Rok 2011 w nauce

Kiedy pod koniec września fizycy opublikowali w internecie wyniki eksperymentu OPERA, świat fizyki zadrżał w posadach.

Neutrina wyprodukowane w ośrodku jądrowym CERN pod Genewą przelatywały 732 km pod powierzchnią Ziemi do podziemnego laboratorium w masywie Gran Sasso we włoskich Apeninach. Według pomiaru przybyły tam o 60 nanosekund (miliardowych części sekundy) szybciej niż światło. To zaszokowało naukowców, bo teoria względności Alberta Einsteina, wiele razy już z sukcesem przetestowana, zabrania cząstkom materialnym wyprzedzania światła, które porusza się z prędkością absolutną. Pokonanie tej prędkości nie tylko wymagałoby użycia nieskończenie dużej energii, lecz także prowadziłoby do paradoksów czasowych (takich jak np. podróże w czasie) i naruszałoby logiczne podstawy całej fizyki.

Neutrina już nieraz zadziwiły fizyków. Odkryto je dopiero w latach 50. zeszłego wieku, choć bombardują nas stale i ze wszystkich stron - biliony neutrin przenikają przez nasze ciała niezauważone niczym duchy. Są produkowane we wszelkich reakcjach jądrowych - w rozpadach promieniotwórczych pierwiastków, w eksplozjach supernowych, we wnętrzu gwiazd, także Słońca. Przestrzeń kosmiczną wypełniają nawet chmary neutrin, które wyprodukowane zostały jeszcze w czasie Wielkiego Wybuchu. Nie są elektrycznie naładowane, prawie nic nie ważą (mają milion razy mniejszą masę niż elektrony), praktycznie nie reagują z materią, więc hulają sobie po Wszechświecie tylko z rzadka zatrzymywane na swojej drodze.

W eksperyment OPERA, który rozpoczął się w 2008 r., zaangażowanych jest blisko 200 naukowców z 13 krajów świata. Albo znajdą oni błąd w swoim pomiarze, albo... fizyka stanie na głowie.

W grudniu naukowcy z ośrodka jądrowego CERN pod Genewą ogłosili, że natrafili na pierwsze ślady cząstki Higgsa - elementarnego składnika pola fizycznego, które wypełnia cały kosmos niczym niewidzialna mgła.

To pole odgrywa kluczową rolę, bo cząstki elementarne - podstawowe cegiełki tworzące materię - grzęzną w nim niczym w gęstym syropie, dzięki czemu nabierają masy. Pewnym cząstkom ten syrop stawia większy opór, innym - mniejszy, a niektóre - na przykład fotony światła - w ogóle go nie zauważają. Masa cząstek jest miarą tego oporu.

Tak to wymyślił blisko pół wieku temu Peter Higgs, dziś 82-letni emerytowany profesor Uniwersytetu w Edynburgu, ale przez długie lata nie było wiadomo, czy ma rację. Inne elementy teorii budowy materii zostały już wielokrotnie potwierdzone w eksperymentach, ale wciąż brakowało ostatniego i decydującego fragmentu układanki - cząstki Higgsa. Z powodu wielkiej roli, jaką odgrywa w naturze, nazwano ją boską cząstką.

Poszukiwano jej w akceleratorach, w których rozpędza się i zderza z sobą elektrony i protony (trwałe składniki atomów). Takie kolizje są niczym miniaturowe wersje Wielkiego Wybuchu, w którym narodziły się kosmos i cała materia. Zgodnie z teorią w jednym z takich zderzeń powinna zostać także wyprodukowana boska cząstka. Wiadomo, że jeśli w ogóle istnieje, to jest nietrwała. Pojawi się tylko na niewyobrażalnie małą chwilę - mniej więcej jedną tryliardową część sekundy. Zanim zdąży oddalić się z miejsca narodzin na odległość większą niż promień atomu, rozpadnie się na kaskadę innych, trwalszych cząstek. Do niedawna nie potrafiono w tych rozpadach znaleźć odcisku palca cząstki Higgsa.

Dopiero w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN (największym i najdroższym urządzeniu, jakie zbudowano dla celów naukowych na Ziemi) natrafiono na jej pierwszy ślad. Wciąż jeszcze dowody są zbyt słabe, by można było ogłosić odkrycie, ale w 2012 r. po analizie kolejnych trylionów zderzeń fizycy będą już tego pewni.

