Каждый год ученые совершают прорывы во всевозможных важных областях, и 2023 год не стал исключением. В обществе, где у каждого в кармане есть мощный компьютер, некоторые автомобили могут ездить сами (но при этом не летать), а простое упоминание продукта на нужном устройстве может привести к его появлению на пороге вашего дома, удивляться все труднее — но научные достижения 2023 года все еще могут заставить некоторые челюсти упасть на пол, а глаза комично выскочить из голов.
С появлением чатбота ChatGPT, работающего на основе искусственного интеллекта, ИИ стал главной новостью 23-го года, и эта область породила еще больше захватывающих инноваций, о которых вы, возможно, еще не знаете. Итак, без лишних слов, давайте окунемся в них — самые большие научные открытия 2023 года.
ВОЗМОЖНО, ПЕРВАЯ В ИСТОРИИ ПИСЬМЕННОСТЬ
Археологи обнаруживают пещерные рисунки с незапамятных времен, но определить что-либо, напоминающее реальную систему письма, использовавшуюся нашими древними предками, до сих пор не удается. Однако некоторые признаки все же были найдены: уже более века ученые документируют то, что выглядит как набор меток, сопровождаемых рисунками животных возрастом 37 000 лет, появляющихся в пещерных системах по всей Европе. До недавнего времени о значении этих знаков можно было только догадываться, но в январе 2023 года исследование, опубликованное в «Кембриджском археологическом журнале», возможно, наконец-то определило их назначение.
Исследователи сопоставили символы с циклами рождения животных, изображенных на рисунках, и 13 годовыми лунными циклами, и, что удивительно, обнаружили закономерность. Она указывает на то, что эти знаки могут быть очень ранней — возможно, самой ранней — системой обозначений, связанной с циклами спаривания и рождения видов, которые могли быть добычей наших предков. В частности, один символ, напоминающий букву «Y», был связан с рождением — это первый известный случай такой связи в пещерных метках.
Это не просто интересное открытие; оно позволяет предположить, что ранние люди могли обладать более развитым познанием, чем считалось ранее. «С когнитивной точки зрения это действительно большое событие», — говорит Бен Бэкон, научный сотрудник и соавтор исследования. «Мы имеем дело с системой, которая обладает интенсивной организацией, интенсивной логикой». Он также пояснил, что основание системы на лунных циклах делает ее «универсальной… Если вы мигрируете из Пиренеев в Бельгию, вы можете использовать один и тот же календарь».
ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК МОЛОДОСТИ
В 2012 году японский биолог Шинья Яманака получил часть Нобелевской премии по физиологии и медицине. Она была присуждена ему за открытие ряда белков, способных изменять конфигурацию обычных, повседневных клеток, превращая их в суперуниверсальные стволовые клетки, которые почти наверняка имеют гораздо больше терапевтических применений, чем было обнаружено до сих пор.
Более десяти лет спустя пара американских специалистов сообщила о процессах, в которых эти белковые коктейли, известные как «факторы Яманаки», использовались в генной терапии, что в лабораторных условиях оказало очень интересное воздействие на мышей. «В этих исследованиях, — пояснил ученый из Вашингтонского университета Мэтт Кэберлейн в журнале Science, — используются факторы перепрограммирования, чтобы обратить вспять эпигенетические изменения, происходящие в процессе старения» — эффект, который потенциально может в один прекрасный день значительно продлить продолжительность жизни человека или даже повернуть время старости вспять.
Конечно, технология все еще находится в зачаточном состоянии (без каламбура), но результаты исследований близнецов поражают воображение: в одном из них (на сайте Biorxiv), проведенном биотехнологической компанией Rejuvenate Bio из Сан-Диего, Калифорния, утверждается, что с помощью такой терапии удалось увеличить продолжительность жизни пожилых мышей в два раза. Другое исследование (Cell), проведенное несколько противоречивым гарвардским генетиком Дэвидом Синклером, подтвердило гипотезу Синклера о том, что старение связано с определенным типом деградации ДНК, и обратило вспять некоторые из этих эффектов, восстановив деградацию с помощью факторов Яманаки. Технология должна пройти долгий путь, прежде чем ее можно будет использовать в качестве потенциального источника молодости, но эти первые результаты показывают, что потенциал реален.
