Наука-2018

Перед наступлением нового года предлагаем вспомнить о некоторых интересных результатах, достигнутых учеными в 2018 году.

Палеогенетика

Дочь денисовца и неандерталки

После анализа ДНК, выделенной из очередной кости, которую нашли в Денисовой пещере на Алтае. Они пришли к выводу, что кость принадлежала умершей более 50 тысяч лет назад девочке, отец которой был денисовцем, а мать принадлежала к неандертальцам. Это первый случай, когда удалось обнаружить останки прямого потомка скрещивания двух видов людей.

Напомним, что денисовцами называют представителей особого вида (или подвида) рода Homo, родственного как современным людям, так и неандертальцам. Все эти три вида происходят от общего предка, жившего около 700 тысяч лет назад. По современным оценкам, разделение неандертальцев и денисовцев произошло не менее 190 тысяч лет назад и, возможно, до 470 тысяч лет назад. Существование денисовцев как особого вида или подвида людей, отличавшихся как от сапиенсов, так и от неандертальцев, обнаружилось, когда ученые смогли выделить ДНК из костей, найденных в Денисовой пещере.

Название «денисовский человек», или «денисовец», дано по Денисовой пещере, где были найдены костные останки этого вида. За пределами этой пещеры денисовцы, по крайней мере пока, не обнаружены. Денисова пещера использовалась для жилья на протяжении тысячелетий, и в разное время там жили не только денисовцы, но и неандертальцы, и Homo sapiens. До последнего момента было известно лишь четыре костных фрагмента, для которых позднее была показана принадлежность денисовцам. В 1984 году был найден коренной зуб (Денисова 2). В 2000 и 2010 годах – еще два коренных зуба (Денисова 4 и Денисова 8), а в 2008 году – фрагмент фаланги мизинца (Денисова 3).

Денисова пещера. Фото: Wikimedia Commons

Сопоставление генома денисовцев с геномами древних и современных Homo sapiens показало, что в генах нынешних людей есть небольшая доля денисовского наследия. Исследователи выяснили, что жители Меланезии унаследовали от денисовцев примерно 5 % своего генома. Денисовские варианты генов обнаружились также у тибетцев и эскимосов, причем эти варианты повышают выживаемость в холодном климате. В марте этого года было опубликовано исследование, в котором денисовские гены были обнаружены у жителей Восточной Азии, особенно у китайцев, японцев и дайцев (народа тайской языковой группы, живущего в китайской провинции Юннань, на северо-западе Мьянмы и севере Таиланда). При этом денисовские фрагменты ДНК у представителей этих народов не совпадали с денисовскими генами меланезийцев. Авторы работы пришли к заключению, что генетические контакты между популяциями денисовцев и сапиенсов происходили дважды, в Восточной Азии и в местах, где сейчас находятся острова Индонезии, а в древности располагалась часть азиатского материка, известная под названием Сунда. Отметим, что свидетельств срещивания между денисовцами и неандертальцами до сих пор генетики не находили.

Нынешнее исследование было посвящено кости, которую археологи нашли в Денисовой пещере в 2012 году. Двухсантиметровый фрагмент одной из длинных костей конечностей фигурирует в научных отчетах под обозначением «Денисова 11». Согласно радиоуглеродной датировке, возраст кости около 50 тысяч лет. Принадлежала она, скорее всего, ребенку 11 – 13 лет. Остальные детали выяснились после выделения и анализа ее генома.

Как оказалось, кость принадлежит девочке. Ее геном был сопоставлен с уже известными геномами как денисовцев, так и неандертальцев из Денисовой пещеры. Результат оказался таким, что, как признает палеогенетик Вивиана Слоун (Viviane Slon), которая непосредственно участвовала в работе, она поверила в достоверность только после нескольких повторений анализа. В геноме 42,3 % аллелей были денисовские, а 38,6 % — неандертальскими. А вот митохондриальная ДНК, которая, как известно, наследуется по материнской линии, была исключительно неандертальской, поэтому исследователи пришли к выводу, что отцом девочки был денисовец, а мать принадлежала к неандертальцам.

