Телеканал «Наука». Что ждет науку в 2021 году?
Канал «Наука» и Российская академия наук (РАН) подвели итоги серии экспертных интервью с российскими учеными. В данном проекте участвовали более 60 ученых — представителей различных отраслей науки. Эксперты прокомментировали научные итоги 2020 года, а также рассказали о своих ожиданиях от 2021 года.
2020 год был богат на научные события и достижения, совершенные как международными командами, так и российскими учеными. Наиболее значимые из них комментируют участники исследования. Опрос был проведен при поддержке РАН.
Получена сверхпроводимость при комнатной температуре
Группа американских физиков опубликовала статью в Nature, где сообщила об обнаружении сверхпроводимости в углеродистом гидриде серы. Материал сохраняет свойства при довольно высокой температуре +15 °С. Более того, по словам ученых, и это не предел — за счет правильного подбора действующих веществ возможно еще большее повышение критической температуры. Однако на данный момент для поддержания эффекта необходимо просто колоссальное давление, равное примерно тому, что есть в центре Земли.
Что может дать человечеству данное открытие? Например, широкое применение поездов на магнитной подушке — наземного транспорта, скорость которого равна самолету, но при этом с намного меньшим потреблением энергии. Кажется фантастикой, но не исключено, что ученым удастся сделать ее реальностью.
Артем Ромаевич Оганов, профессор «Сколтеха» и МИСиС, доктор физико-математических наук, член Европейской академии, действительный член Королевского химического общества и Американского физического общества:
— Сверхпроводимость — это очень интересное явление, которое до сих пор не полностью понято. Для появления сверхпроводимости требуется глубокое охлаждение; первый сверхпроводник вообще требовал охлаждения до 4 кельвинов (–269 °С). Потом были открыты сверхпроводники, работающие при все более высокой температуре. Очень долго держался рекорд 138 кельвинов (–135 °С) для очень сложных оксидных материалов. Этот рекорд был поставлен в 1993 году. Это тоже достаточно сильное охлаждение, но уже выше температуры жидкого азота. Люди стремились к комнатной сверхпроводимости, и в 2020 году она впервые была достигнута. Правда, при очень высоком давлении, но в любом случае это дает очень много надежд и идей, как можно было бы осуществить комнатную сверхпроводимость при нормальном давлении. Если это будет сделано, это будет просто революция.
В этой области, кстати, мы тоже много работаем. Мы предсказали и даже экспериментально реализовали целую палитру удивительных высокотемпературных сверхпроводников, наша максимальная температура сверхпроводимости — 253 кельвина (–20 °С).
Обнаружение на Венере газа, который может указывать на наличие жизни
Ученые из Кардиффского университета (Великобритания) в ходе наблюдений с наземных телескопов обнаружили в атмосфере Венеры газ фосфин — вещество, которое может свидетельствовать о живых организмах. Исследование было опубликовано в журнале Nature Astronomy.
Между тем астрономы не утверждают, что в верхних слоях планеты может быть жизнь, они только указали на то, что на Венере могут идти химические процессы неизвестного происхождения.
Температура на второй планете от Солнца достигает экстремально высоких показателей, в то время как ее атмосферное давление превышает земное в десятки раз. В состав атмосферы Венеры входят соединения серы, но совсем отсутствует кислород и водяной пар, что делает ее непригодной для белковых форм жизни. Тем не менее существуют предположения, что некоторые микроорганизмы, так называемые экстремофилы, вполне могли бы существовать в верхних слоях атмосферы планеты. Доказательством как раз и может служить наличие фосфина.
Александр Вячеславович Родин, кандидат физико-математических наук, исполнительный директор Научно-технического центра мониторинга окружающей среды и экологии МФТИ:
— В атмосфере Венеры на уровне облачного слоя, где-то порядка 60–70 км от поверхности, было обнаружено вещество, наличия которого там в равновесном состоянии химия не предсказывает, — фосфин РН3. Известно, что на Земле фосфин является продуктом биогенной активности. Хотя в случае Венеры это, безусловно, далеко не единственное объяснение, которое можно предположить, оно вызвало довольно много шума вокруг этого открытия. Характерно, что открытие сделано не с помощью космических аппаратов, а посредством наземных методов, основанных на спектроскопии сверхвысокого разрешения в микроволновом диапазоне. Решающую роль при этом сыграла уникальная регистрирующая аппаратура с рекордными характеристиками, которые для полезной нагрузки космических аппаратов пока недоступны.
