В этом году мы читали о прорывах в трансплантологии, восхищались тем, как искусственный интеллект рисует картины в стиле известных художников, и любовались снимками телескопа "Джеймс Уэбб". Рассказываем, чем важны эти результаты — а также те, которые вы могли пропустить
Новая надежда для трансплантологии
Прямо сейчас около 100 тыс. человек нуждаются в донорских органах. Выше всего потребность в почке, следом идут печень и сердце. Но их постоянно не хватает, и люди вынуждены ждать годами или надеяться на счастливый случай.
Даже если орган удается получить, часто возникает проблема с его качеством. Большую часть трансплантатов обеспечивает посмертное донорство. В этом случае орган уже может быть поврежден (например, из-за травмы или ишемии, наступившей уже после остановки кровообращения).
Ученые и врачи давно экспериментируют с ксенотрансплантацией — пересадкой органов от животных. Одним из самых перспективных животных для этих целей считается свинья. У свиней короткий период созревания, они могут давать большое потомство и близки человеку по физиологии.
Сегодня свиную кожу часто используют как временный заменитель человеческой при ожогах. Но с целыми органами до недавнего времени была проблема. Иммунная система людей реагировала на чужеродные органы острым отторжением. В 90-е годы ученые выяснили, что основной причиной была особая молекула галактоза-альфа-1,3-галактоза (альфа-гал).
В 2010-х годах американская компания Revivicor с помощью генной инженерии вывела особую породу свиней GalSafe. Ряд генов, которые ответственны за реакцию отторжения, были "выключены". При этом ученые добавили шесть человеческих генов для улучшения совместимости и убрали один, связанный с ростом тканей сердца.
7 января 2022 года врачи из Мэрилендского медицинского университета впервые пересадили человеку сердце свиньи из того самого стада компании Revivicor. Изначально команда не обнаружила проблем в работе имплантированного органа, а пациент шел на поправку. Однако спустя два месяца мужчина неожиданно скончался. Это вызвало споры вокруг безопасности ксенотрансплантации.
Ученые не смогли обнаружить физические или биохимические следы, которые бы указывали на то, что иммунная система отторгла пересаженное сердце. Однако позже они нашли аномалии в кардиоритмах сердца, которые ускользнули от внимания ученых во время проведения операции. Такие аномалии, по мнению специалистов, говорят о сбоях в работе клеточных систем, отвечающих за передачу электрических сигналов внутри сердца.
Несмотря на печальный исход, операция показала важный результат: ученым удалось обойти барьер в виде острой реакции иммунной системы. Нерешенными остаются проблемы с долгосрочной совместимостью органов. Что стало причиной сбоев — последствия болезни донора? Инфекции из свиных тканей? Ошибки во время операции? Ошибки и неучтенные факторы, допущенные при генном редактировании? Ученым еще предстоит это понять.
Древнейшие галактики в объективе телескопа "Джеймс Уэбб"
В декабре прошлого года в космос был запущен самый большой и мощный орбитальный телескоп. Обсерватория, названная в честь одного из руководителей NASA Джеймса Уэбба, позволяет получать снимки в инфракрасном диапазоне. На Земле такие волны целиком поглощаются атмосферой. Но в этом спектре космическая пыль, заслоняющая удаленные объекты, становится прозрачной — а значит, можно разглядеть гораздо четче планеты, звезды и галактики.
С работой телескопа было связано много ожиданий — прежде всего по поводу изучения ранней истории Вселенной. Свет от самых ранних звезд и галактик может долететь до нас, но его не разглядеть в оптические телескопы. Из-за расширения Вселенной объекты удаляются друг от друга. Для самых дальних звезд и галактик это значит, что их излучение смещается в ИК-диапазон. Здесь и пригодится "Джеймс Уэбб", который может увидеть Вселенную такой, какой она была всего через 250 млн или даже 100 млн лет после рождения.
В ноябре этого года телескоп отправил на Землю снимки, на которых были запечатлены две самые древние из известных галактик. Они образовались через 350 млн и 450 млн лет после Большого взрыва. Телескоп также показал более четкое изображение объектов нашей Солнечной системы — например, тусклые пылевые кольца Нептуна. Это позволит астрономам лучше изучить строение и формирование планет.
Самое захватывающее — спектральный анализ способен указать на признаки жизни. Например, в атмосфере Земли много кислорода из-за растений. Без них кислород просто исчез бы, прореагировав еще с чем-нибудь. Теоретически с помощью "Джеймса Уэбба" даже можно будет засечь разумную цивилизацию. Так, если взглянуть из космоса на Землю, наше присутствие выдаст наличие хлорфторуглеродов, из-за которых возникали озоновые дыры: эти соединения почти не встречаются в природе.
Пока что один из важных результатов такого рода — обнаружение углекислого газа в атмосфере газовой планеты-гиганта WASP-39b, вращающейся вокруг звезды, подобной Солнцу, на расстоянии 700 световых лет от нас. По своим условиям планета непригодна для жизни, но при других условиях (например, если бы планета имела твердую поверхность) такое открытие могло бы указывать на биологические процессы.
Прорыв в экспериментах с термоядерным синтезом
Термоядерный синтез — технология, которой уже несколько десятилетий пытаются овладеть физики. Вообще-то подобные реакции происходят в природе совсем недалеко от нас — на Солнце. В результате слияния атомных ядер высвобождается гигантская энергия, при этом этот процесс безопасен, так как не производит никаких вредных выбросов (в отличие от современных АЭС).
