Мы проделываем этот фокус второй год подряд: подводим научные итоги — и не говорим ни слова о ковиде Зато рассказываем о новой физике, геномном редактировании и дважды про Марс
Мы проделываем этот фокус второй год подряд: подводим научные итоги — и не говорим ни слова о ковиде Зато рассказываем о новой физике, геномном редактировании и дважды про Марс
В 2021 году «Медуза» очень много писала об исследованиях вокруг ковида, и, как вы понимаете, вовсе не случайно. Объективно говоря, эта часть науки занимает все возможные топы как по вниманию общества, так и по цитированиям среди ученых. Однако ковидом, к счастью, наука не исчерпывается. Здесь мы попытались отдать должное тем работам, которые были (ну, или кажутся) самыми важными в этом году и при этом никак с пандемией не связаны.
Подводить научные итоги года объективно и корректно очень сложно, если вообще возможно. Никто не знает, какое из случившихся открытий окажет наибольшее влияние на науку будущего. Возможно, что ни одна из попавших в рейтинг громких работ через 10-15 лет не покажется такой же важной, как какая-нибудь небольшая статья «нового Менделя», на которую мало кто вовремя обратил внимание.
В реальности здесь работают только два подхода: либо экспертный отбор, который делается редакторами известных научных журналов и научными журналистами и, конечно, субъективен. Либо объективный рейтинг по какой-либо из метрик вроде цитирований, упоминаний в СМИ, твиттере и т. д. (например), конечно, выносит наверх много странного информационного шума . Ниже расскажем о работах, которые попали в списки открытий года по версии двух главных научных журналов, Nature и Science, а также еще нескольких статьях, которые, судя по метрикам, оказались очень интересны большому количеству людей.
Главное — не относиться к этому списку слишком серьезно; это не лучшие научные работы года с точки зрения абсолютной ценности, а скорее просто важные события, по которым запомнится этот год.
Открытия, попавшие в списки Nature и Science
Компьютерное предсказание структур белков человека
Компания DeepMind, исследовательское подразделение Alphabet (т.е. Google), доложила в июле о предсказании трехмерных структур практически всех белков, кодируемых человеческим геномом — до этого была хоть как-то известна структура только трети из них. Это важное событие, которое должно подстегнуть разработку новых лекарств и исследования эволюции.
Впрочем, нужно понимать, что главное в этой истории произошло даже не в этом году, когда были закончены расчеты, а в конце 2020-го, когда в результате победы в конкурсе программ стало понятно, что созданный DeepMind алгоритм AlphaFold научился предсказывать структуры не хуже, чем это делают люди в долгих и тяжелых экспериментах, включающих выращивание белковых кристаллов и использование криоэлектронной микроскопии. В этот момент ушла в прошлое «проблема белка», которая многие десятилетия до этого казалась почти неразрешимой — предсказание трехмерных структур белков по их аминокислотной последовательности стало всего лишь делом вычислительных ресурсов. «Медуза» подробно писала о том, как этого удалось достичь, и что означает победа AlphaFold для будущего медицины.
Мюоны и проблема со Стандартной моделью
Физики, участвующие в эксперименте «Мюон g-2» в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми в США получили первый серьезный намек на явление, не согласующееся с предсказаниями так называемой Стандартной модели. То есть основополагающей теории элементарных частиц, которая оставалась незыблемой на протяжении полувека. Если открытие бозона Хиггса, например, стало последним «кирпичиком» в тщательно выстроенной «стене» Стандартной модели, то на этот раз речь идет о явлении, которое находится вовсе за пределами этой модели — или, если угодно, в ее основании.
Важно отметить: открытие пока окончательно не подтверждено. Сейчас идет, как это обычно бывает в современной физике, тщательная перепроверка полученных результатов и дополнительный набор статистики, чтобы исчезли все сомнения в том, что видимое отклонение могло быть случайным. «Медуза» уже подробно писала об этой истории — относительно коротко и, насколько это вообще возможно для такой темы, понятно.
Первое терапевтическое применение геномного редактирования CRISPR/Cas9 на живом человеке
В 2012 году две научные группы, практически одновременно, в конце лета, опубликовали две статьи (1, 2) с практически одинаковым выводом: оказывается, у некоторых бактерий есть специальные ферменты, которые работают наподобие молекулярных ножниц. И если этим ножницам грамотно подсказать место в ДНК, которое нужно разрезать, такие ферменты смогут стать универсальным инструментом для редактирования любых геномов.
