Наука у 2023 році: які відкриття можуть змінити життя людства?
У 2023 році людство зробило черговий крок до світлого майбутнього. Вчені відкрили нові горизонти, які можуть змінити наше життя.
Завдяки спільній роботі дослідників з усього світу людство може назавжди забути про проблеми з ожирінням, краще зрозуміти власні гени, хвороби та досягти прориву у сфері надпровідників.
Крім того, суперкомпʼютери наблизили нас до більш точного прогнозу погоди та нових матерій, а дослідження космосу дозволять створити найдетальнішу 3D-карту, яка розповість, як розвивався Всесвіт протягом 10 мільярдів років.
ЕП пропонує згадати найбільші наукові досягнення 2023 року.
Кожного року ЕП робить підбірку новинок у сфері технологічних інновацій та підбірку наукових відкриттів.
Моделі ембріонів на основі стовбурових клітин
У червні команда вчених з Великої Британії та Сполучених Штатів заявила про створення перших у світі синтетичних людських ембріоноподібних структур із стовбурових клітин. За словами професорки біології та біологічної інженерії Каліфорнійського та Кембриджського університетів Магдалени Зернічки-Гетц, їх виростили з людських ембріональних стовбурових клітин, з яких переважно розвиваються плацента, жовтковий мішок й ембріон у тілі жінки.
Створені ембріоноподібні структури перебувають на ранніх стадіях розвитку, оскільки в них ще немає мозку чи серця. Проте вже зараз вони мають статеві клітини, які далі розвиватимуться в яйцеклітину та сперматозоїд.
Головні наукові відкриття 2021 року, що змінюють людство
"Хочу підкреслити, що це не людські ембріони, але вони дуже схожі на них. Це важливий крок на шляху до розуміння, чому так багато вагітностей зриваються, оскільки викидні трапляються приблизно в той час розвитку, на якому ми будуємо ці ембріоноподібні структури", – зазначила Магдалена.
Цінність відкриття полягає в тому, що штучно створенні модельні ембріони можуть пролити світло на "чорну скриньку" розвитку людини, – період після 14 днів від запліднення, який є етичною межею для вирощування та вивчення ембріонів у лабораторії.
Крім того, вчені сподіваються, що знання отримані з досліджень цих структур ембріоноподібні структури одного дня допоможуть розвинути розуміння генетичних захворювань або причин викиднів.
LK-99
Цьогоріч група вчених з Південної Кореї представила матеріал, який за їхніми словами, набуває надпровідних властивостей за кімнатної температури і нормального атмосферного тиску. LK-99 – це полікристалічний матеріал, який складається із свинцю, фосфору та кисню. У ньому міститься невелика кількість міді, яка, як вважається, і відповідає за його надпровідні властивості.
Виробництво цього надпровідника займає 10 годин. Його синтезують у герметичній вакуумованій колбі за температури 925 градусів Цельсія. Як і інші надпровідники, LK-99 має нульовий опір до критичної температури.
Синтез LK-99 унікальний тим, що більшість надпровідників працюють за температур, близьких до абсолютного нуля, або під надзвичайним тиском. Матеріал цього надпровідника демонструє нульовий електроопір за атмосферного тиску і за температури аж до 127 градусів Цельсію. Цей результат може стати проривом у галузі надпровідності, оскільки може призвести до створення кімнатних надпровідників.
Щодо достовірності властивостей LK-99 ще тривають дискусії, оскільки успіх корейських фізиків відразу спробували повторити науковці з усього світу, але зазнали невдачі. Пропри це надпровідники мають унікальні властивості, які можуть знайти застосування в багатьох технологіях, таких як ефективне енергопостачання, мікропристрої та транспорт.
Репрезентативний геном
Геном людини – це повний набір генетичної інформації, який міститься в її клітинах. Він складається з ДНК, яка міститься в ядрі клітини та в мітохондріях.
