Zwaartekrachtsgolven, in het lab gegroeide botten en kogelschuim: het wetenschappelijke jaar

Anonim

Zwaartekrachtsgolven, in het lab gegroeide botten en kogelschuim: het wetenschappelijke jaar

ScienceFeature

Michael Franco

28 december 2016

13 afbeeldingen

De indruk van de kunstenaar van de rimpelingen in ruimtetijd, zwaartekrachtgolven genoemd, die werden gecreëerd in de laatste 27 banen van twee zwarte gaten, acht en veertien keer de massa van onze zon voorafgaand aan hun botsing (Credit: LIGO / T.Pyle)

Het zou gemakkelijk zijn om een ​​beetje somber te kijken naar het sociaal-politieke landschap van 2016: terroristische aanslagen overal ter wereld, diepe tragedie in Syrië, Brexit, versnelde planetaire opwarming en een van de meest controversiële verkiezingen in de Verenigde Staten in de recente geschiedenis.

Maar richt je aandacht op het wetenschappelijke landschap en de dingen zien er veel hoopvoller uit. Dit was het jaar waarin we gene-editing naar nieuwe hoogten trokken, serieus namen over een kankervaccin, een nieuw wereldrecord vestigden voor het omzetten van zonlicht in elektriciteit en voor het eerst het eigenlijke weefsel van het universum - zwaartekrachtgolven - ontdekten. Voordat 2016 in de loop van de tijd wordt uitgerold, kunt u meedoen met een proeverij van de verbluffendste, wereldschokkende en verbazingwekkende ontwikkelingen die wetenschappers dit jaar wereldwijd hebben gemaakt.

De spullen van het leven

Het is meer dan 13 jaar geleden dat het volledige menselijke genoom in kaart is gebracht en elk jaar sindsdien heeft het veelbelovende vorderingen op het gebied van de genetica opgeleverd. Een van de grootste doorbraken in het veld was de CRISPR-methode van genbewerking (zie deze video voor meer informatie), die wetenschappers in principe genen laat knippen en plakken van en naar strengen DNA. In 2012 ontdekten onderzoekers een CRISPR-methode voor het bewerken van genen met behulp van een eiwit dat bekendstaat als Cas9, waardoor ze genen met een verbazingwekkende nauwkeurigheid kunnen manipuleren, wat leidt tot doorbraken in de manier waarop we bepaalde ziekten kunnen behandelen en mogelijk kunnen elimineren door lastige genen te verwijderen en te vervangen.

Dit jaar bleef CRISPR-Cas9 zichzelf bewijzen als een geweldig hulpmiddel, dat veelbelovend is in het bestrijden van blindheid en HIV en een rol speelt bij het identificeren van het Zika-virus. Het hielp zelfs om een ​​smakelijke maaltijd te maken van kool die volgens de techniek was aangepast, waardoor 2016 de eerste keer was dat een dergelijke maaltijd werd geserveerd.

Terwijl experimenten die de methode gebruiken tot nu toe beperkt waren tot proefdieren en labschotels, zag dit jaar ook de eerste menselijke proeven van de techniek - bij een patiënt die lijdt aan longkanker. CRISPR-Cas9 werd gebruikt om een ​​immuunsysteem-onderdrukkend gen te verwijderen dat vaak door kankercellen wordt getriggerd, in de hoop dat de opnieuw ontwikkelde cellen tumoren zonder falen kunnen bestrijden. De studie zal naar verwachting in april 2018 worden afgerond.

De dingen van het universum

Ongeveer een eeuw geleden voorspelde Albert Einstein dat gewelddadige gebeurtenissen in het universum rimpelingen in ruimtetijd konden veroorzaken. Hij noemde deze golven gravitatiegolven en bleef tot dit jaar strikt hypothetisch.

Op 11 februari kondigden wetenschappers van de Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Advanced LIGO) aan dat hun uiterst gevoelige detectoren inderdaad zwaartekrachtgolven hadden opgepikt die vrijkwamen toen twee enorme zwarte gaten 1, 3 miljard jaar geleden in elkaar werden gesmeten.

