20 сентября 2019, пятница, 9:48
Мы в одной лодке
Рубрики

Ученые из 10А: как современные технологии позволяют делать открытия даже школьникам

Ученые из 10А: как современные технологии позволяют делать открытия даже школьникам

Сегодня проводить научные исследования могут не только сотрудники профильных институтов, но даже дети.

Современная наука — система с довольно жесткой иерархией и системой правил, однако проводить научные исследования могут не только сотрудники профильных институтов, но и все прочие люди, в том числе дети. Иногда такие попытки оказываются крайне успешными, особенно когда на помощь начинающим ученым приходят современные технологии — онлайн-ресурсы с научными базами данных, доступное лабораторное оборудование и новейшие материалы. Читайте об этом в материале nplus1.ru.

Выявление источника инфекции

Американская семиклассница по имени Элан Филлер искала проект для школьного задания, и ее отец, специалист по инфекционным заболеваниям, посоветовал ей обратиться к Деборе Шпрингер из университета Дьюка. Шпрингер занималась дрожжевым грибом под названием Cryptococcus gattii. Этот грибок вызывает криптококкоз, который характеризуется поражением ЦНС, легких, кожи и слизистых оболочек. Заболевание передается не от человека к человеку, а воздушно-пылевым путем, поэтому выявление настоящего источника возбудителя существенно снижает уровень инфицированности местных жителей.

Особенно опасен криптококкоз для людей с нарушениями функций иммунной системы, в том числе для страдающих от СПИДа. Считается, что около трети случаев смерти больных СПИДом вызваны именно грибковыми инфекциями.

Известно, что подобные грибки часто селятся на деревьях, и раньше считалось, что основным источником Cryptococcus gattii в Калифорнии являются эвкалипты, поскольку именно на этих деревьях грибок селится в Австралии. Однако американские штаммы (CBS7750 и WM161) на эвкалиптовых деревьях Калифорнии обнаружить не удавалось.

По рекомендации Шпрингер Элан сделала большой исследовательский проект, в рамках которого обошла множество деревьев, беря пробы с них или с почвы рядом с ними и высевая их на чашки Петри. После культивирования выросшие грибки секвенировали, выявляя последовательности определенного набора локусов их ДНК, и подвергали филогенетическому анализу (определяя таким образом виды и штаммы).

На эвкалиптовых деревьях Cryptococcus gattii, действительно, не обнаруживалась, и Элан решила расширить область исследования и проанализировать образцы с других деревьев. В конце концов ей удалось отыскать источник грибка — местом его произрастания оказались ликвидамбар смолоносный, канарская сосна и похутукава. Штаммы Cryptococcus gattii соответствовали штаммам местных пациентов, болевших криптококкозом, в том числе десять лет назад.

Результаты работы Элан были опубликованы в 2014 году в журнале PLOS Pathogens. Девочка продолжила заниматься исследованиями в области грибковых заболеваний и, уже будучи старшеклассницей, получила премию округа за другой проект, связанный с патогенами, а также представила свои достижения на международной научной выставке Intel International Science and Engineering Fair.

Открытие звезды

Ученик 10 класса Данил Панов из Рубцовска обнаружил неизвестную ранее катаклизмическую переменную в созвездии Стрельца. Открытие было сделано в летнем лагере ЛАНАТ Московского государственного университета в августе 2017 года. Данил изучал изображения, полученные с помощью инструмента T31 диаметром 51 сантиметр в австралийском городе Сайдинг-Спринг, которые публикуются онлайн на сайте iTelescope.

Российский школьник заметил, как на серии последовательно сделанных снимков один из объектов внезапно пропал и появился вновь лишь через примерно десятиминутный промежуток времени. Замеченный Данилом объект не относился к числу ранее описанных. Это оказалась переменная звезда, принадлежащая к классу катаклизмических.

Переменными называются звезды, яркость которых со временем заметно меняется в результате неких физических процессов (хотя, строго говоря, яркость любой звезды с течением времени меняется в той или иной степени — так, в течение одиннадцатилетнего цикла величина выделяемой Солнцем энергии изменяется на 0,1 процента). Катаклизмические переменные — класс астрономических объектов, относящихся к переменным звездам и проявляющих катаклизмическую (например, вспышечную) активность. Они представляют собой тесные двойные системы, состоящие из белого карлика и его компаньона, чаще всего красного карлика. Иногда в роли компаньона оказывается другой объект, например субгигант или красный гигант.

