Гены из грязи, вертолет на Марсе и термоядерный синтез: каким был 2021 год для науки
Окна в прошлое
Начнем с события, случившегося в самом конце года и ставшего знаковым для астрономов всего мира. 25 декабря 2021 года был запущен орбитальный инфракрасный телескоп «Джеймс Уэбб» с зеркалом рекордного диаметра (6,5 м). Это универсальный инструмент, который поможет исследовать практически любые космические объекты, от самых далеких галактик до астероидов Солнечной системы. Наверное, самые ожидаемые возможности, которые предоставит «Уэбб» — наблюдение света первых во Вселенной звезд и поиск признаков жизни на планетах за пределами Солнечной системы.
«Уэбб» — не единственный подарок астрономам в уходящем году. В июле 2021 года началось строительство радиотелескопа SKAO — самого большого астрономического инструмента в истории. Суммарная площадь его антенн превысит 1 км2. Он поможет нанести на карту целый миллиард галактик и, возможно, выяснить наконец природу темной материи и темной энергии. SKAO, как и «Уэбб», сможет заглянуть в эпоху рождения первых звезд и галактик. Инфракрасный телескоп и радиотелескоп составят отличную пару, работая каждый в своем диапазоне электромагнитных волн.
Наконец, в декабре 2021-го на орбиту отправился рентгеновский телескоп IXPE. Он будет изучать черные дыры, нейтронные звезды и остатки сверхновых.
Белки на конвейере
Уходящий год еще раз продемонстрировал, как быстро мечты становятся обыденностью, когда речь идет об информационных технологиях. В 2020 году искусственный интеллект впервые предсказал трехмерную структуру белка, а в 2021-м счет «расшифрованных» белков пошел уже на сотни тысяч.
Белки — это не только строительный материал живых клеток, но и катализаторы практически всех биохимических реакций. Неудивительно, что они так интересуют биологов и медиков. Молекула белка представляет собой длинную цепь из звеньев-аминокислот. Она составлена из аминокислот, как слово из букв или поезд из вагонов. Определить эту последовательность относительно просто. Гораздо сложнее выяснить трехмерную структуру, в которую сворачивается молекула, а именно от этой структуры зависят биологические функции белка. Ее можно определить с помощью рентгеновских лучей, но это долго и дорого. Аминокислотная последовательность известна для сотен тысяч человеческих белков, но лишь для 17% от общего числа их звеньев («вагонов поезда») экспериментально определена трехмерная ориентация.
В 2020 году сбылась мечта биологов. Нейронная сеть AlphaFold2 предсказала трехмерную структуру белка по последовательности аминокислот. А в 2021-м исследователи «скормили» нейросети данные о практически всех известных белках человека. Результат оказался блестящим: искусственных интеллект определил пространственную ориентацию 58% аминокислотных звеньев с высокой уверенностью, в том числе 36% — с чрезвычайной уверенностью. Белки, у которых была надежно определена ориентация по крайней мере 75% звеньев, составили 44% выборки. Многие из этих белков являются потенциальными «мишенями» для лекарств.
Практически одновременно другая команда разработала нейронную сеть RoseTTAFold, определившую трехмерную структуру сотен белков. Обе системы имеют открытый исходный код и доступны для всех заинтересованных ученых. Ожидается, что уже в ближайшие месяцы будет расшифрована структура примерно 100 млн белков, относящихся ко всему живому миру. К слову, AlphaFold2 уже применяется для исследования штамма «омикрон» коронавируса SARS-CoV-2.
Марс: недра и небеса
Уходящий год стал знаковым для исследований Красной планеты. Марса достигли сразу три миссии, запущенные летом 2020 года: американская «Марс-2020», китайская «Тяньвэнь-1» и арабская «Аль-Амаль». Зонд Объединенных Арабских Эмиратов представляет собой искусственный спутник Марса, «Тяньвэнь-1» включает как орбитальный аппарат, так и первый китайский марсоход, а миссия «Марс-2020» — ровер Perseverance и вертолет Ingenuity.
