Научный двадцать второй: десятка прорывов года по версии журнала Science

«Золотой глаз» обещает прорыв в космосе

NASA совместно с европейским и канадским космическими агентствами строили JWST более 20 лет. Общая стоимость миссии сегодня оценивается в 10 миллиардов долларов. Инженеры, работавшие над запуском телескопа, насчитали 344 «критических шага», каждый из которых мог бы привести к провалу миссии. В то же время, например, миссия едва не закрылась из-за дороговизны и сложности решений в 2011 году, когда Конгресс США пригрозил проекту отменой. К счастью, тогда астрономам удалось пролоббировать проект.

Главное преимущество космических телескопов перед наземными в том, что им не мешает земная атмосфера. Из-за нее звезды мерцают, а молекулы газа полностью блокируют многие волны, включая большую часть инфракрасного диапазона. Hubble уже показал, насколько мощным и полезным может быть космический телескоп. «Его данные легли в основу для более 22 тысяч научных публикаций», — отмечает журнал Science.

JWST снимает космос в инфракрасном свете, и его снимки гораздо более четкие, детализированные, чем у Hubble. В этом диапазоне — длинных волн — можно увидеть гораздо более далекие и древние объекты Вселенной. Для своих задач инженеры и астрономы спроектировали телескоп с огромным зеркалом. Диаметр JWST — 6,5 метров. Это почти в три раза больше ширины зеркала Hubble.

Такой телескоп слишком велик, чтобы влезть в ракету. Поэтому инженерам нужно было придумать, как сложить JWST для транспортировки. Другая проблема — собственное тепловое излучение от механизма телескопа: оно могло бы испортить инфракрасные наблюдения. Инженеры разработали раскладывающийся многослойный солнцезащитный козырек — размером с теннисный корт — для поддержания температуры в –233 °C, а также дополнительный криоохладитель, чтобы остужать до –266 °C один из приборов. Само зеркало телескопа сделано из бериллия, а не из обычного стекла. Так оно меньше весит и лучше работает на сильном морозе.

Что примечательно — телескоп запустили не 2022 году, а 25 декабря 2021 года. В январе 2022 года JWST вышел на орбиту — его местом назначения была вторая точка Лагранжа (L₂). 11 февраля от него пришли первые технические снимки: изображение солнцеподобной звезды HD 84406 и снимок главного зеркала. Первые научные снимки были опубликованы 11–12 июля 2022 года. С тех пор ученые регулярно находили новые галактики, более удаленные, чем какие-либо ранее задокументированные, и получали новые детализированные данные о процессах в дальнем космосе. Например, одно из первых изображений JWST «Космические скалы», кроме ультрафиолетовой энергии звезд в скоплении, в итоге показало ученым «24 ранее неизвестных выбросов вещества» от горячих молодых звезд.

James Webb должен продержаться на своей точке до 2040-х годов. Возможно, после тех данных, которые принесет JWST, «теоретикам придется переписать некоторые свои суждения о ранней истории Вселенной», — пишет журнал Science. Телескоп снимает и уже известные объекты, и неизученные части Вселенной в прежде недоступной части спектра.

Runners-up: многолетний рис против глобальной проблемы голода

По данным ООН, только в 2021 году число голодающих людей в мире достигло 828 млн. Это примерно на 46 млн больше, чем в 2020 году, и на 150 млн больше, чем до начала пандемии. Процент страдающих от голода растет и в связи со всеми кризисами 2022 года. Пшеница, кукуруза и рис — основные продовольственные культуры мира. Их сажают и убирают каждый год заново. Это затратно: сколько только рабочих рук и техники нужно, чтобы засеять и убрать поле, не считая удобрений и других химикатов. Это и экологическая проблема — почва под однолетними злаками склонна к эрозии.

Эксперименты с многолетними злаками — не новость для 2022 года. PR23, сорт многолетнего риса, выведен еще 20 лет назад: тогда коммерческий однолетний азиатский сорт риса скрестили с многолетним диким рисом, который растет в Африке. Два десятилетия ушло, чтобы сорт действительно стал урожайным и качественным, и только в этом году ученые из Китая опубликовали отчет об успешных результатах: с учетом сезонных условий PR23 дал столько же зерна, сколько обычный рис.

