Итоги 2024 года. Топ-10 удивительных научных открытий

Аспирантка университета Бингемтона Марьям Резаи (слева) и профессор Сокхын «Шон» Чхве разработали искусственные растения, которые могут питаться углекислым газом, выделять кислород и вырабатывать электроэнергию. Автор изображения: Джонатан Коэн. Источник: binghamton.edu

1. Добыли образцы грунта с обратной стороны Луне

Китайская миссия Chang’e-6 впервые доставила на Землю грунт и горные породы с «тёмной» стороны Луны. Аппарат собрал 2 кг образцов при экстремальных -183°C.

Фото: http://www.news.cn

Обратная сторона Луны, часто называемая «тёмной», остаётся невидимой с Земли, что затрудняет связь с аппаратами. Для решения этой проблемы Китай использовал ретрансляционные спутники, что позволило управлять зондом и передавать данные. Кроме того, аппарат был оснащён системой, способной работать в условиях экстремальных температур, что раньше ограничивало возможности исследователей.

Проект, длившийся 53 дня, завершился 25 июня 2024 года. Капсула с грунтом, сброшенная с зонда на парашюте, приземлилась на севере Китая. Ранее лунный грунт доставляли США, СССР и Китай, но с видимой стороны Луны. Полученные данные помогут глубже изучить эволюцию спутника Земли, его внутреннюю структуру и ранние этапы развития Солнечной системы.

2. Открыли новый класс антибиотиков

Шведские учёные из Уппсальского университета сделали важное открытие — они создали новый класс антибиотиков, которые способны побеждать опасные супербактерии, устойчивые к существующим препаратам.

Они блокируют белок LpxH, ключевой для формирования защитной оболочки грамотрицательных бактерий. Без неё такие патогены, как кишечная палочка и Klebsiella pneumoniae (возбудитель пневмонии, сепсиса и менингита), теряют защиту и погибают.

Испытания на животных подтвердили эффективность препарата, в том числе при лечении опасных инфекций, например, сепсиса. Кроме того, новый механизм действия пока не позволяет бактериям выработать устойчивость, что открывает большие перспективы для применения этого класса антибиотиков.

3. Ускорили зарядку электромобилей

 Канадские исследователи из Университета Ватерлоо (Канада) сделали прорыв в разработке литий-ионных батарей. Они научились заряжать электромобиль от 0 до 80% всего за 15 минут. Сейчас даже на станциях быстрой зарядки этот процесс занимает около часа.

Учёные сосредоточились на оптимизации внутренней архитектуры батареи и использовали материалы, которые повышают её устойчивость к высоким токам, ускоряют процесс зарядки и уменьшают деградацию. Новая технология позволяет батареям выдерживать до 800 циклов без значительной потери емкости. Существующие аккумуляторы способны выдерживать большее число циклов, но их емкость быстро снижается.

Быстрая зарядка снижает зависимость от инфраструктуры и делает электромобили удобнее в использовании.

3. Создали систему прогнозирования структуры белков

Учёные изменили подход к изучению белков с помощью системы искусственного интеллекта AlphaFold, которая за считанные часы предсказывает их трёхмерную структуру. Ее создатели — Демис Хассабис и Джон Джампер из Google DeepMind , а также Дэвид Бейкер из Университета Вашингтона, получили Нобелевскую премию по химии.

Белки — это сложные молекулы, которые выполняют ключевые функции в живых организмах. Их уникальные свойства зависят от структуры — трехмерной формы, которая определяется последовательностью аминокислот. Раскрытие структуры белков позволяет ученым понять, как они работают, и разрабатывать лекарства, которые воздействуют на определенные биологические процессы. Но определение структуры белков было сложным и долгим процессом.

AlphaFold изменила эту ситуацию – она предсказывает структуру за считанные часы. С её помощью определены структуры более 200 млн белков, существование которых обнаружили ранее учёные, и эти данные стали доступными всему научному сообществу. Инструментом пользуются учёные из 190 стран.

Точная информация о форме белков позволяет учёным понять, как они функционируют, и открывает путь к созданию новых технологий и методов лечения, в том числе для редких генетических заболеваний.

4. Начали установку мощнейщего в Европе суперкомпьютера

В Германии началась установка суперкомпьютера JUPITER (Joint Undertaking Pioneer for Innovative and Transformative Exascale Research) — первого в Европе exascale-суперкомпьютера, способного выполнять более одного квинтиллиона вычислений в секунду (число «1» с 18 нулями) с 64-битной двойной точностью. Его вычислительная мощность сопоставима с работой одного миллиона современных смартфонов.

Фото: https://www.fz-juelich.de

Передовые технологии жидкостного охлаждения минимизируют энергопотребление. Затраты на создание комплекса оцениваются в 500 млн евро. В рамках проекта уже запущен второй модуль системы.

Суперкомпьютер станет ключевым инструментом для задач, связанных с моделированием климата, разработкой новых материалов, исследованиями в биомедицине и развитием искусственного интеллекта.

До установки JUPITER в мире существовало только три суперкомпьютера с экзаскейл-мощностями, и все они находятся в США. Китай также заявил о запуске двух таких систем, но информация о них остаётся ограниченной. Япония в 2025 году планирует приступить к строительству суперкомпьютера, производительность которого, по прогнозам, будет достигать одного зетафлопса (число «1» с 21 нулём) операций в секунду.