Девять лет спустя, летом 2021 года, этот подход впервые испытали на шести добровольцах в рамках клинического исследования лечения генетического заболевания — транстиретинового амилоидоза. Еще год назад технологию геномного редактирования CRISPR/Cas9 использовали для терапии через манипуляцию клетками в пробирке, in vitro, сейчас был сделан следующий шаг — терапия непостредственно в организме, in vivo.
Результаты оказались обнадеживающими — у всех наблюдалось снижение уровня белка неправильной формы, связанного с этим заболеванием (TTR); у тех, кто получил большую из двух доз, его уровень снизился в среднем на 87%. Следует ли интерпретировать эти проценты как «излечение», пока не ясно, нужно наблюдать за развитием ситуации. Но уже сейчас понятно, что за этим клиническим исследованием пойдет поток все новых испытаний потенциальных лекарств на основе той же технологии, за которыми станет все сложнее успевать следить.
О том, что такое CRISPR, почему Нобелевскую премию прошлого года дали именно за это открытие (и кому оно могло бы еще достаться), «Медуза» уже подробно писала:
Открытия из списка Science
Редакторы Science традиционно выбирают одно лучшее достижение, которому присуждается звание «Прорыв года», а остальные исследования идут по разряду номинантов. Прорывом года на этот раз стало предсказание структур белков, о котором сказано выше. А вот, кто попал в число номинантов.
Исследования на основе чтения палео-ДНК
За последние 10-15 лет в палеонтологии и физической антропологии произошла тихая революция: если раньше источником информации для ученых были исключительно видимые, осязаемые объекты: кости, артефакты, пыльца и так далее, то сейчас к ним добавилась незаметная, но хранящая очень много важной информации палео-ДНК. Тихой эту революцию приходится назвать потому, что она не случилась одномоментно, не сопровождалась каким-то одним, главным открытием. Это был результат тысячи небольших методических улучшений, появления новых методов выделения, очистки, чтения ДНК, отделения полученных результатов от современных примесей и другого шума. Чтобы проследить за тем, как задачи палеобиологов становились все более и более амбициозными, достаточно прочитать заголовки статей таких известных пионеров этой области, как Сванте Паабо или Эске Виллеслев.
В этом году из всей этой кипящей науки Science решил выделить три исследования. Первое, в котором удалось реконструировать историю жизни целой семьи/линии неандертальцев в испанской пещере Эстатуас около 100 тысяч лет назад. Второе — реконструкцию генома женщины из грузинской пещеры Сацурблия, сделанную на основе чтения ДНК (выделенной просто из почвы, без каких-либо «обычных костей»). И третье — исследование геномов североамериканских медведей, также сделанное на основе чтения метагеномов из почвы.
Было бы неправильно не добавить к этой тройке исследование Денисовой пещеры, которое было сделано тем же методом, но по какой-то причине журналистами Science не упоминается. На его основе удалось реконструировать очень сложную и запутанную историю жизни в этой алтайской пещере, где были впервые найдены следы существования в прошлом другого человечества — не нас и не неандертальцев, а денисовцев. «Медуза» об этом исследовании подробно писала, а здесь можно прочитать о том, как ДНК позволяет восстановить облик людей, от которых до нас не дошло почти никаких осязаемых останков.
Марсотрясения, рассказавшие о необычной внутренней структуре планеты
Еще одно исследование 2021-го, тесно связанное с успехами, полученными в 2020-м. Еще раньше, начиная с момента посадки на Марсе в 2018-м, американский аппарат «Инсайт» вел наблюдения за сейсмической активностью планеты, которая поначалу была не слишком активной. В 2020-м наконец удалось зафиксировать несколько относительно крупных марсотрясений и почти две сотни более мелких — эти данные нужны были ученым для того, чтобы понять внутреннее устройство планеты.
Поскольку ни на Земле, ни на Марсе в принципе невозможно пробурить скважин, достаточно глубоких, чтобы можно было изучать их геологическое устройство, единственным экспериментальным методом исследования планет остается анализ распространения сейсмических волн. То, как эти волны двигаются по коре, как они преломляются и отражаются в мантии и планетарном ядре, позволяет установить, какую начинку несет планета внутри себя.
В 2021-м, когда полученные ранее данные удалось собрать и систематизировать, оказалось, что Марс существенно отличается от принятых моделей. Планета имеет неожиданно тонкую кору (от 24 до 72 километров), неглубокую мантию и необычайно большое жидкое ядро (около 1830 километров в диаметре). Все это, конечно, интересно и само по себе, но гораздо важнее, что это непосредственно связано с тем, каким Марс оказался сегодня. Его ключевое отличие от Земли — отсутствие магнитного поля, из-за которого Марс потерял свою некогда плотную атмосферу. Причину остановки магнитного динамо планеты, конечно, следует искать именно во внутреннем ее строении, но о нем до сих пор было мало что известно.