Als dat niet genoeg was, kondigde het LIGO-team op 15 juni aan dat het systeem, dat 4-km lange armen en laserstralen gebruikt, bewegingen detecteert tot een duizendste van de breedte van een proton, geplukt een tweede set van de golven. De wetenschappers hebben vastgesteld dat deze botsing plaatsvond tussen twee kleinere zwarte gaten en dat een ervan als een top ronddraaide.

Vorige maand begon LIGO opnieuw te scannen naar meer gravitatiegolven, na een reeks upgrades.

Eén astronoom markeerde deze keer in de geschiedenis het "tijdperk van zwaartekrachtgolven. ". Het geloofwaardig maken aan die verklaring was de succesvolle test van het Laser Interferometer Space Antenna (LISA) Pathfinder-instrument, dat op 1 maart dit jaar werd gelanceerd en een free-fall-techniek om te zoeken naar zwaartekrachtgolven door hoe ze twee kleine kubussen beïnvloeden die zich in een vacuümkamer binnenin bevinden.

De testvlucht was slechts om te bewijzen dat de technologie zou werken, wat het deed. De LISA Pathfinder is net de verlengde fase van zijn testmissie ingegaan en, als alles goed gaat, is het plan om een ​​volledig functioneel vaartuig te produceren dat LIGO helpt bij het detecteren van veranderingen in de structuur van ons universum.

De juiste aanraking

Een triest bijproduct van de schijnbaar eindeloze militaire conflicten over de hele wereld is tegenwoordig dat veel soldaten naar huis terugkeren en een ledemaat in de strijd verloren hebben. Combineer dat met miljoenen landmijnen die overblijven na eerdere conflicten, plus ongelukken en medische aandoeningen die het verlies van ledematen veroorzaken of de mogelijkheid om ze te beheersen, en de behoefte aan slimme prothesen wordt duidelijk. Gelukkig werkt de wetenschap hard om te proberen zoveel mogelijk normaliteit te herstellen voor dergelijke slachtoffers.

Eerder dit jaar probeerde een man die bij een ongeluk zijn hand had verloren, een bionische vingertop in de zenuwen van zijn bovenarm en hij onderscheidde ruwe en gladde oppervlakken met een nauwkeurigheid van 96 procent. Later in het jaar ontving een man die tijdens een auto-ongeluk verlamd was in 2004 een robotarm die was uitgerust met sensoren die rechtstreeks in zijn hersenen waren aangesloten, waardoor hij elk van zijn bionische vingers kon voelen, samen met gevoel van aanraking en druk.

Met onderzoekers aan de John Hopkins University ontwikkelden ze de middelen voor directe mind-control van individuele vingers op een robotprothese en DARPA die de goedkeuring van de FDA opende om zijn DEKA bionische arm op de markt te brengen, die afhankelijk is van spierimpulsen om fijne bewegingen uit te voeren, de dagen waarop een ontbrekende ledemaat was een belemmering overwonnen kan binnenkort een ding van het verleden zijn.

Groeiende lichaamsdelen

Het laten groeien van orgels in het lab klinkt meer als een taak voor Dr. Frankenstein dan moderne onderzoekers, maar 2016 heeft op dit gebied een aantal indrukwekkende voordelen behaald. Toegegeven, ze zijn op dit moment belangrijker als onderzoekshulpmiddelen dan daadwerkelijke vervangende onderdelen, maar als een teken van hoezeer een deel van het door het leven gemaakte weefsel wordt, dit was het jaar dat NASA een competitie van $ 500.000 aankondigde om functioneel in laboratoria te ontwikkelen menselijk weefsel dat, naar men zegt, hen kan helpen de effecten van langere tijd in de diepe ruimte te bestuderen zonder de werkelijke menselijke wezens te hoeven gebruiken.

Dit jaar zagen we ook in het lab gegroeide botten samenkomen met de kaak van een varken die uiteindelijk werd overgenomen door de werkelijke botstructuur van het dier; in een laboratorium gekweekt oogweefsel brengt blind zicht terug naar blinde konijnen; in het laboratorium gekweekte mini-hersenen die dierproeven kunnen vervangen en betrouwbaardere resultaten kunnen bieden; en lab-gemaakt leverweefsel dat ons zou kunnen helpen veilig nieuwe medicijnen te testen.

