УДК ББК Э 92 Это точно. Чёртова дюжина комиксов о науке и учёных. — Москва: Эксмо, 2018. — 144Ÿ Каждая из рисованных историй, вошедших в этот сборник, основана на реальном исследовании, статья о котором либо уже напечатана в одном из ведущих научных журналов, либо готовится к публикации. Комиксы понятно и с юмором рассказывают об экспериментах и разработках в тех областях, к которым сегодня приковано внимание людей во всём мире. На примерах конкретных исследований в книге показана связь между научным знанием и реальной жизнью.
ISBN 978-5-04-097715-4
© Оформление. ООО «Издательство “Эксмо”», 2018
Все права защищены. Книга или любая её часть не может быть скопирована, воспроизведена в электронной или механической форме, в виде фотокопии, записи в память ЭВМ, репродукции или каким-либо иным способом, а также использована в любой информационной системе без получения разрешения от издателя. Копирование, воспроизведение и иное использование книги или её части без согласия издателя является незаконным и влечёт уголовную, административную и гражданскую ответственность.
2
У
Пролог
каждого научного открытия своя история. Записанные на папирусах Александрийской библиотеки, воспетые в бестселлерах Жюля Верна и Якова Перельмана, рассказанные с телеэкранов Ричардом Фейнманом и Карлом Саганом, эти истории вдохновляли и продолжают вдохновлять детей и взрослых, нынешнее и будущие поколения исследователей. Каждый комикс в этом сборнике — история о реальном научном исследовании и учёных, чья работа бывает удивительнее любой фантастики. Мы надеемся, что эти sci-комиксы придутся читателю по душе и направят на путь научного познания, чтобы со временем и он смог поделиться историей о собственных научных открытиях. А значит, книг вроде этой будет ещё много. Это точно.
Художники комиксов
· Диана Дементьева · Duran · Лера Железова · Богдан Куликовских · Катерина Воронина · Роман Дементьев · Анастасия Жданова (ZhdaNN) · Евгений Федотов · Екатерина Усова · Николай Огарков · Мария Богатова · Ксения Копалова · Анна «Ная» Мещерякова · Олег Тищенков
3
Содержание В поисках микробиома Антарктиды
5
Однажды на коктейльной вечеринке
15
Опасное солнце
23
DroneGear: к взлёту готов!
35
Комар бессмертный
47
Восстание машин подавлено!
55
Горчица и большие данные
69
Кровь космонавтов
81
Тот самый материал
91
Кредо протеина
97
Тайна байкальских раков
111
Микрокосмическое вторжение
119
Всё ушло в трубу
129
Эпилог
141
4
Комикс 1
Учёные нашли тех, кто живёт в самой холодной точке планеты
Художник Диана Дементьева Автор идеи и сценария Лина Алексюнайте 5
В поисках микробиома Антарктиды
В
// У ч ё н ы е на ш ли те х , кто жив ё т в само й х олодно й то ч ке планет ы
се знают, что в Антарктике живут пингвины, растут лишайники и работают полярники. А есть ли там другая, невидимая для нас жизнь — постоянное микробное сообщество, которое выдерживает низкие температуры? Если да, то откуда эти микроорганизмы? Приспосабливаются ли они к суровой антарктической жизни или просто каждую зиму опускаются на поверхность вместе со снегом, а потом хранятся, как в большом холодильнике? Уже десять лет российские учёные ищут ответы на эти вопросы.
Попытки разобраться были предприняты в 2009 и 2011 годах. Антарктический снег взяли со станций на побережье «Мирный», «Ленинградская» и «Прогресс». Оказалось, что микробное сообщество, живущее в поверхностном слое снега на этих станциях, очень разное. В 2017 году, чтобы поставить точку в этом деле, на шестой материк отправился Виктор Федорчук, стажёр возглавляемого профессором Константином Севериновым Центра наук о жизни Сколтеха.
