Science Magazine veröffentlichte die Top Ten der bemerkenswertesten wissenschaftlichen Errungenschaften des ausgehenden Jahres. Wir präsentieren eine Liste davon: zelluläre Programmierung, kosmische Strahlung, Supraleiter und Checker.
Durchbruch des Jahres: Untersuchung der individuellen Merkmale des Genoms
1. Wie unterschiedlich wir doch sind
Vor 7 Jahren warf die vollständige Entschlüsselung des menschlichen Genoms das erste helle Licht auf unsere Vererbung. Seitdem untersuchen Wissenschaftler seine Mechanismen immer genauer. In diesem Jahr haben eine Reihe von Studien gezeigt, wie unterschiedlich wir wirklich voneinander sind. Moderne Sequenziertechniken haben den Prozess der Entschlüsselung von DNA-Sequenzen hundertfach beschleunigt – und Forscher nutzen ihre Möglichkeiten voll aus. Jetzt untersuchen sie die Merkmale des menschlichen Genoms nicht nur auf Speziesebene, sondern auch auf der Ebene einzelner Individuen. Diese Studien wurden laut den Herausgebern von Science zur bedeutendsten Errungenschaft des Jahres 2007
Oft sind Unterschiede im Genom einzelner Individuen darauf zurückzuführen, dass nur eines der Nukleotide im Gen ausgetauscht wurde (dieses Phänomen wird als „Single Nucleotide Polymorphism“bezeichnet). Eine Reihe interessanter Studien des ausgehenden Jahres widmeten sich diesen Merkmalen. Insbesondere wurden einige der für Typ-2-Diabetes, Autoimmun- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen sowie eine Reihe von Krebsarten charakteristischen Veränderungen aufgedeckt.
Das Studium der individuellen Merkmale der Genome verschiedener Menschen wird es ermöglichen, nicht nur eine Reihe von Merkmalen von Menschen mit roten Haaren oder Schokoladenliebhabern, Asthmatikern oder Diabetikern zu bestimmen, sondern in Zukunft auch die genetischen Grundlagen dafür zu identifizieren ermöglichte die Bildung von Sprachfunktionen und sogar des Geistes. Dies kann auch zu einem ernsthaften Durchbruch in der Medizin führen, wenn Ärzte, nachdem sie die individuelle Karte des Genoms des Patienten studiert haben, in der Lage sein werden, ihn sogar von jenen Krankheiten zu befreien, die sich bei ihm noch nicht entwickelt haben - zu denen er jedoch eine Tendenz zeigt.
2. Zellprogrammierung
Seit mehr als einem Jahrzehnt sind Genetiker begeistert vom Beispiel des berühmten Schafs Dolly, dem ersten Säugetier, das aus einer erwachsenen Tierzelle geklont wurde. Der Kern des eigentlichen Problems kann folgendes sein: Ist es möglich, durch die Entnahme des genetischen Materials einer unreifen Eizelle eine bereits erwachsene differenzierte Zelle „zu verjüngen“und ihr Genom zu zwingen, in den Stammzustand zurückzukehren, aus dem ein neuer Organismus oder, sagen wir, ein separates Organ dieses Organismus wird bereits gebildet? Das heißt, irgendeine, und nicht nur eine Stammzelle, zu nehmen und daraus einen neuen Organismus zu züchten? In diesem Jahr sind Wissenschaftler der Lösung dieses Rätsels viel näher gekommen.
In der wissenschaftlichen Presse erschien eine ganze Reihe von Veröffentlichungen, die eine solche Errungenschaft beschrieben: Durch das Einbringen einer bestimmten Anzahl von Genen in gewöhnliche Hautzellen kann man sie so umprogrammieren, dass sie wie Keimbahn-Stammzellen aussehen und sich verh alten. Da an diesen Experimenten lebende embryonale Zellen beteiligt waren, entbrannten um sie herum sofort hitzige Debatten ethischer und politischer Natur. Wie dem auch sei, Biologen ist ein bedeutender Durchbruch gelungen, der zur Entwicklung neuer Methoden zur Bekämpfung des Alterns, zur Züchtung von „Ersatz“-Organen und -Gliedmaßen sowie zu wirksamen Therapien für viele unheilbare Krankheiten geführt hat.
