Научные прорывы 2024 года по версии Naked Science: от отмены смерти Вселенной до причин Рагнарёка

Темная энергия — больше не константа, и это изменило судьбу Вселенной

Хотя главное в наблюдательной астрономии 2024 года — новые данные космического телескопа «Джеймс Уэбб», увы, мы не можем включить их в прорывы-2024. Да, они революционизировали наши представления о ранней Вселенной, но проблема в том, что Naked Science уже в 2023 году отмечал, что такая революция «Джеймсом Уэббом» начата и приведет к перевороту в космологии (мы даже назвали кандидата на новую космологию, совместимого с наблюдениями космического телескопа).

Но и в 2024-м случились астрономические наблюдения, двигающие физику и космологию далеко вперед. Научная коллаборация Dark Energy Spectroscopic Instrument (по названию одноименного инструмента) проанализировала красное смещение сразу миллиона галактик, находящихся на разном удалении от нас. И у них получилось, что ускорение расширения Вселенной, открытое четверть века назад, различается. То есть да, расширение все еще идет с ускорением, но это ускорение 13 миллиардов лет назад было выше. Что это значит?

В конце XX века астрономы заметили, что сверхновые типа Ia из ранней Вселенной имеют светимость меньше, чем должны. Физически это малореально: этот тип сверхновых взрывается при достижении одной и той же массы, поэтому и энергия вспышки одинаковая. Поэтому такие объекты и называют «стандартными свечами космологии».

Из этого можно было сделать только один научный вывод: Вселенная расширяется не с одинаковой скоростью, а постепенно ускоряясь. Но что может заставлять ее увеличиваться с ускорением? Самым простым и естественным объяснением большинству ученых показалась космологическая константа — некое расталкивающее давление вакуума.

Так вот: наблюдения DESI от 2024 года закрывают эту гипотезу с вероятностью 3,5 сигмы. Окончательно закрытие завершится тогда, когда данные наберут 5 сигм, но и 3,5 — достаточно много, чтобы уже сегодня итог был немного предсказуем.

Каковы практические последствия того, что ускорение расширения Вселенной постепенно уменьшается? Если бы темная энергия была константой, Вселенная расширялась бы до бесконечности. Результатом этого стала бы тепловая смерть Вселенной. То есть DESI позволяет сделать очень важный вывод: бесконечного расширения может и не быть. Увеличение Вселенной в объеме, в теории, способно затормозиться или даже развернуться вспять, отчего ее тепловая смерть не наступит никогда.

Конечно, возникает вопрос: если Вселенную расталкивает не давление вакуума, то что? Naked Science еще в итогах 2023 года писал, что самый правдоподобный ответ на этот вопрос таков: темной энергии не существует. А ускоренное расширение Вселенной после Большого взрыва вызывано тем, что причины этого самого Большого взрыва — совсем иные, что мы предполагали раньше.

С деталями можно ознакомиться в нашем большом тексте, или в книге российского физика Николая Горькавого, вышедшей в 2023 году, и уже выдержавшей первое переиздание в 2024 году.

Биологи нашли абсолютно новую форму патогенов — в том числе внутри людей

Когда биологи изучают какую-то крайне малую форму жизни, ими движет не только абстрактное любопытство. Мы изучаем бактерии, чтобы узнать, как защититься от чумы, туберкулеза и проказы. Протисты рода плазмодиев вызывают малярию, которая убила 50 миллиардов человек из 110 живших за всю историю нашего вида. Зачем нужно изучать вирусы — тоже вряд ли надо объяснять, учитывая, что избыточная коронавирусная смертность в России и в 2024 году явно выше 70 тысяч человек.

В 2024 году биологи совершенно неожиданно обнаружили нечто микроскопическое и с генетическим кодом внутри, но что это такое, пока понятно очень слабо. Речь идет о странных вироидоподобных структурах, состоящих из кольцевой РНК. Вироид — это тоже замкнутая кольцевидная РНК (из одинарной, а не двойной цепочки), в которой менее полутысячи нуклеотидов. От вирусов их отличает не только то, что у вирусов не менее двух тысяч нуклеотидов, но и то, что вирус имеет собственную белковую оболочку, сильно упрощающую ему распространение от одного организма к другому (скажем, по воздуху).

Так вот: обелиски, похоже, отличаются от вироидов тем, что могут кодировать как минимум два белка (вероятно, больше). У них порядка тысячи нуклеотидных оснований, то есть явно больше, чем у вироидов, но явно меньше, чем у самого компактного вируса. А еще их кольцевая РНК прикрыта столбикоподобной внешней структурой, за которую первооткрыватели и назвали найденный класс патогенов обелисками.

