Изобретения и открытия 2021 года, которые изменят нашу жизнь навсегда

2021 год запомнился нам возвращением к привычной жизни, многие города открылись после пандемии. Мы совершенно по-другому стали смотреть на окружающий нас мир. Мы менялись вместе с миром. Наука тоже не стояла на месте: проводились исследования, расчеты и эксперименты. “Экономическая правда” собрала самые запоминающиеся изобретения 2021 года.

Вакцина от ВИЧ успешно прошла испытания

В начале декабря ученые из американского Национального института аллергии и инфекционных заболеваний (NIAID) отчитались об успешном испытании вакцины от вируса иммунодефицита человека (ВИЧ).

Препарат сконструировала компания Moderna по технологии мРНК. Она не уникальна, но в 2021 году о ней заговорили как о революционной. За ней производят вакцины от коронавируса компании Pfizer-BioNTech и Moderna.

Положительные результаты вакцины от ВИЧ достигнуты в ходе испытаний на макаках. Через 58 недель после вакцинации у всех привитых животных выработались измеряемые уровни антител, нейтрализующие большинство штаммов ВИЧ-инфекции.

Хотя введенные дозы мРНК были высокими, вакцина хорошо переносилась. Она вызывала лишь легкие временные побочные эффекты, в частности, потерю аппетита.

Через две недели ученые начали заражать макак так называемым причудливым вирусом, созданным путем объединения фрагментов нуклеиновой кислоты из двух или более разных вирусов. Всего было 13 попыток инфицирования с интервалом раз в неделю. В результате две из семи иммунизированных макак остались незараженными.

По теме: В США одобрили два препарата для лечения COVID-19: как они действуют

Остальные иммунизированные животные инфицировались через восемь недель. Неиммунизированные животные заражались через три недели. В настоящее время ученые корректируют протоколы испытаний. При подтверждении безопасности и эффективности вакцины будет объявлено о первой фазе ее исследования на здоровых взрослых людях.

Термоядерный реактор создал больше энергии, чем потребил

Ученым из США в ноябре впервые удалось сгенерировать больше энергии при реакции управляемого термоядерного синтеза, чем потребляющая установка, запускающая слияние атомных ядер. В настоящее время работа проходит экспертную оценку.

Если результаты подтвердят независимые специалисты, можно будет уверенно сказать о достижении важной вехи в развитии этой отрасли энергетики.

Как сообщили исследователи, в реакции термоядерного синтеза был достигнут рекордный выход энергии – 1,3 мегаджоуля.

Это значительно лучший результат по сравнению с предыдущими попытками. Выход энергии в восемь раз больше, чем в других экспериментах, и в 25 раз больше, чем в экспериментах, проведенных в 2018 году. Это большое достижение для физиков Ливерморской национальной лаборатории США.

Этот результат является историческим шагом вперед в исследованиях термоядерного синтеза с инерционным содержанием. Он открывает принципиально новый режим для исследований и продвижения наших важнейших задач национальной безопасности», – сказала директор лаборатории Ким Будил.

Термоядерный синтез с инерционным содержанием подразумевает создание маленькой звезды. Капсулу с “топливом”, тяжелыми изотопами водорода дейтером и тритием, помещают в небольшую пустую золотую камеру (хольраум).

Затем на хольраум направляют 192 мощных лазерных луча. Стенки хольраума превращают это излучение в рентгеновские лучи. Они направляются в капсулу с топливом, нагревая и сжимая ее до условий, которые, вероятно, находятся в ядре звезд. Температура более 100 млн. градусов и давление свыше 100 млрд. атмосфер.

Так в земных условиях зажигается маленькая звезда.

Процесс длится несколько миллиардных долей секунды. Цель эксперимента – получение “бесплатной” энергии. Правда, на воспаление минизвезды тратится огромное количество энергии, но ученые не теряют надежды, что скоро минисвет сгенерирует больше энергии, чем поглотит установка.

