Открытия российских исследователей способны перевернуть нашу жизнь: 3D-печать живых тканей и фиолетовая пшеница.
Анна Урманцева
Уходящий год стал крайне плодотворным для российской науки. Блестящие открытия 2018 года способны перевернуть современную жизнь. Сделан безусловный прорыв в мировой медицине: ученые разработали протез митрального клапана сердца, устанавливаемый через катетер и не требующий разреза в грудной клетке. Заметные успехи и в сельском хозяйстве: впервые в мире выращена полезная для здоровья фиолетовая пшеница. Кроме того, российские ученые смогли втрое увеличивать внимательность, напечатали в космосе фрагменты хрящей и щитовидной железы, а также обнаружили, что ребенок из Денисовской пещеры — гибрид разных видов людей. О самых ярких достижениях «Известиям» рассказали члены экспертного совета Российского научного фонда.
Без остановки сердца
Первый отечественный протез митрального сердечного клапана для имплантации без вскрытия грудной клетки и остановки сердца создали ученые из НМИЦ им. академика Е.Н. Мешалкина. Пороки митрального клапана, который находится между левым предсердием и левым желудочком сердца, — одна из наиболее распространенных патологий сердечно-сосудистой системы. Обычно эти пороки оперируют на открытом сердце при искусственном кровообращении. Такие вмешательства не подходят для 30–50% пожилых пациентов из-за риска серьезных осложнений и смерти.
Новый метод позволяет проводить операцию различным категориям пациентов, в том числе людям пожилого возраста, которым ранее отказывали в протезировании из-за риска осложнений. Каркас клапана сделан из сплава никеля и титана, створки — из перикарда сердца теленка. Специалисты подтверждают, что эта разработка — настоящий прорыв в отечественной и мировой хирургии.
Щитовидка в космосе
Уникальный способ 3D-печати живых тканей также был разработан в России в 2018 году. Благодаря расчетам ученых из Объединенного института высоких температур РАН удалось создать биологические объекты без каркаса. В этом случае клетки направляют в нужное место с помощью магнитных полей.
Исследования проходили на Международной космической станции. На созданной учеными установке следили за тем, как в невесомости ведут себя мелкие заряженные частицы, помещенные в магнитное поле специальной формы. Эти частицы сами собирались в скопления. На основе наблюдений исследователи построили математическую модель процесса.
Вооружившись этими знаниями, российские ученые создали специальный биопринтер и новый способ 3D-печати живых тканей. Первые шесть хрящей человека и шесть щитовидных желез мыши 20 декабря вернулись с МКС для дальнейшего анализа.
Мама — неандерталец, папа — денисовец
Новый гибридный вид древнего человека открыли российские ученые в 2018-м. Полученные знания помогут заполнить ряд пробелов в изучении эволюционного процесса.
У открытия есть предыстория: в 2012 году на Алтае российские ученые нашли фрагмент кости, принадлежавшей 13-летней девочке-подростку, которая жила 50 тыс. лет назад. Тогда был открыт новый вид человека — денисовца. Теперь по обломку этой кости исследователи установили, что родители девочки относились к разным видам людей: мать была неандертальцем, а отец — денисовцем.
Поскольку ДНК митохондрии (энергетической станции клетки) наследуют только по материнской линии, а в этом случае она полностью соответствует неандертальской, ученые подтвердили видовую принадлежность ее матери и отца. Почему у этих видов были разные гены и они не смешались? Исследователи предполагают, причина в том, что большую часть населения Земли разделяли большие территории, что сильно мешало их общению друг с другом.
По словам ученых, это одно из крупнейших открытий в науке за последнее время, признанное и высоко оцененное мировым научным сообществом.
Искусственная кожа меняет цвет
Еще одна разработка 2018-го — аналог кожи хамелеона, способный найти применение в медицине. Результаты исследования российских ученых дают возможность создать сосудистые и внутриглазные имплантаты, а также межпозвонковые диски нового поколения. Искусственная кожа с новыми свойствами позволит точно воспроизвести механические свойства тканей каждого пациента. А это, возможно, откроет новое направление в персонализированной медицине.
Кожа хамелеона знаменита способностью менять окраску. Кроме того, при растяжении она резко упрочняется — это механизм защиты животного, выработанный в процессе эволюции. Специалисты МГУ им. М.В. Ломоносова и ряда зарубежных научных организаций повторили сочетание этих двух эффектов в искусственном материале, а результаты представили в Science – одном из самых престижных научных журналов мира.
В основе нового материала — так называемые пластомеры, это особый тип полимеров. Они состоят из длинных нитей вещества (полимерных цепочек), имеющих частые молекулярные ворсинки, что сделало их похожими на ершики для посуды. Кроме того, цепочки обладают специальными концевыми последовательностями, которые образуют крошечные шарики. Такая структура объясняет уникальные механические свойства материала: мягкость, быстрое упрочнение и стабильность формы. Меняя размеры и расстояние между отдельными элементами этих структур, ученые могут гибко управлять реакцией материала на растяжение и сжатие, а также изменением окраски.
