Прорывы 2005 года

В конце каждого года авторитетный научный журнал Science приводит традиционный конкурс "Прорыв года" (Breakthrough of the Year), в котором эксперты - ведущие ученые различных направлений - выбирают наиболее революционные научные исследования, проведенные в уходящем году. Публикуем обзор пяти лидеров этого конкурса за 2005 год (Science, 23 December 2005: Vol. 310. no. 5756, pp. 1878 - 1879).

1. Эволюция в действии

Наиболее выдающимися научными достижениями 2005 года признаны работы по эволюционной генетике, явившиеся огромным шагом в понимании молекулярно-генетических механизмов биологической эволюции. Самый большой прорыв в этой области, конечно, был сделан Чарльзом Дарвином. Однако с 1859 года, когда вышло "Происхождение видов" Дарвина - книга, совершившая переворот в представлениях о развитии органического мира, - было сделано много выдающихся открытий, раскрывших аспекты, о которых Дарвин ничего не знал. Как известно, Дарвин постулировал естественный отбор случайных изменений, увеличивающих или уменьшающих выживание организма, проявляющееся в количестве оставляемых последним потомков.

Найдя опору в генетике, эволюционная теория развилась в синтетическую теорию эволюции, ставшую основной современной парадигмой в научных представлениях об изменениях живых существ во времени. Сегодня без эволюционного подхода невозможно представить себе ни одну область биологии. Каждый год проводятся многочисленные эволюционистские исследования. В 2005 году они начались с существенного изменения взглядов на систему микроорганизмов, а закончились открытием 190-миллионнолетнего эмбриона динозавра.

С этим изобилием результатов, 2005 стал годом ключевого прорыва в понимании замысловатых механизмов эволюции. Конкретные данные о геномах позволили ученым выявить молекулярные модификации, служащие материалом и движущей силой эволюционных изменений организмов от вирусов до приматов. Скрупулезные полевые исследования пролили новый свет на оформление популяций в новые виды - тайну тайн, которая ставила в тупик самого Дарвина.

По иронии судьбы, именно в этом году обскурантисты добились исключения из программы многих американских школ базовых данных о биологической эволюции и даже упоминания о ней. Самые интересные результаты начали появляться в научных журналах в сентябре 2005, когда международная команда ученых закончила расшифровку генома нашего ближайшего родственника среди животных - шимпанзе. Имея уже расшифрованный геном человека, ученые могли теперь сравнить эти геномы, приступить к анализу каждого из 40 миллионов молекулярных отличий, т.е. генетико-эволюционных событий, одного от другого.

Данные о строении генома подтвердили существовавшее на основе сравнения фенотипических признаков представление о близости двух видов: наша ДНК отличается от ДНК шимпанзе лишь 1% нуклеотидов, а аминокислотная последовательность белков отличается еще меньше (за счет того, что различные тройки нуклеотидов кодируют одну и ту же аминокислоту в белке). Но неожиданно большим по сравнению с человеком оказалось количество некодирующих последовательностей, вырезаемых или вставляемых в геноме шимпанзе, что доводит общее различие в нуклеотидной последовательности ДНК в дифференцированных клетках двух наших видов до 4%. Именно среди этих отличий скрываются все признаки, отличающие нас от шимпанзе: более редкий волосяной покров, прямохождение, большой творческий мозг и т.д. Мы пока далеки от полного понимания генетики всех этих столь значительных для человека отличий, однако ученые уже выявили некоторые гены, определяющие развитие мозга и поведение.

В прошедшем году несколько групп опубликовали свидетельства, что естественный отбор в последнее время благоприятствует нескольким имеющимся только у человека генам, экспрессирующимся в человеческом мозге, в т.ч. генам, кодирующим эндорфины и рецепторы сиаловой кислоты, а также гены, мутации в которых приводят к микроцефалии. Охота за человеческими генами, которым в настоящее время благоприятствует естественный отбор, значительно ускорится недавно опубликованной сводными базами данных о генетической вариабельности в человеческой популяции по результатам государственных и частных исследований. Например, в прошлом году международная исследовательская группа каталогизировала и упорядочила список более миллиона однонуклеотидных полиморфизмов четырех популяций в карте галотипов человека (известной как HapMap). Эти генетические вариации, представляющие собой материал для эволюции, помогут раскрыть новейшую эволюционную историю человека.