Досье на главных героев Имя Константин Северинов
Дмитрий Сутормин
Виктор Федорчук
Катион
Исследователь
Исследователь
Просто лабораторный кот
Выпускник факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ им. М. В. Ломоносова, аспирант Центра наук о жизни Сколтеха
Выпускник геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова. Стал младшим стажёром Центра наук о жизни Сколтеха после поездки в Антарктиду. Друг и одноклассник Сутормина: они вместе учились в московской школе № 192
Маленький пушистый комочек нашли рядом с кампусом два года назад. Имя Катион дали в честь иона с положительным зарядом. Кот бродит по коридорам института, иногда безобразничает, а порой наталкивает исследователей на отличные идеи. Все любят Катиона: он муза! Пушкин мог бы только позавидовать учёным Сколтеха
Статус Научный руководитель Детали Выпускник биофака МГУ им. М. В. Ломоносова, доктор биологических наук, директор Центра наук о жизни Сколковского института науки и технологий (Сколтех), профессор Ратгерского университета (США)
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Комикс 2
Как мозгу удаётся найти иголку в стоге звуков
Автор идеи и рисунков Duran Сценарист Альфия Максутова 15
Однажды на коктейльной вечеринке
П
// К ак мозгу уда ё тся на й ти иголку в стоге звуков
редставьте, что вы стоите на шумной вечеринке в окружении танцующих, разговаривающих людей. Звучит музыка, звенят бокалы, группа девушек в углу громко смеётся над чьей-то остроумной шуткой. И тут подходит ктото, кто вам интересен, — мужчина или женщина, незнакомец или старый друг. Он обращается к вам, вы слышите его и спокойно беседуете. Ситуация кажется вполне естественной. Но за простым умением концентрироваться на собеседнике, игнорируя множество других шумов, скрываются сложнейшие нейробиологические механизмы. Пока их неспособны воспроизвести даже самые совершенные технологии. Профессор Сколтеха Анджей Чихоцкий с группой коллег из Китая и США исследовал* «эффект коктейльной вечеринки» и научно подтвер-
дил предположение: фокусироваться на собеседнике и прекрасно понимать его нам удаётся во многом потому, что мы не только слышим, но и видим его. В мозге происходит аудиовизуальная интеграция: при обработке двух каналов информации количество нейронных связей между активизирующимися областями мозга возрастает многократно. Больше нейронных связей — выше способность к переработке информации. Главное, не увлечься беседой чересчур — можно не заметить, как звуки вокруг сигнализируют о чём-то важном. * Yuanqing Li, Fangyi Wang, Yongbin Chen, Andrzej Cichocki and Terrence Sejnowski. The Effects of Audiovisual Inputs on Solving the Cocktail Party Problem in the Human Brain: An fMRI Study // Cerebral Cortex. 2017. P. 1–15. DOI: 10.1093/cercor/bhx235.
Досье на главных героев Имя Анджей Станислав Чихоцкий
Мари
Статус Профессор
Вымышленный персонаж
Детали Выпускник Варшавского технологического университета, доктор технических наук, заведующий лабораторией «Тензорные сети и глубинное обучение для интеллектуального анализа данных» Сколтеха
16
Аспирантка Сколтеха
17
18
19
20
21
22
Комикс 3
Страшилки о космической погоде, рассказанные учёными
Художник Лера Железова Автор идеи и сценария Евгения Береснева 23
Опасное солнце // С тра ш илки о косми ч еско й погоде , рассказанн ы е у ч ё н ы ми
С
олнце от нас далеко. Нет, не так — очень далеко, в 150 миллионах километров. Тем не менее происходящие на нём события довольно-таки сильно влияют на то, как живётся нам тут, на Земле. Это может показаться мистикой, и долгое время учёные примерно так и считали. Но сегодня изучение влияния солнечных событий на магнито-, ионо- и атмосферу Земли выделено в самостоятельную дисциплину, а весь этот комплекс явлений получил название космической погоды. За Солнцем следят десятки наземных и космических обсерваторий, мощные компьютеры обрабатывают гигабайты данных, учёные доказывают одну гипотезу за другой. Они уже многое знают о том, что за события ежесекундно происходят
на нашей звезде и благодаря каким физическим явлениям их отголоски долетают и до нас. Исследования космической погоды — яркий пример развития научной мысли. Первые заявления о влиянии Солнца на Землю прозвучали в середине XIX века, но не имели под собой строгих доказательств, а потому были восприняты скептически. Но упорство и кропотливая работа небольшой группы учёных изменили ситуацию. И сегодня мы можем достаточно точно прогнозировать ключевые события на Земле и Солнце, предсказывать силу геомагнитных бурь и т. д. Наш рассказ в картинках — о великих учёных прошлого, посвятивших себя изучению космической погоды, и их современных последователях, ничуть не менее влюблённых в своё дело.
