Пять главных научно-технических трендов

Какие важные открытия помог совершить искусственный интеллект, как клетки человека могут вылечить рак и когда станут доступны домашние андроиды? Главные достижения науки 2024 г. дают человечеству новые поводы надеяться на лучшее будущее.

Триумф частной космонавтики

В чем тренд: бизнес уже не просто участвует в освоении космоса, но и предлагает принципиально новые решения.

Чего удалось добиться

Уже второй год человечество совершает рекордное количество запусков ракет на орбиту. В 2024 г. совершено более 250 запусков и побит рекорд 2023 г., когда их было 221. Больше половины всех запусков осуществлены частной компанией SpaceX, продолжающей быть драйвером прогресса в освоении космоса.

В 2024 г. космическая компания Илона Маска SpaceX запустила на орбиту первую в истории частную исследовательскую экспедицию – Polaris Dawn. На борту корабля Crew Dragon пять дней провел полностью гражданский экипаж во главе с миллиардером и энтузиастом космических исследований Джаредом Айзекманом, для которого это был уже второй полет. Помимо множества экспериментов (в основном медицинских), в ходе миссии побили рекорд по высоте полета для околоземных пилотируемых экспедиций – корабль вывели на высоту 1400 км (предыдущий рекорд был установлен в 1966 г. миссией Gemini 11, достигшей высоты 1372 км). Впервые в истории непрофессиональные космонавты вышли в открытый космос.

И еще один рекорд – во время полета экспедиции Polaris Dawn на орбите было 19 человек, самое большое число за всю историю. Все это стало возможным благодаря тому, что новая космическая гонка – уже не только состязание государств, как было когда-то. Частники участвуют даже в новом штурме Луны: в начале года впервые в истории частный космический модуль Odysseus американской компании Intuitive Machines прилунился недалеко от Южного полюса Луны и начал сбор данных.

Но самым заметным и обсуждаемым событием в освоении космоса в 2024 г. стали первые испытательные полеты корабля Starship компании SpaceX, самой большой и мощной ракеты в истории. Четыре раза в 2024 г. 120-метровая башня из нержавеющей стали взлетала в космос на реактивной тяге 33 двигателей. Starship сможет доставить к любой планете Солнечной системы до сотни человек и вернуться обратно. Кроме того, специалисты ожидают, что полностью многоразовый Starship существенно снизит стоимость доставки грузов на орбиту.

Год новых лекарств

В чем тренд: появление принципиально новых медицинских препаратов.

Чего удалось добиться

Журнал Science назвал главным прорывом 2024 г. ленакапавир – инъекционный препарат для профилактики ВИЧ-инфекции, разработанный биофармацевтической американской компанией Gilead Sciences. Лекарство прикрепляется к белкам оболочки вируса и не дает ему проникать в клетку. Создано не просто лекарство, а новый антивирусный метод.

Исследования показали, что одной инъекции раз в полгода достаточно для полной защиты от вируса. Специалисты говорят, что препарат сможет спасти от заражения миллионы людей из групп риска.

Одобрение регулирующих органов ожидается не ранее середины 2025 г., цена пока не объявлена. Science пишет, что разработавшая препарат компания Gilead заключила сделку с шестью производителями дженериков на производство недорогих версий для развивающихся стран.

Вторым среди прорывов года в Science выбрали создание новой группы лекарств – CAR-T терапию аутоиммунных заболеваний. При CAR-T терапии у пациента берут Т-лимфоциты (клетки иммунной системы, атакующие чужеродные клетки в нашем организме), «перепрограммируют» на определенную мишень и запускают обратно в организм. То есть лекарством становятся живые клетки. Это новый тренд в фармакологии: лимфоциты сейчас программируют для самых разных целей, от доставки лекарств в мозг до борьбы со старением.

