Научные итоги 2019 года и ожидания в 2020 году: мнения российских ученых
Какие научные события уходящего года считают значимыми ведущие российские ученые? Телеканал «Наука» подводит итоги серии интервью с представителями различных направлений науки о наиболее активно развивающихся сферах 2019 года, значимых исследованиях и открытиях, а также ожиданиях от предстоящего года.
Медицина, биология, биомедицина, генетика
Нобелевская премия по медицине за открытие механизма адаптации клеток к кислороду
В качестве важнейшей фундаментальной работы, отмеченной в этом году, можно выделить исследование молекулярных механизмов адаптации клетки, ответа клеток на кислород. За исследование данных процессов Нобелевскую премию 2019 года по медицине и физиологии получили британец сэр Питер Рэтклиф и американцы Уильям Келин-мл. и Грегг Семенца. Эта работа, раскрывающая механизм влияния кислорода на клеточный метаболизм и физиологические функции, названа базовой для большого числа прикладных исследований, связанных в том числе с лечением таких болезней, как анемия и рак.
«Учеными, получившими Нобелевскую премию в области биологии и медицины в этом году, были открыты молекулярные механизмы: как клетка адаптируется к условиям, когда кислорода много, и как клетка адаптируется, когда кислорода мало. Открытие внесло достаточно большой вклад в последующие, уже более прикладные исследования в области изучения патогенеза онкологических заболеваний, диабета второго типа, адаптации к нагрузкам», — рассказал Александр Карасев, исполнительный директор биомедицинского холдинга «Атлас», врач клинико-лабораторной диагностики, специалист в области организации здравоохранения.
Совершенствование метода редактирования генома
Целый ряд работ связан с совершенствованием и развитием технологий редактирования генома CRISPR/Cas9. По словам экспертов, можно констатировать, что в 2019 году генная инженерия перешла на новую ступень. В октябре журнал Nature опубликовал статью, в которой раскрывается суть нового метода. Американским генетикам удалось модифицировать технологию CRISPR/Cas9, обучив ее эффективно исправлять большинство мутаций, приводящих к развитию болезней человека.
Также ученые из Гарварда провели успешные испытания технологии, позволяющей вносить изменения в гены стволовых клеток, не извлекая их из организма. В ходе опытов специалисты загружали механизм генного редактирования CRISPR в различные типы аденоассоциированных вирусов (AAV), которые могут проникнуть в клетки млекопитающих без вреда для них. Полученные результаты говорят о возможности перманентно модифицировать геном не только стволовых клеток, но и полученных от них дифференцированных клеток.
Клеточные исследования мозга
Новые исследования механизмов работы мозга в будущем могут привести к пониманию физиологии различных психических заболеваний. «Технология исследования мозга на уровне отдельных клеток появилась достаточно недавно, но уже сейчас она позволяет взглянуть по-новому на устройство мозга и его работу, — пояснил Филипп Хайтович, нейробиолог, руководитель Института вычислительной биологии в Шанхае, профессор Сколковского института науки и технологий. — С одной стороны, мы увидели, что есть некоторые упущения в, казалось бы, хорошо изученных механизмах работы мозга. С другой стороны, появилась возможность нового подхода к пониманию таких заболеваний, как, например, шизофрения, депрессия, которые казались нам невероятно сложными. Сейчас стало ясно, что их развитие может иметь под собой совершенно четкие и определенные физиологические процессы».
Физика и астрономия
«Портрет» сверхмассивной черной дыры
В апреле сотрудники Event Horizon Telescope опубликовали изображение сверхмассивной черной дыры, распложенной в центре галактики М87. Полученная картинка — результат работы восьми радиотелескопов, расположенных по всему миру.
«Ценность и значимость этого события заключается в следующем. Полученное изображение тени черной дыры, а точнее, ореола фотонов вокруг нее можно считать наиболее прямым из косвенных указаний на существование черных дыр, о которых астрофизики говорят уже полвека, — рассказал Юрий Ковалев, астрофизик, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией Астрономического центра Физического института им. П. Н. Лебедева РАН. — Однозначным доказательством полученный снимок назвать нельзя: существуют физические модели экзотических объектов, которые могут дать что-то похожее. Однако черная дыра оказывается наиболее вероятным кандидатом — это вполне соответствует ожиданиям для данной галактики».
Снимок первой межзвездной кометы 2I/Borisov
Впервые комета было замечена сотрудником Крымской астрофизической обсерватории Геннадием Борисовым 30 августа. В настоящее время орбита кометы достаточно точно известна и однозначно указывает на ее внесолнечное происхождение. Названный по имени своего первооткрывателя объект 2I/Borisov стал вторым известным телом с подобной траекторией.
