Від молекул до Всесвіту

Нобелівські премії з природничих наук 2011 року вкотре підтвердили: нема нічого таємного, що не стає явним.

Уроджене й набуте

3 жовтня Нобелівський комітет оголосив імена лауреатів премії з фізіології та медицини. Цього року їх троє: американець Брюс Бетлер,­ француз Жуль Хоффман і канадець Ральф Стейнман, до речі,  українського походження. Усі троє — імунологи: Бетлер і Хоффман­ відомі своїми роботами з уродженого, а Стейнман — із набутого імунітету. Із цих міркувань премію поділять непропорційно: одну половину одержить американо-французький дует, а другу… Другу віддадуть дочці Ральфа Стейнмана. Він не дожив три дні до офіційного оголошення імен нобеліатів. Це тим більш прикро, що відкриття, відзначені нагородою, датуються 1973 роком.

Таке рішення Нобелівського комітету стало безпрецедентним. За статутом фонду, премії посмертно не присуджуються, однак 3 жовтня, ухвалюючи вердикт, шведські академіки не знали про те, що видатний імунолог пішов з життя 30 вересня. Порадившись, вирішили: «Рішення ухвалене із кращих спонукань і тому перегляду не підлягає».

Імунітет — одне з найскладніших фізіологічних явищ; у розвитку імунної реакції беруть участь десятки видів клітин і сотні сполук, а взаємозв’язки між ними такі заплутані, що за розгадку таємниці тієї або іншої реакції було отримано вже не одну Нобелівську премію. Відкриття Бетлера й Хоффмана стосуються найперших стадій розвитку захисної реакції, у результаті якої чужорідний організм (вірус, бактерія, мікроскопічний грибок) розпізнається й «запускається» запальний процес, спрямований на його вигнання.

1996 року група Жуля Хоффмана працювала з мутантними лініями плодових мушок дрозофіл. Одна з мутацій стосувалася так званого гена Toll, який роком раніше став відкриттям номер один. За встановлення його ролі в ембріональному розвитку Крістіана Нюсляйн-Фольхард була визнана гідною Нобелівської премії 1995 року. Хоффман виявив, що ген бере якнайактивнішу участь в імунітеті — за наявності мутацій у ньому мушки не справлялися з бактеріальними й грибковими інфекціями й гинули. Ученому вдалося встановити, що продукт гена відповідає за первинне зв’язування з патогенними мікроорганізмами, а його активація є спусковим механізмом для запального процесу.

Бетлер зробив своє відкриття двома роками пізніше, 1998-го. Працював він не з мухами, а з мишами, але в близькому напрямку: вивчав рецептор, що зв’язує бактеріальні ліпополісахариди, які спричиняють так званий септичний шок — небезпечний для життя стан, пов’язаний із надмірною активацією імунної системи. Рецептор знайти вдалося. На превеликий подив, він був дуже схожим на Toll! З’ясувалося, що септичний шок провокується зв’язуванням Toll-подібного рецептора з бактеріальним ліпополісахаридом — у випадку, якщо останнього дуже багато.

Відкриття Хоффмана й Бетлера стали поштовхом до активного вивчення пускових механізмів уродженого імунітету. На сьогодні відомі понад десяток близьких рецепторів; у разі їхніх мутацій мухи, миші й люди борються з патогенами або недостатньо інтенсивно (і тоді легко занедужують), або, навпаки, надто активно (і тоді «загрузають» у виснажливих запальних процесах).

Якщо ж чужорідні мікроорганізми проходять першу «лінію фронту» — уроджений імунітет, на них чекає другий бар’єр у вигляді T-лімфоцитів, «бойових одиниць» імунної системи. Роботи Ральфа Стейнмана показали, що й у цих останніх стадій імунної відповіді є свої регулятори — відкриті ним так звані дендритні клітини. Зв’язуючись із бактеріями, вони подають T-клітинам сигнал до атаки.

«Розуміння механізмів регуляції імунітету відкриває­ шлях до нових, молекулярних методів профілактики й лікування багатьох, у тому числі онкологічних, захворювань», — відзначили шведські академіки. З цього погляду відкриття однієї людини — Ральфа Стейнмана­ — означає початок реваншу всього людства в боротьбі з раком.

Яскраві спалахи на тлі темної енергії

4 жовтня оприлюднені імена лауреатів премії з фізики. Ними стали два американці — Сол Перлмуттер і Адам Рісс, а також Брайан Шмідт — австралієць за місцем роботи, але такий же американець за походженням і громадянством. Два останніх працювали в парі й тому одержать половину премії на двох, другу частину нагороди вручать Перлмуттеру.­ А от досягнення, відзначене шведськими академіками, одне на трьох: «відкриття прискорюваного розширення Всесвіту шляхом спостережень за далекими надновими зірками».

Якщо відкриття імунологів має першорядне практичне значення вже сьогодні, то роботи астрофізиків — із розряду високих матерій. У буквальному значенні: вони поклали початок інтенсивним дослідженням так званої темної матерії Всесвіту, що не видає свою присутність нічим, крім гравітаційних ефектів. Саме з нею, а також з такою ж темною енергією астрофізики пов’язують приховану масу Всесвіту.

Роботи нинішніх лауреатів дають відповідь на заповітне запитання космології: камо грядеші, Всесвіте? Схоже, усе може закінчитися тепловою смертю — на користь такого сценарію свідчить факт прискорюваного розширення Всесвіту. Після панівного протягом останніх років уявлення про те, що розширення поступово вповільнюється, такий висновок — цілковита несподіванка для науки, та й для самих експериментаторів, у чому вони чесно зізналися.