20 років тому вчені опублікували проєкт геному людини. Він був обмежений, адже не відображав повної людської різноманітності. У 2023 році вчені опублікували нову версію геному людини, яка отримала назву пангеном. Його отримали від 47 представників корінних народів Африки (50%) на південь від Сахари, Америки – 35%, Китаю – 13%, та Європи – 2%.
Пангеном – це як велика бібліотека, де зберігається повний набір генетичної інформації людини, зібраний від людей різних предків. Він складається з 47 окремих карт ДНК, які можна комбінувати та порівнювати за допомогою нових програмних засобів. Це дозволяє вченим виявляти важливі генетичні відмінності, які можуть бути пов'язані з різними захворюваннями.
Пангеном людини, який був нещодавно завершений, є лише першим кроком в амбітній програмі з кращого представлення різноманітності населення світу. Початкова мета полягає в тому, щоб збільшити кількість карт ДНК до 350. Після цього вчені планують ще збільшити чисельність і різноманітність, працюючи з організаціями з інших країн.
Фонові гравітаційні хвилі для зрозуміння природи Всесвіту
Північноамериканська наногерцева обсерваторія гравітаційних хвиль (NANOGrav) виявила, що Всесвіт постійно заповнений гравітаційно-хвильовим фоном, який утворюється в результаті злиття чорних дір і нейтронних зір.
Спостереження за 68 пульсарами, проведені NANOGrav протягом 15 років, показали, що існує низькочастотний гравітаційно-хвильовий фон. Статистична значущість результату склала 3,5–4 сигми, що вище за необхідну для підтвердження наявності сигналу (3 сигми).
В опублікованому досліджені вчені стверджують, що джерелом фонових гравітаційних хвиль є популяція подвійних надмасивних чорних дір, які повільно обертаються одна навколо одної по спіральній траєкторії.
Гравітаційні хвилі – це збурення простору-часу, які виникають в результаті прискореного руху масивних об'єктів. Вперше їх зафіксували у 2015 році в обсерваторіях LIGO і Virgo, які реєструють гравітаційні хвилі, що виникають при злитті чорних дір і нейтронних зір.
Проєкт NANOGrav прагне знайти гравітаційні хвилі, які виникають постійно і мають низьку частоту. Вони можуть походити від первинних чорних дір або космічних струн. Їхнє виявлення допоможе підтвердити або спростувати теорії, які описують ранню історію Всесвіту.
Суперкомп'ютер для моделювання
У своїх дослідженнях вчені постійно стикаються з дилемою щодо моделювання того, як поводитиметься той чи інший матеріал. Оскільки дослідникам потрібно змоделювати електрони матеріалу, які визначають більшість його хімічних та електронних властивостей, вони постають перед вибором: змоделювати до кількох сотень електронів з майже ідеальною точністю, або ж симулювати набагато більшу кількість, але вже із значно меншою точністю.
Розвиток найпотужніших у світі суперкомп'ютерів почав усувати цей компроміс.
На конференції SC23, вчені повідомили, що змогли змоделювати поведінку до 600 тис електронів у мікроскопічному шматочку магнієвого сплаву майже з точністю квантової симуляції Монте-Карло. За словами інженера-механіка з Мічиганського університету Самбіт Даса, завдяки потужностям суперкомпʼютерів бар'єр між точністю і довжиною масштабу фактично подолано.
До прикладу, дослідники за допомогою такого моделювання змогли показати, як утворюються дефекти в сплавах, що може відкрити шлях до розробки нових легких сплавів для паливно-ефективних автомобілів і літаків.
Крім того, застосування цих методів до матеріалів, які називаються квазікристалами, впорядкованими твердими тілами, в яких немає повторюваних атомних розташувань, також показало, чому вони приймають незвичні форми, що може призвести до створення нових магнітних матеріалів і надпровідників.
Також вчені стверджують, що серед інших обчислювальних досягнень були спроби спрогнозувати повітряні потоки і шум від конструкції реактивного двигуна з ефективним використанням палива, а також про те, як тепло буде пульсувати через активну зону невеликого модульного ядерного реактора – це може допомогти у створенні більш безпечних конструкцій.