Как это пытается исправить аппарат «Инсайт», и почему это важно, «Медуза» уже подробно писала в тексте про марсотрясения.
Неожиданные сдвиги в термоядерном синтезе и приход в область коммерческих компаний
Еще одно достижение, отмеченное Science, связано с термоядерным синтезом. Нет, инженеры пока не научились бесплатно добывать энергию из водорода, но все-таки некоторые важные подвижки в этой области в этом году произошли и они связаны с двумя вещами.
Во-первых, на американской исследовательской установке NIF (Национальный комплекс зажигания, National Ignition Facility) впервые удалось выработать в ходе термоядерной реакции количество энергии, сопоставимое с тем, которое было затрачено на ее запуск. Установка NIF устроена принципиально просто: она представляет собой комплекс мощных лазеров, которые по команде стреляют в небольшую металлическую капсулу с дейтериево-тритиевой смесью — хольраум. В результате происходит взрыв, оболочка хольраума вместе с топливом в этот момент достигают миллионных температур, и, по идее, тут и должна начинаться термоядерная реакция.
Проблема в том, что до сих пор энергия, которую приходилось затрачивать на взрыв, была на порядки выше, чем та, которая выделялась в ходе реакции. В августе этого года физики сообщили, что им удалось добыть из термоядерного взрыва на установке 1,35 мегаджоуля, что лишь немногим меньше, чем затраченные на розжиг 1,9 мегаджоуля.
Понятно, что у установки пока на самом деле нет цели производить энергию, речь идет о получении экспериментальных данных. Однако для того, чтобы сделать следующий шаг в термоядерном синтезе, нужно достичь хотя бы нулевого энергетического баланса, а лучше — научиться получать энергии больше, чем затрачивается на инициацию реакции, и даже больше, чем надо в целом на всю работу установки (а это, конечно, больше, чем просто энергия поджига).
Вторая большая подвижка в области — неожиданный приход в нее коммерческих компаний, которые рассчитывают совершить революцию, аналогичную той, которой удалось сделать компании SpaceX в доставке грузов в космос . Такие амбициозные планы ставят перед собой, например, компании Commonwealth Fusion Systems и Tokamak Energy, но что у них получится на самом деле мы узнаем даже не в следующем году, а лишь через несколько лет.
Ренессанс в исследованиях психоделиков
В США и в некоторых других странах последние годы наблюдается некоторый ренессанс исследований психоделиков — их возможная область применения связана с терапией некоторых психических состояний и расстройств, прежде всего, посттравматического стрессового синдрома, или ПТСР. Предварительные результаты этих исследований дают надежду на создание новых лекарств или новых методов терапии уже известными веществами, однако пока эти данные сталкиваются с трудностями интерпретации. Для такого рода терапии сложно подобрать плацебо-контроль и провести действительное слепое исследование, поэтому первые результаты сталкиваются с некоторым недоверием экспертов и трудностями с интерпретацией данных. Редакторы Science в данном случае отмечают даже не положительные результаты экспериментальной терапии, а прежде всего сам факт возрождения научных исследований этого класса веществ, которые не проводились уже многие десятилетия.
Моноклональные антитела против инфекций
Еще одно достижение, внимание на которое обращает Science, связано с приходом моноклональных антител в терапию инфекционных заболеваний. Моноклональные антитела — это те же самые антитела, иммуноглобулины IgG, которые после двух лет пандемии сейчас всем хорошо известны. Только выращенные в культурах клеток и отличающиеся от «настоящих», прежде всего, своей стандартизированностью.
Антитела, которые вырабатываются в организме человека, обычно представляют собой смесь разных, хотя и похожих, молекул, а вот моноклональные антитела (как можно догадаться из названия) — это абсолютно одинаковые, стандартизированные клоны одного какого-то варианта IgG из этой смеси. В стандартизированности заключается их сила и их слабость: с одной стороны, они вскоре перестают работать, если инфекционный агент быстро меняется; с другой, в отличие от сыворотки, которую иногда применяют для лечения, моноклональные антитела более предсказуемы, и их проще получать в любых количествах.