Прилунение китайского зонда и продолжающиеся исследования Марса
Сразу несколько значимых событий в исследовании космоса были отмечены в июле 2020 года. Так, НАСА запустило на Марс новый аппарат «Персеверанс» («настойчивость» — англ.), который, по расчетам ученых, должен опуститься на поверхность планеты в феврале. В его задачи входит поиск следов жизни, исследование геологии Марса, а также сбор и доставка грунта на Землю.
Также в феврале ожидается посадка на планете китайского зонда «Тяньвэнь-1» — первого в истории страны. Аппарат, стартовавший с Земли 23 июля, будет заниматься изучением поверхности и поиском воды на Красной планете.
В свою очередь, Объединенные Арабские Эмираты отправили на Марс зонд «Хоуп» («надежда» — англ.), цель которого изучить атмосферу и ее взаимодействие с солнечным ветром. Запуск «Хоуп» стал первым масштабным космическим проектом арабского мира. Ожидается, что зонд проработает на орбите минимум два года. Однако этим исследованием ОАЭ ограничиваться не планируют — уже сейчас ведется разработка проекта по строительству города на Марсе к 2117 году.
В фокусе ученых не только Марс. В декабре —китайский зонд «Чанъэ-5» совершил успешную посадку на поверхности Луны. Установленная на аппарате камера сделала снимки с места прилунения. После «Чанъэ-5» собрал образцы грунта Луны. 16 декабря аппарат сбросил контейнер с веществом на территорию Внутренней Монголии. Для Китая посадка зонда стала третьей успешной миссией на Луне.
Юрий Николаевич Кульчин, академик РАН, научный руководитель Института автоматики и процессов управления ДВО РАН, заместитель председателя Дальневосточного отделения РАН:
— То, что Китай смог реализовать полет к Луне, — это чрезвычайно важное событие. Но в то же время этого полета могло не быть, если бы не использовали опыт российской науки, накопленный в области космонавтики.
Новые результаты исследований гравитационных волн
В марте 2020 года завершился третий сеанс наблюдений обсерваториями LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) и Virgo. В их задачу входит обнаружение гравитационных волн космического происхождения.
Третий сеанс начался в апреле 2019 года. К его окончанию астрофизикам удалось обнаружить более 50 гравитационных волн. Исследование было остановлено раньше срока для обеспечения мер безопасности в условиях пандемии.
Сергей Борисович Попов, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга:
— Совсем недавно началась эпоха гравитационно-волновой астрономии, и мы находимся на стадии, когда каждый следующий научный сеанс проходит на большей чувствительности детекторов, показывает нам больше событий вообще и интересных событий в частности. Соответственно, третий сеанс — не исключение. Очень важно увеличивать количество известных слияний черных дыр и нейтронных звезд — это самые интересные объекты.
В то же время группе астрономов из Гарварда впервые удалось обнаружить гравитационные волны, исходящие от тесной двойной системы белых карликовых звезд. Эта система, известная как J2322 + 0509, имеет короткий орбитальный период (чуть более 20 минут) и является первым источником гравитационных волн такого рода.
Открытие позволит ученым не только лучше понять устройство обнаруженной системы, но и проверить ее в качестве источника гравитационных волн на будущем космическом лазерном интерферометре LISA (Laser Interferometer Space Antenna).
Проект LISA разрабатывают Европейское космическое агентство и NASA. Его запуск намечен на 2034 год. Одной из главных целей LISA будет поиск гравитационных волн от черных дыр промежуточных масс, свойства популяции которых остаются неизвестными, или тесных двойных белых карликов.
