Milioni di nuovi articoli di ricerca scientifica vengono pubblicati ogni anno, facendo luce su tutto, dall’evoluzione delle stelle agli impatti in corso dei cambiamenti climatici ai benefici per la salute (o determini) del caffè alla tendenza del tuo gatto a ignorarti.
Con così tante ricerche che escono ogni anno, può essere difficile sapere cosa è significativo, cosa è interessante ma in gran parte insignificante e cosa è semplicemente una cattiva scienza. Ma nel corso di un decennio, possiamo guardare indietro ad alcune delle aree di ricerca più importanti e maestose, spesso espresse in molteplici risultati e documenti di ricerca che portano a una vera proliferazione della conoscenza. Ecco dieci dei più grandi progressi fatti dagli scienziati negli ultimi dieci anni.
Nuovi parenti umani
L’albero genealogico umano si è ampliato in modo significativo nell’ultimo decennio, con fossili di nuove specie di ominidi scoperti in Africa e nelle Filippine. Il decennio iniziò con la scoperta e l’identificazione dell’Australopithecus sediba , una specie di ominidi vissuta quasi due milioni di anni fa nell’attuale Sudafrica. Matthew Berger, figlio del paleoantropologo Lee Berger, si imbatté nel primo fossile della specie, una clavicola destra, nel 2008, quando aveva solo 9 anni. Un team ha quindi portato alla luce altri fossili dell’individuo, un ragazzo, incluso un cranio ben conservato, e A. sediba è stato descritto da Lee Berger e colleghi nel 2010. La specie rappresenta una fase di transizione tra il genere Australopiteco e il genere Homo, con alcuni tratti del gruppo dei primati più anziani ma uno stile di deambulazione che somigliava agli umani moderni.
Scoperto anche in Sud Africa da un team guidato da Berger, l’Homo naledi è vissuto molto più recentemente, da 335.000 a 236.000 anni fa, il che significa che potrebbe essersi sovrapposto alla nostra stessa specie, l’ Homo sapiens. La specie, scoperta per la prima volta nel sistema della Caverna della Stella Nascente nel 2013 e descritta nel 2015, aveva anche un mix di caratteristiche primitive e moderne, come una piccola custodia cerebrale (circa un terzo delle dimensioni dell’Homo sapiens ) e un grande corpo per il tempo, del peso di circa 100 libbre e alto fino a cinque piedi. Il più piccolo Homo luzonensis (alto da tre a quattro piedi) visse nelle Filippine da 50.000 a 67.000 anni fa, sovrapponendosi a diverse specie di ominidi. Il primo H. luzonensisi fossili erano stati originariamente identificati come Homo sapiens, ma un’analisi del 2019 ha stabilito che le ossa appartenevano a una specie del tutto sconosciuta.
Questi tre importanti ritrovamenti negli ultimi dieci anni suggeriscono che le ossa di più specie di antichi parenti umani sono probabilmente nascoste nelle grotte e nei depositi di sedimenti del mondo, in attesa di essere scoperte.
Prendere la Misura del Cosmo
Un’immagine dell’ambiente intorno al buco nero al centro di Messier 87, una massiccia galassia nel vicino ammasso di galassie della Vergine. Questo buco nero risiede a 55 milioni di anni luce dalla Terra e ha una massa 6,5 miliardi di volte quella del sole. Event Horizon Telescope collaborazione et al.
Quando Albert Einstein pubblicò per la prima volta la teoria della relatività generale nel 1915, probabilmente non avrebbe potuto immaginare che 100 anni dopo, gli astronomi avrebbero verificato le previsioni della teoria con alcuni degli strumenti più sofisticati mai costruiti e la teoria avrebbe superato ogni test. La relatività generale descrive l’universo come un “tessuto” di spazio-tempo deformato da grandi masse. È questa deformazione che causa la gravità, piuttosto che una proprietà interna della massa, come pensava Isaac Newton.
Una previsione di questo modello è che l’accelerazione delle masse può causare “increspature” nello spazio-tempo o la propagazione delle onde gravitazionali. Con una massa abbastanza grande, come un buco nero o una stella di neutroni, queste increspature possono essere rilevate anche dagli astronomi sulla Terra. Nel settembre 2015, la collaborazione LIGO e Virgo ha rilevato per la prima volta le onde gravitazionali, che si propagano da una coppia di buchi neri in fusione a circa 1,3 miliardi di anni luce di distanza. Da allora, i due strumenti hanno rilevato diverse onde gravitazionali aggiuntive, inclusa una da due stelle di neutroni che si fondono.