Hoewel het niet echt een lab-gemaakt lichaamsdeel is, is het de moeite waard om op te merken dat dit ook het jaar was waarin de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) een kunstmatige pancreas goedkeurde die is ontworpen om insuline automatisch te monitoren en injecteren bij diabetespatiënten.

Natuurlijke inspiratie

Het is gemakkelijk om te denken aan wetenschappers als lab-gebonden, op zoek naar beneden microscoopbuizen in plaats van uit hun eigen ramen. Maar in feite kijken veel onderzoekers naar de natuurlijke wereld voor inspiratie en 2016 is het bewijs dat enkele van de meest indrukwekkende wetenschappelijke doorbraken komen van onze mededieren.

Alleen al dit jaar wendden wetenschappers zich tot de octopus om erachter te komen hoe ze een next-gen-lijm kunnen maken die temperatuurgevoelig is; ze keken naar de mantisgarnaal als inspiratie voor het maken van robotogen en betere kogelvrije vesten; en ze tikte op de wijsheid van uilenveren om het turbinebeeld te verbeteren. Ondertussen, motten ogen waren de inspiratie voor zelfreinigende ramen en kever schelpen zou kunnen leiden tot ijsvrij vleugels van het vliegtuig.

En niet alle doorbraken op mens en natuur hebben te maken met het imiteren van de natuurlijke wereld, of biomimicry. Sommigen vertrouwen op het oogsten van stoffen rechtstreeks van Moeder Natuur. Dit jaar ontdekten onderzoekers van de Universiteit van Pittsburgh bijvoorbeeld dat het oogsten van biologisch materiaal van de zebravis het vermogen van dat schepsel om zijn eigen hart te regenereren, herstelde en hielp bij het repareren van een beschadigd muizenhart. Ondertussen wendde een ander team zich tot het vermogen van de tick spit om detectie door ons immuunsysteem te vermijden om potentieel mensen met auto-immuunziekten te helpen.

De regels van de natuurkunde buigen

De winnaars van de Nobelprijs voor natuurkunde van dit jaar hebben allemaal geholpen traditionele veronderstellingen in het veld op hun kop te zetten door te laten zien dat wanneer materie onder extreme omstandigheden wordt geplaatst, het zich vreemd gedraagt. Maar zij zijn niet de enigen die speelden met - of ontdekten uitzonderingen op - de geaccepteerde natuurkundige wetten van het universum.

In april onthulden wetenschappers van het Oak Ridge National Lab een vreemde nieuwe staat van water, genaamd tunneling, die bijdroeg aan de bekende toestanden van vaste stof, vloeistof en gas van de alomtegenwoordige substantie. Wetenschappers van UC San Diego, MIT en de universiteit van Harvard creëerden ondertussen nieuwe energiedragers op nanoschaal, plexcitons genaamd, die iets van een huwelijk zijn tussen excitonen en plasmons (als dat al helpt). En in Australië bevroor een groep Jedi-onderzoekers de beweging van het licht in een wolk van ultrakoude rubidiumatomen, straalde het met een laser en bracht praktische quantum computing nog een stap dichter bij de realiteit.

En opdat de natuurkunde niet alle schijnwerpers steelt van zijn neef, chemie, is het goed om te onthouden dat dit jaar begon met de bevestiging van vier nieuwe elementen die nu aan het periodiek systeem zijn toegevoegd als nihonium (Nh), moscovium (Mc), tennessine (Ts) en oganesson (Og).

Hier komt de zon (en wind en golven)

Zonne-energie bleef gestaag terrein winnen over de hele wereld in 2016, maar het wordt nog steeds vaak uitgedaagd door nee-zeggers die wijzen op de inherente inefficiëntie ervan als het gaat om het veranderen van licht in kracht. De Australiërs lijken het niet met elkaar eens te zijn.