Искусственный интеллект решил научную задачу сворачивания белка
Разработчики DeepMind, исследовательского подразделения Google, объявили о решении научной задачи, разгадку которой не могли найти более 50 лет. Благодаря алгоритму машинного обучения ученым удалось предсказать трехмерную структуру белка по его аминокислотной последовательности. С белками тесно связаны большинство биологических процессов, поэтому понимание механизма его сворачивания поможет исследователям разобраться в происхождении заболеваний и разработать новые лекарства. Так, с помощью представленного DeepMind алгоритма уже удалось определить структуру нескольких белков коронавируса SARS-CoV-2.
Любопытно, что компания DeepMind прежде была известна как разработчик алгоритмов, которые научились обыгрывать людей в компьютерные игры.
Заур Аязович Мамедьяров, кандидат экономических наук, старший научный сотрудник ИМЭМО РАН, заведующий сектором экономики науки и инноваций:
— Известно, что белок имеет свойство сворачиваться в определенную форму. Это называют фолдингом белка, и как конкретно это происходит, предсказать очень сложно, существуют разные методы. C середины 1990-х проводится конкурс таких методов, и в конце прошлого года нейронная сеть компании DeepMind смогла решить задачу особенно быстро и точно. Это важно по двум причинам. Во-первых, успех нейронной сети указывает на то, что, вероятнее всего, дальше проблему фолдинга будут решать с помощью именно такого подхода, а не каких-то других методов. Во-вторых, собственно, зачем это нужно: предсказание трехмерной структуры белка позволит исследовать миллионы пока не изученных белков и ускорить создание лекарств нового типа. Мы сможем начать предсказывать, как будет вести себя то или иное лекарство в реальных условиях, да и просто лучше понять, как устроено живое, живой организм. Это может дать серьезный толчок развитию биотехнологий в глобальном масштабе.
Результаты работы обсерватории «Спектр-РГ»
Наблюдения совместного проекта «Спектр-РГ» осуществляются при помощи двух рентгеновских телескопов: eROSITA и ART-XC, разработанных в Германии и России соответственно. Совместная работа этих двух телескопов, работающих в различных диапазонах, позволяет создать подробную карту неба.
В 2020 году российский телескоп ART-XC обсерватории «Спектр-РГ» провел два обзора всего неба, в результате чего была получена мелкомасштабная топографическая карта Вселенной в жестких рентгеновских лучах.
Юрий Юрьевич Балега, вице-президент РАН, академик РАН, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой астроприборостроения Университета ИТМО:
— Обсерватория «Спектр-РГ» работает на расстоянии 1,5 млн км от Земли. Два телескопа, работающие на ней, — немецкий eROSITA и российский ART-XC — закончили уже две карты, два обзора неба, обнаружили более миллиона новых галактик, не только галактик, но и других рентгеновских источников, среди которых будет огромное множество новых объектов, ранее неизвестных. Всего должно быть сделано семь таких карт, и тогда точность к концу миссии «Спектра-РГ» будет в пять раз выше, чем сейчас, — это будет самая детальная карта неба в рентгене. И уже оценив число скоплений галактик, мы сможем наконец ответить на один из важнейших вопросов: как расширяется Вселенная? Известно, что Вселенная где-то посерединке своего возраста начала расширяться с ускорением. И это ускорение связано с действием некой загадочной мистической силы, которую назвали «тёмная энергия». Всё, что мы не понимаем, мы называем «тёмная» или «чёрная энергия». Я уверен, что работа космической обсерватории нашей, российской, будет оценена человечеством после завершения миссии очень высоко. Это будет одно из крупнейших достижений науки всего человечества уже через пару лет. Руководит работой Рашид Алиевич Сюняев, академик РАН. Это великий человек и великий популяризатор науки.
Российские астрофизики установили источник мельчайших космических частиц — нейтрино
Нейтрино — элементарная частица, масса которой остается для ученых загадкой. Доказано, что нейтрино способно проникать сквозь предметы, людей и нашу планету. Долгое время оставалось неизвестным, где рождаются космические нейтрино. Группа российских ученых из ФИАНа, МФТИ и ИЯИ РАН выяснили, что загадочные частицы образуются в центрах сверхсильных источников энергии в космосе — квазаров с массивными черными дырами и выбросами очень горячего газа. Исследование было опубликовано в журнале Astrophysical Journal.
Полученный результат астрофизики в будущем планируют проверить с помощью Байкальского подводного нейтринного телескопа (Baikal-GVD).
