Нобелевская премия-2017. Гравитационные волны, сверхбыстрая заморозка и биологические часы
На минувшей неделе были названы имена лауреатов Нобелевской премии. Гравитационные волны, циркадные ритмы и криоэлектронная микроскопия – научные открытия, которые сегодня обсуждает весь мир.
Физика
Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн более 100 лет назад. Но учитывая, что эффект, вызванный прохождением гравитационной волны через пространство, невероятно мал, сам Эйнштейн сомневался, что его можно зарегистрировать. Тем не менее около двух лет назад обсерватории-близнецы LIGO в Ливингстоне и Хэнфорде в США поймали сигнал, который оказался гравитационным следом слияния двух чёрных дыр. Он был очень слаб, но произвел революцию в физике. За эту революцию создателям первого в мире прибора, способного регистрировать гравитационные волны, в этом году вручили Нобелевскую премию по физике. Лауреатами стали Райнер Вайсс, Барри Бэриш и Кип Торн.
Чтобы добраться до Земли, гравиволне потребовалось больше миллиарда лет. Далеко-далеко, за пределами нашей галактики, две чёрные дыры врезались друг в друга, прошло 1,3 миллиарда лет – и LIGO сообщил нам об этом событии. Энергия гравитационной волны огромна, но амплитуда невероятна мала. Почувствовать ее – всё равно что измерить расстояние до далёкой звезды с точностью до десятых долей миллиметра. LIGO на это способен.
LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) – это две обсерватории, расстояние между которыми – 3002 километра. Гравитационная волна проходит это расстояние за 7 миллисекунд, поэтому два интерферометра во время прохождения волны уточняют показатели друг друга.
У каждой обсерватории есть два четырехкилометровых плеча, исходящих из одной точки под прямым углом друг к другу. Внутри у них – почти идеальный вакуум. В начале и в конце каждого плеча – сложная система зеркал. Проходя через нашу планету, гравитационная волна чуть-чуть сжимает пространство там, где проложен один рукав, и растягивает второй (без волны длина рукавов строго одинакова). Из перекрестья плечей выпускают луч лазера, разделяют его надвое и пускают отражаться по зеркалам; пройдя свою дистанцию, лучи встречаются в перекрестье. Если это происходит одновременно, значит, пространство-время спокойно. А если одному из лучей потребовалось на прохождение плеча больше времени, чем другому, значит, гравитационная волна удлинила его путь и сократила путь второго луча.
LIGO разработал Вайсс, Кип Торн – ведущий мировой эксперт в теории относительности – выполнил теоретические расчёты, Барри Бэриш присоединился к команде LIGO в 1994 году и превратил небольшую – всего из 40 человек – группу энтузиастов в огромную международную коллаборацию LIGO/VIRGO, благодаря слаженной работе участников которой и стал возможен фундаментальный прорыв, осуществлённый двадцать лет спустя.
Работа на детекторах гравитационных волн продолжается. За первой зарегистрированной волной последовали вторая, третья и четвертая; последнюю «поймали» не только детекторы LIGO, но и недавно запущенный европейский VIRGO. Четвертая гравитационная волна, в отличие от трёх предыдущих, родилась не в абсолютной тьме (в результате слияния чёрных дыр), а при полной иллюминации – при взрыве нейтронной звезды; космические и наземные телескопы зарегистрировали и оптический источник излучения в том районе, откуда пришла волна.
Химия
Лауреатами Нобелевской премии по химии стали швейцарец Жак Дюбоше, британец Ричард Хендерсон и американский ученый Йоахим Франк – «за развитие криоэлектронной микроскопии высокого разрешения».
Этот метод позволяет наблюдать за объектами (от молекул белка до вирусов) фактически в естественной среде благодаря сверхбыстрой заморозке. Развитие криоэлектронной микроскопии стало серьёзным шагом вперёд на пути изучения строения молекул и молекулярных реакций. Председатель Нобелевского комитета Сара Сногеруп Линсе назвала работу учёных «революцией в биохимии».
Метод криоэлектронной микроскопии заключается в получении высококачественных изображений благодаря исследованию образца при сверхнизких температурах. Он позволяет наблюдать за объектами (от молекул белка до вирусов) фактически в естественной среде, без их фиксации или окрашивания.
Долгие годы считалось, что электронные микроскопы пригодны исключительно для изучения и визуализации мёртвой материи, поскольку мощный поток электронов уничтожает биологический материал. Однако работы Дюбоше, Франка и Хендерсона позволили добиться очень быстрого замораживания биомолекул, позволяющего им сохранять свою естественную форму даже в вакууме, а также получить качественные изображения.
Изучаемый образец подвергается сверхбыстрой заморозке (витрифицируется), благодаря чему раствор, в котором находятся живые объекты, не кристаллизуется, а переходит в стекловидное состояние.
Криоэлектронная микроскопия помогает учёным понять структуру и взаимодействие белков и других биомолекул. В перспективе это позволит, в частности, создавать более совершенные лекарства.
Медицина
Нобелевская премия по медицине досталась американским ученым Джеффри Холлу, Майклу Росбашу и Майклу Янгу, которые открыли молекулярные механизмы, контролирующие так называемые циркадные ритмы – «биологические часы» внутри живых организмов, подстраивающие наши физиологические процессы под время дня.
Гены, которые определяют работу биологических часов, открыли еще в 1980–90-х годах. Заслуга Холла, Росбаша и Янга в том, что они определили эти гены и проанализировали, как они работают у мушек-дрозофил. Таким образом, ученые разобрались, как у этих мушек устроены биологические часы – то есть как гены определяют их поведение в течение суток.
Эти механизмы у дрозофил и людей очень похожи: принцип возник на заре эволюции и оказался настолько удачным, что распространился довольно широко.
Циркадные ритмы касаются не только сна и бодрствования: практически каждая клетка организма живет в соответствии с циклом, который примерно равен 24 часам.
Почему сердечные приступы и инсульты в два-три раза чаще встречаются ранним утром? Потому что внутренние часы запрограммированы в это самое время увеличивать кровяное давление, чтобы помочь организму проснуться. Почему дети растут во сне? Потому что гормон роста вырабатывается в организме человека лишь раз в сутки, именно в фазу ночного сна. В результате гармоничная работа всех систем организма так или иначе связана с этими часами.
Нарушение этих циклов из-за внешних обстоятельств плохо влияет на здоровье людей. Так бывает при смене часовых поясов (джетлаге), социальном джетлаге (когда люди, которые генетически предрасположены, например, к тому, чтобы засыпать позже, вынуждены вставать на работу к семи утра). У людей, которые работают в ночную смену, чаще развиваются инфаркт миокарда, инсульт, ожирение и сахарный диабет. Возможно, всем им удастся помочь именно благодаря знанию о том, как работают биологические часы.
По традиции официальная церемония награждения состоится в Стокгольме 10 декабря 2017 года, в день смерти Альфреда Нобеля. Премию лауреатам – 1,12 миллиона долларов – вручит король Швеции Карл XVI Густав.
Вверх▲
Отзывы читателей (0)
Написать отзыв▼
Архив рубрики / Другие статьи этого номера 41 (1200) от 10 октября 2017 года
Звездные гастроли в Курске: от победителя «Голоса» до финалистов «Британия ищет таланты»
Суперкубок ЕВРОПЫ наш! Курское «Динамо» завоевало новый трофей
Как оформить в собственность землю под многоквартирным домом
Чрезмерная зрительная нагрузка от мобильного телефона ухудшает зрение