Винаходи та відкриття 2021 року, які змінять наше життя назавжди

2021 запам'ятався нам поверненням до звичного життя, багато міст відкрилися після пандемії. Ми зовсім по-іншому стали дивитися на навколишній світ. Ми змінювалися разом із світом. Наука теж не стояла на місці: проводилися дослідження, розрахунки та експерименти. “економічна правда” зібрала найвигаданіші винаходи 2021 року.

Вакцина від ВІЛ успішно пройшла випробування

На початку грудня вчені з американського Національного інституту алергії та інфекційних захворювань (NIAID) відзвітували про успішне випробування вакцини від вірусу імунодефіциту людини (ВІЛ)

Препарат сконструювала компанія Moderna за технологією мРНК. Вона не унікальна, але у 2021 році про неї заговорили як про революційну. За нею виробляють вакцини від коронавірусу компанії Pfizer-BioNTech та Moderna.

Позитивні результати вакцини від ВІЛ досягнуто під час випробувань на макаках. Через 58 тижнів після вакцинації у всіх щеплених тварин виробилися вимірювані рівні антитіл, що нейтралізують більшість штамів ВІЛ-інфекції.

Хоча введені дози мРНК були високими, вакцина переносилася добре. Вона викликала лише легкі тимчасові побічні ефекти, зокрема втрату апетиту.

Через два тижні вчені почали заражати макак так званим химерним вірусом, створеним шляхом поєднання фрагментів нуклеїнової кислоти із двох або більше різних вірусів. Усього було 13 спроб інфікування з інтервалом щотижня. В результаті дві із семи імунізованих макак залишилися незараженими.

За темою: У США схвалили два препарати для лікування COVID-19: як вони діють

Інші імунізовані тварини інфікувалися через вісім тижнів. Неімунізовані тварини заражалися через три тижні. Наразі вчені коригують протоколи випробувань. За підтвердженням безпеки та ефективності вакцини буде оголошено про першу фазу її дослідження на здорових дорослих людях.

Термоядерний реактор створив більше енергії, ніж спожив

Вченим із США у листопаді вперше вдалося згенерувати більше енергії при реакції керованого термоядерного синтезу, ніж споживаюча установка, що запускає злиття атомних ядер. Наразі робота проходить експертну оцінку.

Якщо результати підтвердять незалежні спеціалісти, можна буде впевнено сказати про досягнення важливої ​​віхи у розвитку цієї галузі енергетики.

Як повідомили дослідники, у реакції термоядерного синтезу було досягнуто рекордного виходу енергії – 1,3 мегаджоуля.

Це значно найкращий результат у порівнянні з попередніми спробами. Вихід енергії у вісім разів більше, ніж в інших експериментах, та у 25 разів більше, ніж в експериментах, проведених у 2018 році. Це велике досягнення для фізиків Ліверморської національної лабораторії США.

Цей результат є історичним кроком уперед у дослідженнях термоядерного синтезу з інерційним змістом. Він відкриває принципово новий режим для досліджень та просування наших найважливіших завдань національної безпеки», – сказала директор лабораторії Кім Буділ.

Термоядерний синтез з інерційним змістом передбачає створення невеликої зірки. Капсулу з "паливом", важкими ізотопами водню дейтер і тритієм, поміщають у невелику порожню золоту камеру (хольраум).

Потім на хольраум направляють 192 потужні лазерні промені. Стінки хольрауму перетворюють це випромінювання на рентгенівські промені. Вони прямують у капсулу з паливом, нагріваючи та стискаючи її до умов, які, ймовірно, перебувають у ядрі зірок. Температура понад 100 млн. градусів та тиск понад 100 млрд. атмосфер.

Так у земних умовах запалюється маленька зірка.

Процес триває кілька мільярдних часток секунди. Мета експерименту – отримання "безкоштовної" енергії. Правда, на запалення мінізірки витрачається величезна кількість енергії, але вчені не втрачають надії, що скоро мінісвіт згенерує більше енергії, ніж поглине установка.

