В Стокгольме закончилась первая часть Нобелевской недели: Нобелевский комитет назвал имена лауреатов премии в области естественных наук – медицины, химии и физики. В этом году обошлось без неожиданностей: победителями стали авторы открытий и технологий, огромное значение которых для понимания устройства окружающего мира общепризнанно.
В частности, премию получили физики, благодаря которым были, наконец, обнаружены предсказанные еще 100 лет назад Альбертом Эйнштейном гравитационные волны. Пожалуй, такой очевидной, но обрадовавшей решительно всех наблюдателей победы не было со времен лауреатства Питера Хиггса в 2013 году.
А вот с предсказаниями в этом году вышла неудача: агентство Clarivate Analytics, в прошлом году унаследовавшее от Томпсон Рейтерс технологию нобелевского прогноза на основе цитирования, не угадало ни одного кандидата. В том числе не сбылось предсказание компании, что обладателем премии по физике может быть назван российский ученый Рашид Сюняев, а по химии – Георгий Шульпин.
Радио Свобода рассказывает, кто и за какие достижения стал лауреатом Нобелевской премии в области естественных наук в этом году.
Биологические часы
Нобелевская премия в области физиологии и медицины была присуждена Джеффри Холлу, Майклу Росбашу и Майклу Янгу за открытие молекулярных механизмов, контролирующих циркадианные ритмы. Циркадианные ритмы (по-русски их часто называют циркадными) – “circadian”, от латинских слов circa – “около”, “вокруг” и “dies” – день – система, которая позволяет организму реагировать на регулярные события, ее основа – биологический ритм, продолжительность которого составляет почти точно 24 часа. Эти биологические часы появились у живых организмов на раннем этапе эволюции, и сегодня циркадная система работает схожим образом во всех многоклеточных организмах. В этом отношении люди мало чем отличаются от мух-дрозофил, которых, собственно, и изучали лауреаты Нобелевской премии.
Еще в середине 18-го века было замечено, что мимоза регулярно складывает свои листочки, даже если поместить ее в темноту, где смена дня и ночи не сопровождается изменением освещенности. И все-таки еще пару сотен лет многие ученые верили, что живые существа “засыпают” и “просыпаются”, реагируя исключительно на внешние раздражители, а никакого встроенного таймера не существует. Лишь в 20-м веке концепция биологических часов устоялась. В 1930-е исследователи убедились, что циркадные ритмы имеют наследственную природу, в начале 1970-х удалось указать первый ген, участвующий в циркадных механизмах, он получил название period. В 1984 году удалось его окончательно изолировать и секвенировать – это независимо сделали Холл, Росбаш в университете Брандейса и Янг в университете Рокфеллера, будущие нобелевские лауреаты.
Для описания механизма работы циркадных ритмов у плодовых мушек понадобилось еще больше 20 лет – и сделали это в серии работ те же трое исследователей. Оказалось, что в клетках работает цикл, устроенный по принципу отрицательной обратной связи, в котором участвует ген period, его продукт, белок PER, ген timeless и его продукт TIM, а также некоторые другие гены и соответствующие белки. В самом грубом приближении система устроена так: в течение дня в клеточных цитоплазмах дрозифил накапливается все больше белков PER и TIM, к вечеру они проникают в ядра клеток и подавляют собственную экспрессию. Но к утру белки, имеющие короткий срок жизни, распадаются и гены period и timeless снова начинают экспрессировать PER и TIM, замыкая таким образом суточный цикл. Именно за открытие этой изящной схемы Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг были удостоены Нобелевской премии в области физиологии и медицины 2017 года.
Механизм, основанный на принципе отрицательной обратной связи, отвечает за работу биологических часов и в других организмах, отличаются только некоторые детали, например, в клетках человека в паре с геном period работает не timeless, а cryptochrome. Базовый суточный цикл влияет на работу и других генов – от 5 до 20 процентов всех генов у млекопитающих. Так в зависимости от времени дня циркадная система изменяет человеческий метаболизм, поведение, давление крови и многое другое. Но что, если вы вдруг оказались в другом часовом поясе, где день поменялся с ночью? Биологические часы в каждой клетке вашего организма нужно “перевести” – за это отвечают главные биологические часы, расположенные в нейронах супрахиазматического ядра гипоталамуса. Циркадные ритмы здесь настраиваются в зависимости от освещения, получая информацию непосредственно от сетчатки глаза. Вслед за нейронами этого отдела мозга происходит постепенная перенастройка всех биологических часов организма.
Колебания пространства-времени
Нобелевская премия по физике оказалась наиболее предсказуемой: она была вручена за, пожалуй, самое яркое и значительное открытие в физике со времен бозона Хиггса – за регистрацию гравитационных волн. Лауреатами стали американцы Райнер Вайсс, Барри Бэриш и Кип Торн, отмеченные Нобелевским комитетом “За решающий вклад в детектор LIGO и за наблюдение гравитационных волн”.
Фиксация гравитационных волн продолжает славную историю грандиозных научных “закрытий”: их существование было теоретически предсказано Альбертом Эйнштейном в рамках общей теории относительности сто лет назад, а вот окончательно убедиться в том, что они и в самом деле возникают во Вселенной, удалось только в 2015 году. Теория Эйнштейна предполагает, что действие гравитации эквивалентно изменению геометрии пространства-времени, его “искривлению”, причем чем массивнее космический объект, тем заметнее это искривление. А что, если очень массивное тело движется, да еще с ускорением, например, быстро вращается вокруг какой-то точки? Общая теория и уравнения говорили о том, что это должно приводить к колебаниям пространства-времени, легкой ряби, распространяющейся со скоростью света и еле заметно деформирующей материальные объекты, проходя через них.