Плюсы такого реактора в том, что для него нужно относительно мало топлива, а энергии в идеале должно получаться много. Но в реальности достичь этого очень сложно. Дело в том, что для слияния ядер требуется очень много энергии. Во всех предыдущих экспериментах эти затраты были больше, чем удавалось получить. Но в 2022 году ученым наконец удалось "выйти в плюс". Правда, совсем небольшой — полученной энергии хватило бы на то, чтобы вскипятить десяток-другой чайников.
Ученые Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса в Калифорнии поместили водород в маленькую капсулу, а затем нагрели ее лазерами до астрономических 100 млн градусов Цельсия (больше, чем в центре Солнца). В результате в капсуле возникло давление, превышающее земное в 100 млрд раз. Именно эти условия и обеспечили слияние ядер. Этот успех, вероятно, повлияет на финансирование разработок. Сегодня модель "быстрого" синтеза (при помощи лазеров) конкурирует с другой, где температуру плазмы повышают с помощью магнитных полей и электрических токов.
Теперь цель состоит в том, чтобы сделать эксперимент примерно в 100 раз более эффективным, — только тогда мы будем на грани ядерного синтеза как жизнеспособного, масштабируемого источника энергии. Ученые предполагают добиться этого с помощью совершенствования технологии фокусировки лазерных лучей. На это, по их оценкам, уйдет еще несколько десятилетий — но меньше, чем потребовалось на достижение текущих результатов.
Успех эксперимента по защите Земли от астероидов
Списки сценариев, которые могли бы вызвать катастрофу планетарных масштабов, неизменно включают столкновение Земли с крупным астероидом. Каждый год мы видим новости о том, что Земля избежала встречи с очередным потенциально опасным объектом. И хотя чаще всего вероятность такой встречи мала, ученые постоянно подчеркивают, что угроза может возникнуть в любой момент.
И главное — до недавнего времени мы были беззащитны против такой угрозы. Сбить или уничтожить астероид на подлете к Земле не получится — слишком велика его скорость. Но можно постараться изменить его траекторию заранее. К этому плану уже несколько лет было приковано внимание ученых и инженеров. И в этом году он увенчался успехом.
В ноябре прошлого года агентство NASA запустило ракету-носитель Falcon-9 с противоастероидным зондом на борту. Он должен был пролететь почти 10 млн км, а затем врезаться в астероид Диморф. В конце сентября в NASA сообщили, что аппарат столкнулся с астероидом и успешно изменил его траекторию. Глава Национального управления США по аэронавтике и исследованию космического пространства Билл Нельсон заявил, что орбитальный виток Диморфа, который вращается вокруг более крупного астероида Дидим, сократился на 32 минуты, а также изменилось его положение относительно Дидима.
В NASA также отметили, что это первый случай, когда человечество намеренно изменило движение небесного тела. Впрочем, с более массивными астероидами такой подход может не сработать. И Земле еще придется столкнуться с искусственно вызванным метеорным дождем из обломков Диморфа. Но до этого события еще тысячи лет, а опасность от него куда меньше, чем от самого астероида.
Искусственный интеллект учится творчеству и разгадывает загадки жизни
В этом году многие оценили возможности генеративных нейронных сетей. Например, нейросеть Midjourney научилась рисовать иллюстрации, которые повторяют стилистику известных художников, "дорисовывать" известные картины и даже объединять разные иллюстрации в одну. Все это — по запросу пользователя, написанному обычным языком.
Но это не единственный крупный результат. Экспериментальный чат-бот исследовательской лаборатории искусственного интеллекта (ИИ) OpenAI готов обогнать широко используемые поисковые системы в интернете, такие как Google. Это потому, что он более естественно общается с людьми, объясняя концепции и отвечая четкими и простыми предложениями.
Чат-бот даже предлагает идеи с нуля, включая идеи рождественских подарков, темы для блогов и планы на отпуск. Это не означает, что компьютер сможет уже сегодня заменить специалистов творческих профессий. Его предложения основаны на данных, взятых из интернета, поэтому результаты часто имеют оттенок вторичности и банальности, в них встречаются нелепые ошибки и логические нестыковки (ведь программа не думает, как человек, а только копирует). Но кто знает, насколько нейросети продвинутся в этом направлении еще через год?
Еще одно важное применение искусственного интеллекта — разгадывание структуры белков. Крупные технологические компании в этом году предприняли важные шаги, чтобы выявить строительные блоки жизни. Компания Alphabet от Google выпустила базу данных сотен миллионов белковых структур, многие из которых ранее были неизвестны науке. Искусственный интеллект смог предсказать формы этих белков — в будущем это поможет ученым понять их функции и разработать новые лекарства.
Исследователи обучили модели на последовательностях известных белков, чтобы системы искусственного интеллекта могли изучать закономерности и создавать точные трехмерные структуры. Всего за две недели нейросеть предсказала структуру более 600 млн белков вирусов, бактерий и других микробов. Данные о белках собраны в общедоступном Метагеномном атласе ESM компании Meta (признана в России экстремистской). Тем временем DeepMind предсказал структуру около 220 млн белков, обнаруженных примерно у миллиона различных видов, включая растения, животных, грибы и бактерии.
