Восемь главных научных событий 2022 года

1. Первое в истории изменение курса астероида людьми

Падающие на Землю крупные астероиды, как мы достоверно знаем, вызывают массовые вымирания и многолетнюю глобальную зиму. Даже менее крупные тела устраивают всепланетные пожары и массовую гибель людей и животных (такое было дюжину тысяч лет назад). Не удивительно, что NASA 26 сентября 2022 года провело «противоастероидные учения», попытавшись отклонить от своего курса хотя бы скромный 160-метровый астероид Диморф.

Эксперты NASA были согласны признать миссию успешной, если бы период обращения Диморфа вокруг Дидима уменьшился хотя бы на 73 секунды. Действительность превзошла эти скромные ожидания. Период уменьшился на 32±2 минуты: с 11 часов 55 мин до 11 часов 23 минут.

Последствия удара изучала целая плеяда наземных оптических телескопов, радиотелескопы в режиме радара, а также орбитальные инструменты «Хаббл» и «Джеймс Уэбб». Кроме того, за десять дней до столкновения от аппарата DART отделился кубсат-наблюдатель LICIACube, созданный Итальянским космическим агентством. До последних секунд работала и бортовая инфракрасная камера самого зонда-камикадзе. 

Наблюдатели зафиксировали многотонный выброс астероидного грунта с места удара. Этот шлейф будет пристально изучен. Астрономы надеются выжать из него всю возможную информацию о химическом составе и механических свойствах Диморфа. 

А в 2024 году Европейское космическое агентство планирует запустить к паре Дидим — Диморф миссию «Гера». В декабре 2026 года «Гера» доберется до цели. Этот зонд измерит массу Диморфа и подробно изучит его движение вокруг Дидима и вращение вокруг оси. Кроме того, «Гера» исследует поверхность астероида и кратер, образовавшийся в результате столкновения с DART. Все это трудно сделать с Земли: Диморф слишком мал.

Миссия «Геры» не только запротоколирует результаты эксперимента DART, она важна и для астрономии. Как-никак это будет первый исследовательский зонд, отправленный к астероиду с естественным спутником. 

Сам аппарат-камикадзе DART не был оснащен научной аппаратурой. Зонд не выходил на орбиту вокруг Дидима, чтобы не терять скорости, он врезался в Диморф с налета, как снаряд. И, конечно, было бы нерационально разбить дорогостоящие приборы, не дав им толком поработать. Миссия и так обошлась в $325 млн. В 2018—2021 годах на нее выделялись суммы, сравнимые с расходами на отслеживание опасных околоземных астероидов, а то и превосходящие их. Впрочем, инженеры все-таки воспользовались миссией, чтобы испытать новые солнечные батареи, плазменный двигатель и систему навигации.

Эксперимент DART показал, что человечество может менять орбиты небесных тел предсказуемым и контролируемым образом. Это важно не только для защиты от астероидной опасности. Например, некоторые учёные высказывают экстравагантную идею подгонять металлические астероиды ближе к Земле ради добычи на них полезных ископаемых. 

Но не следует заблуждаться: 550-килограммовый DART не смог бы сбить с курса по-настоящему опасный астероид. Эксперимент лишь продемонстрировал, что это направление развития — перспективное, а не тупиковое. Создание эффективных противоастероидных снарядов потребует совсем других сил и средств. К счастью, прямо сейчас нам почти наверняка ничего не угрожает, а технологии между тем не стоят на месте. Возможно, уже в ближайшие десятилетия на сцену выйдут ядерные двигатели, и создавать тяжелые космические аппараты станет гораздо проще.

2. Сложную земную жизнь породили кислородные горки

Еще Чарльз Дарвин недоумевал над тем, почему жизнь на Земле сначала долго была довольно простой, а потом, около полумиллиарда лет назад, вдруг устроила «кембрийский взрыв». Новая работа 2022 года пролила свет на причины резкого «ускорения» земной эволюции в последние сотни миллионов лет. И ответ оказался совсем неожиданным.