Публикации: Геном шимпанзе: The Chimpanzee Sequencing and Analysis Consortium, "Initial Sequence of the Chimpanzee Genome and Comparison with the Human Genome," Nature 437, 69 (2005) Z. Cheng et al., "A Genome-Wide Comparison of Recent Chimpanzee and Human Segmental Duplications," Nature 437, 88 (2005) J. F. Hughes et al., "Conservation of Y-linked genes during human evolution revealed by comparative sequencing in chimpanzee," Nature 437, 100 (2005) R.S. Hill and C.A. Walsh et al., "Molecular Insights into Human Brain Evolution," Nature 437, 64 (2005) P. Khaitovich et al., "Parallel Patterns of Evolution in the Genomes and Transcriptomes of Humans and Chimpanzees," Science 309, 1850 (2005) E. Culotta, "Chimp Genome Catalogs Differences With Humans," Science 309, 1468 (2005) M.D. Hauser, "Beyond the Chimpanzee Genome: The Threat of Extinction," Science 309, 1498 (2005) E. H. McConkey and A. Varki, "Thoughts on the Future of Great Ape Research," Science 309, 1499 (2005) R. Nielsen et al., "A Scan for Positively Selected Genes in the Genomes of Humans and Chimpanzees," PLoS Biol. 3, e170 (2005) Эволюция человека: M.V. Rockman et al., "Ancient and Recent Positive Selection Transformed Opioid cis-Regulation in Humans," PLoS Biol. 3, e387 (2005) M. Balter, "Expression of Endorphin Gene Favored in Human Evolution," Science 310, 1257 (2005) The International HapMap Consortium, "A Haplotype Map of the Human Genome," Nature 437, 1299 (2005) J. Couzin, "New Haplotype Map May Overhaul Gene Hunting," Science 310, 601 (2005) T. Hayakawa et al., "A Human-Specific Gene in Microglia," Science 309, 1693 (2005) P.D. Evans et al., "Microcephalin, a Gene Regulating Brain Size, Continues to Evolve Adaptively in Humans," Science 309, 1717 (2005) N. Mekel-Bobrov et al., "Ongoing Adaptive Evolution of ASPM, a Brain Size Determinant in Homo sapiens," Science 309, 1720 (2005) M. Balter, "Are Human Brains Still Evolving? Brain Genes Show Signs of Selection," Science 309, 1662 (2005) Видообразование: S. Bearhop et al., "Assortative Mating as a Mechanism for Rapid Evolution of a Migratory Divide," Science 310, 502 (2005) P. Andolfatto, "Adaptive Evolution of Non-Coding DNA in Drosophila," Nature 437, 1149 (2005) V. A. Lukhtanov, "Reinforcement of Pre-Zygotic Isolation and Karyotype Evolution in Agrodiaetus Butterflies," Nature 436, 385 (2005) T. Malausa et al., "Assortative Mating in Sympatric Host Races of the European Corn Borer," Science 308, 258 (2005) P.F. Colosimo et al., "Widespread Parallel Evolution in Sticklebacks by Repeated Fixation of Ectodysplasin Alleles," Science 307, 1928 (2005) G. Gibson, "The Synthesis and Evolution of a Supermodel," Science 307, 1890 (2005) N. Gompel et al., "Chance Caught on the Wing: Cis-Regulatory Evolution and the Origin of Pigment Patterns in Drosophila," Nature 433, 481 (2005) T.C. Mendelson and K.L. Shaw, "Sexual Behaviour: Rapid Speciation in an Arthropod," Nature 433, 375 (2005)