О последнем стоит поговорить особо. Это первый аппарат, предназначенный для полетов в атмосфере Марса (над Венерой в свое время парили советские аэростаты). Исходная задача дрона состояла просто в том, чтобы доказать: вертолеты могут летать над Красной планетой. Коптер впервые оторвался от грунта 19 апреля 2021 года. Программа была рассчитана на пять полетов.
Между тем 15 декабря Ingenuity совершил уже восемнадцатый рейс. После пятого команда проекта перешла от тестирования режимов полета к отработке взаимодействия с марсоходом, так что вертолет теперь выполняет для Perseverance разведку местности.
Пока Ingenuity покоряет марсианское небо, зонд InSight, работающий с 2018 года, изучает недра Красной планеты. В 2021-м ученые опубликовали первые данные о мантии и ядре Марса, собранные благодаря сейсмографу миссии. Оказалось, что ядро Красной планеты менее плотное, чем земное, и, скорее всего, полностью жидкое.
Лазерный термояд
Долгожданные новости пришли в минувшем году с фронта борьбы за термоядерную энергетику. Физики из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (США) достигли режима горения плазмы. То есть основным источником нагрева плазмы в реакторе стала сама термоядерная реакция, а не внешний подогрев. Это важный шаг к установке, которая будет производить больше энергии, чем потребляет.
Удивительно, что этот прорыв был сделан в области лазерного синтеза, которую большинство экспертов считало не слишком перспективной. Главное направление исследований — это реакторы-токамаки, удерживающие плазму магнитным полем. К слову, в уходящем году в России запустили токамак, не имеющий аналогов в мире благодаря сочетанию компактных размеров и высокой мощности.
Окрестности Солнца
Уходящий год был богат на новости об исследовании Солнечной системы. Так, впервые в истории космический зонд погрузился в корону Солнца. Зонд Parker, запущенный в 2018 году, последовательно ставит рекорды сближения со светилом. 28 апреля он обновил собственное достижение, подобравшись к поверхности звезды на 15 ее радиусов. При этом аппарат вошел в корону Солнца и впервые напрямую измерил электромагнитные поля и потоки частиц в этом самом внешнем слое нашей звезды. Зонд продолжает двигаться по спирали, на каждом витке все больше сближаясь со светилом. Ожидается, что конечном итоге он опустится ниже девяти солнечных радиусов.
У исследователей астероидов в 2021 году тоже был повод открыть шампанское. 16 октября NASA запустило зонд Lucy. Он отправился к троянским астероидам Юпитера, у которых еще не бывал ни один космический аппарат. Предполагается, что эти небесные тела — реликтовые «зародыши планет», оставшиеся со времен юности Солнечной системы. «Люси» посетит не один или два, а восемь астероидов, и это исторический рекорд.
А 24 ноября в космос отправился зонд DART. Ему предстоит врезаться в астероид Диморф и тем самым впервые искусственно изменить орбиту природного небесного тела. Этот дерзкий эксперимент — учения на случай, если придется спасать Землю от угрозы из космоса.
Новый квантовый мир
Новыми рекордами в 2021 году отметились разработчики квантовых компьютеров, которые потенциально гораздо мощнее обычных. Чтобы потеснить классические ЭВМ, квантовый компьютер должен иметь, по разным оценкам, от тысяч до миллионов кубитов (квантовых битов). До таких цифр пока далеко, но счет уже пошел на сотни. Так, 16 ноября компания IBM презентовала устройство, содержащее 127 кубитов. Уже на следующий день компания QuEra Computing Inc. объявила о готовности чипа с 256 кубитами. Интересно, что инженеры QuEra Computing отказались от двух уже опробованных способов физически реализовать кубиты (в виде сверхпроводящих сетей и ионов) и выбрали третий: новые кубиты представляют собой отдельные атомы. Этот подход может оказаться более перспективным, хотя кто выйдет победителем из квантовой гонки, покажет только время.
