Elk jaar worden miljoenen nieuwe wetenschappelijke onderzoekspapers gepubliceerd, die licht werpen op alles, van de evolutie van sterren tot de voortdurende gevolgen van klimaatverandering voor de gezondheidsvoordelen (of vooroordelen) van koffie tot de neiging van uw kat om u te negeren. Met zoveel onderzoek dat elk jaar uitkomt, kan het moeilijk zijn om te weten wat belangrijk is, wat interessant maar grotendeels onbeduidend is, en wat gewoon slechte wetenschap is. Maar in de loop van een decennium kunnen we terugkijken op enkele van de belangrijkste en meest ontzagwekkende onderzoeksgebieden, die vaak tot uiting komen in meerdere bevindingen en onderzoeksrapporten die tot een ware verspreiding van kennis leiden. Hier zijn tien van de grootste vorderingen die wetenschappers in de afgelopen tien jaar hebben gemaakt.

Nieuwe menselijke familieleden

De menselijke stamboom is het afgelopen decennium aanzienlijk uitgebreid, met fossielen van nieuwe mensachtigen die in Afrika en de Filippijnen zijn ontdekt. Het decennium begon met de ontdekking en identificatie van Australopithecus sediba, een mensachtige soort die bijna twee miljoen jaar geleden leefde in het huidige Zuid-Afrika. Matthew Berger, de zoon van paleoantropoloog Lee Berger, stuitte op het eerste fossiel van de soort, een rechter sleutelbeen, in 2008, toen hij nog maar 9 jaar oud was. Een team heeft vervolgens meer fossielen van het individu opgegraven, een jonge jongen, waaronder een goed bewaarde schedel, en A. sediba werd in 2010 beschreven door Lee Berger en collega’s. De soort vertegenwoordigt een overgangsfase tussen het geslacht Australopithecus en het geslacht Homo, met enkele kenmerken van de groep oudere primaten, maar een manier van lopen die leek op moderne mensen.

Ook ontdekt in Zuid-Afrika door een team onder leiding van Berger, leefde Homo naledi veel recenter, zo’n 335.000 tot 236.000 jaar geleden , wat betekent dat het kan hebben overlapt met onze eigen soort, Homo sapiens. De soort, voor het eerst ontdekt in het Rising Star Cave-systeem in 2013 en beschreven in 2015, had ook een mix van primitieve en moderne kenmerken, zoals een klein hersenomhulsel (ongeveer een derde van de grootte van Homo sapiens) en een groot lichaam voor de tijd, met een gewicht van ongeveer 100 pond en een lengte van 1,5 meter. De kleinere Homo luzonensis (drie tot vier voet lang) leefde zo’n 50.000 tot 67.000 jaar geleden in de Filippijnen, overlappend met verschillende soorten mensachtigen. De eerste fossielen van H. luzonensis werden oorspronkelijk geïdentificeerd als Homo sapiens, maar een analyse uit 2019 bepaalde dat de botten tot een geheel onbekende soort behoorden.

Deze drie belangrijke vondsten in de afgelopen tien jaar suggereren dat de botten van meer soorten van oude menselijke familieleden zijn waarschijnlijk verborgen in de grotten en sedimentafzettingen van de wereld, wachtend om ontdekt te worden.

Meten van de kosmos

Toen Albert Einstein in 1915 voor het eerst de algemene relativiteitstheorie publiceerde, had hij zich waarschijnlijk niet kunnen voorstellen dat 100 jaren later testten astronomen de voorspellingen van de theorie met enkele van de meest geavanceerde instrumenten die ooit zijn gebouwd – en de theorie zou voor elke test slagen. De algemene relativiteitstheorie beschrijft het universum als een ‘weefsel’ van ruimte-tijd dat wordt vervormd door grote massa’s. Het is dit kromtrekken dat de zwaartekracht veroorzaakt, in plaats van een interne eigenschap van massa, zoals Isaac Newton dacht.