Ясно только, что без каких-то клеток хозяев обелиски размножаться не должны: слишком простой их генетический код, да и каких-то механизмов самостоятельного, непаразитарного воспроизводства в них не просматривается.

Очень сложный вопрос: можно ли это считать жизнью? Вирусы и вироиды многие биологи не считают живыми, поскольку это облигатные паразиты. Иными словами, они либо паразитируют на других организмах, либо не могут воспроизводить себя. Другие биологи традиционно возражают: если аскарида не паразитирует в другом организме, то она тоже не сможет воспроизводить себя, разве это значит, что аскарида — не живой организм?

Подобные споры слегка отдают философией, поэтому мы не будем в них включаться. Отметим вот что: в 50 процентах образцов человеческой слюны на самых разных континентах обелиски уже найдены. Еще они содержатся в 7% образцов стула людей. Что они делают внутри нас, пока неизвестно. Могут ли они вызывать болезни, как вирусы в нас или вироиды в растениях? Или же, наоборот, они паразитируют на бактериях, живущих в нашем организме и помогают поддерживать их численность безопасной для нас?

Чтобы узнать ответы на эти вопросы, нужно время. Пока же мы открыли группу патогенов, которая неясно от кого произошла — то ли от вирусов, то ли от вироидов, то ли от кого-то вообще неизвестного — и которая живет внутри нас, но делает там неизвестно что.

На первый взгляд открытие тревожащее. На второй — берет невольная гордость за науку. Только подумаешь, что настолько крупные и неожиданные открытия в таком исследованном месте, как человеческое тело, невозможны, как там открывают целый принципиально неизвестный класс патогенов.

Вакцина натолкнула на причину самой массовой причины слабоумия на Земле

На планете зафиксировано более 55 миллионов случаев приобретенного слабоумия, вызванного болезнью Альцгеймера (считается, что много и недиагностированных случаев). При этом число страдающих ей растет с огромной скоростью. Рост продолжительности жизни — в медицински развитых странах и Китае она длиннее 80 лет — означает, что все большая доля населения станет ее жертвой и в будущем. К середине века их число будет превышать сто миллионов, а к концу столетия, если динамика не изменится, может перевалить и за миллиард.

Опасность этой болезни трудно недооценивать: в конце пути, кроме вызванного ею слабоумия, пациента ожидает смерть. Особенно неприятно то, что если раньше эта болезнь встречалась в основном среди людей старше 65 лет, то в наши дни болезнь стремительно «молодеет». Порядка 10 процентов от всех больных — в возрасте от 30 до 65 лет.

Самой тяжелой стороной вопроса долго было непонимание наукой причины заболевания. Поскольку оно нейродегенеративное, его интенсивнее всего изучали специалисты по мозгу. Но все предложенные ими объяснения были скорее описанием: что конкретно вызывает болезнь, они не знали.

В 2024 году случилась небольшая революция в медицине. Ученые узнали, что вероятность болезни достоверно снижается при вакцинации против вируса Varicella zoster. Причем у новой вакцины, защищающей от этого вируса лучше старых, и вероятность Альцгеймера ниже, чем у тех, кто был привит старой вакциной от Varicella zoster.

Из этого ученые делают вывод, что причиной болезни Альцгеймера могут быть многие вирусные заболевания, поражающие клетки головного мозга. То, что Varicella zoster может делать это, в медицинской литературе обсуждается уже десятилетиями, но до новой работы то была скорее гипотеза, а не подтвержденные данные.

Вирус Varicella zoster вызывает два массовых заболевания, которые на самом деле одно: «детскую» оспу-ветрянку и «опоясывающий лишай», который совсем не лишай. Все дело в том, что вирус ветрянки не исчезает из тела заболевшего, он лишь «дремлет» в его нейронах. С возрастом иммунитет ослабевает, и вирус просыпается — чем старше, тем чаще.

Похоже, что тот самый «лишай» — лишь одна из форм его активности, а другой может быть именно болезнь Альцгеймера.

Разумеется, это не значит, что только Varicella zoster поражает клетки человеческого мозга. Хорошо известно, что тем же занимается грипп и коронавирус. Причем по гриппу уже есть научные работы, которые показывают, что люди, регулярно проходящие вакцинацию, существенно реже страдают и от Альцгеймера.

Все это означает, что средство для профилактики этой по-настоящему страшной и массовой болезни может быть уже у нас в руках. Для детей это будет вакцина от ветрянки, для взрослых — от опоясывающего лишая и гриппа. Не исключено, что при системной вакцинации от этих болезней никаких сотен миллионов жертв Альцгеймера в будущем не случится. А кошмар грядущего общества со структурой дома престарелых станет существенно менее кошмарным.

