины просто огромный.

7. Рекомбинантная меметика

Эта область науки только зарождается, однако уже сейчас ясно, что это только вопрос времени - рано или поздно учёные получат лучшее понимание всей человеческой ноосферы (совокупности всей известной людям информации) и того, как распространение информации влияет на практически все аспекты человеческой жизни.

Подобно рекомбинантной ДНК, где различные генетические последовательности собираются вместе, чтобы создать нечто новое, рекомбинантная меметика изучает, каким образом - идеи, передающиеся от человека к человеку - могут быть скорректированы и объединены с другими мемами и мемеплексами - устоявшимися комплексами взаимосвязанных мемов. Это может оказаться полезным в «социально-терапевтических» целях, например, борьбы с распространением радикальных и экстремистских идеологий.

8. Вычислительная социология

Как и клиодинамика, вычислительная социология занимается изучением социальных явлений и тенденций. Центральное место в этой дисциплине занимает использование компьютеров и связанных с ними технологий обработки информации. Конечно, эта дисциплина получила развитие только с появлением компьютеров и повсеместным распространением интернета.

Особое внимание в этой дисциплине уделяется огромным потокам информации из нашей повседневной жизни, например, письмам по электронной почте, телефонным звонкам, постам в социальных сетях, покупкам по кредитной карте, запросам в поисковиках и так далее. Примерами работ может послужить исследование структуры социальных сетей и того, как через них распространяется информация, или же как в интернете возникают интимные отношения.

9. Когнитивная экономика

Как правило, экономика не связана с традиционными научными дисциплинами, но это может измениться из-за тесного взаимодействия всех научных отраслей. Эту дисциплину часто путают с поведенческой экономикой (изучением нашего поведения в контексте экономических решений). Когнитивная же экономика - это наука о том, как мы думаем. Ли Колдуэлл, автор блога об этой дисциплине, пишет о ней:

«Когнитивная (или финансовая) экономика… обращает внимание на то, что на самом деле происходит в разуме человека, когда он делает выбор. Что представляет собой внутренняя структура принятия решения, что на это влияет, какую информацию в этот момент воспринимает разум и как она обрабатывается, какие у человека внутренние формы предпочтения и, в конечном счете, как все эти процессы находят отражение в поведении?».

Иными словами, учёные начинают свои исследования на низшем, упрощённом уровне, и формируют микромодели принципов принятия решений для разработки модели масштабного экономического поведения. Часто эта научная дисциплина взаимодействует со смежными областями, например, вычислительной экономикой или когнитивной наукой.

10. Пластиковая электроника

Обычно электроника связана с инертными и неорганическими проводниками и полупроводниками вроде меди и кремния. Но новая отрасль электроники использует проводящие полимеры и проводящие небольшие молекулы, основой которых является углерод. Органическая электроника включает в себя разработку, синтез и обработку функциональных органических и неорганических материалов наряду с развитием передовых микро- и нанотехнологий.

По правде говоря, это не такая уж и новая отрасль науки, первые разработки были сделаны ещё в 1970-х годах. Однако свести все наработанные данные воедино получилось только недавно, в частности, за счёт нанотехнологической революции. Благодаря органической электронике у нас скоро могут появиться органические солнечные батареи, самоорганизующиеся монослои в электронных устройствах и органические протезы, которые в перспективе смогут заменить человеку повреждённые конечности: в будущем так называемые киборги, вполне возможно, будут состоять в большей степени из органики, чем из синтетических частей.

11. Вычислительная биология

Если вам одинаково нравятся математика и биология, то эта дисциплина как раз для вас. Вычислительная биология стремится понять биологические процессы посредством языка математики. Это в равной степени используется и для других количественных систем, например, физики и информатики. Учёные из Университета Оттавы объясняют, как это стало возможным:

«По мере развития биологического приборостроения и лёгкому доступу к вычислительным мощностям, биологии как таковой приходится оперировать всё большим количеством данным, а скорость получаемых знаний при этом только растёт. Таким образом, осмысление данных теперь требует вычислительного подхода. В то же время, с точки зрения физиков и математиков, биология доросла до такого уровня, когда теоретические модели биологических механизмов могут быть проверены экспериментально. Это и привело к развитию вычислительной биологии.»

Ученые, работающие в этой области, анализируют и измеряют всё, начиная от молекул и заканчивая экосистемами.

Как работает «мозгопочта» - передача сообщений от мозга к мозгу через интернет

10 тайн мира, которые наука, наконец, раскрыла

10 главных вопросов о Вселенной, ответы на которые учёные ищут прямо сейчас

8 вещей, которые не может объяснить наука

2500-летняя научная тайна: почему мы зеваем

3 самых глупых аргумента, которыми противники Теории эволюции оправдывают своё невежество

Можно ли с помощью современных технологий реализовать способности супергероев?

Науки возникают не сами по себе, не потому, что их кто-то выдумывает просто «из интереса». Любая наука появляется в результате необходимости решения человечеством тех или иных задач, вставших в процессе его развития. Биология не исключение, она тоже возникла в связи с решением очень важных для людей проблем. Одной из них всегда было более глубокое постижение процессов в живой природе, связанных с получением пищевых продуктов, т. е. знание особенностей жизни растений и животных, их изменений под воздействием человека, способов получения надежного и все более богатого урожая. Решение этой проблемы - одна из фундаментальных причин развития биологии.

Другая, не менее важная «пружина» - это изучение биологических особенностей человека. Человек - продукт развития живой природы. Все процессы нашей жизнедеятельности подобны тем, которые происходят в природе. И поэтому только глубокое понимание биологических процессов служит научным фундаментом медицины. Появление сознания, означающее гигантский шаг вперед в самопознании материи, тоже не может быть понято без глубоких исследований живой природы по крайней мере в двух направлениях - возникновение и развитие мозга как органа мышления (до сих пор загадка мышления остается неразрешенной) и возникновение социальности, общественного образа жизни.

Увеличение производства продуктов питания и развитие медицины - важные, но не единственные проблемы, определявшие развитие биологии как науки на протяжении тысячелетий. Живая природа является источником многих необходимых для человечества материалов и продуктов. Нужно знать их свойства, чтобы правильно использовать, знать, где искать их в природе, как получать. Во многом исходным источником таких знаний оказывается биология. Но и этим не исчерпывается значение биологических наук.

В XX в. население Земли настолько возросло, что развитие человеческого общества стало определяющим фактором развития биосферы Земли. К настоящему времени выяснилось, что живая природа не только источник пищи и множества необходимых продуктов и материалов, но и необходимое условие существования самого человечества. Наши связи с ней оказались гораздо более тесными и жизненно необходимыми, чем это считали еще в начале XX в.

Например, воздух казался таким же неиссякаемым и постоянным ресурсом природы, как, скажем, солнечный свет. На самом деле это не так. Тот качественный состав атмосферы, к которому мы привыкли, с его 20,95% кислорода и 0,03% углекислого газа - производное деятельности живых существ: дыхания и фотосинтеза растений, окисления отмершего органического вещества. Кислород воздуха возникает только в результате жизнедеятельности растений. Главные фабрики кислорода на Земле - тропические леса и океанские водоросли. Но уже сегодня, как показывают наблюдения, количество углекислого газа в атмосфере Земли постоянно возрастает в результате освобождения огромного количества углерода при сгорании нефти, газа, угля, древесины, а также других антропогенных процессов. С 1958 по 1980 г. количество углекислого газа в атмосфере Земли увеличилось на 4%. К концу века содержание его может возрасти более чем на 10%. В 70-е гг. XX в. количество кислорода, поступавшего в атмосферу в результате жизнедеятельности растений, оценивали в т/год, а ежегодное потребление человечеством - в т/год. Это значит, что мы живем уже за счет запасов кислорода, накопленных в прошлом, на протяжении миллионов лет эволюции живых существ на планете.

