Лекарства от ожирения, нейропрогноз погоды и грохот черных дыр

Каждый год в декабре, вслед за журналом Nature, журнал Science подводит итоги года — издание выпускает специальный номер, в котором рассказывает о десяти самых важных событиях в науке, выделяя одно из них как главный прорыв. В 2022 году прорывом стал запуск телескопа JWST. В 2023 году список возглавили исследования лекарств от диабета и ожирения, а остальные пункты практически не пересекаются с десяткой Nature.

Прорыв года — лекарства от ожирения

Агонисты глюкагоноподобного пептида-1 (ГПП-1), самый известный среди которых — семаглутид, используются для лечения сахарного диабета второго типа. Подобно самому ГПП-1, они стимулируют секрецию инсулина и снижают уровень глюкозы в крови. Однако, как выяснилось еще десять лет назад, на ранних этапах исследования семаглутида, его прием приводит к значительному снижению массы жировой ткани.

Начались новые исследования эффективности семаглутида, но уже как препарата от ожирения. И к 2021 году Управление по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств США (FDA) одобрило его как медикаментозную терапию ожирения. Он быстро приобрел такую популярность среди обычных потребителей, что его перестало хватать больным с диабетом — в 2023 году возник дефицит, а некоторые страны даже ограничили его продажу. Подробнее об этой истории можно прочитать в нашем материале «Больше не ешь».

В то же время выяснилось, что агонисты ГПП-1 могут быть полезны не только при ожирении и диабете. В 2023 году ученые опубликовали два клинических исследования, в которых показали эффективность агонистов ГПП-1 для профилактики сердечно-сосудистых заболеваний и заболеваний почек. Еще в одной работе у семаглутида обнаружилась способность облегчать симптомы алкоголизма. За это редакция Science и присудила лекарствам титул прорыва года, хотя и отметила, что вокруг их применения идет множество споров — например, врачи опасаются, что агонисты ГПП-1 начнут употреблять люди без медицинских показаний, чтобы быстро похудеть.

Добыча природного водорода

В 1987 году в деревне Буракебугу в Мали на глубине около 100 метров обнаружили газовый карман, который позже воспламенился. Скважину зацементировали, но в начале 2010-х жители деревни стали рассказывать о странном голубом свечении возле нее. Компания Hydroma провела геологическую разведку: оказалось, что газ внутри на 98 процентов состоит из водорода. Позднее в радиусе 20 километров пробили еще 24 скважины с водородом. К ним подключили генераторы, которые производили электричество и воду — без выхлопных газов.

После этого геологи начали искать водород в недрах Земли на всех континентах. Своего пика этот бум достиг в этом году — в сентябре Геологическая служба США запустила исследовательский консорциум при поддержке крупнейших топливных компаний, а Агентство передовых исследований в области энергетики создало программу исследований природного водорода.

Ранее считалось, что водород в земле надолго не задерживается — бактерии перерабатывают его в другие соединения. Однако теперь ученые подозревают, что он просачивается из ядра Земли или образуется, когда радиоактивные элементы в земной коре расщепляют воду. Другая теория предполагает, что газ образуется, когда вода реагирует с богатыми железом минералами при высоких температурах и давлении.

По данным Геологической службы США, на Земле может храниться до одного триллиона тонн водорода — этого хватит на нужды человечества в течение ближайших тысяч лет. Исследователи также предполагают, что его добыча может оказаться намного дешевле, чем производство «зеленого водорода» посредством электролиза воды.

Поддержка молодых ученых

Также редакция Science решила отметить изменения в устройстве научного сообщества. Прошлой зимой 48 тысяч научных работников Калифорнийского университета устроили крупнейшую академическую забастовку в истории США. Им удалось добиться повышения зарплаты аспирантов и постдоков, которые десятилетиями получали крайне низкие гонорары. Аналогичные протесты прошли в Германии и Канаде.