В 2024 г. произошло очень важное для терапии рака событие – в США впервые одобрили препарат для CAR-Т терапии «твердой» опухоли, хотя терапия CAR-T дебютировала как метод лечения «жидких» опухолей, таких как рак крови, почти 15 лет назад. В прошлом году также было проведено множество клинических испытаний проверки эффективности терапии CAR-T при аутоиммунных заболеваниях – волчанке, склеродермии, рассеянном склерозе. Как пишет Science, «CAR-T терапия дала поразительные улучшения у тяжелобольных пациентов, открыв, возможно, новую главу в лечении аутоиммунных заболеваний».

А в России Минздрав зарегистрировал первый в мире препарат для лечения болезни Бехтерева – тяжелого аутоиммунного дегенеративного расстройства, при котором постепенно окостеневают позвоночник и суставы. Им страдает от 0,1 до 0,8% людей.

Препарат, названный сенипрутуг, позволяет уничтожать патологические Т-лимфоциты, атакующие клетки. Сенипрутуг – это антитело, которое распознает Т-лимфоциты с рецептором TRBV9 (их ученые считают ответственными за аутоиммунную реакцию в случае болезни Бехтерева).

Антитело распознает и убивает эти клетки, не затрагивая все остальные Т-лимфоциты в организме. Сенипрутуг разработали ученые Российского национального исследовательского медицинского университета им. Пирогова и Институт биоорганической химии РАН совместно с питерской фармкомпанией Biocad, которая собирается начать его промышленное производство.

Искусственный интеллект в роли ученого

В чем тренд: нейросети становятся ключевым инструментом в науке.

Чего удалось добиться

В минувшем году нейросети прошли еще один символический рубеж – o1, новая языковая модель от OpenAI, впервые превзошла в тестах интеллекта среднего человека. IQ всех предыдущих моделей не дотягивал до 100, а у о1 коэффициент интеллекта значительно выше среднего – 120.

Все заметнее становится вклад искусственного интеллекта (ИИ) в науку. В 2024 г. разработчикам глубоких нейросетей и методов их обучения дали две Нобелевские премии – по физике и по химии. Половину премии по химии получили генеральный директор Google DeepMind Демис Хассабис и научный сотрудник этой компании Джон Джампер, разработчики нейросети AlphaFold2, позволившей успешно решить проблему, над которой химики бились больше полувека. Нейросеть научилась предсказывать трехмерную структуру белка по последовательности аминокислот.

Лаборатория Google DeepMind сделала код AlphaFold2 общедоступным – к октябрю 2024 г. нейросеть использовало более 2 млн человек из 190 стран. Модель стала золотой жилой для исследователей: раньше на получение структуры белка часто уходили годы – теперь это можно сделать за несколько минут.

Вторую половину премии присудили американскому ученому Дэвиду Бейкеру за нейросеть Rosetta, способную совершить обратную операцию – по нарисованной форме белка придумать тип аминокислотной последовательности, которая свернется в эту форму. То есть нейросеть может создать белок, не существующий в природе, но способный выполнять нужную функцию. Например, подобрать необходимый белок-ключик к молекуле-рецептору теперь можно сразу – исходя из ее формы. Сейчас ученые всего мира с помощью таких нейросетей создают белки, которых раньше не существовало и которые во многих случаях имеют совершенно новые функции.

Фундаментальные сдвиги ИИ совершает во всех областях науки. Например, недавно с помощью ИИ команде американских и японских исследователей удалось обнаружить более 300 гигантских фигур со знаменитого плато Наска в Перу. ИИ проанализировал данные аэрофотосъемки всего региона и нашел более тысячи «кандидатов в геоглифы» (гигантские фигуры на земле). Экспедиция, ориентирующаяся на эти данные, за полгода подтвердила существование сразу 303 новых рисунков с фигурами животных и 42 геометрических фигур – в итоге число известных рисунков почти удвоилось.

