Смертельні віруси, тайфуни та метеорити… Складається враження, що у 2013 р. чимало новин зі світу науки прийшли з голлівудського бойовика. Однак у році, що минає, було також і багато хороших новин. Дослідження космосу зійшли на нову висоту, низка масштабних експериментів почала відкривати таємниці найзагадковішого людського органу – мозку, – а у лікуванні ВІЛу відбулися потужні кроки уперед. Журналісти авторитетного американського наукового журналу Nature зробили огляд основних подій у світі науки за 2013 р. Пройдемося основними віхами наукового життя року, що минає, і ми.
Відкриття у фізиці: від Всесвіту в цілому до елементарних частинок
Коли в липні 2012 року фізики заявляли, що знайшли щось, дуже схоже на бозон Гіґґса – елементарну частинку, яка у Стандартній моделі відповідає за масу та була передбачена шотландським фізиком Пітером Гіґґсом ще 1964 року, – це ще не було приводом для радості. Причиною сумнівів було невизначене значення її спіну – квантового імпульсу, який у елементарних частинок набуває значень 0, 1/2, 1, 2/3 або 2. За обчисленнями Пітера Гіґґса, спін бозона, названого його іменем, мав би дорівнювати 0. Усі сумніви розвіялися цього року: фізики, які працюють на Великому адронному коллайдері, оприлюднили нові дані, які однозначно вказують на нульовий спін. Таким чином, більше нема чого сумніватися, що довгоочікувана елементарна частинка є саме бозоном Гіґґса. Значення відкриття бозону Гіґґса для науки величезне: окрім пояснення природи виникнення у елементарних частинок маси, він доповнює і підтверджує правильність Стандартної моделі елементарних частинок, яка описує три з чотирьох фундаментальних взаємодій у Всесвіті – електромагнітну, сильну і слабку (гравітацію вона не сключає), – та яку інколи називають найдовершенішою теорією в історії науки. За передбачення існування бозона, названого його іменем майже 50 років тому, Пітер Гіґґс у 2013 р. отримав Нобелівську премію з фізики.
Одним з найбільших результатів наукового життя 2013 р., як не парадоксально, також стала відсутність результатів. Великий підземний ксеноновий детектор темної матерії LUX (Large Underground Xenon) – 370 кг рідкого ксенону на глибині 1,5 км у золотій шахті – не виявив часток темної матерії, так званих «вімпів», які пролітали б крізь Землю. Таким чином, LUX – найточніший з усіх досі створених її детекторів – поставив під сумнів наші основні теоретичні уявлення про цю таємничу субстанцію, зокрема щодо маси «вімпів» та їх здатності взаємодіяти з видимою матерією. За словами Метью Штраслера, фізика-теоретика з Ратгерського університету (Нью-Джерсі), експеримент спонукав науковців визнати, що усі попередні натяки на «вімпи» впродовж останніх трьох років були на більше, ніж статистичними похибкою. Темна матерія, отже, виявилася ще «темнішою».
Підземний ксеноновий детектор LUX, який не виявив часток темної матерії.
Про кількість темної матерії у Всесвіті, а це близько 84%, нам відомо передусім з мапи космічного мікрохвильового фону (Cosmic Microwave Background, CMB), яка була створена за допомогою супутника Європейського космічного агентства «Планк» у березні й стала одним з найбільших здобутків у дослідженні природи раннього Всесвіту. Мапа «Планка» є сильним аргументом на користь гіпотези інфляції, згідно якої Всесвіт стрімко розширився одразу після Великого вибуху. Її додатковим тестом могла би стати перевірка впливу космічної інфляції на розподіл поляризації CMB-фотонів, однак їх надзвичайно слабкий сигнал ще вдалося чітко отримати. Надії астрономів, що цей сигнал таки вдасться зафіксувати, зросли після того, як в липні науковці Південнополюсного телескопу повідомили, що одержали натяк на цей сигнал (природа зафіксованого ними випромінювання буде остаточно підтвердженою вже у 2014 р.).
Мапа космічного мікрохвильового фону, створена за допомогою телескопа "Планк".
Інші сигнали з глибокого космосу вдалося достеменно зафіксувати вченим з арктичної лабораторії «Крижаний куб» (IceCube), яка розташована на станції Амундсен-Скотт і завданням якої є стежити за елементарними частинками нейтрино (стабільних нейтральних лептонів з напівцілим спіном і масою, близькою до нуля, які беруть участь тільки в слабкій і гравітаційній взаємодіях), які підтвердили, що вловлені ними нейтрино таки справді походять з дуже далеких галактик. Це, у свою чергу, відкриває перед вченими світ астрономії цих нейтрино, які відіграють важливу роль у перетвореннях елементарних частинок та беруть участь у глобальних космологічних процесах.
