1. Ludzie niby tacy podobni, a w rzeczywistości tak bardzo różni

Do tej pory uczeni byli przekonani, że pod względem genetycznym stworzenia jednego gatunku niewiele się od siebie różnią. Tymczasem jak wykazują najnowsze badania, jest akurat odwrotnie, czego najlepszym przykładem są ludzie. Dotychczas udało się zsekwencjonować, czyli odczytać litera po literze, całą informację genetyczną zawartą w DNA zaledwie kilku osób. Na razie ta procedura jest dość kosztowna, trzeba za nią zapłacić nawet milion dolarów. Wydaje się jednak, że wkrótce uda się zmniejszyć tę kwotę do takiego poziomu, by sekwencjonowanie DNA stało się równie powszechne co morfologia krwi. Dzięki temu będziemy mogli się dowiedzieć, czy jesteśmy genetycznie obciążeni ryzykiem zachorowania na przykład na raka i zawczasu podjąć profilaktykę.

W jaki sposób DNA Kowalskiego jest inne od DNA Nowaka? Różnice w genomie polegają najczęściej na "jednoliterowych" zmianach nazywanych "polimorfizmami pojedynczego nukleotydu" (nukleotydy to cegiełki, z których zbudowane jest DNA). W kilku badaniach z 2007 r. wykazano, że te minimalne zmiany mogą wpływać na funkcjonowanie całego genu. A to z kolei może powodować wzrost ryzyka zachorowania na cukrzycę, nowotwór piersi czy stwardnienie rozsiane.

2. Komórki macierzyste bez moralnych dylematów

W tym roku amerykańskim i japońskim genetykom udało się opracować skuteczną oraz wydajną metodę "przeprogramowywania" komórek, tak by zupełnie zmieniały swoją dotychczasową funkcję. Do eksperymentów badacze użyli komórek skóry pobranych od laboratoryjnej myszy. Za pomocą wymyślonej przez siebie technologii udało się im cofnąć w rozwoju dorosłe komórki, dzięki czemu przypominały zarodkowe komórki macierzyste. Podobnie jak komórki macierzyste, tak i te wyprodukowane przez naukowców, mogły się przemieniać w dowolne komórki organizmu. Dzięki odpowiednim pożywkom przekształciły się w jajeczka oraz plemniki.

To osiągnięcie niewątpliwie przyspieszy prace nad nowymi terapiami, w których istnieje potrzeba wykorzystania komórek macierzystych. Pozwoli też uniknąć dylematów moralnych związanych z pozyskiwaniem komórek macierzystych z ludzkich zarodków, które były przy tej okazji niszczone.

3. Masywne czarne dziury źródłem promieniowania kosmicznego o wysokiej energii

Co jest mniejsze od atomu i bombarduje Ziemię z siłą większą niż rozpędzona piłka golfowa? Mowa o promieniowaniu kosmicznym. W jego skład wchodzą głównie protony, które uderzają w ziemską atmosferę z energią 100 mln razy większą niż cząstki rozpędzane przez naukowców w najpotężniejszych akceleratorach. Od lat 60. XX wieku promieniowanie kosmiczne intrygowało astrofizyków. W tym roku udało się po części rozwiązać zagadkę jego pochodzenia. Uczeni z argentyńskiego Obserwatorium Pierre’a Augera doszli do wniosku, że źródłem promieniowania kosmicznego o wysokiej energii są potężne, czarne dziury znajdujące się w centrach niektórych galaktyk, które znajdują się nie dalej niż ok. 250 mln lat świetlnych od Ziemi.

4. Receptory znajdujące się na powierzchni komórki rozszyfrowane, skuteczniejsze leki tuż-tuż

Dzięki nim jesteśmy zdolni odczuwać smaki, zapachy i reagować na blask dziennego światła. Za ich sprawą nasze narządy reagują na działanie hormonów, neurotransmiterów oraz innych substancji wydzielanych wewnątrz ciała. Mowa o specjalnych receptorach, tzw. receptorach sprzężonych z białkiem G, tkwiących w błonach najróżniejszych komórek. Ich zadaniem jest pośredniczenie w przekazie rozmaitych sygnałów do wnętrza komórki. Rodzina tych receptorów liczy sobie ok. 1000 przedstawicieli. W tym roku naukowcom udało się wreszcie dokładnie poznać jednego z najważniejszych członków tego rodu - receptor adrenergiczny beta 2. Po blisko 20 latach badań udało się im odtworzyć jego trójwymiarową strukturę. Co nam ta wiedza daje? Po pierwsze, to właśnie receptory sprzężone z białkiem G reagują na wiele leków, które zapisują nam lekarze. Wśród nich są betablokery, używane w leczeniu schorzeń kardiologicznych czy leki antyhistaminowe opóźniające i łagodzące objawy reakcji alergicznych. Znając budowę receptorów, można próbować udoskonalać leki. A doskonalsze leki to szybsze leczenie i mniej efektów ubocznych.

