Главные научные открытия 2021 года, которые меняют мир
Межзвездные путешествия, материя из света, живые роботы, полезная виагра. ЭП традиционно рассказывает о самых ярких научных достижениях уходящего года. (укр)
Вакцина проти ВІЛ пройшла успішні випробування
На початку грудня вчені з американського Національного інституту алергії та інфекційних захворювань (NIAID) відзвітували про успішне випробування вакцини від вірусу імунодефіциту людини (ВІЛ).
Препарат сконструювала компанія Moderna за технологією мРНК. Вона не унікальна, але у 2021 році про неї заговорили як про революційну. За нею виготовляють вакцини від коронавірусу компанії Pfizer-BioNTech та Moderna.
Позитивні результати вакцини від ВІЛ досягнуті в ході випробувань на макаках. Через 58 тижнів після вакцинації у всіх щеплених тварин виробилися вимірювані рівні антитіл, що нейтралізують більшість штамів ВІЛ-інфекції.
Хоча введені дози мРНК були високими, вакцина добре переносилася і викликала лише легкі тимчасові побічні ефекти, зокрема втрату апетиту.
Через два тижні вчені почали заражати макак так званим химерним вірусом, створеним шляхом об'єднання фрагментів нуклеїнової кислоти з двох або більше різних вірусів. Після 13 спроб інфікування з інтервалом раз на тиждень дві із семи імунізованих макак залишилися незараженими.
Інші імунізовані тварини інфікувалися через вісім тижнів. Неімунізовані тварини заражалися через три тижні. Зараз учені коригують протоколи випробувань. У разі підтвердження безпеки та ефективності вакцини буде оголошено про першу фазу її дослідження на здорових дорослих людях.
Термоядерний реактор створив більше енергії, ніж спожив
Ученим із США в листопаді вперше вдалося згенерувати більше енергії під час реакції керованого термоядерного синтезу, ніж споживає установка, яка запускає злиття атомних ядер. Зараз робота проходить експертну оцінку.
Якщо результати підтвердять незалежні фахівці, то можна буде упевнено сказати про досягнення важливої віхи в розвитку цієї галузі енергетики.
Як повідомили дослідники, у реакції термоядерного синтезу було досягнуто рекордного виходу енергії – 1,3 мегаджоуля.
Це значно кращий результат порівняно з попередніми спробами: вихід енергії у вісім разів більший, ніж в інших цьогорічних експериментах, та у 25 разів більший, ніж в експериментах, проведених у 2018 році. Тож це велике досягнення для фізиків Ліверморської національної лабораторії США.
"Цей результат є історичним кроком уперед у дослідженнях термоядерного синтезу з інерційним утриманням. Він відкриває принципово новий режим для досліджень та просування наших найважливіших завдань національної безпеки", – сказала директора лабораторії Кім Буділ.
Термоядерний синтез з інерційним утриманням передбачає створення маленької зірки. Капсулу з "паливом", важкими ізотопами водню дейтерем та тритієм, поміщають у невеличку порожню золоту камеру (хольраум).
Потім на хольраум спрямовують 192 потужні лазерні промені. Стінки хольрауму перетворюють це випромінювання на рентгенівські промені. Вони прямують у капсулу з паливом, нагріваючи та стискаючи її до умов, які, імовірно, є в ядрі зірок: температура понад 100 млн градусів і тиск понад 100 млрд атмосфер.
Так у земних умовах запалюється маленька зірка.
Процес триває кілька мільярдних часток секунди. Мета експерименту – отримання "безкоштовної" енергії. Щоправда, на запалення мінізірки витрачається дуже багато енергії, але вчені не втрачають надії, що незабаром мінісвітло згенерує більше енергії, ніж поглине установка.
"Це історичний результат, кульмінація багатьох десятиліть наполегливої праці, інновацій та винахідливості, масштабної командної роботи та невпинної уваги до кінцевої мети", – вважає фізик Йохан Френьє з Центру вивчення плазми і термоядерного синтезу Массачусетського технологічного інституту.[BANNER1]
Віагра знижує ризик хвороби Альцгеймера
Дослідження вчених приватної клініки Клівленда (США) показує, що препарат силденафіл (більш відомий як віагра) значно знижує ймовірність розвитку хвороби Альцгеймера. Від неї страждають 6% людей віком понад 65 років: уражається сіра речовина головного мозку, що призводить до втрати пам'яті.
