Списание Science обяви 10-те най-големи научни пробива за 2022 г.

Всяка година в средата на декември списание Science публикува списък с научните постижения на годината, като избира един най-голям пробив и девет други важни открития. За разлика от Nature, списъкът Science не е посветен на хората, чиито имена са свързани с най-важните научни истории през годината, а на самите събития и открития.

През 2021 г. редакторите на списанието обявиха за основен научен пробив на годината напредъка в предсказването на структурата на протеините с помощта на машинно обучение, по-специално алгоритми с отворен код AlphaFold2 и RoseTTAFold. Основният пробив според редакцията тази година е въвеждането в експлоатация на космическия телескоп "Джеймс Уеб" (JWST).

Мисията на космическия телескоп "Джеймс Уеб"

JWST е космическа обсерватория за изучаване на Вселената в инфрачервения диапазон на дължината на вълната (за разлика например от Хъбъл, който работи в оптичната и ултравиолетовата част на спектъра). Основното огледало на обсерваторията се състои от 18 позлатени берилиеви сегмента с обща площ 27 квадратни метра и тегло 625 килограма: шест пъти по-голямо от огледалото на Хъбъл и почти с една трета по-леко.

За подготовката за стартирането на телескопа бяха необходими почти четвърт век и 10 милиарда долара. Затова стартирането и началото на наблюденията е истински пробив.

Всъщност космическата обсерватория не излита в космоса през 2022 г., а в края на 2021 г. - на 25 декември 2021 г., след тригодишни всеобхватни тестове, ракетата Ариана 5 с телескопа стартира от Куру във Френска Гвиана. За да бъдат избегнати хронологични несъответствия, редакционната колегия нарича пробив не изстрелването, а полета на телескопа, защото се случва след публикуването на предишния списък.

^{Сравнение на изображенията от Хъбъл на Стълбовете на сътворението (вляво) и изображенията от Джеймс Уеб (вдясно)
Кредит: NASA, ESA, CSA, Joseph DePasquale, Anton M. Koekemoer, Alyssa Pagan / STScI}

През януари 2022 г. инфрачервеният телескоп навлиза в орбита около втората точка на Лагранж в системата Слънце-Земя и на 11 февруари изпраща първото си техническо изображение. Още пет месеца по-късно обсерваторията официално започва научната си програма и първото научно изображение - пример за гравитационна леща на светлина от далечна галактика от ранната Вселена - е публикувано вечерта на 11 юли. На следващия ден са представени изображения на мъглявините Карина и Южен пръстен, както и на групата компактни галактики "Квинтет на Стефан".

_{Първото директно изображение на екзопланета от JWST - младия гигант HIP 65426 b. С помощта на оптични маски, които блокират отблясъците от звездата (отбелязана със звезда), сиянието на планетата може да се види на различни дължини на вълната. Кредит: NASA, ESA, CSA, Joseph DePasquale, Anton M. Koekemoer, Alyssa Pagan / STScI}

В продължение на шест месеца след това телескопът редовно прави снимки както на нови, така и на добре познати обекти, но с недостъпна досега резолюция и в различна част от спектъра.

Многогодишен ориз

Според редакцията на Science в челната десетка заслужава място многогодишен сорт ориз с висок добив. Превръщането на едногодишните треви в многогодишни форми е един от начините за постигане на по-високи добиви, но и за запазване на почвеното плодородие, без да се изразходват твърде много ресурси.

За първи път многогодишният ориз е отгледан преди двадесет години чрез кръстосване на култивирания азиатски ориз Oryza sativa с африканския му многогодишен роднина Oryza longistaminata. Но бяха нужни още две десетилетия, за да се постигне достатъчен добив от него. Китайските учени започват да го изследват през 2018 г., а тази година отчитат успехите си.

_{а - едногодишен ориз Oryza sativa, b - многогодишен ориз O. longistaminata, c и d - многогодишен развъден сорт PR23, по-долу - оризова плантация PR23 в провинция Юнан в Китай: e - зрял ориз от първата година, f - след първото зимуване, g - повторно израснал ориз през втората година, h - зрял ориз за втората година. Кредит: Shilai Zhang et al./ Nature Sustainability, 2022}

Техният сорт PR23 дава приблизително същото количество зърно през първата година като обикновения едногодишен ориз, при същите разходи за засаждане и отглеждане. И през втората, третата и четвъртата година добивът остава същият, като спада едва през петата година. Това спестява 77 човекодни на хектар за сезон и намалява разходите наполовина.

