За что присудили Нобелевскую премию 2021 года
Нобелевский комитет в Стокгольме назвал имена лауреатов премии 2021 года. Победители в каждой номинации получат 10 млн шведских крон (около миллиона евро). Наука становится все более сложной, однако в этом материале мы постараемся максимально простым языком рассказать об изобретениях и открытиях, которые в этом году удостоились премии.
За утонченную, но дешевую химию
Нобелевскую премию по химии присудили Беньямину Листу и Дэвиду Макмиллану, которые дали новую жизнь органическим катализаторам и тем самым облегчили получение самых разных веществ.
Некоторые реакции проделать легко. Например, чтобы аминокислоты прореагировали с сахарами, достаточно нагреть их вместе примерно до 180 градусов: мы постоянно это осуществляем, чтобы на еде образовалась румяная корочка. Но другие реакции либо протекают слишком медленно, либо вообще не начинаются, если к исходным веществам не добавить еще кое-что – катализаторы.
Первые катализаторы были открыты еще в XIX веке, но до недавнего времени их было всего два типа. Первый – металлы. Их недостаток в том, что в присутствии воды и кислорода они портятся, а вдобавок многие металлы вредны или редки. Так, в лаборатории какой-нибудь нефтегазовой компании можно увидеть сосуд, напоминающий обыкновенную кастрюлю, но эта кастрюля стоит дороже квартиры в Москве, потому что сделана из платины.
Второй тип катализаторов – это белки-ферменты. В нашем теле и в любом организме есть тысячи ферментов. Они действуют с потрясающей точностью и к тому же «включаются» друг за другом, позволяя протекать целому каскаду реакций. Но, как и прочие белки, ферменты устроены чрезвычайно сложно: один фермент образован сотнями аминокислот, напоминая тарелку с макаронами (точнее, всего с одной, но чрезвычайно длинной и неоднородной).
В 1990-х годах Беньямин Лист задумался о том, нужны ли ферменты целиком или для реакции достаточно отломить кусочек «макаронины» – взять отдельную аминокислоту или похожую простую молекулу. Еще в 1970-х в качестве катализатора пытались использовать аминокислоту пролин, но эксперименты почему-то прекратились. Лист об этом знал и без особых надежд решил тоже испробовать пролин. К его удивлению, реакция пошла.
Более того, реакция в эксперименте Листа пошла асимметрично. Часто у одной молекулы встречаются две зеркальные разновидности с отличающимися свойствами: одна может быть полезной, а другая – вредной. Из-за этого выгодно, чтобы в реакции они образовывались не с одинаковой вероятностью. Именно так и получилось в опыте с пролином, простой и дешевой молекулой, которая к тому же не разрушает окружающую среду. В отличие от предшественников Лист понял, какие тут открываются возможности.
Независимо от Листа асимметричным катализом занимался Дэвид Макмиллан. Группы Макмиллана и Листа опубликовали свои результаты в 2000 году с разницей в пару месяцев. После в этой области началась своего рода золотая лихорадка. Органические катализаторы позволили облегчить, удешевить производство и при этом снизили нагрузку на окружающую среду. Некоторые вещества теперь можно получить искусственно, а не выделять их из редких растений и животных. На сайте Нобелевской премии подчеркивают, что идея лежала на поверхности, но из-за предрассудков насчет катализаторов – все думали, что их может быть только два типа, – никто до нее не додумался, а Лист и Макмиллан смогли.
За ощущения жара, холода и прикосновения
Ощущения температуры и давления возникают в мозге, но сначала туда должен поступить сигнал. Сигнал передается по волокнам – отросткам нервных клеток. Как это происходит в общем виде, выяснили еще в середине XX века. Однако сигналы бывают разные, поэтому еще нужно было понять, что запускает те или иные из них. Применительно к температуре и давлению этим вопросом занимались американцы Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян.
В 1990-х годах Дэвид Джулиус пытался разобраться, как клетки кожи реагируют на капсаицин – то самое вещество, которое придает жгучему перцу остроту. Он и его коллеги выделили участки ДНК, которые «включаются» в клетках, чувствительных к боли, жару и прикосновению. После долгой и кропотливой работы они определили ген TRPV1, делающий клетку восприимчивой к капсаицину.
Позже оказалось, что этот ген отвечает за ионный канал. Такие каналы служат чем-то вроде ворот в клеточных мембранах: через них входят или выходят ионы (или остаются там, где были, если канал закрыт). От соотношения положительно и отрицательно заряженных ионов внутри и снаружи мембраны зависит электрический потенциал, а изменение этого потенциала и заставляет клетки передавать сигнал. Далее Джулиус и Ардем Патапутян независимо друг от друга стали экспериментировать с ментолом и нашли рецептор TRPM8, который также реагирует на холод. Затем были найдены и другие рецепторы, чувствительные к температуре.