Een voorspelling van dit model is dat de versnelling van massa’s “rimpelingen” in de ruimte-tijd kan veroorzaken, of de voortplanting van gravitatiegolven. Met een massa die groot genoeg is, zoals een zwart gat of een neutronenster, kunnen deze rimpelingen zelfs worden waargenomen door astronomen op aarde. In september 2015 ontdekten de samenwerking tussen LIGO en Virgo voor het eerst zwaartekrachtsgolven die zich voortplantten vanuit een paar samensmeltende zwarte gaten op zo’n 1,3 miljard lichtjaar afstand. Sindsdien hebben de twee instrumenten verschillende extra zwaartekrachtgolven gedetecteerd, waaronder een van twee samensmeltende neutronensterren.

Een andere voorspelling van de algemene relativiteitstheorie – een voorspelling waar Einstein zelf beroemd aan twijfelde – is het bestaan van zwarte gaten. , of zwaartekrachtpunten in de ruimte met een oneindige dichtheid en een oneindig klein volume. Deze objecten verbruiken alle materie en licht die te dichtbij komen, waardoor een schijf van oververhit materiaal in het zwarte gat valt.In 2017 heeft de Event Horizon Telescope-samenwerking – een netwerk van gekoppelde radiotelescopen over de hele wereld – waarnemingen gedaan die later zouden resulteren in het eerste beeld van de omgeving rond een zwart gat, uitgebracht in april 2019.

De Heetste jaren ooit

Wetenschappers hebben de effecten van verbranding voorspeld steenkool en fossiele brandstoffen op de temperatuur van de planeet gedurende meer dan 100 jaar. Een uitgave uit 1912 van Popular Mechanics bevat een artikel met de titel “Remarkable Weather of 1911: The Effect of the Combustion of Coal on the Climate — What Scientists Predict for the Future”, met een bijschrift dat luidt: “De ovens van de wereld zijn nu het verbranden van ongeveer 2.000.000.000 ton steenkool per jaar. Wanneer dit wordt verbrand, verenigd met zuurstof, voegt het jaarlijks ongeveer 7.000.000.000 ton kooldioxide toe aan de atmosfeer. Dit heeft de neiging om van de lucht een effectievere deken voor de aarde te maken en om de temperatuur te verhogen. Het effect kan over een paar eeuwen aanzienlijk zijn. ”

Slechts een eeuw later, en het effect is inderdaad aanzienlijk. Verhoogde broeikasgassen in de atmosfeer hebben tot hogere temperaturen op aarde geleid, waarbij de afgelopen vijf jaar (2014 tot 2018) de warmste jaren ooit waren. 2016 was het warmste jaar sinds de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) 139 jaar geleden begon met het registreren van de temperatuur op aarde. De effecten van deze wereldwijde verandering omvatten meer frequente en destructieve bosbranden, vaker voorkomende droogtes, versnelde smelting van poolijs en verhoogde stormvloeden. Californië brandt, Venetië overstroomt, het aantal doden door hitte in steden neemt toe en talloze kust- en eilandgemeenschappen worden geconfronteerd met een existentiële crisis – om nog maar te zwijgen van de ecologische schade die door de klimaatverandering is aangericht, waardoor het vermogen van de planeet om koolstof uit de atmosfeer te halen wordt onderdrukt .

In 2015 bereikte het Raamverdrag van de Verenigde Naties inzake klimaatverandering (UNFCCC) een consensus over klimaatactie, bekend als de Overeenkomst van Parijs. Het primaire doel van de Overeenkomst van Parijs is om de wereldwijde temperatuurstijging te beperken tot 1,5 graden Celsius ten opzichte van pre-industriële niveaus. Om dit doel te bereiken zijn grote maatschappelijke transformaties nodig, waaronder het vervangen van fossiele brandstoffen door schone energie zoals wind, zon en kernenergie; hervorming van landbouwpraktijken om emissies te beperken en bosgebieden te beschermen; en misschien zelfs kunstmatige middelen bouwen om kooldioxide uit de atmosfeer te halen.

