Нобелівський тиждень: на крок ближче до таємниць гравітації, біомолекул і сну
Гравітаційні хвилі стали зримими
У 2016 році лауреатами Нобелівської премії за розвиток науки про топологічні фазові переходи стали Джеймс Таулес з Університету Вашингтона, Фредерік Галдейн із Принстона і Джон Костерліц з Університету Брауна.
Топологія (від грец. topos — місце і logos — слово, вчення) вивчає у загальному вигляді явище безперервності, властивості простору, які залишаються незмінними за безперервних деформацій без розривів і склеювань. У топології відсутні такі поняття геометрії, як відстань, розмір, площа тощо, а отже, тор (бублик) і кухоль із ручкою не відрізняються.
Цей математичний апарат використали для розробки універсального методу для опису двовимірних надпровідників, надрідких рідин і тонких магнітних плівок. Відбувся практичний крок до прогнозування їхніх властивостей при переході від надрідкого або надпровідного стану в нормальний і отримано теоретичне обґрунтування використання надрідких і надпровідних елементів у звичайних умовах.
Цього року премією відзначено роботи творців міжнародної колаборації LIGO — Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – лазерно-інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії — за відкриття гравітаційних хвиль. Премію отримали фізики Баррі Бериш і Кіп Торн — співробітники Каліфорнійського технологічного інституту, а також Райнер Вейс, який співпрацює з Массачусетським технологічним інститутом та університетом у Кембриджі.
З ефектом гравітації ми стикаємося постійно. Ньютон, якого зацікавив факт падіння яблук перпендикулярно до поверхні планети, сформулював закон і вивів формулу взаємного тяжіння тіл різних мас. Закон Ньютона дозволяв кількісно оцінити силу тяжіння, але не відповідав на питання про її походження. Залишалося незрозумілим, що є носієм тяжіння. Альберт Ейнштейн іще в 1915 році припускав, що зміна гравітаційного поля поширюється подібно до хвиль.
Теоретичні роботи в галузі гравітації виходили з положень загальної теорії відносності.
Але у фізиці теорія має підкріплюватися експериментом, який підтверджує чи спростовує.
У 1969 році американський фізик Джозеф Вебер, засновник гравітаційно-хвильової астрономії, повідомив, що виявив гравітаційні хвилі за допомогою резонансного детектора — механічної гравітаційної антени.
Донедавна його досвід не мав підтвердження.
Уперше гравітаційні хвилі було виявлено 14 вересня 2015 року на установках LIGO. Сигнал виникав від злиття двох чорних дір масами 36 і 29 сонячних мас на відстані близько 1,3 млрд світлових років від Землі.
За частки секунди приблизно три сонячні маси перетворилися на гравітаційні хвилі, максимальна потужність випромінювання яких була приблизно в 50 разів більше, ніж від усього видимого Всесвіту.
У червні 2016 року стало відомо і про другий випадок реєстрації гравітаційних хвиль, їх виявили відразу два детектори Advanced LIGO 26 грудня 2015 року.
Відкриття гравітаційних хвиль має фундаментальне значення для фізики. По-перше, отримано експериментальне підтвердження правильності загальної теорії відносності, що саме собою має дуже велике значення. По-друге, астрономія отримала можливість спостерігати за космічними об’єктами і прогнозувати їхню поведінку. По-третє, нарешті з’явилася можливість кількісно оцінити вплив космічних подій, навіть дуже віддалених від Землі, на ближній космос і на наше довкілля.
Американці вкотре підтвердили своє беззаперечне лідерство в галузі фізики.
∗∗∗
Із 1901 по 2016 рік Нобелівську премію з фізики вручили 110 особам, але лише два лауреати були жінками. Американський фізик Джон Бардін двічі удостоювався Нобелівської премії: у 1956 р. за створення транзистора, у 1972 р. за внесок у теорію надпровідників.
∗∗∗
Погляд на біомолекулу
Лауреатами Нобелівської премії з хімії стали Жак Дюбоше з Лозаннського університету, Йоахім Франк із Колумбійського університету і Річард Хендерсон чз Кембриджського університету. Їх відзначили за роботи в галузі кріоелектронної мікроскопії високої роздільної здатності для визначення структур біомолекул у розчинах.
Кріоелектронна мікроскопія — це форма електронної мікроскопії, в якій зразок досліджують за кріогенних (наднизьких) температур.
Наукова оптична мікроскопія почалася з робіт нідерландського науковця Антоні Левенгука, який створив мікроскоп. Із його допомогою відбулися найважливіші відкриття в біології, розвивалися мікробіологія, цитологія та багато іншого, було доведено існування мікроорганізмів, частково вивчено клітинну структуру і навіть розглянуто хромосоми.
У Стародавній Греції не розрізняли поняття «знати» і «бачити». Ось чому Нобелівський комітет вважає, що наукові прориви часто будуються на успішній візуалізації об’єктів, невидимих для людського ока.