Досье на главных героев Имя Татьяна Подладчикова
Астрид Верониг
Ричард Кэррингтон
Александр Чижевский
Исследователь
Исторический персонаж
Исторический персонаж
Доктор естественных наук, профессор астрофизики в Университете Граца (Австрия), директор обсерватории Канцельхох
Британский астроном (1826–1875), автор ряда фундаментальных работ по физике Солнца
Советский учёный (1897–1964), биофизик, основатель гелиобиологии
Статус Исследователь Детали Кандидат технических наук, профессор Космического центра Сколтеха
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
Комикс 4
Как мультикоптеры научились садиться и взлетать даже в самых сложных условиях
Художник Богдан Куликовских А в т о р и д е и и с ц е н а р и я Е в г е н и й Гл у ш к о в 35
DroneGear: к взлёту готов! // К ак мул ьтикоптер ы нау ч илис ь садит ь ся и взлетат ь даже в сам ы х сложн ы х условия х
Б
еспилотные летательные аппараты — дроны — постепенно проникают во все сферы нашей жизни. Их используют для картографирования местности, мониторинга состояния окружающей среды, в сельском хозяйстве и поисково-спасательных операциях. Возможности дронов высоко оценили как профессионалы видео- и фотосъёмки, так и любители делать селфи. А многие крупные компании разрабатывают способы доставки посылок с помощью дронов. Однако, несмотря на крутой вид и наличие нескольких пропеллеров, конструкции большинства коммерчески доступных дронов довольно примитивны, что создаёт немало проблем при их использовании. Например, взлетать большинство беспилотников может только с ровной горизонтальной неподвижной поверхности, садиться — тоже,
иначе c большой вероятностью дрон просто опрокинется. Разумеется, в реальных условиях поверхность не всегда бывает именно такая, особенно если речь идёт о спасательных работах на пересечённой местности или в горах. Чтобы решить проблему, студенты лаборатории интеллектуальной космической робототехники Сколтеха под руководством профессора Дмитрия Тетерюкова разработали новую адаптивную посадочную платформу для дронов следующего поколения. В её основе уникальные датчики крутящего момента, позволяющие аппарату чувствовать поверхность, на которой он находится. Как маленькой команде студентов удалось с нуля создать дрон нового поколения — читайте в комиксе.
Досье на главных героев Имя Юрий Саркисов
Григорий Яшин
Евгений Цыкунов
Дмитрий Тетерюков
Однокурсник Юрия и коллега по лаборатории
Однокурсник Юрия и коллега по лаборатории
Профессор Сколтеха, заведующий лабораторией интеллектуальной космической робототехники
Окончил МГТУ им. Н. Э. Баумана, работал в энергетическом секторе. Однажды Григорию позвонили из Сколтеха, и он не смог устоять перед предложением пойти туда в магистратуру
Окончил МГТУ им. Н. Э. Баумана, работал в нефтесервисной отрасли, после чего поступил в Сколтех. Специалист по системам управления дронами
Получил степень PhD в Токийском университете, после ещё 7 лет работал в Японии. Автор множества публикаций, признанный эксперт в области робототехники
Статус Главный разработчик платформы DroneGear
Детали Окончил МГТУ им. Н. Э. Баумана, работал в техническом консалтинге, после чего поступил в магистратуру Сколтеха
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
Комикс 5
Как биоинформатики раскрыли суперспособность африканского насекомого
Художник Катерина Воронина А в т о р и д е и и с ц е н а р и я А н н а Ти т о в а при участии Надежды Андреенко 47
Комар бессмертный // К ак биоинформатики раскр ы ли суперспособност ь африканского насекомого
В
чём секрет вечной молодости голого землекопа? Как тихоходки переносят пребывание в открытом космосе и не умирают? Какие механизмы помогают некоторым видам лягушек замерзать на зиму и оттаивать, возвращаясь к жизни, весной? Биологи давно изучают суперспособности животных, в том числе для того, чтобы когда-нибудь адаптировать их к физиологии человека. Этот комикс про одно из таких животных. Несколько лет большой коллектив учёных из совместной Лаборатории экстремальной биологии Института фундаментальной медицины и биологии КФУ (Россия) и RIKEN (Япония),
а также NARO (Институт агробиологических наук Японии) исследовал геном африканского комара-звонца Polypedilum vanderplanki. Полученные данные заинтересовали российских учёных. Они решили разобраться*, как именно это насекомое высыхает до состояния остановки всех жизненных процессов и оживает при возвращении влаги. * Pavel V. Mazin, Elena Shagimardanova, Olga Kozlova et al. Cooption of heat shock regulatory system for anhydrobiosis in the sleeping chironomid Polypedilum vanderplanki // PNAS February 20, 2018. 201719493; published ahead of print February 20, 2018. https://doi.org/10.1073/ pnas.1719493115.