Веб-сайты: Understanding Evolution The Evolution Project Nature Web Focus: The Chimpanzee Genome Ensemble Chimp Resource Becoming Human от Institute of Human Origins at Arizona State University. International HapMap Project Kimball's Biology Pages: Speciation Evolution 101: Speciation

2. Завоевание планет

Вторым по значимости прорывом эксперты единодушно признают давшие замечательные результаты экспедиции к планетам Солнечной системы. 2005 год стал поистине годом таких экспедиций: непилотируемые космические аппараты были направлены к Луне, Меркурию, Венере, Марсу, двум кометам - Темпеля 1 и Вильда 2, астероиду Итокава, Сатурну и, наконец, на самый край Солнечной системы. С Марса, "Красной Планеты", 3 орбитальных спутника и 2 марсохода передали терабайты информации. Апогеем этого плодотворного периода стало детальное исследование всегда скрытого в тумане Титана (куда была совершена посадка) и других лун Сатурна (с орбиты), осуществленное европейскими зондами "Кассини" (Cassini) и "Гюйгенс" (Huygens).

Первая в истории человечества посадка зонда на луну другой планеты в январе 2005 года открыла землянам мир низких холмов, мокнущих под нечастыми, но проливными дождями жидкого метана, сети оконтуренных степями долин, сверкающего мусора льдов и темной органической грязи пустых озер. Большинство последних уже испарилось, хотя и не до конца: так, аппарат совершил посадку вблизи одного из них, еще содержавшего остатки некогда наполнявшего его до краев метана. Продвижением первостепенной важности стало раскрытие точного гидрологического цикла Титана, что позволяет делать предположения о сходных процессах и на других лунах. Вскоре к "Гюйгенсу" присоединился целый флот других непилотируемых космических аппаратов. Старый добрый "Вояджер-1" (Voyager 1) сообщил о достижении "края" Солнечной системы, где бешено дует солнечный ветер. Граница Солнечной системы - так называемый "пояс Койпера" - оказался полон необычных объектов. Многие загадки этой зоны должен прояснить зонд "Нью Горизонс" (New Horizons), который должен отправиться к системе Плутона и другим телам пояса Койпера в январе 2006 года.

Космический аппарат "Дип Импакт" (Deep Impact) пробороздил комету Темпеля 1 и взял пробы ее мягкой пухообразной начинки. "Кассини" (Cassini) провел орбитальные исследования колец Сатурна и его лун. "СМАРТ-1" (SMART 1) на своем ионном двигателе прилетел на Луну. Японский аппарат "Хаябуса" (Hayabusa) исследовал астероид Итокава. "Стардаст" (Stardust) доставит на Землю осколки кометы Вильда 2 (Wild 2)

и другие пробы из межпланетного пространства. Аппарат должен приземлиться 15 января 2006 года. Все это время "Мессенджер" (MESSENGER) двигался по направлению к Меркурию, "Марс Реконнесанс Орбитер" (Mars Reconnaissance Orbiter) - к Марсу, а "Венера-Экспресс" (Venus Express) - к Венере. Кроме того, по данным наблюдений с Земли было открыто множество экзопланет - планет других звезд. Исследование планет вступило в свой золотой век.

Публикации: R. A. Kerr, "Titan, Once a World Apart, Becomes Eerily Familiar," Science 307, 330 (2005) R. A. Kerr, "Titan Clouds Hint of Heavy Rains, Methane Gurglings," Science 310, 421 (2005) G. Schilling, "European Probe Returns to Our Neglected Neighbor," Science 310, 431 (2005) R. A. Kerr, "Beaming to Itokawa," Science 309, 1797 (2005) R. A. Kerr, "Deep Impact Finds a Flying Snowbank of a Comet," Science 309, 1667 (2005)

Специальные выпуски журнала Science: Cassini reveals Titan (13 May 2005) Voyager 1 (23 September 2005) Deep Impact (14 October 2005)