Обычная схема усложнения жизни, предполагавшаяся учеными ранее, была такой: по мере накопления кислорода в земной атмосфере живым существам стало легче строить крупные, сложные организмы, нуждающиеся в большом количестве эффективного окислителя, того самого кислорода. Кислород плавно накапливался в атмосфере от появления фотосинтеза чуть ли не до кембрийского взрыва — и именно рост его концентрации и сделал возможным эволюционный рывок.

Теперь ученые реконструировали концентрацию О₂ на Земле (сравнивая количество изотопов углерода в разных слоях) для последних пары миллиардов лет и обнаружили нечто неожиданное. Никакого «плавного накопления кислорода» не было. Напротив, планета переживала «кислородные горки», при которых 750 миллионов лет назад кислорода в воздухе было 12 процентов (таким может дышать даже человек), а уже 720 миллионов лет назад — всего 0,3 процента, в 40 раз меньше. Подобные колебания повторялись очень много раз, и закончилось все это только к тому моменту, когда жизнь закрепилась на суше, — менее 450 миллионов лет назад.

Подробнее об этом вот тут.

3. Самая большая бактерия

На французских Антильских островах найдена бактерия Thiomargarita magnifica (Серная жемчужина великолепная). Причем найдена совсем не так, как бактерия обычная, а визуально, без микроскопа. Все потому, что это крупнейшая бактерия из известных людям. Ее тонкие клетки достигают 20 миллиметров в длину, что на порядок и более превосходит известные прежде экземпляры.

Как мы знаем из учебников биологии, бактерии не могут быть слишком большими, потому что молекулы питательных веществ в них распространяются только диффузией, а та происходит очень медленно. Поэтому по-настоящему крупные клетки — допустим, мышечные клетки людей, достигающие десятков сантиметров в длину, — могут быть только у эукариот, организмов типа нас с вами, у которых внутри клетки есть целый набор специальных органелл, упрощающих «оборот» нужных веществ в клетке.

Так вот: у Серной жемчужины тоже есть что-то похожее на органеллы. Огромный (от двух третей объема) «мешочек» с жидкостью создает внутреннее давление, позволяющее веществам быстрее распространяться по остальной части клетки. Более того: ДНК внутри этой бактерии не плавает, а изолировано еще в одном «мешочке» — совсем как ДНК в ядре наших собственных клеток.

Зная все это, трудно удивляться тому, что открыли бактерию десяток лет назад. Но первые пять лет ее принимали за очень странный грибок, а вторые — пытались понять, как бактерия такого размера вообще возможна, и она ли это или все же какой-то странный эукариот.

Огромная бактерия — не просто причуда природы. Она показывает, что граница между прокариотами (туда входят бактерии) и эукариотами (инфузориями или нами) не такая уж и непроницаемая. И что формы жизни могут быть куда изощреннее и необычнее, чем мы думаем.

Об этом рассказывается в статье, представленной в научном журнале Science.

4. Самое практичное научное событие: многолетний рис

Вообще-то любой рис по определению многолетний, в отличие от, например, пшеницы. Однако у стандартного риса, дающего отростки и на второй год, урожайность слишком низкая. Поэтому на практике женщины и дети в третьем мире вручную высаживают молодые рисовые растения (они слишком нежны для механизации), что крайне трудоемко и немало добавляет к стоимости конечного продукта.

Не удивительно, что попытки создания многолетнего риса идут с 1990 года. Вот только получившиеся у селекционеров результаты имели то низкую урожайность, то еще какие-то недостатки.

В 2022 году китайские ученые подвели итог эксперимента по рису-23 — новой попытке решения старой задачи. У фермеров, привлеченных к эксперименту, все получилось: они собрали восемь урожаев за четыре года, и лишь на пятый год урожайность риса начала падать настолько, что его понадобилось сажать заново.

Значение этого результата огромно. Издержки фермеров с новой культурой упали примерно вдвое, хотя необходимость внесения гербицидов слегка выросла. Главное, однако, тут даже не деньги. Страны Азии стремительно богатеют, а с деньгами уходит в прошлое и рождаемость. Население Китая к 2100 году демографы оценивают вдвое ниже, чем сейчас, и большинство китайцев к тому времени неизбежно будут глубокими пенсионерами. Сажать рис каждый год вручную может оказаться просто некому. Поэтому успех селекционеров сложно переоценить.

