Science определился с научными прорывами 2019 года

Редакция престижного научного издания Science опубликовала список десяти важнейших научных достижений и открытий уходящего года.

В “космическом” месяце апреле были получены первые в истории изображения чёрной дыры и её тени.

В многолетней работе, предшествовавшей публикации результатов, принимали участие около 200 астрономов из разных стран и 13 научных центров. Восемь радиотелескопов, расположенных в Испании, Чили, США и на Южном Полюсе, объединились в систему под названием “Телескоп горизонта событий”.

По разрешающей способности эта система приблизилась к циклопическому инструменту с диаметром зеркала в тысячу километров. В итоге учёные смогли различить детали с угловым размером 20 угловых микросекунд.

Ежедневно в течение всего периода наблюдений каждый из инструментов собирал около 350 терабайт данных. Все они стекались на высокоспециализированные суперкомпьютеры, где синтезировалось единое изображение.

Так был получен “снимок” центральной чёрной дыры галактики М87. Она находится в 55 миллионах световых лет от Земли в созвездии Девы. Одно и то же изображение воспроизводилось в нескольких независимых сеансах наблюдений, так что его можно считать достаточно достоверным.

На полученном “портрете” можно видеть кольцо из раскалённого газа, падающего на чёрную дыру, и тёмную область в центре. Это так называемая тень чёрной дыры. Она образуется из-за воздействия гравитации “монстра” на окружающие его частицы света (фотоны).

Диаметр тени составляет около 100 миллиардов километров (для сравнения: расстояние от Земли до Солнца составляет ничтожные на этом фоне 150 миллионов километров). Сама чёрная дыра находится в центре тени. По радиусу она меньше тени примерно в 2,5 раза.

2019 год стал весьма плодотворным для антропологов, собирающих факты о денисовском человеке.

Так, специалисты впервые изучили останки денисовца, обнаруженные за пределами Алтая. Речь идёт о фрагменте нижней челюсти возрастом по меньшей мере 160 тысяч лет.

Исследователи сделали любопытный вывод: оказалось, некоторые современные жители Азии унаследовали вторые нижние моляры с тремя корнями именно от денисовцев.

Поясним, что большинство людей в мире могут похвастаться лишь двумя корнями у вторых нижних моляров (а некоторые и вовсе обходятся одним). Трёхкорневой нижний моляр встречается у жителей Азии и у незначительной части остального населения планеты.

Учёные полагают, что эта особенность была унаследована сапиенсами в результате скрещивания с денисовцами.

Тем временем генетики помогли антропологам воссоздать внешний облик древних “двоюродных братьев” наших предков.

Эксперты выявили 56 анатомических особенностей, которыми денисовцы отличались от современных людей и/или неандертальцев, и 34 из них относились к строению черепа.

Оказалось, денисовцы, как и неандертальцы, отличались от нас более широкими грудной клеткой и тазом, удлинённым лицом, низким лбом. В то же время они, похоже, обходили наших предков по величине зубной дуги и черепной коробки.

В октябре 2019 года инженеры компании Google заявили, что их квантовый компьютер решил задачу, на которую мощнейшему современному суперкомпьютеру потребовалось бы десять тысячелетий.

Квантовый компьютер, который смог, называется Sycamore и имеет 53 кубита (квантовых бита). Инженеры случайным образом привели каждый кубит в определённое состояние. Повторив этот процесс миллион раз, они вычислили вероятность каждого наблюдавшегося состояния системы просто по его частоте. На весь процесс ушло около 200 секунд.

Обычный компьютер не содержит кубитов “в железе”, так что ему пришлось бы моделировать их программным образом. Как утверждают создатели Sycamore, у современного суперкомпьютера на это ушло бы десять тысяч лет.

Впрочем, авторы специально выбрали задачу, которая была бы трудной для обычного компьютера и лёгкой для квантового. Однако формально условие “квантового превосходства” выполнено.

Ежегодно миллионы детей страдают от острой недостаточности питания. Дефицит питательных веществ приводит к нарушениям роста и многим заболеваниям.

Здоровье таких детей впоследствии не удаётся поправить полноценным питанием. Причина кроется в нарушении созревания кишечной микробиоты (сообщества кишечных бактерий).