 

Космические исследования

Астероид Рюгу

В начале июля 2018 года японский космический аппарат «Хаябуса-2» достиг цели своего полета – астероида Рюгу – и приступил к выполнению исследовательской программы. Первые полтора года он посвятит дистанционным исследованиям и отправке на астероид спускаемых аппаратов, а в конце 2019 года сам сблизится с Рюгу на минимальное расстояние и должен будет добыть образцы вещества, которые доставит потом на Землю.

Астероид Рюгу. Фото: JAXA/University of Tokyo

Сейчас «Хаябуса-2» занял орбиту на высоте 20 километров от поверхности астероида. Предусмотрены несколько спусков аппарата на высоту около километра, а также еще более близкие сближения с поверхностью – для высадки “десанта” и забора проб. Удачный заброс первого десанта состоялся в сентябре этого года. На Рюгу отправились небольшие передвижные модули. Они имеют вид приземистых цилиндров диаметром 18 сантиметров и высотой 7 сантиметров. Вес каждого из модулей около 1,1 килограмма. Энергию они получают от солнечных батарей. Снабжены модули 1A и 1B камерами для съемки поверхности Рюгу, термометрами, оптическими сенсорамми и акселерометрами. Камеры позволяют вести стереоскопическую съемку. Любопытно, что модули умеют прыгать. Такой способ передвижения был выбран из-за низкой гравитации астероида. Аппарат на гусеницах или колесах, начав движение по Рюгу, оторвался бы от его поверхности. Поэтому было решено избрать прыжковое передвижение. Для прыжка используется крутящий момент, создаваемый вращающимися массами внутри каждого из аппаратов. Модули могут преодолевать в прыжке расстояние до 15 метров.

Посадка спускаемых модулей на Рюгу прошла успешно, и они передали на «Хаябусу-2» первые фотографии, сделанные на поверхности астероида.

 

Биология развития

Дети двух матерей

Китайские ученые объявили, что им удалось получить детенышей от двух самок мышей. Когда рожденные в эксперименте мышата выросли, они сами оказались способны давать здоровое потомство.

В природе известны случаи партеногенеза, когда эмбрион развивается из клеток только одного родителя, без оплодотворения. Но партеногенез не встречается у млекопитающих, а попытки воспроизвести его искусственно до сих пор оказывались неуспешными. Главным препятствием служит явление геномного импринтинга. Как известно, каждый ген в хромосомах представлен в двух экземплярах (аллелях), полученных от отца и от матери. В большинстве случаев в организме в равной мере работают обе копии каждого гена. Однако у небольшого количества генов считывание информации происходит только с одной копии, причем для каждого конкретного случая она должна быть строго отцовской или же, наоборот, материнской. Было обнаружено, что большинство импринтированных генов у млекопитающих играют роль в контроле роста и развития эмбриона, включая образование плаценты.

Блокировка второй копии гена при импринтинге осуществляется во время развития женских и мужских половых клеток довольно стандартным способом – метилированием ДНК. Нарушение этого процесса, ведущее к функционированию как отцовской, так и материнской аллелей или же к утрате нужной аллели, оборачивается для организма серьезными нарушениями развития. Известны генетические заболевания человека, связанные с дефектом отцовской или материнской аллели определенного гена, например, синдром Прадера – Вилли и синдром Ангельмана. Когда китайские исследователи пытались добиться развития эмбрионов, начало которым положили клетки двух самок или двух самцов, у потомства тоже появлялись серьезные врожденные аномалии. Теперь им удалось преодолеть этот барьер.

