Революція у боротьбі з ожирінням і шум чорних дір. Головні наукові історії 2023 року за версією Science

2023 рік запам'ятається чималою кількістю визначних подій у світі науки: від революційних методів боротьби з ожирінням до прогресу у лікуванні хвороби Альцгеймера, від космічних досліджень чорних дір до нових горизонтів у застосуванні штучного інтелекту. Ці та багато інших відкриттів по праву увійшли до списку найвагоміших наукових досягнень року за версією авторитетного журналу Science. Розповідаємо про головні прориви 2023 року та про те, як вони здатні змінити світ.

Ожиріння під прицілом

Головним досягненням цього року редакція журналу визначила створення препарату нового типу проти ожиріння. Воно є актуальним як ніколи, зважаючи на зростання кількості людей з цим діагнозом — близько 70 відсотків у США та понад 50 відсотків у Європі. Проблема з ожирінням не лише у стигматизації людей, що його мають, а й у тому, що надмірна вага є чи не основним фактором ризику діабету 2 типу, серцевих хвороб, артриту, хвороби печінки та раку. Водночас стандартне лікування стану не завжди доступне, ефективне та безпечне для пацієнтів. Саме тому новий клас препаратів називають переломним етапом у лікуванні ожиріння.

Ліки, що їх створили дослідники компанії Novo Nordisk, початково не були призначені для втрати ваги. Це засоби, що імітують дію глюкагоноподібного пептиду-1 (GLP-1) та створювалися як препарат проти цукрового діабету. Однак цьогорічні дослідження вказали, що лікування ним призводить до суттєвого схуднення — на безпрецедентні 15 відсотків ваги тіла за 16 місяців — та на 20 відсотків знижує ризик серцевого нападу й інсультів. Зараз препарат уже тестують і проти залежності від речовин, оскільки попередні дані вказали, що під час лікування ним пацієнти мають меншу тягу до вина та сигарет. Також GLP-1 засоби розглядають потенційними ліками проти хвороби Альцгеймера та хвороби Паркінсона.

Звісно, як із усіма іншими ліками, препарати GLP-1 мають побічні дії та багато невідомого. Найперше, нудота та розлади травлення, які змушують деяких пацієнтів передчасно припинити лікування. Також дослідження вказують, що лікування може бути пожиттєвим, оскільки після припинення приймання засобу пацієнти повертають собі дві третини колишньої ваги. Між тим, лікування коштує близько тисячі американських доларів на місяць. Та в будь-якому разі вчені поки сходяться в одному: нова терапія змінює не лише підхід до лікування ожиріння, а й уявлення про нього як просту нестачу сили волі, коли насправді це хвороба із глибокими коріннями в біології.

Завмирання океанічної течії

Одразу декілька досліджень цьогоріч вказали на сповільнення антарктичної течії, завдяки якій з атмосфери усувається третина викинутого людською діяльністю вуглецю. Цей потік виникає у кількох прибережних регіонах Антарктиди, де солона поверхнева вода захоплює тепло, кисень і вуглекислий газ із повітря та опускається до дна, а відтак повільно рухається на північ, поєднуючи всі світові океани.

Спершу з'ясувалося, що нижні шари води біля Антарктиди нагріваються, а їхній об'єм зменшується, що є ознаками сповільнення течії, дозволяючи теплішій воді проникати вище. Наступне вивчення уточнило, що течія сповільнилася на 20 відсотків, у порівнянні з 1970-ми роками. У травні ж вийшла стаття, яка показала, що потік глибинної води сповільнився майже на 30 відсотків з 1992 по 2017 рік. Поки що вчені не розуміють, що призвело до сповільнення та наскільки велика у цьому вина людини. Однак найімовірніше, що основною причиною є посилене танення антарктичної криги через глобальне потепління.