Емпіричні дані було отримано в 1994—1998 роках на матеріалі декількох десятків наднових типу Ia. Вони народжуються в подвійних зоряних системах, де одна зірка — білий карлик — з  якихось причин перетягує на себе речовину «напарниці». Зі збільшенням маси білого карлика збільшується його щільність: маючи такий самий розмір, що і Земля, зірка може досягати маси Сонця! Паралельно підвищується й температура; десь за  300 мільйонів градусів у надрах зірки запускаються термоядерні реакції, які закінчуються ефектним фіналом. Буквально за кілька діб яскравість наднової, що спалахнула, зростає в кілька разів і з часом перевищує яскравість усієї материнської галактики.

Як відомо, великому ко­раблю — велике плавання.­ На вивчення наднових було кинуто наднову ж техніку: наземні й орбітальні телескопи, найпотужніші комп’ютери й спеціальні датчики на основі приладів із зарядовим зв’язком (за їхнє винайдення Уіллард Бейл і Джордж Сміт здобули Нобелівську премію 2009 року). Світіння близько півсотні наднових виявилося тьмянішим за теоретично очікуване, на підставі чого астрофізики змогли обчислити параметри розширення. З’ясувалося, що воно не тільки не вповільнюється, як думали раніше, а весь час набирає обертів. Точніше, уважають теоретики космології, уповільнення мало місце в минулому, однак близько 5 мільярдів років тому змінилося на протилежний процес.

Причина прискорення — та сама темна енергія. За сьогоднішніми оцінками, її у Всесвіті близько 74%, тож висновок шведських академіків про те, що «нинішня премія переконливо показала, що більша частина Всесвіту невідома науці», — зовсім не перебільшення.

Нефахівцеві важко осягти масштаби простору й часу, звичні для космологів, тож на пересічному обивателі сенсаційне відкриття Перлмуттера, Рісса й Шмідта позначиться мало. Хоча… Якщо прискорюване розширення­ триватиме, рано чи пізно відносна швидкість віддалення від нас далеких галактик досягне швидкості світла, і вони вийдуть за так званий горизонт подій. А це означає, що коли в недалекому майбутньому фізики нарешті винайдуть машину часу, злітати туди ми вже ніколи не зможемо. Тож треба квапитися.

Східні мотиви

5 жовтня Королівська Шведська академія наук присудила Нобелівську премію з хімії 2011 року ізраїльтянинові Дану Шехтману. Формулювання надзвичайно лаконічне: «за відкриття квазікристалів». «Нинішня премія — символ того, як змінилися уявлення хіміків про структуру твердого тіла», — сказано в рішенні. За «зміною уявлень» дійсно стоїть багато чого: скепсис, неприйняття результатів колегами й навіть прямі обвинувачення в науковому шахрайстві, що змусили вченого в 1980-ті роки примусово покинути рідну лабораторію. Нобелівський комітет, звичайно, не став шукати правих і винних; події тих років він підкреслено коректно називає «битвою за істину» і радіє, що остання все-таки перемогла.

Картинка, яка змінила уявлення науки про тверді тіла, постала перед Шехт­маном уранці 8 квітня 1982 року. Тоді в електронний мікроскоп він побачив те, що кристалографія того часу бачити забороняла, — атомарну структуру алюмінієво-марганцевого сплаву з віссю симетрії п’ятого порядку. До того всі тверді тіла поділялися на аморфні, або скло, у якому атоми розташовані хаотично, і кристали — у них атоми строго впорядковані й утворюють повторювані структури, які заповнюють увесь обсяг. Подібно до того, як можна забрукувати тротуар трикутною, квадратною й шестикутною, але ніяк не п’ятикутною плиткою, стверджувалося, що симетрія п’ятого порядку в кристалах не може існувати за визначенням.

У квазікристалах — так Шехтман назвав відкриту ним нову форму існування твердих тіл — атоми дійсно утворюють аперіодичні, неповторювані, але при цьому строго регулярні структури в тому розумінні, що їхнє розташування підпорядковане точним математичним законам. Зокрема, відстані між атомами відповідають золотому перерізу — легендарній основі гармонії.

Виявляється, квазікристалічні орнаменти відомі людству давно, їх можна знайти в мозаїках перлин середньовічної арабської архітектури — палацу Альгамбра в Іспанії та мавзолею Дарб-є-Імам в Ірані. Напевно, невипадково збагнути цю некласичну для західної науки симетрію зміг представник східної культури.

За останні десятиліття було отримано десятки видів ­квазікристалів, причому не тільки із числа металевих сплавів, а й полімерів. А 2009 року геологи знайшли перший природний квазікристал — мінерал хатиркіт, єдине у світі родовище якого розташоване в Коряцькому нагір’ї на Далекому Сході.

Застосування квазікристалічних матеріалів поки дуже обмежене: легувальні й армувальні домішки, антипригарні покриття… Але практичне освоєння — справа часу; набагато важливіше їхнє значення для розуміння природи речей. Одне тільки те, що вони довели можливість існування в неживій природі симетрії п’ятого порядку, яка раніше вважалася прерогативою квітів і морських зірок, багато чого варте.­

Справка «УТГ»

Швидкість віддалення галактики за рахунок космологічного розширення може бути будь-якою, у тому числі й більшою за швидкість світла. Річ у тім, що вона при цьому нікуди не рухається через простір (її координати на кульці, що роздувається, не зміюються)