Нобелевская неделя: на шаг ближе к тайнам гравитации, биомолекул и сна
Гравитационные волны стали зримыми
В 2016 году лауреатами Нобелевской премии за развитие науки о топологических фазовых переходах стали Джеймс Таулес из Университета Вашингтона, Фредерик Халдейн из Принстона и Джон Костерлиц из Университета Брауна.
Топология (от др.-греч. topos — место и logos — слово, учение) изучает в самом общем виде явление непрерывности, свойства пространства, которые остаются неизменными при непрерывных деформациях без разрывов и склеиваний. В топологии отсутствуют такие понятия геометрии как расстояние, размер, площадь и т.д., а значит тор (бублик) и кружка с ручкой неотличимы.
Этот математический аппарат использовали для разработки универсального метода для описания двумерных сверхпроводников, сверхтекучих жидкостей и магнитных тонких пленок. Произошел практический шаг к прогнозированию их свойств при переходе от сверхтекучего или сверхпроводящего состояния в нормальное и получено теоретическое обоснование использования сверхтекучих и сверхпроводящих элементов в обычных условиях.
В нынешнем году премией отмечены работы создателей международной коллаборации LIGO — Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории за открытие гравитационных волн. Премию получили физики Барри Бэриш и Кип Торн — сотрудники Калифорнийского технологического института, а также Райнер Вейс, который сотрудничает с Массачусетским технологическим институтом и университетом в Кембридже.
С эффектом гравитации мы сталкиваемся постоянно. Ньютон, которого заинтересовал факт падения яблок перпендикулярно поверхности планеты, сформулировал закон и вывел формулу взаимного притяжения тел разных масс. Закон Ньютона позволял количественно оценить силу тяготения, но не отвечал на вопрос о ее происхождении. Оставалось непонятным, что является носителем тяготения. Альберт Эйнштейн еще в 1915 году предполагал, что изменение гравитационного поля распространяется подобно волнам.
Теоретические работы в области гравитации исходили из положений общей теории относительности. Но в физике теория должна подкрепляться экспериментом, который ее подтверждает или опровергает.
В 1969 году американский физик Джозеф Вебер, основатель гравитационно-волновой астрономии, сообщил, что обнаружил гравитационные волны с помощью помощи резонансного детектора — механической гравитационной антенны. До недавнего времени его опыт не был подтвержден.
Впервые гравитационные волны были обнаружены 14 сентября 2015 года на установках LIGO. Сигнал исходил от слияния двух черных дыр массами 36 и 29 солнечных масс на расстоянии около 1,3 млрд световых лет от Земли.
За доли секунды примерно три солнечные массы превратились в гравитационные волны, максимальная мощность излучения которых была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной.
В июне 2016 года стало известно и о втором случае регистрации гравитационных волн, они были обнаружены сразу двумя детекторами Advanced LIGO 26 декабря 2015 года.
Открытие гравитационных волн имеет фундаментальное значение для физики. Во-первых, получено экспериментальное подтверждение правильности общей теории относительности, что само по себе имеет важнейшее значение. Во-вторых, астрономия получила возможность наблюдать за космическими объектами и прогнозировать их поведение. В-третьих, наконец появилась возможность количественно оценить влияние космических событий, даже очень удаленных от Земли, на ближний космос и на нашу среду обитания.
Американцы в очередной раз подтвердили свое безоговорочное лидерство в области физики.
∗∗∗
С 1901 по 2016 годы Нобелевской премии по физике были удостоены 110 человек, но только двумя лауреатами стали женщины. Американский физик Джон Бардин дважды удостаивался Нобелевской премии: в 1956 г. — за создание транзистора, в 1972 г. — за вклад в теорию сверхпроводников.
∗∗∗
Взгляд на биомолекулу
Лауреатами Нобелевской премии по химии стали Жак Дюбоше из Лозаннского университета, Иоахим Франк из Колумбийского университета и Ричард Хендерсон из Кембриджского университета. Они отмечены за свои работы в области криоэлектронной микроскопии высокого разрешения для определения структур биомолекул в растворах.
Криоэлектронная микроскопия — это форма просвечивающей электронной микроскопии, в которой образец исследуют при криогенных (сверхнизких) температурах.
Научная оптическая микроскопия началась с работ нидерландского ученого Антони Левенгука, создавшего микроскоп. С его помощью произошли важнейшие открытия в биологии, развивались микробиология, цитология и многое другое, было доказано существование микроорганизмов, частично изучена клеточная структура и даже рассмотрены хромосомы.
В Древней Греции не различали понятия «знать» и «видеть». Вот почему Нобелевский комитет считает, что научные прорывы часто строятся на успешной визуализации объектов, невидимых человеческому глазу.
