Новий коронавірус був чи не головною науковою темою в році, що минає, проте і крім нього в науці трапилася маса цікавого - від антибіотиків, створюваних штучним інтелектом, до звірячих особливостей в мозку птахів.
У величезній масі наукових новин легко побачити, що більшість їх присвячена певним темам: наприклад, рак, еволюція мозку у людини, пір'я у динозаврів, сон, кров'яний тиск тощо, тощо. Нічого дивного тут немає: будь-яке дослідження з'являється не на рівному місці, і у будь-якого відкриття є історія питання і поточний контекст. І навіть якщо перед нами виявляється начебто окремо стоїть наукова новина, то насправді вона теж являє собою лише частину якогось дослідницького проекту. Просто ми цей проект не бачимо, і не бачимо з однієї простої причини - неможливо знати все і стежити за всім. І ось зараз ми згадаємо лише деякі з наукових тем, які частіше за інших привертали нашу увагу в році, що минає.
Як можна здогадатися, першою такою темою виявився новий коронавірус SARS-CoV-2 і коронавірусна інфекція COVID-19. У жовтневому номері журналу ми писали, що на тиждень виходить приблизно 5000 статей про SARS-CoV-2 і COVID-19. Левова їх частка присвячена методам лікування. Тут, з одного боку, намагаються використовувати препарати, що розробляються проти інших вірусів, наприклад, проти вірусу грипу та вірусу лихоманки Ебола.
З іншого боку, проти SARS-CoV-2 пробують створити специфічні засоби які ефективно і точно били б по його молекулам. З третього боку, деякі давно відомі (і дуже дешеві) ліки, призначені для лікування зовсім інших хвороб, часом виявляють раптом протиковидні властивості. Так, влітку ми писали, що старий добрий дексаметазон допомагає вижити хворим з важкою формою COVID-19, а восени з'явилася інформація, що проти вірусу грають ще й антихолестеринові препарати статини. При цьому деякі ліки, на які спочатку покладали великі надії, виявляються марними проти SARS-CoV-2. Наприклад, у квітні китайські медики опублікували статтю, в якій говорилося, що на коронавірус не діють препарати від ВІЛ і арбідол.
Як відомо, одна з головних проблем при COVID-19 - це надзвичайно потужна реакція імунітету, яка виявляється згубною для самого хворого. Взаємовідносинам коронавірусу та імунної системи теж присвячено величезне число робіт. Для прикладу можна згадати дослідження того, як він пригнічує противірусний захист у легких, підвищує рівень гормону, який запускає самозасилюване запалення і отримує вигоду з імунного захисту.
Проблем з SARS-CoV-2 додає те, що він, швидше за все, здатний проникати не тільки в легкі, але і в кишечник, і в мозок, і в насінники. Більш того, деякі дослідники стверджують, що потрапивши в клітку, коронавірус здатний вбудуватися в її хромосоми.
Оптимізму додає те, що наш імунітет здатний дізнатися новий коронавірус за його «сімейними особливостями». У SARS-CoV-2 є віруси-родичі, які не викликають нічого важчого застуди, і якщо імунна система зіткнулася з такими родичами, боротися з SARS-CoV-2 їй буде легше. Та й сам SARS-CoV-2 залишається в імунній пам'яті надовго: у тих, хто перехворів COVID-19, рівень антитіл проти нового коронавірусу залишається стабільний як мінімум п'ять місяців.
Імунна клітина макрофаг, що поїдає бактерії. (Фото: ZEISS Microscopy / Flickr.com)
У зв'язку з коронавірусними подіями вільно або мимоволі починаєш уважніше стежити за дослідженнями, які тією чи іншою мірою стосуються імунної системи. Досі не цілком ясно, як саме шкірі та дихальній системі вдається відображати таку кількість вірусів і бактерій, які постійно в них проникають. Що ж, і про шкіру, і про дихальну систему ми тепер знаємо трохи більше: клітини шкіри за допомогою внутрішнього рецептора вчасно виявляють у собі віруси, а імунні клітини носа використовують вельми майстерний підхід, щоб винищити інфекцію в нюх нейронах, не пошкоджуючи самі нейрони. Велика кількість антибактеріальних засобів запасається в жирових краплях всередині клітин - це той випадок, коли від жиру є безумовна користь.