Genen bewerken

Sinds de dubbele helixstructuur van DNA werd onthuld in het begin van de jaren vijftig, hebben wetenschappers een hypothese opgesteld over de mogelijkheid om het DNA kunstmatig te wijzigen om de functies van een organisme te veranderen. De eerste goedgekeurde gentherapie-studie vond plaats in 1990, toen een vierjarig meisje haar eigen witte bloedcellen liet verwijderen, aangevuld met de genen die een enzym produceren dat adenosine deaminase (ADA) heet, en vervolgens opnieuw in haar lichaam werd geïnjecteerd om ADA te behandelen. deficiëntie, een genetische aandoening die het vermogen van het immuunsysteem om ziekten te bestrijden belemmert. Het lichaam van de patiënt begon het ADA-enzym te produceren, maar er werden geen nieuwe witte bloedcellen met het gecorrigeerde gen aangemaakt, en ze moest injecties blijven krijgen.

Nu is genetische manipulatie nauwkeuriger en beschikbaar dan ooit tevoren, grotendeels te danken aan een nieuwe tool die voor het eerst werd gebruikt om eukaryote cellen (complexe cellen met een kern) in 2013 te modificeren: CRISPR-Cas9. De tool voor het bewerken van genen werkt door een gericht deel van het DNA te lokaliseren en dat deel uit te snijden met het Cas9-enzym. Een optionele derde stap is het vervangen van het verwijderde deel van het DNA door nieuw genetisch materiaal. De techniek kan worden gebruikt voor een breed scala aan toepassingen, van het vergroten van de spiermassa van vee tot het produceren van resistente en vruchtbare gewassen, tot het behandelen van ziekten zoals kanker door de cellen van het immuunsysteem van een patiënt te verwijderen, ze aan te passen om een ziekte beter te bestrijden en ze opnieuw in het lichaam van de patiënt te injecteren.

Eind 2018 maakten Chinese onderzoekers onder leiding van He Jiankui bekend dat ze CRISPR-Cas9 hadden gebruikt om menselijke embryo’s genetisch te modificeren, die vervolgens werden overgebracht naar de baarmoeder van een vrouw en resulteerden in de geboorte van tweelingmeisjes – de eerste genetisch gemodificeerde baby’s De genomen van de tweeling werden aangepast om de meisjes resistenter te maken tegen hiv, hoewel de genetische veranderingen mogelijk ook tot onbedoelde veranderingen hebben geleid. Het werk werd algemeen veroordeeld door de wetenschappelijke gemeenschap, aangezien u nethisch en gevaarlijk, waaruit blijkt dat er behoefte is aan strengere regels voor hoe deze krachtige nieuwe instrumenten worden gebruikt, vooral als het gaat om het veranderen van het DNA van embryo’s en het gebruik van die embryo’s om levende kinderen te baren.

Mysteries of Other Worlds Revealed

Ruimtevaartuigen en telescopen hebben het afgelopen decennium een schat aan informatie onthuld over werelden buiten de onze. In 2015 maakte de New Horizons-sonde een korte passage van Pluto en nam de eerste nabije waarnemingen van de dwergplaneet en zijn manen. Het ruimtevaartuig onthulde een verrassend dynamische en actieve wereld, met ijzige bergen die tot bijna 6.000 voet reikten en veranderende vlaktes die niet meer dan 10 miljoen jaar oud zijn – wat betekent dat de geologie voortdurend verandert. Het feit dat Pluto – dat is gemiddeld 6 miljard mijl van de zon, ongeveer 40 keer de afstand van de aarde – zo geologisch actief is, suggereert dat n koude, verre werelden konden genoeg energie krijgen om hun interieurs te verwarmen, mogelijk met onderaards vloeibaar water of zelfs leven.