Та вода, которую мы пьем, точнее - чистота этой воды, ее качество тоже определяется в первую очередь живой природой. Наши очистные сооружения лишь завершают тот огромный процесс, который незримо для нас происходит в природе: вода в почве или водоеме многократно проходит через тела мириадов беспозвоночных, фильтруется ими и, освобождаясь от органических и неорганических примесей, становится такой, какой мы ее знаем в реках, озерах и ключах.

Таким образом, качественный состав и воздуха, и воды на Земле зависит от жизнедеятельности живых организмов. Следует добавить, что и плодородие почвы - основа урожая - результат жизнедеятельности обитающих в почве живых организмов: огромного числа бактерий, беспозвоночных, водорослей.

Человечество не может существовать без живой природы. Отсюда жизненно важная для нас необходимость сохранить ее в «рабочем состоянии».

К сожалению, это не так просто сделать. В результате освоения человеком всей поверхности планеты, развития сельского хозяйства, промышленности, вырубки лесов, загрязнения материков и океанов все большее число видов растений, грибов, животных исчезает с лица Земли. Исчезнувший вид восстановить невозможно. Он является продуктом миллионов лет эволюции и обладает уникальным генофондом - только ему присущим кодом наследственной информации, определяющим неповторимость свойств каждого вида. По некоторым подсчетам, в начале 80-[ гг. в мире ежедневно уничтожалось в среднем по одному виду животных, к 2000 г. этот темп может увеличиться до одного вида в час. В нашей стране один вид позвоночных животных исчезает в среднем за 3,5 года. Как изменить эту тенденцию и вернуться на эволюционно оправданный путь постоянного увеличения общей «суммы жизни», а не ее уменьшения? Эта проблема касается всего человечества, но решить ее без работы биологов невозможно.

Образно говоря, современная биология представляет собой огромное, многоэтажное здание, содержащее тысячи «комнат» - направлений, дисциплин, целых самостоятельных наук. Одно их перечисление может занять десятки страниц.

В здании биологии выделяются как бы четыре главных «этажа», соответствующие фундаментальным уровням организации живой материи. Первый «этаж» молекулярно-генетический. Объектом изучения живого оказываются здесь единицы наследственной информации (гены), их изменения - мутации и сам процесс передачи наследственной информации. Второй «этаж» онтогенетический, или уровень индивидуального развития. События на этом «этаже» пока наименее изученные в биологии. Здесь происходит таинственный процесс, определяющий появление в нужном месте, в нужное время того, что и должно появиться в ходе нормального развития каждой особи - ноги или глаза у животного, листа или коры у растения. Следующий «этаж» - популяционно-видовой уровень. Элементарные единицы на этом уровне - популяции, т. е. сравнительно небольшие, длительно существующие группы особей одного вида, внутри которых происходит обмен наследственной информацией. Элементарные явления здесь - необратимые изменения генотипического состава популяций и в конечном итоге возникновение разных приспособлений (адаптаций) и новых видов. На последнем, четвертом «этаже» протекают процессы в экологических системах разного масштаба - сложных сообществах многих видов, вплоть до биосферных процессов в целом. Элементарные структуры этих сообществ - биогеоценозы, а элементарные явления - переход биогеоценоза из одного состояния динамического равновесия в другое, что и ведет в конце концов к изменению всей биосферы в целом. На каждом уровне действуют свои собственные закономерности, но события, происходящие на каждом из них, тесно связаны с событиями на других уровнях.

В последние десятилетия несколько выдвинулась вперед молекулярная биология (по числу занятых в этой области ученых, по средствам, отпускаемым в разных государствах на развитие именно этого направления исследований). Получены замечательные результаты, начиная от чисто теоретических (расшифровка генетического кода и синтез первых искусственных генов) до практических (например, развитие генной инженерии). Сейчас начинает быстро развиваться популяционная биология, которая позволит успешно решить многие современные проблемы, связанные с увеличением производства продуктов питания, необходимых для численно растущего человечества, сохранения быстро исчезающих видов живых организмов, ряд проблем, связанных с грандиозной задачей перехода к управлению эволюционным развитием все большего и большего числа видов. Не за горами и интенсивное развитие биосферного «этажа» исследований.

Не надо думать, что биологами в классических областях - зоологии, ботанике, морфологии, физиологии, систематике и других - уже все сделано. Работы тут еще очень много. Знаете ли вы, что научно описано (приведены точные описания и дано научное название) менее половины населяющих нашу планету организмов - всего около 4,5 млн. видов, а по некоторым расчетам, не более трети или даже четверти их? Даже в нашей стране, расположенной в основном в умеренной климатической зоне, не отличающейся многообразием органических форм, ученые открывают ежегодно десятки новых видов (в основном беспозвоночных).

А разве не увлекательны исследования палеонтологов, которые по разрозненным остаткам ископаемых организмов воссоздают облик давно вымерших животных, реконструируют природу былых эпох, выясняют пути развития органического мира?

И здесь исследователей поджидают интереснейшие находки. Каким сенсационным, например, стало открытие древнейших доядерных ископаемых в породах возраста более 3 млрд. лет! Это значит, что уже тогда существовала жизнь на Земле. Не менее увлекательна и полна открытий работа генетиков, зоологов, ботаников, биохимиков, физиологов и др.

Нас, людей, на Земле становится все больше и больше, и мы хотим жить все лучше. Поэтому для развития общества требуется все больше сырья, разнообразных продуктов. Отсюда возникает грандиозная задача интенсификации всего народного хозяйства, в том числе и тех его отраслей, которые связаны с биологией, прежде всего сельского хозяйства, лесного и охотничье-промыслового, рыбного. Но не только этих отраслей. В нашей стране создана и успешно развивается, например, микробиологическая промышленность - огромная отрасль народного хозяйства, дающая пищевые и кормовые (для скота и птицы, разводимых рыб и др.) продукты, новейшие лекарства и медицинские препараты и даже помогающая добывать глубоко в недрах Земли различные полезные ископаемые. Вышла на старт и уже приносит первые плоды еще одна биологическая отрасль народного хозяйства - биотехнология, основанная на использовании открытых физико-химической (молекулярной) биологией процессов и структур для создания необходимых человечеству веществ и продуктов. О развитии важнейших направлений биологических наук, расширении их практической связи с медициной и сельским хозяйством говорится в «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года», принятых XXVII съездом КПСС.

Интенсификация означает и жесткую экономию природных ресурсов, их сохранение в интересах развивающегося общества. Замечательным свойством живых природных ресурсов оказывается их возобновляемость, способность к восстановлению в результате размножения живых организмов. Поэтому при интенсификации использования живых природных ресурсов можно и нужно добиваться того, чтобы они служили нам неограниченно долгое время. Это может быть сделано при организации настоящего хозяйственного, экономного использования и поддержания живых сил природы. Решением этих проблем занимаются многие ученые. Всем этим вопросам очень большое внимание уделяют партия и правительство. В Программе КПСС (новая редакция) записано: «Партия считает необходимым усиливать контроль за природопользованием, шире развернуть экологическое воспитание населения».

Когда возник замысел создания этой книги, одной из основных задач, поставленных перед коллективом авторов, было рассказать о важных и интересных чертах современной биологии, о том, чего уже удалось достичь в разных ее областях и какие нерешенные проблемы стоят перед биологами. Мы хотели, не повторяя учебника, но опираясь на знания, которые дает школьная программа по биологии, показать, над чем работают биологи в лабораториях и экспедициях. В словаре также немало очерков о выдающихся биологах нашей страны и других стран. Именно благодаря работе наших предшественников в науке мы обладаем сегодняшними знаниями.

