Путешествия быстрее скорости света и вакцина от ВИЧ. Рассказываем о самых важных открытиях 2021 года.
Вакцина против ВИЧ прошла успешные испытания
Фото инфицированной ВИЧ T-клетки H9, снятое электронным микроскопом
Недавно Национальный институт аллергии и инфекционных заболеваний США (NIAID) сообщил об успешных испытаниях вакцины от вируса иммунодефицита человека (ВИЧ).
Вакцина создана компанией Moderna - разработчиком одной из самых известных и эффективных вакцин от COVID-19. Примечательно, что вакцина от ВИЧ создана по той же технологии мРНК, что и вакцина от “короны” - мРНК. Эффективность вакцины была проверена на макаках. Через 58 недель после вакцинации у всех привитых животных выработались антитела, нейтрализующие большинство штаммов ВИЧ.
В данный момент ученые корректируют протоколы испытаний. В случае подтверждения безопасности и эффективности вакцины начнутся ее испытания на здоровых взрослых людях.
Термоядерный реактор вышел плюс
Термоядерный синтез считают будущим энергетики, но до этого года ученым не удавалось вывести термоядерный реактор в плюс. Проще говоря, экспериментальные установки потребляли больше энергии, чем вырабатывали. Все изменилось в ноябре.
Впервые в истории энергетики из США смогли сгенерировать больше энергии во время реакции управляемого термоядерного синтеза, чем потребляет эта реакция.
Как сообщают исследователи, в реакции термоядерного синтеза был достигнут рекордный выход энергии в 1,3 мегаджоуля. Это примерно в восемь раз больше, чем в предыдущих экспериментах этого года, и в 25 раз больше, чем в экспериментах, проведенных в 2018 году.
Термоядерный синтез с инерционным удержанием предполагает создание маленькой звезды в контролируемых условиях. Капсулу с «топливом», тяжелыми изотопами водорода дейтерем и тритием, помещают в небольшую пустую золотую камеру (хольраум).
Затем на хольраум направляют 192 мощных лазерных луча. Стенки хольраума превращают это излучение в рентгеновские лучи. Они направляются в капсулу с топливом, нагревая и сжимая ее до условий, которые можно наблюдать только в ядрах звезд: температура более 100 млн градусов и давление более 100 млрд атмосфер. Так в земных условиях зажигается маленькая звезда.
Процесс длится несколько миллиардных долей секунды. Цель эксперимента - получение «бесплатной» энергии. Правда, на розжиг минизвезжы тратится очень много энергии, но ученые считают, что процесс может сгенерировать больше энергии, чем поглощает установка. И, судя по всему, это уже удалось.
Виагра снижает риск болезни Альцгеймера
Болезнь Альцгеймера - одна из главных проблем нашего ближайшего будущего. Современная медицина уже позволяет продлевать жизнь и сохранять тела людей относительно здоровыми, но с сохранением “работоспособности” мозга дело обстоит хуже. По статистике, около 6% людей в возрасте старше 65 лет страдают от болезни Альцгеймера. Болезнь поражает серое вещество головного мозга, что приводит к потере памяти.
Исследование ученых частной клиники Кливленда (США) показывает, что препарат силденафил (более известный как виагра) значительно снижает вероятность развития болезни Альцгеймера.
Ученые проанализировали заявки на медстрахование 7,2 млн человек и обнаружили, что употребление силденафила снижает вероятность развития болезни в течение следующих шести лет почти на 70% по сравнению с пациентами, которые его не принимали.
Конечно, эти результаты не доказывают причинно-следственной связи. Возможно, имеет место обычная корреляция. Например, люди, которые принимали силденафил, могли употреблять и другие препараты или заниматься физической активностью, что повышало их шансы избежать болезни.
Однако исследователи считают, что обнаруженной корреляции достаточно для определения силденафила как главного кандидата на лекарство против болезни Альцгеймера. Теперь ученые собираются провести ряд исследований, чтобы доказать или опровергнуть это предположение.
Размножающиеся роботы
Спроектированные искусственным интеллектом и собранные вручную ксеноботы - живые машины из эмбриональных клеток лягушки - могут спонтанно себя воспроизводить. Впервые ксеноботов представили американские ученые еще в 2020 году. Для их создания использовали стволовые клетки из эмбрионов южноафриканской лягушки Xenopus laevis.
Геном лягушки остался неизменным, но клетки перепрограммировали. После инкубации около 3 тыс клеток соединили вручную с помощью крошечных пинцета и электрода. Созданные таким образом ксеноботы могли двигаться, находить заданные цели и восстанавливаться после повреждений.