3. Kosmische Strahlengänge
Frage: Was kracht mit der Energie eines Golfballs auf die Erde und ist dabei nicht einmal ein Atom, sondern ein separates Elementarteilchen? Antwort: Kosmische Strahlen sind extrem hochenergetische Teilchen, die aus dem fernen Weltraum zu uns kommen. Einige von ihnen haben eine wahrhaft kolossale Energie, die die Obergrenze irdischer Beschleuniger um das Hundertmillionenfache überschreitet.
Bis vor kurzem war die Natur dieser Partikel unbekannt. Nach der gängigsten Version sind dies Protonen, die aus fernen Galaxien zu uns kommen. 1990 gaben japanische Astronomen bekannt, dass sie 11 Teilchen mit einer Energie von mehr als 100 Exa-Elektronenvolt gefunden hatten – etwa 10 Mal mehr als erwartet. Dieses Ergebnis hat die wissenschaftliche Gemeinschaft verwirrt. Im Laufe eines langen intergalaktischen Fluges interagieren Protonen mit kosmischer Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, die das gesamte Universum durchdringt, was zu ihrer deutlichen Verlangsamung führen sollte. Berechnungen zufolge sollte die Gesamtenergie solcher Teilchen 60 Exa-Elektronenvolt nicht überschreiten. Es wurde sogar vermutet, dass die energiereichsten Teilchen in unmittelbarer Nähe unserer Galaxie als Ergebnis des natürlichen Zerfalls supermassiver Teilchen entstehen, die während des Urknalls entstanden sind. Erst dann war es möglich, in dieser Angelegenheit alle „i“zu machen.
Wenn ein hochenergetisches Teilchen in die Atmosphäre eintritt, entsteht eine ganze Lawine von Sekundärteilchen, die durch die Kollision des Primärteilchens mit Luftmolekülen entstehen. Die Analyse von Sekundärpartikeln ermöglicht es, viele Eigenschaften des Primärpartikels aufzuklären. Eine spezielle Studie wurde mit 1.500 Teilchendetektoren durchgeführt, die auf einer Fläche von 3.000 Quadratkilometern verteilt waren. Parallel dazu verfolgte eine ganze Reihe von Teleskopen Blitze, die in der oberen Atmosphäre entstehen, wenn die Luft unter dem Einfluss einer Partikellawine zu fluoreszieren beginnt. Im Juli veröffentlichten Wissenschaftler die ersten Ergebnisse der Studie. Die größte Sensation war die Tatsache, dass im Laufe der Studie keine Strahlenmasse mit einer Energie über der Schwelle von 60 EeV detektiert wurde: Es wurden nur einige Dutzend von ihnen registriert. Nach den Ergebnissen der vorläufigen Analyse zu urteilen, sind die Quellen dieser Monster aktive galaktische Kerne und nicht der Zerfall mysteriöser supermassiver Teilchen, deren bloße Existenz immer noch sehr zweifelhaft ist.
4. Rezeptormuster
In diesem Jahr ist es uns endlich gelungen, uns ein genaues und detailliertes Bild vom Hauptangriffspunkt des Adrenalinhormons, nämlich dem Beta-2-Adrenorezeptor, zu machen. Die Struktur dieses Objekts steht seit langem auf der Liste einer der Aufgaben mit höchster Priorität der modernen Biologie.
Protein gehört zu einer ziemlich großen Familie komplexer Membranrezeptoren, dank denen wir riechen, schmecken und sogar sehen. Sie helfen uns auch bei der Regulierung unzähliger interner Prozesse und spielen eine Schlüsselrolle bei der Funktion von Hormonen, Neurotransmittern und anderen Kontrollmolekülen. Die Behandlung vieler Krankheiten ist mit einer Arzneistoffblockade verschiedener Rezeptoren verbunden. Dementsprechend wird die Kenntnis der genauen Struktur dieser Rezeptoren bei der Entwicklung wirksamerer und sicherer Medikamente helfen.