"Це історичний результат, кульмінація багатьох десятиліть наполегливої ​​праці, інновацій та винахідливості, масштабної командної роботи та невпинної уваги до кінцевої мети", - вважає фізик Йохан Френьє з Центру вивчення плазми та термоядерного синтезу Массачусетського технологічного інституту.

Віагра знижує ризик хвороби Альцгеймера

Дослідження вчених приватної клініки Клівленда (США) показує, що препарат силденафіл (відоміший як віагра) значно знижує ймовірність розвитку хвороби Альцгеймера. Від неї страждають 6% людей старше 65 років. Уражається сіра речовина мозку, що призводить до втрати пам'яті.

Вчені проаналізували заявки на медстрахування 7,2 млн людей. Вони виявили, що вживання силденафілу знижує можливість розвитку недуги протягом наступних шести років майже на 70% порівняно з пацієнтами, які її не приймають.

Звичайно, такі результати не доводять причинно-наслідкового ефекту. Люди, які приймали силденафіл, могли використовувати інші препарати або займатися фізичною активністю, що підвищує шанси не стати жертвою хвороби.

Проте дослідники кажуть, що виявленої кореляції достатньо для визначення силденафілу як головного кандидата на ліки проти хвороби Альцгеймера.

Живих роботів навчили розмножуватися

Спроектовані штучним інтелектом та зібрані вручну ксеноботи – живі машини з ембріональних клітин жаби – можуть спонтанно відтворювати себе. Вперше ксеноботів представили вчені із США у 2020 році. Для їх створення використовували стволові клітини з ембріонів південноафриканської жаби Xenopus laevis.

Геном жаби залишився тим самим, але клітини перепрограмували. Після інкубації близько 3 тис. клітин з'єднали вручну за допомогою крихітного пінцету та електрода. Створені таким чином ксеноботи могли рухатися, знаходити задані цілі та відновлюватись після пошкоджень.

У новій роботі вчені навчили ксеноботів створювати собі подібних. Це абсолютно новий спосіб розмноження. “Дорослі” ксеноботи збирають клітини, і за кілька днів “малюки” перетворюються на повноцінних ксеноботів.

Ксеноботи використовують так звану кінематичну самореплікацію – процес, який раніше спостерігали лише на молекулярному рівні.

Щоб з'ясувати, яка форма ксеноботів найкраще підходить для відтворення, вчені звернулися до штучного інтелекту. Запущений на суперкомп'ютері еволюційний алгоритм протестував мільярди форм тіла ксеноботів і виявив, що забезпечить ефективну кінематичну самореплікацію.

На це завдання суперкомп'ютер витратив кілька місяців. Він зупинився на С-подібній формі, що нагадує "пакмана" з однойменної гри. Потім вчені зібрали роботів за запропонованою комп'ютером схемою і показали, що нові ксеноботи можуть успішно відтворювати себе протягом кількох поколінь.

Автори роботи вважають, що ксеноботи дадуть глибше розуміння процесу розмноження. Вони дозволять створювати живі машини для регенеративної медицини, розробки ліків та збору мікропластику у воді.

Ліки для зупинки старіння

Застосування ліків, що зупиняють процес старіння і організм, що омолоджує, може початися через п'ять-десять років. Японські вчені відкрили механізм, за допомогою якого можна позбутися старіючих клітин.

За словами професора науково-дослідного інституту медицини Токійського університету Макото Наканісі, вікове ослаблення функцій організму викликане накопиченням в органах клітин, що «старіють», що запускають запальні процеси.

Їх 60 років тому відкрив американець Леонард Хейфлік. Він виявив, що клітини можуть ділитися лише кілька разів. Останні дослідження довели, що розподіл може припинитися через пошкодження ДНК або окисного стресу.

"Якщо видалити "старіючі" клітини, то можна зупинити запальні процеси, а значить, домогтися суттєвого гальмування старіння", - розповів Наканіс.

У 2014 році вчені стали з'ясовувати, чому клітини не можуть розмножуватися, і знайшли молекулярний механізм. Вони створили клітини із загальними всім “старіючих” клітин властивостями і почали шукати те, що вбивало б тільки їх.