Рік мозку
У квітні 2013 р. американський президент Барак Обама оголосив про початок ініціативи ВRAIN – низки пов’язаних між собою проектів, націлених на фундаментальне дослідження людського мозку. Разом з оголошеним в січні проектом європейських вчених вартістю 1 млрд. євро, метою якого є симуляція роботи мозку за допомогою суперкомп’ютерів, американський та європейський проекти започатковують новий етап у вивченні мозку, на якому у фокусі уваги вчених, замість молекулярного та клітинного рівнів, опиниться надскладна взаємодія міріад нейронів, яка породжує думки, спогадки і вчинки. Роль цих проектів у фізіології та медицині можна порівняти лише зі значенням програми «Аполлон» для дослідження космосу. За словами Єви Мардер, невролога з Брандейського університету (Массачусетс), «поступ цифрових технологій дозволив здійснювати детальний аналіз великих мереж нейронів, який був немислимий ще десятиліття назад».
З-поміж технологічних досягнень, які зробили можливим такий тип досліджень, було, зокрема, використання чутливого до кальцію барвника, який у березні використали, щоб підсвітити взаємодію нейронів у мозку личинки акваріумної рибки даніо-реріо та спостерігати за їх безпосередньою взаємодією.
Візуалізація нейронної взаємодії у мозку личинки даніо-реріо.
Спроби створити мапу мозкової архітектоніки також отримали великий стимул від розробленої вченими зі Стенфордського університету технології CLARITY – сукупності хімічних методик видалення додецилсульфатом натрію поглинаючих світло ліпідів, що дають змогу «просвітити» наскрізь мозок та побачити взаємодію підсвічених маркерами нейронів у його глибоких структурах (таких, як таламус). CLARITY дозволяє візуалізувати нейронні мережі мозку, не потребуючи нарізки його скибками.
Тривимірне фото ділянки таламуса миші, створене за допомогою технології CLARITY. Різні кольори позначають різні типи білків, підсвічені маркерами.
Великим внеском у нейроанатомію став також проект канадських та німецьких вчених BigBrain – тривимірна комп’ютерна модель людського мозку, створена з 7400 тонких пластин, проаналізованих та об’єднаних у єдине ціле. А викликані за допомогою стимуляції нейронів в ділянці гіпокампу світлом фальшиві спогади у миші свідчать про те, що технології маніпуляції нейронними взаємодіями вже в недалекому майбутньому.
Зникаючі і нові віруси
Вірус поліомієліту на сьогодні залишився ендемічним тільки у трьох країнах, однак 2013 р. засвідчив, що шлях до повного викорінення хвороби не буде легким. Хоча поширення вірусу у двох ендемічних країнах – Пакистані та Нігерії – вдалося знизити, боротьба з ним зіштовхнулися з серйозними перешкодами (однією з яких є діяльність в обох країнах терористичних банд, які захоплюють в полон і вбивають медичних працівників). У третій країні, де ще у 2012 р. фіксували спалахи захворювання – Афганістані, – впродовж 2013 р. випадків захворювання на поліомієліт зареєстровано не було.
Афганістан: медичний працівник дає дітям вакцину від поліомієліту.
У 2013 р., однак, появився новий ворог: вірус пташиного грипу H7N9 походженням з Китаю. Спалах захворювання у квітні китайські влаcті доволі швидко приборкали, заборонивши вільний продаж птиці на міських ринках, проте епідеміологи очікують повторного спалаху захворювання взимку. Загалом підтверджено 143 випадки зараження H7N9 та 45 смертей від нього. Відстежувати вогнища H7N9 дуже важко через те, що у птиці вірус не викликає видимих симптомів зараження, а, крім того, достеменно невідомо, які саме види є його носіями. На жаль, менш успішною була боротьба з близькосхідним коронавірусом MERS, про перший випадок зараження яким повідомили у вересні 2012 р. На сьогодні підтверджено 185 випадків зараження, з яких 74 закінчилися смертю (практично усі – на Близькому Сході). Джерело поширення вірусу – у Саудівській Аравії. Кількість заражень і смертей від MERS продовжує зростати.
Порівняння кількості заражень і смертей від обох вірусів - H5N7 і коронавірусу MERS.