Одна из рожденных в ходе эксперимента мышей с собственным потомством. Фото: Leyun Wang/Cell Stem Cell

Исследователи использовали гаплоидные эмбриональные стволовые клетки самок мышей, содержащие половинные наборы хромосом. При помощи метода редактирования генома CRISPR-Cas9 они отрезали в трех областях ДНК такой клетки по одному нуклеотиду (цитозину), к которому была прикреплена метильная группа – метка, переводящая ген в нерабочее состояние. В итоге этой манипуляции геном женской клетки приобретал мужские черты.

Тогда модифицированную таким образом клетку инъецировали в неоплодотворенную яйцеклетку другой самки. Генетический материал двух клеток объединялся как при обычном оплодотворении, и начиналось развитие эмбриона. Правда, из 210 эмбрионов, полученных таким образом, только 29 развивались нормально. После пересадки таких эмбрионов в матку мыши произошло рождение здоровых мышат, которые выросли и дали нормальное потомство.

Аналогичный эксперимент китайские ученые поставили и с самцами мышей, однако он прошел куда менее успешно. В этом случае объединялся генетический материал обычного сперматозоида и гаплоидной эмбриональной стволовой клетки, вырезались метки геномного импринтинга (в данном случае их было не три, а семь), а затем ядро переносилось в мышиную яйцеклетку, лишенную собственного ядра. Яйцеклетки имплантировались суррогатным матерям. Деление оплодотворенной клетки и образование эмбриона тут тоже происходили, но мышата умирали вскоре после рождения. Из двенадцати родившихся только двое прожили больше двух суток после появления на свет. Авторы работы полагают, что более тщательное удаление меток геномного импринтинга в будущем позволит добиться успеха и с самцами.

Безусловно, говорить, что нынешний эксперимент открывает путь к рождению детей от двух матерей у людей, преждевременно. Даже для мышей изучены не все возможные побочные эффекты такого размножения. На данный момент главным результатом исследования можно назвать более детальное объяснение, почему для млекопитающих невозможен партеногенез. Создание метода, позволяющего при определенных условиях обойти этот запрет, представляется, скорее, дополнительным бонусом, у которого, правда, есть интересные перспективы.

 

Античная история

Последний день Помпеи перенесли на осень

В Помпеях археологи обнаружили надпись на стене одного из домов.

XVI (ante) K(alendas) Nov(embres) in[d]ulsit
pro masumis esurit[ioni]

«В шестнадцатый день перед ноябрьскими календами (он) дал волю своему величайшему (masumis = maximis) голоду» (буквально “величайшим голоданиям”). В сообщении археологического парка Помпей предлагается литературный перевод: «…он переусердствовал в еде». Шестнадцатый день перед ноябрьскими календами – это 17 октября.

Важным обстоятельством здесь служит то, что в доме происходил ремонт, и стена с надписью была побелена, но еще не покрыта росписью, а значит, надпись сделана незадолго до гибели города. Однако как мог кто-то из жителей писать на стене в шестнадцатый день перед ноябрьскими календами, если извержение Везувия случилось В в девятый день до сентябрьских календ (24 августа)?

Фото: EPA

Но историки давно подозревали, что дата гибели Помпей может быть иной. Дело в том, что единственным письменным сообщением об извержении, где называется точный день, служит письмо Плиния Младшего к Тациту, которое, конечно, дошло до нас не в подлиннике, а через посредство многих переписчиков. Даже среди сохранившихся копий этого письма есть разночтения в этом месте. Среди вариантов есть «ноябрьские календы», «третий день до ноябрьских календ», «девять дней до календ» (не указано, каких именно). И общепринятая дата 24 августа – результат тестологического решения, то есть вариант признанный самым надежным, но отнюдь не гарантированно верный. Кто-то из переписчиков вполне мог перепутать месяц.

За долгие годы исследований набралось немало косвенных свидетельств в пользу осенней даты. Погибшие горожане были одеты не по-летнему, многие дома уже отапливались жаровнями, были сделаны запасы сушеных фруктов и вина нового урожая, созрели гранаты, разлет вулканического пепла не соответствовал не августовской розе ветров и так далее. Но надпись на стене стала куда более весомым аргументом.