Iets dichter bij huis cirkelde het Cassini-ruimtevaartuig 13 jaar rond Saturnus en eindigde zijn missie in september 2017, toen NASA het ruimtevaartuig opzettelijk in de atmosfeer van Saturnus stortte, zodat het zou opbranden in plaats van in een baan om de planeet te blijven draaien zodra het zijn brandstof had uitgeput. Tijdens zijn missie ontdekte Cassini de processen die de ringen van Saturnus voeden, observeerde hij een wereldwijde storm rond de gasreus, bracht hij de grote maan Titan in kaart en vond enkele van de ingrediënten voor het leven in de pluimen van ijskoud materiaal dat uit de waterige maan Enceladus losbarstte. In 2016, een jaar voor het einde van de Cassini-missie, arriveerde het Juno-ruimtevaartuig op Jupiter, waar het het magnetisch veld en de atmosferische dynamiek van de grootste planeet in het zonnestelsel heeft gemeten om wetenschappers te helpen begrijpen hoe Jupiter – en al het andere eromheen de zon – oorspronkelijk gevormd.

In 2012 landde de Curiosity-rover op Mars, waar hij verschillende belangrijke ontdekkingen heeft gedaan, waaronder nieuw bewijs van water uit het verleden op de rode planeet, de aanwezigheid van organische moleculen die gerelateerd aan het leven en mysterieuze seizoenscycli van methaan en zuurstof die duiden op een dynamische wereld onder de oppervlakte. In 2018 kondigde de European Space Agency aan dat gronddoordringende radargegevens van het Mars Express-ruimtevaartuig sterk bewijs leverden dat er ondergronds een vloeibaar waterreservoir bestaat nabij de zuidpool van Mars.

Ondertussen zijn er twee ruimtetelescopen, Kepler. en TESS, hebben duizenden planeten ontdekt die in een baan om andere sterren draaien. Kepler lanceerde in 2009 en eindigde zijn missie in 2018, waarbij mysterieuze en verre planeten werden onthuld door de afname van het licht te meten wanneer ze voor hun sterren passeren. Deze planeten omvatten hete Jupiters, die in slechts enkele dagen of uren dicht bij hun sterren draaien; mini-Neptunes, die tussen de grootte van de aarde en Neptunus liggen en gas, vloeibaar, vast of een combinatie kunnen zijn; en superaarde, grote rotsachtige planeten die astronomen hopen te bestuderen op tekenen van leven. TESS, dat in 2018 werd gelanceerd, zet de zoektocht naar de opvolger van Kepler voort. De ruimtetelescoop heeft al honderden werelden ontdekt en zou er 10.000 of zelfs 20.000 kunnen vinden voor het einde van de missie.

Versteende pigmenten onthullen de kleuren van dinosaurussen

Het decennium begon met een revolutie in de paleontologie toen wetenschappers voor het eerst naar de ware kleuren van dinosauriërs. Ten eerste, in januari 2010, onthulde een analyse van melanosomen – organellen die pigmenten bevatten – in de versteende veren van Sinosauropteryx, een dinosaurus die zo’n 120 tot 125 miljoen jaar geleden in China leefde, dat het prehistorische wezen ‘roodbruine tinten’ had en strepen langs zijn staart. Kort daarna onthulde een reconstructie van het hele lichaam de kleuren van een kleine gevederde dinosaurus die zo’n 160 miljoen jaar geleden leefde, Anchiornis, die zwarte en witte veren op zijn lichaam had en een opvallende pluim van rode veren op zijn kop .

De studie van gefossiliseerde pigmenten is doorgegaan met het blootleggen van nieuwe informatie over het prehistorische leven, verwijzend naar mogelijke overlevingsstrategieën van dieren door bewijs te tonen van contra-shading en camouflage. In 2017 leefde een opmerkelijk goed bewaard gebleven gepantserde dinosaurus 110 miljoen jaar geleden bleek Borealopelta roodbruine tinten te hebben om te helpen opgaan in de omgeving. Dit nieuwe vermogen om de kleuren van dinosauriërs te identificeren en te bestuderen zal blijven bestaan. spelen een belangrijke rol in paleontologisch onderzoek terwijl wetenschappers de evolutie van vorig leven bestuderen.