Воднева лихоманка

2012 року інженери відкрили на Малі свердловину, яку зацементували 1987 року після того, як необачний курець спричинив там вибух. Гази, які вивільнялися з неї, виявилися на 98 відсотків воднем, який підключили до генераторів. Він забезпечив поруч розміщене село першою водневою електроенергією, єдиним вихідним продуктом якої є безпечна для довкілля вода. Попри десятиліття роботи, тиск газу у свердловині не зменшився, вказуючи на стабільне її поповнення воднем із надр.

Після цього значні поклади водню виявили вже на всіх континентах, крім Антарктиди, породивши шалений потік інвестицій у стартапи водневої енергетики. Неопублікована стаття Геологічного дослідження США вказала, що Земля може зберігати 1 трильйон тонн водню — достатньо, щоб покривати потреби людства у паливі та добривах на тисячі років. Дослідники вважають, що його видобуток може бути значно дешевший за виробництво «зеленого водню» з відновлюваної енергетики.

Штучний інтелект-синоптик

Протягом десятиліть метеорологи використовували комп'ютерні моделі для передбачення погоди. Машин змушували обробляти величезні масиви даних та розв'язувати рівняння, беручи до уваги показники динаміки атмосфери. Однак на заміну їм приходить штучний інтелект (ШІ), точність якого перевершує найтоповіші традиційні моделі. При цьому ШІ від Європейського центру середньострокових прогнозів погоди (ECMWF) не розв'язує рівняння, а натомість аналізує характеристики мінливості погоди протягом останніх чотирьох десятиліть, видаючи результат за одну хвилину, а не години, як дотепер на суперкомп'ютерах. І як і з більшістю інших алгоритмів штучного інтелекту, ніхто не знає, на яких параметрах він навчився прогнозувати.

В ШІ для прогнозу погоди почали вкладатися й такі компанії, як Google, Huawei та Nvidia. Поки що алгоритми неідеальні, наприклад, не можуть передбачити інтенсивність ураганів. Однак фахівці впевнені, що виправлення цих погрішностей є лише питанням часу у процесі того, як нові моделі навчатимуться на даних з метеорологічних станцій у реальному часі.

Нова надія проти малярії

Велике дослідження показало, що схвалена кілька років тому вакцина проти малярії суттєво зменшує ризик смерті серед молодших дітей — когорти, яка найбільше потерпає від захворювання. А цьогоріч Всесвітня організація охорони здоров'я схвалила другу вакцину — R21/MatrixM, яка ще дешевша у виробництві за першу. З нею фахівці охорони здоров'я сподіваються покрити потреби людства в ефективному захисті проти малярії, яка уражає близько 40 відсотків населення Землі.

Виробник першої вакцини, що має назву Mosquirix, може щорічно виготовляти лише 18 мільйонів доз на рік, яких достатньо для щеплення 4,5 мільйона дітей із 40 мільйонів, які народжуються в ендемічних до малярії регіонах щороку. Натомість виробник R21/MatrixM може створювати 100 мільйонів доз на рік ціною від 2 до 4 доларів США, що більш ніж вдвічі дешевше за попередника.

Скромний прогрес у битві проти хвороби Альцгеймера

Медицина дотепер мало що могла запропонувати десяткам мільйонів людей у всьому світі, хворих на хворобу Альцгеймера, позаяк затверджені варіанти лікування спрямовувались лише на симптоми. Але у січні американський регулятор схвалив перший препарат, який, хоча і дуже скромно, але зупиняє когнітивний спад, борючись з біологічним підґрунтям захворювання. І друге, схоже лікування вже майже його догнало. Жоден з них не є рятівним і обидва мають серйозні ризики, але вони діють нову надію пацієнтам та їхнім родинам.

Мозок людей з хворобою Альцгеймера містить білкові скупчення, відомі як бета-амілоїд. І протягом багатьох років вчені сперечалися, чи допоможе їх видалення повернути гостроту розуму чи спинити його втрату. Різні підходи до цього провалилися. Але нове лікування моноклональним антитілом леканемабом, що зв'язується з бета-амілоїдом, сповільнило втрату когнітивних здібностей на 27 відсотків, порівняно з плацебо, у попередньому 18-місячному випробуванні. Цього було достатньо, щоб переконати регуляторів у Сполучених Штатах, а згодом і в Японії, схвалити його. Терапія антитілами з назвою донанемаб, яка також націлена на амілоїд у мозку, сповільнила когнітивний спад на 35 відсотків, і схвалити її можуть вже найближчим часом.