Несколько слов о том, как надо читать эту книгу. В тексте вы часто встретите слова, выделенные курсивом. Это значит, что в словаре об этом понятии есть специальная статья. Ориентироваться в содержании словаря вам поможет алфавитный указатель, помещенный в конце книги. Обязательно загляните и в список литературы, рекомендованной для чтения.

Надеемся, что «Энциклопедический словарь юного биолога» поможет вам узнать немало нового и увлекательного о живой природе, найти ответы на интересующие вас вопросы, пробудит и разовьет интерес к замечательной науке о живом - биологии.

11 Июля 2008

Науки о жизни (life sciences) объединяют самые разные отрасли биологии, биотехнологии и медицины. В последние годы это – один из приоритетов мировой науки и экономики. Выбор наук о жизни в качестве приоритетного направления развития объясняется рядом причин. Эти науки являются основой для обеспечения первоочередных потребностей человечества.

Прежде всего, это здравоохранение. Для того, чтобы заботиться о здоровье, надо понимать, что творится со здоровым человеком, и что происходит при патологии. Особенно важное значение приобретают науки о жизни в условиях увеличения средней продолжительности жизни: необходимость обеспечить пожилым членам общества здоровую и активную старость ставит перед биологией и медициной новые задачи. Во-вторых, растущее население мира и рост благосостояния требует разработки новых способов повышения продуктивности сельского хозяйства, новых сортов растений – не только более урожайных, но и обладающих улучшенными потребительскими свойствами. В-третьих, возрастающая нагрузка, оказываемая человечеством на природу, требует всё более глубокого изучения экологии и принятия мер по снижению этой нагрузки – например, за счет методов получения биотоплива, биоразрушаемых пластмасс, прогрессивных способов ведения сельского хозяйства, снижения уровня загрязнения окружающей среды и биоремедиации – восстановления загрязненных или разрушенных биоценозов.

Центральным звеном, объединяющим науки о жизни, являются биотехнологии в самом широком понимании этого термина.

Приоритет живых систем

Идентификация личности и надежная диагностика заболеваний, выращивание органов для человека и создание сельскохозяйственных культур с повышенным содержанием витаминов, жиров и белков, новые вакцины и лекарства – эти и многие другие технологии по праву относятся к широчайшему пространству, названному «живыми системами».

Создание развитой экономики в постиндустриальном обществе невозможно без обновления технологического уклада и форм научной деятельности, соответствующих уходящему экономическому строю. Поэтому одна из ключевых задач нашего государства – формирование эффективного и конкурентного сектора науки и инноваций. Основной инструмент государства в области развития науки и технологий – федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007–2012 годы». В рамках этой программы государство финансирует работы, соответствующие выбранным научным и научно-техническим государственным приоритетам, один из которых – «Живые системы».

Справка STRF.ru:
Работы по приоритетному направлению «Живые системы» ведутся и в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы». В рамках этого направления в 2008 году разрабатывались, в частности, следующие критические технологии:
– биомедицинские и ветеринарные технологии жизнеобеспечения и защиты человека и животных;
– биокаталитические, биосинтетические и биосенсорные технологии;
– геномные и постгеномные технологии создания лекарственных средств;
– клеточные технологии;
– технологии биоинженерии.

Понятие «науки о жизни» (life sciences) пришло на смену привычному понятию «биологические науки» и дало общее название всем наукам о живом: зоологии и генетике, ботанике и молекулярной биологии, физиологии и биохимии, экологии и медицине. Все, кто работают в этих областях, имеют дело с живыми системами, то есть с живыми организмами, будь то человек или цветок, вирус или бактерия. Можно сказать, что живые системы – это всё, что размножается, дышит, питается, движется.

Однако речь идёт не просто о смене названия. Термин «живые системы» более активный, более структурированный. Он отражает системный подход к этой междисциплинарной области науки и знания, в которой работают биологи, химики, физики, математики. Кроме того, термин «Живые системы» очень технологичен. Он предусматривает не только познание и открытие принципов организации живого, но и использование этого знания в виде новых технологий. Такой подход предлагает разным специалистам сообща двигаться от научной идеи к ее практическому воплощению и использованию в интересах людей.

Идентификация личности и надежная диагностика заболеваний, выращивание органов для человека и создание сельскохозяйственных культур с повышенным содержанием витаминов, жиров и белков, новые вакцины и лекарства – эти и многие другие технологии по праву относятся к широчайшему пространству, названному «живыми системами». Исследования и разработки, выполненные в этой области, наполнят нашу промышленность наукоемкими технологиями, улучшат здоровье и повысят безопасность граждан России. Вот почему живые системы – один из главных государственных приоритетов в области науки техники, активно поддерживаемый с помощью федеральных целевых программ.

Этот сборник вкратце познакомит читателя с понятием технологических платформ и биотехнологий, а также некоторыми разработками ведущих российских научных коллективов, работающих в приоритетном направлении «Живые системы».

Справка STRF.ru:
Распределение финансирования по направлению «Живые системы» в рамках Федеральной целевой программы в 2008 году по регионам (млн. руб.):
ДВФО – 9 контрактов, бюджет 116,5
ПФО – 17 контрактов, бюджет 140,1
СЗФО – 32 контракта, бюджет 156,0
СФО – 34 контракта, бюджет 237,4
УФО – 1 контракт, бюджет 50
ЦФО – 202 контракта, бюджет 2507,8
ЮФО – 4 контракта, бюджет 34,85

Знания как технология

В разговоре о развитии фундаментальных и прикладных разработок в области живых систем всё чаще встречается понятие «технология». В современной, постиндустриальной экономике под технологиями понимают совокупность документированных знаний для целенаправленной деятельности с использованием технических средств (например, организационные технологии, технологии потребления, социальные технологии, политические технологии). Следует заметить, что в рыночной экономике технологии, как разновидность знаний, являются товаром. Комплекс знаний, обозначаемый этим понятием, ставит вопросы не только о том, что мы делаем, но и как, а главное, зачем мы это делаем.

При определении стратегий развития научно-технического комплекса в масштабах страны используют понятие «технологическая платформа». Однозначного определения этого термина пока нет. Тем не менее уже очевидно, что это понятие включает в себя совокупность знаний, методик, материально-технической базы и квалифицированного персонала, меняющуюся в зависимости от внешних заказов на проведение научно-технологических работ. Приоритетное направление «Живые системы» можно рассматривать как совокупность нескольких технологических платформ.

Раскрытые тайны

Из живых систем мы черпаем технологии, которые для природы – норма жизни. Она использует их при зарождении, развитии и смерти любого живого организма. Причем на каждом уровне иерархии живой системы – генетическом, клеточном, организменном – работает свой набор технологических решений.

Любая живая система начинается с главной молекулы жизни, ДНК, которая хранит и передает из поколения в поколение наследственную информацию. ДНК можно условно разбить на смысловые участки – гены. Они посылают команды синтезировать те или иные белки, формирующие признаки организма и обеспечивающие его жизнь. Количество генов у человека учёные оценивают в 20–25 тысяч. Если в генах случились поломки, называемые мутациями, у человека развиваются тяжелые заболевания. Объем текста, «записанного» в геноме, идентичен подшивке ежедневной газеты «Известия» за 30 лет.

ДНК живет и работает в клетке. Живая клетка – само совершенство. Она умеет превращать бесполезные вещества в нужные, синтезировать для организма внутренние лекарства, строительный материал и многое другое. Каждую минуту в живой клетке протекают миллионы химических реакций при самых обычных условиях – в водной среде, без высокого давления и температур.

Одна клетка живет сама по себе лишь в одноклеточных организмах – бактериях., большинство же живых систем многоклеточные. В теле взрослого человека содержится в среднем 10 14 клеток. Они рождаются, трансформируются, выполняют свою работу и умирают. Но при этом живут в согласии и сотрудничестве, выстраивая коллективные системы защиты (иммунная система), адаптации (регуляторная система) и другие.

