Прошедшее десятилетие уже вспоминают с ностальгией как счастливое доковидное время, чуть ли не утерянный рай. Впрочем, прошлое всегда идеализируют, поэтому интересней не выставлять эпохе оценки, а понять её. Какими останутся десятые в истории науки, о чём будут вспоминать потомки? За потомков говорить трудно, но мы ведь и сами уже в будущем, о котором в десятые, признаться, думали совсем иначе. Давайте посмотрим, какие научные темы и открытия «десятилетия смартфонов» кажутся самыми важными из начала двадцатых, в которое мы переселились.
1. Большие данные
Новый источник знанийГлавные технологические достижения десятых были связаны с информационными технологиями: их развитие двигало цивилизацию вперёд во всех областях, и наука не стала исключением.
Закон Мура со скрипом, но продолжал действовать, несмотря на то, что всё десятилетие его хоронили. Чем дальше, тем убедительнее звучали траурные речи, а мощность процессоров по-прежнему удваивалась каждые пару лет. Но наращивание вычислительных мощностей — просто база, открывшая возможности для сбора и анализа огромных массивов данных.
Закон Мура — прогноз, эмпирически выведенный Гордоном Муром в начале 1970-х. Он гласит, что число транзисторов на кристалле интегральной микросхемы будет удваиваться каждые два года. Рано или поздно это должно закончиться, до бесконечности транзисторы уменьшать невозможно.
Магистральным технологическим трендом десятых стала цифровизация — оцифровывалось всё, что могло быть оцифровано, вещи «умнели» и связывались сетями, данные собирались и анализировались. Количество информации, накапливаемой человечеством, росло по экспоненте — оставалось её обработать. В десятые данные стали называть «новой нефтью», ведь из их анализа извлекаются не только знания, но и прибыль. В топе самых дорогих компаний мира оказались сплошь информационные гиганты вроде Google с Facebook.
Анализ данных стал важнейшим источником знаний и в науке. Первыми умением добывать драгоценную информацию из гигантской лавины сырых данных овладели физики. При столкновении частиц в коллайдере в систему поступает огромное количество данных — до 40 терабайт в секунду, если говорить об экспериментах в ЦЕРНе. Из миллиардов столкновений частиц нужно выделить десяток-другой «подозрительных», в которых могло родиться что-то необычное. Анализ больших данных играет в открытии частиц не менее важную роль, чем строительство новых гигантских машин, которые так любят ядерные физики.
Коллайдер — ускоритель, в котором сталкиваются два потока частиц. Задача физиков — придать им как можно больше энергии и посмотреть, что получится в результате столкновения.
CERN (от фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) — Европейский совет по ядерным исследованиям, крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий. Располагает несколькими ускорителями частиц, среди которых Большой адронный коллайдер.
В других естественных науках, от астрономии до молекулярной биологии, творилось то же самое: исследователи выстраивались в очередь к суперкомпьютерам. За естественниками последовали гуманитарии — началась эпоха Digital humanities, компьютерного анализа текстов или, например, черт личности по лайкам в соцсетях. Историки, филологи, представители социальных наук начинают мыслить строже и стремятся подкрепить свои концепции цифрами. В общем, чуть ли не всё самое интересное, что учёные узнали за последние годы, связано с изучением новых массивов данных. Исследователи всё чаще занимаются не экспериментированием и созданием теорий, а разработкой алгоритмов для анализа данных.
Изучать данные — значит не только сравнивать ряды чисел, выискивая между ними связь, но и строить виртуальные модели разных процессов, чтобы понять управляющие ими механизмы. К традиционному для биологии делению экспериментов на in vitro (в пробирке) и in vivo (в живом организме) добавился третий тип — in silico, в компьютере. Метеорологам нужно моделировать погоду, создателям вакцин и химикам — молекулы, физиологам — кровоток в организме и активность мозга.
Уважение к данным стало проникать и в другие практики, связанные с наукой. Распространяется идея доказательной медицины — подхода, требующего применять только научно обоснованные меры воздействия, подкреплённые данными объективных исследований. К концу десятилетия появляются такие термины, как доказательная политика или доказательная педагогика.
