Снимки JWST, самая большая бактерия и креативные нейросети

Каждый год в середине декабря журнал Science представляет список научных прорывов года, выбирая одно главное достижение и еще девять просто важных. В отличие от десятки Nature, в списке Science — не люди, с именами которых связаны самые важные за год научные истории, а сами эти события и открытия.

В 2021 году редакция журнала главным научным прорывом года назвала прогресс в предсказании структуры белков с помощью машинного обучения, в частности алгоритмов с открытым кодом AlphaFold2 и RoseTTAFold. В этом году главным прорывом года для редакции журнала стал запуск телескопа JWST.

Полет JWST

JWST — космическая обсерватория для изучения Вселенной в инфракрасном диапазоне волн (в отличие, например, от «Хаббла», который работает в оптической и ультрафиолетовой частях спектра). Главное зеркало обсерватории состоит из 18 покрытых золотом бериллиевых сегментов общей площадью 27 квадратных метров и массой 625 килограммов: это в шесть раз больше, чем у «Хаббла», и почти на треть легче.

На подготовку телескопа к запуску потратили почти четверть века и 10 миллиардов долларов. Поэтому все-таки состоявшийся запуск и начало наблюдений — действительно прорыв. Подробнее об истории проектирования телескопа и многократных переносов его полета — в нашем материале «Лети и смотри».

На самом деле космическая обсерватория отправилась в космос не в 2022 году, а еще в конце 2021 года — 25 декабря 2021 года, после трехлетних комплексных испытаний, ракета-носитель «Ариан-5» с телескопом стартовала с космодрома Куру во Французской Гвиане. Хотя это было уже после публикации предыдущего списка, чтобы избежать хронологических нестыковок, прорывом редакция назвала не запуск, а полет телескопа.

В январе 2022 года инфракрасный телескоп вышел на орбиту вокруг второй точки Лагранжа в системе Солнце—Земля, а 11 февраля прислал первый технический снимок. Спустя еще пять месяцев обсерватория официально начала научную программу, и вечером 11 июля был опубликован первый научный снимок — пример гравитационного линзирования света от далекой галактики из ранней Вселенной. На следующий день были представлены снимки туманностей Киля и «Южное кольцо» и компактной группы галактик Квинтет Стефана.

В течение полугода после этого телескоп регулярно делал снимки как новых объектов, так и хорошо известных, но в прежде недоступном разрешении и в другой части спектра.

Многолетний рис

По мнению редакции Science, места в десятке заслуживает выведение сорта многолетнего риса с высокой урожайностью. Превращение однолетних злаков в многолетние формы — один из способов повысить урожайность, сохраняя при этом плодородность почвы и не затрачивая слишком много ресурсов.

Впервые многолетний рис вывели еще двадцать лет назад, скрестив культурный азиатский рис Oryza sativa с его многолетним африканским родственником Oryza longistaminata. Но на то, чтобы добиться от него достаточной урожайности, ушло еще два десятка лет. Изучать его китайские ученые начали в 2018 году, а в этом отчитались о своих успехах.

Их сорт PR23 дал в первый год примерно столько же зерна, сколько и обычный однолетний рис, при тех же затратах на его посадку и выращивание. А на второй, третий и четвертый годы его урожайность оставалась прежней, только на пятый она упала. Это позволило сэкономить 77 человеко-дней на гектар за сезон и вдвое снизить расходы.

Самая большая бактерия

Американские и французские биологи описали самую большую из известных бактерий. Она не просто больше всех других бактерий, а больше большинства из них примерно в пять тысяч раз! В длину ее клетка может достигать двух сантиметров. Обитающую в мангровых лесах бактерию ученые назвали Thiomargarita magnifica.

Бактерия имеет нехарактерное для прокариот строение. Ее ДНК отделена от остального содержимого клетки мембраной, так что клетка разделяется на две части: в одной половине содержится ДНК и рибосомы, а вторая — наполнена водой. Кроме этого, у Thiomargarita magnifica оказался очень длинный геном — 11 миллионов пар нуклеотидов. Это почти в три раза больше, чем обычно у бактерий, геном которых обычно не превышает 4 миллиона пар нуклеотидов.

Креативные нейросети

Если в прошлом году редакция Science отмечала достижения методов машинного обучения для исследования структур белков, то в этом году не прошла мимо нейросетей, которые используют для создания изображений и видео. В частности, редакторы отмечают нейросеть DALL-E компании OpenAI, а также достижения разработчиков Google и Meta, которые добились колоссального прогресса в этом году.

Вот только несколько примеров таких нейросетей, которые упоминает Science и о которых мы писали в этом году. В апреле компания OpenAI представила второе поколение нейросети DALL-E, генерирующей изображения по текстовому запросу. Эта версия позволяет редактировать изображения и создавать их вариации. В мае аналогичную генеративную нейросеть представили уже исследователи из Google.