5. Dobiega końca epoka krzemu, nowe materiały to wydajniejsze komputery

Tak jak historycy wyróżniają w dziejach Ziemi epoki kamienia, brązu i żelaza, tak przełom XX i XXI wieku można by nazwać epoką krzemu. To właśnie temu pierwiastkowi zawdzięczamy domowe komputery, konsole do gier czy inteligentne komórki, których sercami i mózgami są mikroprocesory. Mimo że na rynku co chwila pojawiają się lepsze, wydajniejsze i mniej energochłonne chipy krzemowe, wiele wskazuje na to, że niedługo ten cudowny materiał odejdzie w przeszłość. A wszystko za sprawą tegorocznego odkrycia z dziedziny tlenków metali przejściowych. Jak wykazali naukowcy, tego rodzaju materiały idealnie sprawdzają się w roli superprzewodników.

Nowe tworzywa cechuje tzw. kolosalny magnetoopór. Oznacza to, że zmieniając parametry pola magnetycznego wokół tworzywa można w znaczący sposób zmienić jego opór elektryczny. Jeszcze bardziej niezwykłe właściwości mają "kanapkowe" materiały zbudowane z kilku warstw kryształów tlenków metali przejściowych. Dzięki odpowiedniemu dobraniu składników kanapki, naukowcy potrafili stworzyć materiały o właściwościach różnych metali czy superprzewodników. Osiągnięcia te już wkrótce znajdą zastosowanie w elektronice i informatyce.

6. Elektrony tańczą, jak im uczeni zagrają

Choć elektronów nie sposób dostrzec gołym okiem, budzą wielkie zainteresowanie wśród naukowców. Mijający rok przyniósł nam kilka odkryć związanych z nietypowym zachowaniem elektronów poddanych działaniu pola elektrycznego lub magnetycznego. Jak się okazuje, właśnie za pomocą pola magnetycznego można zrozumieć sposób, w jaki elektrony przepływają przez określony materiał, np. przez metal czy półprzewodnik.

Już wcześniej fizycy wiedzieli, że przy zastosowaniu bardzo silnego pola magnetycznego oraz niskich temperatur można sprawić, by elektrony przepływały przez materiał praktycznie bez oporu i strat energetycznych. Wymagane w tym przypadku ekstremalne warunki uniemożliwiają jednak wykorzystanie tego zjawiska w praktyce, np. przy konstrukcji nowych mikroprocesorów. Problem ten uda się być może wkrótce rozwiązać za sprawą nowej dyscypliny naukowej nazywanej spintroniką. Tak jak w tradycyjnych układach scalonych nośnikiem informacji są zmiany w przepływie prądu, tak w spintronice uwzględnia się także spin elektronu, czyli jego kierunek ustawienia w przestrzeni. Przepuszczając elektrony przez materiały o odpowiedniej strukturze oraz manipulując spinem cząstek, można znacznie obniżyć opór ich ruchu.

7. Limfocyty odkrywają swe tajemnice, dzięki czemu naukowcy zrobią nowe szczepionki

Zamiast leczyć chorobę, o wiele lepiej jest jej zapobiegać. Taka idea przyświeca stosowaniu wszelkiego rodzaju szczepionek, dzięki którym nasz organizm może zawczasu się przygotować na atak groźnego wirusa. W laboratoriach pracuje się też nad szczepionkami, które uczyłyby układ odpornościowy rozpoznawania i niszczenia komórek nowotworowych. Pomocne w tych badaniach okaże się tegoroczne odkrycie dotyczące limfocytów T - komórek odporności, których zadaniem jest niszczenie obcych dla organizmu komórek. Część limfocytów T staje do walki z wrogiem natychmiast, gdy się on pojawi. Część jednak - zamiast atakować - oddala się, gotowa czekać wiele lat na ponowne pojawienie się wroga. Skąd te różnice? Jak wykazali naukowcy z USA, wynikają one z różnego rozmieszczenia specjalnych białek na powierzchni limfocytów T. Na jednym jej biegunie gromadzą się białka charakterystyczne dla "błyskawicznych komandosów", a na drugim - białka komórek wyczekujących. Gdy taka zróżnicowana komórka ulegała podziałowi, dawała początek dwóm typom limfocytów. To, czy potomna komórka była typem żołnierza, czy też "czekacza" zależało od białek odziedziczonych po pierwotnej komórce. Na praktyczne wykorzystanie tej wiedzy przyjdzie nam zapewne trochę poczekać, ale owocem prac naukowców mogą być nowe i znacznie dłużej działające szczepionki.