Ученые показывают: работа шла с родительскими сортами — RD23, однолетним рисом Oryza sativa, и многолетним африканским O. longistaminata. Из них вывели многолетний сорт PR23: на фотографиях c и d новые побеги и срезанные коричневые побеги из прошлого сезона. e — зрелый рис в первый год, f — после первой зимы, g — отросший рис на второй год, h — зрелый рис на второй год.

Так, в первый год посадка и выращивание и однолетних сортов, и PR23 обходятся примерно одинаково. Экономическая выгода проявляется на второй год: без этапа посадки риса — изнурительных работ, которыми в Азии традиционно занимаются женщины и дети — время работ сократились на 77 дней на человека, а финансовые затраты — вдвое.

Эксперты отмечают, что, хотя такой многолетний рис экономит человеческий труд и деньги, а количество питательных веществ в почве только увеличивается, выращивание многолетнего риса сопряжено с новыми рисками. Например, на пятый год урожайность упала настолько, что потребовалась пересадка. Все еще необходимо вывести сорт, который будет адаптирован к более сухим и менее плодородным почвам.

Есть беспокойство и о долгосрочных последствиях. Сорняки и патогенные микроорганизмы будут накапливаться на непаханых полях под многолетними растениями. Тогда потребуется больше гербицидов, чем обычному однолетнему рису. Но по мере распространения многолетнего сорта — его пробуют уже в 17 странах Африки и Азии — «накапливается импульс»: многие детские болезни сорта могут быть вылечены, отмечают эксперты.

Кого еще робот оставит без работы

Искусственный интеллект уже занимает области, которые считаются подвластными исключительно человеческому разуму. Самовыражение через искусство и научные открытия — робот сделает все за вас. «Поначалу вторжение машин было медленным, но в этом году оно превратилось просто в захват территорий», — передает журнал Science.

Весной 2022 года у OpenAI вышло обновление — DALL·E 2. Разработчики реализовали диффузионный метод машинного обучения, когда изображения возникают из текстового описания. Художник Джейсон Аллен, воспользовавшись нейросетью, выиграл один из конкурсов изобразительного искусства.

Meta (запрещена в РФ), Google и некоторые другие разработчики выпускали диффузионные модели, которые могут создавать даже видеоролики. Компания DeepMind тем временем анонсировала инструмент AlphaTensor, который сам разрабатывает более эффективные алгоритмы для умножения блоков чисел, матриц. Это полезно для компьютерной графики, физического моделирования — и самого машинного обучения. AlphaTensor уже «нашел короткие пути, которые математики-люди упускали из виду на протяжении десятилетий», — отмечает Science. Кроме того, компания представила AlphaCode, инструмент, который может упростить работу программистов.

Кроме философии (и того, что робот однажды оставит меня без работы), к использованию ИИ возникает все больше практических вопросов. Например, нейросети-художники и программисты «будут увековечивать стереотипы, распространять дезинформацию, ликвидировать рабочие места и нарушать авторские права», — считают эксперты журнала Science.

Проблема авторских прав уже возникла: сейчас в соцсетях прокатывается флешмоб художников против использования «человеческого» контента в машинном обучении. «Протестующие» указывают на то, что в машинном обучении не учитываются авторские права: естественные на факт принадлежности образа конкретному человеку-создателю и «коммерческие» в течение жизни и 70 лет после его смерти. Проблема ИИ, например, слабо отражена в сводах законов стран, и существует дискуссия, чем в итоге будет нейросеть — «ткацким станком», исключительно инструментом для творчества, или условно самостоятельной единицей.

Микроб, разрушающий стереотипы

Представление о бактериях перевернуто: _Thiomargarita magnifica _размерами похожа на булавку. Она в 5 тысяч раз больше многих бактериальных клеток. А бактерии «должны быть маленькими» — у них нет внутренних транспортных систем, которые есть в других клетках.

Бактерии зависят от диффузии для перемещения питательных веществ и отходов. Считалось, что рассеивающиеся молекулы не могут перемещаться очень далеко. По старым представлениям, это «ограничивает размеры» бактерии. Да и вообще — в учебниках говорится, что бактерии не имеют внутренних отсеков, но у Thiomargarita magnifica их несколько, сообщили исследователи в феврале 2022 года.