Досье на главных героев Имя Павел Мазин
Михаил Гельфанд
Polypedilum vanderplanki (комар)
Heat Shock Factor (HSF)
Научный руководитель
Объект исследования
Объект исследования
Выпускник механико-математического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, доктор биологических наук, кандидат физико-математических наук; заместитель директора Института проблем передачи информации РАН, профессор и руководитель магистерских программ «Науки о жизни» в Сколтехе, «Анализ данных в биологии и медицине» в Высшей школе экономики
Знаменитый комар-звонец из рода Polypedilum, чьи личинки обладают настоящей суперсилой: они способны долго существовать в состоянии почти полного обезвоживания и быстро оживать при возвращении благоприятных условий
Фактор теплового шока — белок-регулятор, который контролирует транскрипцию: процесс синтеза мРНК на матрице ДНК. При повышении температуры он связывается с ДНК и активирует работу генов, которые кодируют белки, защищающие клетку
Статус Исследователь Детали Выпускник факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ им. М. В. Ломоносова, младший научный сотрудник Сколковского института науки и технологий (Сколтех)
48
49
50
51
52
53
54
Комикс 6
Как протокол 5G не позволил умным гаджетам захватить интернет
Художник Роман Дементьев А в т о р и д е и и с ц е н а р и я Е в г е н и й Гл у ш к о в 55
Восстание машин подавлено! // К ак протокол 5 G не позволил умн ы м гаджетам за х ватит ь интернет
Б
еспилотные автомобили, беспроводные сенсоры, дроны — количество умных гаджетов, подключённых к сетям мобильной связи, растёт с каждым годом. Они генерируют всё больше и больше трафика, который постоянно нужно передавать и обрабатывать. Объём этих данных постепенно приближается к объёму информации, передаваемой традиционными устройствами: компьютерами, планшетами, смартфонами. Чаще всего данные, транслируемые умными машинами, сильно отличаются от картинок, музыки и сериалов, которые мы с вами привыкли скачивать. Однако современные протоколы связи, регулирующие поведение устройств в сети, не делают
различия между беспроводным датчиком и последней моделью iPhone. В результате сети испытывают всё большие перегрузки под влиянием растущего количества новых пользователей — машин. Решением этой проблемы занимались сотрудники лаборатории теории информации Сколтеха под руководством профессора Алексея Фролова. Они разработали оптимизированный метод передачи машинных данных, который существенно облегчает нагрузку на сети беспроводной связи и в самом скором времени может быть принят как часть стандарта протокола 5G. Подробности — в комиксе!
Досье на главных героев Имя Кирилл Андреев
Елена Егорова
Алексей Фролов
Григорий Кабатянский Юрий Полянский
Аспирант
Профессор Сколтеха. Лауреат премии Правительства РФ в области науки и технологий для молодых учёных (2016)
Советник ректора Сколтеха науке, профессор НИУ ВШЭ, доктор физико-математических наук
Профессор Массачусетского технологического института (MIT)
Любит французский язык, Францию и путешествия. А ещё — кататься на велике и ходить по магазинам. Идеальное рабочее место: дома, с чашкой кофе и кошкой рядом
Любит вкусно поесть, путешествия, футбол и горные лыжи. В свободное время пишет научные статьи и занимается проектами компании Huawei. Рабочее место завалено книгами и записками, но Фролов всегда может найти то, что нужно
Любит чай — беседы всегда проводит за чашечкой чая. А ещё любит рассказывать истории и анекдоты
Победитель международных олимпиад по физике. Один из основателей нового научного направления — неасимптотической теории информации. Играет в хоккей. Пересобрал Linux под свой телефон, убрав магазин приложений
Статус Научный сотрудник
Детали Линуксоид, очень любит программировать и рефакторить код. Хобби: велосипед, горные лыжи и далее по возрастанию скорости. Предпочитает полный порядок на рабочем месте
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
Комикс 7
Как методы машинного обучения помогают исследовать влияние удобрений на почву и биом
Художник Анастасия Жданова Автор идеи и сценария Дарья Вяльцева 69
Горчица и большие данные // К ак метод ы ма ш инного обу ч ения помогают исследоват ь влияние удобрени й на по ч ву и биом
А
нализ больших массивов данных при помощи машинного обучения сегодня применяется в разных сферах: в интернет-среде (в основном для рекламных целей), экономике, банкинге и даже спорте. Одна из наиболее заметных тенденций — использование технологий машинного обучения в сельском хозяйстве. Почва для исследователей и программистов — предмет не менее интересный, чем создание алгоритмов для успешного продвижения рекламы. Ведь земля лишь на первый взгляд обычный слой суши, на деле это сложно
устроенная экосистема со своими законами и множеством параметров: пористостью, рельефом, биологическими характеристиками и микроэлементным составом. Сопоставляя и анализируя все эти показатели, учёные разрабатывают модели повышения плодородия почвы, а также изучают приемлемую концентрацию удобрений и их влияние на экологию и почвенные микроорганизмы. Эта рисованная история о фосфогипсе — удобрении, которое производится и применяется в промышленных масштабах, — и о том, что бывает, когда его действие выходит из-под контроля.