Важным инструментом научных исследований стали самообучающиеся нейросети. Ещё недавно, чтобы научить машину отличать котиков от собачек или выигрывать у человека в шахматы, людям требовалось написать хорошую программу, то есть придумать алгоритм действий, — вот и весь машинный интеллект. Но глубокие нейросети обучаются не как компьютеры прошлого, а как дети, осваивающие язык самостоятельно, — на примерах, по аналогии, не зная правил грамматики. Мы вводим в нейросеть информацию, она её изучает и выдаёт результат обработки. Как она его получила, каким правилам следовала, мы не понимаем! Главное для машинного обучения — наличие массива размеченных данных, примеров.
Впрочем, последние достижения в области глубокого обучения во многом упростили и эту задачу: машины начинают самостоятельно генерировать примеры. Программа, победившая в го свою предшественницу, которая училась на реальных партиях, сыгранных людьми, просто миллионы раз играла сама с собой. Благодаря глубокому обучению искусственный интеллект в десятые совершил прорыв в распознавании образов, а это значит, что теперь машины способны узнать человека в лицо, точно перевести текст и даже сделать научное открытие.
Самое громкое фундаментальное открытие, сделанное нейросетью, пришлось на 2020 год: программа, разработанная всё той же компанией DeepMind, прославившейся победами в го, научилась предсказывать структуру белков по их аминокислотной
последовательности. Надеемся, двадцатые станут временем настоящего триумфа
нейросетей, делающих открытия!
2. Бозон Хиггса
Завершение старой физикиПосле того как 4 июля 2012 года сотрудники ЦЕРНа объявили об открытии бозона Хиггса, Большой адронный коллайдер стал одним из главных символов науки и её могущества. Народ даже начал побаиваться техногенного конца света, а учёным пришлось объяснять, что если в коллайдере и образуются чёрные дыры, то только малюсенькие и безвредные.
Символизм пронизывает всю историю с коллайдером и бозоном. И правда ведь символично — самое большое инженерное сооружение в истории человечества понадобилось для того, чтобы открыть нечто столь микроскопическое и эфемерное, что популяризаторы могли внятно сказать лишь две вещи: бозон Хиггса как-то связан с обретением массы элементарными частицами, а ещё это «частица Бога». Почему, кстати? Все обвиняют дураков-журналистов, но так назвал свою книгу о бозоне Хиггса известный физик, чтоб её лучше раскупали.
Да что журналисты, сам директор ЦЕРНа по ускорителям и технологиям Фредерик Бордри на вопросы о прославившемся бозоне придумал ответ ненамного лучше: «Когда меня спрашивают, что даст людям бозон Хиггса, я отвечаю: бозонику. Что это, я не знаю. Но ведь когда в 1897 году Томсон открыл электрон, он тоже не знал, что такое электроника».
Так в чём же тогда значение открытия? Пока оно прежде всего символическое. Мир увидел, как устроена современная наука: её главные мегапроекты требуют огромных затрат, делаются всем международным сообществом, а честь открытия теперь принадлежит не гению-одиночке, а сотням или даже тысячам учёных — у статьи о бозоне пять тысяч авторов.
Но самая важная символическая веха в том, что бозон Хиггса заполнил последнюю пустующую клеточку в главной таблице, описывающей устройство Вселенной, — в Стандартной модели.
Эта таблица объединяет все типы элементарных частиц подобно тому, как таблица Менделеева объединяет химические элементы. Открытие бозона, существование которого было предсказано ещё в 1964 году (угадаете кем?), некоторые физики назвали «закрытием», а Стивен Хокинг даже высказался в том духе, что, если бы бозон не открыли, физика была бы гораздо интересней.
Но почему физикам скучно? Открытие бозона Хиггса концептуально завершило Стандартную модель, старую физику, но выхода за её пределы — в новую физику — не наметило. А так хочется его найти! В Стандартной модели есть масса параметров, которые непонятно откуда берутся, да и не описывает она всё устройство мира — учитывает только три фундаментальных взаимодействия из четырёх, оставляя за скобками гравитацию, и поэтому не может быть абсолютно верной.
3. Гравитационные волны
Рождение новой наукиСтатью «О гравитационных волнах» Эйнштейн написал больше ста лет назад, их существование вытекало из общей теории относительности. Но, как и в случае с бозоном Хиггса, одно дело — предсказать, совсем другое — обнаружить в реальности.