Одиночные нитевидные клетки были обнаружены на поверхности палых листьев в мангровом болоте на Французских Антильских островах. Среди особенностей бактерии-великанши, например, то, что ее ДНК отделена от остального содержимого клетки мембраной. Бактерия разделена надвое: в одной части — ДНК и рибосомы, а в другая — это мешочек с водой, который, видимо, и «сделал микроб макробом». Он прижимает все клеточные белки и другие компоненты к внешней оболочке, переместив их в зону действия кислорода, серы и других важных веществ, диффундирующих в клетку и из нее. Производство белка происходит вблизи периферии клетки. Геном Thiomargarita magnifica очень длинный — почти 12 миллионов пар нуклеотидов (обычно у бактерий он не превышает 4 миллионов пар нуклеотидов).

Бактерия встряхнула традиционное разделение жизни на эукариот и прокариотов. Эукариоты — растения, животные и другие сложные организмы. Прокариоты — бактерии и другие одноклеточные организмы, такие простые «мешки с белками». А чудесная T. magnifica, по-видимому, является чем-то средним и, возможно, отражает переходные формы, которые жили на Земле миллиарды лет назад.

Вакцины против респираторно-синцитиального вируса

В 2022 году две вакцины против респираторно-синцитиального вируса (РСВ) прошли клинические испытания. Доказано, что они без серьезных побочных эффектов смогут защитить группы риска — младенцев и пожилых людей.

Одна из вакцин также помогает беременным на поздних сроках, чтобы они передали антитела плодам. Так, вакцина защищает новорожденных в течение еще 6 месяцев.

РСВ легкостью симптомов для взрослого здорового человека похож на простуду, но у младенцев из-за вируса могут воспаляться маленькие дыхательные пути, а у пожилых людей ухудшаются уже существующие заболевания легких и сердца.

Вакцину против РСВ разрабатывали еще в середине XX века, но исследования остановились, когда более 50 лет назад в ходе клинических испытаний экспериментального препарата погибли двое детей, а 80% тех, кто его получал, были госпитализированы. Причиной — выяснили ученые позже — стало то, что вакцина была изготовлена из химически инактивированной версии вируса, и поэтому вызывала только относительно слабые антитела. Они не просто не могли остановить вирус, но и позволили РСВ серьезно повредить дыхательные пути.

Над вакциной снова стали работать в 2013 году, когда команда Барни Грэма из Национального института аллергии и инфекционных заболеваний (США) выяснила, как закрепить вирусный белок для вакцины в его должном префузионном состоянии. А в этом году удачные испытания провели GSK и Pfizer. Также скоро появятся новые результаты от Janssen Pharmaceuticals и Bavarian Nordic, которые проводят испытания своих собственных вакцин против РСВ для пожилых людей.

Склероз из-за вируса

Вирус Эпштейна — Барр (ВЭБ) — один из самых распространенных вирусов человека. В 2022 году ученые из Гарварда доказали его связь с рассеянным склерозом, аутоиммунным заболеванием. При нем иммунная система атакует нервную, и повреждается миелиновая оболочка нейронов головного и спинного мозга.

ВЭБ попадает в организм человека и годами остается в В-клетках, разновидностях лимфоцитов. Рассеянный склероз же часто проявляется после острого заболевания инфекционным мононуклеозом, который, в свою очередь, вызывает вирус Эпштейна — Барр. А у больных склерозом в крови часто повышено количество антител к этому вирусу. Но, в то же время, рассеянный склероз не всегда следует за ВЭБ — иначе бы 95% взрослых людей страдали бы от него.

Исследователи наблюдали за военными. В работе использовались медицинские записи 10 миллионов новобранцев американской армии за 20 лет, в том числе — сохраненные образцы крови. Из 801 солдата, у которых развился рассеянный склероз, у всех, кроме одного, ранее ставился положительный результат теста на вирус Эпштейна — Барр. Среди тех, у кого изначально был отрицательный результат, последующая инфекция повысила риск рассеянного склероза в 32 раза, — это превышает пропорцию, с которой риск развития рака легких увеличивается при курении.

США приняли закон о климате

Журнал Science докладывает: «Климатические положения так называемого Закона о снижении инфляции (IRA) — это самый большой шаг, который когда-либо предпринимали Соединенные Штаты для замедления глобального потепления». Предусмотрено, что 369 миллиардов долларов в течение 10 лет будут выделены на поддержку экологически чистых источников энергии, переход на электромобили и исследования, как сократить промышленные выбросы.

«Одного IRA недостаточно для того, чтобы Соединенные Штаты выполнили свое обязательство по Парижскому соглашению 2016 года сократить выбросы на 50% к 2030 году», — отмечает половинчатость реформы редакция журнала Science. Некоторые климатические активисты также критикуют IRA за то, что закон может стимулировать, например, бурение нефтяных и газовых скважин в Мексиканском заливе.

