10 научных историй 2017 года, которые покажутся вам фантастическими

И вот настало время сесть, оглянуться, глубоко вдохнуть и просмотреть заголовки научных статей, которые мы могли упустить. Ученые постоянно радуют нас новыми разработками в различных областях. Нанотехнологии, генная терапия, квантовая физика — это сферы, за которыми невозможно следить без восхищения. Постепенно заголовки статей становятся все больше и больше похожими на фантастические. Уже не терпится узнать, что нам представит 2018 год. А пока…

Ученые создали кристалл времени

Согласно первому закону термодинамики, вечные двигатели, работающие без какой-либо потери или получения энергии, невозможны. Но в начале этого года физики создали структуры — кристаллы времени — которые бросили вызов этому утверждению.

Кристаллы времени стали первыми в мире примерами нового состояния материи — «неравновесного» — при котором атомы имеют переменную температуру и никогда не находятся в тепловом равновесии друг с другом. Кристаллы времени имеют атомную структуру, которая повторяется не только в пространстве, но и во времени, что позволяет им поддерживать постоянные колебания без энергии. Это происходит даже в самом низком энергетическом состоянии, когда движение теоретически невозможно, потому что требует энергетических затрат.

Нарушают ли кристаллы времени законы физики? Технически нет. Сохранение энергии может быть определено только в системах с симметрией времени, при условии, что законы физики одинаковы везде и всегда. А кристаллы времени нарушают эту симметрию. Однако они не первые. Магниты также часто представляют как природные асимметричные объекты, потому что у них есть северный и южный концы.

Другая причина, по которой кристаллы времени не нарушают законов термодинамики, состоит в том, что они не полностью изолированы. Их нужно «подталкивать» время от времени — то есть прикладывать энергию извне, чтобы те начинали переключать свои состояния снова и снова. Возможные будущие применения кристаллов времени включают передачу и хранение информации в квантовых системах. Они могут сыграть решающую роль в квантовых вычислениях.

Крылья стрекозы — «живые»

Словарь Мерриам-Вебстер определяет «крыло» как подвижный оперенный или мембранный придаток, используемый птицами, насекомыми и летучими мышами для полета. Он не должен быть живым, но энтомологи из Кильского университета в Германии сделали несколько потрясающих открытий, которые указывают совершенно на противоположное у стрекоз.

Насекомые дышат через систему трахеи. Воздух входит в их тела через внешние отверстия, называемые дыхальцами. Затем проходит через сложную сеть трахеальных трубок, которые доставляют его ко всем клеткам тела. Крылья, однако, составлены почти полностью из мертвой ткани, которая высыхает и либо становится полупрозрачной, либо покрывается цветными узорами. Области мертвой ткани ограничены венами, которые остаются единственными компонентами крыла, которые являются частью дыхательной системы.

Однако, когда энтомолог Райнер Гильермо Феррейра посмотрел на крыло самца стрекозы Zenithoptera через электронный микроскоп, он увидел крошечные ветвящиеся трахеальные трубки. Это первое подобное наблюдение на крыле насекомого. Потребуется много испытаний, чтобы определить, специфична ли эта физиологическая черта этому виду, или же распространена у стрекоз и других насекомых. Это может быть даже мутация, которую случайно обнаружили у одной особи, но в этом эксперты сомневаются. Наличие избыточных поставок кислорода может объяснить яркие и насыщенные синие цвета, которые нашли у этих стрекоз, не содержащих синего пигмента.

Древний клещ, заполненный кровью динозавра

Мы находили много интересных вещей, запечатанных в янтаре, но находки этого года могут превзойти их все. Ученые из Мьянмы обнаружили кусочки янтаря, датированные 99 миллионами лет, которые содержали паразитов, похожих на современных клещей. Один из них запутался в пере динозавра, два других нашли в гнездах динозавра, а четвертый был заполнен кровью.

Конечно, это сразу же привело к мыслям о Парке Юрского периода, ведь мы могли бы использовать эту кровь для оживления динозавров. К сожалению, в ближайшее время этого не произойдет, потому что извлечь образцы ДНК из этих ископаемых в янтаре практически невозможно. Споры о том, как долго может просуществовать молекула ДНК, еще не достигли консенсуса, но даже самые оптимистичные оценки указывают на несколько миллионов лет в идеальных условиях.

Даже если это не вернет динозавров, клещ Deinocroton draculi (что переводится как «ужасный клещ Дракулы») стал необычной находкой, которая предоставила нам новую информацию. Теперь мы знаем не только то, что древние клещи кусали пернатых динозавров, но также и то, что они заражали гнезда динозавров.

