Светящиеся грибы, подводная мерзлота и генетика скифов: лучшие работы российских ученых

Около 35 тысяч российских ученых проводили и проводят фундаментальные исследования при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Ежемесячно в российских и зарубежных СМИ выходят десятки новостей об их достижениях. Специально для Indicator.Ru РНФ выбрал одни из самых ярких и важных научных результатов уходящего года.

Математика

Ученые создали 3D-модель, угадывающую поведение нейронов

Нервные клетки в нашем мозге постоянно меняют свое состояние: то покоятся, то возбуждаются и пульсируют, напоминая ритмично вспыхивающий и гаснущий маяк. Эти «маяки» могут пульсировать по-разному: все зависит от факторов, которые на них влияют. Есть случайные факторы, которые предугадать трудно. Иногда ученые пренебрегают ими, что может увести лечение болезней нервной системы не в ту сторону.

«Обычно к случайным влияниям относятся не очень серьезно, как к насморку. Ведь человек с насморком все так же хорошо видит, слышит и ведет себя обычным образом. К случайным воздействиям или возмущениям относятся как к простому искажению четкой картинки. Но в сложных процессах, которые наблюдаются в живых организмах, эти возмущения могут качественно менять поведение системы в целом», — говорит один из авторов исследования Лев Ряшко, доктор физико-математических наук, профессор УрФУ.

Например, вы видите на экране телевизора зайца. Из-за случайных воздействий, скажем, помех связи, может появиться рябь, «белый шум», и картинка станет размытой. Вам будет плохо видно, какое у зайца выражение глаз или какие уши. Но при определенных изменениях картинки заяц вообще может превратиться в волка. А это уже качественно новая картинка. То же самое происходит и с нейронами. При определенных воздействиях их поведение полностью меняется. Так, например, даже малое случайное воздействие температуры или электромагнитного поля на покоящийся нейрон может активизировать его, причем форма активности может быть очень сложной и, конечно, непредсказуемой. Именно такое поведение нервных клеток описывает математическая 3D-модель ученых из Уральского федерального университета.

«Допустим, вы включили микроволновую печь, она дает излучение, оно носит случайный характер, что тоже может воздействовать на деятельность нейронов. Случайностями пронизана вся наша жизнь, мы в них живем, но иногда они радикально меняют наш путь», — поясняет Ряшко.

По сути, ученые описали биологические процессы математическим языком. В этом им помогли методы компьютерного и математического моделирования. Также они разработали специальную технику стохастической чувствительности, которая позволяет определять, будет ли нейрон реагировать на случайные воздействия и, если да, каким образом.

Зная, как нейроны реагируют на случайности, можно создать новые, более эффективные препараты для лечения нейродегенеративных заболеваний, в том числе болезни Альцгеймера, Паркинсона, расстройств памяти и других заболеваний нервной системы.

Физика

Впервые смешаны классические и квантовые состояния света на элементе квантового компьютера

Квантовый компьютер может передать информацию при помощи квантовых битов – кубитов, то есть частиц света (фотонов), молекул или атомов. Кубиты одновременно кодируют информацию нулем и единицей, что позволяет решать задачи гораздо быстрее, чем на наших компьютерах. Но квантовый компьютер — это пока будущее. Ученые разных стран работают над тем, чтобы приблизить его. Так, российские физики совместно с британскими коллегами впервые смешали классические и квантовые состояния света на сверхпроводящем кубите в виде искусственного атома. Такой охлажденный до сверхнизких температур кубит может испускать и поглощать отдельные кванты микроволнового излучения точно так же, как отдельные атомы взаимодействуют с квантами видимого нами света.

Физики МФТИ и Королевского колледжа Холлоуэй (Royal Holloway, Англия) взяли такой кубит, встроили его в волновод (канал, по которому распространяется волна), облучили его и таким образом изучали взаимодействие кубита с частицами света. В итоге ученые увидели как исходное излучение, так и электромагнитные волны, получившиеся в результате взаимодействия с искусственным атомом. То есть две разные волны — из классического и квантового мира. Это указывало на квантовое смешивание волн — эффект, похожий на «смешивание» разных сигналов, например, когда вы ищете нужную станцию на радио.