Парижское соглашение было подписано в 2016 году в рамках Рамочной конвенции ООН об изменении климата. Его цели — удержать рост средней глобальной температуры на планете в пределах 2°C через сокращение парниковых выбросов.

Чума в наших генах

700 лет назад Черная смерть унесла жизни от трети до половины людей, живущих тогда в Европе. Она поменяла европейцев, вопрос — как именно: обнаружить наследие чумы у живых людей невозможно, потому что наши иммунные гены часто меняются в ответ на новые патогены.

Команда исследователей проанализировала древнюю ДНК из костей более чем 500 человек, похороненных до, во время и после Черной смерти в Англии и Дании. В октябре в журнале Nature ученые опубликовали результат: чума в первую очередь повлияла на иммунную систему человека. Выжившие с гораздо большей вероятностью были носителями вариантов генов, которые усиливали иммунный ответ на Yersinia pestis. Это чумная бактерия, которую переносили блохи, распространявшие заболевание. Один из обнаруженных локусов, положений гена в хромосоме, содержит ген ERAP2 — а он задействован в работе иммунной системы.

ERAP2 кодирует белок, который, как было показано, помогает иммунным клеткам распознавать угрожающие вирусы и бороться с ними. То есть это — адаптация к инфекционному заболеванию. При этом «постчумные» изменения у выживших увеличили риск развития аутоиммунных заболеваний — болезни Крона артрита или волчанки, например.

Бросить дротик в астероид

DART (Double Asteroid Redirection Test) — миссия, в которой NASA отправило в космос специальный аппарат, который должен был столкнуться с астероидом, чтобы изменить его траекторию. Этот астероид никак не угрожал Земле: цель миссии — опробовать метод контролируемого тарана. Таким способом ученые хотят защищать Землю от астероидов.

27 сентября, в 02:15 по Москве, DART врезался в 160-метровый астероид Диморфос со скоростью 6 километров в секунду, и ученые отпраздновали первое в истории успешное пробное испытание миссии «планетарной обороны».

За несколько минут до столкновения бортовые камеры DART транслировали изображения Диморфоса, целевого астероида. Через две недели после столкновения были собраны данные наблюдений: почти 12-часовая орбита астероида сократилась на 32 минуты. Эти показатели более чем в 26 раз больше, чем NASA установило в качестве цели. Единичное столкновение также дает важные данные для моделей импульса, которые они будут использоваться при разработке любых будущих миссий по отклонению астероидов.

Непросрочка

Last but not least: срок годности ДНК до 2022 года — 1 миллион лет. После — 2 миллиона. В этом году ученые извлекли из замерзшей почвы в арктической пустыне крошечные фрагменты ДНК возрастом не менее 2 миллионов лет

Фрагменты ДНК 41 образца из толстого слоя отложений в устье фьорда, показали пышный лес тополей, туй и других хвойных деревьев, черных гусей и мечехвостов, и млекопитающих — северных оленей, леммингов и мастодонтов, вымерших родственников слонов. О последних — никто не ожидал, что их ареал обитания простирался так далеко на север.

ДНК сохранялось на протяжении веков не только из-за вечной мерзлоты, но и из-за зерен кварца в глине, чья заряженная поверхность защищала генетический материал.

Результаты открывают перспективу извлекать ДНК в других высокогорных районах Арктики. Но чем дальше в прошлое углубляются палеогенетики, тем труднее идентифицировать некоторые виды — особенно те, которые принадлежат к тупиковым линиям, то есть чьи геномы, вероятно, имеют слабое сходство с современными видами.

Провал года — политика

Что расстроило редакцию журнала Science: во-первых, политика «нулевой терпимости» к ковиду, успешная только поначалу. «Жесткий карантин в Китае со временем привел к напряжению в экономике, разочарованию граждан и, возможно, принес больше вреда, чем пользы общественному здравоохранению», — указывает журнал.

Два других провала по версии журнала Science — это влияние политической ситуации на мировой энергетический рынок и эскалация напряженности в международных отношениях, что плохо отражается на сотрудничестве исследователей из разных стран: «Научные связи рушатся», — подчеркивает редакция Science. Остается лишь надеяться, что в грядущем году кризисы кончатся, и ученые снова смогут работать вместе на благо всего человечества.

_Автор: Александра Абаньков_а