Обнаруженную Данилом переменную назвали DanV1. Ее существование в дальнейшем было подтверждено с помощью дополнительных наблюдений в течение более длительных периодов времени. Применив метод Лафлера-Кинмана, ученые предсказали — и подтвердили — период ее мигания. Подробнее об открытии, сделанном Данилом, вы можете прочитать в нашем материале.

Ученые из астрономического института имени П. К. Штернберга, работавшие над этим проектом, полагают, что природу DanV1 стоит исследовать и уточнять с помощью методов многоцветной фотометрии и временной спектроскопии.

Внимательные наблюдения за огромным потоком данных, получаемых от всевозможных обсерваторий и транслируемых онлайн, нередко приводят к важным открытиям. За пять лет до этого другой школьник, пятнадцатилетний Нил Ибата из Страсбурга, изучая ближайшую к нам галактику — Андромеду, построил ее динамическую модель и впервые описал движение 13 небольших саттелитных галактик, вращающихся вокруг нее. А совсем недавно девятилетний московский школьник Диего Фернандес Ортис, занимаясь в астрономическом кружке, первым заметил вспышку сверхновой звезды в созвездии Летучей рыбы.

Открытие нового инсектицида

Шестиклассник из Филадельфии по имени Саймон Кашчок-Маренда делал проект для научной выставки и объектом исследования выбрал плодовых мушек (дрозофил, Drosophila melanogaster). Он решил посмотреть, как на мушек подействуют подсластители, которые люди употребляют в пищу вместо сахара в диетических или медицинских целях. Мальчику помогал отец, доцент университета Дрекселя.

Саймон выращивал мушек группами, каждой из которых вместо сахара давал различного типа подсластители из местного магазина. Спустя шесть дней все мушки, питавшиеся подсластителем Truvia, прошедшим проверку Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA), умерли.

Truvia содержит стевию и эритритол — ациклический полиол, или альдит (простейшим хорошо известным альдитом является глицерин). Эритритол распространен в природе и встречается, например, во многих фруктах. При этом мушки среди других подсластителей (Equal, Splenda, Sweet’n’Low и PureVia) и обычного сахара отдавали преимущество именно Truvia.

Саймон вместе с отцом и профессором Шоном О’Донеллом, специалистом по насекомым, повторил эксперимент в лаборатории и подтвердил первоначальные результаты. В среднем мушки, питавшиеся Truvia, жили 5,8 дня (контрольные мушки жили до 50,6 дня). При этом у насекомых наблюдались серьезные нарушения моторных функций.

Участники проекта показали, что причина происходящего — именно эритритол, а не стевия. Они решили, что найденный ими эффект можно использовать для разработки нового инсектицида, безопасного для людей. В июне 2014 года результаты данной работы были опубликованы в журнале PLOS ONE.

«Невероятно важно поощрять любопытство у детей и прививать им интерес к науке с раннего возраста, — комментирует этот проект профессор О’Доннелл. — Конечно, не каждый школьный проект обязательно оборачивается существенным открытием, ведь в науке результаты исследований зачастую непредсказуемы. Но если мы обеспечим детям комфортную обстановку и сумеем вовлечь их в исследовательский процесс, они в конце концов научатся делать настоящие открытия».

Хотя некоторые школьные проекты заканчиваются замечательно и остается только похвалить учителей или ученых, оказавших детям помощь в доведении исходной задумки до настоящего результата, иногда подобные начинания вызывают определенные сомнения. С подобным отношенем, например, столкнулся британский нейрофизиолог Бо Лотто, решивший опубликовать, причем непременно в солидном научном издании, результаты исследования, связанного с поведением и обучаемостью пчел, которые Лотто получил вместе с группой детей от восьми до десяти лет (среди них был и его сын).