Гравитационные волны искали с 1970-х, построили немало разных детекторов, и наконец в 2015-м сотрудники американской гравитационной обсерватории LIGO объявили, что зафиксировали волны, исходящие от пары сливающихся чёрных дыр. Авторы открытия во главе с инициатором проекта Кипом Торном в 2017 году получили Нобелевскую премию. Что же такого эпохального в этом открытии, если учёные лишь подтвердили старую теорию?
Была построена первая обсерватория для измерения гравитационных волн, своего рода гравитационный телескоп. Теперь, как выразился Кип Торн, «мы больше не глухи к гравитационным волнам» — наблюдая астрофизические объекты с их помощью, мы сможем гораздо больше узнать о самых масштабных и удивительных космических катаклизмах: рождении Вселенной, столкновениях нейтронных звёзд, слияниях чёрных дыр…
Родилась новая область фундаментальной науки — гравитационная астрономия. Благодаря ей мы, возможно, застанем новую эру в космологии и будем смотреть на современные представления о мироздании примерно так, как сейчас смотрим на средневековую концепцию небесных сфер.
4. Биоинформатика
Живые компьютеры, «омы» и «омики»Десятку главных открытий обычно начинают с физики, но в десятые выяснилось, что физика больше не главная наука. Крупнейшие открытия и изобретения десятилетия связаны не с физическими свойствами объектов, а с их информационной начинкой. Впервые в истории примерно с начала века доля научных статей по физике неуклонно снижалась, зато лавинообразно росла доля биомедицинских статей, особенно в области, теснее всего связанной с применением наук и о данных, — биоинформатике.
Когда-то главными орудиями биологов были сачок и лупа. Потом — микроскоп и пробирки. Сейчас важнейшим инструментом понимания жизни стали информационные технологии: они помогают изучать, как передаётся и обрабатывается информация в живых системах. Для биоинформатики каждая клетка — живой компьютер, выполняющий генетические программы, записанные на её ДНК, а какие именно, зависит от множества внешних и внутренних сигналов. Организм похож на сеть, связывающую миллиарды клеток-компьютеров. Если мы сумеем прочитать код и понять принципы работы клеточного компьютера и всей сети, то сможем управлять программой сами. Может ли быть перспектива заманчивей этой?
Какие задачи уже умеет решать биоинформатика? Сравнивая геномы разных существ, учёные могут, например, определить, какие гены были у их общего предка и как давно их эволюционные линии разошлись. Так нашли общего предка всех живых существ или прямо сейчас отслеживают происхождение и эволюцию коронавируса SARS-CoV-2.
Общего предка всего живого зовут Лука (LUKA — last universal common ancestor, последний универсальный общий предок), он жил около 4 миллиардов лет назад. Трудно поверить, но мы знаем 355 его генов!
Расшифровав геном голого землекопа и сравнивая его с геномами других грызунов, биоинформатики пытаются понять, какие гены обеспечивают ему необыкновенно долгую жизнь без признаков старения. Научный мир занимается сбором и накоплением генетической информации: в геномных банках, которые создают в развитых странах, хранятся генетические данные уже миллионов людей.
Биоинформатики пишут программы, с помощью которых врачи анализируют наш геном. Именно на генетические данные пациента будет опираться персонализированная медицина, с них будет начинаться медицинская карта. Сейчас для большинства людей персонализированная медицина существует лишь на уровне лозунгов, но получить кое-какие данные о своем геноме, происхождении, особенностях физиологии и даже чертах характера можно в рамках развлекательного генетического тестирования. В десятые оно стало модным и сравнительно недорогим удовольствием.
Как оказалось, для нашего здоровья важен не только геном, но и микробиом — совокупность геномов триллионов бактерий, населяющих наш организм, а ещё
протеом — совокупность белков в организме или клетке, транскриптом — совокупность РНК, и другие -омы — в биологии этот суффикс прочно закрепился за терминами, обозначающими совокупность данных. Как правило, вслед за каждым «омом» возникает и новая «омика» — изучающая его математическими методами область биоинформатики: геномика, метагеномика, транскриптомика и так далее.
