Цивилизация
Прорывом года по версии журнала Science названо обнаружение международной коллаборацией LIGO гравитационных волн. Традиционно в последних числах декабря авторитетный научный журнал подводит итоги, называя самые выдающиеся открытия уходящего года.
Обнаружение ряби пространства-времени, о котором с помпой было объявлено в феврале этого года, шокировало научный мир. Своим открытием ученые доказали правильность предсказания, сделанного Альбертом Эйнштейном век назад, и впервые достигли успеха в экспериментах в поисках, ведущихся четыре десятилетия.
Однако открытие гравволн не ставит точку в этом направлении исследований, а, напротив, открывает перед учеными совершенно новую область науки — гравитационно-волновую астрономию.
В 1915 году Эйнштейн предположил, что двигающаяся с ускорением огромная масса должна распространять в пространстве дрожь пространства-времени со скоростью света.
Сам ученый много лет сомневался в принципиальной возможности экспериментально обнаружить такие волны в земных условиях. Если и возможно их зафиксировать, то от пары вращающихся звезд, считал он. Однако уже к концу 1960-х годов астрономы знали о существовании во Вселенной более плотных форм материи — нейтронных звезд — и стали догадываться о наличии черных дыр. Сливаясь вместе, подобные объекты теоретически могли произвести значительные колебания пространства.
Схему лазерного интерферометра с L-образными плечами, способного поймать такие волны на Земле, предложил еще в 1972 году Райнер Вайсс, физик из Массачусетского университета. Каждый интерферометр LIGO имеет два четырехметровых плеча с зеркалами в конце, между которыми бегает луч лазера. Измеряя расстояние между зеркалами с точностью 1/10 000 размера протона, ученые могут отследить гравитационную волну, прошедшую через установку и изменившую ее геометрию.
Именно так и была обнаружена первая рябь, дошедшая до Земли от слияния двух черных дыр с расстояния 1,3 млрд световых лет.
Второй всплеск был получен позднее, кроме того, физики говорят о третьем всплеске, с меньшей достоверностью. Интерферометр уже возобновил работу в ноябре, и в скором времени инструмент сможет фиксировать слияния черных дыр чуть ли не ежедневно. К тому же на подходе новые инструменты — Virgo в Италии, Kamioka в Японии, — ввод в строй которых позволит указывать источники на небе и наводить на них другие телескопы.
В будущем, если хватит денег, физики надеются запустить в космос другой амбициозный проект — LISA, интерферометр, способный ловить гравитационные волны с длиной от миллионов до миллиардов километров.
Экзопланета по соседству
Вторым наиболее важным по значимости событием этого года тоже стало астрономическое открытие. По сути, ничего нового, всего лишь очередная открытая экзопланета. Правда, на этот раз ее хозяйкой оказалась ближайшая к Солнцу звезда Проксима Центавра, находящаяся от нас «всего» в четырех световых годах.
Найти ее смогли ученые спектроскопическим методом, оценивая, как в такт вращению планеты колеблется сама звезда. О самой планете известно пока мало: период 11,2 суток, масса 1,3 земных и довольно близкая орбита. Впрочем, это не означает, что поверхность планеты раскалена и непригодна для возможной жизни.
Учитывая класс звезды, астрономы предполагают, что планета может быть достаточно холодной, чтобы иметь жидкую воду, а значит, возможно, какие-то формы жизни.
Искусственный интеллект обыграл чемпиона
Искусственный интеллект AlphaGo обыграл в го, логическую настольную игру, трехкратного чемпиона Европы Фань Хуэя. AlphaGo победил в пяти играх из пяти. Это не первый случай, когда машина превзошла человека: в 1996 году шахматный суперкомпьютер Deep Blue выиграл матч из шести партий у чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова (признан в РФ иностранным агентом). По правилам го один игрок получает черные камни, другой — белые. Цель каждого — отгородить камнями на игровой доске территорию большую, чем у противника.
Один из факторов, осложняющих возможную победу ИИ, — количество возможных комбинаций, превышающее число атомов во Вселенной, что не дает просчитать наперед все возможные варианты.
Поэтому в AlphaGo, в отличие от Deep Blue, был использован не алгоритм, а нейронные сети, которые позволили системе обучаться.
Мыши-долгожители
Ученым удалось продлить жизнь мышам. Очищение организма грызунов от изношенных клеток позволило им прожить на 20% больше контрольной группы. Их память и координация со временем также ухудшались, но они были более здоровыми, их сердце и почки работали лучше. Спустя несколько месяцев исследователям удалось избавиться от клеток, собирающихся в бляшки в артериях и тем самым затрудняющих кровоток.
Удаление этих клеток позволило уменьшить на 60% количество бляшек у мышей, склонных к атеросклерозу и питавшихся при этом жирной пищей.
В экспериментах использовались генетически модифицированные мыши, процесс гибели клеток которых можно было запускать с помощью специальных препаратов. Ученые уже разработали препараты аналогичного действия для людей — сенолитики, способные избирательно инициировать гибель постаревших клеток.
Обезьяны, которые читают мысли
Обезьяны продемонстрировали способность понимать, о чем думают другие. Теория разума подразумевает понимание переживаний окружающих и способность объяснять и прогнозировать их поведение. В экспериментах шимпанзе, бонобо и орангутаны смотрели видео, где человек в костюме Кинг-Конга разыгрывал другого человека, а ученые тем временем записывали движения их глаз. На видео Кинг-Конг прятал в стоге сена похожий на камень предмет или прятался сам. Когда второй участник видео уходил, Кинг-Конг мог перепрятаться или перепрятать предмет.