В рамках проекта под названием “I, science”, чьим куратором был Лотто, дети сами придумали и реализовали эксперимент, в ходе которого исследовали способность пчел запоминать различные цвета, ассоциируя их с источником пищи, и впоследствии использовать эти знания. Дети помещали источник пищи — сахар — на подставки разного цвета в разные места, а потом проверяли, насколько хорошо пчелы запомнили цвета подставок с сахаром и готовы ли они впоследствии сразу лететь к ним. В работе удалось показать, что пчелы обладают отличной памятью на цвета и способны запоминать расположение и цвет подставок, на которых их ждет пища.

Статья, которую якобы написали сами дети, составлена простым языком и начинается со слов «давным-давно». В качестве одного из ее главных тезисов приводится следующий: «мы поняли, что наука — это клево». Статья, кроме того, снабжена картинками, раскрашенными цветными карандашами. Она была отослана в такие журналы, как Science и Nature, и в конце концов, в 2010 году, была опубликована в достаточно престижном Biology Letters.

Лотто в первую очередь хотел показать, что любопытство должно быть главной движущей силой научного труда и что любознательность детей непременно надо поощрять и верить в их силы. Хотя сам по себе этот тезис не вызывает сомнений, однако научное сообщество восприняло публикацию неоднозначно. Критики указали, что в статье нет обзора литературы, отсутствуют ссылки на другие исследования и непонятно, в чем, собственно, заключается новшество результатов группы Лотто — про обучаемость пчел, на самом деле, уже собрано довольно много данных. Поэтому многие ученые отреагировали на публикацию критически и вовсе неодобрительно.

Тем не менее, в этой истории есть и немало положительного — дети явно с удовольствием разработали и довели до конца свой проект, а Лотто показал им и всему научному сообществу, как можно провести интересное исследование, располагая ограниченными ресурсами и еще более крохотным опытом. Очень важно и то, что здесь дети действительно участвовали в проекте, а не стали фиктивными соавторами научной публикации лишь по воле своих родителей, как это случалось в Южной Корее.

Открытие новой функции генов

Группе российских школьников, несколько лет занимавшихся в Школе молекулярной и теоретической биологии под руководством профессора Михаила Гельфанда, Анны Казнадзей и Марии Тутукиной удалось показать, что кишечные палочки Escherichia coli умеют питаться молочным сахаром (лактозой) не только с помощью хорошо известного набора генов, впервые описанных французскими учеными Жакобом и Моно более шестидесяти лет назад, но и с помощью ранее неизвестного альтернативного пути.

Школьникам удалось предсказать и показать, что заинтересовавшие их гены кодируют белки, обладающие мультифункциональными характеристиками: с одной стороны, они способны метаболизировать серосодержащие углеводы (о чем уже было известно ранее), а с другой — оказались участниками пути катаболизма лактозы (что и стало открытием).

Более подробно об этом исследовании можно прочитать в нашем блоге. Работа состояла из двух частей — биоинформатической и экспериментальной. В ходе первого этапа была предсказана новая функция комбинации генов кишечной палочки yihTSVW. Предсказание было сделано на основании сравнения их структурных особенностей с генами, участвующими в метаболизме лактозы у другой группы бактерий — бацилл.

В ходе эксперимента удалось подтвердить активацию экспрессии этих генов при росте кишечных палочек на лактозе, в том числе при полном выключении стандартного лактозного набора генов, описанных Жакобом и Моно. Кроме того, участники поняли, как происходит регуляция кассеты генов и какие транскрипционные факторы ответственны за переключение ее работы при росте на разных источниках сахара.

Разработка диагностического теста

Пятнадцатилетнему школьнику из штата Мэрилэнд по имени Джек Андрака пришла в голову идея, как можно соединить технологию углеродных нанотрубок, с которыми работал его отец, и принцип взаимодействия антител с белками. В результате Джек разработал простой и недорогой тест-полоску, позволяющий регистрировать изменения уровня белка мезотелина в крови или моче.

Повышение концентрации мезотелина связано с развитием рака поджелудочной железы — шестого по степени распространенности онкологического заболевания в мире, в США занимающего четвертое место по числу скончавшихся онкопациентов. Рак поджелудочной железы быстро прогрессирует и плохо поддается ранней диагностике, поэтому разработка эффективных тестов в данной области имеет большое значение.

Углеродная нанотрубка — это аллотропная модификация углерода, представляющая собой полую цилиндрическую структуру диаметром от десятых долей до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров. Трубка состоит из одной или нескольких свернутых графеновых плоскостей.

