На протяжении всего существования человечества ученые меняют наши представления о мире и нашу жизнь. В 2023 год тоже принес множество удивительных и важных научных открытий и прорывов, которые затронули различные области знания, от астрономии и медицины до квантовой физики и синтетической биологии.
Вечный источник энергии
Ученые из Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии провели первый эксперимент в области термоядерного синтеза. Министр энергетики США Дженнифер Грэнхолм описала этот прорыв как «одно из самых впечатляющих научных достижений 21 века», сравнимое с первым полетом братьев Райт в 1903 году.
Дело в том, что используя ту же реакцию, которая питает Солнце и другие звезды, ученые в ходе эксперимента получиили больше энергии, чем использовалось для запуска.
Проще говоря, человечеству впервые удалось произвести энергию без выбросов углерода. То есть вполне возможно, что мы скоро получим взамен ископаемых видов топлива экологически чистый, а главное возобновляемый источник энергии.
Термоядерная реакция включает в себя сталкивание двух частиц ядер легкого элемента со столь большой скоростью, что они сливаются воедино. Полученная масса вырабатывает большое количество энергии, не создавая много радиоактивных отходов.
На создание этого «священного Грааля» ядерных реакций были затрачены десятилетия экспериментов (исследования ведутся с 50-х годов прошлого столетия) и миллиарды долларов.
Синтетические человеческие эмбрионы
В 2023 году сразу несколько научных групп в мире заявили об успехах в создании эмбриональных моделей человека без использования половых клеток – яйцеклеток и сперматозоидов.
Можно ли таким образом создать искусственного человека? Конечно, нет. Даже теоретически для этого как минимум нужна искусственная матка, а ее не существует.
Тем не менее эта работа вызывает серьезные этические и юридические вопросы. Прежде всего потому, что законы большинства стран требуют, чтобы существование таких эмбрионов было остановлено на 14-м дне.
Впрочем, выращенные в лаборатории структуры, это не живые существа, поскольку у них нет мозга и сердца. Однако они включают клетки, которые обычно образуют плаценту и сам зародыш.
С их помощью можно изучить, как развивается человеческий эмбрион на самых ранних стадиях. Кроме того, эти исследования могут помочь найти подходы к лечению, например, генетических заболеваний и решению проблемы ранних выкидышей.
Пока не миелофон, но близко
Именно машиной для чтения мыслей общественность окрестила результаты опытов по семантическому моделированию на основе магнитно-резонансной томографии мозга.
Суть эксперимента заключалась в том, что нейросеть, которую разработали в Японии, научилась с большой точностью восстанавливать картинки, на которые смотрит человек. По сути это достижение объединяет две высокие технологии: МРТ мозга и большие языковые модели.
10-12 лет назад японский ученый Нишимото уже делал подобное сканирование с помощью МРТ и получил восстановленные изображения. Получилась раскадровка по картам МРТ: дом соответствует одной карте МРТ, корабль – другой. Эффект был достигнут простым усреднением. Похожесть созданных таким образом картинок была для примерно 20%.
Теперь тот же самый Нишимото использовал большие языковые модели, семантические декодеры, которые работают в GPT. И на сей раз картинки уже не просто усредняли, а подбирали по смыслу. Итог: вместо нескольких слов или простых предложений этот ИИ может транскрибировать сложные мысли и образы на основе одних только мозговых волн. Конечно, он не идеален - иногда при переводе немного теряется смысл, ключевые слова или понятия изменяются или отсутствуют в транскрипции, и ИИ часто разбирает смысл мыслей, а не точные слова. («Он вошел в дверь» может быть переведено как «Он вошел в комнату», например). В целом получилось примерно 60-70% попадания.
И если вы думаете, чему тут радоваться – на первый взгляд то, что компьютер сможет читать ваши мысли, может показаться совершенно ужасающим – то задумайтесь на секунду: что, если бы, например, Стивен Хокинг мог носить шлем, который бы просто говорил нам, о чем он думает? Что если бы автор мог создавать целые отрывки или целые романы прямо из своих мыслей?
В общем, когда метод визуализации мозга будет перенесен с громоздкого аппарата МРТ, его портативная версия может полностью изменить наше представление о мышлении.
Гель для выращивания электродов в живых организмах
Использование электродов в медицинской технике, которые применяются для искусственной стимуляции нервов, мышц и даже мозга, может быть сродни обоюдоострому мечу - в буквальном смысле. Из каких бы материалов они ни были изготовлены, ни один из них не является достаточно мягким, чтобы полностью снизить риск повреждения мягких тканей, а также раздражения и воспаления этих тканей, что может повлиять на эффективность работы электрода.
Решить эту проблему, похоже, удалось ученым из шведского Университета Линчепинга. Суть метода заключается в использовании специального геля, который впрыскивается в требуемое место, после чего содержащиеся в нем ферменты расщепляют собственные сахара организма и превращает их в ультрамягкий, гибкий и долговечный электрод, который, так сказать, несет всю нагрузку, не подвергаясь при этом никакому риску.
Пока что успешные эксперименты были проведены на рыбах и пиявках, но в перспективе технология может найти применение в медицине для создания безопасных нейроинтерфейсов, позволяющих расширить возможности человеческого организма или лечить различные заболевания.
Лекарство от болезни Альцгеймера
Эффективный метод лечения болезни Альцгеймера открыли сотрудники лаборатории молекулярной нейродегенерации Санкт-Петербургского политехнического университета.
Ученые получили соединения, которые прицельно направили на молекулы-мишени, при этом активируя и меняя функцию последних. Это предотвращает нарушение контактов между клетками в головном мозге, а в итоге улучшается память.
Болезнь Альцгеймера начинается с разрушения в контактах между нейронами мозга. Если получится замедлить процесс утраты связей, то удастся и отсрочить наступление заболевания. Именно на это направлен разработанный препарат.
Полученные соединения ученые испытали на мышах с нарушением памяти. При введении в их организм вещества успешно преодолели гемостатический барьер, достигли мозга и оказали положительное воздействие на его клетки.
Генные ножницы
Исторически генная инженерия – одна из наиболее осторожных и консервативных научных областей, поскольку последствия генных вмешательств могут быть совершенно непредсказуемыми.
Великобритания стала первой страной в мире, официально разрешившей терапию с помощью метода CRISPR – «генетических ножниц», позволяющих, грубо говоря, обрезать гены, вычленяя поврежденные и заменяя их на здоровые. Пока ограничения очень жесткие: метод одобрен только для узкой группы пациентов с определенными видами анемии и талассемии.
Однако прецедент открыл дорогу и другим странам: в декабре аналогичного разрешения добились генетики США от своего правительства. Они успели помочь по крайней мере 44 пациентам с серповидноклеточной анемией, 95% из которых отметили, что больше не испытывают недугов. Вероятно, в дальнейшем генная терапия будет постепенно распространяться и на другие виды заболеваний.
Потомство от двух отцов
Получить потомство двух отцов без матери удалось японским ученым. Клетки, взятые из хвоста самца мыши, биологи преобразовали в стволовые. Затем из них удалили Y-хромосому и добились удвоения X-хромосомы, тем самым превратив мужской набор XY в женский XX.
«Потомки» преобразованных клеток развивались в полноценные яйцеклетки. После оплодотворения и вынашивания суррогатной матерью родились здоровые мышата.
Подобные эксперименты в будущем могут помочь, например, в лечении наследственных заболеваний.