«Самым запоминающимся событием в 2019 году стало открытие межзвездной кометы, влетевшей в Солнечную систему, — заявил Владимир Сурдин, астроном, доцент физического факультета МГУ, старший научный сотрудник Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга. — Во-первых, это первая в истории науки комета, прилетевшая из-за пределов нашей Солнечной системы, причем прилетевшая с такой бешеной скоростью, что никакого сомнения в ее межзвездном происхождении нет. Это вдвойне подарок астрономам, потому что мы ее заметили на подлете. Ничего необычного, как и ожидалось, мы не увидели в этом объекте, но в этом и есть открытие: за пределами Солнечной системы примерно так же вещество устроено, как и внутри нее. И вдвойне приятно, что ее открыл сотрудник нашего института — Геннадий Борисов. Комета называется 2I/Borisov, то есть второй межзвездный (interstellar) объект "комета Борисова". Геннадий профессиональный астроном, но поиск комет — его хобби, поэтому он скромно называет себя любителем. Всю жизнь он проработал в Южной обсерватории МГУ в Крыму и своими руками сделал телескоп, который позволил совершить такое замечательное открытие. Фантастика!»
Старт проекта «Спектр-РГ»
Запущенная в июле 2019 года российско-германская обсерватория «Спектр-РГ» через три месяца успешно вышла на запланированную рабочую орбиту на расстоянии 1,5 млн км от Земли. Первоочередной задачей «Спектра-РГ» станет составление подробной карты видимой Вселенной.
«Одним из важнейших научных событий прошедшего года является долго ожидавшийся запуск российско-германского спутника "Спектр-РГ". Помимо большого количества задач по изучению объектов Вселенной, полученный материал будет использован для более глубокого понимания механизмов образования структур и распределения материи на ранних этапах формирования Вселенной. Основы этой теории были заложены в работах академиков Я. Б. Зельдовича и Р. А. Сюняева. Академик Сюняев является научным руководителем миссии "Спектр-РГ"», — рассказал Ильдар Габитов, профессор факультета математики Университета Аризоны (США), директор Центра фотоники и квантовых материалов Сколковского института науки и технологий, ведущий научный сотрудник Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН.
Нобелевская премия по физике за открытие экзопланет
Премию за открытие экзопланет и космологические исследования происхождения вселенных получил один из главных теоретиков современной космологии, профессор Принстонского университета Джеймс Пиблз, а также швейцарские астрономы Мишель Майор и Дидье Кело. По мнению членов Нобелевского комитета, оба этих открытия позволили по-новому взглянуть на место человека во Вселенной. «Еще четверть века назад мы совершенно не были уверены, уникальна ли наша Солнечная система, наша планетная система, или таких систем много. Сейчас с уверенностью можно сказать, что планетных систем гигантское разнообразие. Для астрофизики это просто целый новый мир, — рассказал Александр Родин, заведующий лабораторией прикладной инфракрасной спектроскопии МФТИ. — И я не побоюсь сказать, что именно открытие внесолнечных планет ввело науку о планетах в большую науку, потому что до того это была достаточно узкая маргинальная ниша, этим занималось очень небольшое сообщество. А сейчас это мейнстримная прорывная область на стыке астрофизики и геофизики. Фактически в мировой науке создано совершенно новое направление, которое показало гигантский прорыв».
Начало строительства крупнейшего оптического телескопа в мире
В сентябре официально началось строительство купола здания, где будет расположен телескоп E-ELT (European Extremely Large Telescope, «европейский сверхкрупный телескоп"). Гигантское сооружение возводится в Чили. Самым дорогим и сложным в телескопе будет его огромное зеркало диаметром около 39 м. Эта внушительная деталь, а также две вспомогательные отражающие поверхности помогут телескопу получать детальные фотографии планет вне Солнечной системы, звезд из других галактик, а также искать двойников Земли.
Искусственный интеллект, компьютерные технологии, нейросети
«Квантовое превосходство» Google
В октябре компания Google сделала заявление о прорыве в создании квантового компьютера. Специалисты техногиганта рассказали, что новая сверхмощная машина способна значительно быстрее проводить вычисления, чем Summit от IBM, который до настоящего момента считался мощнейшим в мире суперкомпьютером. Новый процессор получил название Sycamore. Он состоит из 53 «кубитов» — элементов, которые хранят квантовые биты информации.
«В течение последних 30 лет прилагаются большие усилия в попытках приблизиться к созданию квантового компьютера, способного решать ряд задач, недоступных для компьютеров классического дизайна. Эта задача по-прежнему далека от решения, — пояснил Ильдар Габитов. — Однако в результате больших коллективных усилий зачастую возникает прогресс в смежных областях. В уходящем году коллективом специалистов компании Google было создано устройство Sycamore, в основу которого были положены концептуальные принципы квантовых вычислителей. С помощью этого устройства удалось значительно превзойти компьютеры классического дизайна в решении специально подобранной для сравнения задачи».