Un’altra previsione della relatività generale, di cui lo stesso Einstein dubitava notoriamente, è l’esistenza di buchi neri o punti di collasso gravitazionale nello spazio con densità infinita e volume infinitesimale. Questi oggetti consumano tutta la materia e la luce che si allontana troppo vicino, creando un disco di materiale surriscaldato che cade nel buco nero. Nel 2017, la collaborazione Event Horizon Telescope, una rete di radiotelescopi collegati in tutto il mondo, ha effettuato osservazioni che sarebbero poi sfociate nella prima immagine dell’ambiente attorno a un buco nero, rilasciata nell’aprile 2019.
Gli anni più caldi mai registrati
Gli scienziati hanno previsto gli effetti della combustione di carbone e combustibili fossili sulla temperatura del pianeta per oltre 100 anni. Un numero del 1912 di Popular Mechanics contiene un articolo intitolato “Remarkable Weather of 1911: The Effect of the Combustion of Coal on the Climate: What Scientists Predict for the Future”, che ha una didascalia che recita: “Le fornaci del mondo sono ora bruciando circa 2.000.000.000 di tonnellate di carbone all’anno. Quando questo viene bruciato, unendosi all’ossigeno, aggiunge all’atmosfera circa 7.000.000.000 di tonnellate di anidride carbonica all’anno. Questo tende a rendere l’aria una coperta più efficace per la terra e ad alzarne la temperatura. L’effetto potrebbe essere considerevole nel giro di pochi secoli”.
Solo un secolo dopo, e l’effetto è davvero notevole. L’aumento dei gas serra nell’atmosfera ha prodotto temperature globali più calde, con gli ultimi cinque anni (dal 2014 al 2018) che sono stati gli anni più caldi mai registrati. Il 2016 è stato l’anno più caldo da quando la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) ha iniziato a registrare la temperatura globale 139 anni fa. Gli effetti di questo cambiamento globale includono incendi più frequenti e distruttivi, siccità più comuni, accelerazione dello scioglimento dei ghiacci polari e aumento delle mareggiate. La California sta bruciando, Venezia è inondata, le morti per caldo urbano sono in aumento e innumerevoli comunità costiere e insulari affrontano una crisi esistenziale, per non parlare del caos ecologico provocato dai cambiamenti climatici, soffocando la capacità del pianeta di estrarre il carbonio dall’atmosfera .
Nel 2015, la Convenzione quadro delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici (UNFCCC) ha raggiunto un consenso sull’azione per il clima, noto come Accordo di Parigi. L’obiettivo principale dell’accordo di Parigi è limitare l’aumento della temperatura globale a 1,5 gradi Celsius rispetto ai livelli preindustriali. Per raggiungere questo obiettivo saranno necessarie grandi trasformazioni della società, inclusa la sostituzione dei combustibili fossili con energia pulita come eolica, solare e nucleare; riformare le pratiche agricole per limitare le emissioni e proteggere le aree boschive; e forse anche costruire mezzi artificiali per estrarre l’anidride carbonica dall’atmosfera.
Modifica dei geni
Da quando la struttura a doppia elica del DNA è stata rivelata all’inizio degli anni ’50, gli scienziati hanno ipotizzato la possibilità di modificare artificialmente il DNA per cambiare le funzioni di un organismo. Il primo studio di terapia genica approvato si è verificato nel 1990, quando una bambina di quattro anni ha rimosso i propri globuli bianchi, aumentati con i geni che producono un enzima chiamato adenosina deaminasi (ADA), e poi reiniettato nel suo corpo per curare l’ADA carenza, una condizione genetica che ostacola la capacità del sistema immunitario di combattere le malattie. Il corpo della paziente ha iniziato a produrre l’enzima ADA, ma non sono stati prodotti nuovi globuli bianchi con il gene corretto e ha dovuto continuare a ricevere iniezioni.
Ora, l’ingegneria genetica è più precisa e disponibile che mai, grazie in gran parte a un nuovo strumento utilizzato per la prima volta per modificare le cellule eucariotiche (cellule complesse con un nucleo) nel 2013: CRISPR-Cas9. Lo strumento di modifica genetica funziona individuando una sezione mirata di DNA e “ritagliando” quella sezione con l’enzima Cas9. Un terzo passaggio facoltativo prevede la sostituzione della sezione eliminata del DNA con nuovo materiale genetico. La tecnica può essere utilizzata per un’ampia gamma di applicazioni, dall’aumento della massa muscolare del bestiame, alla produzione di colture resistenti e fruttuose, al trattamento di malattie come il cancro rimuovendo le cellule del sistema immunitario di un paziente, modificandole per combattere meglio una malattia e reiniettando loro nel corpo del paziente.