Znalezienie Higgsa będzie największym wydarzeniem w fizyce początku wieku, a niektórzy wręcz twierdzą, że najbardziej znaczącym w całej nauce od czasu odkrycia struktury DNA w latach 50.

Nas, czyli gatunków zamieszkujących Ziemię (nie licząc bakterii). We wrześniu doniósł o tym "PLoS Biology". To tak naprawdę dane szacunkowe. Z owych milionów gatunków znamy ledwie 14 proc. I jak przewidują autorzy tych szacunków, najprawdopodobniej większość nieznanych nam jeszcze stworzeń wyginie, zanim uda się je poznać.

Na naszej planecie żyje obecnie 8,74 mln gatunków zaliczanych do eukariontów, z tego w poszczególnych królestwach:

- 7,7 mln gatunków zwierząt (dotychczas opisano niecały milion)

- 298 tys. gatunków roślin (opisano ponad 215 tys.)

- 611 tys. gatunków grzybów (opisano ponad 43 tys.)

- 36 tys. gatunków pierwotniaków (opisano ponad 8 tys.)

- 27,5 tys. gatunków tzw. chromistów - między innymi glonów, bruzdnic, okrzemków - organizmów prostych, zwykle jednokomórkowych, odżywiających się głównie za pomocą fotosyntezy (opisano ich ponad 13 tys.).

Ze wszystkich gatunków eukariontów około 6,5 mln zamieszkuje lądy, a 2,2 mln morskie głębiny.

Uzupełnianie naszej wiedzy o gatunkach żyjących na Ziemi nie będzie proste. Gdybyśmy odkrywali nowe gatunki w takim tempie jak dotychczas, poznanie wszystkich zajęłoby 1,2 tys. lat i wymagałoby zaangażowania 300 tys. naukowców. Autorzy pracy w ?PLoS Bilogy? uważają jednak, że dzięki nowym technologiom uda się ten czas znacznie skrócić.

Trzem Polakom wszczepiono pierwsze na świecie naczynia krwionośne, które zostały wyhodowane w laboratorium ze skóry pobranej od obcych dawców. O sukcesie poinformował w czerwcu na forum Amerykańskiego Towarzystwa Kardiologicznego dr Todd McAllister z mieszczącej się w Kalifornii firmy Cytograft Tissue Engineering. Wraz z badaczami ze Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach oraz naukowcami z Buenos Aires opracował on metodę, która może stać się pierwszym krokiem do produkcji na dużą skalę żył i tętnic. Takie naczynia pomogą żołnierzom rannym na polu walki czy pacjentom wymagającym założenia by-passów, które dostarczają sercu niezbędną do przeżycia krew.

W eksperymencie udział wzięło trzech pacjentów z Polski chorych na cukrzycę i wymagających dializy nerek. Podobnie jak u wielu innych dializowanych w organizmach tej trójki trzeba było wytworzyć połączenie między tętnicą i żyłą - tzw. przetokę tętniczo-żylną. Z reguły przetokę wykonuje się z fragmentu własnego naczynia chorego lub z materiałów sztucznych. Obie te metody nie są jednak pozbawione wad, dlatego od lat trwały poszukiwania innego rozwiązania.

Naukowcy zaczęli od pobrania fragmentów skóry z grzbietu ręki. Po wyizolowaniu z nich komórek - fibroblastów - hodowali z nich nową tkankę w postaci cienkich arkuszy, które następnie zwijali w kształt przypominający rurkę czy słomkę do picia napojów. Na koniec otrzymali nowe naczynia krwionośne.

Wytworzone z nich i wszczepione do organizmów chorych (konkretnie do ramion) przetoki miały po 30 cm długości i 4,8 mm średnicy. Pracowały bez zarzutu nawet osiem miesięcy po zabiegu.

W marcu na łamach "Lanceta" naukowcy z USA poinformowali o wyhodowaniu w laboratorium cewek moczowych. Pierwsze pięć, które już wszczepiono chorym, działa bez zarzutów.

Odkrycie zawdzięczamy zespołowi z Instytutu Medycyny Regeneracyjnej Wake Forest w Winston-Salem kierowanemu przez prof. Anthony?ego Atalę (ta sama grupa naukowców zasłynęła w 2006 r. tym, że udało jej się wyhodować pęcherz moczowy, co przez wielu ekspertów zostało uznane za kamień milowy medycyny).