В новой работе ученые научили ксеноботов создавать себе подобных. Это совершенно новый способ размножения: «взрослые» ксеноботы собирают клетки, и через несколько дней «малыши» превращаются в полноценных ксеноботов. Ксеноботы используют так называемую кинематическую саморепликацию - процесс, который ранее наблюдался только на молекулярном уровне.
Чтобы выяснить, какая форма ксеноботов лучше всего подходит для воспроизведения, ученые обратились к искусственному интеллекту. Запущенный на суперкомпьютере эволюционный алгоритм протестировал миллиарды форм тела ксеноботов и нашел ту, что обеспечит самую эффективную кинематическую саморепликацию.
На эту задачу суперкомпьютер потратил несколько месяцев. Он остановился на С-образной форме, напоминающей «пакмана» из одноименной игры. Затем ученые собрали роботов по предложенной компьютером схеме и выяснили, что новые ксеноботы могут успешно воспроизводить себя в течение нескольких поколений.
Авторы работы считают, что ксеноботы дадут более глубокое понимание процесса размножения и позволят создавать живые машины для регенеративной медицины, разработки лекарств и сбора микропластика в воде.
Лекарство от старости
Применение лекарств, останавливающих процесс старения и омолаживающих организм, может начаться через пять-десять лет. Японские ученые открыли механизм, с помощью которого можно избавиться от стареющих клеток.
По словам профессора научно-исследовательского института медицины Токийского университета Макото Наканиси, возрастное ослабление функций организма вызвано накоплением в органах «стареющих» клеток, запускающих воспалительные процессы.
60 лет назад их открыл американец Леонард Хейфлик. Он обнаружил, что клетки могут делиться лишь определенное количество раз. Последние исследования доказали, что деление может прекратиться из-за повреждения ДНК или окислительного стресса.
«Если удалить» стареющие «клетки, то можно остановить воспалительные процессы, а следовательно, добиться существенного торможения старения», - говорит Лэписи.
В 2014 году ученые стали изучать, почему клетки не могут размножаться, и обнаружили молекулярный механизм. Они создали клетки с общими для всех «стареющих» клеток свойствами и стали искать то, что убивало бы только их.
Ученые выяснили, что для «стареющей» клетки важен фермент GLS1. Он тесно связан с процессом метаболизма глутамина. Чтобы выжить и нейтрализовать кислую среду, клетка нуждается в аммиаке, который производится при превращении глутамина в глутаминовую кислоту, то есть при процессе, в котором необходим GLS1.
Исследователи использовали препарат, который проходит клинические испытания как лекарство против рака. Этот препарат ввели старой мыши. Результатом стало резкое улучшение в органах и структурах, которые претерпели возрастные изменения. После инъекции ученые увидели улучшение симптомов диабетической болезни и атеросклероза.
“Накопление “стареющих” клеток вызывает болезни Альцгеймера и Паркинсона. Одним препаратом можно достичь улучшения по многим видам возрастных заболеваний и добиться омоложения”, - говорит профессор.
Если будет доказана безопасность препарата для человека, его поначалу начнут применять для людей с прогерией - синдромом преждевременного старения. Затем - для тех, кто страдает от возрастного ослабления мышц и других возрастных болезней.
Простое разложение CO2 на кислород и углерод
Австралийские ученые создали простую и эффективную установку для превращения углекислого газа в кислород и углерод. В случае ее масштабирования автомобили с ДВС, ТЭС на угле или газе и промышленные установки вместо углекислого газа во время сжигания топлива смогут производить чистый кислород.
В основе опытной установки объемом два литра лежат физико-химические явления, связанные с пропусканием углекислого газа через галлий. Это так называемый жидкий металл, который начинает плавиться при температуре 30 градусов.
Кроме галлия в жидкой форме и галлия в виде наночастиц, в смесь добавляются серебряные стержни нанометровых размеров. В процессе работы смесь интенсивно перемешивается. Это вызывает трибоэлектрохимические реакции: жидкости из-за силы трения активнее взаимодействуют с поверхностями твердых наполнителей.
Ученые сообщают, что компактная установка в течение месяца без изменения характеристик ежеминутно преобразовывала 100 мл CO2.
На превращение тонны CO2 в кислород и твердый углерод потратили всего 230 кВт-ч электричества. Эффективность преобразования достигла 92%. Углерод образуется в виде хлопьев и просто всплывает на поверхность.
По мнению ученых, такими установками можно оборудовать каждый автомобиль и электростанцию на ископаемом топливе, в результате чего воздух посвежеет буквально «на глазах». Для коммерциализации технологии исследователи уже создали компанию LM Plus.