МИНИАТЮРНЫЕ РОБОТЫ ИЗ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА, СПОСОБНЫЕ ВЫДЕРЖАТЬ ВЕС В 30 РАЗ БОЛЬШЕ СВОЕГО
При слове «жидкометаллический робот» на ум приходит образ актера Роберта Патрика в полицейской форме, но версии, представленные исследователями из Пенсильванского университета Карнеги-Меллон в январе 2023 года, совсем не похожи на копов-перевертышей, путешествующих во времени; они очень крошечные, активируются для изменения состояния под воздействием магнитного поля и способны выполнять тонкие задачи как в механической, так и в медицинской сфере.
Состоящие из жидкого металла галлия и чрезвычайно крошечных частиц сплава, роботы способны выдерживать вес, в 30 раз превышающий их вес в твердом состоянии, но под воздействием магнитного поля они превращаются в лужицы, которые можно толкать, тянуть и растягивать для выполнения задач с помощью манипуляций с магнитным полем. По данным Cell, эти задачи включали в себя маневрирование маленькой лампочки к печатной плате, а затем прикрепление ее путем расплавления и подачи тока; перемещение к инородному веществу внутри искусственного желудка, расплавление его и вытаскивание; трансформацию в форму крошечного человечка, а затем разжижение, чтобы проскользнуть между прутьями крошечной тюремной камеры. (Нет, правда. Они действительно заставили его сделать это).
Прежде чем их можно будет использовать в медицинских процедурах, необходимо разработать надежный метод точного отслеживания местоположения маленьких человечков, но если речь идет о другом применении, например, о выполнении мелких механических операций на космических кораблях, то технология уже практически готова.
НОВАЯ ОСНОВА ДЛЯ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ 6G
Когда речь идет о беспроводных сетях и электронике в целом, большая часть развития скорости и эффективности сводится к миниатюризации. Проще говоря, чем меньше электронные компоненты можно сделать, сохранив их мощность и эффективность, тем лучше — а в случае беспроводных сетей меньшая длина волны сигнала означает более быструю передачу данных. Однако, учитывая, насколько миниатюрными и в то же время мощными стали электронные устройства, вас, возможно, не шокирует тот факт, что миниатюризация практически уперлась в стену — именно здесь в игру вступает концепция «метаустройства», которая, возможно, станет основой шестого поколения (6G) беспроводных протоколов.
Если не вдаваться в подробности, то общий принцип таков: метаустройства — это, по сути, обычные полупроводники, украшенные «метаструктурами», которые представляют собой контакты, вытравленные на их поверхности в виде микроскопических узоров, более коротких, чем длина волны на выходе устройства. Эти метаструктуры позволяют манипулировать электрическими полями внутри полупроводника, заставляя его выдавать частоты в терагерцовом диапазоне — что, для тех, кто ведет счет дома, намного, намного быстрее, чем частоты гигагерцового диапазона, используемые обычными беспроводными устройствами.
Как сообщает EPFL, доктор философии Мохаммад Самизаде Никуби, соавтор исследования, опубликованного в Nature, сказал: «Эта новая технология может изменить будущее сверхскоростных коммуникаций, поскольку она совместима с существующими процессами в производстве полупроводников». Следующий шаг: разработка других электрических компонентов, совместимых с этой новой волной полупроводников.