Всі наші органи, тканини і клітини в тій чи іншій мірі працюють спільно. Імунна система - яскравий тому приклад. Імунні клітини допомагають перебудовуватися молочній залозі, коли вона припиняє виділяти молоко, а імунні гени допомагають матці вибрати серед сперматозоїдів ті, яких варто допустити до запліднення. Імунітет - один з факторів старіння, але він же допомагає мозку позбутися мертвих клітин після інсульту. Взагалі, взаємодія між мозком і нервовою системою в цілому, з одного боку, і імунною системою, з іншого - надзвичайно цікава дослідницька область. Імунні клітини мозку позитивно впливають на нервові сигнали і допомагають налаштовувати нейронні мережі, але в інших ситуаціях імунітет додає мозку тривоги і навіть посилює алкоголізм. Окрема тема - вакцини, але загальна увага прикута зараз до вакцин від коронавірусу, які створюються за допомогою давно відомих і давно перевірених методів. Тут можна було б нагадати про експериментальну вакцину проти малярії, яка зроблена на основі модифікованого малярійного плазмодія і яка, можливо, в майбутньому стане ефективним захистом від цієї старої, але все ще непереможеної інфекції.
Бактерія Streptococcus pyogenes проникає в клітку людини. (Фото: ZEISS Microscopy / Flickr.com)
На коронавірусній хвилі додаткову порцію уваги отримали й інші мікроби - в першу чергу, віруси, але і бактерії теж. Полювання за вірусом гепатиту С тривало кілька десятиліть, але зрештою, його вдалося зловити і довести його зв'язок з хворобами печінки - за ці відкриття в 2020 році вручили Нобелівську премію з фізіології та медицини.
Про вірус грипу ми дізналися, що він краде у нас шматки генетичного коду, що цілком може посилювати його патогенність. Про інший знаменитий вірус, ВІЛ, стало відомо, що він пробирається в мозок - тут він перечікує противірусну терапію, щоб потім знову поширитися по всьому тілу. З іншого боку, наші клітини здатні надовго присипляти ВІЛ: його гени опиняються в хромосомному архіві, звідки вірус не може вибратися. Активний ВІЛ, як відомо, вміє добре ховатися від імунної системи, але його можна зробити видимим для імунних клітин за допомогою антибіотика конканаміцину А.
Як ми говорили у зв'язку з коронавірусом, часто лікарські засоби виявляються корисними там, де від них нічого не чекали, і в році, що минає, подібні несподівані сюрпризи ми отримували від антибактеріальних засобів. Антибіотик, який допомагає виявити ВІЛ - один з прикладів, два інших - антибіотик еноксацин, що працює проти ожиріння, і антибактеріальні пептиди, що працюють проти атеросклерозу. При цьому триває пошук нових антибіотиків, які допомогли б нам впоратися з лікарсько-стійкими бактеріальними штаммами. Такі антибіотики цілком здатний знайти для нас штучний інтелект, позбавлений від когнітивних вад живого мозку. У лютому ми розповідали про речовину халіцин, виявлену серед тисяч інших молекул спеціальним машинним алгоритмом. Халіцин діє на бактерії, стійкі до інших антибіотиків, і, мабуть, мікроби до нього пристосуватися навряд чи зможуть.
Заговоривши про бактерії, не можна не згадати про нашу симбіотичну мікрофлору, від якої залежить і обмін речовин, і імунітет, і навіть робота мозку. Наприкінці вересня ми писали, що материнська мікрофлора допомагає формуватися мозку ембріона під час вагітності; а на початку грудня ми дізналися, що без кишкових бактерій мозку не вистачає нейромедіаторів, які керують сном.
Клітини раку легких. (Фото: Wellcome Images / Flickr.com)
Інші теми, які користуються незмінною популярністю - старіння, тривалість життя і рак. Вони найтіснішим чином пов'язані один з одним: чим довше ми живемо, тим більше в ДНК накопичується мутацій, а адже саме мутації роблять клітку злоякісною. Потенційно онкогенні зміни в ДНК можуть виникати з ранньої юності, як це було показано для злоякісних пухлин матки.