De fundamentele eenheid van massa opnieuw definiëren

In november 2018 hebben meetwetenschappers over de hele wereld gestemd om de definitie van een kilogram, de fundamentele eenheid van massa, officieel te wijzigen. In plaats van de kilogram te baseren op een object – een cilinder van platina-iridiumlegering ter grootte van een golfbal – gebruikt de nieuwe definitie een natuurconstante om de massa-eenheid in te stellen. De wijziging verving het laatste fysieke artefact dat werd gebruikt om een maateenheid te definiëren. (De meterbalk werd in 1960 vervangen door een specifiek aantal golflengten van straling van bijvoorbeeld krypton, en later bijgewerkt om een meter te definiëren op basis van de afstand die licht in een fractie van een seconde aflegt.)

Door een geavanceerde weegschaal te gebruiken achine, bekend als een Kibble-balans, waren wetenschappers in staat om een kilogram nauwkeurig te meten volgens de elektromagnetische kracht die nodig is om het op te houden. Deze elektrische meting kan vervolgens worden uitgedrukt in termen van de constante van Planck, een getal dat oorspronkelijk door Max Planck werd gebruikt om energiebundels te berekenen die van sterren afkomstig zijn.

De kilogram was niet de enige meeteenheid die onlangs opnieuw werd gedefinieerd. De wijzigingen in het International System of Units, die officieel van kracht werden in mei 2019, veranderden ook de definitie van de ampère, de standaardeenheid van elektrische stroom; de kelvin temperatuureenheid; en de mol, een eenheid van de hoeveelheid stof die in de chemie wordt gebruikt. De veranderingen in kilogram en andere eenheden maken nauwkeurigere metingen mogelijk voor kleine hoeveelheden materiaal, zoals geneesmiddelen, en geven wetenschappers over de hele wereld toegang tot de fundamentele eenheden, in plaats van ze te definiëren op basis van objecten die moeten worden gerepliceerd en gekalibreerd. door een klein aantal laboratoria.

Eerste oude menselijke genoom gesequenced

In 2010 kregen wetenschappers een nieuw hulpmiddel om het oude verleden en de mensen die het bewoonden te bestuderen. Onderzoekers gebruikten een haar bewaard in permafrost om het genoom te sequencen van een man die zo’n 4.000 jaar geleden leefde in wat nu Groenland is, waarbij de fysieke kenmerken en zelfs de bloedgroep van een lid van een van de eerste culturen die zich in dat deel van de wereld. De eerste bijna volledige reconstructie van een genoom uit oud DNA opende de deur voor antropologen en genetici om meer te weten te komen over de culturen van het verre verleden dan ooit tevoren.

Het extraheren van oud DNA is een grote uitdaging. Zelfs als genetisch materiaal zoals haar of huid behouden blijft, is het vaak besmet met het DNA van microben uit de omgeving, dus moeten geavanceerde sequentietechnieken worden gebruikt om het oude menselijke DNA te isoleren. Meer recentelijk hebben wetenschappers het petrous bot van de schedel, een zeer dicht bot nabij het oor, gebruikt om oud DNA te extraheren.

Duizenden oude menselijke genomen zijn gesequenced sinds het eerste succes in 2010, waarbij nieuwe details over de opkomst en ondergang van verloren beschavingen en de migraties van mensen over de hele wereld. Het bestuderen van oude genomen heeft tussen 5.000 en 15.000 jaar geleden meerdere migratiegolven over de bevroren Bering-landbrug tussen Siberië en Alaska geïdentificeerd. Onlangs werd het genoom van een jong meisje in het moderne Denemarken gesequenced van een 5700 jaar oud stuk berkenteer dat werd gebruikt als kauwgom, dat ook haar mondbacteriën bevatte en stukjes voedsel van een van haar laatste maaltijden.