ЖИВЫЕ ТРЕХМЕРНЫЕ ЧЕРНИЛА
3D печать — это удивительная технология, которая в последнее время привела к прогрессу в архитектуре, ирригации, здравоохранении и многих других областях. В двух словах, 3D принтеры используют процесс наслоения для «печати» целых объектов из специальных «чернил». Но с момента своего появления принтер страдал от специфического ограничения: чернил. Из-за того, что они должны вести себя одновременно как жидкость и твердое тело, конечные продукты процесса 3D печати часто могут быть слишком хрупкими или слишком податливыми — но в феврале 2023 года исследователи из Инженерной школы EPFL опубликовали в журнале Materials Today исследование, в котором подробно описано новое решение этой проблемы.
Это решение — живые бактерии, Sporosarcina pasteurii, критический ингредиент того, что команда называет «BactoInk». Специальные чернила можно использовать в любом стандартном 3D принтере, и для этого не требуется особый процесс печати, но готовый продукт, обработанный раствором, минерализуется и затвердевает в течение нескольких дней. По окончании процесса содержание минералов в объекте составляет более 90 процентов, что делает его гораздо более прочным, чем обычные объекты, напечатанные методом 3D. Команда предполагает потенциальное применение в медицине, в реставрации деликатных произведений искусства, таких как скульптуры и вазы, и — что, возможно, наиболее интригующе — возможность 3D печати искусственных коралловых рифов, которые могли бы помочь восстановить поврежденные морские экосистемы.
ГЕЛЬ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ
Использование электродов в медицинской технике, которые применяются для искусственной стимуляции нервов, мышц и даже мозга, может быть сродни обоюдоострому мечу — в буквальном смысле. Из каких бы материалов они ни были изготовлены, ни один из них не является достаточно мягким, чтобы полностью снизить риск повреждения мягких тканей, а также раздражения и воспаления этих тканей, что может повлиять на эффективность работы электрода.
Однако в феврале 2023 года ученые из шведского Университета Линчепинга опубликовали в журнале Science исследование, которое говорит о том, что эти проблемы вскоре могут остаться в прошлом. В нем описывается состав специального геля, который при введении в целевую зону метаболизирует собственные сахара организма и превращает его в ультрамягкий, гибкий электрод, который, так сказать, несет всю нагрузку, не подвергаясь при этом никакому риску.
Команда использовала этот метод на двух разных организмах для разных целей: мягкие электроды были успешно выращены в сердцах, хвостовых плавниках и мозге зебрафиш для стимуляции этих органов и мышц, а процесс был использован в пиявках для стимуляции нервов. Для того чтобы определить, как электроды будут работать в долгосрочной перспективе и есть ли какие-либо долгосрочные проблемы, связанные с их использованием, необходимы дальнейшие исследования, но первые результаты показали большие перспективы, и технология уже находится в стадии доработки. Как пояснил Science News соавтор исследования Ксенофон Стракосас, «сейчас мы проводим эксперименты, в которых пытаемся привязать эти материалы непосредственно к отдельным клеткам».
ЗАПИСАНЫ МОЗГОВЫЕ ВОЛНЫ ОСЬМИНОГОВ
Осьминоги — одни из самых умных существ на планете, но о том, как работает их мозг, известно не так много, и по довольно простой причине: даже самый опытный морской биолог столкнется с проблемой прикрепления чего-либо к осьминогу, учитывая, что они очень хлюпкие, а ловкие щупальца идеально подходят для снятия любого прикрепленного оборудования для мониторинга.
В марте 2023 года ученые Неаполитанского университета опубликовали в журнале Cell исследование, в котором описали способ решения этой проблемы: Они модифицировали регистраторы данных, которые обычно используются для птиц, и хирургическим путем вживили их трем осьминогам, которым затем позволили свободно бродить в своих аквариумах. В результате была получена самая точная запись мозговых волн животных, некоторые из которых относятся к типу, который буквально никогда не встречался ранее.
