Развитие естествознания в ХХ веке

Расшифровка генома человека

Пожалуй, впервые в современной науке сложилась необычная ситуация, когда в работу над исключительно дорогостоящим и важным проектом включились индивидуальные исследователи, нашедшие себе мощных спонсоров и создавшие серьезную конкуренцию учреждениям и университетам, финансируемым правительствами нескольких стран. Первоначально (в 1988 году) средства на изучение генома человека выделило Министерство энергетики США, и одним из руководителей программы «Геном человека» стал профессор Чарлз Кэнтор.

В 1990 году Нобелевский лауреат Джеймс Уотсон начал лоббирование конгресса США, и вскоре конгресс распорядился выделить сразу сотни миллионов долларов на изучение генома человека. Эти средства были добавлены к бюджету Министерства здравоохранения, оттуда они перетекли в ведение дирекции сети институтов, объединенных под общим названием -- Национальные институты здоровья (National Institutes of Health, сокращенно NIH). В составе NIH появился новый институт -- Национальный институт исследования генома человека (NHGRI, директор Фрэнсис Коллинз).

В мае 1992 года ведущий сотрудник NIH Крэйг Вентер подал заявление об уходе и объявил о создании нового, частного исследовательского учреждения -- Института геномных исследований (The Institute for Genomic Research, сокращенно -- TIGR или ТИГР).

Ожидание гигантских прибылей от будущего внедрения результатов изучения геномов хорошо поняли не только в США. В ведущих странах Запада началась настоящая гонка в отношении вклада средств в исследования геномов. 3 мая 1999 года британский «Белком траст» (формально правительство Великобритании финансирует британскую часть проекта «Геном человека» через этот частный благотворительный фонд) добавил дополнительно 100 млн фунтов стерлингов (примерно 167 млн долларов) нескольким английским лабораториям, занимающимся исследованиями генома человека, из них 77 млн долларов было выделено на 1999 год Сэнгеровскому центру в Кембридже. Этим шагом британский фонд постарался стимулировать своих соотечественников. Вскоре в Колд Спринг Харборской лаборатории под Нью-Йорком (где почетным президентом работает Джеймс Уотсон) за закрытыми дверьми состоялось заседание всех сторон, участвующих в международном проекте «Геном человека», после чего руководство проекта объявило, что «рабочий вариант» человеческого генома будет готов не к 2003, а в 2000 году.

Для того чтобы объяснить публике, как можно столь вольно манипулировать, казалось бы, строго продуманными научными планами, был использован следующий аргумент. Как уже было сказано, можно по-разному подходить к критериям точности секвенирования геномов. При первоначальном объявлении сроков завершения проекта в 2003 году предполагалось, что точность исследования генома составит 99,99%. Потом сроки подвинули, основываясь на том, что для биологов и медиков хватит и 90%-ной точности, зато отрапортовать о завершении генома можно будет к концу 2000 года.

Правда, американскому правительству, чтобы не отстать в гонке, пришлось пойти на серьезные дополнительные траты. Уже 15 марта дирекция NHGRI сообщила, что получила дополнительно 81,5 млн долларов на программу генома человека и что эти деньги будут немедленно распределены между тремя американскими центрами.

2 декабря 1999 года  журнал «Nature» обнародовал данные, касающиеся крупного прорыва  в исследовании генома человека: в основном усилиями английских  ученых при активном участии  других европейских, японских и  американских лабораторий был  завершен полный анализ одной  из хромосом человека (правда, одной  из самых маленьких) -- хромосомы 22.

На этом гонка отнюдь не затихла. Как сообщил журнал «Science» со ссылкой на газету «Ля Монд» от 14 мая 1999 года, французское правительство решило в этот момент «впрыснуть» дополнительно 330 млн долларов на ближайшие три года в бюджет расположенного рядом с Парижем исследовательского центра генома в Иври. Этим шагом французское правительство хотело бы устранить свое отставание по сравнению с США и Великобританией и обеспечить себе возможность запатентовать достаточное количество наработок в этой области. Только тогда можно надеяться, что в будущем, когда результаты изучения генома человека будут внедрены в медицинскую и индустриальную практику, приток денег французским компаниям будет большим.

В июне 1999 года Германия, которая до этого выделяла явно недостаточно средств на исследования генома человека (всего 23 млн долларов в год начиная с 1996 года), изменила свой подход: на ближайшие пять лет было отпущено 550 млн долларов. В ноябре -- декабре 1999 года стало ясно, что ученым удалось убедить правительство увеличить ежегодные траты на исследования генома человека до 280 млн долларов.