Die Arbeit an der Aufklärung der Struktur des Beta-2-Adrenorezeptors dauerte fast 20 Jahre. Aber das Ergebnis kann getrost als bedeutender wissenschaftlicher Durchbruch bezeichnet werden.
5. Siliziumkiller
Vor 60 Jahren waren Halbleitermaterialien nur eine kuriose wissenschaftliche Kuriosität. Dann vermuteten die Forscher, zwei Halbleiter unterschiedlichen Typs zu kombinieren, wodurch Dioden, Transistoren und Mikroprozessoren geboren wurden, und wir waren bis zu unseren Ohren im elektronischen Zeit alter. Vielleicht erwartet das vergangene Jahr einen weiteren ähnlichen Durchbruch im Zusammenhang mit der Entstehung einer neuen Klasse von Materialien - Übergangsmetalloxiden.
Diese Substanzen wurden erstmals 1986 im Zusammenhang mit der Verleihung des nächsten Nobelpreises für Leistungen auf dem Gebiet der Hochtemperatur-Supraleitung diskutiert. Seitdem haben sie ihren Status als eines der bizarrsten Themen der modernen Physik gefestigt. Diese Substanzen haben eine Reihe interessanter Eigenschaften, zum Beispiel die Fähigkeit, ihre Leitfähigkeitseigenschaften unter dem Einfluss sehr kleiner äußerer Magnetfelder radikal zu ändern. Noch interessanter ist jedoch, dass solche Oxide, wenn sie in eine Schichtstruktur gepackt werden, auf atomarer Ebene miteinander zu interagieren beginnen und die Eigenschaften benachbarter Schichten auf sehr knifflige und nichtlineare Weise verändern.
Unter Verwendung von „Sandwiches“aus verschiedenen Oxiden, die einzeln Dielektrika sind, konnten Wissenschaftler Strukturen erh alten, die sich je nach aktueller Schichtkombination wie Metalle oder sogar Supraleiter verh alten. Die Forscher sagen, dass es in Zukunft möglich sein wird, Strukturen aus Übergangsoxiden herzustellen, die viel effizienter und anspruchsvoller sind als herkömmliche Halbleiterelemente. Die Zahl der möglichen Kombinationen von Übergangsoxiden ist nahezu unendlich, was uns auf absolut erstaunliche Qualitäten und Eigenschaften hoffen lässt.
6. Neue Hypostase von Elektronen
Letztes Jahr machte eine Gruppe kalifornischer theoretischer Physiker eine interessante Vorhersage, dass sich Elektronen in einem Sandwich aus Halbleitern mit einer dünnen Schicht aus Quecksilbertellurid (HgTe) in der Mitte sehr ungewöhnlich verh alten werden, was den Hall-Spin-Effekt demonstriert. In diesem Jahr wurde das entsprechende Sandwich von Experimentalphysikern aus Deutschland hergestellt. Und sie fanden darin genau das, was ihre Kollegen aus Kalifornien vorhersagten.
Der Hall-Spin-Effekt ist eine Spielart des Quanten-Hall-Effekts. Ihre physikalische Natur ist sehr kompliziert, daher werden wir nur anmerken, dass der Hall-Effekt es Ihnen ermöglicht, lokale Kanäle der Supraleitung in den gewöhnlichsten Leitern zu erzeugen, indem Sie den Leiter in ein extrem starkes Magnetfeld bringen. Der Hall-Spin-Effekt ermöglicht die Bildung ähnlicher Kanäle durch die Kopplung von Elektronengruppen entlang des Spins und ohne den Einsatz extremer Magnetfelder. Die Tatsache, dass Wissenschaftler diesen Effekt in einem Laborexperiment reproduzieren konnten, lässt auf die schnelle Schaffung von Leitern hoffen, die bei Raumtemperatur supraleitende Eigenschaften beh alten, und damit auf ultraschnelle und sparsame Computer.