Шаг за шагом мы раскрываем тайны живых систем и на основании этого знания создаем биотехнологии .

Биотехнологии

Биотехнологии можно определить как процессы, в которых живые системы или их компоненты используются для производства веществ или других живых систем. Живые существа – это своеобразные «фабрики», перерабатывающие исходные материалы (питательные вещества) в самые разнообразные продукты, необходимые для поддержания их жизни. А кроме того, эти фабрики способны воспроизводиться, то есть порождать другие очень похожие «фабрики».

Сегодня мы уже знаем многое о том, как устроены и функционируют «работники» живых фабрик – геном, клеточные структуры, белки, сами клетки и организм в целом.

Благодаря этим знания, пусть ещё неполным, исследователи научились манипулировать отдельными элементами живых систем – генами (геномные технологии), клетками (клеточные технологии) – и создавать генетически измененные живые организмы с полезными для нас признаками (генная инженерия). Мы умеем приспосабливать природные «фабрики» для производства необходимого нам продукта (промышленные биотехнологии). И более того – генетически модифицировать эти фабрики, чтобы они синтезировали то, что нужно нам.

Так мы создаем биотехнологии, о которых дальше и пойдет речь. Но прежде, чем мы познакомим вас с примерами технологий, уже поставленных на службу человеку, несколько слов нужно сказать об изящном решении, которое сегодня помогает ученым проникать в тайны жизни и познавать механизмы живых систем. Ведь процессы, протекающие в клетке, не видимы, и научный поиск требует технологий, с помощью которых можно их увидеть и понять. Кстати, это решение – уже само по себе биотехнология.

Светящиеся белки

Чтобы узнать, как работают гены, надо увидеть результат их работы, то есть белки, которые синтезируются по их команде. Как разглядеть именно те, которые мы ищем? Учёные нашли метод, который позволяет сделать белки видимыми, светящимися в ультрафиолетовом свете.

Такие светящиеся белки встречаются в природе, например, в морских рачках и медузах. Во время второй мировой войны японцы использовали в качестве локального источника света порошок из «морского светлячка» – рачка с двустворчатой раковиной. Когда его размачивали в воде, он ярко светился. Именного из этого морского светлячка и медуз О.Симомура (Япония) в конце 50-х годов ХХ века впервые выделил светящиеся белки. С этого началась история знаменитого сегодня GFP – зеленого флуоресцентного белка (green fluorescent protein). А в 2008 году О.Симомура, М.Челфи и Р.Циен (США) за флуоресцентные белки получили Нобелевскую премию по химии. С помощью этих белков можно заставить светиться самые разные живые объекты, от клеточных структур до целого животного. Флуоресцентный фонарик, который удавалось с помощью генетических манипуляций прицеплять к искомым белкам, позволил увидеть, где и когда этот белок синтезируется, в какие участки клетки направляется. Это был переворот в биологии и медицине.

А вот красные флуоресцентные белки впервые нашли в кораллах и других морских организмах два российских исследователя – Михаил Мац и Сергей Лукьянов. Теперь у нас есть флуоресцентные белки всех цветов радуги, и сфера их применения очень широка: от переднего края биологии и медицины, в том числе онкологии, и обнаружения ядовитых и взрывчатых веществ до светящихся аквариумных рыбок.

Под руководством член-корреспондента РАН С.Лукьянова (Институт биоорганической химии РАН) создана российская биотехнологическая компания «Евроген», которая снабжает ученых всего мира разноцветными флуоресцентными метками. Сегодня «Евроген» – один из лидеров на мировом рынке флуоресцентных белков для биологических исследований.

Генетическая идентификация

Все мы очень разные. Внешность, характер, способности, восприимчивость к лекарствам, неприятие той или иной пищи – все это задано генетически. Уникальность генома каждого из нас делает его надежным инструментом для установления личности. По существу, наши гены – это те же отпечатки пальцев, только иной природы. Метод ДНК-идентификации ввел в криминалистическую практику британский исследователь Алик Джефрис в 80-х годах прошлого века. Сегодня это уже распространенная и привычная процедура во всем мире.

Используется она и в России. Однако реагенты для анализа мы закупаем за рубежом. В Институте общей генетики РАН под руководством член-корреспондента РАН Николая Янковского создается набор реагентов для ДНК-идентификации человека. Появление такого отечественного инструмента очень своевременно, поскольку с 1 января 2009 года вступит в силу закон «О геномной регистрации», принятый Государственной Думой РФ 19 ноября 2008 года. Разработка наших учёных не только позволит отказаться т импорта, но и даст в руки криминалистов более совершенный инструмент, который, в отличие от западных аналогов, работает с сильно разрушенной ДНК. А это частый случай в судебно-медицинской экспертизе.

С помощью этого инструмента будет решена еще одна важнейшая социальная задача – создание банка генетических данных нарушителей закона, благодаря которому увеличится раскрываемость преступлений и сократится время расследования. В Великобритании база генетических данных людей, так или иначе связанных с криминальным миром, уже насчитывает несколько миллионов человек.

Метод ДНК-идентификации особенно хорош для установления личности людей, погибших в войнах, катастрофах и при других обстоятельствах. Сегодня его используют и в России. Наиболее известный случай – идентификация останков последней царской семьи. Завершающий этап этой большой работы – идентификация останков сына и дочери императора – выполнен профессором Евгением Рогаевым, заведующим отделом геномики Института общей генетики РАН.

Наконец, ещё одна область применения метода ДНК-идентификации – установление отцовства. Исследования показывают, что несколько процентов юридических отцов не являются биологическими. Долгое время отцовство устанавливали по анализу крови ребенка и родителя – определяли группу крови, резус-фактор и сопоставляли данные. Однако этот метод был ненадежен по своей сути, как теперь понимают исследователи, и давал много ошибок, которые оборачивались личными трагедиями. Применение ДНК-идентификации повысило точность анализа практически до 100%. Сегодня эта методика для установления отцовства доступна и в России.

Генетическая диагностика

Сделать полный анализ генома одного человека пока стоит огромных денег – два миллиона долларов. Правда, через десять лет, по мере совершенствования технологий, цена упадет, по прогнозам, до тысячи долларов. Но ведь можно и не описывать все гены. Зачастую достаточно оценить работу только отдельных групп генов, критичных для возникновения разных недугов.

Генетическая диагностика требует особых устройств, миниатюрных, быстрых и точных. Эти устройства называются биочипами. Первый в мире патент на биочипы для определения структуры ДНК принадлежит России – коллективу академика Андрея Мирзабекова из Института молекулярной биологии им. В.А.Энгельгардта РАН. Тогда, в конце 80-х годов прошлого века, коллектив Мирзабекова разработал технологию микроматриц. Биочипами их стали называть позднее.

Биологические микрочипы – это небольшая пластинка из стекла или пластика, на поверхности которой расположено множество ячеек. В каждой из таких лунок находится маркер на тот или иной участок генома, который надо обнаружить в образце. Если на биочип капнуть образец крови пациента, то можно узнать, есть ли в нем то, что мы ищем – соответствующая лунка будет светиться из-за флуоресцентной метки.

Разглядывая отработанный биочип, исследователи могут ставить диагноз о предрасположенности к тем или иным заболеваниям, а также обнаруживать в крови пациента опасные вирусы, например, туберкулеза или гепатита С. Ведь вирус – это не что иное, как кусочек чужеродной ДНК в белковой оболочке. Благодаря новой методике длительность сложных лабораторных анализов биологических материалов сократилась с нескольких недель до одного дня.

Сегодня биологические микробиочипы разрабатывают десятки компаний в странах Европы и в США. Однако российские биочипы успешно выдерживают конкуренцию. Один анализ с помощью тест-системы «Биочип-ИМБ» стоит всего 500 рублей, в то время как использование зарубежного аналога обходится в 200–500 долларов.