Невронни мрежи - творци

2022 г. е годината, в която технологията за изкуствен интелект (AI) навлезе в области, които някога са били смятани за уникално човешки, включително изкуството и научните открития. Отначало навлизането на машините бе бавно, но тази година то се превърна в неудържим колонизатор на тези нови територии.

Миналата година редакторите на списание Science отличиха AI инструменти, които предсказват 3D структурата на протеините от последователността на техните аминокиселинни градивни елементи. Разширявайки тази работа, изследователите вече са използват AI, за да проектират изцяло нови протеини, които могат да се използват във ваксини, строителни материали или наномашини. Една техника, наречена „халюцинация“, започва с произволни секвенции и ги мутира към последователности, за които други AI инструменти са сигурни, че ще ги сгънат в стабилни протеини.

_{Наноразмерни пръстени, всеки с диаметър милиард пъти по-малък от маково семе, които могат да бъдат монтирани в персонализирани наномашини. Кредит: University of Washington}

Но тазгодишното издание отбелязва невронните мрежи, използвани за създаване на изображения и видеоклипове.

Най-впечатляващото доказателство - неизбежно в социалните медии - идва от така наречените модели "от текст към изображение". Те използват машинно обучение, за да анализират сдвояването на текст и изображения онлайн, намирайки модели, които им позволяват да създават нови изображения въз основа на нов текст. (От 4 октомври НаукаOFFNews вече използва невронни мрежи за съставяне на илюстрации)

_{Представата на невронна мрежа за темата на статията. Илюстрация, създадена с помощта на AI Dream от НаукаOFFNews}

Миналата година изследователската лаборатория OpenAI представи софтуерна система, наречена DALL-E, която при запитване за „фотьойл във формата на авокадо“ може да изплюе няколко очарователни примера. Тази пролет OpenAI пусна голяма надстройка, DALL-E 2. Тя внедри техника за машинно обучение, наречена "дифузия", при която изображенията се появяват от „шум“, ръководени от контекст или текстови описания.

Методът може ефективно да генерира реалистични и привлекателни картини. Няколко дифузионни модела станаха достъпни за обществено ползване тази година и художник, използващ един, спечели конкурс за изящни изкуства, предизвиквайки както любопитство, така и отрицание.

^{Победителят в конкурса. Кредит: "Jason Allen via Midjourney"}

През октомври Google разширява креативните алгоритми на Imagen и за видео. Сега невронните мрежи са се научили да генерират видеоклипове въз основа на текстови описания. Няколко дни преди това изследователи от Meta представят подобен алгоритъм. Малко по-късно изследователи от Google разработват Imagic - модел на невронна мрежа, който редактира изображения въз основа на словесни инструкции.

Може да прочетете за това как подобни невронни мрежи вече влияят в практиката на художниците и дизайнерите в статията "Краде ли изкуственият интелект на Lensa от човешкото изкуство? Експерт обяснява противоречията".

Най-големите бактерии

През юни тази година биолози описват най-голямата известна бактерия. Тя е не просто по-голяма от всички други бактерии, но по-голяма от повечето от тях около 5000 пъти. На дължина клетката му може да достигне два сантиметра. Бактерията еоткрита в мангрово блато в Карибите и се нарича Thiomargarita magnifica.

_{Илюстрация от художник на Ca. Thiomargarita magnifica с монета. Кредит: Mangrove photo by Pierre Yves Pascal; Илюстрация: Susan Brand/Berkeley Lab}

За разлика от по-големите, многоклетъчни организми – еукариоти като нас, които имат затворени в мембрана органели в клетките си като ядрото – бактериите принадлежат към група организми, наречени прокариоти, за които традиционно се смята, че са просто „торби с ензими“ без вътрешни мембрани за отделяне генетичен материал.

T. magnifica макар и прокариот, има вътрешни мембрани за съхранение на ДНК и рибозоми. T. magnifica има много по-голям геном от другите бактерии – 11 788 гена в сравнение с 3 935 гена за средния прокариот.

RSV ваксините

Редакторите на списание Science посочват като важен пробив клиничните изпитвания на две ваксини срещу респираторен синцитиален вирус (RSV).