W eksperymencie udział wzięło pięciu pochodzących z Meksyku chłopców w wieku 10-14 lat. Wszyscy z powodu urazu bądź choroby mieli uszkodzony odcinek cewki moczowej pomiędzy gruczołem krokowym a prąciem.

Od chłopców najpierw pobierano komórki (mięśniowe oraz śródbłonka) budujące nieuszkodzone odcinki dróg moczowych. Komórki te następnie ?wysiewano? na rusztowaniu w kształcie cylindra, które miało nadać kształt przyszłej cewce. Całość była zanurzana w specjalnym koktajlu z substancji odżywczych, dzięki którym komórki mogły się szybko namnażać. Po przeprowadzeniu odpowiednich testów wyhodowany fragment cewki moczowej wszczepiano pacjentowi. Jak się okazało, wystarczyły trzy miesiące, by nowa cewka całkowicie się przyjęła i zaczęła funkcjonować jak prawdziwy narząd.

Z opisaną w październikowym "Nature" pracą jest pewien kłopot - nie za bardzo wiadomo, czy zaliczyć ją do sukcesów, czy do porażek. Wzbudza bowiem sporo wątpliwości, w tym kluczową - czy klasyczne sklonowanie ludzkiego zarodka jest w ogóle możliwe?

W klasycznym procesie klonowania wykorzystuje się dwie komórki - jajo oraz tzw. komórkę somatyczną, najczęściej skóry (fibroblast). Z komórki jajowej usuwa się jądro zawierające jej materiał genetyczny. W to miejsce przenosi się jądro fibroblastu. ?Oszukana? w ten sposób komórka jajowa zaczyna się dzielić (w ten właśnie sposób w 1996 r. przyszła na świat słynna owieczka Dolly).

Technikę tę Dieter Egli, szef jednego z zespołów Laboratorium Nowojorskiej Fundacji Badań nad Komórkami Macierzystymi, próbował zastosować w przypadku komórek pobranych od człowieka. Podobnie jak wielu poprzednikom nic mu nie wychodziło. - Komórka jajowa po przeniesieniu do niej jądra komórki skóry co prawda ulegała podziałowi, ale w żadnej z prób nie dotrwała do stadium 12 komórek - mówił Egli. A tym pracom przyświeca idea, by w chwili gdy zarodek jest w stadium blastocysty (około 100 komórek), pobrać z niego zarodkowe komórki macierzyste i wykorzystać je w medycynie (np. w walce z nowotworami, cukrzycą czy chorobą Alzheimera).

Naukowiec postanowił więc zmodyfikować nieco metodę. Ponownie przeniósł do komórki jajowej jądro fibroblastu, z tym że nie usunął z niej jej własnego materiału genetycznego. Okazało się, że tym razem podziałało i zarodek dotrwał do stadium stukomórkowej blastocysty.

Badacze pozostali z zasadniczym problemem - potrójnym, nadkompletnym zestawem chromosomów (jądro fibroblastu - dwa zestawy chromosomów, plus jądro komórki jajowej - jeden zestaw).

Nadprogramowa liczba chromosomów często prowadzi do obumarcia zarodka lub sprzyja rozwojowi schorzeń wrodzonych. Powstaje więc pytanie, czy otrzymane przez zespół z Nowego Jorku komórki można w jakikolwiek sposób wykorzystać do leczenia ludzi. Egli rozwiewa te wątpliwości: - Na razie nie mają one żadnego zastosowania.

Słońce grzeje na jej niebie tylko nieco mocniej niż u nas. Średnia temperatura na powierzchni planety Kepler-22b wynosi blisko 22 st. C.

Bardzo prawdopodobne, że w tak przyjemnych okolicznościach przyrody płyną rzeki oraz falują jeziora i morza. A jeśli jest woda, to prawie na pewno coś w niej żyje. Dlatego planeta, o której odkryciu dowiedzieliśmy się niecały miesiąc temu, zostanie w przyszłości wzięta ?pod teleskop?. Jeśli astronomom uda się w jej atmosferze wykryć ślady wolnego tlenu, sprawa będzie jednoznaczna.

