Главные научные прорывы года

В 2016 году снова отличились астрономы и физики

Москва. 30 декабря. INTERFAX.RU - Подводя итоги уходящего года, нельзя не вспомнить о самых значимых событиях в сфере науки и техники. В этом году снова отличились астрономы и физики, своими открытиями приближающие будущее, которое еще некогда казалось фантастическим и нереальным. Астрофизики все дальше вглядываются в космическое пространство, биологи вовсю осваивают революционную технологию редактирования генома; отличились и инженеры, уже сделавшие реальностью беспилотные самоуправляемые машины. "Интерфакс" делится своим видением самых главных научных и технических прорывов 2016 года.

Гравитационные волны

11 февраля Эйнштейн мог бы торжествующе улыбнуться - ученые впервые объявили о том, что смогли поймать гравитационные волны, о которых говорилось в его теории относительности. На самом деле экспериментальное открытие было совершено еще 14 сентября 2015 года, но как только развеялись все сомнения, миру было объявлено, что детекторы обсерватории LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) расположенные в Ливингстоне (Луизиана, США) и Хэнфорде (Вашингтон), зарегистрировали гравитационные волны, источником которых стало слияние двух черных дыр (36 и 29 масс Солнца) около 1,3 млрд лет назад.

Было зафиксировано повышение частоты колебаний со временем - как раз то, что предсказывает Общая теория относительности для сливающихся массивных объектов (чем ближе они подходят друг к другу, тем выше частота вращения и частота испускаемых гравитационных волн).

Анализ полученного сигнала занял около месяца. В отличие от электромагнитных волн, интенсивность гравитационных волн на много порядков меньше, поэтому на их обнаружение ушло много времени.

LIGO - система из двух одинаковых лазерных интерферометров, настроенных для регистрации мельчайших смещений от прохождения гравитационных волн. Детекторы расположены на расстоянии около трех тысяч километров друг от друга, они собраны по Г-схеме, их длина составляет четыре километра.

LIGO приступила к работе еще в 2002 году, но открытие удалось сделать после модернизации, завершившейся летом 2015 года. Тогда чувствительность наблюдений удалось повысить почти на порядок. Ученые после открытия заявили, что астрономия гравитационных волн может стать астрономией XXI века. Более того, она может дать важную информацию о природе гравитации, "черных дырах" и фундаментальной физике.

Кстати, сигнал гравитационных волн можно послушать: он находится в акустическом диапазоне и ученые смогли напрямую перевести колебания в звук.

"Новая" Земля

В конце августа международная группа астрономов заявила об открытии экзопланеты Proxima b у ближайшей к Солнцу звезды — Проксимы Центавра. Планета совершает полный оборот вокруг красного карлика за 11,2 дня и находится в обитаемой зоне звезды, то есть там даже может быть вода. Небесное тело очень похоже на Землю, во всяком случае статистика исследования экзопланет позволяет это предположить.

Минимальная масса Proxima b составляет 1,27 массы Земли, она находится в 20 раз ближе к центральному светилу системы, чем наша планета. Если у Proxima b нет атмосферы (определить это сейчас невозможно), то ее равновесная температура оценивается в –40 градусов по Цельсию (для Земли та же оценка дает порядка –20 градусов).

Новый способ редактирования генома

Китайские ученые в 2016 году сделали смелый шаг в сторону персонализированной биомедицины будущего. 28 октября они впервые в мире провели эксперимент по редактированию генома взрослого человека с помощью технологии CRISPR/Cas9.

В рамках испытаний пациентам с метастазировавшим немелкоклеточным раком легких, устойчивым к остальным видам лечения, ввели собственные Т-лимфоциты, в которых с помощью технологии CRISPR/Cas9 был удален ген мембранного белка PD-1. Этот белок подавляет клеточный иммунитет и позволяет опухоли инактивировать лимфоциты. В настоящее время для блокирования этого белка применяются препараты на основе антител, однако ответ на них сильно отличается у разных пациентов. Ученые надеются, что эффект от применения CRISPR будет более выраженным и предсказуемым.

Исследователи планируют в ближайшие месяцы получить данные о работоспособности и эффективности методики. Критериями успеха можно будет считать, если метод окажется безопасным, во-вторых, больным не станет хуже, в-третьих, если течение болезни хотя бы замедлится. Результат трудно предсказать: увеличение активности иммунных клеток после редактирования способно стимулировать автоиммунный ответ и привести к серьезным осложнениям.

Испытания по редактированию генома человека с помощью технологии CRISPR/Cas9 планируются также и в США. В июне 2016 года Федеральная комиссия по биологической безопасности и этике США одобрила клинические испытания. Ученые планируют использовать эту технологию для внесения дополнительных изменений в Т-лимфоциты с химерными антигенными рецепторами (CAR). В клетках планируется удалить белок PD-1, а также натуральный рецептор лимфоцитов TCR, наличие которого уменьшает эффективность CAR.

Девятая планета Солнечной системы

20 января астрономы Калифорнийского технологического института Майк Браун и Константин Батыгин получили новые доказательства существования "планеты Х" - объекта размером с Нептун за пределами орбиты Плутона, на границе Солнечной системы.

Масса планеты в десять раз превышает массу Земли. В ближайшей точке она подходит к Солнцу на

расстояние, в семь раз превышающее радиус орбиты Нептуна, — на 200 астрономических единиц (астрономическая единица равна расстоянию от Солнца до Земли). Дальняя точка орбиты удалена от нашей звезды на 600-1200 астрономических единиц.

