Mokslo pasiekimai 2010 metais ir įžvalgos ateičiai

www.technologijos.lt

Šiais metais neabejotinai įvyko daugybė pokyčių, padaryta daug atradimų ir išradimų – tiek daug, kad net sunku išrinkti, kurie iš jų mums turės daugiausia reikšmės ateinantį dešimtmetį ar netgi dar tolesnėje ateityje. Tačiau kai kuriuos mūsų nuomone svarbesnius mokslo įvykius pabandysime trumpai paminėti šioje apžvalgoje.

Kvantiniai reiškiniai plika akimi įžiūrimuose objektuose. Iki šių metų visi žmogaus pagaminti objektai judėdavo pagal klasikinės mechanikos dėsnius. Tačiau praėjusį kovą grupė mokslininkų sukūrė įtaisą, kurio judesius galima apibūdinti tik pagal kvantinės mechanikos logiką. Kaip tik ši logika galioja gerokai mažesniems objektams, tokiems kaip molekulės, atomai ir subatominės dalelės.

Kaip gi šis įtaisas veikia? Kalifornijos Santa Barbara universiteto (JAV) fizikai Endriu Klelandas (Andrew Cleland) ir Džonas Martinis (John Martinis) kartu su kolegomis sukūrė mažytę (tačiau plika akimi įžiūrimą) mechaninę mentelę,  kurią patalpino virš taip vadinamo “kvantinio griovelio” ir šiuos du objektus privertė sąveikauti tarpusavyje. Pirmiausia mentelė buvo atšaldyta iki temperatūros, artimos absoliutiniam nuliui. Tada jos energija buvo padidinta vienu kvantu. Mentelė perėjo į grynai kvantinio pobūdžio judėjimo būseną. Mokslininkai netgi sugebėjo įtaisą priversti būti iškart dviejose būsenose, t.y. ji vienu metu vibravo dviem skirtingais dažniais. Taip, tai keista, tačiau kvantinės mechanikos pasaulyje keistenybių apstu.

Tai – pirmas kartas, kada mokslininkai kvantinius reiškinius pademonstravo tirdami žmogaus pagaminto objekto judesius. Koncepciniu požiūriu tai reikšminga tuo, kad gerokai praplečia kvantinės mechanikos galiojimo ribas. Praktiniu požiūriu tai sudaro naujas galimybes naujoviškiems eksperimentams vykdyti, kuriuose, pavyzdžiui, bus galima tirti, kaip šviesos fotonai, mikroskopinės elektros srovės ir miniatiūrinių mechaninių objektų judesiai paklūsta kvantiniams dėsniams ar netgi žmogaus sugalvotiems kvantinio valdymo metodams, Galbūt kažkada ateityje šis išradimas pasitarnaus netgi tiriant žmogaus realybės suvokimą – pavyzdžiui, patalpinus makroskopinius objektus iškart į dvi skirtingas vietas.

Sintetinė biologija. Tai – kertinis biologijos ir biotechnologijos mokslų laikotarpis. Mokslininkams šiais metais pavyko sukurti sintetinį genomą, kuris vėliau buvo panaudotas bakterijos “identitetui” pakeisti. Šis genomas pakeitė bakterijos DNR, todėl ji pradėjo generuoti visiškai kitus baltymus. Toks tyrimų progresas netgi sukėlė debatus JAV kongrese, tačiau kol kas papildomų apribojimų sintetinės biologijos sričiai pritaikyta nebuvo. Ateityje mokslininkai prognozuoja, jog sintetiniai genomai padės pigiai generuoti biokurus, farmacines medžiagas ir kitus naudingus chemikalus.

Neandertaliečių genomas. Tirdami trijų dabartinės Kroatijos teritorijoje prieš 38000-44000 metų gyvenusių moteriškos lyties neandertaliečių kaulus, mokslininkai sugebėjo iššifruoti pilną jų genomą. Tam buvo pritaikyti nauji DNR fragmentų sekų atstatymo (sekvenavimo) metodai. Tyrimo rezultatai pirmą kartą sudarė sąlygas tiesiogiai palyginti šiuolaikinio žmogaus iš jo tolimo pirmtako genetinę medžiagą.

ŽIV profilaktika. Du ŽIV prevencijai skirti klinikiniai bandymai, kuriuose buvo naudojamos naujos ir skirtingos strategijos, davė nedviprasmiškus rezultatus: vaginalinis gelis, kuriame buvo ŽIV virusus naikinančio medikamento tenofoviro, sumažino ŽIV infekcijų skaičių tirtųjų moterų tarpe 39%, o oraliniu būdu vartojamas medikamentas kitų tirtųjų vyrų ir moterų tarpe ŽIV infekcijų skaičių sumažino  43.8%. Šiemet netgi pasirodė žinių (tikėkimės, jog patikimų) apie tai, jog Vokietijoje pirmą kartą išgydytas ŽIV sirgęs asmuo.