Alla fine del 2018, i ricercatori cinesi guidati da He Jiankui hanno annunciato di aver utilizzato CRISPR-Cas9 per modificare geneticamente embrioni umani, che sono stati poi trasferiti nell’utero di una donna e hanno portato alla nascita di due gemelle, i primi bambini geneticamente modificati. I genomi dei gemelli sono stati modificati per rendere le ragazze più resistenti all’HIV, sebbene le alterazioni genetiche possano aver portato anche a cambiamenti involontari. Il lavoro è stato ampiamente condannato dalla comunità scientifica come non etico e pericoloso, rivelando la necessità di regolamenti più rigidi su come vengono utilizzati questi nuovi potenti strumenti, in particolare quando si tratta di cambiare il DNA degli embrioni e di utilizzare quegli embrioni per far nascere bambini vivi.
I misteri di altri mondi svelati
I veicoli spaziali e i telescopi hanno rivelato una ricchezza di informazioni su mondi oltre il nostro nell’ultimo decennio. Nel 2015, la sonda New Horizons ha effettuato un passaggio ravvicinato di Plutone, effettuando le prime osservazioni nelle vicinanze del pianeta nano e delle sue lune. Il veicolo spaziale ha rivelato un mondo sorprendentemente dinamico e attivo, con montagne ghiacciate che raggiungono quasi 20.000 piedi e pianure mutevoli che non hanno più di 10 milioni di anni, il che significa che la geologia è in continua evoluzione. Il fatto che Plutone, che si trova a una media di 3,7 miliardi di miglia dal Sole, circa 40 volte la distanza della Terra, sia così geologicamente attivo suggerisce che anche mondi lontani e freddi potrebbero ottenere energia sufficiente per riscaldare i loro interni, possibilmente ospitando acqua liquida nel sottosuolo o anche la vita.
Un po’ più vicino a casa, la navicella Cassini ha orbitato attorno a Saturno per 13 anni, terminando la sua missione nel settembre 2017 quando la NASA ha intenzionalmente immerso la navicella spaziale nell’atmosfera di Saturno in modo che si bruciasse piuttosto che continuare a orbitare attorno al pianeta una volta esaurito il carburante. Durante la sua missione, Cassini ha scoperto i processi che alimentano gli anelli di Saturno, ha osservato una tempesta globale che circonda il gigante gassoso, ha mappato la grande luna Titano e ha trovato alcuni degli ingredienti per la vita nei pennacchi di materiale ghiacciato che eruttavano dalla luna acquosa Encelado. Nel 2016, un anno prima della fine della missione Cassini, la navicella spaziale Juno è arrivata su Giove, dove ha misurato il campo magnetico e la dinamica atmosferica del pianeta più grande del sistema solare per aiutare gli scienziati a capire come Giove e tutto il resto il sole originariamente formato.
Nel 2012, il rover Curiosity è atterrato su Marte, dove ha fatto diverse scoperte significative, tra cui nuove prove dell’acqua passata sul pianeta rosso, la presenza di molecole organiche che potrebbero essere correlate alla vita e misteriosi cicli stagionali di metano e ossigeno che allude a un mondo dinamico sotto la superficie. Nel 2018, l’Agenzia spaziale europea ha annunciato che i dati radar di penetrazione nel suolo della navicella spaziale Mars Express hanno fornito prove evidenti dell’esistenza di un serbatoio liquido di acqua sotterranea vicino al polo sud marziano.
Nel frattempo, due telescopi spaziali, Kepler e TESS, hanno scoperto migliaia di pianeti in orbita attorno ad altre stelle. Kepler è stato lanciato nel 2009 e ha concluso la sua missione nel 2018, rivelando pianeti misteriosi e lontani misurando la diminuzione della luce quando passano davanti alle loro stelle. Questi pianeti includono gioviani caldi, che orbitano vicino alle loro stelle in pochi giorni o poche ore; mini Nettuno, che sono tra le dimensioni della Terra e di Nettuno e possono essere gas, liquidi, solidi o una combinazione; e le super Terre, che sono grandi pianeti rocciosi che gli astronomi sperano di studiare per i segni di vita. TESS, lanciato nel 2018, continua la ricerca come successore di Keplero. Il telescopio spaziale ha già scoperto centinaia di mondi e potrebbe trovarne 10.000 o addirittura 20.000 prima della fine della missione.