Вернувшийся человек не знал, изменилось ли что-то, но это знали подопытные обезьяны. Выяснилось, что они смотрели туда, где человек в последний раз видел Кинг-Конга или камень, а не туда, где те находились на самом деле.
Обезьяны верно определяли наличие у человека ложных убеждений и ждали, что он двинется в неправильном направлении.
Белки, созданные с нуля
Ученым удалось с нуля спроектировать белки. Написать любой нужный код ДНК достаточно просто, но раньше ученые не знали, как свернутся цепочки аминокислот, закодированных этими ДНК. Это было проблемой, потому что форма белка определяет его функцию.
На помощь пришла биоинформатика, методы которой позволили точно спроектировать сворачивание белков.
Благодаря этому прорыву только в 2016 году группы ученых смогли разработать универсальную вакцину от всех штаммов гриппа, создать белки, самоорганизующиеся в полые клетки, которые можно заполнить лекарством или фрагментами ДНК для лечения различных заболеваний, и разобраться, как сворачивается РНК, что также открывает новые возможности для исследований.
Мыши из пробирки
Исследователи создали мышиные яйцеклетки. Первые наработки в этой области появились еще в 2012 году, когда ученым удалось получить из эмбриональных стволовых клеток примордиальные, которые в будущем способны развиться в сперматозоиды или яйцеклетки. Для выращивания яйцеклеток примордиальные клетки необходимо было имплантировать в яичники мышей. В этом году ученым удалось вырастить яйцеклетки в лаборатории, использовав среду для культивирования с добавленными в нее клетками, выделенными из яичников мышиных эмбрионов. Когда яйцеклетки созрели, ученые оплодотворили их и имплантировали самкам.
Только 3% эмбрионов в итоге выжили, но из них выросли полностью здоровые, фертильные мыши.
Развитие технологии позволит создать новые возможности для искусственного оплодотворения.
Геномный анализ миграций человека
2016 год стал годом бума генетических исследований. Геномный анализ помог установить, что большинство людей, живущих за пределами Африки, произошло от гоминид, обосновавшихся в этих местах лишь в ходе одной из волн миграции — все данные более ранних миграций оказались «затерты» последней. Ученые исследовали сотни геномов людей со всех уголков мира, отслеживая, как разветвлялись популяции. Австралия, как выяснилось в одном из исследований, заселялась всего один раз, причем генетические линии предков местных жителей, как и европейцев, отделились от африканцев около 70 тыс. лет назад.
Еще одно исследование показало, что около 2% генома жителей Папуа — Новой Гвинеи принадлежит ранее неизвестному виду гоминид.
Секвенатор генома в кармане
Секвенирование генома, возможно, станет повсеместно используемым в биологии инструментом благодаря созданному в этом году портативному устройству. Оно использует метод нанопорового секвенирования, который позволяет определять последовательности молекул ДНК и РНК при помощи белковых или твердотельных пор диаметром в несколько нанометров. Использование подобных устройств обходится недорого и позволяет в теории работать с неограниченными по длине цепочками ДНК.
Расшифровка генома занимает всего несколько часов, что делает устройство незаменимым, например, при необходимости срочной постановки диагноза и вспышках заболеваний. Первые наработки в этой области появились еще в 1996 году, но активно использоваться метод начал только сейчас.
На данный момент более 30 научных работ выполнены с помощью нанопорового секвенирования.
Ученым удалось секвенировать геномы многих вирусов, микробов кишечника и даже человека. Методом воспользовались даже космонавты на МКС, секвенировав геномы почвенных бактерий.
Металинзы
Линзы из метаматериалов догнали по качеству традиционную оптику. Метаматериалы состоят из массивов крошечных элементов, с помощью которых работают с проходящими через линзу световыми волнами. Ранее разработчикам удавалось с их помощью создать линзы, работающие с инфракрасными и другими волнами, теперь же они добрались и до видимого излучения.
Линзы, созданные в этом году, состоят из вертикальных пластинок высотой 600 нанометров, выполненных из оксида титана.
Пластинки расположены под углом друг к другу. Линзы прозрачны и позволяют увеличивать изображение до 170 раз. С их помощью оказалось возможно создавать голограммы и проводить детальную спектроскопию. В будущем, возможно, они будут использоваться в смартфонах, а также в системах виртуальной реальности.
Прогнозы на 2017 год
Помимо списка десяти важнейших открытий года редакция Science назвала четыре научные темы, за которыми стоит следить в предстоящем году. По мнению редакторов, важные события могут случиться после избрания в США Дональда Трампа, обещавшего пересмотреть подходы в отношении глобального потепления, и голосования, на котором британцы изъявили желание выйти из Европейского союза.
В этом году ученым удалось поддерживать жизнеспособность человеческого эмбриона в лабораторных условиях в течение двух недель, что соответствует принятым в медицине этическим нормам. С развитием технологий в научном мире возможно ожидать пересмотра норм медицинской этики в этом вопросе.
Успехи в экспериментах над животными, полученные в этом году, позволяют надеяться на получение действенной вакцины от вируса Зика в 2017 году. Предсказание в начале 2016 года девятой планеты на задворках Солнечной системы и масштабный поиск, начатый несколькими научными группами, позволяет надеяться на ее обнаружение наблюдательными средствами в ближайшем будущем.