Во многом благодаря ИИ в минувшем году заметно выросла и способность ученых заглядывать в прошлое. Одним из самых ярких научных событий года стала расшифровка частей обугленной рукописи из единственной сохранившейся античной библиотеки в Геркулануме (Италия). Сотни свитков были погребены под 25 м пепла после извержения Везувия в 79 г. – их невозможно развернуть, не сломав. С помощью сканирования рентгеновским излучением на синхротроне удалось получить тысячи срезов папируса и сделать из них 3D-изображения свитков – трехмерные томограммы. Чернила сделаны из золы, но они чуть плотнее бумаги – это можно обнаружить на томограммах. Оставалось расшифровать полученные данные.

Бизнесмены Нат Фридман, Дэниел Гросс и компьютерный ученый Брент Силс объявили конкурс Vesuvius Challenge по декодированию свитков для всех желающих. Сначала 21-летний студент Университета Небраски Люк Фарритор, участвующий в конкурсе, с помощью ИИ смог расшифровать первое слово – порфирос («пурпурный»). А в феврале 2024 г. группа студентов, включающая и Фарритора, с помощью сделанной и обученной ими нейросети прочитала целый текст из сотен слов, оказавшийся работой философа-эпикурейца о том, как максимизировать удовольствие от жизни. Занимаясь расшифровкой другого свитка из библиотеки Геркуланума, итальянские ученые узнали, что могила философа Платона находится в Академии (афинский парк, где Платон любил беседовать с учениками), рядом с Мусейоном, храмом муз. По мнению исследователей, теперь открыт путь к расшифровке остальных свитков, что может иметь революционные последствия для нашего понимания Древнего мира.

Похожими исследованиями сейчас занимаются и в России. Например, долгое время значительная часть огромного архива рукописей Петра Первого была не расшифрована. У российского императора был неразборчивый почерк, особенно когда приходилось писать быстро, и многие его письма прочитать не легче, чем обуглившиеся свитки Геркуланума. Ученые из Санкт-Петербургского института истории РАН обучили нейросеть Digital Петр, разработанную специалистами «Сбера», на датасете из уже расшифрованных строк, и теперь она распознает неразборчивый императорский почерк.

Роботы научились ходить

В чем тренд: андроиды двигаются все лучше.

Чего удалось добиться

Говорить, как люди, для роботов оказалось намного проще, чем двигаться, как люди. Одна из главных проблем, сдерживавших до сих пор распространение человекоподобных роботов, в том, что они плохо ходят. Большинство из них не может подниматься по лестнице или передвигаться по пересеченной местности. Поэтому четвероногие «робопсы» пока востребованы намного больше, чем андроиды, – на четырех ногах двигаться гораздо проще.

Но в 2024 г. в роботостроении стал заметен стремительный прогресс – человекоподобные роботы быстро учатся двигаться. Например, компания Boston Dynamics показала принципиально новую версию своего андроида Atlas – гидравлические компоненты в нем заменили электрическими и он приобрел свободу движений. В компании презентуют его «как самого подвижного андроида в мире, готового к практическому применению». В демонстрационном видео от Boston Dynamics Atlas складывает амортизаторы. Он распознает объекты, используя только встроенные сенсоры, берет их из вертикального отсека хранения и устанавливает на тележку. В свободную продажу Atlas пока не поступил – сначала андроид будут использовать на сборочных конвейерах автогиганта Hyundai, который приобрел Boston Dynamics в 2020 г.

В 2024 г. у Atlas появился серьезный конкурент – андроид Optimus компании Tesla Илона Маска. На демонстрационных видео он ловит мячик, движется по пересеченной местности и не падает, даже поскользнувшись и на миг потеряв равновесие.

По мнению ряда специалистов, решающим прорывом в области роботостроения станет появление хороших искусственных мышц. В этой области есть многообещающие разработки – например, польская компания Clone Robotics в конце 2024 г. представила своего первого полноразмерного робота Clone Alpha. Андроид оборудован синтетическими органами, искусственными мышцами и скелетной системой, детально повторяющей строение человека.

С такими темпами развития отрасли домашние андроиды могут появиться уже во второй половине 2020-х гг., а в 2030-х гг. станут обыденностью, как сейчас посудомоечная машина. Курьеры, продавцы и многие другие распространенные сейчас профессии роботизируются. Мир, где люди живут рядом с роботами, совсем близок.