Dit jaar werd het wereldrecord voor een dergelijk proces opnieuw ingetrapt, wat bewijst dat de technologie eindelijk zijn doel bereikt. Onderzoekers in Australië bereikten een efficiëntie van zonlicht tot elektriciteit van 34, 5 procent door een prisma te gebruiken om zonlicht in vier banden te breken en het vorige record van 24 procent te verslaan. Later dit jaar konden landgenoten van de Australian National University zonlicht omzetten in stoom met maar liefst 97 procent efficiëntie. En net aan het einde van het jaar kwam een ​​team van de Sydney University in New South Wales met een nieuw record in zonnecellenefficiëntie perovskiet, goed voor een score van 12, 1 procent. Perovskietcellen zijn misschien wel het zonnemateriaal van de toekomst omdat ze eenvoudig en goedkoop te produceren zijn en zo flexibel dat ze zelfs op oppervlakken kunnen worden gesproeid.

Elon Musk had bijna een eenvoudige oplossing om zonne-energie dit jaar meer wijdverspreid te maken met zijn solaire dakpannen die de onaantrekkelijke panelen verwijderen die we nu op onze daken moeten monteren.

Naast vooruitgang in materialen en efficiëntie, zagen we in 2016 ook talloze landen over de hele wereld serieus worden, niet alleen over zonne-energie, maar ook over energie geproduceerd door wind en golven, waarbij het International Energy Agency (IEA) meldt dat hernieuwbare energie nu steenkool is ingehaald als de wereld 's grootste bron van geïnstalleerde stroomcapaciteit.

Dit jaar kwam 's werelds grootste zonne-installatie bestaande uit 2, 5 miljoen modules online in India; twee grootschalige zonne-energiecentrales werden officieel in Australië geopend; de grootste zonnepaneel in de Caraïben opgestart in de Dominicaanse Republiek; 's werelds eerste grote getijdenenergieproject startte in Schotland; Noorwegen heeft plannen aangekondigd om Europa's grootste windenergieproject op land te bouwen; en de allereerste elektriciteitscentrale met netgekoppelde golven in Europa startte met operaties in Gibraltar. Zelfs de beruchte olie-hongerige Verenigde Staten zagen het eerste offshore windmolenpark draaien voor de kust van Block Island, Rhode Island.

Pure energie

Naast het grijpen van de energie die overal om ons heen is in de vorm van wind, water en zonlicht, hebben onderzoekers in 2014 ook enkele stappen gezet in de richting van het doel van eendags genererende kracht op atomair niveau door middel van kernfusie.

In Duitsland werd de Wendelstein 7-X fusion-stellarator, die voor het eerst werd opgestart aan het einde van 2015, verwarmd tot temperaturen van ongeveer 80 miljoen graden en gebruikt om waterstofatomen samen te vernietigen om de toestand van het gas te veranderen. De Duitse bondskanselier (en kwantumfysicus) Angela Merkel duwde op de knop die een test op gang bracht die een kleine hoeveelheid waterstofgas omzet in plasma en die gedurende een kwart seconde in die staat hield.

Ondertussen deden de Chinezen het beter. In hun EAST-tokamak-reactor werd waterstofplasma gedurende 102 seconden aangehouden.

Hoewel dit zeker babystapjes zijn op weg naar nuttige kernfusie, zijn ze toch veelbelovend. Het doel is om op een dag waterstofplasma gedurende langere tijd in een elektrisch veld te kunnen houden om het te gebruiken als een bron van bijna eindeloze, schone energie.

Genezende mensen

Terwijl chemotherapie, bestraling en chirurgie tot nu toe onze grootste wapens in de strijd tegen kanker zijn geweest, laat adaptieve immunotherapie - waarin het eigen immuunsysteem van het lichaam is opgetuigd om de ziekte te bestrijden - veelbelovend uit, zoals een studie uit 2016 aantoonde. Daarin hadden 27 van de 29 patiënten met bloedkanker geen teken van de ziekte in hun beenmerg nadat de behandeling was toegediend. Koppel dat met het feit dat een Duits onderzoek veelbelovend bleek voor de ontwikkeling van een goedkoop universeel kankervaccin, en 2016 zou gewoon kunnen dalen als het jaar waarin we echt het tij keren in onze strijd tegen de Big C.