Досье на главных героев Имя Мария Пукальчик
Фосфогипс
Александр Катруца
Иван Оселедец
Исследователь
Руководитель почвен- Объект исследования ного проекта Сколтеха и главный подозреи «Русагро» ваемый
Выпускник Московского физико-технического института, преподаватель кафедры математических основ управления, научный сотрудник лаборатории тензорных сетей и глубокого обучения Сколтеха
Выпускник Московского физико-технического института, доктор физико-математических наук, доцент Сколковского института науки и технологий, старший научный сотрудник Института вычислительной математики РАН
Навозный червь, или Eisenia fetida
Статус Исследователь
Объект исследования и пострадавший
Детали Выпускница факультета почвоведения МГУ им. М. В. Ломоносова, кандидат биологических наук, сотрудник кафедры земельных ресурсов и оценки почв, научный сотрудник лаборатории почвоматики Сколтеха
70
Побочный продукт производства минеральных удобрений. Он тоже используется как удобрение, но при высоких концентрациях становится чрезвычайно токсичным для растений и животных
Вид малощетинковых червей из семейства Lumbricidae. С латинского название вида — fetida — переводится как «вонючий»
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
Комикс 8
Как изучение белка поможет колонизировать далёкие планеты
Художник Евгений Федотов Автор идеи и сценария Владислав Цой 81
Кровь космонавтов // К А К И З У Ч Е Н И Е Б Е Л К А П О М О Ж Е Т К О Л О Н И З И Р О В А Т Ь Д А Л Ё К И Е П Л А Н Е Т Ы
И
з-за долгого пребывания за пределами Земли космонавты испытывают множество проблем со здоровьем: слабеют мышцы, становятся хрупкими кости, разрушаются суставы. Физиологические нарушения возникают изза сбоев на молекулярном уровне. Но как именно это происходит? Неизвестно. Успешная адаптация к невесомости — давняя мечта человечества, над достижением которой работает множество научных коллективов. Один из них — коллаборация учёных из Института медико-биологических проблем РАН и Сколтеха (Россия), а также Викторианского университета (Канада). Исследователи проанализировали белковый состав
плазмы крови у 18 космонавтов и пришли к выводу, что тело человека реагирует на невесомость как на болезнь. Эта работа опубликована в преЧттобы понять её суть и значение, предлагаем перенестись на век вперёд. Итак, представьте себе Музей истории космонавтики в 2118 году. По нему гуляют вымышленные профессор Уткин и его дочь Алиса… и обсуждают работу реальных исследователей. * Irina M. Larina, Andrew J. Percy, Juncong Yang et al. — Profor number: 8142 (2017). Published 15 August 2017.
Досье на главных героев Имя Алиса Уткина
Профессор Уткин
Евгений Николаев
Ирина Ларина
Директор Музея истории космонавтики XXII века, папа Алисы, доктор космо-биологических наук. Без ума от дочери и котиков. Одного даже устроил сторожем в музее
Учёный-физик XXI века, профессор Сколковского института науки и технологий (Сколтех)
Учёный-биолог XXI века, главный научный сотрудник Института медико-биологических проблем РАН
Статус Ученица средней школы, любознательная девочка, только что окончившая пятый класс. Обожает космическую биологию, яблоки и своих родителей
82
83
84
85
86
87
88
89
90
Комикс 9
Учёные ищут замену индию — одному из важнейших элементов в нашей жизни
Х у д о ж н и к Е к а т е р и н а Ус о в а Автор идеи и сценария Светлана Соколова-Михайлова 91
Тот Самый Материал // У ч ё н ы е и щ ут замену индию — одному из важне й ш и х элементов в на ш е й жизни
И
ндий нужен буквально всем. Этот металл используют в изготовлении самолётных иллюминаторов, астрономических зеркал, автомобильных фар, пожарных сигнализаций, дизельных двигателей, фотоэлементов, радиофармпрепаратов и множества других вещей. Если, например, разбить молотком или интеллигентно разобрать на части планшет или смартфон, внутри устройства можно обнаружить соединение индия с оловом и кислородом (In2O3:SnO2), которое используется в качестве прозрачного, электропроводящего компонента для сенсорных экранов. Популярность индия растёт, стоимость тоже. А вот запасы истощатся в ближайшие пару десятков лет. Что будет дальше? Учёные всего мира пытаются найти достойную замену легированному оловом оксиду индия.
И не только для того, чтобы заместить материал в уже существующих устройствах, но и для создания компонентов будущей электроники. Существующие аналоги оставляют желать лучшего: они негибкие, неэластичные, недостаточно стабильны и небезопасны экологически. Поиски продолжаются. Мировые производители гаджетов ведут настоящую охоту на индий, а исследователи из Сколтеха ищут Тот Самый Материал — главный претендент на замену широко распространённого In2O3:SnO2. Результаты их работы опубликованы в журнале Carbon*. * Alexey P. Tsapenko, Anastasia E. Goldt, Eugene Shulga et al. — Highly conductive and transparent films of HAuCl4-doped single-walled carbon nanotubes for flexible applications // Carbon. 2018. Vol. 130. P. 448–457. doi.org/10.1016/j.carbon.2018.01.016.