Состоятельность теории относительности была подтверждена многими наблюдениями, были найдены даже косвенные свидетельства существования гравитационных волн, но зафиксировать их не удавалось: слишком слабые. Первые попытки сделать это, которые теперь кажутся почти наивными, предпринимались еще в 1960-е годы, но тщетно. Можно оценить, что дошедшая до Земли гравитационная волна деформирует объекты в типичной пропорции 10 в минус 21-й степени. Другими словами, условный километровый стержень на мгновение сожмется на 10 в минус 18 метра – один аттометр, расстояние, на два порядка меньше радиуса протона. Как уловить такое изменение? В начале 1960-х советские физики Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт предложили идею – использовать так называемый лазерный интерферометр. Метод такой: лазерный луч разделяется на два пучка, которые запускаются по очень длинным перпендикулярным трубкам. На их концах пучки отражаются от зеркал, возвращаются обратно и вновь собираются в один луч. Даже самое незначительное изменение расстояния, которое пришлось пройти пучку до воссоединения со своим собратом, значительно меняет картину интерференции – анализируя получившийся луч, в теории можно зафиксировать воздействие гравитационной волны.
Воплощение этой идеи в реальность потребовало технического подвига: малейший шум, малейшее внешнее воздействие на прибор делает наблюдение бессмысленным. Борьба с шумами, создание технологий напыления идеальных зеркал, поддержания почти абсолютного вакуума в очень длинных трубках – все это заняло полвека. В 1992 году Кип Торн, Рональд Древер из Калифорнийского технологического института и Райнер Вайсс из Массачусетского технологического института предложили проект LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), предполагавший строительство в США двух масштабных лазерных интерферометров для детектирования гравитационных волн. Их разработка и строительство обошлись в 365 миллионов долларов (огромные деньги, но почти в 20 раз дешевле строительства Большого адронного коллайдера), в исследованиях приняли участие ученые из многих стран – в том числе и группа под руководством только что избранного нового президента Российской академии наук Александра Сергеева.
LIGO – это две обсерватории: в Ливингстоне (штат Луизиана) и в Хэнфорде (штат Вашингтон), они расположены на расстоянии 3000 километров друг от друга. Каждый прибор состоит из двух перпендикулярных плеч длиной по три километра. Идея Герценштейна и Пустовойта была развита: если установить зеркало не только в конце плеча, но и в начале, луч можно заставить пробежать трубку много раз, фактически кратно увеличивая длину плеча. В LIGO лазерные лучи пробегают по трубкам по 300 раз – это то же самое, как если бы длина плеч прибора составляла по тысяче километров.
И это сработало: 14 сентября 2015 года оба интерферометра LIGO с задержкой в 7 миллисекунд зафиксировали гравитационную волну с амплитудой в максимуме около 10−21, вызванную слиянием двух массивных черных дыр, одна из которых имела массу около 36, а вторая – около 29 масс Солнца. Ученые сообщили об открытии только в феврале 2016 года – несколько месяцев ушло на проверку всех данных. С тех пор гравитационные волны фиксировались еще трижды, причем в последний раз совсем недавно: о сигнале, полученном в августе, сообщили всего две недели назад. На этот раз гравитационную волну поймали не только американские детекторы LIGO, но и недавно запущенный в Италии европейский прибор VIRGO. По слухам, в октябре будет объявлено о еще одном наблюдении: гравитационной волне, вызванной слиянием не черных дыр, как до этого, а нейтронных звезд.
Пойманные в холоде
Последними из естественников стали известны лауреаты Нобелевской премии по химии, ими оказались Жак Дюбоше, Иоахим Франк и Ричард Хендерсон с формулировкой “за развитие криоэлектронной микроскопии высокого разрешения для определения структуры биомолекул в растворах”. Любопытно, что в 2014 году Нобелевская премия по химии тоже была вручена за микроскопию – только флюоресцентную.
На этот раз речь о технологии, которая стала прорывом в визуализации биологических молекул, таких как белки, ДНК и РНК. Фактическая структура биомолекул, например то, в какой сложный узел сворачивается тот или иной белок, имеет огромное значение и для понимания механизма многих болезней, и для создания эффективных лекарств. Методы, которые существовали до разработки криоэлектронной микроскопии, имели очень ограниченное применение – одни, как спектроскопия ядерного магнитного резонанса, работали только для коротких молекул, другие, как рентгеновская кристаллография, требовали, чтобы наблюдаемые образцы имели вид хорошо структурированных кристаллов. Увидеть молекулы в их естественном состоянии, такими, какие они в живых клетках, было невозможно. Ученые понимали: хорошо бы придумать способ смотреть на биологические образцы через электронный микроскоп, да вот незадача: во-первых, мощный электронный пучок разрушает хрупкие биомолекулы, во-вторых, для наблюдения их нужно поместить в вакуум, где, в отсутствие воды, структура белков нарушается.
Эти сложности удалось преодолеть совместными усилиями трех ученых за несколько десятков лет. Ричард Хендерсон оттачивал возможности электронной микроскопии в применении к биомолекулам, Жак Дюбоше разработал особый способ мгновенной заморозки образцов, которая решила проблему высыхания, а Иоахим Франк придумал компьютерный алгоритм, с помощью которого из множества двухмерных изображений повернутых под разными углами белков можно построить трехмерную структуру. В последние годы криоэлектронная микроскопия достигла атомарного разрешения, при этом с ее помощью можно рассмотреть структуру молекул, замороженных практически “на лету”, и воссоздать их поведение и взаимодействие шаг за шагом. Один из биологических объектов, недавно с точностью до атома визуализированных с помощью криоэлектронной микроскопии, – вирус Зика.