8. Cząsteczki chemiczne pod kontrolą, czyli jest nadzieja na tańsze medykamenty

Choć może zabrzmi to dziwnie, chemicy mają wiele wspólnego z projektantami mody - jedni i drudzy chcą, by owoce ich pracy były eleganckie. Reakcja chemiczna składająca się z kilku prostych, ale pomysłowo zaplanowanych etapów jest zawsze wyżej oceniana niż skomplikowany, pracochłonny i długotrwały proces. Ładne, proste reakcje chemiczne są z reguły tańsze, a właśnie od tego zależy, czy znajdą praktyczne zastosowanie.

Grono wykorzystywanych w przemyśle reakcji na pewno się wkrótce powiększy, bo chemicy znaleźli właśnie nowe sposoby kontrolowania cząsteczek. Dzięki temu udało się uprościć wiele dotąd niezwykle żmudnych procesów chemicznych, używanych m.in. do produkcji farmaceutyków. I tak, naukowcom z Izraela udało się opracować sposób szybkiej zamiany związków z grupy alkoholi lub amin w inne, użyteczne substancje - amidy. Chemicy nauczyli się też szybkiego i wydajnego tworzenia dużych cząsteczek o znaczeniu terapeutycznym. Skutki tych drobnych, laboratoryjnych postępów będzie mógł odczuć i zwykły Kowalski, który za jakiś czas wyda mniej na leki.

9. Kto pamięta przeszłość, może wyobrazić sobie przyszłość

Ludzka pamięć to jeden z największych fenomenów natury. Choć naukowcy zajmują się jej badaniem od kilkuset lat, nadal odkrywają nowe tajemnice procesu zapamiętywania. Tak było i w tym roku.

Jedną z niespodzianek okazało się to, że wspomnienia i to, co wiemy o przeszłości, jest niezbędne do myślenia o… przyszłości. Dowiedli tego brytyjscy uczeni, którzy przebadali grupę osób cierpiących na amnezję. Zaburzenie to było spowodowane uszkodzeniem hipokampa - starej ewolucyjnie struktury mózgu, odpowiedzialnej m.in. za pamięć. Jak się okazało, pacjenci z amnezją mieli wielkie trudności z wyobrażaniem sobie przyszłych zdarzeń, np. myśleniem o zakupach, które zrobią za kilka godzin czy nadchodzącym pikniku na plaży.

Choć zdrowe osoby opisywały swe plany niezwykle barwnie, to ludzie z amnezją byli w stanie przywołać jedynie kilka luźno powiązanych szczegółów. W innych badaniach wykazano, że podczas przywoływania wspomnień oraz myślenia o przyszłości dochodzi do pobudzeniu niemal tych samych rejonów mózgu. Zdaniem niektórych badaczy nasz umysł może wykorzystywać fragmenty dawnych wspomnień do tworzenia wizji przyszłości - tak, jakby chciał budować nowy dom, wykorzystując do tego ściany wcześniej wzniesionej konstrukcji i ustawiając je w nowym układzie.

10. Komputery rozwikłały zagadkę idealnej partii warcab: jeśli żaden z graczy nie popełni błędu, rozgrywka zawsze skończy się remisem

W tym roku dowiedzieliśmy się, że tematem poważnych prac badawczych mogą być nawet… warcaby. Rozpracowaniem tej popularnej gry planszowej postanowili zająć się informatycy z Kanady. Na podstawie tysięcy matematycznych symulacji wykazali, że o ile żaden z graczy nie popełni błędu, wówczas partia warcabów zawsze skończy się remisem. Uczeni wykorzystali amerykańskie warcaby rozgrywane 12 czarnymi i 12 czerwonymi pionami na 64-polowej planszy. Jak wyliczyli, liczba możliwych układów pionków w tej grze wynosi… ok. 500 miliardów. Takiej liczby kombinacji nie strawiłby mózg najpotężniejszego z istniejących komputerów, dlatego naukowcy postanowili ograniczyć się do 39 bilionów możliwych ustawień 10 lub mniejszej liczby pionów. Algorytmy wykorzystane do rozpracowania warcabów będzie można też wykorzystać w innym celu, np. do rozszyfrowywania informacji zapisanych w ludzkim DNA.