Самые важные события 2021 года в науке

Миссии на Марс, успехи термоядерного реактора и революция в 3D-моделировании белков.

Подводить научные итоги всегда сложно. Одни открытия принесут пользу только через несколько десятков лет, другие заводят исследователей в тупик. К тому же большинство громких достижений — например, успехи в генетическом редактировании или термоядерной энергетике — лишь промежуточные этапы многолетних проектов.

Но 2021 год всё равно получился богатым на значимые открытия. В центре внимания ожидаемо оказалось изучение космоса, но и в других сферах совершили несколько прорывов и революций.

Вспоминаем, чем жило научное сообщество последние двенадцать месяцев. Дополняйте список другими примерами в комментариях!

Что произошло: посадочный модуль программы Perseverance приземлился в кратере Езеро. Новый аппарат NASA заменит Curiosity, который находится на Марсе в пять раз дольше, чем планировалось, но всё ещё работает.

Основное отличие Perseverance от предшественника — наличие бура для добычи марсианской породы. Ровер соберёт и подготовит к отправке на Землю несколько сотен образцов почвы, которые позже заберёт предстоящая международная миссия.

Вторая важная особенность нового марсохода — встроенный модуль вертолёта Ingenuity, который помогает исследователям изучать местность. Ingenuity проводит обзорный полёт на пути ровера, определяя безопасный маршрут или выискивая предполагаемые следы воды. Дрон уже совершил около дюжины полётов общей дальностью до трёх километров.

Perseverance — пятый успешно развёрнутый на Марсе ровер NASA и шестой в целом, если учесть китайский «Чжужун», приземлившийся в мае 2021-го.

Почему это важно: Perseverance, как надеются учёные, поможет нам больше узнать об истории Марса. Современный бур позволит марсоходу собрать и подготовить более глубокие и качественные образцы породы, а изучат их не с помощью полевых датчиков ровера, а в лабораториях Земли. Поэтому по завершении миссии мы намного лучше поймём, что случилось с водой на Марсе и была ли на нём когда-то органическая жизнь.

Нужно отметить, что это не единственная миссия по изучению Марса в 2021 году. 9 февраля на орбиту прибыл аппарат ОАЭ, а в мае на саму планету высадился уже упомянутый ровер «Чжужун».

С вертолётом Ingenuity тоже связано важное открытие: его запуск подтвердил, что марсианская атмосфера достаточно плотная для полётов винтокрылого транспорта. Это открывает дорогу развитию аэроплавания на Марсе.

Что произошло: ещё в 2018 году NASA запустило миссию зонда «Паркер», который должен изучить активность Солнца, с каждым витком орбиты подходя всё ближе к поверхности звезды. В 2021 году зонду впервые удалось войти в её корону на расстоянии десяти миллионов километров над поверхностью Солнца — гораздо ближе, чем любой другой аппарат в истории.

Так зонд опустился ниже альфвеновских волн — магнитных полей Солнца, которые удерживают частицы и формируют солнечный ветер.

Почему это важно: благодаря «Паркеру» учёные впервые получили настоящую карту магнитных полей Солнца, что позволило подтвердить гипотезу о влиянии магнитосферы звезды на возникновение солнечного ветра.

Исследователи предполагают, что магнитные поля Солнца удерживают большую часть исходящего солнечного ветра, а вспышки возможны только в особых местах. Благодаря записям, сделанным «Паркером», можно сравнить теоретические модели с реальными картами магнитных полей.

В перспективе благодаря этому мы лучше поймём, почему возникают солнечные вспышки. Это поможет улучшить защиту спутниковой связи и GPS, а также предсказывать различные солнечные катаклизмы.

Что произошло: зонд InSight, запущенный в 2018 году, передал убедительные записи «марсотрясений». Встроенный бортовой сейсмограф смог отследить несколько волн подземной активности на протяжении второй половины 2021 года.

Почему это важно: NASA ещё анализирует результаты, но уже сейчас понятно, что ядро Марса гораздо активнее, чем считалось раньше.