Фиолетовая пшеница.
Новые сорта пшеницы вывели исследователи из Омского государственного аграрного университета им. П.А.Столыпина. Культуру скрещивают с диким злаком эгилопсом и пыреем сизым.
Эгилопс нужен пшенице, так как он имеет мощную корневую систему, а также умеет противостоять засухе и ржавчине. Благодаря эгилопсу, в зернах новой пшеницы повышается содержание цинка и железа, для того, чтобы предупреждать и лечить анемию. Озимые виды обладают повышенной морозостойкостью, позволяющей выращивать эту культуру в суровые сибирские зимы.
Второе достижение — фиолетовозерная пшеница, получившаяся после скрещивания с пыреем сизым. Она богата антиоксидантами, включает антоцианин и имеет существенное преимущество по питательной ценности. Новый многолетний злак позволяет получать до 1 т зерна с гектара и огромную биомассу отличного кормового качества. Корневая система нового сорта, названного «Сова», достигает 2 м. Фиолетовая пшеница может возделываться без пересева до 10 лет.
Апгрейд баранов
Ученые из Федерального научного центра животноводства имени академика Л.К. Эрнста впервые изучили геном отечественных пород крупного рогатого скота, овец и северных оленей. При помощи ДНК-чипов исследователи нашли у животных десятки тысяч отдельных мутаций, которые подсказали ученым, какие компоненты генетического материала сохранились, а какие изменились в результате скрещивания. Это позволило выявить наиболее удачные компоненты, поскольку они не смешались с другими генами и не «испортились». Теперь их можно использовать при создании новых пород животных.
Например, среднеазиатский архар позволил создать новый вид домашних баранов, которые переносят сильные морозы. Жесткая шерсть овец не сильно востребована, поэтому было решено создать гибрид с дикими короткошерстными сородичами. Исследователи также разводят куриц, которым ввели особый ген, позволяющий нести полезные для лечения сахарного диабета яйца.
В три раза внимательнее
Как побороть усталость при выполнении рутинных заданий, придумали ученые из Саратовского государственного технического университета с иностранными коллегами. Проблема, которую они исследуют, крайне актуальна для водителей, пилотов и диспетчеров — во время работы им нужно иметь высокую концентрацию внимания. Исследователи провели эксперимент, чтобы понять, возможно ли снизить уровень утомления моментально и без тренировок. Оказалось, это возможно.
В эксперименте использовали интерфейс «мозг-компьютер», который позволяет контролировать показатели работы мозга и дает сигнал, если они снижаются. Участникам нужно было меньше чем за секунду увидеть на экране картинку и отреагировать на нее нажатием кнопки. В это время ученые считывали электрическую активность мозга, чтобы определить эффективность его работы при восприятии и обработке визуальной информации.
Выяснилось, что, если человек слышит сигнал о понижении уровня концентрации внимания, время его внимательности увеличивается в два-три раза. По словам исследователей, новые знания помогут создать устройство для поддержания высокого уровня концентрации внимания.
Российский научный фонд с 2014 года финансирует исследования ученых из всех областей науки. Сегодня 45 тыс. исследователей из более чем 600 научных организаций работают при поддержке фонда. На проведение исследований выделено 80 млрд рублей, а научные результаты работ уже отражены в 90 тыс. научных публикаций.
Событие года
В апреле 2018 года в НИЦ «Курчатовский институт» открыли Лазерно-синхротронный комплекс. С его помощью впервые в мире стало возможным реализовать новый подход к исследованию физических явлений. Комплекс позволяет проводить эксперименты с одновременным использованием излучений уникального (по соотношению мощности и длительности импульса) петаваттного фемтосекундного лазера и Курчатовского источника синхротронного излучения (КИСИ-Курчатов). Это сочетание дает возможность экспериментировать с временным разрешением. То есть сверхбыстрый лазерный импульс активирует какой-либо процесс, например, химическую реакцию, а рентгеновское излучение, подобно видеокамере в режиме суперзамедленной съемки, дает серию кадров о поведении атомов после начала реакции.
Также в 2018 году на КИСИ-Курчатов были запущены две новые экспериментальные станции: станция малоуглового рассеяния (БиоМУР) и станция микропучков («Микрофокус»). Станция БиоМУР предназначена для определения структуры биологических объектов, например, белковых молекул, что крайне важно для биологии, фармакологии и медицины. На станции «Микрофокус» можно получать очень маленькие (порядка нескольких микрон) пучки рентгеновского излучения, что позволяет сканировать изучаемые объекты с высоким пространственным разрешением. С помощью этой станции ученые могут восстанавливать утраченные буквы или изображения на археологических объектах (к примеру, на пергаменте) по результатам рентгенофлуоресцентного сканирования поверхности.