Антитела широко используются уже последние пару десятилетий для лечения онкологических заболеваний (все эти препараты с окончанием на *-маб относятся к антителам), но они почти не применялись до сих пор для лечения инфекционных заболеваний. Сейчас моноклональные антитела разрабатываются против гриппа, вируса Зика и цитомегаловируса. Большие надежды связывают с двумя кандидатами, предназначенными для профилактики RSV (респираторно-синцитиальный вирус человека) у всех младенцев. А в одном исследовании по профилактике ВИЧ, которое в целом не увенчалось успехом, кандидат хорошо сработал против некоторых штаммов вируса.
Рекордно долгое выращивание эмбрионов «в пробирке»
Изучение раннего эмбрионального развития может помочь ученым понять причины выкидышей и врожденных дефектов, а также улучшить протоколы экстракорпорального оплодотворения (ЭКО). Однако юридические, практические и этические ограничения сдерживают проведение исследований с использованием человеческих эмбрионов. В этом году ученые представили результаты, которые говорят о возможности в будущем использовать для исследований и тестирования лекарств подходящую замену: во-первых, мышиные эмбрионы, выращиваемые гораздо дольше, чем это было возможно раньше, и, во-вторых, копии эмбрионов, созданные из стволовых клеток человека или перепрограммированных клеток взрослого организма.
Открытия из списка Nature
Новый доклад Межправительственной группы экспертов ООН по изменению климата
Британский визави главного американского научного журнала не забыл отметить первый за восемь лет новый большой доклад Межправительственной группы экспертов ООН по изменению климата (МГЭИК). Цитата:
Доклад нарисовал жестокую, но ясную картину здоровья Земли: рекордные засухи, лесные пожары и наводнения, уже разрушающие сообщества по всему миру, будут только ухудшаться, если правительства не примут меры по прекращению выбросов парниковых газов. Согласно докладу, планета уже потеплела на 1,1°C по сравнению со средним значением в 1850-1900 годах, и при нынешнем уровне выбросов может достичь 1,5 °C в течение десятилетия. Если потепление достигнет 2°C — верхнего предела, которого правительства обязались избегать в Парижском соглашении 2015 года, — экстремальные температурные явления, которые раньше случались лишь раз в 50 лет, будут происходить каждые несколько лет, увеличивая вероятность смертей и разрушений.
В этом же году произошел важный перелом в такой области климатологии как наука атрибуции — она позволяет связать конкретное погодное событие, например пожары в Австралии, температурные рекорды в Якутии или невиданные наводнения в Германии, с наблюдающимися глобальными изменениями климата. Если раньше ученым приходилось абстрактно говорить о повышении вероятностей таких природных катастроф, то сейчас появилась возможность сопоставлять эти вероятности и напрямую связывать одно с другим. О том, когда это можно сделать, когда нельзя, и где здесь пролегает граница между наукой и активизмом, «Медуза» подробно разбирала в большом тексте.
Посадка ровера «Персеверанс»
Странно, что этого не отметили редакторы Science, но успешный старт миссии «Персеверанс», безусловно, достоин быть кандидатом в научные события года. 18 февраля ровер успешно сел на Красную планету, за чем в прямом эфире следила вся планета и «Медуза» в том числе. В сентябре, после первой неудачной попытки, марсоход пробурил и сохранил первые из многих запланированных образцов марсианской породы, которые будущие космические миссии будут извлекать, чтобы ученые на Земле могли проанализировать их на предмет признаков прошлой жизни. В этом же году на марсианской орбите к «Пересеверанс» присоединился аппарат «Аль-Амаль» («Надежда»), созданный в Объединенных Арабских Эмиратах, а на поверхности — китайский неподвижный посадочный модуль «Чжужун», входящий в миссию «Тяньвэнь-1».
И еще немного…
Среди научных работ, которые, судя по объективным измерениям, привлекли максимальное внимание широкого читателя, верхние позиции ожидаемо занимают статьи по ковиду. Например, результаты III фазы клинического исследования «Спутника V». Однако в первой сотне таких работ все-таки можно найти и другие исследования, например:
- Исследование о том, как киты страдают от движения сухогрузов и другого морского транспорта.
- Исследование связи потепления с катастрофическими погодными явлениями — та самая «наука аттрибуции», о которой говорилось выше
- Результаты анализа влияния потребления соли на продолжительность жизни
- Открытие удивительной способности некоторых улиток регенерировать свое тело практически «из ничего»
- Обнаружение следов падения метеорита, сравнимого со знаменитым Тунгусским метеоритом, на территории Палестины
и, наконец,
- Беспокойство ученых по поводу будущего течения Гольфстрим
Несколько альтернативных версий научных итогов года можно прочитать в подборке замечательного научного журнала Quanta Magazine и у сервиса F1000, который собирает малоизвестные, но важные работы уже для самих ученых.
Александр Ершов