Попри позитивні результати, лікарі та вчені занепокоєні можливими побічними ефектами лікування, серед яких і крововилив у мозок та набряк мозку. Також невідомо, наскільки тривалим буде ефект від лікування.

Перші сліди американців

Попередні теорії стверджували, що перші поселенці прибули до Америки з Азії через тимчасовий природний міст на місці Берингової протоки близько 16 000 років тому. Однак нові знахідки в Національному парку Вайт-Сендс у Нью-Мексико, включаючи відбитки людських стоп віком 21 000-23 000 років, можуть відсунути цю дату ще на 5 000 років назад.

Інші археологічні знахідки, такі як оброблені камені та обгорілі кістки тварин у Південному Чилі та можливі кам'яні інструменти в мексиканській печері, також вказували на ранню присутність людини, але не могли однозначно підтвердити цю теорію. Відкриття у Вайт-Сендс, підтверджене у свіжому дослідженні датуванням за допомогою пилку наземних рослин біля слідів ніг, надає значно більш переконливі докази раннього переселення людей в Америку.

Ці нові докази викликали зацікавленість серед археологів, деякі з яких були скептично налаштовані до такого раннього поселення. Вони прагнуть знайти додаткові свідчення, такі як місця побуту або кам'яні інструменти, щоб краще зрозуміти культуру та спосіб життя цих давніх мешканців Америки.

Шум чорних дір

Цього року астрофізики зафіксували слабкі, довгоочікувані космічні вібрації. Це гравітаційні хвилі, викликані рухом титанічних мас: надмасивні чорні діри у Всесвіті, що обертаються навколо одна одної у щільних орбітальних парах. Це спостереження — дослідники не називають його «відкриттям», доки не будуть впевнені — є найсильнішим підтвердженням існування цих монструозних пар та потужним показом методу, який використовує сигнали від далеких зір для виявлення гравітаційних хвиль.

Ці надмасивні чорні діри, масивніші за Сонце у мільйони або мільярди разів, знаходяться в центрах галактик. Коли галактики зливаються, їхні чорні діри можуть опинитися у тісній орбіті одна від одної. На початкових етапах ці процеси неможливо спостерігати з Землі, але коли відстань між чорними дірами скорочується до кількох світлових років, їхній рух випромінює гравітаційні хвилі.

Для виявлення цих довготривалих гравітаційних хвиль від надмасивних чорних дір астрономи використали пульсари — згаслі зірки, що обертаються з високою швидкістю, випромінюючи радіохвилі. Спостерігаючи за змінами в ритмі цих пульсарів протягом двох десятиліть, вони змогли виявити впливи гравітаційних хвиль. У червні п'ять міжнародних команд науковців оголосили, що їхні 15-річні спостереження підтверджують наявність гравітаційного гулу від надмасивних чорних дір, можливо, навіть мільйонів таких пар у Всесвіті.

Повстання молодих учених

Протягом десятиліть випускники вузів та молоді науковці скаржилися на низьку оплату та погані умови праці, поки їхнє невдоволення не дійшло точки кипіння. Минулої зими 48 тисяч академічних працівників Каліфорнійського університету влаштували найбільший свого роду страйк в історії США. Його результатом стало підняття платні для випускників та аспірантів. У травні їхньому прикладу послідували тисячі академічних працівників у Канаді. А в Німеччині почали кампанію за зміни у контрактах аспірантів.