13 июля 1999 года об  увеличении выделяемых средств  на работу по секвенированию  генома человека объявило правительство  Японии. Вклад Японии в проект  «Геном человека» составлял до  этого небольшую величину (японские  ученые к тому времени изучили  не более 8% генома, средств было  выделено недостаточно, хотя в  последние три года ежегодные  траты достигали 560 млрд иен и  составили четверть средств, расходуемых  в США). Теперь правительство Японии  решило вложить в ближайшие  пять лет 2 трлн иен (17 млрд долларов, или около 0,2% валового национального  продукта Японии), что позволит  японским ученым раскодировать  до трети генома человека к 2001 году. Этот огромный по размерам  план стал частью общих усилий  по широкомасштабному развитию  биотехнологии в стране. Для этого  японское правительство решило  расширить в ближайшие десять  лет японский биотехнологический  рынок в 25 раз, доведя масштаб  ежегодных сделок на нем до 25 трлн иен (213 млрд доларов) и создав  условия для возникновения около 1000 биотехнологических частных фирм  к 2010 году.

То, что участвовавшая в начале создания международного проекта «Геном человека» Россия фактически приостановила свой вклад в него, можно рассматривать однозначно: Россия обрекает себя в этом отношении на скатывание на уровень второстепенных государств, обреченных на экономическую зависимость в будущем от тех, кто вложил средства в эту научную область.

Описание генома человека ученым удалось получить значительно раньше планировавшихся сроков (2005-2010 гг.). Уже в конце нового, XXI века были достигнуты сенсационные результаты в деле реализации указанного проекта. Оказалось, что в геноме человека -- от 30 до 40 тысяч генов (вместо предполагавшихся ранее 80-100 тысяч). Это ненамного больше, чем у червяка (19 тысяч генов) или мухи-дрозофилы (13,5 тысяч). Однако, по словам директора Института молекулярной генетики РАН, академика Е. Свердлова, «сетовать на то, что у нас меньше генов, чем предполагалось, пока рано. Во-первых, по мере усложнения организмов один и тот же ген выполняет гораздо больше функций и способен кодировать большее количество белков. Во-вторых, возникает масса комбинаторных вариантов, которых нет у простых организмов. Эволюция весьма экономна: для создания нового занимается «перелицовкой» старого, а не изобретает все вновь. Кроме того, даже самые элементарные частицы, вроде гена, на самом деле невероятно сложны. Наука просто выйдет на следующий уровень познания».

Расшифровка генома человека дала огромную, качественно новую научную информацию для фармацевтической промышленности. Вместе с тем оказалось, что использовать это научное богатство фармацевтической индустрии сегодня не по силам. Нужны новые технологии, которые появятся, как предполагается, в ближайшие 10-15 лет. Именно тогда станут реальностью лекарства, поступающие непосредственно к больному органу, минуя все побочные эффекты. Выйдет на качественно новый уровень трансплантология, получит развитие клеточная и генная терапия, радикально изменится медицинская диагностика и т. д.

Нобелевская премия -- творцам современной электроники

Королевская Академия наук Швеции присудила Нобелевскую премию по физике за 2000 год исследователям, чьи труды заложили основу современной информационной техники.

Премия делится на две части с вручением первой половины Жоресу Ивановичу Алфёрову, директору Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург/ Россия), и Герберту Крёмеру, профессору Калифорнийского института (Санта Барбара, Калифорния/ США), за развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной и оптоэлектроники.

Вторая половина премии вручается Джеку С. Килби, главе исследовательского центра корпорации «Тексас Инструменте» (Т1) (Даллас, Техас/ США), за вклад в создание интегральной схемы.

Обмен информацией в современном обществе происходит при помощи компьютеров по оптоволоконным кабелям через Интернет и мобильных телефонов спутниковой связи. Современные системы связи отвечают двум основным требованиям. Они обладают высоким быстродействием -- большой объем информации можно передать за короткий промежуток времени. Аппараты пользователя стали настолько компактными, что умещаются не только на столе, но и в портфеле или даже в кармане. Весомый вклад в создание всей этой техники внесли работы трех физиков, нобелевских лауреатов этого года.

Жорес Иванович Алфёров и Герберт Крёмер открыли и усовершенствовали скоростные опто- и микроэлектронные компоненты на базе многослойных полупроводников, так называемых гетероструктур. Быстродействующие транзисторы, созданные на их основе, широко используются в системах спутниковой связи и в мобильных телефонах. Лазерные диоды, сконструированные по этой технологии, передают информационные потоки посредством оптоволоконных телефонных линий и сетей Интернета. Они работают в проигрывателях компакт-дисков, устройствах, считывающих товарные ярлыки в магазинах, лазерных указках, дальномерах, теодолитах и во многих других приборах. На базе гетероструктурных технологий сконструированы мощные светоизлучающие диоды, которые применяются в качестве габаритных огней и стоп-сигналов автомобилей, в светофорах и маяках. В будущем лампочки накаливания и люминесцентные лампы уступят место гораздо более экономичным и долговечным светоизлучающим диодам.