Новые частицы света несут в себе информацию о количестве фотонов, которые содержат состояние света. Это можно использовать для передачи информации о квантовых состояниях и создания новых компонентов квантовых компьютеров и других устройств, в работе которых применяются квантовые эффекты.

Химия

Российские ученые поняли, как светятся грибы, и научили их светиться всеми цветами радуги

Бактерии, черви, грибы и множество морских организмов могут излучать свет. Это явление вызывало интерес еще у Аристотеля. Но только в XX веке ученые выяснили, что само выделение света происходит благодаря молекуле люциферина, то есть молекуле, «несущей свет». И только в этом году команда исследователей из Института биоорганической химии РАН (ИБХ РАН), Института биофизики Красноярского научного центра СО РАН (ИБФ СО РАН) и Российского национального исследовательского медицинского университета им. Н. И. Пирогова совместно с коллегами из Бразилии и Японии смогла расшифровать структуры этой молекулы в грибе.

Вначале ученые собрали грибы в лесах Вьетнама, а затем уже в лабораториях изучили всех участников процесса свечения: люциферин, люцифераза (белок-катализатор, ускоряющий процесс) и получающуюся в итоге молекулу оксилюциферин, которая и заставляет гриб светиться.

«Перед нами, кроме всего прочего, стояла задача провести биолюминесцентную реакцию и найти условия, когда продукт будет сохраняться относительно долго. Такие условия мы подобрали, но даже законсервированный оксилюцефирин распадался — до Москвы доезжала лишь малая часть. Для определения общих характеристик молекулы его еще хватало, а вот для структурных исследований нет», — делится подробностями проведенной работы кандидат биологических наук, сотрудник ИБФ СО РАН Константин Пуртов.

Тогда на помощь пришли коллеги, работающие в ИБХ РАН на ЯМР-спектрометре — бочке с магнитом, позволяющей расшифровать структуру почти любого химического объекта. Они исследовали вещества, получающиеся при распаде молекулы, восстановили первоначальную структуру оксилюциферина и сравнили свойства полученной молекулы со свойствами оригинала. Совпадение доказало, что ученые определили структуру последнего звена в реакции грибного свечения. Причем удалось не просто узнать, как светиться гриб, но и изменить молекулы люциферина так, чтобы они светились почти всеми цветами радуги.

Все это может быть использовано в экологии для наблюдения за качеством окружающей среды или в медицине для проведения клинических анализов и поиска лекарств.

Биология

Гены мамы и папы упакованы по-разному в оплодотворенной яйцеклетке

Много лет люди думали, что расстояние между любыми участками генома (совокупности генов, построенных из ДНК и находящихся в хромосоме) — это протяженность разделяющей их цепочки ДНК. Сегодня мы знаем, что способность ДНК образовывать петли и другие сложные структуры дает возможность генам и элементам генома, управляющим их работой (энхансерам), оказываться поблизости друг от друга в пространстве клеточного ядра. Причем даже в том случае, если они разделены длинным фрагментом ДНК. Это напоминает схему строения дорог, где некоторые дороги имеют форму кольца, что позволяет добраться до некоторых мест быстрее. Чтобы изучить разные формы дорог в России, нужно рассмотреть тысячи дорожных карт и потратить много времени. Как и в биологии: часто в молекулярно-биологических исследованиях приходится использовать сотни тысяч и даже миллионы клеток в каждом эксперименте. Это связано с тем, что в одной клетке очень мало исследуемых молекул и это крайне затрудняет работу с ними.

Ученые из МГУ и Института биологии гена РАН вместе с австрийскими и американскими коллегами разработали новый экспериментальный подход, позволяющий анализировать укладку генома в индивидуальных клетках.

«Совершенно неожиданно для себя мы обнаружили, что укладка геномной ДНК в материнском ядре в оплодотворенной яйцеклетке — зиготе — принципиально отличается от укладки генома в ядрах любого другого типа клеток. В ядрах всех прочих исследованных клеточных типов активные и «молчащие» области генома пространственно обособлены друг от друга. В материнском ядре зиготы же, напротив, этого не наблюдается. Наши результаты позволяют предположить, что конфигурация генома в материнском ядре является наиболее базовой, соответствующей так называемому состоянию тотипотентности, позволяющему в ходе эмбрионального развития из одной зиготы получить множество разных клеточных типов взрослого организма», — заключает Сергей Разин, член-корреспондент РАН, профессор, заведующий кафедрой молекулярной биологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, заведующий лабораторией Института биологии гена РАН.