Вчені з'ясували, що для “старіючої” клітини є важливим фермент GLS1. Він тісно пов'язаний із процесом метаболізму глутаміну. Щоб вижити і нейтралізувати кисле середовище, клітина потребує аміаку, виробленого при перетворенні глутаміну на глутамінову кислоту, тобто. при процесі, у якому необхідний GLS1.

Дослідники використовували препарат, який проходить клінічні випробування як ліки проти раку. Цей препарат ввели старенької миші. Результатом стало різке поліпшення в органах та структурах, що зазнали вікових змін. Після ін'єкції вчені побачили покращення симптомів діабетичної хвороби та атеросклерозу.

“Накопичення “старіючих” клітин викликають хвороби Альцгеймера та Паркінсона. Одним препаратом можна домогтися покращення за багатьма видами вікових захворювань та домогтися омолодження», – сказав професор.

Якщо буде доведено безпеку препарату для людини, його спочатку застосовуватимуть для людей з прогерією – синдромом передчасного старіння. Потім для тих, хто через вікове ослаблення м'язів не може вести звичайний спосіб життя. Також у черзі пацієнти, у яких відмовили нирки і вони потребують діалізу.

CO2 навчилися перетворювати на кисень та вуглець

Австралійські вчені створили просту та ефективну установку для перетворення вуглекислого газу на кисень та вуглець. У разі її масштабування автомобілі з ДВЗ, ТЕС на вугіллі чи газі та промислові установки замість вуглекислого газу під час спалювання палива зможуть виробляти чистий кисень.

В основі дослідної установки об'ємом два літри лежать фізико-хімічні явища, пов'язані з пропусканням вуглекислого газу через галій. Це так званий рідкий метал, який починає плавитися при температурі 30 градусів.

Крім галію в рідкій формі та галію у вигляді наночастинок у суміш додаються срібні стрижні нанометрових розмірів. У процесі роботи суміш інтенсивно перемішується. Це викликає трибоелектрохімічні реакції. Рідини через силу тертя активніше взаємодіють з поверхнями твердих наповнювачів.

Вчені повідомили, що компактне встановлення протягом місяця без зміни характеристик щохвилини перетворювало 100 мл CO2.

На перетворення тонни CO2 на кисень і твердий вуглець витратили 230 кВт-год електрики, що коштує 100 дол. Ефективність перетворення досягла 92%. Вуглець утворюється у вигляді пластівців і просто виринає на поверхню.

Такими установками, вважають учені, можна обладнати кожен автомобіль та електростанцію на викопному паливі, внаслідок чого повітря посвіжішає буквально "на очах". Для комерціалізації технології було створено компанію LM Plus.

Вчені перетворили світло на матерію

Дослідники американської Брукхейвенської національної лабораторії за допомогою складного прискорювача частинок перетворюють світло на електрони. Це явище планети відбувається вперше. Прорив підтвердив пророцтва, зроблені впливовими фізиками майже сторіччя тому.

Перетворення фотонів, безмасових частинок світла на електрони, елементарні частинки матерії, зробили дослідники на релятивістському колайдері важких іонів RHIC. Теоретичні причини цієї роботи з'явилися на початку 20 століття. Для їхньої перевірки вчені створили соленоїдний трекер-детектор (STAR).

"Зірки зійшлися так, що у нас вийшло", - сказав автор проекту Чжанбу Сюй.

Результати експерименту знадобляться астрофізикам та космологам.

Вертоліт політ на іншій планеті

На початку 2021 року на поверхню Марса сів апарат Perseverance. Разом з ним прибув вертоліт Ingenuity, який здивував і вчених, і любителів космосу.

Планувалося, що він здійснить п'ять польотів протягом 30 марсіанських днів і розіб'ється. Автори проекту хотіли з'ясувати, чи вертольоти можуть працювати в марсіанській атмосфері. Однак Ingenuity не тільки злетів, але й пережив зміну пір року і допоміг марсоходу вивчати планету. За півроку роботи гелікоптер поставив кілька рекордів, і NASA покладає на нього ще більше надій.