I pigmenti fossilizzati rivelano i colori dei dinosauri
Il decennio è iniziato con una rivoluzione nella paleontologia quando gli scienziati hanno dato il loro primo sguardo ai veri colori dei dinosauri. In primo luogo, nel gennaio 2010, un’analisi dei melanosomi – organelli che contengono pigmenti – nelle piume fossilizzate di Sinosauropteryx , un dinosauro vissuto in Cina da 120 a 125 milioni di anni fa, ha rivelato che la creatura preistorica aveva “toni bruno-rossastri” e strisce lungo la coda. Poco dopo, una ricostruzione dell’intero corpo ha rivelato i colori di un piccolo dinosauro piumato vissuto circa 160 milioni di anni fa, Anchiornis , che aveva piume bianche e nere sul corpo e un sorprendente pennacchio di piume rosse sulla testa.
Lo studio dei pigmenti fossili ha continuato a esporre nuove informazioni sulla vita preistorica, suggerendo potenziali strategie di sopravvivenza degli animali mostrando prove di ombreggiatura e mimetizzazione. Nel 2017, è stato scoperto che un dinosauro corazzato straordinariamente ben conservato che visse circa 110 milioni di anni fa, Borealopelta , aveva tonalità bruno-rossastre per aiutare a mimetizzarsi con l’ambiente. Questa nuova capacità di identificare e studiare i colori dei dinosauri continuerà a svolgere un ruolo importante nella ricerca paleontologica mentre gli scienziati studiano l’evoluzione della vita passata.
Ridefinire l’Unità Fondamentale della Messa
Nel novembre 2018, scienziati di misura di tutto il mondo hanno votato per cambiare ufficialmente la definizione di chilogrammo, l’unità fondamentale di massa. Invece di basare il chilogrammo su un oggetto, un cilindro in lega di platino-iridio delle dimensioni di una pallina da golf, la nuova definizione utilizza una costante della natura per impostare l’unità di massa. La modifica ha sostituito l’ultimo artefatto fisico utilizzato per definire un’unità di misura. (La barra del metro è stata sostituita nel 1960 da un numero specifico di lunghezze d’onda della radiazione del kripton, ad esempio, e successivamente aggiornata per definire un metro in base alla distanza percorsa dalla luce in una minuscola frazione di secondo.)
Utilizzando una sofisticata pesatrice nota come bilancia Kibble, gli scienziati sono stati in grado di misurare con precisione un chilogrammo in base alla forza elettromagnetica richiesta per mantenerlo in piedi. Questa misura elettrica potrebbe quindi essere espressa in termini di costante di Planck, un numero originariamente utilizzato da Max Planck per calcolare i fasci di energia provenienti dalle stelle.
Il chilogrammo non è stata l’unica unità di misura recentemente ridefinita. Le modifiche all’International System of Units, entrate ufficialmente in vigore a maggio 2019, hanno modificato anche la definizione di ampere, unità standard di corrente elettrica; l’unità kelvin della temperatura; e la talpa, un’unità di quantità di sostanza usata in chimica. Le modifiche al chilogrammo e ad altre unità consentiranno misurazioni più precise per piccole quantità di materiale, come i prodotti farmaceutici, oltre a fornire agli scienziati di tutto il mondo l’accesso alle unità fondamentali, piuttosto che definirle in base a oggetti che devono essere replicati e calibrati da un piccolo numero di laboratori.
Sequenziato il primo genoma umano antico
Nel 2010, gli scienziati hanno acquisito un nuovo strumento per studiare il passato antico e le persone che lo abitavano. I ricercatori hanno utilizzato un capello conservato nel permafrost per sequenziare il genoma di un uomo che visse circa 4000 anni fa in quella che oggi è la Groenlandia, rivelando i tratti fisici e persino il gruppo sanguigno di un membro di una delle prime culture a stabilirsi in quella parte di il mondo. La prima ricostruzione quasi completa di un genoma dal DNA antico ha aperto le porte ad antropologi e genetisti per saperne di più sulle culture del lontano passato che mai.