Взрослый человек прошел через модификацию генов

Сегодня вершина генной терапии представлена CRISPR. Это семейство последовательностей ДНК, которое заложило основу для технологии CRISPR/Cas9, которая, теоретически, может навсегда изменить ДНК человека.

В 2017 году этот инструмент для редактирования генов сделал шаг вперед после того, как команда из Исследовательского центра Протеом в Пекине объявила, что успешно использовала CRISPR/Cas9 для устранения болезнетворных мутаций у жизнеспособных человеческих эмбрионов. Другая команда из Лондонского института Фрэнсиса Крика прошла противоположный путь и использовала технологию для преднамеренного создания мутаций в человеческих эмбрионах в первый раз. (В частности, они «отключили» ген, предотвратив развитие эмбриона до бластоцисты).

Это исследование показало, что CRISPR/Cas9 работает и относительно просто. Однако оно также вызвало активные этические дебаты о том, как далеко может зайти использование этой технологии. Теоретически, это может привести к появлению «дизайнерских младенцев», которые могут обладать интеллектуальными, спортивными и физическими характеристиками, заданными их родителями.

Если же убрать в сторону этику, в ноябре этого года был и другой прорыв: CRISPR/Cas9 впервые использовался на взрослом человеке. 44-летний Брэд Мадо из Калифорнии страдает от синдрома Хантера, неизлечимой болезни, которая в конечном итоге может приковать его к инвалидному креслу. Ему ввели миллиарды копий корректирующего гена и использовали генетический инструмент для разреза ДНК, вставки гена и сшивания. Пройдет несколько месяцев, прежде чем мы сможем определить, была ли процедура успешной или нет.

Что появилось раньше: губка или гребневик?

Новая работа ученых, опубликованная в этом году, ставит перед собой задачу раз и навсегда разрешить давние споры о происхождении животных. Согласно исследованию, губки — это «сестры» всех остальных животных в мире. Это проистекает из того факта, что губки были первой группой, которая ответвилась от эволюционного древа, которое в то время содержало только примитивного общего предка для всех животных. Это произошло примерно 750 миллионов лет назад.

До этой истории горячие споры сводились к двум кандидатам: вышеупомянутым губкам и морским беспозвоночным — гребневикам. В то время как губки — это простые животные, которые сидят на дне морском и фильтруют воду, чем и питаются, гребневики намного сложнее. Они похожи на медуз, могут толкать себя в воде, светиться, и у них есть простая нервная система. Выяснить, кто появился первым, также означает выяснить, как выглядел наш первый общий предок. Это важный шаг в отслеживании нашей эволюции.

Хотя исследование смело заявляет, что вопрос решен, всего за несколько месяцев до этого было опубликовано другое исследование, в котором выбор сделали уже в пользу гребневиков. Сомнения остаются.

Еноты прошли тест на древний интеллект

Примерно в шестом веке до нашей эры древнегреческий сказитель Эзоп написал или собрал набор басен, известных нынче как «Басни Эзопа». Среди них была басня «Ворона и кувшин», в которой рассказывалось о жаждущей вороне, которая выпила из кувшина, бросая в него камни, пока уровень воды не дошел доверху.

Несколько тысяч лет спустя ученые поняли, что эта история предлагает отличный способ проверки животного интеллекта. Такой эксперимент показал бы, что испытуемое существо понимает причину и следствие. Вороны, грачи и сойки преуспели в этом эксперименте. Высшие приматы также прошли тест, и в этом году к списку было добавлено еще одно животное — енот.

В ходе испытания восемь енотов столкнулись с цилиндром, в котором плавал зефир. Но плавал он слишком далеко, чтобы его можно было достать. Два енота решили бросать камни в цилиндр, тем самым повысив уровень воды и заполучив награду.

Другие испытуемые нашли собственные креативные решения, которых не ожидали испытатели. Используя свой опыт опустошителя мусорных баков, один енот запрыгнул на цилиндр и начал раскачивать его из стороны в сторону, пока не сбил. В другом эксперименте, в котором были плавающие и тонущие шарики вместо камней, ученые надеялись, что еноты будут вынимать плавающие шары и бросать в воду тонущие. Вместо этого некоторые животные неоднократно окунали плавающий шарик, пока кусочки зефира не прилипли к стенке цилиндра или к самому шарику.