А в Институте молекулярной биологии РАН приступили к сертификации биочипов, выявляющих разновидности вируса гепатита С у пациента. Рыночный потенциал новой технологии огромен. Ведь с помощью традиционных анализов в каждом третьем случае не удаётся выяснить, к какой разновидности относится найденный вирус. Теперь эта задача решена.

С помощью ДНК-диагностики можно не только выявлять заболевания и предрасположенность к ним, но и корректировать повседневную диету. Например – включать в нее цельное молоко или нет. Дело в том, что у многих людей цельное молоко вызывает тошноту, понос и общее недомогание. Это происходит из-за недостатка фермента, разрушающего молочный сахар – лактозу. Из-за него-то в организме и возникают неприятности. А наличие фермента обусловлено генетически. Согласно генетическим исследованиям, от трети до половины взрослых людей в нашей стране (в зависимости от региона) не способны усваивать цельное молоко. Тем не менее, школьная диета по-прежнему предписывает стакан молока в день каждому ребенку. С помощью ДНК-диагностикума, разработанного в Институте общей генетики РАН, легко установить, кому может быть рекомендовано цельное молоко, а кому нет. На это нацелен проект «Сохранение здоровья здоровых людей», реализуемый РАН совместно с администрацией Тамбовской области.

Генная терапия

Генетическая диагностика строит фундамент для медицины будущего. Но медицина – это не только диагноз, это и лечение. Можем ли мы исправлять дефектные гены в живом организме или заменять их полноценными в тех тяжелых случаях, когда традиционное лечение бессильно? Именно такую задачу ставит перед собой генная терапия.

Суть генной терапии на словах проста: необходимо либо «отремонтировать» поломанный ген в клетках тех тканей и органов, где он не работает, либо доставить в тело больного полноценный ген, который мы умеем синтезировать в пробирке. Сегодня разработано несколько методов введения новых генов в клетки. Это и доставка генов с помощью обезвреженных вирусов, микроинъекции генетического материала в ядро клетки, обстреливание клеток из специальной пушки мельчайшими частицами золота, которые несут на своей поверхности здоровые гены, и др. Пока успехов в области практической генной терапии совсем немного. Однако есть яркие и остроумные находки, сделанные, в том числе, в российских лабораториях.

Одну из таких идей, предназначенную для лечения рака, можно условно назвать «троянский конь». В раковые клетки вводят один из генов вируса герпеса. До определённой поры этот «троянский конь» не обнаруживает себя. Но стоит ввести в организм больного лекарство, широко используемое для лечения герпеса (ганцикловир), как ген начинает работать. В результате в клетках образуется чрезвычайно токсичное вещество, разрушающее опухоль изнутри. Ещё один вариант генной терапии рака – доставка в раковые клетки генов, которые спровоцируют синтез так называемых «суицидных» белков, приводящих к «самоубийству» раковых клеток.

Технологию доставки генов в раковые клетки разрабатывает большой коллектив ученых из Института биоорганической химии им. М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН, Российского онкологического научного центра РАМН, Института молекулярной генетики РАН, Института биологии гена РАН. Руководит работой академик Евгений Свердлов. Основной упор в проекте сделан на создание препаратов против рака легких (первое место по смертности) и рака пищевода (седьмое место). Однако создаваемые методики и конструкции пригодятся для борьбы с любым вида рака, которых более сотни. После необходимых клинических испытаний, если они будут успешны, препараты войдут в практику в 2012 году.

Диагностика рака

Большое количество научных коллективов в России и в мире работают над проблемой рака. Это и понятно: ежегодно рак собирает чуть меньшую смертельную жатву, чем сердечно-сосудистые заболевания. Задача ученых – создать технологии, позволяющие обнаруживать рак на самых ранних стадиях, и прицельно, без побочных эффектов для организма, уничтожать раковые клетки. Ранняя и быстрая диагностика, когда анализ занимает всего несколько часов, чрезвычайно важна и для традиционной терапии рака. Врачи знают, что болезнь легче уничтожать в зародыше. Поэтому в диагностических технологиях, отвечающих этим требованиям, нуждаются клиники всего мира. И здесь на помощь исследователям приходят биотехнологии.

Новый подход к ранней и быстрой диагностике рака впервые в мире предложил Александр Четверин из Института белка РАН. Суть метода – выявить в крови те молекулы мРНК, которые снимают информацию с соответствующих участков генома и несут команду на синтез раковых белков. Если такие молекулы присутствуют в образце крови пациента, то можно ставить диагноз: рак есть. Однако проблема в том, что именно этих молекул в образце крови очень мало, а других – много. Как найти и разглядеть те единичные экземпляры, которые нам нужны? Эту задачу решил коллектив ученых под руководством А.Четверина.

Исследователи научились размножать искомые, но невидимые молекулы-маркеры раковых клеток с помощью так называемой полимеразной цепной реакции (ПЦР).

В результате из одной невидимой молекулы вырастают целые молекулярные колонии, которые уже можно разглядеть в микроскоп. Если в образце крови пациента (скажем, в одном миллилитре) содержится хотя бы одна раковая клетка и одна молекула-маркер, то зарождающуюся болезнь удастся выявить.

Анализ удается сделать всего за несколько часов, а стоит он несколько тысяч рублей. Но если использовать его в массовом порядке, например, при ежегодном профилактическом медосмотре, то цена может снизиться до 300–500 рублей.

Лечение рака

В области лечения рака тоже есть несколько новых подходов, опирающихся на биотехнологии. Один из них – использование специфических антител в качестве противораковых средств.

Антитела – это белковые молекулы, вырабатываемые клетками иммунной системы. По сути, это химическое оружие, которое использует наш организм в борьбе со всякого рода вирусами, а также с переродившимися клетками собственного организма – раковыми. Если сама иммунная система не справляется с раком, то ей можно помочь.

Учёные из лаборатории молекулярной иммунологии (Институт биоорганической химии РАН) под руководством член-корреспондента РАН Сергея Деева конструируют новое поколение антител, которые распознают мишень и уничтожают ее. В основу этого подхода положен принцип так называемой «магической пули», которая всегда и безошибочно находит свою жертву. Антитела как нельзя лучше годятся на эту роль. Одна часть их молекулы служит «антенной», наводящей на цель – поверхность раковой клетки. А к хвосту антитела можно цеплять различные поражающие агенты – токсины, органические молекулы, радиоактивные изотопы. Они обладают различным действием, но все в итоге убивают опухоль.

Раковые клетки можно уничтожить и почти естественным путем. Достаточно запустить механизм запрограммированной гибели клеток, своего рода самоубийства, предусмотренный природой. Ученые называют его апоптозом . Механизм самоубийства запускают внутриклеточные ферменты, разрушающие белки внутри клетки и саму ДНК. К сожалению, раковые клетки поразительно живучи, потому что умеют подавлять свои суицидальные «настроения». Проблема в том, что этих ферментов в раковых клетках очень мало, поэтому и запустить апоптоз трудно.

Однако решаема и эта проблема. Для запуска механизма самоубийства сибирские ученые предлагают вскрыть мембраны клеточных структур, например, митохондрий. Тогда клетка неизбежно погибнет. В этом большом проекте принимают участие Институт биоорганической химии Сибирского отделения РАН, ГНЦ «Вектор» (пос. Кольцово), Муниципальная легочная хирургическая больница (Новосибирск), НПФ «Медицинские технологии» (Курган), НИИ клинической и экспериментальной иммунологии РАМН (Новосибирск). Совместными усилиями исследователи подобрали вещества, умеющие вскрывать мембраны клеточных структур, и разработали способ доставки этих веществ в раковую клетку.

Вакцины

Использовать наши знания об иммунной системе животных можно не только для лечения рака, но и любых инфекционных заболеваний. Иммунитет против большинства заболеваний мы получаем «по наследству», против других мы приобретаем иммунитет, перенеся болезнь, вызванную новой инфекцией. Но иммунитет можно и тренировать – например, с помощью вакцинации.