Тем временем Патапутяну не давала покоя другая загадка: как возникает сигнал о прикосновении. Надавив микропипеткой на отдельные клетки, они принялись исследовать те из них, в которых заметили электрическую активность. Предположение, что и тут ключевую роль играет ионный канал, подтвердилось.
Открытия Джулиуса и Патапутяна позволили понять, как жар, холод и механическое воздействие вызывают нервные импульсы, которые позволяют не потеряться в мире вокруг нас. Исследования в этой области продолжаются, на их основе уже разрабатывают лечение, в том числе терапию хронической боли.
Поскольку в медицине все внимание приковано к COVID-19, присуждение премии Джулиусу и Патапутяну стало неожиданностью. С другой стороны, Нобелевская неделя вообще редко оправдывает ожидания.
Изменения климата и хаос
В прошлом году премия по физике была посвящена далеким объектам нашей Вселенной – черным дырам и экзопланетам. В этот раз ее присудили за исследования процессов, которые касаются нас самым прямым образом – изменения климата и поведения хаотических систем.
Что общего у человеческой памяти, искусственной нейронной сети и климата Земли? Все это – примеры неупорядоченных систем. Научившись понимать, как они устроены и как функционируют, мы можем научиться предсказывать их поведение и управлять ими. Поэтому вручение премии физику-теоретику Джорджо Паризи в компании с климатологами Сюкуро Манабэ и Клаусом Хассельманом вовсе не выглядит случайным. Наоборот.
Начнем с Джорджо Паризи. Он был в числе фаворитов премии этого года. Блистательный итальянский физик, показавший, как законы одной науки могут быть применимы во множестве других. Он опубликовал около 600 статей, причем в совершенно разных областях – от квантовой теории поля до иммунной системы и механизмов, которым подчиняются группы животных.
Одно из главных своих открытий Паризи сделал, изучая так называемые спиновые стекла. Это сплавы, в которых атомы одного металла, например, меди, случайным образом смешаны с атомами другого – с магнитными свойствами (скажем, железа). В обычном магните атомы выстраиваются подобно солдатам на параде: если изобразить их как стрелки, все они будут направлены в одну сторону. Но в спиновом стекле атомы повернуты в разные стороны.
Для физиков спиновые стекла интересны тем, что это прекрасная модель хаотических систем. Один из главных вопросов, который занимал ученых: что определяет направление соседних магнитных атомов в таком сплаве. Паризи смог увидеть за беспорядочным расположением атомных «стрелок» систему. А дальше оказалось, что решения Паризи применимы во множестве областей, где есть много сложных параметров: от современных компьютерных моделей до исследований мозга и климата.
Неслучайно компанию Паризи составили два специалиста по климату. Изменения погоды зависят от такого количества параметров, что для их описания нужны сложнейшие модели. Метеоролог и климатолог Сюкуро Манабэ – еще один лауреат Нобелевской премии 2021 года – был первым, кто смоделировал процессы глобального изменения климата с помощью компьютера. В 1967 году он показал, как концентрация парниковых газов (в частности, углекислого газа) в атмосфере Земли приводит к повышению общей температуры.
Открытия Клауса Хассельмана тоже касались того, как ведет себя погода в ответ на действия человека. Он разработал методы, с помощью которых можно выявить следы человеческого вмешательства в естественных климатических процессах. Он же смог доказать, что, хотя условия очень изменчивы, можно построить достоверную климатическую модель на годы вперед. Лучшие климатические модели сегодня используют именно идеи Хассельмана.
На фоне тревожных сценариев того, как будет развиваться климатический кризис, выбор Нобелевского комитета скорее обнадеживает. Если человеческий гений может постичь поведение хаотических систем, есть надежда, что и обуздать эти процессы ему тоже под силу.
По материалам nauka.tass.ru
Вверх▲
Отзывы читателей (0)
Написать отзыв▼
Архив рубрики / Другие статьи этого номера 41 (1408) от 12 октября 2021 года
какие люди!
благоустройство
коммунальные услуги
страницы историиКляузы, челобитные, подметные письма... О чем просили и на что жаловались куряне в XIX веке
из зала суда
происшествия
происшествия
происшествия
происшествия
происшествия
происшествия
большой баскетбол
бейся, «сине-белый»!
знай наших!
конный спорт
будь в курсе!«Что натворили, понимают после того, как пришли в себя». Как не стоит вести себя с инспектором ГИБДД
актуально
юридическая консультация
пфр разъясняет
следи за собой
домашний очаг
сад и огород
хозяйке на заметку