З іншого боку, ми часом самі портимо собі ДНК, і потрібно лише відмовитися від деяких шкідливих звичок, щоб геном не псувався так швидко: наприклад, якщо кинути курити, число щорічних мутацій у клітинах легких впаде вдвічі. Алкоголь, до речі, теж може бути причиною дефектів в ДНК, хоча у клітини є інструменти для виправлення алкогольних пошкоджень. Говорячи про злоякісні мутації, не можна не згадати про результати гігантського проекту з їх обліку та систематизації: виявилося, що незважаючи на величезне розмаїття ракових мутацій, їх можна укласти в обмежену кількість схем, які проявляються у різних видів пухлин.
Навіть якщо клітина вже отримала всі злоякісні мутації, це не обов'язково означає хворобу. По-перше, самі мутантні клітини не дають один одному перетворитися на пухлину (образно кажучи, їм заважають власні амбіції). По-друге, як ми знаємо, імунітет зобов'язаний знищувати ракові клітини. Правда, підвищена активність імунітету може зіграти якраз на руку пухлини. Ракові клітини, стрімко ділячись і еволюціонуючи, вчаться протидіяти імунній системі - тому, до речі, у жінок і молодих людей пухлини сильніше опираються імунотерапії.
Взагалі, злоякісні клітини великі майстри в тому, щоб використовувати на свою користь все, що їм трапляється: ми писали, що їм допомагають і нерви, і лімфатична система, і навіть бактерії в роті. Втім, з бактеріями все не так однозначно. Ми вже знаємо, що бактерії живуть у всіх злоякісних пухлинах і що по мікробній ДНК в крові можна діагностувати пухлину. Однак мікробні співмешканці не завжди подобаються раковим клітинам, і цілком можливо, в перспективі нас чекає якийсь варіант мікробної протиракової терапії (про такий підхід ми вже якось писали кілька років тому).
З віком підвищується ймовірність не тільки онкологічних, а й багатьох інших хвороб, тому нас усіх, звичайно, цікавить, як старіння можна уповільнити, а тривалість життя - збільшити. У році, що минає, ми дізналися, що старіння можна зупинити і навіть звернути назад за допомогою перекису водню і кисню. Ці результати виглядають тим дивнішими, що молекули-окислювачі вважаються такими, що сприяють старінню. Інші способи продовжити життя: народити трьох-чотирьох дітей або не народжувати взагалі, дружити з сусідами і любити мистецтво.
X-хромосому прочитали в області центромери - ділянки ДНК, в якому з'єднані обидві копії хромосоми після копіювання. (Ілюстрація: Giovanni_Cancemi / Depositphotos)
У пошуках довгого і здорового життя ми часто звертаємо свій погляд до найчасніших біотехнологічних досягнень. Ми чекаємо, що нас незабаром почнуть лікувати за допомогою стовбурових клітин і генної інженерії, і експерименти на тваринах дають всі підстави вважати, що так воно і буде, якщо не завтра, то післязавтра.
У березні ми розповідали, як можна поліпшити пересадку органів за допомогою однієї злоякісної хитрості, у травні - як генна терапія допомагає наростити м'язи і як можна допомогти старим нейронам відремонтувати їх ДНК, у грудні - як мишам омолодили клітини сітківки, перезавантаживши епігенетичні модифікації на їх ДНК. Стовбурові клітини допомагають боротися з наслідками інсульту (правда, знову ж таки поки тільки у мишей); крім того, з них навчилися вирощувати шкіру з волоссям і жіночі статеві клітини.
Великі медичні надії пов'язують з методом генетичного редагування CRISPR-Cas9, за який цього року дали Нобелівську премію з хімії. Але тут поки що не цілком ясно, наскільки його можна використовувати на людині. Взагалі, біотехнологічні успіхи багато в чому обумовлені тим, наскільки ми знаємо наш генетичний текст і наскільки глибоко розуміємо, як працюють наші гени. Тут у 2020 було два прориви: по-перше, Х-хромосому вдалося прочитати цілком, від початку до кінця, по-друге, вийшло створити масштабну карту генетичної активності у всіх тканинах людського тіла.