 

Планетология

Insight на Марсе

В конце ноября автоматический зонд InSight совершил удачную посадку на поверхность Марса.

Посадка на Марс – самый опасный момент проекта, неудача при посадке считается весьма вероятной и может перечеркнуть несколько предыдущих лет работы. До сих пор лишь 40 % попыток посадить космический аппарат на Марс завершились успехом. Неудачной была и последняя по времени попытка, когда зонд Европейского космического агентства «Скиапарелли» из-за ошибки компьютера слишком рано отключил свои тормозные реактивные двигатели и разбился.

Специалисты НАСА называют время, которое спускаемый аппарат проводит в атмосфере Марса, «семью минутами ужаса». Все дело в том, что атмосфера Марса очень разрежена. Атмосферное давление у поверхности Марса в 160 раз меньше земного, чтобы добраться до зоны с таким же давлением на Земле, надо подняться более чем на 30 километров. Разреженность атмосферы не дает возможность затормозить спускаемый аппарат, поэтому при ошибке в расчетах он просто ударяется о твердую поверхность Марса и разбивается. О различных способах, предлагавшихся конструкторами, чтобы решить эту проблему, можно прочитать в отдельном очерке.

Фото: NASA/JPL-Caltech

InSight использует успешный опыт другого марсианского зонда – «Феникса», который 25 мая 2008 года благополучно сел на Марс. Программа спуска предусматривала скоординированное использование нескольких механизмов торможения. При входе в марсианскую атмосферу зонд защищал специальный термозащитный экран. Скорость зонда в этот момент составила примерно 19 800 километров в час. В точно определенный срок раскрылся парашют, а экран был отброшен. При достижении определенного расстояния до поверхности зонд избавился от парашюта, и включились тормозящие реактивные двигатели. Их на зонде установлено двенадцать. Наконец, в последний момент выдвинулись опоры, которые примут на себя удар при посадке. Все время спуска связь с зондом поддерживалась при помощи микроспутников Mars Cube One, сопровождавших InSight во время полета. Микроспутники ретранслировали сигналы зонда на Землю.

Посадка произошла в выбранной заранее области размером 130 на 27 километров на марсианском нагорье Элизиум. Специально подобранный плоский участок работники НАСА прозвали «самой большой парковкой на Марсе». Предварительная съемка показывает, что там не должно встретиться никаких камней крупнее футбольного мяча.

Теперь InSight в течение двух – трех месяцев будет изучать окружающую обстановку, фотографировать местность и устанавливать на поверхности Марса свои приборы. Для этого у него имеется инструмент Instrument Deployment Arm – роботизированная рука длиной 2,4 метра. В Лаборатории изучения реактивного движения НАСА, где был разработан InSight, все его действия будут дублироваться в специальной «марсианской песочнице», в которой будет воспроизведена точка посадки. Это позволит проконтролировать, чтобы все приборы были надежно установлены и закреплены, даже если сам зонд окажется стоящим наклонно. Потом еще потребуется неделя или больше для тестирования и калибровки прибором. И после этого начнется основная исследовательская программа.

Напомним, что приборов этих три: сейсмограф, тепловой зонд и прибор, который будет с высокой точностью следить за колебаниями оси вращения Марса. Тепловой зонд должен будет установить рекорд в исследованиях Марса: если раньше земные аппараты бурили марсианскую поверхность всего на десятки сантиметров, то в этот раз планируется, что тепловой зонд проберется вглубь Марса на целых пять метров, определяя, как меняется температура марсианского грунта с увеличением глубины.