L’estrazione del DNA antico è una sfida importante. Anche se il materiale genetico come capelli o pelle viene preservato, è spesso contaminato dal DNA dei microbi dell’ambiente, quindi è necessario utilizzare sofisticate tecniche di sequenziamento per isolare il DNA dell’uomo antico. Più recentemente, gli scienziati hanno utilizzato l’osso petroso del cranio, un osso molto denso vicino all’orecchio, per estrarre il DNA antico.
Migliaia di antichi genomi umani sono stati sequenziati dal primo successo nel 2010, rivelando nuovi dettagli sull’ascesa e la caduta delle civiltà perdute e le migrazioni di persone in tutto il mondo. Lo studio dei genomi antichi ha identificato molteplici ondate di migrazione avanti e indietro attraverso il ponte ghiacciato di Bering tra la Siberia e l’Alaska tra 5.000 e 15.000 anni fa. Recentemente, il genoma di una giovane ragazza nella Danimarca moderna è stato sequenziato da un pezzo di catrame di betulla di 5.700 anni usato come gomma da masticare, che conteneva anche i microbi della sua bocca e frammenti di cibo da uno dei suoi ultimi pasti.
Un vaccino e nuovi trattamenti per combattere l’ebola
Questo decennio ha incluso il peggior focolaio di malattie da virus Ebola nella storia. Si ritiene che l’epidemia sia iniziata con un singolo caso di un bambino di 18 mesi in Guinea infetto da pipistrelli nel dicembre 2013. La malattia si è rapidamente diffusa nei paesi vicini, raggiungendo le capitali della Liberia e della Sierra Leone entro luglio 2014, fornendo un’opportunità senza precedenti per la trasmissione della malattia a un gran numero di persone. Il virus Ebola compromette il sistema immunitario e può causare emorragie massicce e insufficienza multiorgano. Due anni e mezzo dopo il caso iniziale, più di 28.600 persone erano state infettate, provocando almeno 11.325 morti, secondo il CDC.
L’epidemia ha spinto i funzionari sanitari a raddoppiare i loro sforzi per trovare un vaccino efficace per combattere l’Ebola. Un vaccino noto come Ervebo, prodotto dalla società farmaceutica Merck, è stato testato in uno studio clinico in Guinea condotto verso la fine dell’epidemia nel 2016 che ha dimostrato l’efficacia del vaccino. Un altro focolaio di Ebola è stato dichiarato nella Repubblica Democratica del Congo nell’agosto 2018 e l’epidemia in corso si è diffusa fino a diventare la più mortale dall’epidemia dell’Africa occidentale, con 3.366 casi segnalati e 2.227 decessi a dicembre 2019. Ervebo è stato utilizzato nel RDC per combattere l’epidemia su un accesso ampliato o sulla base di un “uso compassionevole”. Nel novembre 2019, Ervebo è stato approvato dall’Agenzia europea per i medicinali (EMA) e un mese dopo è stato approvato negli Stati Uniti dalla FDA.
Oltre a un vaccino preventivo, i ricercatori hanno cercato una cura per l’Ebola nei pazienti che sono già stati infettati dalla malattia. Due trattamenti, che prevedono la somministrazione una tantum di anticorpi per impedire all’Ebola di infettare le cellule di un paziente, hanno recentemente mostrato risultati promettenti in uno studio clinico nella Repubblica Democratica del Congo. Con una combinazione di vaccini e trattamenti terapeutici, i funzionari sanitari sperano un giorno di sradicare per sempre l’infezione virale.
Il CERN rileva il bosone di Higgs
Negli ultimi decenni, i fisici hanno lavorato instancabilmente per modellare il funzionamento dell’universo, sviluppando quello che è noto come il Modello Standard. Questo modello descrive quattro interazioni di base della materia, note come forze fondamentali. Due sono familiari nella vita di tutti i giorni: la forza gravitazionale e la forza elettromagnetica. Gli altri due, invece, esercitano la loro influenza solo all’interno dei nuclei degli atomi: la forza nucleare forte e la forza nucleare debole.
Parte del Modello Standard afferma che esiste un campo quantistico universale che interagisce con le particelle, dando loro la massa. Negli anni ’60, fisici teorici tra cui François Englert e Peter Higgs descrissero questo campo e il suo ruolo nel Modello Standard. Divenne noto come il campo di Higgs e, secondo le leggi della meccanica quantistica, tutti questi campi fondamentali dovrebbero avere una particella associata, che divenne nota come il bosone di Higgs.