Напрямую увидеть планету астрономам не удалось. Все данные о "планете Х" основаны на просчете орбит семи ранее известных транснептуновых объектов, среди которых Седна (открытая тем же Брауном), объекты 2004 VN112, 2013RF98 и другие.

Сами авторы исследования признаются, что до тех пор, пока планету не удастся определить напрямую с помощью телескопов, ее существование будет оставаться гипотезой.

Прорыв в антиматерии

В конце декабря физики возвестили новую эру в постижении антиматерии. Физики международной коллаборации ALPHA впервые пролили свет на антиматерию, измерив атомы антиводорода. Полученный результат стал подтверждением того, что одна из фундаментальных симметрий нашей Вселенной — CPT-симметрия — сохраняется. Эксперимент стал кульминацией более 20 лет работы научного сообщества CERN.

CPT (Charge-Parity-Time) симметрия — одно из фундаментальных свойств современных физических теорий. Это симметрия относительно одновременного изменения заряда, замены "право" на "лево" и обращения времени. Согласно ей частицы и античастицы (позитроны и электроны, протоны и антипротоны) почти не отличаются друг от друга: любой процесс в веществе, отраженный в зеркале и запущенный в обратном порядке будет протекать в точности так же, как и тот же процесс в антивеществе. Соответственно, многие свойства вещества и антивещества также будут совпадать, в особенности, их энергетические спектры.

Условное изображение перехода позитрона с основного на первый возбужденный уровень

В новой работе коллаборация впервые измерила оптический спектр поглощения антиводорода, определив энергию для перехода позитрона с основного на первый возбужденный уровень (1S-2S). По словам физиков, сама работа показывает, что исследования антиматерии достигли поворотной точки: от принципиальных экспериментов к прецизионным измерениям и метрологии.

Триумф искусственного интеллекта

15 марта программа AlphaGo, разработанная британской компанией DeepMind, нанесла поражение сильнейшему игроку в настольной игре го - Ли Седолю. После пяти часов игры он признал проигрыш, положив на гобан камень противника. Компьютер выиграл четыре из пяти игр.

Изначально алгоритм не учили играть и выигрывать в го — нейросеть самостоятельно обучалась игре на примере реальных партий. Всего AlphaGo за период обучения обработала 30 млн комбинаций, что позволило ей выработать аналог интуитивной игры у человека. Также программа использует и традиционный для компьютерных программ метод перебора наилучшего хода для разрешения локальных ситуаций на доске.

Ранее AlphaGo, использующая так называемые "сети значений" для оценки положения камней го на доске и "сети правил" для выбора ходов, обыграла другие программы в 99,8% партий.

Беспилотные технологии

Всего несколько лет ушло на то, чтобы беспилотные автомобили прошли путь от концепции далёкого будущего до практически реальной технологии. В перспективе они могут полностью вытеснить с улиц старые машины с людьми-водителями. В ближайшие годы необходимо будет решить много юридических и технологических проблем, но тем не менее уже сейчас беспилотные машины стали одним из главных ньюсмейкеров. Редкий месяц обходился без новостей об испытаниях самоуправляемых машин, и сегодня уже можно начинать говорить о заре их эксплуатации.

В 2016 году их впервые начали использовать в реальном транспортном бизнесе. Автономный грузовик компании Otto в своем первом беспилотном рейсе перевез 45 тыс. банок пива Budweiser. А компания nuTonomy в конце августа впервые запустила службу беспилотных такси в Сингапуре. В сентябре Uber начала первые тесты беспилотных такси в Питтсбурге в штате Пенсильвания. Позже в Сан-Франциско компания,

правда, приостановила испытания беспилотных такси после того, как регуляторы штата Калифорния отозвали у нее регистрацию на самоуправляемые автомобили, но едва ли юридическая коллизия будет неразрешима.

Проект создания робоавтомобилей Google насчитывает уже седьмой год, и вот в декабре первый штат США - Мичиган - разрешил продажу серийных беспилотных автомобилей и их коммерческую эксплуатацию, в том числе в режиме беспилотного такси по вызову. Тем временем корпорация Alphabet (холдинг, получившийся в результате реструктуризации Google) объявила о выделении проекта беспилотных автомобилей в отдельную независимую компанию под названием Waymo. Судя по всему, уже создается неслабая конкурентная среда на рынке коммерческого использования автономных автомобилей. Здесь для новоиспеченной компании конкурентами выступают Tesla Motors, Uber и, возможно, Apple. Итак, беспилотные таксопарки в городах - уже не за горами.

Сердца трех

В конце 2015 года стало известно, что Великобритания первой одобрила искусственное оплодотворение с ДНК трех родителей. В уходящем году другое государство - Мексика перешла от слов к делу и позволило американскому хирургу Джону Чану произвести оплодотворение с участием митохондриальной ДНК третьего человека. Чан провел на человеке процедуру переноса ядра от одной яйцеклетки к другой. У ребенка, рожденного в результате такой процедуры, присутствуют гены не только отца и матери, но и митохондриальная ДНК от женщины-донора.

Митохондрии, так называемые "энергетические станции клетки", наследуются только по материнской линии. Данный метод - замена митохондрий материнской яйцеклетки на митохондрии из яйцеклетки здоровой женщины-донора - позволяет избежать возможных наследственных болезней со стороны матери. Ребенок, рожденный в результате такой процедуры, будет нести генетическую информацию от трех родителей (хотя доля донорской митохондриальной ДНК, конечно, составляет лишь доли процента от родительской ядерной).