To jednak zadanie na nieco dalszą przyszłość. Naukowcy będą musieli wysłać w kosmos silne teleskopy przeznaczone do zbadania atmosfery obcego globu. Natomiast już w najbliższym roku zostaną odkryte kolejne planety pozasłoneczne, wśród których prawdopodobnie znajdzie się prawdziwa druga Ziemia (Kepler-22b mimo wszystkich podobieństw do naszej planety jest od niej 2,4 razy większy).

O kolejne znaleziska zadba należący do NASA teleskop Keplera. To kosmiczne cacko za 600 mln dol. krąży z dala od Ziemi po orbicie wokół Słońca i stale wpatruje się w 156 tys. gwiazd położonych na niewielkim fragmencie Drogi Mlecznej. Czeka, aż któraś z nich mrugnie, gdy na tle jej tarczy mignie planeta. Na razie znalazł ich już ponad dwa tysiące.

Która z nich dostarczy nam w 2012 r. takich emocji jak Kepler-22b?

Kilka porażek i dwa sukcesy. Tak można by podsumować podbój kosmosu w roku 2011.

W lipcu, po 30 latach, 135 misjach i dwóch katastrofach, NASA zamknęła program wahadłowców kosmicznych. Żeby dostać się do stacji orbitalnej, Amerykanie przez kilka lat będą teraz musieli korzystać z transportu rosyjskiego. Potem przesiądą się do taksówek kosmicznych, które wybudują im rodzime firmy prywatne. Pierwszy taki statek ma polecieć w testowy i bezzałogowy lot orbitalny na początku przyszłego roku.

Niestety, także Rosjanie mają poważne problemy ze swoim programem kosmicznym. W tym roku przytrafiła im się seria katastrof podczas startów (na szczęście nie było ofiar, wypadkom uległy misje bezzałogowe), po których musieli na chwilę wstrzymać transport ludzi do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

Kolosalną porażką zakończyła się misja Fobos-Grunt, którą w listopadzie Rosjanie próbowali wysłać w stronę Marsa. To miała być ich pierwsza sonda międzyplanetarna od 15 lat, próba przełamania pecha, jaki przynosi im Czerwona Planeta. Sonda utknęła jednak na orbicie wokół Ziemi. Na początku roku spadnie na naszą planetę.

Jedyna misja międzyplanetarna, która Rosjanom w mijającym roku się udała, nie wystartowała nawet z Ziemi. Chodzi o eksperyment Mars500, który na początku listopada zakończył się w moskiewskim Instytucie Problemów Biomedycznych. Przez 520 dni sześciu "marsonautów" przebywało w zamknięciu, udając, że lecą na Czerwoną Planetę. Wszyscy wrócili cali i zdrowi.

Niedługo po awarii sondy Fobos-Grunt i szczęśliwym powrocie moskiewskich zdobywców Marsa amerykańska NASA wysłała na Czerwoną Planetę kolejny łazik. Ciekawość, bo tak został nazwany, ma w sierpniu wylądować w kraterze Gale?a, potężnej rozpadlinie, na środku której wyrasta wysoka na 5 km góra. Jest ona zbudowana z osadów nagromadzonych, jak sądzą naukowcy, przez wodę. Łazik zbada je warstwa po warstwie, szukając w nich śladów życia. Szef NASA Charles Bolden mówi, że Ciekawość utoruje drogę prawdziwej misji załogowej, która kiedyś wyląduje na Marsie.

Według wyliczeń ONZ siedmiomiliardowy mieszkaniec Ziemi urodził się 31 października. Czy było to wydarzenie ku chwale ludzkości, czy raczej jej klęska? Zdania są podzielone.

Optymiści słusznie zauważają, że ludziom nigdy nie żyło się dostatniej i bezpieczniej niż dziś. Nawet w krajach Trzeciego Świata.

Pesymiści zwracają uwagę, że może i ludziom żyje się lepiej, ale innym gatunkom już niekoniecznie. Poza tym globalizacja spowodowała, że ludzie mieszkający w biednych krajach widzą, jak dobrze żyje się w krajach bogatych. Nic dziwnego zatem, że mieszkańcy ziemskich slamsów pragną takiego samego dobrobytu, jakim cieszą się ludzie żyjący na Zachodzie. Problem w tym, że gdyby każdy z siedmiu miliardów ludzi zużywał tyle energii co przeciętny Amerykanin, to do wyżywienia nas wszystkich potrzeba by kilku planet.