Досье на главных героев Имя Алексей Цапенко
Альберт Насибулин
Оксид Индия (In2О3)
Исследователь
Вместе с Оксидом Олова Материал нового поколения образует полупроводниковый материал, необходимый для создания экранов гаджетов
Подружка Оксида Индия
Доктор технических наук, профессор Центра фотоники и квантовых материалов Сколтеха, адъюнкт-профессор кафедры прикладной физики Университета Аалто
Кристаллическое вещество. Соединение кислорода и мягкого, как пластилин, серебристо-белого металла индия
Порошок. Соединение олова и кислорода. Характер твёрдый, кристаллический
Однослойные углеродные нанотрубки
Оксид Олова (SnО2)
Статус Исследователь
Детали Выпускник МГТУ им. Н. Э. Баумана, аспирант Сколтеха
92
Представляют собой свёрнутый в трубку лист графена — прочного, гибкого, растягиваемого материала, образованного одним слоем атомов углерода
93
94
95
96
Комикс 10
Как Cas-белки убивают вредные гены и помогают создать новые инструменты редактирования ДНК
Художник Николай Огарков Автор идеи и сценария Алёна Лесняк 97
Кредо протеина // К А К C A S - Б Е Л К И У Б И В А Ю Т В Р Е Д Н Ы Е Г Е Н Ы И П О М О Г А Ю Т С О З Д А ТЬ Н О В Ы Е ИНСТРУМЕНТЫ РЕДАКТИРОВАНИЯ ДНК
И
ммунитет есть не только у людей и прочих многоклеточных — он есть и у бактерий. Микробы борются со своими врагами бактериофагами (вирусами, инфицирующими бактериальные клетки) при помощи молекулярного комплекса CRISPR-Cas. Его ключевой компонент — белок-эффектор Cas. Когда вирус заражает бактерию, он впрыскивает в неё свою геномную ДНК. Cas-белок замечает это и режет вражеские гены. Дальше фрагмент вирусной ДНК встраивается в геном бактерии — становится спейсером, частью системы CRISPR. Спейсер — что-то вроде личной карточки вируса, по которой бактерия в случае повторной атаки узнаёт врага и быстро его уничтожает. Бактериальный иммунитет изучают с конца 1980-х, а в 2013-м CRISPR-Cas-системы решили использовать для разрезания ДНК в эукариотических клетках (включая человеческие). Задуманное осуществилось, и весьма успешно. Все заговорили
о применении системы в терапии наследственных заболеваний. Биоинформатики стали искать Casэффекторы с разными свойствами, биоинженеры принялись модифицировать найденные белки и собирать на их основе всё новые и новые инструменты редактирования ДНК. Созданием инструмента, способного выключать сразу несколько генов, занималась и студентка Сколтеха Яна Фёдорова. Она работала в команде Фэн Чжана — одного из первоиспытателей CRISPR-систем в эукариотических клетках. В 2017 году в журнале Nature Biotechnology вышла статья* с результатами. Эта научная публикация и легла в основу комикса про технологии CRISPR-Cas. * Bernd Zetsche, Matthias Heidenreich, Prarthana Mohanraju, Iana Fedorova et al. — Multiplex gene editing by CRISPR–Cpf1 using a single crRNA array // Nature Biotechnology. 2017. Vol. 35. P. 31–34. DOI:10.1038/nbt.3737.
Досье на главных героев Имя Яна Фёдорова
Константин Северинов
Cas12a, также известный как Cpf1
Cas9, а точнее, SpCas9
Лабораторная мышь C57BL/6
Научный руководитель
Объект исследования
Знаменитость
Модельный организм
Выпускник биофака МГУ им. М. В. Ломоносова, доктор биологических наук, директор Центра наук о жизни Сколтеха, профессор Ратгерского университета (США)
Белок-эффектор в составе одного из типов геномредактирующей системы CRISPR. Обнаружен биоинформатиками в 2015 году у бактерии Francisella novicida
Первый, самый изученный и почитаемый белок-эффектор, найденный в начале 2000-х у бактерии Streptococcus pyogenes
C57BL/6 — порода лабораторных мышей коричнево-серого, а иногда почти чёрного окраса.