Исследователи описали мозговые волны, которые связаны с консолидацией памяти у людей и контролируют циклы сна у некоторых других животных. Они также описали исключительно медленные и сильные мозговые волны, которые были уникальны и улавливались как одним электродом, так и несколькими электродами в разных частях тела животного. Исследование представляет собой новую захватывающую технику для изучения самой природы интеллекта: «Проблемы, с которыми сталкиваются [осьминоги], одни и те же, но решения, которые они находят, иногда похожи, а иногда отличаются», — объяснила исследовательница Тамар Гутник в интервью Science News. «И все эти сравнения нас чему-то учат».
МЫШЬ-МАЛЫШ, ПОЛУЧЕННАЯ ОТ ДВУХ САМЦОВ
В марте 2023 года в журнале Nature после более чем годичного рассмотрения было опубликовано исследование, которое имеет потрясающие последствия для будущего экстракорпорального оплодотворения. Если вы не являетесь биологом, то, возможно, не сразу поймете, о чем идет речь в его названии: «Генерирование функциональных ооцитов у самцов мышей in vitro». Но, как объясняет The Washington Post, это исследование представляет собой поразительное достижение. В нем описывается процесс, который достигал своей цели лишь в одном проценте случаев, но какой же это был успех — создание здоровых детенышей мышей из клеток двух самцов мышей.
Следует понимать, что это не имеет ничего общего с клонированием или чем-то подобным — с помощью комбинации методов клетки кожи из хвостов мышей были сначала превращены в стволовые клетки. Затем эти очень гибкие и податливые клетки были преобразованы в женские клетки, из которых были получены яйцеклетки. Эти яйцеклетки оплодотворялись и подсаживались самкам мышей, и в семи случаях из 630 попыток из них вырастали здоровые мышиные детеныши, которые нормально развивались и могли иметь своих собственных машат, когда становились взрослыми.
Пока неясно, можно ли перенести эту методику на людей, но если да, то это позволит парам геев-мужчин иметь собственных детей, не прибегая к донорским яйцеклеткам, например. Технология также рассматривается как потенциальный способ спасения исчезающих видов от вымирания с помощью клеток одной особи мужского пола.
ВНЕЗЕМНЫЕ ПРЕБИОТИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ НА АСТЕРОИДЕ
Стремясь выяснить, как зародилась жизнь на Земле, ученые часто обращаются к звездам — или, выражаясь менее поэтично, к космическим камням. В прошлом было обнаружено, что метеориты содержат пробиотические соединения, которые в сочетании с другими соединениями могут образовывать строительные блоки жизни, но эти метеориты проходили через атмосферу Земли, оставляя возможность того, что они могли быть загрязнены. Вопрос о том, могут ли породы из огромной пустоты содержать такие материалы, оставался открытым — до марта 2023 года, когда был завершен анализ образцов, собранных японским зондом «Хаябуса-2», а исследование, основанное на полученных результатах, было опубликовано в журнале Nature.
Хаябуса-2″ был отправлен для сбора образцов с околоземного астероида 162173 Рюгу, и в этих образцах действительно был обнаружен урацил — разумеется, в очень небольших количествах — соединение, которое является одним из четырех важнейших компонентов РНК. Также были обнаружены следы ниацина, известного также как витамин B3. Исследователь Ясухиро Оба из Университета Хоккайдо подтвердил, что теоретически, если бы такое тело упало на безжизненную планету, эти микроэлементы могли бы в конечном итоге способствовать формированию жизни — вывод, который, безусловно, придает некоторую убедительность гипотезе панспермии, предполагающей, что жизнь на Земле могла зародиться именно таким образом.
ИСКУССТВЕННЫЙ МОЗГ
Вы наверняка знаете, что приставка «нано-» означает «очень, очень маленький». Таким образом, нанопроволочная сеть — это то же самое, что и звучит, — сеть, состоящая из крошечных серебряных проволочек, настолько крошечных, что их невозможно увидеть невооруженным глазом, уложенных друг на друга в виде сетки и соединенных между собой. В апреле 2023 года команда ученых из Сиднейского университета опубликовала в журнале Science исследование, в котором описала один из аспектов работы их нанопроволочной сети, который был просто потрясающим: она продемонстрировала способность выполнять когнитивные задачи более высокого уровня, подобные которым раньше были уделом исключительно людей.