Учені проаналізували заявки на медстрахування 7,2 млн людей і виявили, що вживання силденафілу знижує можливість розвитку недуги протягом наступних шести років майже на 70% порівняно з пацієнтами, які його не приймають.
Звісно, такі результати не доводять причинно-наслідковий ефект. Люди, які приймали силденафіл, могли вживати й інші препарати або займатися фізичною активністю, що підвищує шанси не стати жертвою хвороби.
Проте дослідники кажуть, що виявленої кореляції достатньо для визначення силденафілу як головного кандидата на ліки проти хвороби Альцгеймера. Учені приватної клініки збираються проводити дослідження, щоб довести або спростувати наявність причинно-наслідкового зв'язку.
Живих роботів навчили розмножуватися
Спроєктовані штучним інтелектом та зібрані вручну ксеноботи – живі машини з ембріональних клітин жаби – можуть спонтанно себе відтворювати. Уперше ксеноботів представили вчені із США у 2020 році. Для їх створення використали стовбурові клітини з ембріонів південноафриканської жаби Xenopus laevis.
Геном жаби залишився незмінним, але клітини перепрограмували. Після інкубації близько 3 тис клітин з'єднали вручну за допомогою крихітних пінцета й електрода. Створені таким чином ксеноботи могли рухатися, знаходити задані цілі та відновлюватися після пошкоджень.
У новій роботі вчені навчили ксеноботів створювати собі подібних. Це абсолютно новий спосіб розмноження: "дорослі" ксеноботи збирають клітини, і через кілька днів "малюки" перетворюються на повноцінних ксеноботів.
Ксеноботи використовують так звану кінематичну самореплікацію – процес, який раніше спостерігали лише на молекулярному рівні.
Аби з'ясувати, яка форма ксеноботів найкраще підходить для відтворення, учені звернулися до штучного інтелекту. Запущений на суперкомп'ютері еволюційний алгоритм протестував мільярди форм тіла ксеноботів і знайшов ту, що забезпечить найефективнішу кінематичну самореплікацію.
На це завдання суперкомп'ютер витратив кілька місяців. Він зупинився на С-подібній формі, що нагадує "пакмана" з однойменної гри. Потім учені зібрали роботів за запропонованою комп'ютером схемою і показали, що нові ксеноботи можуть успішно відтворювати себе протягом кількох поколінь.
Автори роботи вважають, що ксеноботи дадуть глибше розуміння процесу розмноження і дозволять створювати живі машини для регенеративної медицини, розробки ліків та збирання мікропластику у воді.
Ліки для зупинки старіння
Застосування ліків, що зупиняють процес старіння та омолоджують організм, може початися через п'ять-десять років. Японські вчені відкрили механізм, за допомогою якого можна позбутися клітин, що старіють.
За словами професора науково-дослідного інституту медицини Токійського університету Макото Наканісі, вікове ослаблення функцій організму викликане накопиченням в органах "старіючих" клітин, що запускають запальні процеси.
Їх 60 років тому відкрив американець Леонард Хейфлік. Він виявив, що клітини можуть ділитися лише певну кількість разів. Останні дослідження довели, що ділення може припинитися через ушкодження ДНК або окислювальний стрес.
"Якщо видалити "старіючі" клітини, то можна зупинити запальні процеси, а отже, домогтися істотного гальмування старіння", – розповів Наканісі.
У 2014 році вчені стали вивчати, чому клітини не можуть розмножуватися, і виявили молекулярний механізм. Вони створили клітини із загальними для всіх "старіючих" клітин властивостями і стали шукати те, що вбивало б тільки їх.
Учені з'ясували, що для "старіючої" клітини важливий фермент GLS1. Він тісно пов'язаний з процесом метаболізму глутаміну. Щоб вижити та нейтралізувати кисле середовище, клітина потребує аміаку, який продукується при перетворенні глутаміну на глутамінову кислоту, тобто при процесі, у якому необхідний GLS1.