Эффективность вакцинации впервые была продемонстрирована более 200 лет назад врачом Эдвардом Дженнером, доказавшим, что человек, переболевший коровьей оспой, становится невосприимчивым к оспе натуральной. С тех пор многие болезни взяты под контроль врачей. Со времен Пастера для вакцин используют ослабленные или убитые вирусы. Но это накладывает ограничения: нет гарантий, что в вакцине полностью отсутствуют активные вирусные частицы, работа со многими из них требует большой осторожности, срок годности вакцины зависит от условий хранения.

Эти трудности можно обойти, используя методы генной инженерии. С помощью них можно нарабатывать отдельные компоненты бактерий и вирусов, а затем вводить их пациентам – защитный эффект будет не хуже, чем при использовании обычных вакцин. Первыми, полученными с помощью генной инженерии, были вакцины для животных – против ящура, бешенства, дизентерии и других болезней животных. Первой генноинженерной вакциной для человека стала вакцина против гепатита В.

Сегодня для большинства инфекций мы можем сделать вакцины – классические или генноинженерные. Главная же проблема связана с чумой ХХ века – СПИДом. Вакцинация ему только на руку. Ведь она подстегивает иммунитет, заставляет организм производить больше иммунных клеток. А вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), вызывающий СПИД, как раз в этих клетках живет и размножается. Иными словами, мы предоставляем ему еще больше возможностей – новые, здоровые клетки иммунной системы для заражения.

Исследования по поиску вакцин против СПИДа имеют долгую историю и основываются на открытии, сделанном еще в 70-е годы прошлого века будущими академиками Р.В.Петровым, В.А.Кабановым и Р.М.Хаитовым. Суть его заключается в том, что полиэлектролиты (заряженные полимерные молекулы, растворимые в воде) взаимодействуют с клетками иммунной системы и побуждают последние интенсивно вырабатывать антитела. А если к молекуле полиэлектролита прицепить, например, один из белков, составляющих оболочку вируса, то будет включен иммунный ответ против этого вируса. Такая вакцина по механизму действия принципиально отличается от всех вакцин, которые ранее создавали в мире.

Первым в мире и пока единственным полиэлектролитом, который разрешено вводить в организм человека, стал полиоксидоний . Затем к полимеру «пришили» белки вируса гриппа. Получилась вакцина “Гриппол”, которой на протяжении уже почти 10 лет предохраняются от вирусной инфекции миллионы людей в России.

По этой же методике сегодня создается и вакцина против СПИДа. Белок, характерный для вируса СПИДа, связали с полиэлектролитом. Получившуюся вакцину успешно проверили на мышах и кроликах. По результатам доклинических испытаний Институту иммунологии РАН выдано разрешение на проведение клинических испытаний с участием добровольцев. Если все стадии проверки препарата пройдут успешно, его можно будет использовать не только для профилактики ВИЧ-инфекцией, но и для лечения СПИДа.

Лекарства, подаренные биотехнологиями

Лекарства по-прежнему остаются главным инструментом медицинской практики. Однако возможности химической промышленности, производящей львиную долю медицинских препаратов, ограничены. Химический синтез многих веществ сложен, а зачастую и невозможен, как, например, синтез подавляющего большинства белков. И здесь на помощь приходят биотехнологии.

Производство лекарств с использованием микроорганизмов имеет давнюю историю. Первый антибиотик – пенициллин – выделили из плесени в 1928 году, а его промышленное производство началось в 1940 году. Вслед за пенициллином были открыты и другие антибиотики и налажено их массовое производство.

Долгое время многие лекарственные препараты на основе белков человека удавалось получать только в небольших количествах, их производство обходилось очень дорого. Генная инженерия дала надежду на то, что спектр белковых препаратов и их количество резко возрастет. И эти ожидания оправдались. Несколько десятков препаратов, полученных биотехнологическим путём, уже вошли в медицинскую практику. По подсчётам специалистов, ежегодный объём мирового рынка лекарственных средств на основе белков, созданных генноинженерным путём, увеличивается на 15% и к 2010 году составит 18 млрд. долларов.

Наиболее яркий пример работ наших биотехнологов в этой области –генноинженерный инсулин человека, который производят в Институте биоорганической химии им. М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН. Инсулин, то есть гормон белковой структуры, регулирует разложение сахара в нашем организме. Его можно извлечь из животных. Прежде так и поступали. Но даже инсулин из поджелудочной железы свиней – биохимически наиболее близких нам животных – все же немного отличается от человеческого.

Активность его в организме человека ниже, чем активность человеческого инсулина. Кроме того, наша иммунная система не терпит чужеродных белков и всеми силами отторгает их. Поэтому введённый свиной инсулин может исчезнуть прежде, чем успеет оказать лечебное действие. Проблему решила генно-инженерная технология, по которой сегодня производят человеческий инсулин, в том числе и в России.

Кроме генноинженерного инсулина человека в Институте биоорганической химии им. М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН ИБХ РАН совместно с Гематологическим научным центром РАМН создали технологию производства белков для борьбы с массивными кровопотерями. Человеческий сывороточный альбумин и фактор свертывания крови – отличные средства «скорой помощи» и реанимации, востребованные медициной катастроф.

Генетически модифицированные растения

Наши знания в области генетики, пополняющиеся день ото дня, позволили нам создавать не только генетические тесты для диагностики болезней и светящиеся белки, вакцины и лекарства, но и новые организмы. Сегодня вряд ли найдется человек, который не слышал о генетически модифицированных, или трансгенных, организмах (ГМО). Это растения или животные, в состав ДНК которых введены извне гены, придающие этим организмам новые, полезные, с точки зрения человека, свойства.

Армия ГМО велика. В ее рядах – и полезные микробы, которые работают на биотехнологических фабриках и производят для нас множество полезных веществ, и сельскохозяйственные культуры с улучшенными свойствами, и млекопитающие, дающие больше мяса, больше молока.

Одно из самых массовых подразделений ГМО – это, конечно, растения. Ведь испокон веков они служат пищей человеку, кормом животным. Из растений мы получаем волокна для строительства, вещества для лекарств и парфюмерии, сырье для химической промышленности и энергетики, огонь и тепло.

Мы по-прежнему улучшаем качества растений и выводим новые сорта с помощью селекции. Но этот кропотливый и трудоемкий процесс требует много времени. Генная инженерия, позволившая нам вставлять в геном растений полезные гены, подняла селекцию на принципиально новый уровень.

Самым первым трансгенным растением, созданным четверть века назад, стал табак, а нынче в мире в промышленном масштабе используют 160 трансгенных культур. Среди них кукуруза и соя, рис и рапс, хлопок и лен, томаты и тыква, табак и свекла, картофель и гвоздика и другие.

В Центре «Биоинженерия» РАН, которым руководит академик К.Г.Скрябин. совместно с белорусскими коллегами создали первую отечественную генетически модифицированную культуру – сорт картофеля «Елизавета», устойчивого к колорадскому жуку.

Первые генетически модифицированные культуры, полученные в начале 1980-х годов, были устойчивы к гербицидам и насекомым. Сегодня же с помощью генной инженерии мы получаем сорта, содержащие больше питательных веществ, устойчивые к бактериям и вирусам, к засухе и холоду. В 1994 году впервые был создан сорт томатов, не подверженных гниению. Этот сорт появился на рынках генетически модифицированных продуктов уже через два года. Широкую известность получил еще один трансгенный продукт – «Золотой рис» (Golden rice). В нем, в отличие от обычного риса, образуется бета-каротин – предшественник витамина А, абсолютно необходимый для роста организма. Золотой рис отчасти решает проблему полноценного питания жителей тех стран, где рис по-прежнему остается основным блюдом в рационе. А это, как минимум, два миллиарда человек.