Тщательно изучив эту проблему, международная команда учёных разработала пищевые добавки, которые стимулируют рост полезных бактерий в кишечнике недоедающих детей.

Специалисты определили 15 типов бактерий, характерных для зрелой здоровой кишечной микробиоты, а также маркеры крови, которые сигнализируют о восстановлении организма после истощения.

Затем учёные проверили различные комбинации продуктов, которые легко найти в развивающихся странах, чтобы понять, как реагирует на их приём микробиота. Испытания проводились на модельных животных (мышах и свиньях), после чего последовало небольшое клиническое исследование.

По данным авторов, добавки, содержащие нут, бананы, соевую и арахисовую муку лучше всего способствуют созреванию кишечной микробиоты.

У истощённых детей, получавших такие добавки, наблюдался рост содержания белков и метаболитов крови, которые являются маркерами нормального роста.

В настоящее время проводятся более масштабные клинические исследования, которые покажут, насколько эффективно разработка предотвращает задержку роста и как проходит восстановление детей с уже имеющимися нарушениями.

По заявлению исследователей, экспериментальное лечение будет недорогим и доступным.

66 миллионов лет назад удар астероида в районе полуострова Юкатан вызвал критические изменения климата, которые обрекли на смерть господствовавших в то время динозавров и многих других древних существ.

В этом году сразу несколько научных групп описали любопытные детали этого “апокалипсиса”.

Геологи изучили породы, которые заполнили ударный кратер Чиксулуб в течение первых 24 часов после падения астероида.

Основываясь на анализе добытых образцов и компьютерных моделях, исследователи составили наиболее вероятный сценарий событий.

Предполагается, что по мощности удар астероида был эквивалентен взрыву десяти миллиардов (!) атомных бомб, упавших на Хиросиму или Нагасаки.

Взрыв, которым сопровождался удар, повлёк лесные пожары, распространившиеся на тысячи километров, и мощнейшие цунами, ушедшие вглубь материков.

При этом удар астероида испарил серосодержащие минералы в месте падения и отправил их в атмосферу. Это и изменило климат Земли: сера и другие примеси словно накрыли планету светоотражающим одеялом, что вызвало глобальное похолодание.

Таким образом, падение астероида привело к уничтожению всего живого “на местном уровне”, а глобальное изменение климата стало причиной полного исчезновения динозавров.

Тем временем палеонтологи отыскали окаменелые останки древних рыб и других существ, которые, как предполагается, были уничтожены менее чем через час после падения астероида, то есть стали первыми жертвами катаклизма.

А другая научная группа выяснила, как восстанавливались экосистемы планеты в первый миллион лет после падения астероида. Всего авторы выделили три всплеска эволюции растений и млекопитающих, которые совпадали с повышениями температуры примерно на пять градусов по Цельсию.

В 2019 году астероид Аррокот (ранее известный как Ультима Туле) стал самым далёким небесным телом, которое когда-либо посещал космический аппарат.

1 января зонд “Новые горизонты” пролетел рядом с астероидом: в момент максимального сближения расстояние между ними составило всего 3500 километров.

В ходе миссии специалисты получили самое подробное фото астероида и оценили его размеры.

По оценкам астрономов, длина небесного тела составляет около 32 километров, а ширина – 16 километров.

Также новые данные позволили составить представление о форме Аррокота. Изначально он считался своего рода “снеговиком”. На полученных изображениях были видны две сферические части, соединённые тонкой перемычкой.

Однако снимки, сделанные с другого ракурса, показали, что на самом деле небесное тело представляет собой плоский “блин”, соединённый с приплюснутым “грецким орехом”.

Позднее поступили новости и о химическом составе далёкого астероида. Судя по наблюдениям в инфракрасных лучах, на его поверхности присутствует метанол и другая органика.

В этом году микробиологи попытались разрешить спор о происхождении эукариот – организмов, клетки которых содержат ядро. Этот домен охватывает все грибы, растения и животных.

Учёным из Японии удалось культивировать и изучить таинственный организм из группы под названием Asgard.

Поясним, что её представители являются археями (это не бактерии и не эукариоты, а отдельный домен живых организмов). Они были известны только по фрагментам ДНК, выделенным из глубоководных отложений и других экстремальных сред.

