28.11.2019

НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ: КИСЛОРОД, ДАЛЕКИЕ ЗВЕЗДЫ И БАТАРЕЙКИ

Кратко:

Вот уже более ста лет Нобелевская премия держит марку престижности и сама пишет историю науки. Кто же из ученых получил премию в этом году и каковы перспективы применения этих открытий?

Раз в год наука вырывается из разделов «для интересующихся» на первые полосы газет и стартовые страницы сайтов — начинается Нобелевская неделя. Эксперты и любители соревнуются в прогнозах, болеют за фаворитов, ищут обделённых. О лауреатах Нобелевской премии 2019 года — в нашем материале.

КАК ВСЕ НАЧИНАЛОСЬ

За более чем столетнюю историю Нобелевская премия стала свидетелем трансформации науки и сама стала её летописью: когда-то её вручали за открытие двойной спирали ДНК, а сейчас «генетические» нобеленосные результаты столь сложны для понимания, что их важность публике объясняют перспективами применения, а не самой проделанной работой. Так, в прошлом году Нобелевскую премию по медицине присудили за иммунотерапию рака, но на самом деле речь идёт о фундаментальных вопросах работы иммунитета, которые только впоследствии пришли в медицинскую практику.

Однако факт, который премия может заслуженно записать себе в актив, — почти полное отсутствие откровенных ошибок. Таких всего две, и обе очень давние. Премию за 1926 год датчанин Йоханнес Фибигер получил за открытие рака, вызываемого паразитическими червями, — позже эта гипотеза не подтвердилась. Португалец Антониу Эгаш Мониш нанёс науке куда больше вреда — в 1949 году его наградили «за открытие терапевтического действия лоботомии» для лечения психических заболеваний. И на волне нобелевской славы ошибочное лечение широко распространилось в США (помните «Пролетая над гнездом кукушки»?). Так или иначе, 2 ошибки из 331 награды — это очень высокий уровень экспертизы. Надо сделать ещё поправку на то, что премия обладает известной инерцией: иногда её приходится ждать очень долго, комитет отмечает работы, сделанные десятки лет назад. Но как флагман науки премия, в целом, на правильном пути.

Предмет неизменной критики премии — гендерный дисбаланс: всего 20 премий было вручено 19 женщинам (знаменитая Мария Склодовская-Кюриполучила две премии — по химии и по физике). Впрочем, «нобелевка» меняется: 13 из 20 женщин-лауреатов получили её за последние 30 лет. И хотя в прошлом веке и случались ситуации вопиющей несправедливости, когда комитет обходил женщин-учёных, в целом, премия, скорее, отражает общую картину возможностей для женщин в науке. В последние 30–40 лет этих возможностей становится больше, и состав лауреатов выравнивается.

О ПРЕМИИ

Альфред Нобель (1833–1896) — учредитель премии, шведский химик, инженер и предприниматель, обладатель 355 патентов. Завещал большую часть своего состояния (>31 млн шведских крон) на создание премии. С 1900
г. этим капиталом управляет Нобелевский фонд. Распорядился ежегодно делить проценты от вложений на пять равных частей и вручать их лауреатам в области физики, химии, физиологии или медицины, литературы и деятельности по укреплению мира.

Премия присуждается ежегодно с 1901 года. Торжественная церемония награждения лауреатов ежегодно проходит в Стокгольме 10 декабря в день смерти Альфреда Нобеля. Одна премия может вручаться не более чем трём учёным. За это время в сфере естественных наук — физики, химии и физиологии/медицины — была вручена 331 премия.

На церемонии награждения нобелевские лауреаты получают золотую медаль, диплом и денежную премию.

Размер Нобелевской премии в 2019 году — 9 000 000 шведских крон.

ДЫШИТЕ ГЛУБЖЕ

Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили люди, не попавшие в список высокой цитируемости. Но они исследовали очень важный вопрос — почему мы дышим столь успешно. Трём учёным — американцам Уильяму Кэлину и Греггу Семензе и британцу Питеру Рэтклиффу удалось открыть, «как клетки распознают уровень кислорода и адаптируются к нему».

Кислород участвует в самом базовом процессе нашего организма — окислении питательных веществ и превращении их в энергию. Энергия нужна не только для того, чтобы ходить или бегать, — мы тратим её, даже когда спим, потому что внутренние процессы нашего тела непрерывны. Энергию в виде питательных веществ наш организм умеет запасать: это наши нелюбимые жиры — они необходимы для выживания, если вдруг питание прекратит поступать извне. Но даже для использования этого запаса понадобится кислород, вот почему процесс дыхания обязан быть непрерывным, без него — смерть.