Privačios kosminės kelionės. Ši “egzotika” tapo pasiekiama visiems. Šiemet sėkmingai įvykdyti pirmieji bandomieji privačių komercinės paskirties erdvėlaivių skrydžiai, atidarytas pirmasis komercinis kosmodromas, pradėta statyti komercinių kosminių laivų gamykla. Lieka sulaukti tik starto, sukaupti pakankamai pinigų, ir – pirmyn į orbitą!

Retų ligų genų fragmentų sekvenavimas. Sekvenuojant tik tam tikrus genomo fragmentus (eksonus), kurie koduoja konkrečius baltymus, retas paveldimas ligas tiriantys mokslininkai sugebėjo identifikuoti atskiras mutacijas, kurių pagrindu sukeliamos bent 12 skirtingų ligų. 

Antimaterija. Europos branduolinių tyrimų centro (CERN) mokslininkams pavyko „pagauti“ ir palyginti ilgai išlaikyti kelias dešimtis vandenilio antimedžiagos atomų. Šis įspūdingas fizikų pasiekimas turėtų gerokai paspartinti tyrimus vienoje mįslingiausių dalelių fizikos sričių. Vykdyto eksperimento metu gauti 38 stabilūs antivandenilio atomai, kurių egzistavimas tęsėsi net vieną šeštąją sekundės. Tiesa, to kol kas nepakanka nei realiam “Vatikano trileriui” sukurti, nei praktiškai panaudoti, tačiau išgaunamų antidalelių skaičius didėja, tad kas gali žinoti, ką šioje srityje mums atneš ateinantys metai.

Fotoninė ir kvantinė kompiuterija. Šį dešimtmetį paaiškėjo, jog radikalūs kompiuterinių technologijų pokyčiai – ne už kalnų. 2010 metais pasirodė pirmieji praktiniai mėginimai sukurti nanofotoninius lustus, kuriuose iformacija perduodama šviesos spinduliais, o ne elektros srove ar įtampa. Negana to, daug lūkesčių mums suteikia pirmieji kvantinės logikos skaičiavimo įtaisai. Nors jie dabar sugeba išspręsti tik palyginti paprastus uždavinius, jų potencialo gali pakakti 1000 kartų spartesniems kompiuteriams sukurti, lyginant su tuo, kas mums yra prieinama dabar.

Nauji LHC rekordai. Neabejotinai reikšmingų rezultatų pavyko pasiekti CERN mokslinių tyrimų centre dirbantiems Didžiojo Hadronų Priešpriešinių Srautų Greitintuvo (LHC) mokslininkams. Čia ne tik įvykdyti pirmieji rekordinės 7 TeV energijos protonų susidūrimai, bet ir pradėti sunkiųjų švino jonų susidūrimų bandymai, kurių metu mėginama atkurti pirmosiomis Visatos gyvavimo akimirkomis egzistavusi materijos būsena. Norint pilnai išanalizuoti visus per 2010 metus sukauptus duomenis, prireiks ne vienerių metų. Tikėkimės, kad po pertraukos startavęs LHC naujų netikėtimų pateiks ir ateityje. 

Bitės ir mes. Nuogąstavimai dėl visame pasaulyje mažėjančių bičių populiacijų mus neramina jau keleri metai. Šiais metais pasirodė pirmosios pagrįstos teorijos, aiškinančios šio reiškinio priežastis, taip pat pasirodė pirmosios problemai spręsti skirtos iniciatyvos. Tikėkimės, jog 2011 metais “masinio bičių žudiko” byla bus išspręsta bičių (ir tuo pačiu mūsų) naudai.

Molekulinės dinamikos modeliavimas. Iki šiol baltymų struktūros formavimosi modeliavimas mokslininkams buvo vientisas galvos skausmas. Tačiau dabar šiai užduočiai atlikti specialistai pasitelkia galingiausius pasaulio kompiuterius, kurie sugeba sekti pavienių atomų judėjimą besiformuojančiame baltyme 100 kartų ilgesnį laiką nei anksčiau buvo įmanoma. Nors taip modeliuoti kol kas galima tik palyginti nedideles baltymų molekules, kompiuterių galios didėjimas netolimoje ateityje šias galimybes gerokai praplės.

Kvantinis simuliatorius. Norėdami matematiškai aprašyti tai, ką išvysta laboratorijose, fizikai, remdamiesi teorinėmis lygtimis, “kepa” naujas teorijas. Tiesa, yra viena smulkmena – kartais tas lygtis neįtikėtinai sunku išspręsti. Tačiau šiais metais mokslininkai sugalvojo, kaip visą šį procesą supaprastinti. Šiuo tikslu pagaminti kvantiniai simuliatoriai – dirbtiniai kristalai, kuriuose lazerių spinduliais imituojami jonai, o šviesos sraute “uždaryti” atomai imituoja elektronus. Tokie įtaisai gali greitai duoti atsakymą į daugelį fizikus kamuojančių klausimų ir kažkada netgi gali padėti paaiškinti superlaidumo bei kitas fundamentalias pasaulio paslaptis.