“Это исторический результат, кульминация многих десятилетий упорного труда, инноваций и изобретательности, масштабной командной работы и неустанного внимания к конечной цели”, – считает физик Йохан Френье из Центра изучения плазмы и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института.

Виагра снижает риск болезни Альцгеймера

Исследование ученых частной клиники Кливленда (США) показывает, что препарат силденафил (более известен как виагра) значительно снижает вероятность развития болезни Альцгеймера От нее страдают 6% людей старше 65 лет. Поражается серое вещество головного мозга, что приводит к потере памяти.

Ученые проанализировали заявки на медстрахование 7,2 млн человек. Они обнаружили, что употребление силденафила снижает возможность развития недуга в течение следующих шести лет почти на 70% по сравнению с пациентами, которые его не принимают.

Конечно, такие результаты не доказывают причинно-следственный эффект. Люди, принимавшие силденафил, могли использовать и другие препараты или заниматься физической активностью, что повышает шансы не стать жертвой болезни.

Однако исследователи говорят, что обнаруженной корреляции достаточно для определения силденафила как главного кандидата на лекарства против болезни Альцгеймера Ученые частной клиники собираются проводить исследования, чтобы доказать или опровергнуть наличие причинно-следственной связи.

Живых роботов научили размножаться

Спроектированные искусственным интеллектом и собранные вручную ксеноботы – живые машины из эмбриональных клеток лягушки – могут спонтанно воспроизводить себя. Впервые ксеноботов представили ученые из США в 2020 году. Для их создания использовали стволовые клетки из эмбрионов южноафриканской лягушки Xenopus laevis.

Геном лягушки остался прежним, но клетки перепрограммировали. После инкубации около 3 тыс. клеток соединили вручную с помощью крошечных пинцета и электрода. Созданные таким образом ксеноботы могли двигаться, находить заданные цели и восстанавливаться после повреждений.

В новой работе ученые научили ксеноботов создавать себе подобных. Это совершенно новый способ размножения. “Взрослые” ксеноботы собирают клетки, и через несколько дней “малыши” превращаются в полноценных ксеноботов.

Ксеноботы используют так называемую кинематическую саморепликацию – процесс, который раньше наблюдали только на молекулярном уровне.

Чтобы выяснить, какая форма ксеноботов лучше подходит для воспроизведения, ученые обратились к искусственному интеллекту. Запущенный на суперкомпьютере эволюционный алгоритм протестировал миллиарды форм тела ксеноботов и нашел, что обеспечит эффективную кинематическую саморепликацию.

На эту задачу суперкомпьютер потратил несколько месяцев. Он остановился на С-образной форме, напоминающей “пакмана” из одноименной игры. Затем ученые собрали роботов по предложенной компьютером схеме и показали, что новые ксеноботы могут успешно воспроизводить себя в течение нескольких поколений.

Авторы работы считают, что ксеноботы дадут более глубокое понимание процесса размножения. Они позволят создавать живые машины для регенеративной медицины, разработки лекарств и сбора микропластика в воде.

Лекарство для остановки старения

Применение лекарств, останавливающих процесс старения и омолаживающих организм, может начаться через пять-десять лет. Японские ученые открыли механизм, с помощью которого можно избавиться от стареющих клеток.

По словам профессора научно-исследовательского института медицины Токийского университета Макото Наканиси, возрастное ослабление функций организма вызвано накоплением в органах “стареющих” клеток, запускающих воспалительные процессы.

Их 60 лет назад открыл американец Леонард Хейфлик. Он обнаружил, что клетки могут делиться только несколько раз. Последние исследования доказали, что деление может прекратиться из-за повреждения ДНК или окислительного стресса.

“Если удалить “стареющие” клетки, то можно остановить воспалительные процессы, а значит, добиться существенного торможения старения”, – рассказал Наканис.

В 2014 году ученые стали выяснять, почему клеточки не могут размножаться, и нашли молекулярный механизм. Они создали клетки с общими для всех “стареющих” клеток свойствами и стали искать то, что убивало бы только их.