Отдельно отметим: ни CRISPR, ни ГМО-методы не позволили бы сами по себе достичь такого результата, поскольку нужные в данном случае признаки полигенны (кодируются сразу множеством генов) и собственно генной инженерией получить нужный результат за разумное время не вышло бы. Зато скрещивание азиатских однолетних линий риса с многолетними африканскими дали ученым нужный результат. Это лишний раз подчеркивает: потенциал селекции в сельском хозяйстве все еще огромен, и на многих направлениях больше, чем у вроде бы хайповых и медийно раскрученных методов (все тот же CRISPR и прочие), имеющих на деле серьезные практические недостатки, все еще ограничивающие их полезность.

5. Термоядерный прорыв

В декабре 2022 года в США удалось нагреть мишень с термоядерным топливом, использовав 2,15 мегаджоуля, и получить при этом 3,22 мегаджоуля. С научной точки зрения результат огромный: до этого лучшим достигнутым соотношением было 1,5 к 1, а не 1 к 1,5, как здесь.

В то же время на питание системы лазеров в эксперименте в реальности ушло 322 мегаджоуля (и это были даже не все энергозатраты эксперимента). То есть с инженерной или энергетической точки зрения новый эксперимент прорывом не был. Да, лазеры, использованные в этом опыте, не были оптимизированы под такую задачу. Но даже с использованием наиболее современных лазеров энергоэффективность «зажигания» термоядерного топлива в эксперименте могла подняться не более чем в 20 раз. То есть с точки зрения мыслимых на сегодня технологий затраты энергии все равно должны превышать отдачу от термоядерной реакции по новому «рецепту» как минимум в пять раз.

И конечно инженерам придется ответить на множество вопросов: как оптимально поглощать и отводить на генераторы гигаджоули энергии, выделяющиеся в шарике размером несколько микрон? Как эффективно получать несуществующий на земле изотоп тритий, используемый в качестве топлива? Как дешево и массово производить мишени, требующие рекордных характеристик? Как сделать надежной и недорогой лазерную установку, которая должна выдавать несколько мегаджоулей раз в секунду или около того, тогда как сегодня ее подготовка к одному выстрелу занимает полдня, и как быстро устранять ее неисправности?

Многие десятилетия результаты установок с инерциальным удержанием вызывали скепсис и уныние, а строительство новых установок финансировалось только военными. Казалось, что это направление никогда не перейдет в рост. Но последние два года показали, что это была экспонента, по которой ученые уже прошли большую часть и преодолели большинство принципиальных физических проблем. Остались инженерные и экономические трудности, которые могут стать и запретительными на пути к инерциальной термоядерной энергетике, а могут и нет. Но — сегодня у человечества появился принципиально новый вариант на пути к «Граалю».

6. Древнейшая ДНК

Группа известного ученого Эске Виллерслева совершила настоящий прорыв в изучении жизни прошлого: ей удалось выделить множество ДНК возрастом в два миллиона лет из грунта самой северной точки Гренландии (севернее серьезной суши на Земле уже нет).

Результат выдающийся сразу в двух отношениях. Во-первых, выяснилось, что экосистема самой северной точки суши тогда была крайне экзотической. Никакой тайги — в основном широколиственный лес из тополей, берез, хотя и с вкраплениями туи. А в лесу этом бродили мастодонты, северные олени и прыгали зайцы. Но больше всего удивляют обитатели прибрежной зоны — среди них нашлись рифообразующие кораллы. В наши дни не то что в Гренландии, но и в Канаде на небольших глубинах никаких коралловых рифов не найдешь: слишком холодно. Из наличия таких рифов в ту эпоху косвенно следует, что Северный Ледовитый океан тогда вряд ли замерзал даже зимой (кораллы рода Merelindae просто не перенесли бы таких температур).

А это уже само по себе сенсация, крайне важная в свете того, что глобальное потепление двигает наш климат как раз к тому, который был пару миллионов лет назад. Получается, есть шанс на незамерзающий Северный океан и при нашей жизни.