Според проучванията на Pfizer и GSK новите ваксини предпазват бебетата и възрастните хора - групите, които са най-застрашени от RSV. Обикновено RSV причинява само леки симптоми на настинка, но при кърмачетата може да засегне долните дихателни пътища и да причини бронхиолит с остра дихателна недостатъчност, а при възрастните хора да изостри сърдечно заболяване.

И двете ваксини предотвратяват тежки симптоми при хора над 60-годишна възраст, без да предизвикват сериозни странични ефекти. Те също така предпазват бебетата от RSV, ако майките им са ваксинирани в края на бременността.

Разработването на RSV ваксини е спряно за десетилетия, след като преди повече от 50 години по време на клинични изпитвания на инактивирана ваксина две деца умират, а 80% от участниците в изследването са хоспитализирани. По-късно учените установяват основната причина, поради която ваксиналният вирус е толкова опасен за участниците в теста: той предизвиква образуването на относително слаби антитела, които не само не успяват да спрат вируса, но чрез слабо разбрани механизми помагат на RSV да увреди дихателните пътища.

Новите ваксини решават този проблем: сега антителата се образуват по-надеждно и в по-високи концентрации.

Вирусът, отговорен за множествената склероза

Друг пробив през 2022 г. е откритието, че обикновеният херпесен вирус е основен фактор при множествената склероза (МС), заболяване, при което имунната система атакува и уврежда миелиновата обвивка на невроните в главния и гръбначния мозък.

_{Херпесвирус. Кредит: Store medisinske leksikon (CC BY-NC 2.0)}

Анализте на огромен набор от военни медицински досиета показва, че множествената склероза (МС) – заболяване, считано с неизвестна етиология – е усложнение на инфекцията с вируса на Епщайн-Бар (Epstein-Barr virus - EBV).

Вирусът на Епщайн-Бар, известен също като човешки херпесвирус 4, е член на семейството на херпесните вируси. Това е един от най-често срещаните човешки вируси. EBV се среща по целия свят. Повечето хора се заразяват с EBV в някакъв момент от живота си. EBV се разпространява най-често чрез телесни течности, предимно слюнка.

Множествената склероза е хронично демиелинизиращо заболяване на централната нервна система. Основната причина за това заболяване не е известна, но се смята, че вирусът на Епщайн-Бар е възможният виновник. Но повечето хора, заразени с този често срещан вирус, не развиват множествена склероза и не е възможно директно да се демонстрира причината за това заболяване при хората.

Използвайки данни от повече от десет милиона военнослужещи на Съединените щати, наблюдавани за 20-годишен период, 955 от които са били диагностицирани с МС по време на службата си, Кшетил Бьорневик (Kjetil Bjornevik) и колегите му прверяват хипотезата, че МС се причинява от EBV. Те откриват, че рискът от развитие на МС при индивиди, които са били EBV-отрицателни, се е увеличил с 32 пъти след EBV инфекция.

Констатациите могат да доведат до нови начини за лечение или предотвратяване на загадъчното заболяване, което причинява леки симптоми - включително замъглено зрение, умора и изтръпване - при около 2,8 милиона страдащи по света, но постепенно оставя други неспособни да говорят или да ходят.

Американският закон за климата

През 2016 г. бе подписано Парижкото споразумение като част от Рамковата конвенция на ООН по изменение на климата. Подписалите споразумението признават необходимостта от задържане на глобалното повишаване на средната температура на планетата в рамките на два градуса по Целзий чрез намаляване на емисиите на парникови газове. Законите на самите подписали страни обаче пречат на постигането на тази амбициозна цел. В САЩ например намаляването на емисиите досега не е било регулирано.

Законът за намаляване на инфлацията (Inflation Reduction Act - IRA), който Джо Байдън подписа на 16 август 2022 г., е тазгодишният пробив. Този закон трябва да насърчи прехода към чиста енергия и електрически автомобили. През следващите 10 години 369 млрд. долара ще бъдат използвани за финансиране на чисти енергийни източници. Авторите на закона смятат, че до 2030 г. той ще намали емисиите на парникови газове с около 40%.

В редакционната статия на Science се отбелязва, че Законът за намаляване на инфлацията е необходима, макар и все още недостатъчна мярка за изпълнение на ангажиментите на САЩ по Парижкото споразумение. Освен федерален закон ще са необходими и закони на ниво отделни щати. Очаква се скоро подобни закони да бъдат приети и в други страни, които са подписали споразумението.