7. Teile und herrsche
In diesem Jahr wurden bedeutende Fortschritte beim Verständnis des Mechanismus der Spezialisierung von Immunzellen erzielt, die den Körper sowohl kurzfristig als auch langfristig vor Krankheitserregern schützen. Es geht um die Fähigkeit des Immunsystems, Infektionen zu erkennen, denen der Körper bereits begegnet ist.
Es ist seit geraumer Zeit bekannt, dass T-Zellen des Immunsystems, wenn sie von einem Krankheitserreger angegriffen werden, in zwei Unterklassen unterteilt werden. Die meisten von ihnen spielen die Rolle von kurzlebigen Selbstmordzellen, deren Hauptaufgabe die sofortige Vernichtung des Feindes ist, aber einige von ihnen durchlaufen eine Metamorphose und verwandeln sich in "Gedächtniszellen", die dann viele Jahrzehnte friedlich im Blut zirkulieren - bis Sie sind wieder ein bekannter Erreger, der nicht angetroffen wird.
Forscher haben herausgefunden, wie genau der Prozess der T-Zellteilung, die mit der Bildung zweier unterschiedlicher Typen verbunden ist, reguliert wird. Die T-Zelle bleibt inaktiv, bis sie auf eine dendritische Zelle (eine weitere wichtige Komponente der Immunabwehr) trifft, die spezifische Pathogenmoleküle trägt. Innerhalb weniger Stunden interagieren die Zellen miteinander, während sich verschiedene Proteine an den Rezeptoren der T-Zelle anlagern. Die Wissenschaftler wollten die Hypothese überprüfen, dass die proximalen Nachkommen der T-Zelle, die bei der anschließenden Teilung gebildet werden, verschiedene Arten dieser Proteine erben, was letztendlich ihre Spezialisierung bestimmt. Wie sich herausstellte, wird von der Seite der T-Zelle, die an die Baumzelle angrenzte, eine "Soldatenzelle" gebildet, und von der gegenüberliegenden Seite der T-Zelle wird eine Speicherzelle erh alten. Die gewonnenen Erkenntnisse werden Wissenschaftlern dabei helfen, die Wirksamkeit von Impfstoffen und anderen Medikamenten zur Korrektur der Immunantwort zu steigern.
8. Weniger tun, mehr bekommen
Jetzt, da sich die Gesellschaft ernsthaft Sorgen um die Umweltsicherheit macht, besteht die Hauptaufgabe der Industriechemiker nicht darin, neue synthetische Materialien zu schaffen, sondern die Produktion bereits entwickelter und weit verbreiteter Materialien anzupassen. Dies erfordert in den meisten Fällen eine Verringerung der Anzahl der Syntheseschritte und eine feinere Steuerung des Ablaufs chemischer Reaktionen. Im vergangenen Jahr wurden auf diesem Gebiet sehr bedeutende Erfolge erzielt.
Viele wertvolle chemische Syntheseprodukte, die in der pharmazeutischen und elektronischen Industrie verwendet werden, sind sehr komplexe Strukturen, die aus Kohlenstoffkäfigen bestehen, an denen komplexe Atomgruppen „hängen“. Um Zwischenrohstoffen die gewünschten Eigenschaften zu verleihen, müssen Chemiker bestimmte Gruppen selektiv verändern und alle anderen intakt lassen. Eine solche Selektivität wird folgendermaßen erreicht: Entweder werden spezielle „Aktivatoren“an das ursprüngliche Molekül angehängt, die die Reaktion an der gewünschten Stelle anregen, oder umgekehrt „Schutzgruppen“, die den Ablauf der Reaktion dort blockieren, wo sie nicht stattfinden soll.
In diesem Jahr wurde ein Verfahren entwickelt, das die Umwandlung von Alkohol- und Aminogruppen in Amide mithilfe eines Rutheniumkatalysators ermöglicht. Dieser Ansatz wurde auch erfolgreich verwendet, um einzelne Ringmoleküle zu großen molekularen Komplexen zu binden. Einer anderen Gruppe von Wissenschaftlern ist es gelungen, die Zahl der Schutzgruppen bei der Herstellung bestimmter medizinischer Verbindungen erheblich zu reduzieren, während andere große Fortschritte bei der Simulation der Synthese komplexer Toxine durch lebende Mikroben gemacht haben. Und das sind nur einige Beispiele. Generell war das vergangene Jahr für Chemiker sehr, sehr erfolgreich.