ДНК из пещерной грязи
В 2021 г. произошел прорыв в археогенетике — науке о ДНК, извлеченной из археологических находок. ДНК крайне редко сохраняется в человеческих останках возрастом в десятки тысяч лет. Из-за этого у нас мало информации о генах наших далеких предков. Между тем современные технологии позволяют извлекать ДНК не только из биологического материала, но и, например, из почвы и воды. Это называется метагеномикой. Еще недавно метагеномные методы применялись лишь к современным образцам. В 2017 году исследователи впервые применили их к древним пещерным отложениям, выделив ДНК неандертальцев и денисовского человека. Но тогда речь шла лишь о митохондриальной ДНК, которая содержится в особых органеллах клетки — митохондриях. Она очень бедна по сравнению с обычной ДНК, содержащейся в ядре клетки и кодирующей всю нашу наследственную информацию. И вот в 2021 году ученые наконец выделили ядерную ДНК (и не только человеческую) из отложений трех пещер в Испании, Мексике и США. Скорее всего, это только начало, и скоро у нас появится множество новых данных о генах древних людей и окружавших их животных.
Выход за стандарты
2021 год не обошелся без открытий в физике элементарных частиц, особенно адронов — частиц, состоящих из кварков. К адронам, например, относятся протоны и нейтроны, из которых состоит атомное ядро. Общая теория взаимодействия кварков была построена еще в 1960-е годы. Но ее математика столь сложна, что теоретики зачастую не в силах рассчитать, может ли существовать тот или иной гипотетический адрон.
В марте было объявлено об открытии на Большом адронном коллайдере (БАК) четырех новых тетракварков (частиц, состоящих из четырех кварков). Позже к ним добавился еще один. Тем самым общее количество адронов, открытых за все годы работы коллайдера, достигло 60.
Все эти открытия укладываются в Стандартную модель физики элементарных частиц. Эта теория уже полвека успешно проходит все новые и новые экспериментальные проверки, работая далеко за пределами тех данных, по которым когда-то создавалась. Получается, что теория хороша: только плохие модели приходится подгонять под каждый новый факт. Но специалисты по частицам давно тоскуют по открытию хоть чего-нибудь, требующего новых теорий.
В 2021 году было объявлено сразу о двух результатах, выходящих за рамки Стандартной модели. На БАК обнаружили необычные свойства B-мезонов, а в Баксанской нейтринной обсерватории появились вопросы к поведению нейтрино. Авторы обоих препринтов заявляют, что результат эксперимента отклоняется от предсказаний Стандартной модели более чем на 5 сигм. Вероятность, что такое отклонение вызвано случайным наложением шумов, составляет менее 0,00006%, и в физике элементарных частиц это золотой стандарт открытия. Если, конечно, экспериментаторы не переоценили точность своих методов. Экспертному сообществу только предстоит вынести свой вердикт по поводу этих результатов, но если они подтвердятся, это будет огромное событие.
Просто космос
Космонавтика в уходящем году тоже была полна ярких событий. Среди них начало работы китайской орбитальной станции «Тяньгун» (базовый модуль был выведен на орбиту 29 апреля), а также запуск к МКС российских модулей «Наука» (21 июля) и «Причал» (24 ноября).
Новостями порадовал и частный сектор. 20 июля состоялся первый пилотируемый полет корабля New Shepard, созданного компанией Blue Origin, сразу же с туристами на борту. Новый полет совершил и суборбитальный корабль Unity компании Virgin Galactic, впервые поднявшийся над атмосферой еще в 2018-м.
Пассажиры New Shepard и Unity провели в космосе лишь несколько минут. А вот четверо пассажиров корабля Crew Dragon, стартовавшего 16 сентября, пробыли на орбите примерно трое суток. Важно, что ни один из них не был профессиональным астронавтом, а весь полет прошел в автоматическом режиме. Это стало вехой для отрасли космического туризма, подтверждающей, что космос открыт и для людей, не прошедших полноценной подготовки.