Een vaccin en nieuwe behandelingen om ebola te bestrijden

Dit decennium omvatte de ergste uitbraak van ebolavirusziekten in de geschiedenis. Aangenomen wordt dat de epidemie begon met een enkel geval van een 18 maanden oude jongen in Guinee die in december 2013 besmet was met vleermuizen. De ziekte verspreidde zich snel naar de buurlanden en bereikte in juli 2014 de hoofdsteden Liberia en Sierra Leone. een ongekende kans voor overdracht van de ziekte op een groot aantal mensen. Het ebolavirus brengt het immuunsysteem in gevaar en kan enorme bloedingen en meervoudig orgaanfalen veroorzaken. Twee en een half jaar na het eerste geval waren meer dan 28.600 mensen besmet, wat volgens de CDC minstens 11.325 doden tot gevolg had.

De epidemie zette gezondheidsfunctionarissen ertoe aan hun inspanningen te verdubbelen om een effectief middel te vinden. vaccin om ebola te bestrijden.Een vaccin dat bekend staat als Ervebo, gemaakt door het farmaceutische bedrijf Merck, werd getest in een klinische proef in Guinee die tegen het einde van de uitbraak in 2016 werd uitgevoerd en waaruit bleek dat het vaccin effectief was. In augustus 2018 werd in de Democratische Republiek Congo opnieuw een ebola-uitbraak uitgeroepen, en de aanhoudende epidemie heeft zich uitgebreid tot de dodelijkste sinds de uitbraak in West-Afrika, met 3.366 gemelde gevallen en 2.227 doden vanaf december 2019. Ervebo is gebruikt in de DRC om de uitbraak te bestrijden op basis van uitgebreide toegang of “compassionate use”. In november 2019 werd Ervebo goedgekeurd door het European Medicines Agency (EMA), en een maand later werd het goedgekeurd in de VS door de FDA.

Naast een preventief vaccin hebben onderzoekers gezocht naar een remedie voor ebola bij patiënten die al door de ziekte zijn geïnfecteerd. Twee behandelingen, die een eenmalige afgifte van antilichamen omvatten om te voorkomen dat ebola de cellen van een patiënt infecteert, hebben onlangs belofte getoond in een klinische proef in de DRC. Met een combinatie van vaccins en therapeutische behandelingen hopen gezondheidsfunctionarissen ooit de virale infectie voorgoed uit te roeien.

CERN detecteert het Higgs-boson

In de afgelopen decennia hebben natuurkundigen onvermoeibaar gewerkt om de werking van het universum te modelleren, wat bekend staat als het standaardmodel. Dit model beschrijft vier basisinteracties van materie, bekend als de fundamentele krachten. Twee zijn bekend in het dagelijks leven: de zwaartekracht en de elektromagnetische kracht. De andere twee oefenen echter alleen hun invloed uit in de atoomkernen: de sterke kernkracht en de zwakke kernkracht.

Een deel van het standaardmodel zegt dat er een universeel kwantumveld is dat interageert met deeltjes , waardoor ze hun massa kregen. In de jaren zestig beschreven theoretisch fysici, waaronder François Englert en Peter Higgs, dit veld en zijn rol in het standaardmodel. Het werd bekend als het Higgs-veld, en volgens de wetten van de kwantummechanica zouden al dergelijke fundamentele velden een geassocieerd deeltje moeten hebben, dat bekend werd als het Higgs-deeltje.

Tientallen jaren later, in 2012, twee teams die de Large Hadron Collider bij CERN gebruikten om deeltjesbotsingen uit te voeren, rapporteerden de detectie van een deeltje met de voorspelde massa van het Higgs-deeltje, wat substantieel bewijs leverde voor het bestaan van het Higgs-veld en het Higgs-deeltje. In 2013 werd de Nobelprijs voor natuurkunde toegekend aan Englert en Higgs “voor de theoretische ontdekking van een mechanisme dat bijdraagt aan ons begrip van de oorsprong van massa van subatomaire deeltjes, en dat onlangs werd bevestigd door de ontdekking van het voorspelde fundamentele deeltje. ” Terwijl natuurkundigen doorgaan met het verfijnen van het standaardmodel, zullen de functie en ontdekking van het Higgs-deeltje een fundamenteel onderdeel blijven van hoe alle materie zijn massa krijgt, en dus hoe elke materie überhaupt bestaat.