9. Zurück in die Zukunft
In der griechischen Mythologie bringt die Göttin der Erinnerung Mnemosyne neun Musen zur Welt - Inspiratoren der menschlichen Vorstellungskraft. Die moderne Wissenschaft ist bereit, dieser "Theorie" sowohl auf symbolischer als auch auf rein inh altlicher Ebene zuzustimmen.
Es ist die Erinnerung an die Vergangenheit, die es uns ermöglicht, uns auf zukünftige Prüfungen vorzubereiten, und letztes Jahr erhielt diese Bestimmung viele sehr interessante Bestätigungen. Im Januar wurde bekannt, dass Patienten mit einer Schädigung des Hippocampus, einem kritischen Gehirnzentrum, das die Gedächtnisfunktion reguliert, viel schlechter darin sind, hypothetische Situationen (wie einen imaginären Einkaufsbummel oder einen imaginären Urlaub am Strand) zu meistern als gesunde Probanden. Normale Menschen sind in der Lage, eine hypothetische Situation sehr farbenfroh zu beschreiben, während Patienten sich auf ein paar unbedeutende und nicht zusammenhängende Details beschränken. Dies deutet darauf hin, dass die Niederlage des Hippocampus und der damit verbundene Verlust der Erinnerungsfähigkeit zum Verlust der Fähigkeit führt, sich etwas vorzustellen.
Eine andere Gruppe von Wissenschaftlern, die eine sehr repräsentative Stichprobe gesunder Freiwilliger untersucht hatte, fand heraus, dass Menschen dieselben Gehirnzentren verwenden, einschließlich der bereits vorhandenen, um vergangene Ereignisse zu analysieren und mögliche Optionen für die Entwicklung von Ereignissen in der Zukunft zu entwickeln erwähnten Hippocampus. Auch Experimente an Ratten zeigen, dass der Hippocampus eine Schlüsselrolle bei der Vorhersage der Zukunft spielt. Wissenschaftler erklären den Zusammenhang zwischen Gedächtnis und Vorhersage damit, dass das Gehirn Optionen für die Entwicklung von Ereignissen aus einzelnen Teilen vergangener Erfahrungen konstruiert - und nur aus ihnen. Bisher ist dies nur eine Arbeitshypothese, aber es ist möglich, dass Wissenschaftler in Zukunft tatsächlich in der Lage sein werden, rigoros nachzuweisen, dass das Gedächtnis die Grundlage der Vorstellungskraft ist.
10. Spiel vorbei
Nach 18 Jahren harter Forschung wurde endlich bewiesen, dass das Spiel unweigerlich unentschieden endet, wenn beide Damespieler fehlerlos spielen. Somit ist Dame das schwierigste aller von Mathematikern "gelösten" Spiele geworden.
Tatsächlich war diese Errungenschaft ein weiterer Sieg des Computers über die menschliche Intelligenz. Tatsache ist, dass ein von Wissenschaftlern geschriebenes Programm jeden selbst den raffiniertesten Live-Spieler schlägt - denn der erste agiert immer korrekt, und der zweite wird zwangsläufig mindestens einen nicht ganz idealen Zug machen. Die Anzahl der möglichen Kombinationen von Chips auf dem Schachbrett erreicht 500 Milliarden Milliarden. Um all diese Optionen "auf der Stirn" zu berechnen, werden keine Supercomputer ausreichen. Daher war es notwendig, einen speziellen Algorithmus zu erstellen, der eine große Anzahl von Optionen von den Berechnungen ausschließt, die garantiert nicht zum Sieg einer der Parteien führen. Dadurch konnte die Gesamtzahl der zu berechnenden Kombinationen deutlich reduziert werden. Basierend auf den Ergebnissen der Studie wurde eine Datenbank mit 39 Milliarden (Tausend Milliarden) möglichen Stellungen mit Hinweisen auf die einzig richtigen sicheren Züge zusammengestellt.
