Ежегодно в середине декабря журнал Science публикует рейтинг ключевых научных открытий уходящего года. Этот декабрь не стал исключением. По мнению редакции издания, самые важные достижения науки в 2021 году - изобретение вакцины от COVID-19, прогресс в прогнозировании протеиновых структур за счет новых алгоритмов, а также получение ядерной ДНК ископаемых останков, пролежавших в пещерной почве более миллиона лет.  

Но не журналом Science единым. Издание The Guardian пообщалось с множеством маститых ученых и выдвинуло свой рейтинг самых значимых научных достижений-2021. По мнению опрошенных специалистов, наиболее важные шаги в уходящем году наука и мировое сообщество сделали, в частности, в: космосе, понимании фибромиалгии (заболевание, вызывающее боль в мышцах, связках и сухожилиях) и решении проблемы глобального потепления.

Сложно? Как бы не так. Мы решили рассказать о науке простым языком и объяснить, что все эти открытия означают для простого обывателя и действительно ли они стали огромным шагом для всего человечества. 

Независимые собрали топ-5 наиболее ярких научных открытий и достижений  уходящего года. 

Прогнозирование структуры белка с помощью ИИ: Что это и зачем? 

Что такое белки в простом понимании? Ученые говорят, что это “рабочие лошадки биологии”. Они сокращают мышцы человека, преобразуют пищу, которая поступает в организм, в клеточную энергию, а также переправляют кислород в крови и борются с микробными захватчиками. Белки имеют одну структуру, но после “сборки” каждая цепь белков складывается в уникальную и сложную трехмерную форму. Последние и определяют то, как белки взаимодействуют с другими молекулами, и в целом их роль в клетке. Если раньше белковые структуры можно было предсказать только путем кропотливого лабораторного анализа, то сегодня для этого есть программное обеспечение, управляемое искусственным интеллектом. А это несет кардинальное изменение для структурной биологии.

В далеком 1972 году на вручении Нобелевской премии по химии американский биохимик Кристиан Анфинсен допустил, что однажды можно будет предсказать 3D-структуру любого белка, исходя лишь из последовательности его аминокислотных строительных белков. Такой прорыв, по словам ученого, мог бы раскрыть новые перспективные лекарственные мишени и помочь исследователям лучше понять биологию человека. Иными словами, лечение любого пациента имело бы более направленный характер - лекарство попадало бы точно в цель. 

Словам Анфинсена суждено было сбыться спустя почти полвека. Первые ощутимые шаги в этом направлении научное сообщество начало делать в 2018 году, когда появилась программа AlphaFold от компании Google DeepMind. Однако пока детище специалистов обучалось на базе уже готовых белковых структур, его последователю - AlphaFold2, повезло больше: программа состояла из сети 182 процессоров, оптимизированных для машинного обучения. Таким образом второй продукт компании работал почти на уровне экспериментальных методов. К слову, к концу года нейросеть смогла предсказать трехмерную структуру белка с точностью до одного атома. Поскольку работа программы требовала много аппаратных ресурсов, исследователи продолжили развиваться в заданном Анфинсеном направлении. 

Мечта американского биохимика была сполна реализована в третьей программе RoseTTAFold. Разработка группы ученых из Европы, Америки и Канады требует в разы меньше аппаратных ресурсов – 8 гигабайтов видеопамяти на каждый графический процессор вместо 24 гигабайтов у AlphaFold 2.

С помощью этого открытия ученые рассчитывают смоделировать возможные мутации в шиповом белке нового штамма коронавируса “Омикрон”. Правда, и после этого открытия работы у мировых ученых все еще много - белковые структуры не статичны и изгибаются по мере выполнения своей работы. Моделирования подобных изменений все еще проблематично. 

“Грязная ДНК” древних ископаемых поможет идентифицировать обитателей пещер во всем мире 

Долгие годы ученые собирали ДНК древних жителей планеты из озер, лесов и других мест, где те могли ее оставить задолго до появления человека разумного. В 2003 году эволюционные генетики выяснили, что выброшенная ДНК может храниться в ареале проживания того или иного существа в течении тысячи лет. 

В 2015 году ученые использовали эту информацию для восстановления целых древних экосистем. Единственное, что мешало исследователям получить полную картинку о том или ином древнем организме - недостаток данных. ДНК в том виде, в котором они её собирали, содержало лишь крошечные фрагменты генетического материала. 

В 2021 году все переменилось: ученые “разблокировали” гораздо больший кладезь древней ДНК - на этот раз из почвы пещер. Иными словами, исследователи принялись изучать пещерную грязь и отыскали в ней ДНК, когда-то существовавшую в ядре клеток человека. Такая “грязная ДНК” смогла дать куда больше информации о своем носителе.  

При помощи новых методов работы ученые исследовали три пещеры. В ходе эксперимента удалось установить генетическую идентичность и время проживания людей, к примеру, в одной из испанских пещер - от 80 тысяч до 113 тысяч лет назад. По ядерному ДНК ученые также сделали вывод, что одна из линий неандертальцев, которая населяла пещеру, после Ледникового периода заменила несколько других групп. В почве из пещеры Сацурблия в Джорджии, которой 25 тысяч лет, ученые обнаружили женский геном человека из ранее неизвестной линии неандертальцев, а также генетические следы зубра и ныне вымершего волка. 

Проделанная учеными работа позволит пролить свет на причины вымирания древних биологических видов, когда-то населявших планету. 

