Десять научных событий года: от изгнания темной материи до китайской катастрофы

1. Темную материю изгнали из галактик

Значение темной материи для понимания Вселенной вокруг нас невозможно переоценить. Как мы уже писали, от того, из чего именно она состоит — неизвестных частиц или чего-то еще, прямо зависит не просто история Вселенной, но и ее будущее. Включая, очень вероятно, будущее человеческого вида — поскольку целостность нашей Галактики тоже связана с тем, из чего на самом деле состоит темная материя.

И вот новая научная работа этого года подвела итог уже много лет накапливающимся свидетельствам: темной материи вокруг нас нет. То есть сама она, безусловно, существует, но очень далека от людей и звезд. Например, как верно отмечают авторы, если бы частицы темной материи встречались в ожидаемых количествах внутри галактического диска Млечного Пути, в нем (то есть, в нашей Галактике) не было бы перемычек.

Перемычкой называют огромную структуру из множества звезд и газа, как правило проходящую через галактический центр и визуально как бы пересекающую насквозь галактический диск. Особенность перемычек в том, что они вращаются, и в большинстве галактик, где они вообще есть, они вращаются довольно быстро. Между тем если бы внутри галактического диска было бы значительное количество темной материи, распределенной хотя бы приблизительно равномерно, любая массивная быстро вращающаяся структура, проходящая через диск, серьезно замедлялась бы.

Тот факт, что этого не происходит, практически невозможно совместить с наличием темной материи в самом галактическом диске. В то же время выводы авторов работы о том, что это нельзя совместить и с самим существованием темной материи, возможно, преждевременны.

Дело в том, что целый класс гипотез не требует наличия темной материи внутри самого галактического диска. Например, в модели Николая Горькавого, опирающейся на данные, полученные гравитационным телескопом LIGO, темная материя — это плотные шаровые скопления черных дыр массой в десятки солнечных. Подобные «темные шаровые скопления» не могут находиться внутри самого галактического диска, вместо этого они образуют своего рода «темное галактическое гало» — невидимое «облако» темной материи, внутри которого и находится галактический диск.

В этом смысле «изгнание» темной материи из галактических дисков довольно интересно. Оно может стать еще одним аргументом в пользу самого, пожалуй, перспективного решения проблемы темной материи. Подробнее мы писали о нем здесь.

2. 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.

Удар, нанесенный по астероиду зондом DART массой всего 0,6 тонны, оказался достаточно результативным. За счет высокой скорости соударения (шесть километров в секунду) орбитальные параметры Диморфа сильно изменились. Этот околоземный астероид — спутник более крупного астероида Дидима. Если до удара зонда DART Диморф вращался вокруг Дидима за 11 часов 55 минут, то после — за 11 часов 23 минуты. Изменилась и его общая скорость. Хотя величина изменения кажется ничтожной, 0,4 миллиметра в секунду, для астероидов с их обычно огромным временем сближения с нашей планетой это вполне серьезно.

Дело в том, что астрономы, как правило, за многие годы могут сказать, какой астероид может столкнуться с Землей. Ведь он сперва делает немало «кругов» вокруг нашей планеты, постепенно сближаясь с ней перед ударом. Заранее изменив его скорость даже на небольшую величину, вполне реально добиться «промаха» со стороны опасного тела.

Другое дело, что есть категория в самом деле «непредсказуемых» астероидов, например межзвездных. Такие могут «появиться из ниоткуда», не нарезая вокруг нас кругов. Тогда ученые заметят астероид слишком поздно, чтобы отклонить его слабым ударом. В этом случае потребуется подрыв мощной термоядерной боеголовки. Но даже и в этом случае первые «противоастероидные учения» весьма полезны. Чтобы научиться отражать что-то действительно опасное, неплохо для начала справиться хотя бы с чем-то умеренно опасным.

3. Сложную земную жизнь породили кислородные горки

Еще Чарльз Дарвин недоумевал, 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.

По каким-то загадочным причинам Земля из «кислородной планеты» становилась практически «бескислородной» много раз. Похоже, именно эти резкие колебания и закончились появлением экосистем со множеством сложных многоклеточных. О вероятных причинах этих загадочных кислородных горок мы писали здесь.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

К сожалению, это не единственная и даже не основная проблема, стоящая на пути внедрения термоядерных реакторов в реальную энергетику. О главных научно-технических сложностях на этом пути мы писали вот здесь.

7. 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.

Во-вторых, эта работа — первая, в которой удалось идентифицировать ДНК древнее примерно миллиона лет. Достижение это уникальное и обусловлено тем, что основную часть последних двух миллионов лет в Гренландии очень холодно, поэтому и ДНК там деградирует медленно. Достижение группы Виллерслева означает, что сходные результаты можно получить на севере России — и кто знает, что обнаружится там?

8. 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 в этом 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.

9. Российский ученый предложил 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.

В комментарии для Naked Science Артем Оганов отметил, 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.

10. Китайская катастрофа

Помимо научных достижений года всегда — неизбежно — случаются и научные провалы года. В этом году случился один из самых больших, поэтому он будет стоить жизни как минимум миллиону человек. И, кроме того, этот провал существенно ударит по экономике и мира (в большей степени), и России (в меньшей).

Речь идет о конце политики «нулевого ковида». Из-за нее уровень заражений в Китае, по ряду сообщений, измеряется десятками миллионов человек в сутки. Уровень смертности пока не заявляется (следует учесть, что оперативно обработать данные по такой огромной вспышке вряд ли возможно), но он должен быть весьма высок.