Обчислення в ексамасштабах

Комп'ютер Frontier цьогоріч став першим, якому підтверджено вдалося перетнути межу обчислювальної потужності в ексафлопс, тобто виконувати 1 квінтильйон математичних операцій в секунду. Така продуктивність, наприклад, дозволить суттєво прискорити дослідження складних кліматичних закономірностей та поводження матеріалів. Зокрема, розробники продемонстрували, що Frontier може передбачити поведінку 600 тисяч електронів у матеріалі з майже бездоганною точністю, тоді як до нього ліміт був у близько 1 тисячу електронів. Це дозволило команді змоделювати, як утворюються, ростуть і переміщуються дефекти в магнієвих сплавах, що має сприяти розробці надлегких матеріалів для паливноефективних автомобілів і літаків.

Але Frontier не єдиний. Аргонська національна лабораторія вже на останньому етапі перевірки свого ексафлопного комп'ютера перед тим, як представити його широкій публіці. Інші машини невдовзі мають представити у Каліфорнії, Німеччині, Франції та Японії, відкриваючи науці двері в обчислення раніше небачених масштабів.

Призачинені двері в Антарктиду

Антарктична програма США є глобальним лідером у дослідженнях південного континенту, але вона опинилася під загрозою. Минулого року авторитет організації підірвався через задокументовані сексуальні домагання, які 72 відсотки жінок програми назвали проблемою. Цьогоріч новиною стало повідомлення про скасування чи скорочення більш ніж половини проєктів програми на сезон 2023-2024 років. Іншою проблемою виявилося зростання вартості нового і потужнішого за старий криголама та закінчення контракту та менше судно, яке використовували для дослідницьких круїзів та постачання американської станції.

Вірус розбрату

Із завершенням пандемії ковіду питань і непорозумінь з приводу інфекції не поменшало. Зокрема, однією з основних тем цього року була ймовірність того, що небезпечний вірус таки вийшов у світ із дослідницької лабораторії у Вухані, а не є природного походження. Версію відстоювали багато науковців, а американські федеральні розвідувальні служби своїми неоднозначними поглядами на ситуації не вносили ясності: хоч більшість схиляються до природного джерела пандемії, але з низькою впевненістю.

Бурхливі обговорення породили серед науковців, політиків та аналітиків розвідки розбрат і недовіру. Водночас побоювання про витік з лабораторії посприяли висуненню пропозицій про суворіше регулювання дослідження вірусів, які мають потенціал створити пандемію. Хоча вчені занепокоєні, що це може перешкодити дослідницькій роботі.

Оманливий надпровідник

Звання найбільш революційного досягнення та найбільшого провалу року у 2023 році можна присвоїти дослідженням надпровідників. У березні американські дослідники повідомили, що їм вдалося створити надпровідник, який проводить електрику без опору за відносно низького тиску та кімнатної температури. Це був би небачений прогрес, що мав вдосконалити передачу електроенергії та заощадити мільярди доларів скоротити викиди парникових газів. Утім, вже за кілька місяців авторів дослідження звинуватили у фальсифікації та плагіаті, хоч головний автор і заперечував вину.

У серпні про надпровідність за кімнатної температури повідомили і південнокорейські науковці. Попри те, що цього разу про плагіат не говорили, але й повторити результати авторів не вдалося, залишаючи вчених і далі мріяти про революційний напровідник.

Менше науки у твіттері

Після того, як минулого року твіттер перейшов до Ілона Маска, мережа пережила численні зміни, які користувачі зустріли як зі сміхом, так і з роздратуванням, включно з перейменуванням її на Х. Вони також змусили багатьох науковців, які використовували платформу для обміну та обговорення досягненнями, покинути її. Мова ворожнечі та дезінформація і до Маска були проблемою соцмережі, але після того, як власник знизив модерацію контенту та й сам став ділитися конспірологічними ідеями, вони ще сильніше загострилися.

Зменшити концентрацію науковців у Х також змусило рішення керівництва, яким мережа припинила ділитися з науковцями своїми даними, закривши свій безкоштовний інтерфейс програмування застосунків та замінивши його набагато обмеженішим і непомірно дорогим аналогом. Через це припинилися або перенеслися на інші платформи десятки наукових досліджень, зокрема присвячених дезінформації.