Сеть, по сути, действует так же, как и мозг: провода выполняют ту же функцию, что и нейроны, а точки их соединения являются синапсами. В психологическом тесте, известном как тест «N-Back», в котором перед сетью ставилась задача идентифицировать изображения, которые она ранее просматривала в последовательности на несколько шагов назад, сеть работала так же хорошо, как и человек, и даже «хранила» изображения в своей памяти, демонстрируя способность к обработке как краткосрочной, так и долгосрочной памяти.
В пресс-релизе (через Сиднейский университет) соавтор исследования, профессор Зденка Кунчич, объяснила, что эта форма «искусственного интеллекта» — шаг за пределы машинного обучения. «Мы сделали еще один шаг вперед, — сказала она, — и попытались продемонстрировать, что нанопроволочные сети обладают некой когнитивной функцией» — и, судя по всему, им это удалось.
АППАРАТ НА ОСНОВЕ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА, СПОСОБНЫЙ ЧИТАТЬ МЫСЛИ
Что, если бы компьютер мог буквально читать и записывать ваши мысли? На первый взгляд, это может показаться совершенно ужасающим. Но задумайтесь на секунду — что, если бы, например, Стивен Хокинг мог носить шлем, который бы просто говорил нам, о чем он думает? Или что, если бы автор мог создавать целые отрывки или целые романы прямо из своих мыслей? Если это звучит как нечто из далекого будущего, то мы, должно быть, уже далеко, потому что в мае 2023 года ученые Остинского университета опубликовали в Nature исследование, описывающее модель ИИ, которая может делать именно это — причем неинвазивно, отслеживая мозговые волны своих подопечных с помощью простого МРТ.
Соруководитель исследования Алекс Хут назвал эту технологию огромным скачком вперед по сравнению с тем, что было достигнуто ранее: вместо нескольких слов или простых предложений этот ИИ может транскрибировать сложные мысли и образы на основе одних только мозговых волн. Конечно, он не идеален — иногда при переводе немного теряется смысл, ключевые слова или понятия изменяются или отсутствуют в транскрипции, и ИИ часто разбирает смысл мыслей, а не точные слова. («Он вошел в дверь» может быть переведено как «Он вошел в комнату», например).
Тем не менее, для неинвазивного метода результаты, достигнутые командой, поразительны — и когда метод визуализации мозга будет перенесен с громоздкого аппарата МРТ, его портативная версия может полностью изменить наше представление о мышлении.
ВОССТАНОВЛЕННАЯ РНК ВЫМЕРШЕГО ВИДА
Одно дело — извлекать ДНК из окаменевших или других давно вымерших организмов в стиле «Парка Юрского периода», поскольку она может хорошо сохраняться в течение длительного времени. А вот РНК — одноцепочечная копия участка ДНК — совсем другое дело, поскольку ранее считалось, что извлечь эту более хрупкую молекулу таким же способом невозможно. Однако в сентябре 2023 года команда ученых из шведского Центра палеогенетики и лаборатории SciLifeLab опубликовала в журнале Genome Research исследование, в котором сообщила, что им удалось разгадать код извлечения РНК из древних образцов, и тем самым они открыли путь к получению гораздо большего объема информации о вымерших видах, чем было доступно ранее.
Образец, о котором идет речь, принадлежал тилацину, виду тасманского тигра, который вымер почти сто лет назад — последний живой экземпляр умер в неволе в 1936 году. Как объяснил CNN ведущий автор исследования Эмилио Мармол Санчес, «РНК дает возможность проникнуть в клетку, ткани и найти реальную биологию, которая сохранилась у этого животного… прямо перед смертью».