Однако к началу прошлого века стало очевидным, что возможности оптической микроскопии ограничены, а развитие генетики и микробиологии требовали более совершенных физических приборов и условий наблюдения. Электронная микроскопия позволила преодолеть физические ограничения. В ней вместо потока видимого света используется пучок электронов.
Если для изучения неорганических объектов электронный микроскоп был вполне пригоден, то в биологии у него тоже имелись объективные ограничения. Мощный поток электронов разрушал биологический материал. Что не менее важно, для разгона и прохождения электронов необходим вакуум. В нем же должен находиться и объект изучения. Понятно, что для живых образцов это невозможно.
Иоахим Франк в 1975-1986 гг. разработал метод обработки изображений с помощью анализа двумерных изображений, полученных благодаря электронному микроскопу. На их основе строится трехмерная структура объекта.
Жак Дюбоше предложил использовать для сохранения образцов быстро охлажденную воду. Но снова возникли проблемы: когда вода замерзает, образуется кристаллическая решетка и разрушается структура образцов. Кроме того, в вакууме камеры электронного микроскопа происходило испарение. Дюбоше удалось найти способ преодолеть фазу кристаллизации и добиться прямого перехода воды в стеклообразное состояние. Метод был назван витрификацией. При его использовании вода способна предохранять молекулы от разрушения в вакууме. Был дан серьезный толчок развитию метода. В 2013 году удалось рассмотреть даже отдельные атомы вещества.
Детализированный снимок белка: слева — изображение, которое получали 5 лет назад, справа — с учетом новых возможностей криоэлектронной микроскопии
В научных журналах появились фотографии поверхности вируса Зика и белков, устойчивых к антибиотикам, полученные по методу лауреатов. Удалось понять, как бактерии золотистого стафилококка противостоят действию антибиотиков и получить снимок структуры, с помощью которой коронавирусы проникают в клетки. Есть все основания полагать, что произошла настоящая революция в изучении и понимании биохимических процессов, что существенно повлияет на развитие фармакологии и медицины.
∗∗∗
С 1912 года было присуждено 109 наград в области химии, в том числе четырем женщинам. В 1911 году премию получила Мария Склодовская-Кюри за «открытие элементов радия и полония, выделение радия и изучение природы и соединений этого замечательного элемента», а в 1935 году — ее дочь Ирен Жолио-Кюри вместе с мужем Фредериком. Интересно, что согласно некоторым социологическим исследованиям, химики вообще держат лидерство по долгожительству среди ученых-естественников.
∗∗∗
Раскрытая тайна джетлага
Премия по физиологии и медицине вручена Джеффри Холлу, сотруднику Университета Мэна, Майклу Розбашу, профессору Брандейского университета и Майклу Янгу, профессору Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке за открытие молекулярных механизмов, контролирующих циркадные ритмы — циклические колебания интенсивности различных биологических процессов, связанных со сменой дня и ночи.
Наша жизнь напрямую зависит от вращения планеты и смены дня и ночи. Хотя эту взаимосвязь изучили достаточно полно, оставалось не очень ясным, как работают наши внутренние часы. Их механизм удалось раскрыть американским генетикам и хронобиологам, которые и стали лауреатами.
От внутренних часов зависит наше поведение, сон, метаболизм, температура тела, уровень гормонов. При резком изменении часового пояса, в частности, при перелете на большие расстояния сбиваются внутренние часы, что проявляется в виде бессонницы, усталости, головной боли и других расстройствах. Несовпадение нашего поведения с ритмами организма увеличивает риск многих заболеваний. Синдром смены часового пояса – джетлаг — входит в Международную классификацию болезней.
Команде исследователей удалось найти у плодовых мушек ген, который контролирует биологические ритмы. Он кодирует белок, который накапливается в клетках ночью и разрушается днем. Они изолировали ген и выяснили, что он отвечает за процесс накопления и разрушения в клетках ассоциированного с ним белка (PER) в зависимости от времени суток.
В 1994 году Янг открыл еще один ген — timeless, кодирующий белок, который необходим для нормальных циркадных ритмов. Потом он обнаружил еще один ген — doubletime, отвечающий за образование белка DBT, который задерживал накопление белка PER. Все эти открытия помогли понять, как колебания приспособлены к 24-часовому суточному циклу.
Впоследствии Холл, Розбаш и Янг сделали еще несколько открытий, дополняющих и уточняющих предыдущие. Они выявили ряд белков, а также раскрыли механизм, с помощью которого внутренние часы синхронизируются со светом. Фундаментальные открытия, сделанные лауреатами нынешнего года, превратили циркадную биологию в обширную и динамично развивающуюся область исследований, имеющих прямые выходы в медицину и общее здравоохранение.
∗∗∗
С 1901 по 2017 год 108 человек стали лауреатами Нобелевской премии в области медицины и физиологии.
∗∗∗
Юрий Райхель