Физики создали первый топологический лазер

Физики из Калифорнийского университета в Сан-Диего утверждают, что создали новый тип «топологического» лазера, который может принимать любую форму, змеей извиваясь вокруг полости без рассеяния света. В основе работы устройства лежит концепция топологических изоляторов (материалов, которые проводят только на поверхности, но изолируют в объеме), которая принесла создателям Нобелевскую премию по физике в 2016 году.

Обычно полость лазера, усиленная светом, имеет форму кольца. Она более эффективна, чем формы с острыми углами, но между кольцами остаются пустые пространства. Ученые преодолели это препятствие, создав топологическую полость с использованием фотонного кристалла в качестве зеркала. В частности, они использовали два фотонных кристалла с различными топологиями, один из которых являлся звездообразной ячейкой в квадратной решетке, а другой — треугольной решеткой с цилиндрическими воздушными отверстиями. Бубакар Канте, член команды ученых, сравнил их с бубликом и кренделем: оба хлебных изделия с дырками, но различное число дырок придает им характерную форму.

Как только кристаллы на месте, а интерфейс принимает желаемую форму, система включается активацией магнитного поля. Это меняет направление, в котором излучается свет, то есть позволяет направить поток света. Первым же применением стало размещение большего числа лазеров на чипе, за счет чего должна увеличиться скорость оптических коммуникаций. Однако в общей схеме вещей это похоже на шаг вперед в направлении оптических вычислений.

Ученых взбудоражил экситоний

Физики всего мира взбудоражены открытием новой формы вещества — экситония. Она сделана из странных частиц под названием «экситоны», которые являются связанным состоянием сбежавшего электрона и дыры, из которой он только что сбежал, притягиваемых кулоновской силой. Гарвардский физик-теоретик Берт Гальперин предположил существование экситония еще в 1960-х годах, и с тех пор ученые пытались доказать или опровергнуть его предположения.

Как и в случае со многими большими научными открытиями, открытие экситония проверяли со всей тщательностью. Ответственная за открытие команда из Университета штата Иллинойс в Урбана-Шампейн фактически разработала новый метод спектроскопии M-EELS специально для поиска экситонов. Однако их момент триумфа настал, когда ученые проводили калибровочные тесты своего нового метода. Один член команды вошел в комнату, а все остальные смотрели на доску и сказали, что только что измерили «мягкий плазмон», предшественник экситонной конденсации.

Ведущий исследования профессор Питер Аббамонт сравнил это открытие с бозоном Хиггса — у него не будет применения в реальном мире, но оно показывает, что наше нынешнее понимание квантовой механики крайне верное.

Созданы наномашины, убивающие рак

Ученые из Университета Дарема заявили, что создали наномашины, способные всверливаться в раковые клетки и убивать их всего за 60 секунд. В успешном тесте, проведенном университетом, крошечные машины всего за 1-3 минуты проникали через наружную мембрану раковой клетки простаты и уничтожали ее.

Эти наномашины в 50 000 раз меньше диаметра человеческого волоса. Они активируются светом и вращаются два-три миллиона раз в секунду, чтобы иметь возможность прорываться через клеточные стенки. Достигая своей цели, они либо взрывают ее, либо доставляют ценный груз в виде медикаментов.

Пока что эти наномашины использовались на одном типе клеток, но результаты поощряют ученых двигаться к микроорганизмам и небольшим рыбам. Затем они перейдут к грызунам и в конечном итоге к людям.

Межзвездный астероид мог быть инопланетным космическим кораблем

Прошло всего пару месяцев с тех пор, как астрономы радостно объявили об открытии нашего первого межзвездного посетителя, астероида под названием «Умуамуа». С тех пор они наблюдали много странного в его поведении, а некоторые даже решили, что он не из нашей Солнечной системы. Более того, он оказался таким странным, что в нем заподозрили космический корабль инопланетян.

Прежде всего — форма. Умуамуа имеет форму сигары с отношением длины к ширине 10:1, это поразительно. Сперва мы решили, что это комета, но когда при приближении к Солнцу ее хвост не стал таять, стало понятно, что это не комета. Некоторые эксперты утверждают, что скорость, с которой вращается этот объект, разорвала бы обычный астероид. Похоже, он специально предназначен для выживания в межзвездном путешествии.

Может ли он быть искусственного происхождения? Некоторые считают, что это зонд инопланетян, другие же — космический корабль со сломанным двигателем, который дрейфует в космосе. SETI уже нацелила на астероид свои телескопы, поэтому скоро узнаем.