Кроме того, ученые обнаружили, что расположение генома в одних ядрах индивидуальных клеток существенно отличается от его положения в других ядрах. А поскольку от расположения очень сильно зависит работа генов, находки ученых позволяют объяснить механизм адаптации клеток к изменяющимся условиям существования и показывают возможные пути возникновения редких разновидностей раковых клеток в составе опухолей.

Мозг человека отличается от мозга приматов сильнее, чем мы думали

Геномы человека и шимпанзе совпадают на 99%, однако наши нервные системы развиваются совершенно по-разному и страдают от разных проблем в старости. Эти различия мешают ученым использовать приматов для изучения различных болезней и того, как человек приобрел способность членораздельно говорить и мыслить.

Ученые из Сколтеха, Курчатовского института вместе с китайскими коллегами нашли множество генов, активность которых радикально отличается в коре больших полушарий человека от активности в коре других приматов. Кора больших полушарий млекопитающих представляет собой слои из клеток и их соединений. В разных регионах мозга кора может включать от 5 до 8 слоев. В ходе исследования ученые измерили активность (экспрессию) генов в каждом из слоев префронтальной коры мозга, которая отвечает за обработку информации и принятие сложных решений. Для этого брали образцы срезов мозга человека, шимпанзе и макаки, из которых изолировали РНК и анализировали их количества с применением высокопродуктивного секвенирования. Так удалось найти 2320 генов с уникальной для человека активностью. Из них 367 генов стали работать совсем в другом слое коры, по сравнению с шимпанзе и макаками. А у шимпанзе подобных генов было обнаружено примерно в три раза меньше, всего 133. Это значит, что префронтальная кора мозга человека быстро и существенно изменилась в ходе эволюции и что изменения в активности генов могут составлять один из факторов, определяющих уникальность работы мозга человека.

Таким образом, уникальные особенности работы генов в различных слоях префронтальной коры человека предоставляют большие возможности для разработки новых способов регуляции и корректировки когнитивных функций человека при нормальном старении и развитии патологий головного мозга.

Медицина

Генетики выяснили, чем стресс отличается от депрессии

350 миллионов человек страдают депрессией, которая в некоторых случаях приводит к инвалидности. Депрессия может развиться в результате тяжелой болезни, после посттравматического расстройства или хронического социального стресса. Последняя причина все чаще притягивает к себе внимание ученых. Одна из их главных задач — изучить динамику активности генов и понять, какие из них ответственны за развитие стресса, а затем и депрессии. Чтобы смоделировать такой тип стресса в лаборатории, используют проверенную методику «стресс из-за социального поражения». На протяжении десяти дней одних мышей подсаживают в клетку к другим, более агрессивным особям, и в результате, как правило, обнаруживают у первых признаки депрессии. Один из таких признаков — потеря интереса к удовольствиям. Для мышей это сладости.

Но сотрудники Института цитологии и генетики СО РАН решили пойти дальше и изучить гены депрессии у мыши после 30-дневного эксперимента, когда у животного развивается тяжелая форма депрессии. Ученые знали, что нужно рассматривать гены, ответственные за работу префронтальной коры мозга, которая отвечает за мыслительные процессы, социальное поведение, контроль эмоций и многое другое. Поэтому в своем эксперименте исследователи смотрели, как у мышей изменяется процесс образования РНК (профили экспрессии генов) после стресса продолжительностью в 10 дней и в 30 дней.

«Мы продемонстрировали, что после 30 дней воздействия стресса у мышей развилось депрессивное состояние: они избегали сородичей, в том числе неагрессивных, проявляли признаки неподвижности в тесте на плавание, также у них наблюдалось снижение желания пить сладкий раствор. Тогда как мыши после десяти дней стресса проявляли лишь некоторые признаки заболевания. При этом мы обнаружили интересную взаимосвязь между продолжительностью стресса и количеством затронутых генов. Стресс на протяжении десяти дней изменил экспрессию 473 генов, а тридцатидневный стресс изменил экспрессию всего 35 генов. Мы сравнили эти изменения и обнаружили, что экспрессия большинства генов, которые были затронуты десятидневным стрессом, после продолжительного стресса вернулась почти к исходному уровню», — рассказывает Татьяна Меркулова, доктор биологических наук, главный научный сотрудник, заведующая лаборатории регуляции экспрессии генов ИЦиГ СО РАН.