Превращение света в материю
Исследователи американской Брукхейвенской национальной лаборатории с помощью сложного ускорителя частиц превратили свет в электроны. Это явление произошло на нашей планете впервые. Прорыв подтвердил предсказания, сделанные влиятельными физиками почти сто лет назад.
Превращение фотонов, безмассовых частиц света, в электроны, элементарные частицы материи, ученые совершили с помощью релятивистского коллайдера тяжелых ионов RHIC. Теоретические предпосылки этой работы появились в начале 20 века. Для их проверки ученые создали соленоидный трекер-детектор (STAR).
Марсианский вертолет
В начале 2021 года на поверхность Марса сел аппарат Perseverance. На его борту на Красную планету прибыл небольшой вертолет Ingenuity - первый летательный аппарат в истории человечества, спроектированный для полетов в условиях чужой атмосферы.
Планировалось, что он совершит пять полетов в течение 30 марсианских дней. Авторы проката хотели выяснить, могут ли вертолеты работать в разреженной марсианской атмосфере. Но Ingenuity превзошел все ожидания и за полгода работы поставил несколько рекордов. Вертолет совершил уже 18 вылетов. Он поднимался на высоту 12 метров, летел со скоростью 18 км/ч, преодолел расстояние 3,6 км и провел в полете 30 мин.
Аппарат полностью автоматический: руководители только отправляют общие команды, а вертолет выполняет их сам. Программное обеспечение Ingenuity предусматривает полеты только над плоской поверхностью. Разработчики не учили вертолет работать в гористой местности, потому что не предполагали, что он будет работать так долго и эффективно
На создание аппарата весом 1,8 кг NASA потратило 85 млн долл. Помимо того, что Ingenuity смог летать в атмосфере Марса, плотность которой в 72 раза ниже земной, он внес бесценный вклад в развитие аэрокосмических технологий.
Вакцина от рака
Клиника в Кливленде объявила о начале беспрецедентных клинических испытаний препарата, предотвращающего развитие трижды рака молочной железы (ТНРМЗ) - самой агрессивной разновидности этого заболевания.
По статистике, именно эта форма рака груди чаще всего диагностируется у женщин в возрасте до 40 лет, а также у людей с врожденной генетической мутацией (BRCA1), что значительно повышает риск развития этого заболевания.
Такую мутацию унаследовала актриса Анджелина Джоли. Узнав, что вероятность развития этой разновидности рака у нее составляет 87%, она удалила обе молочные железы. После операции риск актрисы заболеть упал до 5%.
Разработать вакцину, которая бы существенно снижала риск развития болезни, пытаются несколько научных коллективов. Однако испытания потенциальных препаратов до сих пор ограничивались лабораторными опытами на животных.
Действие препарата, вводимого в виде трех инъекций с двухнедельным перерывом между ними, основано на поиске в организме специфического белка. В норме он производится лишь у молодых матерей в период кормления грудью. В остальное время присутствие этого протеина в крови указывает на наличие потенциальной опухоли. Обнаружив его, вакцина подает сигнал иммунной системе.
Пока препарат будут испытывать на добровольцах, у которых ТНРМЗ диагностирован на ранней стадии и излечим с помощью традиционной терапии. Следующим шагом станет испытание вакцины на здоровых волонтерах из группы риска, в том числе на женщинах с наследственной мутацией гена BRCA1.
Варп-двигатель и сверхсветовые полеты
Каждый современный человек еще со школьных лет знает, что превысить скорость света невозможно. Но если искривить пространство-время, ограничения становятся очень условиями.
Бывший аэрокосмический инженер NASA Гарольд Уайт случайно сделал открытие, которое стало первым в мире подтверждением реальности так называемого варп-пузыря или пузыря Алькубьерре. Это может открыть человечеству дорогу к звездам.
Уайт является энтузиастом варп-двигателей. Он работает по контракту с DARPA и параллельно развивает собственную некоммерческую организацию Limitless Space Institute (LSI).
Сочетание его собственных исследований, работ LSI и проектов DARPA позволило исследователю сделать удивительное открытие: увидеть рождение варп-пузыря там, где другой ученый не обратил бы на это явление внимания.
Для DARPA Уайт исследует эффект Казимира. Он интересен тем, что на микроуровне позволяет выявлять определенные квантовые явления в виде взаимного притяжения двух объектов под действием свободно рождающихся частиц и исчезающих в вакууме. В нашем макромире такой эффект можно наблюдать при зарождении островов мусора в океане. Для DARPA ученый исследовал явление геометрии поверхностей объектов.
При анализе распределения энергии для одной из конфигураций оказалось, что распределение энергии соответствует выкладкам физика-теоретика Мигеля Алькубьерре о возможности существования варп-пузыря, а это путь к рукотворному искривлению пространства и движению со скоростью выше скорости света.