До этого было известно, что литосфера у планеты ощутимо толще, чем у Земли. Из-за этого на Марсе практически нет движения тектонических плит и, следовательно, сейсмической активности. Но ядро Марса оказалось более жидким и активным, а марсотрясения — более сильными, чем предсказывали теории. Данные InSight вместе с открытием залежей воды на Марсе заставляют учёных пересмотреть свои представления об истории и эволюции планеты.

Что произошло: NASA запустило космический телескоп «Джеймс Уэбб» — свою самую амбициозную программу последних лет.

Аппарат, запуск которого готовили с 1996 года, должен изучать экзопланеты, другие солнечные системы и прошлое вселенной вместо «Хаббла». Последний проработал больше тридцати лет и добыл ценнейшую информацию о Большом взрыве и формировании вселенной, но его датчики уже устарели, а сам телескоп начал часто ломаться.

В декабре 2021 года «Джеймса Уэбба» запустили на околоземную орбиту, с которой он отправился в точку Лагранжа L2 между Землёй, Луной и Солнцем. Там он будет на стабильной орбите, которая примерно в четыре раза дальше от Земли, чем от Луны.

Почему это важно: «Джеймс Уэбб» оборудован зеркалами, настроенными на инфракрасное излучение. Они нужны для изучения объектов, возникших на самой заре Вселенной. Свет от них шёл к Земле тринадцать миллиардов лет.

Почему именно инфракрасное излучение? Вселенная постоянно расширяется, поэтому на объекты, которые будет изучать телескоп, действует эффект красного смещения. Если вкратце: чем сильнее объект удаляется от наблюдателя, тем больше становится длина волны. Поэтому сначала все цвета далёких объектов смещаются в красный спектр, а потом и вовсе переходят в инфракрасный диапазон, становясь невидимыми для невооружённого глаза.

«Джеймс Уэбб» должен изучить так называемые тёмные века — период с 300 тысяч до 300 миллионов лет с момента Большого взрыва. Первые звёзды и галактики сформировались именно тогда. Учитывая, что жизнь на Земле возникла из пыли звёзд первого поколения, их изучение поможет пролить свет на тайны биологии и биохимии. Ещё «Джеймс Уэбб» детально изучит следы органических соединений в атмосфере экзопланет, что поможет понять, на какой из них возможна внеземная жизнь.

Что открыли: мюоны — большие, нестабильные, электроноподобные частицы — оказались более магнитными, чем предсказывалось.

Мюоны — одни из элементарных частиц, которые описывает доминирующая в физике теория Стандартная модель. Ранее она точно предсказывала поведение частиц, но в этом году после многочисленных расчётов Национальная лаборатория ускорителя имени Ферми опубликовала исследование, в котором подтвердилось расхождение результатов с теорией.

Почему это важно: впервые за пятьдесят лет существования Стандартной модели мы можем усомниться в её подлинности.

В тридцатых годах ХХ века физики обнаружили странные частицы, которые имели заряд как у электрона, но при этом отклонялись в поле иначе. По расчётам, они должны были быть тяжелее электрона, но легче протона. Эти частицы назвали мюонами.

Позже в ходе многочисленных экспериментов учёные открыли и другие элементарные частицы. Некоторые оказались строительными блоками ядер атомов, некоторые — носителями полей взаимодействия. В итоге физики попытались объединить теории электромагнитного, слабого и сильного взаимодействия в одну концепцию. Так и возникла Стандартная модель — группа теорий, которая описывает существующие и гипотетические частицы и их взаимодействие.

Теория успешно предсказала открытие t-кварка, b-кварка и тау-нейтрино. Она до сих пор убедительнее и точнее всего описывает нашу реальность. Но если наблюдения учёных подтвердятся в ходе других экспериментов, мы получим первое весомое опровержение Стандартной модели за всё время её существования.

Что произошло: китайский экспериментальный реактор термоядерного синтеза Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) удержал нагретую плазму дольше 17 минут при температуре 70 миллионов градусов.

Первый рекорд реактор поставил в мае: он удерживал плазму при температуре 120 миллионов градусов около двух с половиной минут. Изначально мы собирались написать именно об этом, но под Новый год агентство опубликовало ещё более впечатляющие результаты.