Dit jaar toonden ook onderzoekers vooruitgang in het begrijpen en bestrijden van de ziekte van Alzheimer. Onderzoekers brachten een enzym aan het licht dat betrokken was bij de aandoening die het eenvoudig zou kunnen maken om het te bestrijden, zoals de manier waarop we een hoog cholesterolgehalte verslaan; een verbinding gevonden die de symptomen van zowel de ziekte van Alzheimer als de ziekte van Parkinson in fruitvliegen omkeerde; ontdekte dat een component van marihuana kon helpen de ziekte te bestrijden; en ontwikkelde een Alzheimer-bloedtest die 100 procent accuraat bleek in klinische onderzoeken.

Oh, en een remedie voor verkoudheid? Yup, we zijn dit jaar zelfs dichterbij gekomen.

Materiele wereld

Laten we ten slotte eens kijken naar de nieuwe materialen die uit het brein van de onderzoekers in 2016 zijn voortgekomen.

We hadden een lichtgewicht metalen schuim dat kogelwerende kogels in stof omzet; gek sterk staal dat terugkaatst in vorm in plaats van te breken; zeer elastisch metallisch glas; een papierachtig keramisch materiaal dat bestand was tegen 24 uur van 1200 ° C (2192 ° F) temperaturen; een goud / titaniumlegering die vier keer sterker is dan alleen titanium; een waterafstotende wondertape; next-gen beton dat buigt in plaats van kraakt; bioglas dat cartiledge in het menselijk lichaam kan vervangen; en ja, zelfs transparant hout.

Top dat 2017!

Kunnen we Alzheimer bestrijden met medicijnen zoals we een hoog cholesterolgehalte bestrijden? Nieuw onderzoek biedt hoop (Credit: Siphotography / Depositphotos)

China's Experimentele geavanceerde supergeleidende Tokamak-reactor (Krediet: IPP)

Een van de doorbraken van het jaar, de LUKE-arm biedt nieuwe mogelijkheden om complexe bewegingen met precisie uit te voeren (Credit: Mobius Bionics)

Twee zwarte gaten die ver in de ruimte botsen, hebben zwaartekrachtgolven geproduceerd die zijn gedetecteerd door supergevoelige apparatuur op aarde zoals voor het eerst in 2016 is gerapporteerd (Credit: Caltech)

Chinese wetenschappers zijn begonnen aan de eerste menselijke proeven met de CRISPR-Cas9 gen-editing tool door patiënten met longkanker te behandelen (Credit: chepko / Depositphotos)

Een staaltje van beryl en een illustratie die de vreemde vorm van watermoleculen laat zien wanneer ze in de kooiachtige kanalen van het mineraal worden aangetroffen wanneer deze zich in de pas ontdekte vierde staat bevindt (Krediet: ORNL / Jeff Scovil)

Adani heeft 's werelds grootste zonne-energiecentrale in Zuid-India geopend (Credit: Adani Group)

Een artist's impression van de LISA Pathfinder in de ruimte (Credit: ESA-C.Carreau)

Een bidsprinkhaankreeftje, met zijn zwenkende ogen, zou de robots van morgen kunnen inspireren (Credit: prilfish / CC 2.0)

Dr. Keevers van de Universiteit van New South Wales met de cel die het record brak voor het omzetten van zonlicht naar elektriciteit in 2016 (Credit: University of New South Wales)

Kogelwerend metaalschuim (Credit: North Carolina State University)

Een kunstmatige botmatrix die uiteindelijk samensmolt met een varkenskaak, is gegroeid uit deze bioreactor, die over het land is verscheept om de veerkracht ervan te testen (Credit: Sarindr Bhumiratana / Columbia Engineering)

De indruk van de kunstenaar van de rimpelingen in ruimtetijd, zwaartekrachtgolven genoemd, die werden gecreëerd in de laatste 27 banen van twee zwarte gaten, acht en veertien keer de massa van onze zon voorafgaand aan hun botsing (Credit: LIGO / T.Pyle)