5. Денисовцы
Предок из пальца в мире «Властелина колец»Всё, что мы ещё недавно знали о древнейших людях, основывалось на смелых реконструкциях палеоантропологов, сделанных на основании какого-нибудь древнего зуба и пары грубо отёсанных галечных камней неподалёку. Но с тех пор, как на помощь антропологам пришли генетики, каждый год приносит нам новые крупные открытия: ДНК, выделенная из найденного зуба, может немало рассказать о том, каким был его хозяин, и даже о том, с кем спаривались его предки. Лавина этих открытий в десятые годы заставила учёных пересмотреть «научное предание» об эволюции человека и прославила на весь мир Денисову пещеру в предгорьях Алтая.
Минуло десять лет с тех пор, как Сванте Паабо, генетик из Лейпцига, первым научившийся восстанавливать ДНК древних людей и прочитавший геном неандертальца, получил от сибирских археологов крохотную косточку, найденную в Денисовой пещере. Ещё полгода косточка лежала без дела, пока до неё не дошли руки исследователей, думавших, что они восстанавливают ДНК очередного неандертальца.
И тут оказалось, что полуистлевший кончик мизинца принадлежал девочке совершенно неизвестного нам антропологического типа. Вскоре весь мир услышал о Денисовой пещере и населявших её денисовцах — таких же наших «двоюродных братьях», как и неандертальцы, но гораздо более таинственных: мы слишком мало о них знаем. Впрочем, с каждым годом узнаём всё больше. Анализ ДНК показал, что у них были карие глаза, смуглая кожа и тёмные волосы, они были приспособлены к высокогорью и, выйдя из Африки около 600 тысяч лет назад, отправились заселять Юго-Восточную Азию и Океанию — в геномах многих народов, населяющих этот регион, есть следы ДНК денисовцев, до 7%.
Разные популяции Homo sapiens, неандертальцев и денисовцев неоднократно скрещивались. Это, кстати, вовсе не означает, что они дружили: по тем или иным причинам денисовцы вскоре после прихода сапиенсов исчезли — то ли вымерли, то ли были ассимилированы.
До наступления десятых эволюция человека представлялась в виде линейного процесса: на входе брела на задних лапах полусогнутая обезьяна, схватившая палку, а на выходе уверенно и гордо шёл белый мужчина. Теперь же выяснилось, что в древности Земля напоминала мир «Властелина колец», полный орков, эльфов, гномов — разных альтернативных вариантов человека. Эти популяции встречались, воевали и поедали друг друга, обменивались технологиями и жёнами.
Среди открытых в десятые вымерших ветвей человечества — и загадочные Homo naledi, парадоксально сочетающие примитивные и прогрессивные признаки, и сразу три разновидности «хоббитов» метр ростом, живших на трёх разных островах. Но самым знаменитым и важным с точки зрения эволюционной истории остаётся открытие денисовского человека.
6. Биоинженерия
Игры в богаДесятые принесли рывок не только в изучении биологических программ, но и в самом программировании живых существ. Генетики учились модифицировать микроорганизмы, растения и животных, дополняя их геномы полезными «приложениями»: делали из клеток соединительной ткани клетки нервной ткани, создавали растения, которые будут светиться вместо фонарей, меняли код бактерий так, чтобы они питались нефтью, уничтожая последствия утечек. Были поставлены и первые эксперименты с применением генной терапии на людях, позже с редактированием генома взрослых людей и наконец — эмбрионов.
Светящийся табак, в геном которого встроена «программа биолюминесценции», позаимствованная у грибов
Главным прорывом, запустившим настоящую биоинженерную революцию, стал, конечно, CRISPR/Cas9 — метод редактирования генома, давший учёным возможность с помощью особых ферментов находить нужный участок ДНК и менять его, вырезая или добавляя строки генетического программного кода. Поначалу было много ошибок, но к концу десятых их число снизилось почти до нуля.
За открытие CRISPR/Cas9 француженка Эммануэль Шарпантье и американка Дженнифер Дудна получили в 2020-м Нобелевскую премию по химии.
