От молекул до Вселенной
Нобелевские премии по естественным наукам 2011 года в очередной раз подтвердили: нет ничего тайного, что не становится явным.
Врожденное и приобретенное
3 октября Нобелевский комитет объявил имена лауреатов премии по физиологии и медицине. В этом году их трое: американец Брюс Бётлер, француз Жюль Хоффман и канадец Ральф Стейнман, кстати, с украинскими корнями. Все трое — иммунологи: Бётлер и Хоффман известны своими работами по врожденному, а Стейнман — по приобретенному иммунитету. По этим соображениям премию поделят непропорционально: одну половину получит американо-французский дуэт, а вторую… Вторую отдадут дочери Ральфа Стейнмана. Он не дожил три дня до официального оглашения имен нобелиатов. Это тем более горько, что открытия, отмеченные наградой, относятся к 1973 году.
Такое решение Нобелевского комитета стало беспрецедентным. По уставу фонда, премии посмертно не присуждаются, однако 3 октября, вынося вердикт, шведские академики не знали о том, что выдающийся иммунолог ушел из жизни 30 сентября. Посовещавшись, постановили: «Решение принято из лучших побуждений и потому пересмотру не подлежит».
Иммунитет — одно из наиболее сложных физиологических явлений; в развитии иммунной реакции участвуют десятки видов клеток и сотни соединений, а взаимосвязи между ними столь запутаны, что за разгадку тайны той или иной реакции была получена уже не одна Нобелевская премия. Открытия Бётлера и Хоффмана касаются самых первых стадий развития защитной реакции, в результате которой вторгшийся чужеродный организм (вирус, бактерия, микроскопический грибок) опознается как таковой и «запускается» воспалительный процесс, направленный на его изгнание.
В 1996 году группа Жюля Хоффмана работала с мутантными линиями плодовых мушек дрозофил. Одна из мутаций касалась так называемого гена Toll, который годом раньше стал открытием номер один. За установление его роли в эмбриональном развитии Кристиана Нюсляйн-Фольхард была удостоена Нобелевской премии 1995 года. Хоффман обнаружил, что ген принимает самое что ни на есть активное участие в иммунитете — при наличии мутаций в нем мушки не справлялись с бактериальными и грибковыми инфекциями и погибали. Ученому удалось установить, что продукт гена отвечает за первичное связывание с патогенными микроорганизмами, а его активация является спусковым механизмом для воспалительного процесса.
Бётлер сделал свое открытие двумя годами позже, в 1998-м. Работал он не с мухами, а с мышами, но в близком направлении: изучал рецептор, связывающий бактериальные липополисахариды, вызывающие так называемый септический шок — опасное для жизни состояние, связанное с чрезмерной активацией иммунной системы. Рецептор найти удалось. Ко всеобщему удивлению, он оказался очень похожим на Toll! Выяснилось, что септический шок провоцируется связыванием Toll-образного рецептора с бактериальным липополисахаридом — в случае, когда последнего очень много.
Открытия Хоффмана и Бётлера стали толчком к активному изучению пусковых механизмов врожденного иммунитета. На сегодня известны свыше десятка близких рецепторов; при их мутациях мухи, мыши и люди борются с патогенами либо недостаточно интенсивно (и тогда легко заболевают), либо, наоборот, чересчур активно (и тогда увязают в истощающих воспалительных процессах).
Если же чужеродные микроорганизмы проходят первую «линию фронта» — врожденный иммунитет, их поджидает второй барьер в виде T-лимфоцитов, «боевых единиц» иммунной системы. Работы Ральфа Стейнмана показали, что и у этих последних стадий иммунного ответа есть свои регуляторы — открытые им так называемые дендритные клетки. Связываясь с бактериями, они подают T-клеткам сигнал к атаке.
«Понимание механизмов регуляции иммунитета открывает путь к новым, молекулярным методам профилактики и лечения многих, в том числе онкологических, заболеваний», — отметили шведские академики. В этом смысле открытие одного человека — Ральфа Стейнмана — означает начало реванша всего человечества в борьбе с раком.
Яркие вспышки на фоне темной энергии
4 октября стали известны имена лауреатов премии по физике. Ими стали два американца — Сол Перлмуттер и Адам Рисс, а также Брайан Шмидт — австралиец по месту работы, но такой же американец по происхождению и гражданству. Два последних работали в паре и потому получат половину премии на двоих, вторую часть награды вручат Перлмуттеру. А вот достижение, отмеченное шведскими академиками, одно на троих: «открытие ускоряющегося расширения Вселенной путем наблюдений за далекими сверхновыми звездами».
Если открытие иммунологов имеет первостепенное практическое значение уже сегодня, то работы астрофизиков — из разряда высоких материй. В самом прямом смысле: они положили начало интенсивным исследованиям так называемой темной материи Вселенной, которая не выдает своего присутствия ничем, кроме гравитационных эффектов. Именно с ней, а также со столь же темной энергией астрофизики связывают скрытую массу Вселенной.
Работы нынешних лауреатов дают ответ на заветный вопрос космологии: камо грядеши, Вселенная? Похоже, дело пахнет тепловой смертью — в пользу такого сценария свидетельствует факт ускоряющегося расширения Вселенной. После господствующего многие годы представления о том, что расширение постепенно замедляется, такой вывод — полная неожиданность для науки, да и для самих экспериментаторов, в чем они честно признались.