Однак на початку минулого століття стало очевидним, що можливості оптичної мікроскопії обмежені, а розвиток генетики і мікробіології вимагав досконаліших фізичних приладів та умов спостереження. Електронна мікроскопія дозволила подолати фізичні обмеження. У ній замість потоку видимого світла використовують пучок електронів.
Якщо для вивчення неорганічних об’єктів електронний мікроскоп був цілком придатним, то в біології у нього теж були об’єктивні обмеження. Потужний потік електронів руйнував біологічний матеріал. Що не менш важливо, для розгону і проходження електронів необхідний вакуум. У ньому ж має перебувати й об’єкт вивчення. Зрозуміло, що для живих зразків це неможливо.
Йоахім Франк у 1975-1986 рр. розробив метод обробки зображень за допомогою аналізу двовимірних зображень, отриманих завдяки електронному мікроскопу. На їхній основі будується тривимірна структура об’єкта.
Жак Дюбоше запропонував використовувати для збереження зразків швидко охолоджену воду. Але знову виникли проблеми: коли вода замерзає, утворюється кристалічна решітка і руйнується структура зразків. Окрім того, у вакуумі камери електронного мікроскопа відбувалося випаровування. Дюбоше вдалося знайти спосіб подолати фазу кристалізації і домогтися прямого переходу води в склоподібний стан. Метод названо вітрифікацією. При його використанні вода здатна оберігати молекули від руйнування у вакуумі. Це серйозний поштовх у розвитку методу. У 2013 році вдалося розглянути навіть окремі атоми речовини.
У наукових журналах з’явилися фотографії поверхні вірусу Зіка і білків, стійких до антибіотиків, отримані за методом лауреатів. Вдалося зрозуміти, як бактерії золотистого стафілокока протистоять дії антибіотиків, отримати знімок структури, за допомогою якої коронавіруси проникають у клітини. Є всі підстави вважати, що відбулася справжня революція у вивченні та розумінні біохімічних процесів, що істотно вплине на розвиток фармакології і медицини.
∗∗∗
Із 1912 року було присуджено 109 нагород у галузі хімії, зокрема чотирьом жінкам. У 1911 році премію отримала Марія Склодовська-Кюрі за «відкриття елементів радію і полонію, виділення радію і вивчення природи і сполук цього чудового елемента», а в 1935 році — її донька Ірен Жоліо-Кюрі разом із чоловіком Фредеріком. Цікаво, що, згідно з певними соціологічними дослідженнями, хіміки взагалі тримають лідерство з довгожительства серед науковців-природничників.
∗∗∗
Розкрито таємницю джетлагу
Премію з фізіології та медицини присуджено Джеффрі Холлу, співробітникові Університету Мена, Майклу Розбашу, професору Брандейського університету, та Майклу Янгу, професору Рокфеллерівського університету в Нью-Йорку за відкриття молекулярних механізмів, що контролюють циркадні ритми — циклічні коливання інтенсивності різних біологічних процесів, пов’язаних зі зміною дня і ночі.
Наше життя безпосередньо залежить від обертання планети і зміни дня та ночі. Хоча цей взаємозв’язок вивчили доволі докладно, залишалося не дуже зрозумілим, як працює наш внутрішній годинник. Його механізм вдалося розкрити американським генетикам і хронобіологам, які й стали лауреатами.
Від внутрішнього годинника залежить наша поведінка, сон, обмін речовин, температура тіла, рівень гормонів. За різкої зміни часового поясу, зокрема при перельоті на великі відстані, збивається внутрішній годинник, що проявляється як безсоння, втома, головний біль та інші розлади. Розбіжність нашої поведінки з ритмами організму збільшує ризик багатьох захворювань. Синдром зміни часового поясу – десинхроноз – входить до Міжнародної класифікації хвороб.
Команді дослідників вдалося знайти у плодових мушок ген, який контролює біологічні ритми. Він кодує білок, що накопичується в клітинах вночі та руйнується вдень. Вони ізолювали ген і з’ясували, що він відповідає за процес накопичення і руйнування в клітинах асоційованого з ним білка (PER) залежно від часу доби.
У 1994 році Янг відкрив іще один ген – timeless, що кодує білок, необхідний для нормальних циркадних ритмів. Потім він виявив іще один ген – doubletime, який відповідає за утворення білка DBT, що затримував накопичення білка PER. Усі ці відкриття допомогли зрозуміти, як коливання пристосовані до 24-годинного добового циклу.
Згодом Хол, Розбаш і Янг зробили ще кілька відкриттів, які доповнюють і уточнюють попередні. Вони виявили низку білків, а також розкрили механізм, за допомогою якого внутрішній годинник синхронізується зі світлом. Фундаментальні відкриття, зроблені лауреатами нинішнього року, перетворили циркадну біологію на велику галузь досліджень, що мають прямі виходи в медицину та охорону здоров’я.
∗∗∗
Із 1901 по 2017 рік 108 осіб стали лауреатами Нобелівської премії в галузі медицини і фізіології.
∗∗∗
Юрій Райхель