Ученые установили историческую основу преданий о Фимбульвинтер и Рагнарёке

Довольно необычная главная историческая новость года. Группа датских и британских ученых показала, что дубы, росшие на территории Дании в 539-541 годах, имеют три набора очень узких годовых колец. Причины явления известны: в 536 и 539 годах несколько вулканов в разных частях планеты устроили мощное извержение, впрыснув в атмосферу много диоксида серы, мощного антипарникового газа. Современники событий описали их так:

«Весь год солнце испускало свет как луна, без лучей, как будто оно теряло свою силу, перестав, как прежде, чисто и ярко сиять. С того времени, как это началось, не прекращались среди людей ни война, ни моровая язва, ни какое-либо иное бедствие, несущее смерть».

Моровую язву историк Прокопий Кесарийский упомянул не просто так: резкое похолодание вызвало миграции грызунов в евразийских степях, поэтому через считаные годы после старта вулканической зимы Европу поразила массовая эпидемия чумы, уничтожившая, по разным оценкам, от 15 до 50 миллионов человек.

Снег тогда лег на китайские поля летом, погубив урожай, аналогичные события отмечают ирландские анналы. Среди других событий того года — гибель (или тяжелое ранение и последующая пропажа) Артура и Мордреда в битве при Камланне, которую историки считают последствием голода в Британии в тот год. Но в чем же тогда новизна новой работы?

В том, что ее авторы сопоставили «дубовые» доказательства трехлетней зимы в Дании с общей археологической картиной там в те же годы. А она выразительна: «Резкое падение производства зерна, районы, покинутые людьми, и леса, разросшиеся на опустевших полях». Массовая «эпидемия кладов»: закопанные золотые монеты, что, как знает любой историк, верная примета тяжелых бедствий.

Ученые считают, что именно 539-541 годы легли в основу сказаний о трехлетней зиме Фимбульвинтер, за которой последовал Рагнарёк, последняя битва богов скандинавского пантеона. По сагам, Фимбульвинтер начинается с гибели бога весны и света Бальдра, за чем следуют три года зимы, на смену которой не приходит лето. Кончается зима после битвы, в которой гибнут большинство богов и их противников: после нее Бальдр оживает и земля вновь становится зеленой.

Согласно еще одной новой работе этого года, Фимбульвинтер имела два пика: в 536 году древесные кольца дубов были на 33% уже, чем в нормальном 535 году, а в 539 году — на 53% уже. Это может указывать на то, что еще одно извержение какого-то крупного вулкана в 539 году сделало ситуацию еще хуже, чем после первой волны вулканической зимы.

Работа остро актуальна и сегодня: наука пока не имеет эффективных средств предсказания сильных извержений, поэтому Фимбульвинтер может повториться в любой момент.

Неолитический геноцид: загадка распространения земледелия решена?

В антропологии существует давняя проблема: переход к земледелию очень-очень сложно объяснить. Из анализа костей первых земледельцев неолита следует, что, начав пахать и сеять, люди начинают питаться намного хуже. У них резко уменьшается рост, снижается доступность белка, у их детей появляется рахит и растет смертность, отчего матерям приходится чаще рожать. Из современных наблюдений за племенами, переходящими от охоты и собирательства к земледелию, известно, что те работают не по три-четыре часа в день, как при охоте, а в лучшем случае восемь часов в день, то есть, по меркам охотников, неимоверно много.

Переход к земледелию в какой-то локальной точке с непростыми условиями антропологи еще могут себе представить. Но как такой откровенно непривлекательный, трудоемкий и голодный (до самого XX века) образ жизни мог распространиться почти повсеместно и доминировать тысячи лет — большая загадка.

В 2024 году вышла работа, способная дать на нее ответ. Группа ученых во главе с известным генетиком Эске Виллерслевом обнаружила, что практически сразу после появления следов земледельцев из Малой Азии в Дании — а это случилось 5900 лет назад — здесь резко изменился генофонд. От местных охотников-собирателей, живших тут тысячи лет, ведут свой род не более 10% местных жителей. Остальные 90% — потомки выходцев из Малой Азии.

Одновременно с этой сменой меняется окружающая среда: в лесах начинаются вырубки, там пашут, затем землю бросают, она зарастает березой и орешником, после чего их снова вырубают и там пашут (подсечно-огневое земледелие). В захоронениях находят людей, явно убитых оружием. А еще приходят эпидемии, привычный спутник людей, у которых есть сельское хозяйство, ведь болезни куда лучше распространяются в обществе с высокой плотностью населения.