В последние годы в науке кадровый голод — как пишет Science, после учебы молодые ученые все чаще уходят на более прибыльную работу в коммерческие отрасли. Осложняет ситуацию и то, что зарплаты аспирантам и постдокам зачастую выделяют из средств гранта. Некоторые университеты уже начали менять систему финансирования исследований так, чтобы профессорам было проще нанимать персонал. Например, Калифорнийский университет в Беркли выделил краткосрочные дотации для зарплатных споров. Также вуз собирается пересмотреть структуру расходной части бюджета, чтобы в будущем все члены исследовательских групп могли рассчитывать на достойный гонорар.

Датировка заселения Америки

Долгое время считалось, что первые люди расселились к югу от североамериканских ледниковых щитов примерно 13 тысяч лет назад, когда ото льдов освободился так называемый коридор Маккензи. Но постепенно археологи отодвинули эту дату как минимум до 16 тысяч лет, предполагая, что, скорее всего, первые американцы продвигались на юг вдоль тихоокеанского берега по сезонному морскому льду. При этом регулярно появляются свидетельства того, что люди, возможно, проделали это на тысячи лет раньше. Но неоспоримых доказательств до сих пор никто не нашел, а те что есть, регулярно подвергаются критике.

Еще в 2021 году исследователи сообщили, что нашли в Нью-Мексико следы человеческих ног. Они провели радиоуглеродный анализ остатков руппии усиконосной (Ruppia cirrhosa) из отпечатков и сообщили, что их возраст от 21 до 23 тысяч лет. Тогда скептики заметили, что возраст растения может быть искажен — оно могло впитать древний углерод из отложений, растворенных в воде озера.

В этом году команда повторно исследовала отпечатки, но на этот раз для радиоуглеродного анализа взяли пыльцу хвойных деревьев, а также прибегли к независимому методу — оптическому датированию, для которого они отобрали зерна кварца. Оба метода дали близкие результаты и позволили заключить, что люди ходили по американской земле не меньше 20 тысяч лет назад. И журнал Science посчитал это событие одним из важных достижений уходящего года.

Подслушанный «грохот» черных дыр

Еще одним важным достижением Science признал обнаружение «шума» от движущихся черных дыр. В этом году астрофизики впервые уловили наногерцовый гравитационно-волновой фон. Это был равномерный «хор» гравитационных волн от медленно сближающихся друг с другом сверхмассивных черных дыр. Слияния черных дыр или нейтронных звезд регистрируются лазерными интерферометрами — например LIGO. Однако для регистрации гравитационно-волнового фона нужна другая методика из-за разницы частот колебаний.

В конце прошлого века ученые разработали метод пульсарного тайминга. Суть его состоит в следующем. Гравитационные волны должны влиять на крайне стабильное время прохождения импульсов радиоизлучения от нейтронных пульсаров до Земли, создавая рябь на пространственно-временной ткани. Однако, чтобы уловить эти различия, требуются многолетние и точные наблюдения.

В июне пять команд по всему миру, каждая из которых отслеживала свой набор пульсаров, совместно объявили, что за 15 лет наблюдений за 67 пульсарами в Млечном Пути они смогли обнаружить совокупный «шум» движущихся двойных сверхмассивных черных дыр.

Угроза углеродному насосу

В нескольких регионах Южного океана у побережья Антарктиды соленые поверхностные воды опускаются на дно океана. Нисходящее течение забирает тепло, кислород и углекислый газ из атмосферы и удерживает их в глубоких слоях океана, откуда вода медленно распространяется на север. Этот механизм, известный как «углеродный насос», помогает поглощать треть ежегодных выбросов углекислого газа.

Редакция Science отметила исследования, которые показали, что «насос» стал работать с перебоями. В этом году сразу несколько научных групп заявили, что эта система находится в серьезной опасности. В марте журнал Communications Earth & Environment опубликовал данные измерений с 1970-х годов. С их помощью ученые создали математическую модель — она подтвердила, что циркуляция воды замедлилась на 20 процентов. Весной в другом исследовании в журнале Nature Climate Change сообщалось, что глубокие течения замедлились почти на 30 процентов с 1992 по 2017 год. По мнению ученых, глобальное потепление будет способствовать еще большему замедлению течений мирового океана.