Веб-сайты: NASA's Solar System Exploration European Space Agency в частности: Mars Express Cassini-Huygens. European Space Agency Science Programme в частности: Mars Express Venus Express SMART-1 Cassini-Huygens Hayabusa Веб-сайты NASA mission: Cassini-Huygens Voyager: The Interstellar Mission Mars Exploration Rover Mission Mars Reconnaissance Orbiter Deep Impact Stardust MESSENGER

3. Чудо цветения

В 2005 году удалось выявить несколько ключевых клавиш, управляющих цветением растений. В августе 3 группы растительных молекулярных биологов наконец идентифицировали давно разыскиваемый дотоле гипотетический флориген - молекулярный гормоноподобный сигнал, запускающий сезонное развитие цветов. Оказалось, что это информационная РНК (мРНК), включающая транскрипцию гена, названного FT. Когда дни становятся достаточно длинными, эта мРНК переходит из листьев в точки роста и запускает там транскрипцию и трансляцию гена FT. Кодируемый FT белок взаимодействует с вырабатываемым только в ростовых зонах фактором роста - FD. Такой двойной контролирующий механизм гарантирует, что цветение произойдет в правильном месте растения и в правильное время года. Кроме того, исследователи разобрались с работой другого активирующего цветение гена, названного LEAFY, имеющегося не только у цветковых растений, но и у мхов и папоротников.

Этот ген оказался весьма консервативным: сравнение его нуклеотидной последовательности у мхов, папоротников и кресс-салата показало, что за более чем 400 миллионов лет, которые, как считается, отделяют наше время от времени появления первых мхов, в нем изменилось лишь несколько пар оснований. Эти незначительные изменения (плюс изменения контекста генома) превратили LEAFY из фактора роста широкого спектра, каковым он является и, видимо, всегда являлся в мхах, в специфический для цветения фактор, каковым он является у покрытосеменных растений. Растительный гормон гиббереллин, как было выяснено ранее, участвует в контроле позднейших стадий цветения, а также вообще роста клеток. В прошлом году исследователи идентифицировали рецептор этого гормона в клетках риса, что явилось значительным шагом в увеличении урожайности этой важнейшей для питания всего человечества культуры. Удалось также выделить рецептор другого ключевого гормона - ауксина. Этот рецептор оказался частью клеточной машины протеолиза, которая разрушает белки, держащие действие ауксина под контролем. Наконец, растительный ген HOTHEAD, важный для последних мазков в сложном дизайне цветка, заставил ученых поломать голову. Аллели этого гена, найденные в одном поколении самоопыляющегося травянистого растения Arabidopsis (классической модели биологии развития цветка), но утраченные в следующем, вновь появляются в третьем поколении. Кажущаяся наиболее вероятной гипотеза, объясняющая эти неожиданные факты, состоит в том, что клетки имеют запас РНК, по которому путем обратной транскрипции могут воссоздаваться утраченные варианты генов - очередной вызов "центральной догме молекулярной биологии", постулирующей, что генетическая информация передается лишь в направлении от ДНК к РНК и, т.о., приобретенные признаки не наследуются.

Публикации: T. Huang et al., "The mRNA of the Arabidopsis Gene FT Moves from Leaf to Shoot Apex and Induces Flowering," Science 309, 1694 (2005) M. Abe et al., "FD, a bZIP Protein Mediating Signals from the Floral Pathway Integrator FT at the Shoot Apex," Science 309, 1052 (2005) P.A. Wigge et al., "Integration of Spatial and Temporal Information During Floral Induction in Arabidopsis," Science 309, 1056 (2005) M.A. Blazquez, "The Right Time and Place for Making Flowers," Science 309, 1024 (2005) A. Maizel et al., "The Floral Regulator LEAFY Evolves by Substitutions in the DNA Binding Domain," Science 308, 260 (2005) M. Ashikari et al., "Cytokinin Oxidase Regulates Rice Grain Production," Science 309, 741 (2005) M. Ueguchi-Tanaka et al., "GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF1 Encodes a Soluble Receptor for Gibberellin," Nature 437, 693 (2005) N. Dharmasiri et al., "The F-Box Protein TIR1 is an Auxin Receptor," Nature 435, 441 (2005) S. Kepinski and O. Leyser, "The Arabidopsis F-Box Protein TIR1 is an Auxin Receptor," Nature 435, 446 (2005) D. Ferber, "Plant Hormone's Long-Sought Receptor Found," Science 308, 1240 (2005) S.J. Lolle et al., "Genome-Wide Non-Mendelian Inheritance of Extra-Genomic Information in Arabidopsis," Nature 434, 505 (2005) E. Pennisi, "Talking About a Revolution: Hidden RNA May Fix Mutant Genes," Science 307, 1852 (2005)

