За что в этом году дали научные Нобелевские премии

Открытия, удостоенные Нобелевских премий 2016 года в области естественных наук – медицины, физики и химии, связаны с возможностью созидания новых сущностей – молекул, клеток, материалов. Они настолько фантастичны, что сейчас даже трудно определенно сказать, что конкретно может получиться в будущем. Но вполне возможно, что это те основы, которые перевернут наш мир в грядущем столетии

Физиология и медицина

В современной науке редко бывает, чтобы ученый, взявшийся за тему, которая поначалу не обещает удивительных открытий и международного признания, спустя многие годы наконец добивается своего. Но в 2016 году слава настигла японского биолога Ёсинори Осуми, получившего Нобелевскую премию за исследования в области аутофагии.

Сам термин был придуман другим нобелевским лауреатом – Кристианом де Дювом, который в середине 1950-х годов изучал строение клеток, в том числе и клеток человека. Он открыл особые органоиды, то есть особые структуры в клетках, которые производили внутриклеточную переработку крупных молекул в более мелкие. Эти органоиды он называл лизосомами, что с греческого можно перевести как «телорастворители» (λύσις – растворяю, sōma – тело). Процесс самоедства клетки он, соответственно, назвал аутофагией (αὐτός – сам, φαγεῖν – есть). А в 1974 году де Дюв получил Нобелевскую премию за открытие этих самых лизосом.

Ёсинори Осуми заинтересовался этой темой в конце 1980-х годов, когда ему было уже 44 года. К тому времени существовало мнение, что лизосомы являются этакой компостной кучей для ненужных макромолекул клетки. Однако не было ответа на вопросы, почему эта куча не растет беспрерывно и из чего клетка строит себя. Возникло предположение, что идет не просто утилизация ненужного материала, но и повторное использование его. Но как – этого никто не знал.

Осуми справедливо решил, что начать изучать процесс надо с клеток более простых, и выбрал для этого одноклеточные грибы – дрожжи. Может показаться обидным для человека, но млекопитающие гораздо ближе к дрожжам, нежели дрожжи, например, к вирусам. У них есть, как и в наших клетках, ядро и всевозможные органоиды, выполняющие различные функции.

Осуми проводил опыты как вволю кормя клетки, так и заставляя их поститься. Обнаружилось, что в тех клетках, которые испытывали дефицит пищи, процесс аутофагии активизировался и клетка, по сути, поедала себя и отстраивала себя же заново, в известной мере молодея, так как разрушались в первую очередь продукты распада и жизнедеятельности клетки. То, что забраковано, подлежит вторичной переработке.

Этот процесс защищает любую клетку – и здоровую, и злокачественную. Он объясняет развитие заболеваний у долгоживущих клеток: их лизосомы могут не успевать разбирать «молекулярный мусор», который отравляет им жизнь. Это же объясняет устойчивость клеток злокачественных опухолей, а также защиту вирусов, которые научились избегать лизосомной «разборки», проникая внутрь клетки.

Разумеется, нельзя впадать в эйфорию и считать, что наконец найдено доказательство того, что голодание продлевает жизнь. Умеренность во всем – это несомненно, но вот настоящий голод убивает в том числе потому, что процесс аутофагии не может происходить бесконечно. Клетки разрушают сами себя, в том числе клетки сердечной мышцы, и наступает смерть.

Ценность результатов Ёсинори Осуми заключается в том, что специалисты увидели, что происходит в ходе этого процесса. Вопросов много, но много и новых возможностей. Стало лучше понятно, как функционирует микромир, из которого мы и состоим, как помочь ему благополучно существовать. Двадцать семь лет трудов не пропали даром, и профессор Осуми продолжает свою работу, которая касается любой клетки на этой планете.

Физика

Лауреатами Нобелевской премии 2016 года по физике стали англичанин Дункан Хэлдейн и двое шотландцев – Дэвид Тулесс и Майкл Костерлиц «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз вещества».

Это трио физиков исследовали весьма странные явления в необычных состояниях материи, таких как сверхпроводимость и сверхтекучесть, а также двумерные пленки и одномерные нити. И чтобы объяснить, что происходит в этом странном мире, они стали использовать новый математический аппарат, а именно топологию.

Топология как раздел математики в общем случае изучает непрерывность, а в частном – свойства пространства при деформациях, но без разрывов. Нобелевский комитет, популярно излагая суть открытий, объяснил это на примере глиняного шара и готовой чашки. Из шара можно вылепить пиалу, но топологически это будут предметы одной категории. А вот если мы расплющим этот шар и продавим в нем дырку, превратив в бублик, то получим тело другой категории. Из глиняного бублика можно при известном старании, ужимая его в одном месте и растягивая в другом, вылепить чашку с ручкой. Отверстий может быть сколько угодно, но есть один закон: число отверстий обязательно целое, не может быть полторы дырки у бублика.

Так топология сочетается с квантовой физикой, ведь квант – это определенная порция энергии. И математический аппарат, применяемый в топологии, оказался весьма продуктивным как раз для изучения этого странного мира, в котором квантовые физические явления становятся доступными для наблюдений в нашем макромире.

Мы привыкли слышать из научно-популярных передач о том, что в мире атомов и элементарных частиц существуют свои удивительные законы, которые совсем не похожи на то, что мы наблюдаем вокруг себя. Причина проста – это температура, то есть хаотические движения атомов. Чем выше температура, тем атомы подвижнее. Если очень горячо, то они теряют свои электронные облака, и тогда мы говорим, что материя обрела состояние плазмы. Похолоднее – это пар или газ, когда атомы свободно летают в пространстве, не создавая ни формы, ни определенного объема.