Вполне возможно, CRISPR приблизит наступление эры синтетической биологии — науки о проектировании и создании не имеющих аналогов в природе биологических систем с заданными свойствами и функциями. В принципе, учёные уже сейчас вовсю «играют в бога»: избавляют мышей от ВИЧ — учатся лечить болезни на животных моделях; повышают урожайность агрикультур; пытаются воссоздать мамонта, переписав геном слона; создают комаров, не способных распространять малярийного паразита, или свиней с подправленным геномом, органы которых лучше подойдут для трансплантации человеку.
В Китае растут первые генетически модифицированные дети — Нана и Лулу, родившиеся в 2018 году и неуязвимые для ВИЧ. До потока дизайнерских младенцев ещё далеко: технология недостаточно эффективна, её безопасность не доказана, да и опыты на эмбрионах в большинстве стран запрещены. Зато для взрослых придумали этически безобидный трюк: извлекают нужные клетки из тела, редактируют и вводят обратно. Так борются, например, с раком или некоторыми наследственными болезнями. Итоги развития биотеха продемонстрировала вакцинная гонка 2020-го, позволившая в считаные месяцы разработать и довести до массового применения сразу десяток вакцин от ковида.
7. Космос, пригодный для жизни
Экзопланеты, вода, биомолекулыДесятилетие назад космос казался пустым, безводным и наверняка безжизненным, Земля — одинокой и уникальной, а планеты за пределами Солнечной системы — редкими и слишком большими. Впервые экзопланету у похожей на Солнце звезды обнаружили ещё в 1995 году, но в десятые случился настоящий бум.
За это открытие в 2019 году Дидье Кело и Мишель Майор из Университета Женевы получили Нобелевскую премию по физике. Разработанный ими метод поиска позволил учёным приблизиться к экзопланетам.
Сейчас новые экзопланеты открывают каждый день. Их обнаружено уже более четырёх тысяч, ещё свыше пяти тысяч объектов проверяют на соответствие высокому званию. Большую их часть разглядели орбитальные телескопы, специально для этой цели созданные: Kepler и сменивший его на орбите TESS.
Открытые планеты чаще всего бывают двух типов: «горячие Юпитеры» — газовые гиганты, расположенные близко к своим звёздам, и «суперземли» массой в 5−10 земных. Между прочим, Солнечная система в этой новой реальности всё равно выглядит довольно необычно: в ней нет ни тех ни других.
Стало очевидно, что планет, в том числе похожих на Землю, в Галактике сколько угодно — даже по самым скептическим оценкам, планетные системы есть у 10% звёзд, а их в Млечном Пути сотни миллиардов. Даже у ближайшей к нам Проксимы Центавра и то есть экзопланета, похожая на Землю по массе и получаемому от звезды теплу.
У многих экзопланет есть атмосфера, часть из них находится в «обитаемой зоне» — на таком расстоянии от звезды, что вода на планете остаётся жидкой: не выкипает и не замерзает. Подходящие условия для жизни!
Да и в нашем уголке космоса условия оказались намного более удобными для жизни, чем считалось ещё недавно. Огромные запасы водяного льда нашли на Луне (это очень важно для строительства баз и освоения Луны как источника полезных ископаемых), а в клуб миров с подлёдным океаном входит уже десяток планет и их спутников, даже Плутон! Есть подвижки и в поисках космической органики: в атмосферу Марса почему-то летом выделяется больше метана, чем зимой (кстати, и там нашли большое подлёдное озеро), даже на Венере что-то или кто-то вроде бы выделяет фосфин.
Это, конечно, лишь косвенные свидетельства, дающие надежду, что жизнь во Вселенной — вовсе не уникальное явление и может обнаружиться даже у нас под боком, в Солнечной системе. А ещё — надежду на колонизацию ближайших космических окрестностей и инопланетных океанов. Сейчас всё это не слишком актуально, хотя политики и начали уже делить Луну, но интересно, что об этом напишут потомки?
Фото: John Gurche / humanorigins.si.edu, Daniela Hitzemann / WikiMedia, Human Connectome Project, D-VISIONS / Shutterstock, The SXS (Simulating eXtreme Spacetimes) Project, Atlas.ru, Eric Isselee / Shutterstock, Planta. bio, NASA Galleries
Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» № 4 (45) 2020 г.