После 30-дневного эксперимента гены также перестают реагировать на повышенный уровень гормона стресса кортикостерона, который у мыши является аналогом человеческого гормона кортизола. Таким образом, продолжительный стресс приводит к развитию депрессии, и в этом состоянии организм меньше реагирует на любые внешние раздражители.

Сельское хозяйство

Крымские ученые выращивают безвирусные растения

«Обычными средствами, тем же опрыскиванием химпрепаратами, полностью излечить растение от вируса невозможно, — поясняет заведующая отделом биологии развития растений, биотехнологии и биобезопасности Никитского ботанического сада, доктор биологических наук Ирина Митрофанова. — Это мировая проблема. Задача состоит не в том, чтобы вылечить взрослое растение — такую цель мы и не ставим перед собой. Реальный путь другой — получить новый экземпляр растения, изначально свободный от вируса, который в дальнейшем был бы устойчив к нему. Задача очень трудная, но решаемая. Нам удается полностью освободить от вируса крохотную, в несколько клеток, часть почки — меристему. Из меристемы в нашей лаборатории получают полноценные побеги, которые в дальнейшем развиваются в абсолютно здоровые растения».

Научные сотрудники Никитского ботанического сада — Национального научного центра РАН отбирают побеги перспективных сортов. В лаборатории сегменты побегов обрабатывают антисептиками и из почек выделяют меристему — верхушку побега, его активно растущую часть. Ее высаживают на питательную среду вместе с вироцидами — специальными веществами, которые борются с вирусами. Для каждого вида и сорта растения ученые разработали свой «курс лечения». Причем они знают способы избавления не только от поражающих клетки вирусов, но и тех, которые встраиваются в геном растения и живут с ним. Растения с такими вирусами-«нахлебниками» замораживают в жидком азоте при температуре –196°С в специальных криокамерах.

При Саде создаются безвирусные питомники, где высаживают новые сорта 24 культур, включая хурму, инжир, гранат, фейхоа и маслину.

«После того, как в 2014 года Никитский сад вошел в структуру Российской академии наук, он, действительно, стал настоящим федеральным научным центром, и в его истории открылась новая глава. Тогда же, в 2014 году, Сад выиграл грант РНФ, были поддержаны четыре очень важных для нас направления: геномика и биотехнология, генная инженерия, сохранение имеющихся коллекций растений и генобанк. Благодаря этому прорыву удалось приумножить колоссальное достояние — наши уникальные коллекции: более 11 тысяч сортов плодовых, более 9 тысяч сортов технических культур. Наша стратегическая цель — вывести научные исследования, проводимые в ФГБУН «НБС-ННЦ РАН», на мировой уровень. Думаю, не за горами то время, когда растения из нашего российского «Эдема» расцветут и зазеленеют по всему югу России и в более северных широтах», — говорит директор НБС-ННЦ, чл.-корр. РАН, член Совета при Президенте РФ по науке и образованию Юрий Плугатарь.

Науки о Земле

Подводная мерзлота на Восточно-Сибирском арктическом шельфе деградирует быстрее, чем считалось раньше

Специалисты предполагали, что до конца XXI века протаивание подводного слоя льда в морях Восточной Арктики не может превысить нескольких метров, а для образования зон полного протаивания льда потребуются сотни и даже тысячи лет. Значит, метан – второй по значимости парниковый газ — пока не будет выброшен изо льда в воду и в атмосферу в большом объеме. Оказалось, что это не так. На основе повторного бурения четырех скважин, выполненных Институтом мерзлотоведения СО РАН в 1982–1983 годах, ученые из Томского политехнического университета (ТПУ) доказали, что скорости вертикального протаивания подводной мерзлоты за последние 30 лет достигают 18 см в год (среднее значение — 14 см в год), что примерно на порядок выше, чем было принято считать ранее.