Генетичният отпечатък на чумата

През октомври Nature публикува статия, която показва как Черната смърт - чумна пандемия в Европа през XIV век - е засегнала европейците. След това населението на Европа намалява значително, а последващите огнища на чума са по-малко смъртоносни - независимо дали патогенът се е променил, или хората. Работата на генетиците от Чикагския университет показва, че чумата е променила европейците доста драматично.

_{Изследователите извличат ДНК от останките на хора, погребани в чумните ями в Ийст Смитфийлд, които са били използвани за масови погребения по време на Черната смърт. Кредит: Museum of London Archaeology (MOLA)}

Генетиците анализират ДНК на хора, починали малко преди и след пандемията, и откриват локуси, които най-вероятно са били подложени на положителен подбор. Оказва се, че Черната смърт е повлияла най-вече на развитието на човешката имунна система.

Един от откритите локуси съдържа гена ERAP2, който е свързан с имунната система. От една страна, това може да се счита за адаптация към инфекциозни заболявания, но промените в този локус също така увеличават риска собствениците му да развият автоимунни заболявания като болестта на Крон, ревматоиден артрит и лупус.

Отклоняването на астероид

Друг пробив през 2022 г. е успехът на мисията DART (Double Asteroid Redirection Test). Мисията стартира преди две години, когато космическият апарат DART на НАСА бе изстрелян в космоса - специално за да се сблъска със 160-метровия астероид Диморфос, който не е опасен за Земята. Мисията имаше за цел да промени траекторията на астероида, за да се изпробва техника за контролиран сблъсък - един от начините за защита на Земята от астероиди.

_{Анимация визуализира подхода на DART към неговата астероидна цел. Кредит: NASA/Johns Hopkins APL}

На 27 септември 2022 г., в 02:14 българско време, 550-килограмова сонда се удря в Диморфос със скорост над 6 км в секунда.

Редица космически и наземни телескопи наблюдават сблъсъка, за да потвърдят, че траекторията на астероида се е променила. Резултатите дори надминават очакванията на учените и оценките на моделите: периодът на въртене на Диморфос около по-голям астероид от същата система се е променил с цели 32 минути - 26 пъти повече от предвиденото от НАСА. Тези резултати позволяват на учените да проверят ефективността на метода за кинетично отклоняване. А също и че техните модели ще трябва да бъдат усъвършенствани.

Древна екосистема, реконструирана от ДНК на 2 милиона години

Последният пробив, за който редакторите на Science пишат, е откриването на фрагменти от най-старата ДНК във формацията формацията Кап Кьобенхавн (Kap København от датски "нос Копенхаген") в Северна Гренландия.

Според анализа намереният генетичен материал е на повече от два милиона години. Той е два пъти по-стар от предишния рекорд - ДНК от кост на сибирски мамут. Освен рекордната възраст, важността на работата се крие във факта, че молекулярните биолози са успели да пресъздадат цяла екосистема от множество видове растения, животни и микроорганизми, която по това време е преживявала драматична климатична криза, въз основа на данни от секвенирането.

Проби от генетичния материал се съхраняват в лаборатория в Университета в Копенхаген от 2006 г. насам. Древната ДНК в тези проби е сравнително добре запазена, тъй като се свързва с минералите в глината. Благодарение на това съвременните методи за секвениране са създали повече от 16 милиарда записи. Резултатите са сравнени със съществуващите бази данни с геноми на съвременни животни, растения и микроорганизми и е пресъздадена екосистемата на Кап Кьобенхавн преди два милиона години. По онова време там са растели тополи, брези, арктически треви и храсти, а между тях са се разхождали мастодонти, както и предците на съвременните зайци, северни елени, гризачи.

_{Художествена реконструкция на формацията нос Копенхаген (Kap København) отпреди два милиона години. Кредит: Beth Zaikenjpg.}

Научните редактори отбелязват, че в тези данни могат да се открият генетични адаптации, които са позволили на растенията и животните да живеят в далечния Север при по-високи температури от днешните. И това може да се използва - например за вграждане в гените на съвременните растения, за да се адаптират културите към променящия се климат.

Това са постиженията, отбелязани от редакторите на списание Science. Дали не пропускат нещо важно? Със сигурност.

Аз например веднага се сещам за експеримента на изследователи от Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор, които на 5 декември с контролиран термоядрен синтез са произвели повече енергия, отколкото е била вложена. А вие?

Източник: 2022 BREAKTHROUGH OF THE YEAR, Science