Джек С. Килби работал над созданием компактных полупроводниковых приборов с начала 60-х годов. Его исследования привели к созданию интегральной схемы, получившей название «микросхемы» или «чипа» -- устройства размером около сантиметра, содержащего тысячи транзисторов. Появление микросхемы привело к бурному развитию микроэлектроники, которая сегодня лежит в основе всей современной техники -- от ручных часов до мировых систем связи. В качестве примера можно назвать мощные компьютеры и процессоры. Они собирают и обрабатывают информацию, контролируют работу множества механизмов -- от стиральной машины и автомобиля до космических спутников и медицинского оборудования -- компьютерного томографа и диагностических приборов на основе ядерного магнитного резонанса.

Можно смело утверждать, что без фундаментальных теоретических работ и экспериментальных исследований, проделанных за многие годы творцами современной электроники, вся наша жизнь была бы совсем другой.

Итоги уходящего столетия

На границе столетий всегда какая-то часть людей была озабочена поисками символов ушедшего времени. Вот и ныне -- периодические издания дружно выделяют события, ставшие этапными и оказавшие влияние на жизнь человечества в прошедшие сто лет. Называют атомную бомбу, компьютеры и Интернет, открытие генетического кода и клонированную овечку. Если посмотреть повнимательнее и на прочие более мелкие события века, то все равно окажется, что, подводя итоги времен, люди выделяют прежде всего и чаще всего достижения науки и техники.

Известное приложение к «Независимой газете» -- «НГ-Наука» в течение года проводила рейтинговые опросы читателей по четырем, как принято сегодня говорить, номинациям:

самые выдающиеся ученые столетия;

открытия и научные концепции (теории), в наибольшей степени повлиявшие на развитие цивилизации в XX в.;

наиболее значимые технологии и изобретения;

самые грандиозные реализованные технические (инженерные) проекты.

В результате, как и планировала «НГ-Наука», появился список -- «Золотая сотня» науки и техники XX в., составленный по мнениям читателей.

Самые выдающиеся ученые столетия

Иван Павлов (теория условных и безусловных рефлексов).

Мария Склодовская-Кюри (работы по радиоактивности).

Николай Семенов (теория разветвленных химических реакций).

Отто Ган (деление ядра урана).

Альберт Эйнштейн (специальная и общая теория относительности).

Нильс Бор (теория строения атомов).

Макс Планк (квантовая теория).

Вольфганг Паули (принцип запрета в квантовой механике).

Вернер Гейзенберг (квантовая механика).

Поль Дирак (квантовая механика).

Энрико Ферми (ядерная и нейтронная физика).

Эдвард Теллер (ядерные реакции).

Стивен Хокинг (теория излучения «черных дыр»).

Бенуа Мандельброт (фрактальная геометрия).

Фрэнсис Крик, Джеймс Уотсон (открытие двойной спирали ДНК).

Норберт Виннер (кибернетика).

Илья Пригожий (термодинамика неравновесных процессов).

Деннис Габор (голография).

Александр Фридман (модель нестационарной расширяющейся Вселенной).

Клод Шеннон (математическая теория информации).

Уильям Шокли,. Джон Бардин, Уолтер Браттеин (транзисторный эффект).

Александр Флеминг (открытие пенициллина).

Анри Пуанкаре (математическая формулировка принципов специальной теории относительности).

Тим Бернерс-Ли (концепция Всемирной паутины -- World Wide Web).

Кристиан Барнард (пересадка сердца человеку).

Петр Капица (физика низких температур).

Томас Морган (генетика).

Андрей Сахаров (работы в области термоядерного синтеза).

Фриц Габер (синтез аммиака).

Гленн Сиборг (синтез трансурановых элементов).

Сергей Королев (реализация советских космических программ).

Николай Вавилов (генетика).

Игорь Курчатов (создание советского атомного оружия).

Владимир Вернадский (теория ноосферы).

Владимир Ипатьев (химия высоких температур и давлений).

Константин Циолковский (теория космических полетов).

Юлий Харитон (создание советского атомного оружия).

Владимир Уткин (создание ракетно-космической техники).

Андрей Мирзабеков (секвенирование геномов).

Николай Басов, Александр Прохоров (работы в области квантовой электроники).

Уоллес Короузерс (синтез нейлона).