Нові рубежі
У зондуванні космосу у 2013 р. були як прикрі трафунки, так і хороші новини. При чому хорошого – набагато більше. Прикрістю став вихід з ладу космічного телескопу «Кеплер». Впродовж своєї роботи (з 2009 р.) «Кеплер» продемонстрував вражаючі результати у пошуках нових планет: з його допомогою світ дізнався про існування понад 3.500 екзопланет. Після того, як апарат вийшов з ладу, коли зламався запасний ротор його генератора, процес пошуку придатних до життя світів сильно сповільнився. Іншим космічним місіям пощастило більше. Найуспішнішим 2013 р. став для Китаю, який став третьою державою світу, яка висадила на Місяць свій зонд «Чан’е-3» та рухомий робот «Юе-ту». 2013 р. також запам’ятається дослідженнями Марса. Так, на Червоній планеті продовжує свою роботу ровер НАСА «Curiosity», який подолав 4,5 км на шляху до кінцевої точки свого призначення – кратеру Гейла, – а США та Індія запустили до неї свої орбітальні зонди.
Китайськиий ровер "Юе-ту" виїжджає на поверхню Місяця.
Далеко позаду, однак, їх усіх залишив зонд «Вояджер-1», який стартував ще 1977 р. Подолавши за 36 років своєї мандрівки 19 млрд. км, він став першим штучним тілом, яке вийшло за межі Сонячної системи. Фактично вихід «Вояджера» у міжзоряний простір відбувся ще в серпні 2012 р., проте вчені з впевненістю змогли підтвердити цей факт лише роком пізніше. Наступною метою «Вояджера» є досягти зірки у сузір’ї Жирафа, однак це відбудеться не скоро – приблизно через 40.000 років.
Гості з космосу
Дата 15 лютого 2013 р. увійде в історію завдяки зустрічі з двома космічними блукальцями. Першим був метеорит біля російського Челябінська. За підрахунками вчених, космічне тіло масою близько 100 тонн увійшло в атмосферу зі швидкістю 15 км/сек, вивільнивши енергію, еквівалентну атомному вибуху у Нагасакі (20 кілотон).
Метеорит входить в атмосферу біля Челябинська.
Челябінський метеорит – справжня сенсація, адже це найбільший космічний об’єкт, який досягнув Землі після падіння Тунгуського метеориту (1908), та єдиний в історії такий випадок, що спричинив значні руйнування (кількість потерпілих досягла 1 000 осіб, а збитки оцінюють у 1 млрд. рос. рублів).
Шматок Челябинського метеорита.
Другим гостем став астероїд 2012 DA14 масою 130.000 тонн, що пройшов на критично близькій відстані від Землі — 27.000 км, яка ледве перевищує геостаціонарну орбіту деяких штучних супутників Землі. Якби такий об’єкт зіткнувся з планетою, наслідки були б справді апокаліптичними. Вчені заспокоюють, що ймовірність зіткнення Землі з великим космічним тілом дуже мала, однак слід пам’ятати, що саме падіння на Землю астероїда 66 млн. років тому називають найвірогіднішою причиною великого вимирання, яке, зокрема, покінчило з динозаврами. Цікаво, що б науковці відповіли, якби їх запитали про ймовірність зустрічі Землі одразу з обома екстраординарними космічними гостями в один день?
Зближення Землі з 2012 DA14 15 лютого 2013 р.
Зміни клімату
Концентрація діоксиду вуглецю у травні тимчасово перейшла межу 400 мільйонних часток й стала, отже, найбільшою за всю історію людства. Таким чином, не дивує останній звіт Міжурядової групи експертів з питань зміни клімату, опублікований у вересні, в якому сказано, що за кілька останніх десятиліть клімат змінився різкіше, ніж за тисячі років, й це змінює умови життя й несе загрозу для мільярдів людей на планеті. Руйнівний тайфун «Хайянь», який в листопаді обрушився на Філіппіни та став одним з найбільших за всю історію метеоспостережень, поставивши рекорд швидкості вітру (376 км/год), продемонстрував, наскільки руйнівні сили вивільняє природа внаслідок техногенного втручання у кліматичні механізми.
Тайфун "Хайянь" (фото з космосу).
Тим не менше, екологічна ситуація в році, що минає, не була аж цілком критичною. Так, темпи викидів парникових газів у 2013 р. помірно знизилися, а кількість електроенергії, виробленої на основі відновлювальних джерел, у США та Євросоюзі сягнула 5.000 терават-годин, що приблизно дорівнює річному споживанню електроенергії Китаєм.