Статус Исследователь Детали Биофизик, выпускница Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого; научный сотрудник лаборатории молекулярной микробиологии при СПбПУ и студентка Центра наук о жизни Сколковского института науки и технологий (Сколтех)
98
Один из самых популярных модельных организмов в исследованиях
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
Комикс 11
История о загадочных гаммарусах и находчивых учёных
Художник Мария Богатова Автор идеи и сценария Евгения Береснева 111
Тайна байкальских раков // И стория о загадо ч н ы х гаммаруса х и на х од ч ив ы х у ч ё н ы х
О
зеро Байкал — настоящее водное царство. Каких только представителей флоры и фауны там не встретишь! Многие из них — загадка для учёных. Например, гаммарусы — высшие раки отряда бокоплавов. В Байкале их несколько десятков видов, и все очень разные: одни живут на глубине, вторые — ближе к поверхности; некоторые питаются рыбой, а другие — планктоном. Есть даже гаммарусы — паразиты других гаммарусов! Каким образом появилось так много видов, если все они живут в единой среде? Ответа нет. Но, может быть, они не такие уж разные? Не исключено, что сходство просто не заметить невооружённым глазом. Профессор Сколтеха Георгий Базыкин и его аспирантка, выпускница биофака МГУ Валентина Бурская, исследовали генетический матери-
ал 60 гаммарусов и приподняли завесу тайны над этими существами. Исследователи обнаружили у байкальских рачков параллельную эволюцию на молекулярном уровне. Это означает, что у разных видов гаммарусов ДНК менялась похожим образом — независимо друг от друга и в течение долгого времени, поколение за поколением. Об этом эволюционном феномене известно пока очень мало, и его исследование на примере гаммарусов может дать ключ к поиску подобного механизма у других видов. Не исключено, что новый уровень понимания эволюционных процессов поможет человечеству победить опасные, непредсказуемо мутирующие вирусы. Подробности о работе учёных ищите в нашем комиксе, а статью с результатами — в одном из ведущих научных журналов.
Досье на главных героев Имя Георгий Базыкин
Валентина Бурская
Рак вида Eulimnogammarus violaceus
Исследователь
Объект исследования
Выпускница биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, аспирант Сколтеха
Представитель семейства колючих гаммарид отряда бокоплавов. Обитает только в озере Байкал. В вымышленном мире комикса — активист общества гаммарусов
Статус Научный руководитель Детали Выпускник биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, профессор Сколтеха, руководитель лаборатории эволюционной геномики
112
113
114
115
116
117
118
Комикс 12
Схватка между раковыми клетками и наноконтейнерами
Х у д о ж н и к Кс е н и я Ко п а л о в а Автор идеи и сценария Лина Алексюнайте 119
Микрокосмическое вторжение // С х ватка между раков ы ми клетками и наноконте й нерами
Н
аш организм похож космос, не находите? Тело словно Вселенная, а клетки тканей в нём — планеты. Человечество долгое время стремилось разгадать тайны космоса, хотя столько всего неизведанного рядом — внутри нас самих. Что, например, если отправить подобие космического корабля в организм исследовать наш микрокосмос? Первым такую мысль допустил физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Это было в 1959 году — в разгар битвы за освоение космоса, которую вели сверхдержавы СССР и США. Теперь изучением микрокосмоса занимаются учёные всего мира. Уже сейчас в медицине используют адресные лекарства. И, возможно, скоро наноконтейнеры станут такими же привычными, как таблетки. Точно заботливые врачи, они будут рядом с пациентом 24 часа в сутки — следить за здоровьем изнутри и доставлять препараты к целевым клеткам. Наноконтейнеры — это
капсулы из белковых молекул, фактически пустые оболочки, куда можно положить лекарство и отправить его путешествовать по организму. Чтобы раскрыть оболочку в нужном месте, учёные используют магнитное поле, оптический прицел и даже ультразвук. Профессор Сколтеха Дмитрий Горин и его исследовательская команда недавно завершили эксперимент с микроконтейнерами из ватерита. Надо сказать, между нанодоставщиками лекарств и раковыми клетками возникли непростые отношения, в которых и разбирались учёные. Результаты их работы опубликованы в престижном международном журнале Biotechnology Journal*. * Abalymov A. A., Verkhovskii R. A., Novoselova M. V., Parakhonskiy B. V., Gorin D. A. et al. Live-Cell Imaging by Confocal Raman and Fluorescence Microscopy Recognizes the Crystal Structure of Calcium Carbonate Particles in HeLa Cells // Biotechnology Journal. — Published: 19 June 2018. doi: 10.1002/biot.201800071.
Досье на главных героев Имя Дмитрий Горин
Катион
Клетки HeLa
Микроконтейнеры
Лабораторный кот
Раковые клетки
Частицы аллотропной формы карбоната кальция (CaCO3) — ватерита
Маленький пушистый комочек нашли рядом с кампусом два года назад. Имя Катион дали в честь иона с положительным зарядом. Кот бродит по коридорам института, иногда безобразничает, а порой наталкивает исследователей на отличные идеи. Все любят Катиона: он муза!