 

Генная терапия

На стадии эмбриона

Генная терапия в последние годы развивается столь стремительно, что трудно выдели наиболее важное достижение года, но нельзя и полностью обойти вниманием работы в этой области медицины. Мы выбрали два исследования. Оба они проведены на мышах и примечательны тем, что терапевтическое воздействие на геном проводилось на стадии эмбриона. «В начале эмбрионального развития существует множество стволовых клеток, делящихся быстрыми темпами. Если мы сможем в этот момент исправить генетическую мутацию, мы могли бы значительно уменьшить влияние мутации на развитие плода или даже полностью избавиться от расстройства», – объяснил один из исследователей профессор Данит Лю из Университета Карнеги-Меллона.

Объектом исследования Данита Лю и его коллег стали мыши, у которых имелась мутация, вызывающая бета-талассемию. Это заболевание крови, вызывается мутациями в гене, кодирующем одну из частей гемоглобина. Когда мутации оказываются в обеих копиях гена, болезнь может протекать очень тяжело. Лечения как такового не существует, только переливания крови и пересадка костного мозга, если удастся найти донора. Медикаментозное лечение направлено на то, чтобы снизить токсичность свободного железа, которое у здоровых людей находится в связанном состоянии в молекуле гемоглобина.

Для редактирования генома в эксперименте использовались пептидно-нуклеиновые кислоты. Это синтетические молекулы, у которых к белковой молекулярной цепочке присоединены азотистые основания, способные соединяться по принципу комплиментарности с азотистыми основаниями ДНК и РНК. Специально сконструированные в лаборатории пептидно-нуклеиновые кислоты “нацелены” на соединение с участком ДНК, содержащем определенную мутацию (в нынешнем эксперименте это была мутация в гене бета-глобулина, вызывающая болезнь бета-талассемию). Для доставки молекул к эмбриону используется уже опробованная наночастица. При помощи инъекции в околоплодный пузырь наночастицы попадают к эмбриону. Они несут молекулу пептидно-нуклеиновой кислоты в паре с цепочкой ДНК. Присоединяясь к нужному месту ДНК в клетке эмбриона, пептидно-нуклеиновая кислота распаковывает двойную спираль ДНК, а донорская ДНК присоединяется к дефектному участку, запуская клеточные механизмы восстановления ДНК, которые и исправляют мутацию.

Фото: Pixabay

В результате ученым удалось исправить мутацию, связанную с бета-талассемией, у 6 % клеток. Однократной инъекции препарата оказалось достаточно, чтобы в значительный мере снизить тяжесть заболевания у родившихся мышей, настолько, что их можно счесть вылеченными. Уровень гемоглобина в крови этих мышей находился в пределах нормы, селезенка была менее увеличенной, выросла и их выживаемость. Предполагается, что метод будет еще более эффективным, если его применять несколько раз в течение беременности. Исследователи также отмечают, что данный метод не имеет побочных эффектов в отличие от, например, метода CRISPR/Cas9, который может ошибочно повреждать другие участки ДНК. По словам ученых, они проанализировали 50 миллионов образцов и не нашли ни одного, где их метод оказал бы воздействие за пределами целевого участка.

Второе исследование было направлено против тирозинемии первого типа. Мутация в данном случае нарушает обмен аминокислоты тирозина в организме, что приводит к поражению печени и почек. Больные для предотвращения тяжелых последствий должны всю жизнь принимать препарат нитизинон и соблюдать диету. В тяжелых случаях им необходима пересадка печени.

Ученые создали особую генетической линию мышей, геном которых содержал мутацию, аналогичную той, что вызывает тирозинемию у людей. Как и людям, мышам для жизни был необходим нитизион. В ходе эксперимента 26 эмбрионов получили инъекцию вируса, который нес генетическую конструкцию, необходимую для исправления этой мутации. Родившимся мышатам не давали нитизион и следили за их развитием. У мышат из контрольной группы развилась тирозинемия и все они умерли на 21 день после рождения. Те же, чья ДНК подверглась изменению, благополучно дожили до конца эксперимента (три месяца).

 

Археология

Древнейшие хлебные крошки

Крошки хлеба, найденные археологами в древних очагах на северо-востоке Иордании, были испечены, когда люди еще не перешли от собирательства к земледелию.