Веб-сайты: The Plant Link Library The Arabidopsis Information Resource (TAIR) PlantGDB Plant Physiology Online Plant-Hormones The Floral Genome Project

4. Нейтронные звезды беснуются

Нейтронные звезды - небесные тела размером с город, вещество которых упаковано с немыслимой плотностью и пребывает в чрезвычайно возбужденном состоянии, - восхищают астрофизиков со времен теоретического открытия в 1933 и практического в 1967. В прошедшем году новое оборудование для наблюдений позволило узнать много нового о неистовой жизни этих удивительных объектов. Гигантский космический фейерверк, начавшийся 27 декабря 2004 0,2-секундным мощным выбросом излучения недалеко от центра Млечного Пути, в одной из соседних с нашей галактик, на время вывел из строя детекторы более чем дюжины космических аппаратов. Несмотря на расстояние, дошедшая до нас вспышка в области рентгеновского и гамма-излучения была сильнее, чем самые мощные из зарегистрированных выбросов вещества Солнцем. Недели тщательного анализа полученных за этот короткий период данных показали, что вероятным источником было мощнейшее, глобального масштаба, "звездотрясение" на одном из магнетаров - нестабильных молодых нейтронных звезд, удерживаемых самыми сильными из известных в природе магнитными полями.

Подобные вспышки были известны и раньше, но все они были на 2 порядка слабее зарегистрированной в декабре 2004. Астрофизики предполагают, что вспышка этого гигантского магнетара раскроет некоторые тайны коротких гамма-лучевых взрывов (GRB - gamma ray bursts) - редких непериодических вспышек в космосе, которые длятся слишком короткое время, чтобы их можно было непосредственно наблюдать в телескопы. С мая 2005 исследовательские спутники NASA зарегистрировали несколько таких вспышек, произошедших на много больших расстояниях, чем вышеописанная. Наземные телескопы зарегистрировали затухающие постэффекты этих событий. Снимки показывают, что гамма-вспышки происходят на окраинах галактик, далеко от скоплений массивных звезд, порождающих молодые нейтронные звезды. Телескопы не нашли никаких следов взрывов сверхновых, которые, по современным теориям, производят более длительные вспышки гамма-излучения. Полученные данные хорошо укладываются в господствующую модель сценария коротких гамма-вспышек: быстрое, катастрофическое слияние двух старых нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры. Исследователи не смогли различить эти два типа слияний.

Публикации: K. Hurley et al., "An exceptionally bright flare from SGR 1806?20 and the origins of short-duration big ?-ray bursts," Nature 434, 1098 (2005) D. M. Palmer et al., " A giant big ?-ray flare from the magnetar SGR 1806?20," Nature 434, 1107 (2005) D. B. Fox et al., "The afterglow of GRB 050709 and the nature of the short-hard big ?-ray bursts," Nature 437, 845 (2005) N. Gehrels et al., "A short big ?-ray burst apparently associated with an elliptical galaxy at redshift z = 0.225," Nature 437, 851 (2005) R. Irion, "Giant Neutron-Star Flare Blitzes the Galaxy With Gamma Rays," Science 307, 1178 (2005) R. Irion, "Signs Point to Neutron-Star Crash," Science 308, 939 (2005)