W tym roku sztuczna inteligencja odniosła dwa poważne sukcesy w zmaganiach ze swoim stwórcą, czyli ludzką inteligencją.

W lutym komputer IBM Watson wygrał z najlepszymi graczami w USA w teleturnieju wiedzy "Jeopardy!". Polega on na odgadnięciu pytania, kiedy znana jest odpowiedź - np. dla hasła ?5280? prawidłowym pytaniem może być: ?Ile stóp zawiera jedna mila?? (polskim odpowiednikiem gry jest ?Va banque?).

Z kolei na początku września na festiwalu innowacji Techniche w indyjskim Guwahati program komputerowy Cleverbot, rozmawiając z ludźmi, przekonał ich, że jest człowiekiem. To znaczy, że przeszedł test (wymyślił go pół wieku temu brytyjski matematyk Alan Turing), który ma dowodzić, że komputer już zaczął myśleć.

Cleverbot jest od wielu lat uczony, by rozmawiał jak człowiek. Watsona także zrobiono po to, by odpowiadał na pytania zadawane w naszym, ludzkim języku. Teraz ma zostać wyposażony w umiejętność rozpoznawania mowy. Coraz bliżej są czasy, kiedy dzwoniąc na infolinię, nie będziemy pewni, czy mamy do czynienia z człowiekiem, czy z maszyną.

Redakcja tego pisma uznała, że są nim wyniki badania oznaczonego kryptonimem HPTN 052*. Ogłoszono je na łamach "NEJM" w maju. Badanie HPTN 052 wykazało, że leki antyretrowirusowe przyjmowane przez osoby zakażone HIV zmniejszają ryzyko heteroseksualnej transmisji wirusa aż o 96 proc.! W ten sposób kończy się definitywnie długoletni spór, czy terapia antyretrowirusowa przynosi podwójną korzyść, tj. chroni przed rozwojem AIDS osobę zakażoną, a jednocześnie zabezpiecza seksualnego partnera lub partnerkę przed złapaniem groźnego wirusa. Tytuł odredakcyjnego komentarza pióra Jona Cohena brzmi: "HIV Treatment as Prevention", czyli: "Leczenie zakażenia HIV jako prewencja".

Można mieć pewne wątpliwości co do tego werdyktu, ale trzeba też przyznać, że skuteczność rzędu 96 proc. zdarza się w medycynie nieczęsto. Nawet najlepsze leki i szczepionki rzadko mają aż tak wspaniałe działanie.

Redaktorzy "Science" zastanawiają się przy okazji, czy to odkrycie ostatecznie zbawi świat przed AIDS. I - niestety - są tu dość sceptyczni. Dlaczego?

Po pierwsze, żeby chronić siebie samego przed AIDS, a do tego swojego partnera przed zakażeniem, trzeba przede wszystkim znać swój status. A wielu zakażonych (także w krajach rozwiniętych, w tym Polsce) nie ma o tym pojęcia. Ponadto z infekcją HIV jest tak, że człowiek bardzo łatwo zakaża innych na samym początku, zaraz potem kiedy sam złapie wirusa, i nawet jeśli pobiegnie od razu zrobić test, to ten jeszcze nie wykaże istnienia przeciwciał. By leki działały prewencyjnie, trzeba je zażywać latami, a to też stanowi problem. Nie można także zapominać, że środki te mają różne działania niepożądane, no i wreszcie trzeba mieć na nie pieniądze. A zatem choć trzymanie wirusa w szachu za pomocą leków jest fantastycznym osiągnięciem medycyny (w końcu to dzięki nim ludzie nie mrą już masowo na AIDS), to nie lekarstwa uwolnią nas ostatecznie od tej choroby - wyrokuje "Science". Opracowanie skutecznej szczepionki przeciw HIV wciąż pozostaje tu priorytetem - pisze na łamach naukowego tygodnika James D. Shelton z waszyngtońskiego Bureau for Global Health.

PS Badań nad prewencyjnym działaniem leków na HIV prowadzi się dziś na świecie znacznie więcej. O wynikach dwóch z nich donosiliśmy w "Gazecie" 14 lipca.