Идея Джека заключалась в том, что если антитела, заранее прикрепленные к нанотрубкам, вступят во взаимодействие с мезотелином, вес нанотрубок изменится и это, в свою очередь, повлияет на их электропроводность. Изменения можно зафиксировать, измерив электрический потенциал полоски. Сами полоски были созданы с помощью простой бумаги для проведения диабетических тестов.

Разработка прототипа потребовала от Джека нескольких месяцев кропотливой работы. Наконец прототип успешно зафиксировал изменение уровня мезотелина в контрольных образцах мышей с опухолями. Джек утверждает, что его метод более чем в сто раз быстрее современных аналогов и в десятки тысяч раз дешевле (бумажный тестер при массовом изготовлении стоит не дороже трех центов).

В 2012 году на выставке Intel International Science and Engineering Fair Джек со своей разработкой занял первое место и выиграл грант в 75 000 долларов. Победа привлекла к нему внимание прессы, в том числе Forbes, после чего Джек принял участие в нескольких телепередачах, получил награду «Борец за изменения» Белого дома США и стал гостем Мишель Обамы во время ежегодного послания президента Конгрессу США. Несколько раз Джек выступал с лекциями на TED-конференциях, и они собрали более миллиона просмотров.

Стоит заметить, однако, что до внедрения нового теста в производство еще далеко — работы Джека не опубликованы и не запатентованы, а научное сообщество считает, что во многих аспектах его разработка не доведена до конца. Так, тест не проверялся на человеческих образцах; неясно, насколько хорош мезотелин в качестве абсолютного маркера рака (скажем, он также может наблюдаться и у людей с воспалением поджелудочной железы); к цифрам, отражающим преимущества теста по чувствительности и скорости, у экспертов имеется ряд вопросов.

Сам Джек согласен с критиками. Журнал Forbes приводит его слова: «Проект многообещающий, но он находится на предварительной стадии и вовсе не является столь совершенным, как рассказано во многих СМИ. Оглядываясь назад, я понимаю, что это был лишь проект для школьного конкурса и эксперимент, который доказывал обоснованность концепции. Поначалу я думал, что готовый продукт можно вывести на рынок за 1-2 года, но я за последнее время очень многое узнал и понимаю теперь, что на это уйдет гораздо больше времени».

Случайные открытия

Иногда дети совершают важный вклад в науку совершенно случайно. Так, в 2014 году десятилетний Ноа Кордл играл на одном из пляжей штата Нью-Джерси и случайно обнаружил древний наконечник стрелы. Археологическое сообщество Нью-Джерси заинтересовалось находкой и установило, что наконечником пользовались палеоиндейцы (условное наименование первых людей, заселивших Американский континент в конце последнего ледникового периода), что ему от восьми до одиннадцати тысяч лет и что он сделан из яшмы, почерневшей со временем от отсутствия кислорода в толще песка.

В 2004 году семилетний Диего Суарез из Чили к своей огромной радости (мальчик был большим поклонником палеонтологии) случайно наткнулся на две небольших кости, принадлежавших, как оказалось, неизвестному ранее виду динозавров. Динозавра назвали в его честь — Chilesaurus diegosuarezi.

Останки динозавра нашел в Техасе в 2015 году и пятилетний мальчик по имени Вайли Брис, любивший играть в «палеонтологические» раскопки вместе с отцом. В тот раз игра закончилась настоящим открытием — Диего обнаружил кости возрастом 100 миллионов лет. По-видимому, они принадлежали нодозавру — небольшому наземному динозавру величиной с пони.

В 2016 году семилетний израильтянин Ори Гринхут обнаружил в районе археологических раскопок на месте древнего города Рехов глиняную статуэтку женщины. Возраст статуэтки оценили в 3300–3500 лет.

А в октябре 2018 года восьмилетняя Сага Ванецек достала из шведского озера Видостерн 85-сантиметровый меч — оружие довикингской эпохи (V–VI веков нашей эры). Археологи исследовали дно озера и обнаружили еще несколько артефактов, в том числе металлическую застежку для одежды, предположительно изготовленную в III–IV веках нашей эры.