Веб-сайты: The Field Guide of the Chandra X-Ray Observatory NASA's Imagine the Universe в частности: gamma-ray bursts neutron stars. NASA's Swift Mission в частности: "Cosmic Mystery Solved" The HETE-2 program at MIT Short Gamma-Ray Bursts: Death Throes of Merging Neutron Stars от Max-Planck-Institut fur Astrophysik

5. Психические болезни - болезни неправильно развившегося мозга

Хотя в последние годы были открыты десятки генов, связанных с нарушениями деятельности мозга, попытки связать психопатологию с генетикой напоминают пока детский лепет. Однако в прошедшем году исследователям удалось наконец нащупать некоторые генетические рычаги нескольких психических заболеваний, в т.ч. шизофрении, синдрома Туретта и дислексии. При сравнительном анализе генов, связанных с этими заболеваниями, всплывает общая тема: многие из данных генов принимают участие в развитии мозга. В ноябре 2005 два сообщения фактами подтвердили ранее высказывавшуюся гипотезу, что варианты гена DISC1 увеличивают риск заболевания шизофренией. Одна группа исследователей обнаружила, что ингибирование экспрессии DISC1 у мышей влияет на формирование мозга животных, вызывая умеренно ненормальное развитие коры больших полушарий, подобное наблюдаемому при посмертных вскрытиях шизофреников. Другая группа связала DISC1 с системой молекулярной сигнализации, важной для развития мозга и регуляции уровня нейромедиаторов, которая часто бывает нарушена у психических больных.

В октябре 2005 исследователи описали редкий генетический дефект, который, как оказалось, вызывает синдром Туретта. Эта мутация, вероятно, служит причиной лишь крошечной доли случаев этого заболевания, но ее открытие может быть важным. Поврежденный ген SLITRK1 влияет на формирование мозга из нейронов и активен в период формирования в мозгу областей, которые, как показывают результаты клинических и анатомических исследований, изменены при синдроме Туретта и некоторых других психических заболеваниях, в т.ч. при навязчивом неврозе. Дальнейшие исследования также выявили 3 участвующих в развитии мозга гена, связанных с дислексией, - KIAA0319, DCDC2 и ROBO1. Многие последние работы свидетельствуют, что именно генетические нарушения, изменяя развитие мозга во внутриутробном периоде, являются причиной позднейших психических болезней. Лучшее понимание того, как это происходит, должно уменьшить риск заболевания.

Публикации: A. Kamiya et al., "A Schizophrenia-Associated Mutation of DISC1 Perturbs Cerebral Cortex Development," Nature Cell Biology 7, 1167 (2005) J.K. Millar et al., "DISC1 and PDE4B Are Interacting Genetic Factors in Schizophrenia That Regulate cAMP Signaling," Science 310, 1187 (2005) A. Sawa and S. Snyder, "Two Genes Link Two Distinct Psychoses," Science 310, 1128 (2005)
J.F. Abelson et al., "Sequence Variants in SLITRK1 are Associated with Tourette's Syndrome," Science 310, 317 (2005) S. Olson, "Teenager's Odd Chromosome Points to Possible Tourette Syndrome Gene," Science 310, 211 (2005) H. Meng et al., "DCDC2 is Associated with Reading Disability and Modulates Neuronal Development in the Brain," PNAS 102, 17053 (2005) G. Miller, "Genes That Guide Brain Development Linked to Dyslexia," Science 310, 759 (2005) N. Cope et al., "Strong Evidence That KIAA0319 on Chromosome 6p Is a Susceptibility Gene for Developmental Dyslexia," Am. J. Hum. Genet. 75, 581 (2005) K. Hannula Jouppi et al., "The Axon Guidance Receptor Gene ROBO1 Is a Candidate Gene for Developmental Dyslexia," PLoS Genetics 1, e50 (2005)

Веб-сайты: Schizophrenia Research Forum Schizophrenia Information from Medline Plus Tourette Syndrome Information Page от National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS). Tourette Syndrome Association Dyslexia Information Page National Center for Learning Disabilities