Ученые выяснили, что для “стареющей” клетки важен фермент GLS1. Он тесно связан с процессом метаболизма глутамина. Чтобы выжить и нейтрализовать кислую среду, клетка нуждается в аммиаке, производимом при превращении глутамина в глутаминовую кислоту, т.е. при процессе, в котором необходим GLS1.

Исследователи использовали препарат, который проходит клинические испытания в качестве лекарства против рака. Этот препарат ввели старенькой мыши. Результатом стало резкое улучшение в органах и структурах, претерпевших возрастные изменения. После инъекции ученые увидели улучшение симптомов диабетической болезни и атеросклероза.

“Скопления “стареющих” клеток вызывают болезни Альцгеймера и Паркинсона. Одним препаратом можно добиться улучшения по многим видам возрастных заболеваний и добиться омоложения», – сказал профессор.

Если будет доказана безопасность препарата для человека, его будут сначала применять для людей с прогерией – синдромом преждевременного старения. Затем – для тех, кто из-за возрастного ослабления мышц не может вести обычный образ жизни. Также в очереди пациенты, у которых отказали почки и они нуждаются в диализе.

CO2 научились превращать в кислород и углерод

Австралийские ученые создали простую и эффективную установку для превращения углекислого газа в кислород и углерод. В случае ее масштабирования автомобили с ДВС, ТЭС на угле или газе и промышленные установки вместо углекислого газа при сжигании топлива смогут производить чистый кислород.

В основе опытной установки объемом в два литра лежат физико-химические явления, связанные с пропусканием углекислого газа через галлий. Это так называемый жидкий металл, начинающий плавиться при температуре 30 градусов.

Кроме галлия в жидкой форме и галлия в виде наночастиц в смесь добавляются серебряные стержни нанометровых размеров. В процессе работы смесь интенсивно перемешивается. Это вызывает трибоэлектрохимические реакции. Жидкости из-за силы трения активнее взаимодействуют с поверхностями твердых наполнителей.

Ученые сообщили, что компактная установка в течение месяца без изменения характеристик ежеминутно превращала 100 мл CO2.

На превращение тонны CO2 в кислород и твердый углерод израсходовали 230 кВт-ч электричества, что стоит 100 дол. Эффективность превращения достигла 92%. Углерод образуется в виде хлопьев и просто выныривает на поверхность.

Такими установками, полагают ученые, можно оборудовать каждый автомобиль и электростанцию на ископаемом топливе, в результате чего воздух посвежеет буквально “на глазах”. Для коммерциализации технологии была создана компания LM Plus.

Ученые превратили свет в материю

Исследователи американской Брукхейвенской национальной лаборатории с помощью сложного ускорителя частиц превращают свет в электроны. Это явление на планете происходит впервые. Прорыв подтвердил предсказания, сделанные влиятельными физиками почти столетие назад.

Превращение фотонов, безмассовых частиц света в электроны, элементарные частицы материи, сделали исследователи на релятивистском коллайдере тяжелых ионов RHIC. Теоретические предпосылки данной работы возникли в начале 20 века. Для их проверки ученые создали соленоидный трекер-детектор (STAR).

“Звезды сошлись так, что у нас получилось”, – сказал автор проекта Чжанбу Сюй.

Результаты эксперимента пригодятся астрофизикам и космологам.

Вертолет полетал на другой планете

В начале 2021 года на поверхность Марса сел аппарат Perseverance. Вместе с ним прибыл вертолет Ingenuity, удививший и ученых, и любителей космоса.

Планировалось, что он совершит пять полетов в течение 30 марсианских дней и разобьется. Авторы проекта хотели выяснить, могут ли вертолеты работать в марсианской атмосфере. Однако Ingenuity не только взлетел, но и пережил смену времен года и помог марсоходу изучать планету. За полгода работы вертолет поставил несколько рекордов, и NASA возлагает на него еще больше надежд.