Дослідники використали препарат, який проходить клінічні випробування як ліки проти раку. Цей препарат ввели старій миші. Результатом стало різке поліпшення в органах та структурах, які зазнали вікових змін. Після ін'єкції вчені побачили покращення симптомів діабетичної хвороби та атеросклерозу.
"Скупчення "старіючих" клітин викликають хвороби Альцгеймера і Паркінсона. Одним препаратом можна досягти поліпшення за багатьма видами вікових захворювань і домогтися омолодження", – сказав професор.
Якщо буде доведена безпека препарату для людини, його спочатку застосовуватимуть для людей з прогерією – синдромом передчасного старіння. Потім – для тих, хто через вікове ослаблення м'язів не може вести звичайний спосіб життя, і для пацієнтів, у яких відмовили нирки та яким потрібен діаліз.[BANNER2]
CO2 навчилися перетворювати на кисень і вуглець
Австралійські вчені створили просту й ефективну установку для перетворення вуглекислого газу на кисень і вуглець. У разі її масштабування автомобілі з ДВЗ, ТЕС на вугіллі або газі та промислові установки замість вуглекислого газу під час спалювання палива зможуть виробляти чистий кисень.
В основі дослідної установки об'ємом два літри лежать фізико-хімічні явища, пов'язані з пропусканням вуглекислого газу через галій. Це так званий рідкий метал, який починає плавитися при температурі 30 градусів.
Крім галію в рідкій формі та галію у вигляді наночастинок, у суміш додаються срібні стрижні нанометрових розмірів. У процесі роботи суміш інтенсивно перемішується. Це викликає трибоелектрохімічні реакції: рідини внаслідок сили тертя активніше взаємодіють з поверхнями твердих наповнювачів.
Учені повідомили, що компактна установка протягом місяця без зміни характеристик щохвилини перетворювала 100 мл CO2.
На перетворення тонни CO2 на кисень і твердий вуглець витратили 230 кВт-год електрики, що коштує 100 дол. Ефективність перетворення досягла 92%. Вуглець утворюється у вигляді пластівців і просто виринає на поверхню.
Такими установками, вважають учені, можна обладнати кожен автомобіль та електростанцію на викопному паливі, у результаті чого повітря посвіжішає буквально "на очах". Для комерціалізації технології створили компанію LM Plus.
Учені перетворили світло на матерію
Дослідники американської Брукхейвенської національної лабораторії за допомогою складного прискорювача частинок перетворюють світло на електрони. Це явище на планеті відбувається вперше. Прорив підтвердив передбачення, зроблені впливовими фізиками майже століття тому.
Перетворення фотонів, безмасових частинок світла, на електрони, елементарні частинки матерії, зробили дослідники на релятивістському колайдері важких іонів RHIC. Теоретичні передумови цієї роботи з'явилися на початку 20 століття. Для їх перевірки вчені створили соленоїдний трекер-детектор (STAR).
"Зірки зійшлися так, що в нас вийшло", – сказав автор проєкту Чжанбу Сюй.
Результати експерименту стануть у пригоді астрофізикам та космологам.
Гвинтокрил політав на іншій планеті
На початку 2021 року на поверхню Марса сів апарат Perseverance. Разом з ним прибув гелікоптер Ingenuity, який здивував і вчених, і любителів космосу.
Планувалося, що він здійснить п'ять польотів протягом 30 марсіанських днів і розіб'ється. Автори проєкту хотіли з'ясувати, чи можуть гвинтокрили працювати в марсіанській атмосфері. Однак Ingenuity не тільки злетів, а й пережив зміну пір року та допоміг марсоходу вивчати планету. За пів року роботи гелікоптер поставив кілька рекордів, і NASA покладає на нього ще більше надій.
Гвинтокрил здійснив уже 18 вильотів. Він підіймався на висоту 12 метрів, летів зі швидкістю 18 км/год, подолав відстань 3,6 км і провів у польоті 30 хв. Апарат автоматичний: керівники відправляють команди, а вертоліт їх виконує сам.