В октябре Google расширила генеративные алгоритмы Imagen и на видео. Теперь нейросети научились генерировать по текстовому описанию видеоролики. А за несколько дней до этого аналогичный алгоритм представили исследователи из Meta. А еще чуть позже — исследователи из компании Google разработали нейросетевую модель Imagic, редактирующую изображения, руководствуясь словесными указаниями.

О том, как подобные нейросети уже повлияли на практику художников и дизайнеров, вы можете прочитать в нашем разговоре с Ильей Яцкевичем и Алексеем Устьянцевым, которые разбирают алгоритмы генерации изображений на иллюстрациях к научным новостям.

Вакцины против респираторно-синцитиального вируса

Важным прорывом редакторы Science назвали клинические испытания двух вакцин против респираторно-синцитиального вируса (РСВ).

По результатам исследований компаний Pfizer и GSK, новые вакцины позволяют защитить младенцев и пожилых людей — те группы населения, для которых РСВ наиболее опасен. Обычно РСВ вызывает только легкие симптомы простуды, но у младенцев он может поражать нижние дыхательные пути и вызывать бронхиолиты с острой дыхательной недостаточностью, а для пожилых людей — к тому же чреват обострением заболеваний сердца.

Обе вакцины позволили избежать тяжелых симптомов у людей старше 60 лет, не вызывая серьезных побочных эффектов. Также они защищали от РСВ младенцев, если вакцинировали их матерей на поздних сроках беременности.

Разработки вакцин против РСВ остановили на десятилетия после того, как более 50 лет назад во время клинических испытаний инактивированной вакцины погибли двое детей и были госпитализированы 80 процентов участников исследования (о разных вакцинных платформах мы писали в материалах «Догнать и предупредить» и «На острие иглы»). Впоследствии ученые выяснили основную причину, из-за которой вакцинный вирус оказался столь опасен для испытуемых: он вызывал образование слишком «слабых» антител, которые плохо связывались с патогеном и поэтому с ним не справлялись. В новых вакцинах эту проблему наконец удалось решить: теперь антитела образуются более надежные и в высоких концентрациях.

Вирус, вызывающий рассеянный склероз

Еще одно достижение 2022 года — доказательство связи вируса Эпштейна — Барр с рассеянным склерозом, аутоиммунным заболеванием, при котором повреждается миелиновая оболочка нейронов головного и спинного мозга. Ученые из Гарварда закончили двадцатилетнее исследование, в котором участвовали две тысячи человек. Его результаты добавили уверенности в том, что триггером рассеянного склероза становится заражение вирусом Эпштейна — Барр.

Что именно вызывает рассеянный склероз — до сих пор точно сказать нельзя, поскольку эта работа показала корреляцию между заражением вирусом и развитием болезни. И тем самым дала еще больше оснований считать ВЭБ одним из главных подозреваемых. После проникновения в человеческий организм этот вирус годами остается в B-лимфоцитах. О его связи с рассеянным склерозом говорит то, что заболевание часто проявляется после острого инфекционного мононуклеоза, причиной которого совершенно точно является ВЭБ (подробнее об открытии вируса и его связи с различными заболеваниями читайте в материале «Тихая пандемия»).

В ходе исследования медики обнаружили, что риск развития рассеянного склероза у зараженных вирусом Эпштейна — Барр в 32 раза выше, чем у людей, с вирусом не встречавшихся. Редакторы Science отмечают, что эта работа может значительно ускорить разработку лекарств для лечения или предотвращения болезни.

Американский закон о климате

В 2016 году в рамках Рамочной конвенции ООН об изменении климата было подписано Парижское соглашение. Подписавшие его страны признавали необходимость удержать рост средней глобальной температуры на планете в пределах двух градусов Цельсия, сокращая выбросы парниковых газов. На пути к этой амбициозной цели, однако, встали законодательства самих стран-подписантов. В частности, в США сокращение выбросов никак не регламентировалось законодательно до сих пор.

Прорыв этого года — закон о снижении инфляции (Inflation Reduction Act, IRA), который Джо Байден подписал 16 августа 2022 года. Этот закон должен поспособствовать переходу на экологически чистую энергию и электромобили. В течение 10 лет 369 миллиардов долларов должны пойти на финансирование экологически чистых источников энергии. По оценкам авторов закона, его действие должно сократить выбросы парниковых газов примерно на 40 процентов к 2030 году.

Редакция Science отмечает, что закон о снижении инфляции — необходимая, хотя и все еще недостаточная мера для выполнения обязательств США по Парижскому соглашению. В дополнение к федеральному закону также нужны будут законы на уровне отдельных штатов. Аналогичных законов ждут и от других стран, подписавших соглашение, причем в ближайшее время.