6. Разработали компактный квантовый компьютер

Учёные из Национального университета Цинхуа (Тайвань) разработали самый компактный квантовый компьютер, использующий одиночный фотон для вычислений. Устройство, по размеру сопоставимое с системным блоком, стало настоящим прорывом в миниатюризации квантовых технологий.

Компьютер кодирует информацию в 32 временных интервалах внутри одного фотона, что обеспечивает высокую вычислительную мощность при минимальном энергопотреблении. Главное преимущество устройства — его работа при комнатной температуре, в отличие от большинства квантовых компьютеров, требующих сложного криогенного охлаждения. Это значительно упрощает производство и делает технологию более доступной для коммерческого использования.

Квантовые компьютеры востребованы в таких областях, как криптография, моделирование молекул, разработка материалов и финансы. Хотя IBM, Google и другие компании создают более мощные устройства, решение тайваньских учёных выделяется своей энергоэффективностью и компактностью. Параллельно над этой задачей работают исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) и компания Rigetti (США).

7. Приступили к технологическому запуску коллайдера NICA

В России дан старт работам по технологическому пуску сверхпроводящего коллайдера ускорительного комплекса NICA. Этот важный этап знаменует начало подготовки к физическому запуску комплекса.

Научный комплекс находится в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне. Его главная цель — воссоздание условий, существовавших в первые мгновения после Большого взрыва.

Коллайдер NICA разгоняет тяжёлые ионы до огромных скоростей и сталкивает их. Это позволяет получить плотную барионную материю — вещество, которое невозможно встретить в привычных условиях. Учёные исследуют взаимодействия кварков и глюонов — частиц, составляющих основу всей видимой материи во Вселенной. Эти исследования помогают понять происхождение и фундаментальные свойства материи.

Технологии, созданные в рамках NICA, способны изменить подходы в таких областях, как медицина, материаловедение и вычислительная техника. В проекте участвуют более 30 стран, а также Европейская организация по ядерным исследованиям (CERN). Первая исследовательская программа должна стартовать уже в 2025 году.

8. Стартовали испытания вакцины от рака легких

Первая в мире мРНК-вакцина против рака лёгких проходит клинические испытания в семи странах.

Рак легких — это основная причина смерти от онкологических заболеваний в мире, ежегодно он уносит жизнь 1,8 млн человек. Особенно низкие показатели выживаемости у пациентов с поздними стадиями заболевания, когда опухоль уже распространилась.

Новая вакцина, известная как BNT116 и разработанная компанией BioNTech, нацелена на лечение немелкоклеточного рака лёгких, самой распространенной формы этого заболевания.

В ее основе лежит матричная РНК (мРНК), аналогичная той, что использовалась в вакцинах против COVID-19. Вакцина стимулирует иммунную систему пациента выслеживать и уничтожать раковые клетки, предотвращая их повторное появление. Здоровые клетки остаются в безопасности, что отличает этот подход от традиционной химиотерапии.

Клинические испытания первой фазы проводятся в 34 медицинских центрах Великобритании, США, Германии, Венгрии, Польши, Испании и Турции. В исследовании участвуют около 130 пациентов, которые находятся на разних стадиях заболевания. Если испытания окажутся успешными, это может стать революционным шагом в лечении одного из самых смертоносных видов рака.

9. «Вырастили» искусственные растения

Американские исследователи из Университета Бингемтона разработали искусственные «растения», очищающие воздух в помещении и вырабатывающие электричество.

Схема: https://onlinelibrary.wiley.com

Разработка основана на биоэлектрохимических системах, имитирующих фотосинтез. Эффективность снижения уровня CO₂ достигает 90%, что значительно выше, чем у обычных растений (10%). Искусственные растения используют фотоэлектрические элементы, преобразующие свет в электричество благодаря бактериям или другим биоматериалам. Вырабатываемая энергия подходит для питания мелких приборов и зарядки аккумуляторов. 

Простая конструкция включает полимеры, взаимодействующие с углекислым газом, и микробные топливные элементы. Таким «цветочкам» не требуются почва, вода и удобрения, а работать они могут даже при искусственном освещении.

Технология имеет огромный потенциал в условиях урбанизации — в офисах и квартирах, где важно очищать воздух. Однако её производство пока обходится дороже, чем традиционные очистители.

10. Клонировали макаку-резус

Учёные Института нейронауки Китайской академии наук в Шанхае сообщили о первом успешном клонировании макаки-резус (Macaca mulatta). Клонированная обезьяна по имени РеТро родилась 16 июля 2020 года, однако ученым потребовалось несколько лет, чтобы убедиться в жизнеспособности метода.

Технология, которая использовалась для клонирования овечки Долли, оказалась неэффективной для макак-резусов. Для решения проблемы учёные усовершенствовали метод переноса ядра соматической клетки. Они создали 113 эмбрионов, из которых 11 были имплантированы семи суррогатным самкам. В результате одна из самок родила здорового малыша, которого назвали РеТро.

Эти приматы, генетически близкие к человеку, являются ключевой моделью для изучения болезней Альцгеймера, Паркинсона, аутизма и других генетических патологий, а также для тестирования новых лекарственных препаратов.

Вместе с тем, клонирование приматов остаётся предметом острых этических дискуссий. Необходим строгий международный контроль, чтобы исключить использование этой технологии для клонирования людей, что строго запрещено во многих странах.