Тем более что большей части промышленных роботов умение ходить, как и сами ноги, ни к чему. По оценке Forrester, менее 5% роботов, поступающих на склады и производства, будут ходить – это решение не оптимально для большинства задач. А самыми распространенными станут роботы на колесах, как уже продающийся колесный робопес Unitree B2 от китайской компании Unitree Robotics.

Модели мозга мухи, мыши и человека

В чем тренд: появляются все более точные виртуальные копии нервной системы.

Чего удалось добиться

Один из главных мегапроектов мировой науки XXI в., на который уже потрачены миллиарды долларов, – построение работающей виртуальной копии нервной системы, «функционального коннектома», чтобы понять, как работает мозг, научиться лечить его болезни и создавать компьютеры, подобные мозгу. В 2024 г. наука существенно приблизилась к этой цели. Появилось сразу три коннектома, каждый из которых по масштабам намного превосходит созданные ранее.

В апреле коллаборация из сотни ученых проекта MICrONS реконструировала кубический миллиметр нервной ткани мыши. Получилась сделанная с помощью электронной микроскопии трехмерная копия участка зрительной коры со всеми связями нейронов в сочетании с визуализацией их активности. Модель включает лишь 0,2% мозга мыши, но уже дала новые знания об устройстве коры.

Всего через месяц ученые из Гарварда и Google отчитались в Science о том, что создали модель кубического миллиметра височной коры мозга человека (оригинал вырезали хирурги, чтобы получить доступ к лежащему под корой эпилептическому очагу). Модель сделана с наноразмерным разрешением, тоже на основе данных электронной микроскопии. Авторы модели посчитали разные типы клеток и синапсов (контакты нейронов). Нейронов в височной коре оказалось в 2 раза меньше, чем глиальных клеток, поддерживающих, питающих и ремонтирующих нейроны. Всего в кубическом миллиметре коры около 57 000 клеток: 32 000 глиальных, 16 000 нейронов и 8000 клеток, связанных с кровеносными сосудами.

И около 150 млн синапсов: 110 млн возбуждающих и 40 млн тормозящих нейрон. В среднем на каждом нейроне – тысячи синапсов. Нейрон начинает испускать импульсы, если возбуждение в его синапсах достигает некоторого порога. Большая часть из этих тысяч синапсов слабые, но у каждого нейрона существует до 50 мощных мультисинаптических входов проводов-аксонов других нейронов, гораздо сильнее прочих влияющих на поведение нейрона.

А в октябре в Nature вышло сразу 11 статей с исследованиями коллаборации FlyWire, за 10 с лишним лет составившей с помощью ИИ и добровольцев со всего мира полный коннектом мозга мухи-дрозофилы.

Раньше самым сложным полным коннектомом была воссозданная в 2023 г. нервная система личинки дрозофилы с 3000 нейронов. За год произошел огромный скачок: мозг плодовой мушки меньше макового зернышка, но включает описание около 140 000 нейронов и 55 млн соединений. В основном это нейроны, принимающие и обрабатывающие сигналы от глаз: главная задача большинства нейросетей мухи – создавать и анализировать картину мира, формируемую на основе зрительной информации. Выяснилось, что в мозгу мухи гораздо больше афферентных нейронов (отправляют сенсорную информацию в мозг), чем эфферентных (отдают команды мозга мышцам), – 13,9 и 1,1% соответственно. Формировать картину мира намного сложнее, чем управлять полетом.

Связи между отдельными нейронами в большинстве своем включали менее 10 синапсов, но есть привилегированные нейроны и соединения – почти 16 000 таких соединений содержали более 100 синапсов и лишь 27 «самых влиятельных» – свыше тысячи синапсов.

Эти модели – не только результаты, но и инструменты для дальнейших исследований. Все три «карты мозга» и инструментарий поиска по ним выложены в свободный доступ. Теперь важнейшая задача – перейти от накопления знаний о частностях к точному пониманию того, как работает мозг.