Naujos kartos genomika. Spartesnės ir pigesnės sekvenavimo technologijos dabar leidžia atlikti didelio masto studijas, tiriant tiek šiuolaikines, tiek senovines DNR. Pavyzdžiui, “1000 Genomes Project” projektą vykdantys mokslininkai jau identifikavo didžiąją dalį genomo variacijų, kurios mus daro tokiais, kokie esame dabar. Numatomi ateities projektai bus skirti žmogaus genų funkcijoms dar dar tiksliau išsiaiškinti.

RNR perprogramavimas. Ląstelių perprogramavimo esmė – jų raidą reguliuojančio “laikrodžio” atsukimas atgal. Tokiu būdu jos ima elgtis kaip nespecializuotos embrionus sudarančios vadinamosios kamieninės ląstelės. Tai jau tapo standartiniu laboratoriniu metodu, kurio pagalba tiriamos ligos ir kuriamos naujos terapijos. Šiais metais mokslininkai surado būdą, kaip šį procesą atlikti naudojant sintetinę RNR. Lyginant su ankstesniais metodais, naujasis būdas yra dvigubai spartesnis, 100 kartų efektyvesnis ir potencialiai saugesnis jo rezultatus taikant praktiškai.

“Žiurkės sugrįžimas”. Pelės neabejotinai pirmauja laboratoriniams tyrimams naudojamų gyvūnų tarpe, tačiau tam tikroms specifinėms užduotims atlikti specialistai teikia pirmenybę žiurkėms. Su jomis lengviau dirbti, jų anatomija panašesnė (jei galima taip sakyti) į žmogaus. Tačiau bėda ta, jog pelėms  taikomi genų “išjungimo” metodai žiurkių visiškai neveikia. Kaip tik todėl šiais metais intensyviai buvo kuriami metodai žiurkių genams valdyti – ateinančiais metais galima tikėtis, kad laboratorines peles daugelyje tyrimų pakeis didesniosios jų “kolegės”.

Tikslioji kosmologija. Per praėjusį dešimtmetį ir ypač pastaraisiais metais mokslininkai sudarė itin tikslų “receptą”, kaip nustatyti mūsų Visatos sudėtį – ją sudarančios įprastinės materijos, tamsiosios materijos ir tamsiosios energijos proporcijas. Šiais metais taip pat įsibėgėjo tyrimai, kurių metu bandoma paaiškinti šių skirtingo pobūdžio dedamųjų tarpusavio sąveiką. Matyt todėl kosmologija tapo palyginti tiksliu mokslu, o jos pagrindą sudaranti teorija palieka vis mažiau vietos naujoms (ir dažniausiai pernelyg sunkiai patikrinamoms) idėjoms reikštis.

Vanduo Marse. Per praėjusį dešimtmetį į Marsą buvo siųsta virš tuzino misijų. Šiemet patvirtinta, jog vandens ten visgi yra. Tiesa, ne tokiais kiekiais, kokiais norėtųsi, tačiau aišku, jog kadaise jo pakako landšaftui keisti ir – galbūt – gyvybei palaikyti. Šie Marso vandens telkiniai greičiausiai egzistavo jau tuo metu, kai Žemėje pradėjo formuotis gyvybė. Šiandien Raudonojoje planetoje drėgmės kiekis yra pakankamas, kad mokslininkai neprarastų vilties čia rasti gyvus ir vietine atmosfera kvėpuojančius mikrobus. 

Egzoplanetos. 2000 metais mokslininkai žinojo tik 26 už mūsų Saulės sistemos ribų esančias planetas. 2010 metais šis skaičius pašoko iki 502 ir vis dar nepaliaujamai didėja. Atsirandant naujoms technologijoms, astronomai tikisi atrasti daugybę Žemės tipo planetų. Tuo tarpu atrastųjų planetų matmenys ir orbitų parametrai revoliucionizuoja mokslininkų supratimą apie tai, kaip formuojasi ir gyvuoja planetinės sistemos.

Metamedžiagos. Sintezuodami medžiagas, pasižyminčias neįprastomis ir valdomomis optinėmis savybėmis, mokslininkai ir inžinieriai surado naujų būdų šviesos spinduliais manipuliuoti. 2010 metais gerokai pasistūmėta kuriant lęšius, kurie tarsi paneigia fundamentalias skiriamosios gebos ir sklidimo ypatumu ribas. Pradėti konstruoti netgi “nematomi apsiaustai”, kuriais uždengti objektai tampa nematomi išoriniam stebėtojui. Tiesa, iki pritaikymo realiame gyvenime šios technologijos turi nueiti dar nemažą tobulėjimo kelią, tačiau esami rezultatai suteikia daug vilčių jau net ateinantiems metams.

Klimato kaita. Praėjusį dešimtmetį mokslininkai nustatė kai kuriuos esminius globaliuosius mus supančio klimato pokyčius. Pasaulis šyla (nors prieštaraujančių šiam faktui balsų gausu; jų ypač padaugėjo 2010 metais), o natūralūs planetos procesai šio vyksmo negali sustabdyti. Ateinantį dešimtmetį išvysime, kaip šios žinios pakeis mokslininkų ir politikų požiūrį į juos supančią gamtą.