7. Древнейшая ампутация

Некоторые разделы медицины считаются настолько сложными, что по умолчанию предполагается: их не могло быть до появления развитой цивилизации. Именно так было с ампутацией поврежденных конечностей. Больного надо обезболить (или как-то надежно фиксировать), нужно разрезать мышцы, кожу и сухожилия так, чтобы затем не было сепсиса. Опять-таки, без обеззараживания инструментов для ампутации это тоже вряд ли получится.

Однако, уже в прошлом году, в Nature вышла работа, показавшая: первая известная результативная ампутация случилась 31 тысячу лет назад, глубоко в палеолите. На скелете молодого человека с острова Борнео видны следы ампутации нижней трети левой голени, но после операции он прожил от шести до девяти лет, то есть сама операция была проведена успешно. Очевидно, жители Борнео уже в ту эпоху имели очень неплохое представление об анатомии человека, лекарственных растениях и базовой хирургии. Все это очень неожиданные открытия, если учесть эпоху, к которой они относятся.

Ключевая проблема тут даже не в том, чтобы получить все эти знания. Теоретически очень способный знахарь за долгую жизнь может накопить такие знания. Но вероятность того, что археологи наткнулись на результаты деятельности одиночного гения, весьма мала. Более вероятно, что как минимум на Борнео такие весьма сложные знания как-то передавались из поколения в поколение — даже без наличия письменности, при сохранении всех деталей в устной форме. А это может указывать на то, что и другие сложные знания вполне могли накапливаться людьми еще в палеолите.

8. Химики предложили новую гипотезу происхождения земной воды

Вопрос о происхождении воды на нашей планете непрост. Земля формировалась глубоко внутри «снеговой линии» — региона Солнечной системы, где излучение звезды испаряет воду. То есть еще на этапе формирования ее «кирпичиков», планетезималей, воды в них не могло быть слишком много. К тому же формирование планеты шло в ходе соударения огромных астероидов. При этом выделялось много тепла, что тоже должно было сделать поверхность планеты относительно безводной.

Дополнительная серьезная проблема земной воды — Марс. Он еще в период формирования получал втрое меньше солнечного излучения, чем Земля. И как минимум в начале своей истории должен был иметь больше воды, чем наша планета. Однако на практике бывшее морское дно занимает менее половины четвертой планеты. А у нас — три четверти. Как это могло получиться? Вряд ли дело в меньшей марсианской гравитации: на Церере и крупных лунах Юпитера и Сатурна сила тяжести еще слабее, чем у Марса. А вот воды там много больше, как и должно быть, учитывая, что Церера и более удаленные тела лежат дальше от Солнца.

Были попытки решить вопросы гипотезами-«костылями». Например, что воду на Землю и Марс принесли кометы и астероиды из внешних областей Солнечной системы, за снеговой линией. Только вот изотопы водорода и азота (и не только их) на телах из внешней части Солнечной системы упорно не совпадали ни с земным соотношением изотопов, ни с марсианским.

Известному российскому химику Артему Оганову и группе его соавторов удалось предложить довольно неожиданное решение этой проблемы. С помощью расчетов они выяснили, что модификации одного силиката (α−Mg2SiO5H2 и β−Mg2SiO5H2) сохраняют стабильность и способность удерживать водород и кислород при примерно 2,6-3,4 миллиона земных атмосфер. Да еще и при температурах в тысячи кельвин, то есть даже в центре нашей планеты.

Артем Оганов отмечает, что в первые десятки миллионов лет земной истории, когда расплавленное железо опускалось в центр планеты, вытесняя более легкие силикаты в область меньших глубин, предсказанное соединение постепенно начало разлагаться. Давление в мантии, куда они переместились из ядра, было слишком низким, чтобы соединение могло существовать там. А при распаде 11 процентов получающихся соединений (по весу) составила вода.

Новая гипотеза решает и вопрос Марса. Тот намного меньше Земли: в его ядре никогда не было давления, достаточного для стабильного существования такого соединения. Соответственно, насытить гидросферу Красной планеты продуктами распада этого открытого «на кончике пера» силиката там не было никакой возможности.

Из открытия следуют очень серьезные последствия и для планет других систем. Большинство известных нам экзопланет — суперземли, где давление в ядре выше земного. Это может означать, что доля воды в общепланетной массе там существенно выше нашей.

Источник