Генетический след чумы

В октябре в Nature вышла работа, авторы которой показали, как Черная смерть — пандемия чумы в Европе в XIV веке — повлияла на европейцев. Тогда население Европы сократилось значительно, при этом следующие вспышки чумы были уже не такими смертоносными — то ли изменился патоген, то ли люди. Работа американских генетиков показала, что чума довольно сильно изменила европейцев.

Генетики изучили ДНК людей, которые умерли незадолго до пандемии и после нее, и обнаружили локусы, которые, скорее всего, прошли положительный отбор. Оказалось, что Черная смерть повлияла, в первую очередь, на развитие иммунной системы человека.

Один из обнаруженных локусов содержит ген ERAP2, который задействован в работе иммунной системы. Это, с одной стороны, можно считать адаптацией к инфекционному заболеванию, но при этом изменения в этом локусе также увеличили риски развития у своих владельцев аутоиммунных заболеваний, таких как болезнь Крона, ревматоидный артрит и волчанка.

Таран астероида

Еще один прорыв 2022 года — успех миссии DART (Double Asteroid Redirection Test). Миссия стартовала два года назад, когда в космос был запущен космический аппарат NASA DART — специально, чтобы столкнуться с 160-метровым астероидом Диморф, не опасным для Земли. Цель миссии была в том, чтобы изменить траекторию астероида и опробовать таким образом на практике метод контролируемого тарана, одного способов защиты Земли от астероидов. Подробнее о целях миссии DART — в нашем материале «Вломи ему, Дарт!»

27 сентября 2022 года в 2:15 по московскому времени 550-килограммовый зонд врезался на скорости больше 6 километров в секунду в Диморф. За столкновением наблюдал ряд космических и наземных телескопов, чтобы подтвердить факт изменения траектории астероида. Результаты даже превзошли ожидания ученых и оценки моделирования: орбитальный период вращения Диморфа вокруг более крупного астероида из той же системы изменился на целых 32 минуты — в 26 раз больше, чем предсказывали специалисты NASA. Эти результаты позволили ученым убедиться в эффективности метода кинетического тарана. А также — в том, что свои модели им придется доработать.

Древнейшая ДНК в Гренландии

Последний из отмеченных редакторами Science прорывов — обнаружение фрагментов древнейшей ДНК в формации Кейп Кобенхавн в Гренландии. По данным анализа, возраст найденного генетического материала — более двух миллионов лет. Это вдвое старше предыдущего рекорда, ДНК из кости сибирского мамонта. Кроме рекордного возраста, важность работы — в том, что по данным секвенирования молекулярным биологам удалось воссоздать целую экосистему из множества видов растений, животных и микроорганизмов, которая в то время переживала резкий климатический кризис.

Образцы генетического материала с 2006 года хранились в лаборатории университета Копенгагена. Из-за связывания с минералами в глине древняя ДНК в этих образцах довольно хорошо сохранилась. И благодаря этому современные методы секвенирования позволили получить более 16 миллиардов прочтений. Результаты сравнили с существующими базами данных с геномами современных животных, растений и микроорганизмов и воссоздали экосистему Кейп Кобенхавн два миллиона лет назад. В то время там росли тополя, березы, арктические травы и кустарники, между которыми сновали предки современных зайцев, северных оленей, грызунов и гусей.

Редакторы Science отмечают, что в этих данных можно найти генетические адаптации, которые позволяли растениям и животным жить на Крайнем Севере при более высоких температурах, чем сегодня. А это потенциально можно использовать — например, вшивать в гены современных растений, чтобы приспособить под изменяющийся климат сельскохозяйственные культуры.

Провалы года

Кроме десятки прорывов, журнал назвал три главных провала этого года. Первый из них — разочарование в политике «нулевой терпимости» к ковиду. Если сначала эти меры работали, в частности в Китае, то в этом году они привели к ослаблению экономики, нарастанию недовольства граждан и, вероятно, принесли больше вреда, чем пользы (подробнее о цене, которую приходится платить гражданам Китая в таких условиях, читайте в материале «Заразить за 60 секунд»). В то время как альтернативная стратегия «жизни с ковидом» сработала эффективнее (о ней мы рассказывали в материале «Это (будет) нормально»). В результате правительство Китая тоже стало постепенно снимать жесткие ограничения, хотя от стратегии нулевой терпимости так и не отказалось.

Два других провала Science связывает с боевыми действиями, которые ведут российские войска в Украине. Во-первых, из-за этого значительно пострадала система международного научного сотрудничества (мы говорили о потерях российской науки в материале «Двери закрываются»). Во-вторых, введенные против России экономические санкции резко перетряхнули европейский и общемировой энергетический рынок. Из-за этого, в частности, пришлось отложить отказ некоторых стран от угольной энергетики, скорректировать планы по сокращению выбросов парниковых газов, а Большой адронный коллайдер был вынужден сократить свою исследовательскую программу из-за необходимости экономить энергию.