Валерий Анатольевич Рубаков, академик РАН, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, профессор МГУ:
— Есть уже вполне однозначные указания на то, какие есть ускорители сверхвысоких энергий в космосе. Похоже, это определенные типы квазаров, что следует из комбинаций данных о космических нейтрино высоких энергий и о радиоизлучении этих квазаров. Этот весьма неожиданный результат был получен в 2020 году сотрудниками Физического института РАН, Института ядерных исследований РАН и Специальной астрофизической обсерватории РАН. Мы уже давно знаем, что к нам из космоса приходят частицы сверхвысоких энергий — такие, которые мы не можем получать на ускорителях на Земле. И до сих пор не было известно, где же они ускоряются-то, какие вообще есть механизмы и условия ускорения до сверхвысоких энергий. Эта история уже тянется порядка полувека, а может быть, даже больше. И сейчас, похоже, она получает свое разрешение.
Вручение Нобелевской премии по химии за редактирование генома CRISPR/Cas9
Работа, за которую были награждены французский ученый-микробиолог Эммануэль Шарпантье и американский биохимик и генетик Дженнифер Дудна, была опубликована в 2012 году. Нобелевские лауреаты изучили компоненты системы CRISPR/Cas9, которая имеет бактериальное происхождение и помогает бороться с вирусами путем разрезания их ДНК. В ходе исследований Шарпантье и Дудне удалось перестроить обнаруженные «генетические ножницы» таким образом, чтобы вносить нужные изменения в геном любого организма.
Данный метод в значительной степени повлиял на лечение редких болезней, в том числе наследственных. Его также применяют в сельском хозяйстве для создания новых ГМО. Ученые надеются, что в будущем технология CRISPR/Cas9 позволит создавать новые методики борьбы с такими тяжелыми заболеваниями, как диабет, лейкемия, шизофрения.
Андрей Иннокентьевич Шестаков, руководитель группы микробной биотехнологии, научный сотрудник кафедры микробиологи биологического факультета МГУ:
— Награждение Нобелевской премией по химии — это результат многолетней работы. Награда за редактирование генома CRISPR/Cas9 была ожидаема, когда-то надо было дать за это премию. Это, конечно, очень любопытный инструмент, которым многие сейчас активно пользуются. Как и всегда, смысл работы изначально был строго фундаментальный: выяснить, как устроена работа иммунитета у микроорганизмов. С точки зрения исследования генома микробы — отличный пример того, как живые организмы смогли реализовать у себя бактериальный иммунитет к бактериофагам. И этот инструмент, который был обнаружен, человек может дальше использовать не только у микробов, а использовать его в других областях как метод генной инженерии. Открытие Шарпантье и Дудны демонстрирует, что никакой прикладной науки без фундаментальной быть не может.
В то же время с момента появления первых работ, посвященных редактированию генома, не утихают споры об этичности и оправданности применения данной технологии на людях. Громким скандалом обернулась история о появлении в 2018 году в Китае девочек-близнецов, гены которых были отредактированы. Сейчас ведется строгий контроль за проведением любых процедур, связанных с применением метода редактирования генома. Тем не менее исследования продолжаются. В 2020 году CRISPR применили in vivo для лечения одной из форм врожденной слепоты.
Российские биологи раскрыли роль прокариотических белков-аргонавтов
Группа биологов из Института молекулярной генетики РАН провели опыт in vivo с белками-аргонавтами прокариота Clostridium butyricum. В ходе эксперимента выяснилось, что эти белки способны усиливать противовирусную защиту клетки посредством системы гомологической рекомбинации-репарации (recBCD), которая позволяет устранять повреждения ДНК. Более того, ученые доказали существование ДНК-интерференции, которая в перспективе может помочь в изучении генетических заболеваний. Также на основании полученных результатов становится возможным создание системы редактирования генома, альтернативной CRISPR/Cas. Исследование было опубликовано в Nature.