Десять надзвичайних наукових відкриттів людства у 2022 році
Усі ці дослідження були проведенні на суперкомп'ютері Frontier, який розробили компанії Hewlett Packard Enterprise та Cray, і який ввели в експлуатацію у 2023 році. Сам пристрій розташований у лабораторії Oak Ridge National Laboratory у штаті Теннессі, США.
Frontier є першим суперкомп'ютером, який досяг швидкодії 1 екзафлопс. Це означає, що він може обробляти 1 квадрильйон операцій за секунду. Він набагато швидший за попереднього рекордсмена – Fugaku, який має продуктивність 415,53 петафлопсів.
Усі ці досягнення, в найближчі кілька років, обіцяють відкрити нове вікно у вивченні матеріалів, клімату, біології та медицини. Однією з найперспективніших цілей є створення моделей глобального клімату.
Карта Всесвіту
1 липня 2023 року о 15:12 за Києвом ракета Falcon 9 компанії SpaceX відправила у космос телескоп Euclid, який більш ніж 15 років проєктувався Європейською космічною агенцією.
4,7-метровий Euclid вартістю 1,5 млрд дол оснастили двома основними інструментами: 600-мегапіксельною камерою видимого світла (VIS), яка зробить чіткі зображення далеких галактик, та 64-мегапіксельною інфрачервоною камерою і фотометром NASA (NISP), яка виміряє червоне зміщення галактик.
Телескоп протягом всієї місії має передати 100 петабайтів даних (щодня по 100 гігабайтів), які обробляються в дев’яти наземних центрах.
Мета місії Euclid – створити карту Всесвіту, яка покаже, як він змінювався протягом мільярдів років. Телескоп фотографуватиме галактики у видимому та інфрачервоному світлі, а потім використовуватиме ці дані для створення тривимірної моделі Всесвіту.
Також у 2027 році до Euclid приєднається Nancy Grace Roman. Цей телескоп має діаметр дзеркала 2,4 метра і зможе бачити більш тьмяні галактики, ніж Euclid. Це дозволить астрофізикам вивчати Всесвіт, коли йому було всього 2 мільярди років.
Крім того, Nancy Grace Roman буде використовуватися для відстеження екзопланет, об’єктів Сонячної системи та планет-шахраїв (не обертаються навколо зірки, а вільно плавають у космосі).
Ліки проти ожиріння
Проблема з ожирінням для людства далеко не нова. Тільки в США майже 70% дорослого населення страждають через зайву вагу, у Європі цей показник також перевищує половину. Цьогоріч редакція одного з найавторитетніших наукових видань Science Американської асоціації сприяння розвитку науки (AAAS) віддала перше місце у своєму списку лікам проти ожиріння на базі пептиду GLP-1.
Раніше вважалося, що лікування ожиріння є складним і малоефективним. Однак нещодавно з'явився клас препаратів, які можуть змінити ситуацію. Ці ліки, які імітують гормон GLP-1, синтезований у кишечнику, не лише допомагають схуднути, але й мають інші переваги, такі як зниження симптомів серцевої недостатності та ризику серцево-судинних захворювань.
У Science зазначають, що є невизначеність, яку несе ця кардинальна зміна в лікуванні ожиріння, і навіть тривога, оскільки надмірна вага пов'язана з медичними та соціальними складнощами стигматизації.
Вже зараз кількість ліків на базі GLP-1 продовжує зростати. Серед знаменитостей популярні Ozempic, Wegovy та Rybelsus.
Хоча препарати на основі GLP-1 мають деякі недоліки, їхня сфера застосування розширюється. Спочатку ці ліки розроблялися для лікування діабету, але вчені виявили, що вони також можуть допомогти при ожирінні, хворобах Альцгеймера і Паркінсона, наркоманії та алкогольній і нікотиновій залежності. Наразі тривають клінічні випробування цих препаратів з участю людей.
Нові ліки змінюють не лише методи лікування ожиріння, але й розуміння самого захворювання. Ожиріння більше не розглядається як проблема самоконтролю, а як хронічне захворювання, яке має свої конкретні біологічні причини.