Впродовж 15 останніх років, до речі, спостерігається загальна тенденція зниження темпів зростання глобальних температур. Вчені по-різному пояснюють цей факт. Одна з гіпотез стверджує, що відсутнє тепло «ховається» у глибинних шарах світового океану, і вже невдовзі слід чекати нового стрибка середньорічної температури. Інші науковці стверджують, що фіксація сповільнення є статистичною похибкою, зумовленою недостатнім охопленням арктичного регіону, й температура де-факто продовжує стрімко зростати. Мабуть, світло на це питання проллє вже наступний 2014 рік.
Надії і розчарування в лікуванні ВІЛу
Боротьба з «чумою сучасності» принесла як надії, так і розчарування. У березні медики повідомили, що завдяки ранній антиретровірусній терапії вдалося вилікувати вірус у новонародженої дитини. Це стало підтвердження опублікованого в січні дослідження про те, що рання діагностика і лікування вірусу дозволяє вберегти імунну систему практично неушкодженою. Однак перемога над смертельною хворобою ще не близько. Розчаруванням стало повідомлення, що в двох чоловіків, відомих як «бостонські пацієнти», в грудні наступила ремісія після того, як кілька місяців їх вважали одужалими після операції по пересадці кісткового мозку. Успішне лікування дорослих, отже, ще не близько.
Тим не менше, відкриття структури ключового білка ВІЛ, вивчення процесу розвитку нейтралізуючих антитіл в організмі людини, а також демонстрація, що розроблена на основі цих антитіл вакцина успішно захищає мавп від вірусу, у 2013 р. стали джерелом надій для вчених і хворих. За словами Брюса Вокера з Гарвардської медичної школи у Бостоні, «Рік, що минає, став найбільш плідним в історії з погляду розкриття секретів ВІЛ».
Хто наші далекі предки?
Череп, знайдений біля м. Дманісі в Грузії, свідчить, що в давнину існував лише один вид людини, а не чотири.
Багато питань і відповідей 2013 р. приніс в ділянці палеоантропології. Дослідження ДНК древніх людських популяцій – неандертальців і «денисівської людини» – свідчить про те, що між ними, а також ранніми Homo sapiens, йшов активний процес змішування, і в нас є гени гени як цих доісторичних видів людини розумної, так і ще однієї невідомої науці спільноти людей, яка відома лише за опосередкованою генетичною інформацією й решток якої ще поки виявлено не було. Ще одна загадка: знайдений не території Грузії древній череп натякає, що чотири існуючі тоді види роду Homo («Люди») – Homo erectus («Людина прямохочяча»), Homo ergaster («Людина працююча»), Homo habilis («Людина вміла») та Homo rudolfensis («Людина рудольфська») – були насправді одним видом, відмінності всередині якого нагадують відмінності між сучасними людськими расами.
Таким чином, рік, що минає, став плідним з погляду пізнання людиною природи. Він відкрив нові її секрети, приніс багато надії, але не менше і розчарувань, дав відповіді на низку фундаментальних запитань, однак поставив ще більше нерозгаданих загадок. Стрімко множаться знання про світ: своїм розумом людина сягнула у перші миті існування Всесвіту, створивши мапу мікрохвильового фону – відлуння Великого вибуху – та в найменші його частинки, відкривши, зокрема, таємниці бозонів Гіґґса. Спроба створити теорію, яка б пояснила усі сили у Всесвіті (такою теорією є Стандартна модель елементарних частинок), сусідить з тим фактом, що насправді ми не знаємо найголовнішого: з якого джерела походить усе суще. Чи не є тут часом підказкою Святе Письмо: «Небеса оповідають славу Божу, і діло Його рук проголошує твердь небесна» (Псалом 19:1)? Людство намагається боротися з проблемою, яку саме ж породжує – з глобальним потеплінням, – а успіх в протистоянні одним недугам компенсується появою нових смертоносних хвороб. Космічні літальні апарати відкривають перед нами космос і надію на колонізацію нових світів, однак природні катаклізми та космічні блукальці – астероїди і метеорити – свідчать, які вразливі ми насправді на планеті Земля – нашій єдиній поки домівці посеред холодного, мертвого і ворожого нам космосу. Хочеться насамкінець себе спитати: рік 2013-ий приніс людству більше розуму, однак чи приніс він більше мудрості?
21.12.2013