Находки были сделаны при раскопках археологического памятника Шубайка 1 (Shubayqa 1) в районе, который местные жители называют Черной пустыней. Примерно с 14,6 тысяч лет назад до 11,6 тысяч лет назад там жили представители натуфийской культуры. С 2012 по 2015 год раскопки там вели археологи Копенгагенского университета под эгидой департамента древностей Иордании. Шубайка 1 состоит из остатков двух строений, сооруженных из базальтовых плит. В центре одного из них на вымощенном камнем полу было сделано круглое углубление, где располагался очаг диаметром около метра. Содержимое очага осталось нетронутым после его последнего использования и сохранилось благодаря мощному слою осадка на этом месте, высота которого достигла полуметра.

В Шубайка 1 были найдены каменные орудия, кости животных (газелей, зайцев, разных птиц) и остатки растений. Наиболее часто встречается клубнекамыш сизый (Bolboschoenus glaucus), корневища которого съедобны и богаты крахмалом. Также попадаются пажитник (Trigonella) из семейства бобовых, дикая пшеница-однозернянка (Triticum boeoticum), дикий ячмень (Hordeum spontaneum) и овес (Avena sp.). Археологи нашли также 642 небольшие обугленные крошки. «Они похожи на обгоревшие крошки, что вы можете найти в нижней части своего тостера», – говорит руководитель исследовательской группы Тобиас Рихтер (Tobias Richter).

Рихтер и его коллеги из Дании и Великобритании исследовали 49 таких крошек при помощи растрового электронного микроскопа и установили, что 24 из них действительно похожи по микроструктуре на хлеб. Затем исследователи попытались определить, какие именно растения были использованы для его изготовления, по остаткам клеточных структур, зернам крахмала и фитолитам. Анализ подтвердил, что как минимум в пятнадцати из двадцати четырех крошках присутствуют ткани злаковых растений. Другие тоже растительного происхождения, но не из злаков. По предположению ученых, они были сделаны из клубнекамыша. Анализ позволяет предположить, что зерна или корневища клубнекамыша мололи в муку, просеивали и запекали на горячих камнях очага или в золе. По словам ученых, эти крошки – остатки первого пресного хлеба возрастом более 14 тысяч лет. Значительно раньше появления земледелия на Ближнем Востоке.

Археолог пытается получить муку из клубнекамыша. Фото: Alexis Pantos/PNAS

Одними из изобретателей земледелия считают тех же представителей натуфийской культуры или их непосредственных потомков, относящихся к харифийской и тахунийской культурам. Возможно, независимо к земледелию перешли древние жители Северной Месопотамии и Анатолии. Судя по археологическим находкам, использование злаковых растений постепенно увеличивалось в период с 11,5 тысяч до 9 тысяч лет назад. Одновременно начали появляться специальные орудия, например, серпы. Около 9 тысяч лет назад на юго-западе Азии уже повсеместно используются печи для выпечки хлеба. До находок из Шубайка 1 самые древние свидетельства выпекания хлеба, найденные в Чатал-Хююке (Турция), имели возраст примерно 9 100 лет.

Ученые считают, что внимательный анализ других археологических памятников позволит собрать больше подобных свидетельств. «Остатки пищи долгое время игнорировались археологами, и поэтому недостаточно изучены, – говорит один из авторов работы Амайа Аррандз-Отаэги (Amaia Arranz-Otaegui). – Я уверена, что если мы посмотрим на более старые археологические памятники, мы можем найти хлеб из зерновых времен палеолита, например, возрастом 25 000 лет».

Тобиас Рихтер считает маловероятным, что хлеб служил обитателям Шубайка 1, которые были охотниками и собирателями, в качестве основного продукта питания: слишком много усилий требовали сбор зерна и его обработка. Возможно, пресные лепешки служили продуктом, который брали с собой в длительный переход, или же они использовались во время каких-либо праздников или ритуалов.

Источник: polit.ru

Добавить комментарий