Почему это важно: термоядерный реактор — гипотетически чистый и эффективный источник энергии, который позволит создавать электричество в ходе реакции ядерного синтеза, без радиоактивных отходов.

Термоядерная реакция требует особых условий, в первую очередь высокого давления и температуры. Вещество при таком раскладе пребывает в состоянии ионизированной плазмы. В природе это происходит в ядре звёзд: например, в центре Солнца термоядерная реакция идёт при температуре 15 миллионов градусов по Цельсию. Но на Земле давление, сопоставимое со звёздным, создать невозможно, поэтому его недостаток компенсируют более высокой температурой.

Китайским учёным наконец удалось относительно надолго удержать плазму, разогретую до уровня, достаточного для термоядерного синтеза. Инженеры EAST уверены, что в течение года смогут выйти на стабильную длительную термоядерную реакцию.

Разогревать плазму можно несколькими технологиями, но в любом случае это очень энергозатратный процесс. Много энергии потребляют магниты, которые удерживают разогретую плазму в ловушке, не позволяя ей прикоснуться к стенкам камеры. К тому же вся конструкция требует дополнительного охлаждения. Только в этом году другие лаборатории сообщили, что в испытаниях удалось выработать больше электроэнергии, чем потребить.

Экспериментальные термоядерные токамаки существуют ещё с 1950-х годов, но исследования начали приносить практически значимые результаты только сейчас. Когда запустят первый коммерческий термоядерный реактор, предсказать пока сложно.

Что произошло: компания Neuralink, разработчик внутричерепных имплантов и нейроинтерфейсов, показала видео, в котором обезьяна играет в пинг-понг силой мысли.

Учёные вживили подопытным животным специальные электроды, а потом на протяжении шести недель изучали, какие зоны мозга активируются при игре адаптированными геймпадами. Затем у обезьян забрали устройства ввода, и они смогли играть «силой мысли»: датчик считывал сами намерения животных и приводил игру в движение.

Почему это важно: подобные технологии помогут улучшить качество жизни больных, страдающих нарушениями двигательной функции. Разработка началась давно, ещё до того, как Илон Маск основал компанию Neuralink в 2016 году.

Собственное исследование Neuralink идёт быстрыми темпами. В перспективе с помощью технологии можно будет излечить травму позвоночника, при которой нарушается связь между головным мозгом и конечностям. Уже в 2022 году компания собирается получить разрешение Федерального агентства продуктов и лекарств США для клинических испытаний на людях.

Что произошло: компания Intellia Therapeutics of Cambridge опубликовала результаты клинического исследования, в котором применили технологию редактирования генов CRISPR Cas-9 для лечения врождённого заболевания.

Лечили редкую генетическую патологию транстиретиновый амилоидоз: она приводит к накоплению в тканях организма патологического белка, что поражает целые системы органов. Течение болезни удалось улучшить благодаря технологии генетического редактирования, созданной на основе иммунной защиты отдельных бактерий.

Работает это так. Археи и некоторые виды бактерий используют цикл химических реакций Cas-9 для выявления и уничтожения вредоносных генов, например тех, которые приносят вирусы-бактериофаги. Особые защитные механизмы помогают находить и вырезать патологический участок генетического кода.

Учёные нашли способ использовать этот механизм для лечения наследственных заболеваний. В проведённом исследовании накопление патологического белка удалось снизить на 87%. Прогрессирование заболевания ощутимо замедлилось, а нагрузка на организм снизилась.

Почему это важно: технология CRISPR существует уже давно, но большинство исследований проходит на этапе лабораторных испытаний — в пробирке или на животных. Только в этом году впервые в истории удалось получить положительный результат в лечении настоящих пациентов.

CRISPR, как предполагают учёные, имеет широчайшую область применения: с её помощью можно будет лечить вирусные, онкологические, наследственные заболевания и даже генетически редактировать человеческие эмбрионы, предотвращая наследственные заболевания ещё до рождения.

Что произошло: мРНК-вакцина от ВИЧ компании Moderna успешно прошла испытания на животных.