Эмпирические данные были получены в 1994—1998 годах на материале нескольких десятков сверхновых типа Ia. Они рождаются в двойных звездных системах, где одна звезда — белый карлик — в силу каких-либо причин перетягивает на себя вещество «напарницы». С увеличением массы белого карлика растет его плотность — при размере с Землю звезда может достигать массы Солнца! Параллельно поднимается и температура; где-то при 300 миллионах градусов в недрах звезды запускаются термоядерные реакции, заканчивающиеся эффектным финалом. Буквально за несколько суток яркость вспыхнувшей сверхновой возрастает на порядки и порой превышает яркость всей материнской галактики.
Как известно, большому кораблю — большое плавание. На изучение сверхновых была брошена сверхновая же техника: наземные и орбитальные телескопы, мощнейшие компьютеры и специальные датчики на основе приборов с зарядовой связью (за их изобретение Уиллард Бейл и Джордж Смит получили Нобелевскую премию 2009 года). Свечение около полусотни сверхновых оказалось тусклее теоретически ожидаемого, на основании чего астрофизики смогли рассчитать параметры расширения. Выяснилось, что оно не только не замедляется, как полагали раньше, а постоянно набирает обороты. Точнее, полагают теоретики космологии, замедление имело место в прошлом, однако около 5 миллиардов лет назад сменилось на противоположный процесс.
Причина ускорения — та самая темная энергия. По сегодняшним оценкам, ее во Вселенной около 74%, так что заключение шведских академиков о том, что «нынешняя премия убедительно показала, что большая часть Вселенной неизвестна науке», — вовсе не преувеличение.
Неспециалисту трудно постичь масштабы пространства и времени, привычные для космологов, так что на простом обывателе сенсационное открытие Перлмуттера, Рисса и Шмидта отразится мало. Хотя… Если ускоряющееся расширение будет продолжаться, рано или поздно относительная скорость удаления от нас далеких галактик достигнет скорости света, и они выйдут за так называемый горизонт событий. А это означает, что если в недалеком будущем физики наконец изобретут машину времени, слетать туда мы уже никогда не сможем. Так что нужно торопиться.
Восточные мотивы
5 октября Королевская Шведская академия наук присудила Нобелевскую премию по химии 2011 года израильтянину Дану Шехтману. Формулировка на редкость лаконична: «за открытие квазикристаллов». «Нынешняя премия — символ того, как изменились представления химиков о структуре твердого тела», — сказано в решении. За «сменой представлений» действительно стоит многое: скепсис, непринятие результатов коллегами и даже прямые обвинения в научном мошенничестве, вынудившие ученого в 1980-е годы добровольно-принудительно покинуть родную лабораторию. Нобелевский комитет, конечно, не стал искать правых и виноватых; события тех лет он подчеркнуто корректно называет «битвой за истину» и радуется, что последняя таки восторжествовала.
Картинка, которая изменила представления науки о твердых телах, явилась взору Шехтмана утром 8 апреля 1982 года. Тогда в электронный микроскоп он увидел то, что кристаллография того времени видеть запрещала, — атомарную структуру алюминиево-марганцевого сплава с осью симметрии пятого порядка. До этого все твердые тела делились на аморфные, или стекла, в которых атомы расположены хаотично, и кристаллы — в них атомы строго упорядочены и образуют повторяющиеся, заполняющие весь объем структуры. Подобно тому, как можно замостить тротуар треугольной, квадратной и шестиугольной, но никак не пятиугольной плиткой, утверждалось, что симметрия пятого порядка в кристаллах не может существовать по определению.
В квазикристаллах — так Шехтман назвал открытую им новую форму существования твердых тел — атомы действительно образуют апериодические, неповторяющиеся, но при этом строго регулярные структуры в том смысле, что их расположение подчинено точным математическим законам. В частности, расстояния между атомами соответствуют золотому сечению — легендарной основе гармонии.
Оказывается, квазикристаллические орнаменты известны человечеству давно, их можно найти в мозаиках жемчужин средневековой арабской архитектуры — дворца Альгамбра в Испании и мавзолея Дарб-е-Имам в Иране. Наверное, не случайно понять и постичь эту неклассическую для западной науки симметрию смог представитель восточной культуры.
За последние десятилетия были получены десятки видов квазикристаллов, причем не только из числа металлических сплавов, но и полимеров. А в 2009 году геологи нашли первый естественный квазикристалл — минерал хатыркит, единственное в мире месторождение которого находится в Корякском нагорье на Дальнем Востоке.
Применение квазикристаллических материалов пока что крайне ограничено: легирующие и армирующие добавки, антипригарные покрытия… Но практическое освоение — дело времени; куда важнее их значение для понимания природы вещей. Одно только то, что они доказали возможность существования в неживой природе симметрии пятого порядка, которая ранее считалась прерогативой цветов и морских звезд, многого стоит.
Справка «УТГ»
Скорость удаления галактики за счет космологического расширения может быть любой, в том числе и больше скорости света. Дело в том, что она при этом никуда не движется по пространству (ее координаты на раздувающемся шарике не меняются).