Это дает гораздо больше информации о генетическом составе животного, чем было доступно ранее, и хотя Мармол Санчес подчеркнул, что целью его команды не обязательно является создание средств для возрождения тилацина после вымирания, доступ к более подробной генетической информации может способствовать таким усилиям, которые уже давно ведутся.
ВОЗМОЖНЫЙ ПРОРЫВ В КВАНТОВЫХ ВЫЧИСЛЕНИЯХ
Компьютерные процессоры нового поколения — это одно, а квантовые компьютеры — совсем другое. Технология только начинает готовиться к прайм-тайму; IBM представила свою модель квантовых вычислений в облаке в 2016 году, а в 2019 году выпустила устройство — IBM Q System One, — которое доступно потребителю, хотя и по заоблачной цене.
Проще говоря, квантовые устройства используют «кубиты», квантовый эквивалент цифрового бита, для обработки данных. Кубиты — это биты, созданные на основе квантово-механической системы, например электрона, и вместо того, чтобы быть запертым в одном или другом состоянии, как классический бит, кубит может существовать в обоих, ни в одном, ни в другом, или быть «запутанным» с другими кубитами. Короче говоря, их вычислительная мощность чрезвычайно велика — и хотя большинство существующих квантовых компьютеров имеют от 20 до 50 кубитов, компания Atom Computing разработала такой компьютер, который на порядки больше.
В октябре 2023 года компания объявила, что ей удалось создать систему с рекордным количеством квантовых бит — 1180, что лишь немногим лучше, чем у предыдущей системы, которая была запущена в 2021 году и предлагала только 100. Сегодня квантовые вычисления не совсем подходят для практического применения из-за частоты ошибок — но с увеличением количества кубитов увеличивается и потенциал исправления ошибок, и, объявляя о своем достижении, основатель Atom Бен Блум объяснил Ars Technica, что он представляет себе «от сотен тысяч до миллионов кубитов в одной системе» — уровень масштабируемости, который теперь кажется вполне достижимым и который может иметь глубокие последствия для будущего криптографии, ИИ, медицинских исследований и многого другого.
ВОЗМОЖНОСТЬ СУЩЕСТВОВАНИЯ ДРЕВНЕЙ ЖИЗНИ НА ВЕНЕРЕ
При средней температуре поверхности более 800 градусов по Фаренгейту соседка Земли — Венера — вряд ли может быть пригодна для жизни. Но ученые долго ломали голову над тем, всегда ли это было так, и в октябре 2023 года в журнале Nature было опубликовано исследование, проведенное Лунным и планетарным институтом в Хьюстоне (штат Техас), в котором были представлены новые доказательства того, что когда-то планета могла быть гораздо более похожей на Землю. В исследовании говорится, что высокое содержание азота и углекислого газа в атмосфере Венеры, которое в значительной степени способствует повышению температуры ее поверхности, похожей на температуру Аида, можно объяснить древней тектоникой плит — непрерывной перестройкой коры планеты.
В исследовании приводятся результаты компьютерного моделирования, согласно которым нынешняя атмосфера планеты может быть объяснена древним периодом тектонической активности, после чего кора застыла в своей нынешней, стабильной модели «застывшей крышки». Если это так, то в тот древний период на планете могли быть гораздо более низкие температуры и даже жидкая вода — и теоретически могла существовать жизнь.
Зонд НАСА, предназначенный для точного измерения содержания газов в атмосфере, планируется запустить в 2029 году, после чего будет проведена еще одна миссия, которая сделает снимки поверхности планеты в высоком разрешении. В сочетании друг с другом эти исследования могут окончательно доказать древнюю тектоническую активность на Венере, что подтверждает давно выдвинутую гипотезу о том, что на этой планете когда-то была жизнь, и, возможно, даже помогло заложить на Земле ее строительные блоки.