Вертоліт здійснив уже 18 вильотів, подолавши відстань 3,6 км. Він піднімався на висоту 12 метрів, летів зі швидкістю 18 км/год та провів у польоті 30 хв. Апарат автоматичний: керівники відправляють команди, а гелікоптер виконує сам.

Програмне забезпечення апарату передбачає польоти лише над плоскою поверхнею. Розробники не вчили гелікоптер працювати в гористій місцевості, тому що ніхто не думав, що він працюватиме так довго.

На створення апарату вагою 1,8 кг NASA витратило 85 млн. дол. Уродності зміг літати в атмосфері Марса, щільність якої в 72 рази нижча за земну. Крім того, він зробив безцінний внесок у розвиток аерокосмічних технологій.

Почалися випробування вакцини від раку грудей

Клініка у Клівленді оголосила про початок безпрецедентних клінічних випробувань препарату, що запобігає розвитку тричі негативного раку молочної залози (ТНРМЗ) – найбільш агресивного різновиду цього захворювання.

За статистикою, саме цю форму раку грудей найчастіше діагностують у жінок віком до 40 років, а також у людей із вродженою генетичною мутацією (BRCA1), що значно підвищує ризик розвитку цього захворювання.

Таку мутацію успадкувала акторка Анджеліна Джолі. Дізнавшись про 87% ймовірність розвитку у неї цього різновиду раку, вона видалила обидві молочні залози. Після операції ризик актриси захворіти впав до 5%.

Розробити вакцину, яка б істотно знижувала ризик розвитку недуги, намагаються кілька наукових колективів. Проте випробування потенційних препаратів ще обмежуються лабораторними дослідами тварин.

Дія препарату, що вводиться у вигляді трьох ін'єкцій з двотижневою перервою між ними, ґрунтується на пошуку в організмі специфічного білка.

У нормі він виробляється лише у молодих матерів у період годування груддю. В решту часу присутність цього протеїну у крові вказує на наявність потенційної пухлини. Виявивши його, вакцина подає сигнал імунну систему.

Поки що препарат випробовуватимуть на добровольцях, у яких ТНРМЗ діагностований на ранній стадії та виліковний за допомогою традиційної терапії. Наступним кроком стане випробування вакцини на здорових волонтерах із групи ризику. У тому числі жінки зі спадковою мутацією гена BRCA1.

Доведено можливість викривлення простору

Колишній аерокосмічний інженер NASA Гарольд Уайт випадково здійснив відкриття, що стало першим у світі підтвердженням реальності так званого варп-бульбашки або міхура Алькуб'єрре. Це може відкрити людству дорогу до зірок.

Уайт є ентузіастом варп-двигунів. Працює за контрактом з DARPA та паралельно розвиває свою некомерційну організацію Limitless Space Institute (LSI).

Поєднання його власних досліджень, робіт LSI та проектів DARPA дозволило досліднику зробити дивовижне відкриття: побачити народження варп-бульбашки там, де інший учений не звернув би на це явище уваги.

Для DARPA Уайт вивчає ефект Казимира. Він цікавий тим, що на мікрорівні дозволяє проявлятися певним квантовим явищам у вигляді взаємного тяжіння двох об'єктів під дією часток, що вільно народжуються і зникають у вакуумі.

У макросвіті такий ефект можна спостерігати при зародженні сміттєвих островів в океані. Для DARPA учений досліджував явище геометрії поверхонь об'єктів.

При аналізі розподілу енергії однієї зі змін виявилося, що розподіл енергії відповідає публікаціям фізика-теоретика Мігеля Алькубьерре про можливість існування варп-бульбашка. Це шлях до рукотворного викривлення простору та руху зі швидкістю вище за швидкість світла.

Уайт одразу зрозумів, на що натрапив. Він ще сильніше зміцнився на думці, що варп-двигуни для зорельотів колись стануть реальністю. Для закріплення результатів відкриття він пропонує провести експеримент із циліндром діаметром 4 мікрометри зі сферою діаметром 1 мікрометр у його центрі.

Вивчення тривимірного розподілу щільності енергії всередині та навколо об'єктів дозволить підтвердити відкриття або спростувати його. Сам Уайт не проводитиме експерименту. Цей шлях відкритий усім охочим увійти до історії.