«Согласно нашим результатам, величина пузырькового потока метана из донных осадков в воду в Восточно-Сибирском шельфе может изменяться от миллиграммов до десятков и сотен граммов с квадратного метра в сутки — в зависимости от состояния подводной мерзлоты, что приводит к увеличению концентрации атмосферного метана в приводном слое до значений, в 2–4 раза превышающих фоновые концентрации, измеренные на нашей планете», — говорит первый автор статьи, профессор кафедры геологии и разведки полезных ископаемых ТПУ Наталья Шахова.

Эти результаты подтвердились в экспедиции ТПУ и Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН (ТОИ) при участии Института океанологии РАН (ИОРАН) и Института физики атмосферы РАН (ИФА РАН). Кроме того, результаты ученых дают принципиально новое знание о механизме процессов, ответственных за изменение состояния подводной мерзлоты на Восточно-Сибирском шельфе, на котором по разным оценкам сосредоточено до 80 % и более всей подводной мерзлоты Северного полушария, под которой находятся гигантские запасы углеводородов в форме гидратов, нефти, свободного газа.

Гуманитарные науки

Скифы Евразийской степи генетически ближе друг к другу, чем к другим народам

Крупнейшее генетическое исследование представителей скифских культур Евразии провели в этом году ученые, чтобы понять демографические основы истории скифов. Оказалось, что кочевники скифской эпохи с разных концов евразийской степи генетически ближе друг к другу, чем к другим народам.

Чтобы понять это, исследователи из Института цитологии и генетики СО РАН и Института археологии и этнографии СО РАН вместе с коллегами из Германии, США и Франции исследовали митохондриальную ДНК 96 человек, которые жили в I тысячелетии до н.э. (раннем железном веке) в степном поясе Евразии — от Причерноморья до Алтая, и провели полное генетическое исследование для восьми из них.

Оказалось, что за единством скифской культуры лежит и генетическое сходство. Ранние кочевники скифской эпохи в восточной и западной Евразии сформировались хоть и независимо, но из близких генетических компонентов. Это генетическое сходство возникло в результате миграций населения с запада на восток Евразии задолго до скифского времени — еще в эпоху бронзы. Непосредственно в раннем железном веке происходит еще большее генетическое сближение западных и восточных скифских групп из-за потока генов между ними. На этот раз он был направлен преимущественно с востока на запад. Поэтому исследователи выделяют два основных генетических компонента в скифских популяциях, связанных с населением эпохи ранней бронзы западной Евразии, генетически близким представителям ямной культуры, и компонент восточно-евразийского происхождения (юг Сибири и Центральная Азия).

Наибольшее генетическое сходство с западными скифами проявляют различные народы Кавказа и Средней Азии, а с восточными — некоторые тюркоязычные народы, принадлежащие к кыпчакской языковой группе. Однако возможные генетические связи скифов и современных народов Евразии требуют дальнейшего углубленного исследования.

Технические науки

Новые чернила для струйной печати позволят делать светящиеся голограммы и защитят документы

Для создания голограмм, что делают на банковских картах и документах, используют обычный струйный принтер. Одними из лучших чернил для этого дела являются люминесцентные, то есть светящиеся чернила. Они не токсичны для человека и имеют высокий показатель преломления. Чтобы сделать их функциональными и стабильными, ученые из Университета ИТМО с коллегами из Македонии использовали наночастицы на основе диоксида циркония с европием.

Впервые это соединение пригодилось для защиты поверхности радужных голограмм. Одна из перспективных областей применения новых — изготовление полиграфическим способом банкнот, ценных бумаг и других документов, нуждающихся в защите от подделок. Такой метод позволяет производить индивидуальные объекты, создавать их поштучно, избегая повторения, — например, нанести определенный рисунок или последовательность чисел на документы, предназначенные для конкретного пользователя.

Как отмечают авторы исследования, разработка готова к использованию: ряд компаний проявили интерес к представленным материалам, ведутся переговоры о коммерциализации. Полученные чернила подойдут под существующие серии печатных головок и могут применяться в аппаратах и печатных машинах на действующих производствах.

Текст написан на основе материалов РНФ и новостей, опубликованных в 2017 году в Indicator.Ru, «РИА Новости», «Коммерсанте» и «Поиске». Благодарим коллег за внимание к работе российских ученых!

Пресс-служба Российского научного фонда

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.