Еще через тысячу лет на землях будущего датского королевства снова что-то пошло не так: 4850 лет назад приходят носители ямной культуры, обитатели степей Западной Евразии (и предки индоевропейцев, включая нас с вами). Картина выходит той же: почти все гены анатолийцев исчезают сразу же после прихода ямников. Те 10%, что остались от древних охотников этих земель, исчезают почти совершенно, без следа. Снова убитые оружием, снова умершие от новых эпидемий.

Происходящее лучше всего описывается термином геноцид. Разумеется, нам трудно судить, в каких долях этот геноцид был вызван оружием, а в каких — болезнями, хоть по опыту колонизации Нового света и известно, что эпидемии, пришедшие с завоевателями, часто опаснее их воинов. Но главное в другом: у науки наконец появляются правдоподобные механизмы глобального распространения земледелия.

Да, неолитические земледельцы питались хуже охотников, работали много больше, болели инфекционными болезнями много чаще, а их дети жили куда меньше. Но с тысячи квадратных километров пахари прокормят куда больше людей, чем охотники. И по мере истощения местных полей этим пахарям надо куда-то идти. Развернуться назад, в Малую Азию и искать себе там земли — весьма рискованно: там ведь тоже все густо населено земледельцами. Идти в земли, где еще не пашут, где живут охотники, с малой плотностью населения, намного разумнее.

Одиночный охотник, конечно, сильнее и выносливее земледельца, просто потому, что его с детства лучше кормили, а болел он реже. Но десять низкорослых и не очень здоровых людей с пораженными кариесом зубами все же одолеют одного охотника. А его череп, с белыми зубами без единой дырки, расскажет далеким потомкам, что здоровье и хорошее питание — не гарантия выживания. Особенно если вас ждет столкновение с более развитой цивилизацией.

Технический триумф года: Starship поймали механической рукой

Чем ближе находишься к чему-то крупному, тем труднее это увидеть. Если через сто лет вы остановите на улице человека и спросите: а что случилось в 2024 году, то самый частый верный ответ будет содержать слово Starship. Куда меньше опрошенных смогут назвать фамилию хотя бы одного главы государства в этом году.

И это вполне понятно: в нашу эпоху нет более революционного технического достижения, чем первый полностью многоразовый носитель и космический корабль. В минувшем году прошло четыре его запуска, из которых самым впечатляющим было 13 октября 2024 года — с поимкой первой ступени специальным устройством Mechazilla.

В чем значение конкретно этого шага?

Одноразовой ракете не нужны «ноги»: она никогда и никуда не сядет. Многоразовым ракетам до Mechazilla «ноги» были абсолютно необходимы: иначе не приземлиться, а без этого нельзя и использовать ракету повторно. Поэтому у первой ступени Falcon 9, самой массовой частично многоразовой космической системы в истории человечества, были «посадочные ноги». Однако они создавали существенный мертвый вес, на возврат которого тратилось топливо, отчего полезная нагрузка ракеты с многоразовой первой ступенью снижалась.

У полностью многоразовой ракеты, где возвращаются обе ступени, полезная нагрузка из-за ног упала бы еще больше. Ведь ей понадобились бы посадочные опоры и для первой, и для второй ступени.

Поэтому Илон Маск решил пойти совсем иным путем: отказаться от посадочных ног вообще. Ориентиром для него стали боевые межконтинентальные баллистические ракеты: вместо опор, одноразовых, как у гражданских ракет до Маска, или многоразовых, как у Falcon 9, МБР в шахтах подвешены на своего рода крючьях.

Шахту строить дорого, поэтому удерживающие устройства SpaceX построила прямо на поверхности космодрома Старбэйз в Техасе. А чтобы упросить ловлю Starship, башню оснастили двумя «руками» Mechazilla. Итоги: обе ступени Starship при полетах с Земли не будут тратить топливо на посадочные ноги, что на много тонн увеличить их полезную нагрузку в каждом полете

В следующем году нас ждет резкое ускорение в испытаниях Starship, поскольку новый президент, которого Маск поддержал на выборах, планирует назначить руководителем NASA Джареда Айзекмана, главу первого в истории частного космического экипажа (тоже SpaceX). Как несложно догадаться, Айзекман на стороне Маска. Ожидается, что во главе NASA он свернет «пиньятные» программы SLS и Orion, ценой в сорок миллиардов долларов, и сделает опору на многоразовый и поэтому более дешевый Starship.

А еще новая администрация США планирует до 2028 года послать на Starship людей на Луну и Марс. Высадиться на первой в этот срок у Штатов, безусловно, получится. С Марсом сложнее: туда в ближайшие четыре года сможет улететь только автоматическая версия Starship без людей. Но и это неплохое подспорье будущей пилотируемой миссии на четвертую планету, которую мы увидим уже в 2030-х годах.