Питательность и урожайность – не единственные цели, которые преследуют генные инженеры. Можно создать такие сорта растений, которые будут содержать в своих листьях и плодах вакцины и лекарства. Это очень ценно и удобно: вакцины из трансгенных растений не могут быть загрязнены опасными вирусами животных, а сами растения легко выращивать в большом количестве. И, наконец, на основе растений можно создать «съедобные» вакцины, когда для вакцинации достаточно съесть некоторое количество какого-либо трансгенного фрукта или овоща, например, картофеля или банана. Например – морковку, содержащую вещества, которые участвуют в формировании иммунного ответа организма. Такие растения совместно создают учёные двух ведущих биологических институтов Сибири: Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН и Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН.

Нельзя не сказать, что общество настороженно относится к генетически модифицированным растениям (ГМР). Да и в самом научном сообществе продолжается дискуссия о возможной потенциальной опасности ГМР. Поэтому во всем мире идут исследования, позволяющие оценить риски, связанные с применением ГМР – пищевые, агротехнические, экологические. Пока Всемирная организация здравоохранения констатирует следующее: «Опыт, накопленный за 10 лет коммерческого использования ГМ-культур, анализ результатов специальных исследований показывают: до настоящего времени в мире не существует ни одного доказанного случая токсичности или неблагоприятного влияния зарегистрированных ГМ-культур как источников пищи или кормов».

С 1996 года, когда началось коммерческое возделывание ГМР, до 2007 года общая площадь, засеиваемая трансгенными растениями, возросла с 1,7 млн. до 114 млн. га, что составляет около 9% всех пахотных площадей в мире. Причем 99% этой площади занимают пять культур: соя, хлопок, рис, кукуруза и рапс. В общем объеме их производства генетически модифицированные сорта составляют свыше 25%. Абсолютным лидером в области использования ГМР являются США, в которых уже в 2002 году 75% хлопка и сои были трансгенными. В Аргентине доля трансгенной сои составляла 99%, в Канаде так производилось 65% рапса, а в Китае – 51% хлопка. Возделыванием ГМР в 2007 году были заняты 12 миллионов фермеров, из которых 90% проживает в развивающихся странах. В России промышленное возделывание ГМР запрещено законом.

Генетически модифицированные животные

Аналогичную стратегию используют генные инженеры и для выведения новых пород животных. В этом случае ген, ответственный за проявление какого-либо ценного признака, вводят в оплодотворённую яйцеклетку, из которой далее развивается новый организм. Скажем, если набор генов животного дополнить геном гормона, стимулирующего рост, то такие животные будут расти быстрее при меньшем количестве потребляемой пищи. На выходе – больше дешевого мяса.

Животное может быть источником не только мяса и молока, но лекарственных веществ, содержащихся в этом молоке. Например, ценнейших человеческих белков. О некоторых из них мы уже рассказывали. Теперь этот список может дополнить лактоферрин – белок, защищающий новорождённых детей от опасных микроорганизмов до тех пор, пока не заработает их собственный иммунитет.

Организм женщины вырабатывает это вещество с первыми порциями грудного молока. К сожалению, молоко есть не у всех матерей, поэтому человеческий лактоферрин необходимо добавлять в смеси для искусственного вскармливания, чтобы сохранить здоровье новорождённых. Если защитного белка в питании достаточно, то смертность грудничков-искусственников от различных желудочно-кишечных инфекций может быть снижена в десять раз. Этот белок востребован не только в индустрии детского питания, но и, например, в косметической промышленности.

Технологию производства козьего молока с человеческим лактоферрином разрабатывают в Институте биологии гена РАН и Научно-практическом центре Национальной академии наук Белоруссии по животноводству. В этом году на свет появились два первых трансгенных козленка. На создание каждого из них было потрачено за несколько лет исследований по 25 миллионов рублей. Остается подождать, когда они подрастут, размножатся и начнут давать молоко с ценным человеческим белком.

Клеточная инженерия

Есть еще одна заманчивая область биотехнологий – клеточные технологии. В организме человека живут и работают фантастические по своим способностям клетки – стволовые. Они приходят на смену умершим клеткам (скажем, эритроцит, красная кровяная клетка крови, живет всего 100 дней), они залечивают наши переломы и раны, восстанавливают поврежденные ткани.

Существование стволовых клеток предсказал русский гематолог из Санкт-Петербурга Александр Максимов еще в 1909 году. Спустя несколько десятков лет его теоретическое предположение было подтверждено экспериментально: стволовые клетки обнаружили и выделили. Но настоящий бум начался в конце ХХ века, когда прогресс в области экспериментальных технологий позволил разглядеть потенциал этих клеток.

Пока успехи в медицине, связанные с применением стволовых клеток, более чем скромные. Мы умеем эти клетки выделять, хранить, размножать, экспериментировать с ними. Но пока еще до конца не понимаем механизм их волшебных трансформаций, когда безликая стволовая клетка превращается в клетку крови или мышечной ткани. Мы еще не познали до конца химический язык, на котором стволовая клетка получает приказ к трансформации. Это незнание порождает риски от применения стволовых клеток и сдерживает их активное внедрение в медицинскую практику. Тем не менее, успехи есть – в области лечения незаживающих переломов у пожилых людей, а также при восстановительном лечении после инфарктов и операций на сердце.

В России разработан метод лечения ожога сетчатки путем с помощью стволовых клеток мозга человека. Если эти клетки внести в глаз, то они будут активно перемещаться в область ожога, располагаться в наружных и внутренних слоях поврежденной сетчатки и стимулировать заживление ожога. Метод разработала исследовательская группа учёных из Московского НИИ глазных болезней им. Г.Гельмгольца МЗ РФ, Института биологии развития им. Н.К.Кольцова РАН, Института биологии гена РАН и Научного центра акушерства, гинекологии и перинатологии РАМН.

Пока мы находимся на этапе накопления знаний о стволовых клетках. Усилия учёных сосредоточены на исследованиях, на создании инфраструктуры, в частности – банков стволовых клеток, первым из которых в России стал «Гемабанк». Выращивание органов, лечение рассеянного склероза и нейродегенеративных заболеваний – это будущее, хотя и не столь отдаленное.

Биоинформатика

Количество знаний, информации нарастает как снежный ком. Познавая принципы функционирования живых систем, мы осознаем невероятную сложность устройства живой материи, в которой самые разные биохимические реакции причудливо переплетены друг с другом, и образуют запутанные сети. Расплести эту «паутину» жизни возможно, лишь используя современные математические методы для моделирования процессов в живых системах.

Вот почему на стыке биологии и математики зародилось новое направление – биоинформатика, без которой работа биотехнологов уже немыслима. Большая часть биоинформационных методов, конечно же, работает на медицину, а именно – на поиск новых лекарственных соединений. Их можно искать, исходя из знания структуры молекулы, которая ответственна за развитие той или иной болезни. Если такую молекулу заблокировать каким-либо веществом, подобранным с высокой точностью, то течение болезни можно остановить. Биоинформатика позволяет обнаружить блокирующую молекулу, пригодную для клинического применения. Если мы знаем мишень, скажем, структуру «болезнетворного» белка, то с помощью компьютерных программ можем смоделировать химическую структуру лекарства. Такой подход позволяет значительно сэкономить время и ресурсы, которые уходят на перебор и тестирование десятков тысяч химических соединений.

В числе лидеров создания лекарств с помощью биоинформатики в России – компания «Химрар». В поисках потенциальных противораковых препаратов она занимается, в частности, скринингом многих тысяч химических соединений. В число самых сильных российских научных центров, занимающихся биоинформатикой, также входит Институт цитологии и генетики Сибирского отделения РАН. Начиная с 60-х годов ХХ века в Новосибирском академгородке складывалась уникальная научная школа, объединившая биологов и математиков. Основное направление работ новосибирских биоинформатиков – анализ взаимодействия белков внутри клеток и поиск потенциальных молекулярных мишеней для новых лекарственных средств.