(Ілюстрація: Spectral / Depositphotos)
У нейробіології вдалося трохи далі просунутися в розумінні механізмів пам'яті - однієї з найстаріших і найзагадковіших наукових проблем. На молекулярно-клітинному рівні запам'ятовування пов'язали з поетапними змінами в структурі нейронних хромосом; крім того, в мозку знайшли спеціальні клітини, що допомагають бачити старе в новому - тобто згадувати старий досвід у нових життєвих ситуаціях. Тривають спроби маніпулювати мозком, порівняно успішні: наприклад, мозок миші змусили відчути неіснуючий запах, а незрячим людям допомогли побачити літери наосліп, стимулюючи зорову кору.
Невибувною проблемою залишається відсутність ефективних засобів для лікування важких психоневрологічних розладів: шизофренії, депресії, аутизму тощо. Для шизофренії цього року знайшли один експериментальний препарат, який діє на всі симптоми хвороби. Що до депресії, то тут важливо розуміти, які антидепресанти допоможуть людині, а які - ні. У лютому ми розповідали, що ефективність антидепресантів можна заздалегідь передбачити за електричними хвилями мозку.
Очевидно, не дуже швидкий прогрес у нейробіології (хоча це кому як здається) пов'язаний з тим, що ми ще далеко не все знаємо про елементарні речі - про те, як працюють нейрони, як вони взаємодіють з іншими клітинами нервової системи, і т. д. Коли ми говорили про імунітет, ми згадували про спеціальні імунні клітини мозку, які стежать за станом нейронних мереж.
Інші допоміжні клітини, які забезпечують нейронні «дроти» жировою ізолюючою «обмоткою», допомагають мозку відчувати паузи в довгих звуках. Палички і колбочки в сітківці ока, як виявилося, з'єднані електричними контактами, деякі смакові рецептори реагують на чотири смаки з п'яти основних, а у деяких нейронів мозку взагалі виявили новий рід сигналів - на вхідний імпульс вони відповідають тим слабкіше, чим сильніше на них дієш.
Пара самців азійського лева. (Фото: Stotra Chakrabarti / University of Minnesota)
Особливості нашого мозку і нашої поведінки можна краще зрозуміти в порівнянні з тваринами - тим більше що в інтелекті тварин все частіше виявляються риси, які раніше вважалися суто людськими. Про інтелект ми тут говоримо в широкому сенсі, маючи на увазі не тільки здатність відрізняти два від трьох, а й різноманітні соціальні навички.
Традиційно великою увагою користуються примати, і хоча їх вивчають як мало кого, вони все ще можуть здивувати - зокрема, тим, як вони ставляться один до одного. Наприклад, молоді самці досить довго залишаються в прямому сенсі маменькіними синками - тобто з матір'ю вони дружать сильніше, ніж з іншими шимпанзе, з якими у них нерідко трапляються конфлікти; з віком же вони стають більш миролюбними і починають більше цінувати старих друзів, з якими колись зав'язали відносини - тобто для шимпанзе старий друг дійсно краще нових двох.
Взагалі ж дружити вміють дуже багато, від змій до фламінго і левів, причому у левів дружать навіть самці. Спілкуючись один з одним, звірі переймають один у одного корисні навички (як видри), а більш досвідчені і старі допомагають вижити більш молодим, як це відбувається у самців слонів. (Про слонів завжди думали, що складні соціальні відносини у них практикують тільки самки.) І навіть не дуже розумні на вигляд грифові цесарки здатні приймати непрості політичні рішення, коли їм здається, що їх лідер поводиться негідно.
Втім, птахи взагалі розумніші, ніж про них прийнято вважати: скажімо, блакитні сороки допомагають один одному з власної ініціативи, а новозеландські папуги кеа обчислюють ймовірності. Зайве підтвердження тому вдалося виявити в мізках голубів і сов - виявилося, що деякі зони пташиного мозку організовані подібно мозку звірів. (До речі, у деяких сучасних рептилій у мозку теж є звірина «запчастина».)