Програмне забезпечення апарата передбачає польоти лише над плоскою поверхнею. Розробники не вчили гелікоптер працювати в гористій місцевості, бо ніхто не думав, що він працюватиме так довго.
На створення апарата вагою 1,8 кг NASA витратило 85 млн дол. Крім того, що Ingenuity зміг літати в атмосфері Марса, щільність якої в 72 рази нижча за земну, він зробив безцінний внесок у розвиток аерокосмічних технологій.
Почалися випробування вакцини від раку грудей
Клініка в Клівленді оголосила про початок безпрецедентних клінічних випробувань препарату, що запобігає розвитку тричі негативного раку молочної залози (ТНРМЗ) – найагресивнішого різновиду цього захворювання.
За статистикою, саме цю форму раку грудей найчастіше діагностують у жінок віком до 40 років, а також у людей з вродженою генетичною мутацією (BRCA1), що значно підвищує ризик розвитку цього захворювання.
Таку мутацію успадкувала актриса Анджеліна Джолі. Дізнавшись, що ймовірність розвитку цього різновиду раку у неї становить 87%, вона видалила обидві молочні залози. Після операції ризик актриси захворіти впав до 5%.
Розробити вакцину, яка б суттєво знижувала ризик розвитку недуги, намагаються кілька наукових колективів. Проте випробування потенційних препаратів досі обмежувалися лабораторними дослідами на тваринах.
Дія препарату, що вводиться у вигляді трьох ін'єкцій з двотижневою перервою між ними, заснована на пошуку в організмі специфічного білка.
У нормі він виробляється лише в молодих матерів у період годування груддю. У решту часу присутність цього протеїну в крові вказує на наявність потенційної пухлини. Виявивши його, вакцина подає сигнал імунній системі.
Поки що препарат випробовуватимуть на добровольцях, у яких ТНРМЗ діагностований на ранній стадії та виліковний за допомогою традиційної терапії. Наступним кроком стане випробування вакцини на здорових волонтерах з групи ризику, у тому числі на жінках зі спадковою мутацією гена BRCA1.
Доведена можливість викривлення простору
Колишній аерокосмічний інженер NASA Гарольд Уайт випадково зробив відкриття, яке стало першим у світі підтвердженням реальності так званого варп-міхура або міхура Алькуб'єрре. Це може відкрити людству дорогу до зірок.
Уайт є ентузіастом варп-двигунів. Працює за контрактом з DARPA і паралельно розвиває власну некомерційну організацію Limitless Space Institute (LSI).
Поєднання його власних досліджень, робіт LSI та проєктів DARPA дозволило досліднику зробити дивовижне відкриття: побачити народження варп-бульбашки там, де інший учений не звернув би на це явище уваги.
Для DARPA Уайт досліджує ефект Казимира. Він цікавий тим, що на мікрорівні дозволяє виявлятися певним квантовим явищам у вигляді взаємного тяжіння двох об'єктів під дією часток, що вільно народжуються і зникають у вакуумі.
У макросвіті такий ефект можна спостерігати при зародженні островів сміття в океані. Для DARPA вчений досліджував явище геометрії поверхонь об'єктів.
Під час аналізу розподілу енергії для однієї з конфігурацій виявилося, що розподіл енергії відповідає викладкам фізика-теоретика Мігеля Алькуб'єрре про можливість існування варп-бульбашки, а це шлях до рукотворного викривлення простору та руху зі швидкістю, вищою за швидкість світла.
Уайт відразу зрозумів, на що натрапив, і ще сильніше зміцнився в думці, що варп-двигуни для зорельотів колись стануть реальністю. Для закріплення результатів відкриття він пропонує провести експеримент з циліндром діаметром 4 мікрометри зі сферою діаметром 1 мікрометр у його центрі.
Вивчення тривимірного розподілу щільності енергії всередині та навколо цих об'єктів дозволить підтвердити відкриття або спростувати його. Сам Уайт не проводитиме експеримент. Цей шлях відкритий для всіх охочих увійти в історію.