Культуры этих клеток часто используют в биомедицинских исследованиях. Получены из раковой опухоли шейки матки афроамериканки Генриетты Лакс в 1951 году. Отсюда и название — HeLa (HEnrietta LAcks). Могут делиться бесконечно, так что почти бессмертны
Микроконтейнеры из ватерита (редкого минерала из класса карбонатов) идеально подходят для доставки лекарств. Ватерит биоразлагаем и биосовместим с человеческими клетками
Статус Исследователь
Детали Выпускник Саратовского госуниверситета, доктор химических наук. Работал в Институте коллоидов и поверхностей Общества Макса Планка. Сейчас профессор и руководитель лаборатории биофотоники Центра фотоники и квантовых материалов Сколтеха
120
121
122
123
124
125
126
127
128
Комикс 13
Как разрабатывают способы получения нефти из твёрдого вещества
Художник Анна «Ная» Мещерякова А в т о р и д е и и с ц е н а р и я А л ё н а Гу р ь е в а 129
Всё ушло в трубу, или Превращение керогена // К ак разрабат ы вают способ ы полу ч ения нефти из тв ё рдого ве щ ества
С
каждым годом добывать нефть становится всё сложнее: запасы легкодоступных ресурсов истощаются. На смену приходят трудноизвлекаемые углеводороды. Однако при нынешнем уровне технологий разрабатывать их экономически невыгодно. Поэтому исследователи ищут новые инженерные решения. Один из подходов связан с закачкой воздуха в горные породы. В результате начинается процесс внутрипластового горения, который позволяет значительно увеличить нефтеотдачу. Конечно, подбирать оптимальный способ вытеснения нефти на реальных месторождениях методом проб и ошибок не по карману даже самым крупным нефтяным компаниям. Такие исследования гораздо дешевле и эффективнее проводить на экспериментальном оборудовании. Научные разработки тепловых методов увеличения нефтеотдачи ведутся во многих странах.
Но самое масштабное оборудование, открывающее максимум возможностей во время эксперимента, находится в двух местах в мире: в Канаде, в Университете Калгари, и в России — в Центре добычи углеводородов Сколтеха. Научные сотрудники Центра разрабатывают методы генерации нефти из баженовской свиты — горных пород, в которых содержится твёрдое органическое вещество кероген, способное стать нефтью. Этот комикс, как и все в сборнике, основан на реальной научной работе*, а ключевые персонажи — реальные российские учёные. Но в рисованной истории есть место и вымыслу. * Tatiana Bondarenko et al. Experimental investigation of thermal decomposition of Bazhenov formation kerogen: Mechanism and application for thermal enhanced oil recovery // Journal of Petroleum Science and Engineering. — 2017. Vol. 150. P. 288–296. Doi 10 .1016/j.petrol.2016.12.011.
Досье на главных героев Имя Татьяна Бондаренко
Алексей Черемисин
Глыба
Научный руководитель
Объект исследования
Выпускник физфака Новосибирского государственного университета, доцент, кандидат технических наук, заместитель директора Центра добычи углеводородов Сколтеха по экспериментальным исследованиям
Гуманоидный массив горной породы, содержащей кероген — твёрдое органическое вещество, которое при нагревании до определённых температур может превращаться в нефть. Предположительно поднят с баженовской свиты
Статус Исследователь Детали Инженер-нефтяник, увлечённый экспериментами, выпускница Российского государственного университета нефти и газа им. И. М. Губкина и Китайского университета нефти, студентка Сколковского института науки и технологий (Сколтех)
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
Научно-популярное издание
Это точно. Чёртова дюжина комиксов о науке и учёных Главный редактор Алёна Лесняк Продюсер Денис Столяров Менеджер проекта Светлана Соколова-Михайлова Литературный редактор Мария Кисовская Арт-директор Данил Петрушин Ответственный редактор Эльвира Саляхова Выпускающий редактор Александра Лавриненко Координатор проекта Инесса Григалюнене Администратор Мария Павлова Научный консультант д.ф.-м.н. Григорий Кабатянский Выражаем особую благодарность вице-президенту по развитию Сколковского института науки и технологий к.т.н. Александру Сафоновź
ООО «Издательство “Эксмо”» 123308, Москва, ул. Зорге, д. 1. Тел.: 8 (495) 411-68-86, 8 (495) 956-39-21. Home page: www.eksmo.ru E-mail: info@eksmo.ru Өндіруші: «ЭКСМО» АҚБ Баспасы, 123308, Мәскеу, Ресей, Зорге көшесі, 1 үй. Тел.: 8 (495) 411-68-86, 8 (495) 956-39-21. Home page: www.eksmo.ru E-mail: info@eksmo.ru. Тауар белгісі: «Эксмо» Қазақстан Республикасында дистрибьютор және өнім бойынша арыз-талаптарды қабылдаушының өкілі «РДЦ-Алматы» ЖШС, Алматы қ., Домбровский көш., 3«а», литер Б, офис 1. Тел.: 8(727) 251-59-89,90,91,92, факс: 8 (727) 251-58-12, вн.107; E-mail: RDC-Almaty@eksmo.kz Өнімнің жарамдылық мерзімі шектелмеген. Сертификация туралы ақпарат сайтта: www.eksmo.ru/certification Өндірген мемлекет: Ресей Сертификация қарастырылмаған Сведения о подтверждении соответствия издания согласно законодательству РФ о техническом регулировании можно получить по адресу: http://eksmo.ru/certification/ .