Чтобы понять, насколько он высок, стоит обратиться к вспышке «омикрона» в Гонконге. При населении 7,4 миллиона там заболели 963 тысячи человек, из них 6866 умерли. Это 0,7 процента — несмотря на то что в Гонконге, в отличие от России, тестировали население по-настоящему массово, то есть выявление факта заболевания было намного точнее.

У материкового Китая население в 186 раз больше гонконгского. Из-за снятия политики нулевой толерантности там переболеет не каждый восьмой, как в Гонконге (где эту политику тогда не отменяли), а практически все. При смертности 0,7 процента это значило бы смерть 10 миллионов — примерно столько людей умерли на полях сражений Первой мировой войны.

Реальная смертность будет все же ниже: какая-то часть населения дети (они чуть проще переносят это заболевание), какая-то будет ревакцинирована (доля ревакцинированных в КНР заметно выше, чем в Гонконге). Наконец, Гонконг куда ближе к западному образу жизни, поэтому там значительно выше процент людей с ожирением, среди которых коронавирусная смертность особенно высока.

Однако даже если мы произвольно снизим летальность коронавируса для Китая в десять раз, все равно получится, что в результате крупнейшего научного провала 2022 года погибнет как минимум миллион человек. Это огромная цифра, и это огромная человеческая трагедия. Скорее всего, Китай потеряет столько же людей, сколько погибли во Вьетнамской войне со всех сторон, только не за десять лет, а за один-два месяца.

Почему мы отнесли это к десятке важнейших научных событий 2022 года? Потому что оно не случилось бы без серьезных научных ошибок.

Дело в том, что китайские ученые проанализировали опыт «омикронной» вспышки в Гонконге, но сделали из нее неверные выводы. Вместо того чтобы заключить, что китайские вакцины — на традиционной платформе  инактивированного коронавируса — неэффективны в защите от «омикрона», что и стало причиной смертности 0,7 процента заболевших, исследователи из КНР сделали почти противоположный вывод.

Они сравнили защиту от госпитализации и смерти у людей, ревакцинированных китайской вакциной и «Файзером» (мРНК-вакциной западной разработки). В результате исследователи пришли к выводу, что и та, и другая вакцины дают 98 процентов защиты от заражения и смерти. Это уровень, близкий к максимально возможному, потому что среди современных людей примерно у двух процентов иммунитет не реагирует ни на что, и защитить их от болезни вакциной или как-то еще все равно не получится.

Но проблема была в том, что китайские ученые провели сравнение китайской и некитайской вакцин неоптимальным образом. В их работе медианное время между ревакцинацией китайской вакциной и положительным тестом на коронавирус для людей, которым ревакцинация все же не помогла (то есть, они попали в больницу или умерли от коронавируса), составило всего 44 суток. Для ревакцинации «Файзером» та же цифра составила 61 сутки.

Однако и 44, и 61 сутки после ревакцинации — это период практически пикового уровня антител, пиковой вакцинной защиты от коронавируса. Как Naked Science уже не раз писал, защита от не самых удачных вакцин против коронавируса быстро снижается. Например, для «Файзера» уже через четыре месяца защиты от заражения коронавирусом практически нет. Для китайских инактивированных вакцин, судя по научной литературе, быстрота падения еще значительнее.

Поэтому делать на основании гонконгской вспышки вывод о том, что ревакцинированные китайской вакциной надежно защищены если не от заражения, то от смерти при «омикроне», было ошибкой. Надежную защиту от госпитализации и смерти действительно обеспечивают некоторые вакцины. Например, «Спутник» в период доминирования «омикрона» защищал от госпитализаций и смертей более чем на 97 процентов, причем медианное время между последним уколом и госпитализацией у тех, кто ей все же подвергся, составило 183 суток. То есть примерно полугодичная защита от тяжелого сценария болезни у этого препарата налицо.

Конечно, этот показатель сложно сравнивать с 44 сутками из китайской работы по Гонконгу: в КНР измеряли время от последней вакцинации до положительного теста на коронавирус, а не до госпитализации с ним. И все же, даже добавив к 44 суткам пару недель (усредненное время между регистрацией заболевания и госпитализацией), мы получим представление о неравноценности этих вакцин. Выходит, что для «Спутника» типичное время госпитализации привитых — только через полгода после прививки. А для привитых китайской вакциной — менее двух месяцев.

Это очень большая разница, и вот почему. На начало декабря 2022 года в Китае лишь ~5 процентов населения было ревакцинировано не позднее чем шесть месяцев назад. Учитывая, что фактическое время надежной защиты от госпитализации и смерти у китайской вакцины в районе пары месяцев, это значит, что подавляющее большинство китайцев на момент снятия ковидных ограничений не были защищены от коронавируса.

Если бы китайские политики были в курсе, что заключение их ученых «защита от госпитализации и смерти для китайской вакцины — 98 процентов» — не вполне точное, они бы не сняли карантинные меры до массовой иммунизации. Причем вполне возможно, что выбрали бы для нее не китайскую вакцину, а «Спутник» (полгода защиты от смерти или госпитализации) или на худой конец «Файзер» (~2,5 месяца такой же защиты).

Сейчас, однако, этот поезд ушел. Вряд ли мы быстро получим конкретные цифры избыточной смертности по Китаю. Но даже без них мы вскоре заметим сам факт массовых смертей там. Спрос на нефть в мире падает с самого начала снятия ковидных ограничений. Вскоре начнутся сбои и с поставками товаров из Китая: во многих местах слишком многие работники больны. Наконец, к концу зимы более миллиона китайцев умрут от коронавируса, что не сможет не ударить по ВВП КНР и по спросу этой страны на импортные товары.

Соответственно, мировая экономика получит мощный отрицательный импульс, который в той или иной степени ударит по всем. Впрочем, сильнее всего — все же именно по китайцам.