Использование нейросетей
Распознавание лиц, синтез речи, обработка изображений, выявление неполадок, навигация — лишь малая часть современных систем, в которых заложены нейросети. Сейчас алгоритмы подобной технологии находят все более широкое применение.
Среди ярких достижений в применении нейросетей в 2019 году можно выделить следующие.
- Американские ученые разработали нейросеть, которая по крику младенца может точно определять его потребность в данный момент.
- Сотрудники Samsung AI Center-Moscow и специалисты из «Сколкова» создали технологию, позволяющую создать анимацию из нескольких (от одного до восьми) снимков человека
- Нейросеть Speech2Face, разработанная инженерами Массачусетского университета, способна нарисовать портрет человека лишь по его голосу.
- Нейросети научились писать тексты (от короткой заметки до целой повести), неотличимые от написанных человеком.
- Нейросети придумывают новые виды спорта. Так, компания Akqa представила проект Speedgate на основе 7300 правил из 400 видов спорта.
Материаловедение
Работы по сверхпроводимости
В 2019 году исследователи из Университета Джорджа Вашингтона приблизились к достижению одной из самых популярных целей в физике: сверхпроводимости при комнатной температуре. Они получили новый материал, способный проводить ток без потерь. «Данное открытие оказалось триумфом, оно дает надежду, что комнатная сверхпроводимость — мечта человечества — будет в скором времени реализована. Сейчас совершенно очевидно, что комнатная сверхпроводимость возможна по крайней мере при высоких давлениях. Реально ли создать комнатную сверхпроводимость при нормальном давлении — это еще вопрос. При высоком давлении — такого вопроса уже не стоит», — пояснил Артем Оганов, доктор физико-математических наук, профессор Центра энергетических технологий «Сколтеха», профессор РАН.
Российские физики также активно работают над исследованиями в области сверхпроводимости. В 2019 году группе ученых под руководством Артема Оганова и Ивана Трояна из Института кристаллографии РАН удалось синтезировать новый сверхпроводящий материал: декагидрид тория (ThH10) — с очень высокой критической температурой (161 К).
Антропология
Важным событием в области антропологии в 2019 году стало восстановление по ДНК облика денисовского человека. Внешность предка удалось воссоздать из зубов и кости фаланги мизинца, найденных в пещере в Алтайском крае. Изображение денисовского человека (точно известно, что это была девочка) появилось на обложке авторитетного журнала Cell.
Значительным достижением антропологов стали результаты исследования, проведенного в Университетском колледже Лондона. Ученые колледжа пришли к выводу, что Homo sapiens и неандертальцы были разделены как виды 800 000 лет назад, а не около 430 000 лет назад, как считалось ранее. Как и в случае с денисовцами, британские специалисты проанализировали ДНК с зубов древних людей. Исследование показало, что неандерталец отделился вдвое раньше, чем считалось ранее. Тем не менее два вида продолжали сосуществовать после разделения. Не исключено, что между ними происходила гибридизация.
Климат
Одно из ключевых позиций в работе климатологов занимает исследование метана, третьего по распространенности парникового газа после водяного пара и углекислого газа. Понимание механизмов возникновения этого вещества в атмосфере поможет ученым спрогнозировать путь развития климата в будущем. В ходе новых замеров воды с ледников в Гренландии ученые выяснили, что в атмосферу из тающего льда постоянно вымываются огромные массы метана.
Еще одним успехом ученых-климатологов стало обнаружение в американском штате Северная Дакота следов гигантской волны цунами, которую могло вызвать падение крупного астероида на полуострове Юкатан 65 млн лет назад. Известно, что это событие могло привести к исчезновению динозавров и многих других видов животных. Построение цепочки событий прошлого важно для понимания изменений, происходивших в процессе эволюции Земли. Новые данные доказывают, что первым результатом падения астероида было возникновение сильнейшей ударной волны, вызвавшей разрушительное цунами на Северо-Американском континенте.
Чего ждать в 2020 году?
По словам ученых, в науке невозможно предсказать открытия, но можно выделить тенденции, которые помогают понять, в каких областях можно ждать заметных событий.
Нет сомнений, что в 2020 году будет происходить дальнейшее развитие сферы искусственного интеллекта, в том числе его внедрение в различные области науки. В медицине стоит ожидать новых методов коррекции генома человека, а также появления новых лекарственных препаратов, помогающих бороться с генетическими заболеваниями и раком. Астрономы ожидают данных наблюдения «Спектра-РГ», которые могут помочь в понимании основ формирования Вселенной и ее структуры. Также в 2020 году ожидается запуск второй очереди миссии «ЭкзоМарс». Аппарат с комплексом приборов, включающих российские, отправится на Марс в июле. Возможен прорыв в понимании источника космических нейтрино высоких и сверхвысоких энергий. Не исключено, что появятся результаты от телескопа NICER на борту Международной космической станции, миссия которого посвящена изучению нейтронных звезд.