В разное время разным частям тела требуется разные объёмы кислорода. Иногда мы интенсивно думаем, а иногда — бегаем. Кислорода может не хватать — временно (например, в задымлённой комнате) либо постоянно, как это бывает в горах на большой высоте. Человеческий организм способен адаптироваться к этим условиям, оптимизируя использование кислорода. Но как это происходит, оставалось неизвестным.

Первый шаг сделал тоже нобелиат — Корней Хейманс обнаружил так называемые каротидные тельца (Нобелевская премия по медицине 1938 года).Эти рецепторы располагаются в сонной артерии и следят за уровнем кислорода, сообщая мозгу о его изменениях. Есл икислорода не хватает, организм пытается более эффективно использовать имеющийся, мобилизуя внутренние ресурсы.

Перенос кислорода происходит при участии красных кровяных телец — эритроцитов, а точнее, белкового комплекс внутри них — гемоглобина. При низком уровне гемоглобина ткани и органы плохо снабжаются кислородом, вы чувствуете слабость и дурноту. Примерно то же происходит при нормальном гемоглобине на большой высоте — организм обычного человека непривычен к пониженному содержанию кислорода.

Однако к высоте можно акклиматизироваться; а жители высокогорных зон и вовсе «акклиматизированы» тотально: при гипоксии организм выделяет гормон эритропоэтин, который запускает синтез эритроцитов. Больше эритроцитов — больше «сил» усвоить кислород из воздуха.

Описанный механизм гормонального контроля производства эритроцитов известен с XX века, но учёные не могли разобраться на генетическом уровне, как он запускается во время дефицита кислорода.

Грегг Семенза и Питер Рэтклифф независимо друг от друга исследовали ту часть ДНК, которая кодирует эритропоэтин.

Семенза обнаружил чувствительный к гипоксии белковый комплекс — он получил название HIF (hypoxia inducible factor, индуцируемый гипоксией фактор; здесь фактор — группа белков). Эти белки в случае недостатка кислорода связывались с ДНК, запуская синтез эритропоэтина, и в итоге количество красных кровяных телец увеличивалось.

Любой биологический процесс должен не только «включаться», но и «выключаться». С выключением HIF помог разобраться врач Уильям Кэлин, который и изначально занимался другими вопросами. Он исследовал ряд типов рака и обнаружил, что предрасположенность к ним частично обусловлена одним геном — VHL, который способен останавливать работу HIF. Это было недостающее звено — кислородный «тормоз», который уравновешивает «кислородный газ», контролируя уровень эритропоэтина.

Тифлокомментарий: цветной плакат под названием «Уровень кислорода и работа генов». Внутри бежевого овала с надписью «Клетка» голубой овал с надписью «Ядро», стрелками показан процесс движения молекул. Если в клетке есть кислород, то к голубой овальной молекуле белка HIF присоединяются три зеленые круглые молекулы кислорода. Затем к ним добавляется синяя овальная молекула VHL. Результат этого процесса — разложение белка HIF — показан в виде серого разорванного овала белка. Если кислорода в клетке нет, то белок HIF отправляется в ядро. Там он попадает на спираль ДНК, изображенную в виде оранжевой цепочки. К нему присоединяется овальная молекула с надписью «ARNT». В месте их соединения цепочка ДНК окрашена в красный цвет.

Члены нобелевского комитета считают, что открытие сегодняшних лауреатов — то, что войдёт в учебники биологии. Дети 12–13 лет будут изучать это, потому что это очень базовый аспект работы клеток.

СМОТРИТЕ ДАЛЬШЕ

Нобелевская премия по физике 2019 года состоит из двух очень разных кусочков. Оба касаются устройства Вселенной, однако один из учёных смотрел в неведомое силой мысли, а два других — с помощью телескопов. Оба достижения объединены идеей — и премией «За вклад в наше понимание эволюции Вселенной и места Земли в космосе». Канадец Джеймс Пиблс был награждён «за теоретические открытия в физической космологии», а швейцарцы Дидье Кело и Мишель Майор — «за открытие экзопланеты, вращающейся вокруг солнцеподобной звезды».

Джеймс Пиблс стоял у истоков современных представлений о Вселенной. Это один из «отцов» Большого взрыва. Он занимается теоретической космологией — наукой об изучении Вселенной какцелого — уже более полувека. И есть большой смысл в том, что награду он получил только сейчас — его теория обросла таким количеством свидетельств, что из краси- вой идеи превратилась в главную модель современной астрофизики и космологии. Конечно, у Большого взрыва есть только косвенные свидетельства, мы не можем его повторить. Однако его следы находят в космосе, а состояние материи в то время воссоздают на Земле в ускорителях элементарных частиц — коллайдерах.