мРНК-вакцины — сравнительно новый вид иммунопрофилактики. Идея создать подобную вакцину существовала уже около двадцати лет, но впервые её использовали для лечения людей в 2020 году — для профилактики Сovid-19.

Работает это так. Сперва мРНК, кодирующая определённый белок, попадает в клетку и запускает его синтез. Затем соответствующий белок транспортируется на поверхность клетки, где его замечает иммунная система. К этому белку вырабатываются антитела. Когда вирус, тоже покрытый этим белком, попадёт в организм, у человека уже будет высокий уровень антител, которые сразу нейтрализуют инфекцию. При этом сам по себе капсульный белок не несёт опасности для организма.

До этого с помощью вакцины успешно обеспечивали иммунную реакцию на «спайк-белок» коронавируса, а новая вакцина Moderna вызывает иммунитет к капсульным белкам вируса иммунодефицита.

Почему это важно: в ходе клинических испытаний у обезьян возник стойкий иммунитет к вирусу иммунодефицита шимпанзе — предку ВИЧ. У большинства испытуемых после прививки выявили достаточно высокий уровень антител.

Пока компания только просит разрешение для клинических испытаний на людях, но уже можно отметить, что новый подход к использованию мРНК безопаснее введения изменённого вируса в предыдущих видах вакцин. У подопытных животных он почти не вызывает аллергических реакций и нежелательных эффектов.

Что произошло: команда из Гарвардского университета научила ксеноботов создавать себе подобных.

Ксеноботы — это сильно изменённые стволовые клетки, которые можно адаптировать для выполнения конкретных задач. Например, для нейтрализации раковых клеток или доставки лекарства к органу-мишени. Год назад учёные представили ксеноботов, созданных из модифицированных тканей лягушки, а сейчас их научили выполнять примитивные задачи — собираться в группы и образовывать треугольник или круг.

Программируют ксеноботов с помощью ИИ. Он просчитывает, какой структурой и свойствами им нужно обладать для решения конкретной задачи, а затем помогает запрограммировать это в их генетическом коде.

Почему это важно: в первую очередь ксеноботы нужны для задач, которые сложно выполнить традиционными инструментами. Среди них — поиск и нейтрализация ядовитых или радиоактивных веществ, переработка микропластика в океане. Но, несмотря на большой прогресс в исследовании, до практических результатов ещё далеко.

Что именно открыли: компания Deepmind опубликовала исследование, согласно которому ИИ AlphaFold научился предсказывать 3D-структуру более чем 350 тысяч белков человеческого организма.

Дочерняя компания Google специализируется на исследовании искусственного интеллекта и нейросетей. Её ИИ прославился достижениями в играх, в частности победой программы AlphaGo в игре го над мировым чемпионом Ли Седолем. Компания ищет применение системы и в других сферах.

Почему это важно: раньше 3D-моделирование белков было длительным и ресурсозатратным процессом, но нейросеть AlphaFold позволяет значительно повысить точность и скорость исследований. Это важно, поскольку именно трёхмерная форма белка определяет его функции и взаимодействие с другими молекулами.

Все белки состоят из последовательности аминокислот, но чтобы точно предсказать поведение молекулы, знать её химический состав недостаточно. Учёные уже больше полувека пытаются понять, как на основе химической формулы белка можно смоделировать его 3D-модель и свойства.

Нейросеть сильно упрощает этот процесс: она позволяет быстро и эффективно исследовать белок, не прибегая к допущениям или условностям. Это ускорит исследование фармакодинамики лекарственных препаратов, расчёты взаимодействия молекул с тканями организма и другими соединениями, а также синтез искусственных белков.

Словом, AlphaFold совершила революцию в биохимии и фармацевтике, за что много научных изданий назвали предсказание 3D-структуры белка достижением года.

2022-й обещает быть ещё богаче на открытия и достижения. Ждём подготовку к лунной миссии, клинические испытания Neuralink, запуск Большого адронного коллайдера после длительного ремонта, успехи мРНК-вакцины, новые рекорды термоядерного реактора и другие события.

#итоги2021