Прогноз погоды от нейросетей

Редакция Science отметила в этом году Google, Huawei и Nvidia, которые научили ИИ предсказывать погоду на 10 дней вперед. Точность такого прогноза была сравнима с традиционными моделями и даже превосходила их, но при этом нейросети тратили меньше ресурсов, чем уходило на обычные прогнозы. Модели могут выдавать результат за одну минуту вместо двух часов, которые приходится ждать при расчетах на суперкомпьютере.

Пока ИИ не идеален: он с трудом предсказывает некоторые характеристики погодных явлений — например интенсивность ураганов. Но исследователи ожидают, что с каждым годом прогнозы моделей будут становиться все точнее, а скорость вычислений — выше.

Лекарства от болезни Альцгеймера

Еще одним важным итогом 2023 года редакция Science назвала лекарства от болезни Альцгеймера — моноклональные антитела к бета-амилоиду. В январе регулирующие органы США, а затем и минздрав Японии дали зеленый свет леканемабу — первому препарату, который замедляет снижение когнитивных функций. Как показали клинические испытания, препарат тормозит потерю когнитивных функций на 27 процентов лучше, чем плацебо.

Другой препарат моноклональных антител — донанемаб — пока не получил одобрения из-за вопросов к профилю безопасности. Регулятор потребовал, чтобы минимум сто человек получало препарат на протяжении одного года — а врачи подтвердили, что за это время он не вызвал серьезных нежелательных реакций. Однако у него тоже есть положительный клинический эффект, и ученые рассчитывают, что в скором времени FDA разрешит использовать лекарство. Подробно о проблемах, с которыми сталкиваются врачи и биологи при разработке лекарств от болезни Альцгеймера, мы рассказывали в материале «Суррогат надежды».

Вакцины от малярии

Еще один пункт в списке научных событий 2023 года — введение противомалярийных вакцин в широкий оборот, а точнее, надежда на скорое их введение в 2024-м. Первая в мире вакцина против малярии RTS,S/AS01 (Mosquirix) значительно снизила смертность среди детей в Африке. Но врачи ждут, когда в оборот поступит вторая — R21/MatrixM. В этом году она получила одобрение ВОЗ.

Дело в том, что RTS,S обладает лишь умеренной эффективностью, и ее защитный эффект быстро ослабевает. Однако вакцина снизила заболеваемость тяжелой формой малярии на 22 процента и смертность от всех причин на 13 процентов у африканских детей. Но производитель вакцины сможет выпустить только 18 миллионов доз до 2025 года. Этого хватит для полной вакцинации всего 4,5 миллионов детей — притом, что в группе риска 40 миллионов.

Новая вакцина R21 может увеличить масштабы вакцинации: компания Novavax заявляет, что может гарантировать выход 100 миллионов доз в год по цене от 2 до 4 долларов за дозу — почти вдвое дешевле Mosquirix. Результаты третьей фазы клинических испытаний показали, что в течение первых 18 месяцев после прививки вакцина так же эффективна, как RTS,S.

Сверхмасштабные вычисления

Американский суперкомпьютер Frontier, преодолевший экзафлопсный рубеж (его производительность достигает 1,102 экзафлопса), стал полноценным вычислительным инструментом, которым могут пользоваться ученые. С машиной уже успели поработать материаловеды из Мичиганского университета. Они объединили две теоретические основы для прогнозирования поведения 600 тысяч электронов и смоделировали процессы образования, роста и распространения дефектов в магниевых сплавах, которые используются в сверхлегких материалах.

Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса и Сандийских национальных лабораторий также использовали Frontier для повышения точности основной модели глобального климата Министерства энергетики США. Такой подход позволил учесть физические процессы, которые приводят к образованию облаков по всей планете.