Чтобы понять механизм развития той или иной болезни, важно знать, какие гены из тысяч работающих в больной клетке действительно ответственны за недуг. Эта совсем не лёгкая задача осложняется тем, что гены, как правило, работают не поодиночке, а только в совокупности с другими генами. Но как учесть вклад в конкретную болезнь других генов? И здесь биоинформатика приходит на помощь медикам. Используя математические алгоритмы, можно построить карту, на которой пересечениями путей показать взаимодействия генов. Такие карты выявляют кластеры генов, работающих в больной клетке на разных стадиях болезни. Эта информация чрезвычайно важна, например, для выбора стратегии лечения рака в зависимости от стадии болезни.

Промышленные биотехнологии

Человек использовал биотехнологии с незапамятных времен. Люди делали сыр из молока, квасили капусту на зиму, приготовляли веселящие напитки из всего, что сбраживалось. Всё это классические микробиологические процессы, в которых главная движущая сила – микроорганизм, мельчайшая живая система.

Сегодня спектр задач, решаемых биотехнологиями, невероятно расширился. Мы уже рассказали о генетической диагностике болезней, новых вакцинах и лекарствах, полученных с помощью биотехнологий, генетически модифицированных организмах. Однако жизнь подбрасывает и другие задачи. Гигантские химические производства, на которых мы получаем вещества, необходимые для конструирования комфортной среды обитания (волокна, пластики, строительные материалы и многое другое) сегодня уже не кажутся такими привлекательными, как 60 лет назад. Они пожирают много энергии и ресурсов (высокие давления, температура, катализаторы из драгоценных металлов), они загрязняют окружающую среду и занимают драгоценные земли. Могут биотехнологи здесь предложить замену?

Да, могут. Например, генетически измененные микроорганизмы, которые работают эффективными катализаторами промышленных химических процессов. Такие биокатализаторы созданы во ВНИИ генетики и селекции микроорганизмов, например, для опасной и грязной стадии получения токсичного вещества акриаламида. Из него делают полимер полиакриламид, используемый и в водоочистке, и в производстве памперсов, и для изготовления мелованной бумаги, и для многих других целей. Биокатализатор позволяет производить химическую реакцию получения мономера при комнатной температуре, без использования агрессивных реагентов и высокого давления.

До промышленного использования в России биокатализатор доведен усилиями научного коллектива ЗАО «Биоамид» (Саратов) под руководством Сергея Воронина. Этот же коллектив разработал биотехнологию получения аспарагиновой кислоты и создал импортозамещающий кардиологический препарат «Аспаркам L». Препарат уже вышел на рынок в России и Белоруссии. Российский препарат не только дешевле импортных аналогов, но и, по оценкам врачей, более эффективный. Дело в том, что «Аспаркам L» содержит только один оптический изомер кислоты, тот, который и обладает терапевтическим эффектов. А западный аналог, панангин, основан на смеси двух оптических изомеров, L и D, второй из которых попросту служит балластом. Находка коллектива «Биоамида» в том и заключается, что они сумели разделить эти два трудно отделимых изомера и поставить процесс на промышленную основу.

Возможно, что в будущем гигантские химические комбинаты вообще исчезнут, а вместо них останутся маленькие безопасные цеха, не вредящие окружающей среде, где будут трудиться микроорганизмы, производя все необходимые полупродукты для разных отраслей промышленности. К тому же маленькие зеленые фабрики, будь то микроорганизмы или растения, позволяют получать нам полезные вещества, которые в химическом реакторе не сделаешь. Например, белок паутинного шелка. Каркасные нити ловчих сетей, которые плетет паук для своих жертв, в несколько раз прочнее стали на разрыв. Казалось бы, посади пауков в цеха и тяни из них белковые нити. Но пауки в одной банке не живут – съедят друг друга.

Красивое решение нашел коллектив ученых под руководством доктора биологических наук Владимира Богуша (ГосНИИ генетики и селекции микроорганизмов) и доктора биологических наук Элеоноры Пирузян (Институт общей генетики РАН). Сначала из генома паука выделили гены, ответственные за синтез белка паутинного шёлка. Затем эти гены встроили в клетки дрожжей и табака. И те, и другие стали производить нужный нам белок. В результате создана основа для технологии производства уникального и почти природного конструкционного материала, легкого и чрезвычайно прочного, из которого можно делать, канаты, бронежилеты и многое другое.

Есть и другие проблемы. Например, гигантское количество отходов. Биотехнологии позволяют нам превращать отходы в доходы. Побочные продукты деятельности сельского хозяйства, лесной и пищевой промышленности можно превращать в метан, биогаз, пригодный для отопления и получения энергии. А можно – в метанол и этанол, основные компоненты биотоплива.

Промышленными приложениями биотехнологий активно занимаются на Химическом факультете МГУ им. М.В.Ломоносова. В его составе работают несколько лабораторий, занятые самыми разными проектами – от создания промышленных биосенсоров до получения ферментов для тонкого органического синтеза, от технологий утилизации промышленных отходов до разработки методов получения биотоплива.

Наука, бизнес, государство

Достигнутые успехи – это результат объединенных усилий биологов, химиков, медиков и других специалистов, работающих в пространстве живых систем. Взаимосвязь разных дисциплин оказалась плодотворной. Конечно, биотехнологии – не панацея для решения глобальных проблем, а инструмент, обещающий большие перспективы при правильном его использовании.

Сегодня общий объём биотехнологического рынка в мире составляет 8 трлн. долларов. Биотехнологии лидируют также по объемам финансирования научно-исследовательских разработок: только в США государственные структуры и частные компании расходуют ежегодно на эти цели более 30 миллиардов долларов.

Инвестиции в науку и технику в конечном счёте принесут экономические плоды. Но биотехнологии не смогут сами по себе решить сложные медицинские или продовольственные проблемы. Должна быть создана благоприятная инфраструктура здравоохранения и структура промышленности, гарантирующая доступ к новым диагностическим методикам, вакцинам и лекарствам, растениям с улучшенными свойствами. Здесь также чрезвычайно важна эффективная система коммуникации между наукой и бизнесом. Наконец, абсолютно необходимое условие построения эффективного инновационного сектора экономики – взаимодействие научных и коммерческих структур с государством.

Справка STRF.ru
В 2008 году на формирование тематики по направлению «Живые системы» поданы 939 заявки (для сравнения: всего по программе – 3180),
– на конкурс подано 396 заявок (всего 1597),
– проведено 179 конкурсов (всего 731)
– участие в конкурсах приняли организации 23 ведомств (всего 36), из них победили 17
– заключены 179 контрактов (всего731)
– продолжаются до настоящего времени 120 контрактов (всего 630)
– заявки на формирование тематики по живым системам прислали 346 организации (всего 842)
– в качестве головных заявки на конкурс прислали 254 организации (всего 806)
– в качестве соисполнителей заявки на конкурс прислали 190 организации (всего 636)
– средний конкурс по лотам направления 2,212 (в среднем по программе – 2,185)
– бюджет контрактов на 2008 год составил 1041,2 млн. руб. (21,74% от бюджета всей программы)

Динамика роста и распределения финансирования по направлению живые системы в рамках Федеральной целевой научно-технической программы 2002–2006 годов и Федеральной целевой программы 2007–2012 годов:
2005 год – 303 контракта, 1168,7 млн.руб. (100%)
2006 год – 289 контрактов, 1227,0 млн.руб. (105%)
2007 год – 284 контракта, 2657,9 млн.руб. (227%)
2008 год – 299 контрактов, 3242,6 млн.руб. (277%)