Вертолет совершил уже 18 вылетов, преодолев расстояние 3,6 км. Он поднимался на высоту 12 метров, летел со скоростью 18 км/ч и провел в полете 30 мин. Аппарат автоматический: руководители отправляют команды, а вертолет выполняет сам.

Программное обеспечение аппарата предполагает полеты только над плоской поверхностью. Разработчики не учили вертолет работать в гористой местности, потому что никто не думал, что он будет работать так долго.

На создание аппарата весом 1,8 кг NASA израсходовало 85 млн дол. Ingenuity смог летать в атмосфере Марса, плотность которой в 72 раза ниже земной. Кроме того, он внес бесценный вклад в развитие аэрокосмических технологий.

Начались испытания вакцины от рака груди

Клиника в Кливленде объявила о начале беспрецедентных клинических испытаний препарата, предотвращающего развитие трижды отрицательного рака молочной железы (ТНРМЗ) – наиболее агрессивной разновидности этого заболевания.

По статистике, именно эту форму рака груди чаще всего диагностируют у женщин до 40 лет, а также у людей с врожденной генетической мутацией (BRCA1), что значительно повышает риск развития этого заболевания.

Такую мутацию унаследовала актриса Анджелина Джоли. Узнав о 87%-ной вероятности развития у нее этой разновидности рака, она удалила обе молочные железы. После операции риск актрисы заболеть упал до 5%.

Разработать вакцину, которая существенно снижала бы риск развития недуга, пытаются несколько научных коллективов. Однако испытания потенциальных препаратов еще ограничиваются лабораторными опытами на животных.

Действие препарата, вводимого в виде трех инъекций с двухнедельным перерывом между ними, основано на поиске в организме специфического белка.

В норме он производится только у молодых матерей в период кормления грудью. В остальное время присутствие этого протеина в крови указывает на наличие потенциальной опухоли. Обнаружив его, вакцина подает сигнал в иммунную систему.

Пока препарат будут испытывать на добровольцах, у которых ТНРМЗ диагностирован на ранней стадии и излечим с помощью традиционной терапии. Следующим шагом станет испытание вакцины на здоровых волонтерах из группы риска. В их числе женщины с наследственной мутацией гена BRCA1.

Доказана возможность искривления пространства

Бывший аэрокосмический инженер NASA Гарольд Уайт случайно совершил открытие, ставшее первым в мире подтверждением реальности так называемого варп-пузыря или пузыря Алькубьерре. Это может открыть человечеству дорогу к звездам.

Уайт является энтузиастом варп-двигателей. Работает по контракту с DARPA и параллельно развивает свою некоммерческую организацию Limitless Space Institute (LSI).

Сочетание его собственных исследований, работ LSI и проектов DARPA позволило исследователю совершить удивительное открытие: увидеть рождение варп-пузырька там, где другой ученый не обратил бы на это явление внимания.

Для DARPA Уайт исследует эффект Казимира. Он интересен тем, что на микроуровне позволяет проявляться определенным квантовым явлениям в виде взаимного тяготения двух объектов под действием свободно рождающихся и исчезающих в вакууме частиц.

В макромире такой эффект можно наблюдать при зарождении мусорных островов в океане. Для DARPA ученый изучил явление геометрии поверхностей объектов.

При анализе распределения энергии для одной из конфигураций оказалось, что распределение энергии соответствует публикациям физика-теоретика Мигеля Алькубьерре о возможности существования варп-пузырька. Это путь к рукотворному искривлению пространства и движению со скоростью выше скорости света.

Уайт сразу понял, на что наткнулся. Он еще сильнее укрепился во мнении, что варп-двигатели для звездолетов когда-нибудь станут реальностью. Для закрепления результатов открытия он предлагает провести эксперимент с цилиндром диаметром 4 микрометра со сферой диаметром 1 микрометр в его центре.

Изучение трехмерного распределения плотности энергии внутри и вокруг объектов позволит подтвердить открытие или опровергнуть его. Сам Уайт не будет проводить эксперимента. Этот путь открыт всем желающим войти в историю.