Петр Андреевич Сломинский, доктор биологических наук, профессор, заместитель директора Института молекулярной генетики НИЦ «Курчатовский институт» по научной работе, заведующий лабораторией молекулярной генетики наследственных болезней Института молекулярной генетики РАН:
— Белки семейства аргонавтов относительно хорошо изучены у эукариот, где они играют ключевую роль в процессах РНК-интерференции, обеспечивая сайленсинг мобильных генетических элементов, некоторых вирусов, регуляции экспрессии генов. В последние годы было показано, что белки этого семейства присутствуют в геномах бактерий и архей и формируют высокогетерогенное семейство прокариотических аргонавтов — pAgo. Белки рAgo в качестве мишени могут использовать и ДНК, вызывая ДНК-интерференцию. Этот процесс еще мало изучен, и его анализ представляет большой общебиологический интерес. С другой стороны, ДНК-интерференция с помощью белков pAgo может стать основой для новых методов редактирования геномов, приходящих на смену технологиям CRISPR/Cas.
Эксперименты российских физиков по лазерной обработке перовскита
Ученые из Дальневосточного федерального университета и Университета ИТМО (Санкт-Петербург) вместе с иностранными коллегами разработали метод лазерной обработки минерала перовскита, который позволяет делать солнечные батареи всех цветов радуги, создавать нанолазеры для будущих оптических транзисторов, а также наносить на поверхность информацию, которую сможет прочитать только тот, кому она предназначена. Результаты исследования опубликовал журнал Small.
Перовскит — редкий минерал, состоящий из атомов кальция, титана и кислорода. Сегодня его все больше применяют в солнечной энергетике, фотонике и нелинейной оптике. Из перовскита создают сверхпроводники. Проблема в том, что перовскиты легко утрачивают свойства при обработке. Российские физики решили эту проблему, разработав уникальную технологию обработки перовскитов с помощью фемтосекундных лазерных импульсов.
Чего ждать в 2021 году?
Учитывая события 2020 года, большинство ученых сходятся во мнении, что в 2021 году будут активно развиваться биологические науки. Возможно, главным вектором станет биомедицина. Есть ожидания, что в 2021 году будет точно установлено, какие виды животных являются резервуарами и носителями COVID-19, будет и продвижение в понимании природы вирусов вообще.
Также ученые ждут заметных результатов в геномных исследованиях, которые помогут победить различные заболевания, ранее не поддававшиеся излечению. Одно из важнейших направлений в биомедицине будет связано с дальнейшей разработкой методов редактирования геномов.
Сегодня к обычным медицинским проблемам добавилась необходимость оптимизировать работу мозга в условиях быстро меняющейся среды, синхронизировать его с искусственным интеллектом и цифровыми технологиями. Ученые также будут работать в этом направлении и предлагать решения.
В области физики многие ждут результатов в исследованиях сверхтяжелых элементов, а также новых открытий коллайдера NICA в Дубне и Большого адронного коллайдера. Возможно получение первых данных с Байкальского нейтринного телескопа.
Также большинство респондентов прогнозируют заметный прогресс в космосе — дальнейшее развитие проекта по изучению Луны, Венеры, астероидов. Ожидают результатов работы «Спектра-РГ». Ждут и новые данные с Марса, так как в начале 2021 года планируется высадка трех марсоходов. Будут вводиться в строй новые телескопы, которые позволят проводить более точные исследования.
Основываясь на результатах достижений последних лет в развитии технологий искусственного интеллекта, ученые предположили, что в этой области можно ожидать новых данных. В 2021 году однозначно продолжится расширение применения нейронных сетей — возможно, с неожиданными результатами.
В то же время ученые отмечают, что научные открытия зачастую случаются неожиданно, поэтому прогнозировать их сложно. Тем не менее каждый год происходят события, которые делают нас ближе к пониманию процессов внутри самого человека, в обществе, в мире и далеком космосе, поэтому исследования будут продолжаться. Об их результатах вы всегда сможете узнать на телеканале «Наука», сайте канала и в социальных сетях.
Отметим также, что первая тема, которая поднималась при обсуждении научных итогов и планов на 2021 год, — это пандемия COVID-19. О том, как это событие повлияло на фундаментальную и прикладную науку и какую роль сыграли научные достижения в этой беспрецедентной для мира ситуации, мы уже писали ранее.
Следите за наукой — будет интересно!