Космос становится все ближе? Туризм вселенского масштаба и новые знания про Марс  

В 2021 году космос действительно стал ближе, ведь едва ли не каждое уважающее себя СМИ каждый месяц сыпало новостями о достижениях человека в космосе как из рога изобилия. То посадка марсохода Nasa Perseverance на Марсе, то открытие марсианской станции, то запуск миссии по удару по астероиду, то открытие почти 200 новых планет за пределами Солнечной системы. 

Однако одними из наиболее значимых событий 2021 года стали 10-минутный и 11-минутный полет за пределы атмосферы Земли, совершенные экипажами суборбитального корабля New Shepard. Корабль принадлежит компании Blue Origin бизнесмена Джеффа Безоса. 

К слову, во втором полете участвовала легенда мирового кинематографа - 90-летний актер Уильям Шетнер, прославившийся ролью капитана Кирка в первых сезонах "Звездного пути". Шетнер стал самым пожилым человеком, побывавшим в космосе. 

Ранее с “туристической миссией” на собственном инновационном воздушном судне SpaceShipTwo в космос также отправлялся миллиардер Ричард Брэнсон. Оба аппарата (New Shepard и SpaceShipTwo)  рассчитаны на космический туризм, а это значит - космическая гонка миллиардеров выйдет на новый уровень.  

Но почему обычные люди должны радоваться полетам различных миллиардеров? Все дело в важности таких “туристических апробаций” космоса. Если на поприще создания и запусков спутников человечество добилась значительных успехов (не без участия разработок Илона Маска), то космический туризм пока вызывает больше вопросов, чем ответов. Поэтому подобные частные полеты в будущем могут организовываться и государственными учреждениями по контрактам, как это сегодня происходит со SpaceX (доставляет грузы и астронавтов на Международную космическую станцию НАСА). Это значит, что космический туризм сегодня находится на повестке дня как следующий шаг в освоении космоса.

Новое понимание фибромиалгии может способствовать лечению хронической боли 

Фибромиалгией - болезнью, вызывающей боль в мышцах, связках и сухожилиях, страдает 1 из 40 человек. Это преимущественно женщины. При этом у болезни нет внятных и достоверных причин возникновения, также не существует и целенаправленных лекарств против нее. 

Как и многие другие хронические болевые заболевания, фибромиалгия считается “функциональным неврологическим расстройством”. Едва ли не единственными методами лечения являются физические упражнения и продолжительный курс когнитивно-поведенческой терапии. Однако исследование, проведенное под руководством Королевского колледжа и опубликованное в 2021 году, может расширить рамки помощи людям, страдающим от таких болей. 

Исследователи ввели мышам антитела пациентов с фибромиалгией и обнаружили, что у них возникли трудности, связанные с симптомами пациентов. Речь идет о снижении движения и повышенной чувствительности к холоду и давлению. У мышей, которым вводились антитела от здоровых взрослых, подобных симптомов не наблюдалось. 

Исследование дало ученым понимание того, что фибромиалгия - это аутоиммунное расстройство. Экспериментальные мыши восстановились, когда антитела очистились. А это значит, что методы лечения, уменьшающие антитела, такие как плазменный обмен, могут положить конец страданиям миллионов людей по всему миру. К слову, подобные методы лечения могут убрать хронические болевые состояния и при других болезнях.

Весомые шаги в борьбе с глобальным потеплением: Саммит в Глазго 

В Шотландском городе Глазго 1 ноября 2021 года состоялся 26-й климатический саммит COP26, где представители США и стран Евросоюза согласовали первые шаги по спасению планеты. Так, глава Комиссии ЕС Урсула фон дер Ляйен и президент США Джо Байден договорились о сокращении выбросов метана на 30% в течение последующих 9 лет по сравнению с показателями за 2020 год.  

С момента первых серьезных исследований самым опасным по влиянию на глобальное потепление считали газ двуокиси углерода (CO2). Именно это соединение выделяется при производстве электроэнергии и медленно поглощается деревьями из-за повальной вырубки лесов.  

Вскоре выяснилось, что примерно треть вины за изменение климата также лежит на метане. Так как сократить его выбросы значительно проще, бороться решили и с этим газом. В ходе саммита COP26 исследователи рассказали, что, хотя углерод и остается в атмосфере дольше, метан быстрее способствует потеплению. К тому же, ограничение его выбросов поможет выиграть время для внедрения других шагов по спасению планеты.

Одним из наиболее важных достижений, по мнению ученых, стало признание на политическом уровне того, что на изменения климата, помимо вредных выбросов, влияет уничтожение природных экосистем (вырубка лесов, осушение болот). В ходе саммита в Глазго лидеры стран, территория которых охватывает более 90% мировых лесов, обязались прекратить обезлесение к 2030 году. Соответствующий документ подписали Канада, Бразилия и Конго.  

Также главы мировых государств договорились выделить 17 миллиардов евро на борьбу с лесными пожарами и восстановление уже пострадавших территорий. К слову, статс-секретарь Министерства охраны окружающей среды Германии Йохен Фласбарт хоть и поддержал такой шаг, но отметил, что этих денег будет недостаточно. 

Сразу после саммита многие эко-активисты выразили скептицизм по поводу реализации декларации об обезлесении: аналогичные прошлые обещания провалились. Однако ученые отмечают: четкое признание того, что нет пути к нулевой чистоте без сохранения природы, прозвучало впервые. И это - очень позитивный шаг.