Как ни странно, в этих фрагментах были найдены гены, которые, как предполагалось, присутствуют лишь у эукариот. Сравнительный анализ ДНК показал, что представители “архей Асгарда” либо их предки, возможно, являются прародителями эукариот.

Если бы эта провокационная гипотеза подтвердилась, количество доменов в биологической систематике сократилось бы с трёх (архей, эукариот и бактерий) до двух (бактерий и архей).

Но, учитывая скудные доказательства, многие исследователи были настроены скептически.

Теперь же японские учёные смогли культивировать этих архей-экстремофилов (вид Prometheoarchaeum syntrophicum, штамм MK-D1). Авторы упорядочили их геном и подтвердили наличие эукариотических генов.

Более того, другие научные группы выявили эукариотические гены во фрагментах ДНК других членов группы Asgard. И данные о метаболизме этих архей также поддерживают “двухдоменную гипотезу”.

Осенью этого года Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США одобрило экспериментальное лечение наследственного заболевания под названием муковисцидоз (или кистозный фиброз).

Основой терапии стала комбинация трёх препаратов под названием “Трикафта” (Trikafta).

Инновационное лечение устраняет тяжёлые нарушения функций органов дыхания, вызванные наиболее распространённой мутацией (которая встречается у 90% пациентов).

Благодаря препарату быстро прогрессирующее заболевание становится контролируемым. Разработчики надеются, что “Трикафта” продлит срок жизни пациентов с муковисцидозом, который сегодня составляет в среднем около 40 лет.

Клинические испытания подтвердили эффективность и безопасность нового тройного препарата. Пока он одобрен к лечению пациентов от 12 лет. Дальнейшие исследования покажут, можно ли начинать терапию раньше.

В список десяти главных достижений года вошло создание двух прорывных препаратов против смертоносного вируса Эбола.

В основе первого средства – антитела, выделенные из организма пациента, выжившего после вспышки Эболы в 1996 году. В основе другого – коктейль из антител, вырабатываемых организмами мышей с “очеловеченной” иммунной системой.

В клиническом испытании, которое проводилось в Демократической Республике Конго, оба препарата показали столь хорошие результаты, что исследование было прекращено досрочно.

Кстати, в 2019 году специалисты представили ещё один экспериментальный препарат. В его основе – комбинация нескольких антител, способных нейтрализовать сразу три смертоносных эболавируса.

Антитела были выявлены в крови пациента, пережившего эпидемию 2013-2016 годов в Западной Африке. Инъекции лекарства морским свинкам, заражённым суданской разновидностью эболавируса, показали, что таким образом можно быстро блокировать распространение вируса в организме животных.

Дальнейшие эксперименты на приматах показали, что препарат даёт им устойчивость к трём основным видам эболавируса.

Покер – невероятно сложная игра для компьютера. Но в 2019 году искусственный интеллект взял и эту высоту, впервые победив чемпионов в покере на шесть человек (техасский холдэм).

Система искусственного интеллекта, которая сразилась с лучшими игроками планеты, носит название Pluribus.

В одном туре испытаний в каждой партии участвовали Pluribus и пять человек. Всего в этом этапе эксперимента проявили свои умения 13 профессионалов, каждый из которых в своё время выиграл в покер более миллиона долларов. Компьютер сыграл с ними в общей сложности десять тысяч раздач и стал самым успешным из игроков.

В другой части исследования игра велась по схеме “пять копий Pluribus против человека”. Два мэтра (рекордсмен по количеству наград в Мировом туре покера, а также победитель шести турниров Мировой серии покера) сыграли с копиями искусственного интеллекта по пять тысяч партий каждый и в общей сложности уступили компьютерному разуму.

Как пояснили разработчики Pluribus, в ходе игры программа вычисляла шесть стартовых стратегий и выбирала оптимальную. После первого раунда ставок она занималась более детальными вычислениями. Машина просчитывала ситуацию на несколько ходов вперёд и рассматривала пять стратегий, которые может использовать каждый игрок.

Для того, чтобы быть в курсе новостей в сфере науки, подписывайтесь на наш Telegram-канал.