Еще холоднее, и вот уже пар конденсируется в жидкость, когда есть определенный объем, но пока нет формы. На следующей стадии снижения энергии атомы собираются в законченные структуры – появляется твердое вещество. Но даже тогда атомы слишком сильно трепыхаются, чтобы мы могли увидеть квантовые явления.

Но вблизи так называемого абсолютного нуля, то есть минус 273°С, начинают происходить удивительные вещи. Более ста лет назад Каммерлинг Оннес обнаружил, что в проводнике, охлажденном до такой температуры, начисто исчезает электрическое сопротивление – ток может циркулировать бесконечно. За открытие явления сверхпроводимости он стал лауреатом Нобелевской премии 1913 года. А спустя два десятилетия Петр Капица обнаружил явление сверхтекучести.

Трудно поверить, но если бы на море из сверхтекучего гелия опустить лодку, она тут же потонула бы, так как сверхтекучий гелий тут же начал бы подниматься по ее бортам и заполнил ее всю. Капица получил Нобелевскую премию за это открытие в 1978 году. К слову, и Лев Ландау, занимавшийся теоретическими изысканиями в этой области, тоже стал нобелевским лауреатом – в 1962 году.

Эти странности становятся возможны, потому что вблизи абсолютного нуля колебания атомов прекращаются – и квантовые явления наконец-то проявляют свои свойства в нашем мире. Хоть и в лабораторных условиях, но их можно наблюдать.

Есть и другие удивительные процессы, которые связаны с квантовыми свойствами материи и еt перехода из одного состояния в другое. В 1983 году Дэвид Таулес, применяя топологические методы, смог объяснить природу так называемого квантового эффекта Холла, описывающего электрическую проводимость тонких проводящих слоев, которая может принимать только целые значения, увеличиваясь в два, три, четыре и так далее раз.

Ранее Дэвид Таулес и Майкл Костерлиц разрабатывали проблему фазовых переходов в Университете Бирмингема. Аналогичную работу вел в Москве и Вадим Березинский, который, к сожалению, не дожил до всеобщего признания этих революционных идей. В свою очередь, Дункан Холдейн изучал квантовые жидкости в тонких полупроводниках, также применяя топологическую математику. Его теоретические предсказания были экспериментально подтверждены в последние годы.

Все эти странные материалы в странных состояниях обещают революционный прорыв в области электроники нового поколения, включая квантовые компьютеры, и совершенно удивительной электротехники, основанной на использовании сверхпроводников.

Химия

Нобелевская премия по химии за 2016 год досталась Жан-Пьеру Соважу, сэру Фрейзеру Стоддарту и Бернарду Феринге за проектирование так называемых молекулярных машин. Молекулярные машины уже существуют везде, где есть жизнь. Жизнь клетки обеспечивают эти самые молекулярные машины, и, таким образом, Нобелевская премия по химии в 2016 году оказывается созвучной с Нобелевской премией по медицине.

История создания механизмов, собранных из единичных молекул, началась еще в 1984 году, когда лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман предсказал теоретическую возможность строительства механизмов из молекул примерно через 20–30 лет. Однако на практике создание таких машин пошло иным путем.

Обычно молекулы соединяются так называемыми ковалентными связями, которые образуются в результате перекрытия пары валентных электронных облаков. Однако химики мечтали создать связи между молекулами механического типа, например как зубцы у шестеренок.

И вот в 1983 году французские исследователи во главе с Жан-Пьером Соважем смогли создать механическое переплетение двух молекул, которые поначалу притягивались к иону меди. Молекулы соединялись вокруг этого иона, который затем удалялся, и получалось уникальное зацепление двух колец. Это был первый шаг к созданию молекулярных машин. Но для того чтобы машины работали, их части должны двигаться относительно друг друга. И в 1994 году группа Жан-Пьера Соважа смогла сделать так, что одна молекула вращается вокруг другой – при получении внешней энергии.

К тому времени исследователи во главе с Фрейзером Стоддартом собрали молекулярное кольцо, через которое проходила такая же молекулярная ось. Когда эта конструкция получала тепловую энергию, кольцо начинало скакать от одного конца оси к другому. В последующие десять лет эта группа создала искусственную мышцу, которая могла гнуть тончайшую пластинку из золота.

К слову, Жан-Пьер Соваж также исследовал потенциал ротаксанов, и к 2000 году ему удалось создать молекулярную структуру, напоминающую мышцу, а также ротаксан, в котором кольцо вращается в разных направлениях.

В 1999 году создал свой первый молекулярный мотор и третий лауреат – Бен Феринга. Ему удалось разработать молекулу, которая вращалась не куда ей хочется, а куда надо – в определенном направлении. В 2011 году группа Феринги собрала структуру из четырех молекулярных моторов, укрепленных на молекулярном же шасси. Эту конструкцию называли «наномобилем». Следующим достижением стали невиданные скорости вращения молекулярных моторов – до 12 млн оборотов в секунду. Размер такого мотора в 1000 раз меньше сечения человеческого волоса.

Группа Бена Феринги раскручивала с помощью молекулярных моторов более крупные тела, вроде стеклянных цилиндров, которые были крупнее, чем эти моторы, в 10 тысяч раз. Но игрушками, хоть и весьма интригующими, дело не ограничилось. В 2013 году был создан молекулярный робот на основе ротаксана, который может соединять молекулы аминокислот.

Впервые появилась возможность не просто конструировать элементы наномира, но и заставлять их работать. Работать – значит жить. Биологический объект, в котором наступило химическое равновесие, просто мертв. Это достижение еще только предстоит осознать – человечество учится создавать нечто, что способно строить новые молекулярные конструкции. Разумеется, ученые еще только в начале пути, но уже сейчас открываются удивительные возможности, которыми нужно только правильно воспользоваться.