Окремий показник інтелекту - вміння знаходити спільну мову з кимось, хто належить до іншого виду. Тут нас здивували вовки і свині: виявилося, що дорослі вовки сумують за людьми, вовчата з подачі людей можуть грати в м'яч, а свині люблять людей майже так само, як собаки. Все це тим дивніше, що людина, взагалі кажучи, не найлегший об'єкт для розуміння.
Художня реконструкція Elpistostege watsoni - риби з пальцями. (Фото: Flinders University)
Від мозку людей і тварин легко перекинути місток до досліджень еволюції. Ми часто чуємо, що якісь особливості сучасних тварин, і людини в тому числі, почали формуватися в далекому минулому. Наприклад, мозок макак вміє впізнавати групи букв, схожі на слова, ссавці стали соціальними вже при динозаврах і навіть пальці у стародавніх риб почали формуватися ще до того, як вони почали освоювати сушу.
Багато наших особливостей прийшли до нас від неандертальців. Їхній слід у геномі людини розумної вивчають давно, і, як нещодавно з'ясувалося, неандертальська ДНК є навіть у африканців, у яких її донедавна не бачили. Вважається, що ДНК неандертальців впливає у нас на цілу низку ознак, наприклад, на чутливість до болю і на те, як проходять пологи. Однак тут не можна не згадати одне дослідження, що вийшло у світ минулої весни: його автори ставлять під сумнів таку вже впливовість неандертальського сліду.
Інша нев'яка тема - вимирання динозаврів: дискусії про те, від чого вони вимерли, і не думають припинятися. Дві найпопулярніші гіпотези - астероїдна і вулканічна, і влітку ми писали про нові дані на користь астероїдної гіпотези. Причому, на думку авторів роботи, вулкани допомогли земному клімату почасти прийти до тями після астероїда. Вимирання динозаврів - не єдине вимирання в історії Землі, і не всі вони пояснюються катастрофами на кшталт вулканів або зіткнення з астероїдом. Наприклад, причиною девонського вимирання могло стати потепління клімату.
(Фото: zurijeta / Depositphotos)
Від вимирання і потепління клімату логічно перейти до екології. Тут ми несподівано знову зустрічаємо проблему епідемій: у серпні ми писали про те, що чим сильніша людина втручається в природні екосистеми, тим вища ймовірність отримати від тварин якусь нову інфекцію. (Варто нагадати, що новий коронавірус прийшов до нас якраз від тварин, а його штучне походження - лише втішна фантазія.)
Втім, псування навколишнього середовища шкодить нам і безпосередньо, без допомоги вірусів: вуглекислий газ робить нас дурнішими, перхлірати з піротехнічної вибухівки і ракетного палива шкодять щитоподібній залозі, дизельний дим шкодить серцю і судинам. При цьому деякі джерела забруднення відкриваються нам тільки зараз: наприклад, виявилося, що великий внесок у забруднення атмосфери робить звичайний асфальт.
Залишається сподіватися, що технології, які зараз нас гублять, нас же і врятують. Одна з основних причин сучасних екологічних проблем - знаменита Зелена революція, що почалася в середині минулого століття. З одного боку, вона врятувала від голодної смерті десятки і сотні мільйонів дітей, з іншого - через неї нам зараз доводиться мати справу з водою і грунтом, забрудненими пестицидами і добривами, падінням біорізноманіття тощо.
Але зараз багато говорять про наступну, другу Зелену революцію, яка повинна на нових технологічних підставах удосконалити досягнення першої - вдосконалити так, щоб звести до мінімуму екологічну шкоду від сільськогосподарської діяльності. Біотехнології вже зараз дозволяють поліпшити реакції фотосинтезу так, щоб вони переробляли в кілька разів більше СО2, ніж зазвичай, а нові, більш ефективні і менш вимогливі сорти рослин можна створити за допомогою нових методів гібридизації, що спираються на результати молекулярно-біологічних досліджень.