Кело и Майор — астрофизики-практики. Учёные хорошо знают Солнечную систему и по аналогии предположили, что и у других звёзд есть планеты. Однако чтобы проверить эту гипотезу, экзопланеты — так называют все планеты вне Солнечной системы — нужно было пронаблюдать. Проблема в том, что они относительно маленькие и не светятся сами по себе, а лишь отражают свет звёзд, вокруг которых вращаются. Тогда учёные придумали искать следы планет по взаимодействию со звёздами. В частности, по признакам гравитационного взаимодействия, которое испытывают все тела во Вселенной — например, мы остаёмся на Земле, а не «падаем» с неё, а Луна «не уходит» от Земли. Однако мы очень малы и не оказываем заметного влияния на Землю или Солнце, зато это может сделать большая как Юпитер, но близкая к звезде планета.

И такая звезда (а точнее — её свет) для астрономов с Земли будет выглядеть колеблющейся. Так можно понять, что у звезды есть планета. Метод изящный, но технически не простой: одновременно со статьёй Майора и Кело об открытии вышел трагический обзор всех астрономических работ, пользовавшихся этим методом в течение 15 лет. Он гласил, что или метод не работает, или планет нет. Успех Майора и Кело вдохновил учёных возобновить поиски и открыть ещё несколько экзопланет такого типа. А сегодня существуют и другие методы, которые позволяют открывать и куда более маленькие планеты, похожие на Землю.

Тифлокомментарий: цветной плакат под названием «Поиск экзопланет методом радиальных скоростей». На плакате есть поясняющие надписи и условные обозначения звезды в виде желтого круга, экзопланеты в виде черного круга и центра масс в виде черного крестика. На схеме показаны два цилиндрических объекта, над каждым из них изображена звезда, к которой идет волнообразная линия. От объекта слева исходит голубая линия и надпись «Свет от приближающегося объекта голубее», от объекта справа — красная линия и надпись «Свет от удаляющегося объекта краснее». У первой звезды центр масс и экзопланета расположены по диагонали вниз вправо, у второй — по диагонали вверх влево. Орбиты звезд и экзопланет показаны линиями со стрелочками, идущими по кругу против часовой стрелки.

Подпись к изображению: Для наблюдателя звезда колеблется, потому что на нее влияет гравитация ее планеты. Скорость колебаний определяется с помощью эффекта Доплера: свет от движущегося объекта меняет цвет.

ЗАРЯДИТЕСЬ

Практическая значимость Нобелевской премии по химии этого года очевидна: литий-ионные аккумуляторы — это один из самых распространённых возобновляемых источников питания в мире. Их появление совершило революцию в нашей жизни. Более лёгкие и компактные, чем ранние типы аккумуляторов, они используются в портативной электронике. Это и смартфоны, и ноутбуки, и электросамокаты. Батареи такого типа могут сохранять значительное количество энергии солнца и ветра, что позволяет освободиться от использования ископаемых видов энергоносителей. Лауреаты по химии заложили основу беспроводного, свободного от полезных ископаемых общества.

Премию «За разработку литий-ионных аккумуляторов» получили Джон Гуденаф, Стэнли Уиттингем и Акира Ёсино, однако здесь стоит упомянуть ещё одно имя: Рашид Язами. Уиттингем в конце 1970-х сделал первые прототипы современных материалов для электродов — их главным свойством было впитывать и отдавать маленькие ионы лития, не меняя своей структуры. Джон Гуденаф довёл эту идею до совершенства в начале 1980-х — придумал кобальтат лития, который позволял запасать достаточно энергии и быстро заряжать аккумулятор, а также выдерживал много циклов зарядки. Это материал для катода («минус» на батарейке). Следующим был Рашид Язами — он предложил использовать графит в качестве анода («плюса»). Акира Ёсино собрал систему воедино и довёл до патента, а в 1991 году Sony произвела первую промышленную литий-ионную батарейку. Четыре открытия более чем за 20 лет, но Нобелевскую премию нельзя дать четырём людям, поэтому комитету пришлось делать сложный выбор.

Тифлокомментарий: цветной плакат под названием «Схема работы литий-ионного аккумулятора». На плакате есть поясняющие надписи и условные обозначения иона лития в виде красного кружка с плюсом и электрон в виде желтого кружка с буквой «е» в степени минус. Прямоугольный корпус аккумулятора поделен на 3 части. Слева желтая часть со знаком «минус», надписью «Графит» и уточняющей выноской с изображением кристаллических решеток с ионами лития. Центральная полая часть с надписью «Электролит» разделена напополам мембраной. Справа голубая часть со знаком «плюс», надписью «Оксид кобальта» и уточняющей выноской с изображением слоев с ионами лития. От левой к правой части по кругу идет линия — она обозначает движение ионов и электронов, в середине значок горящей лампочки и подпись «4V».

Подпись к изображению: Графит и оксид кобальта способны «впитывать», а потом отдавать электроны и ионы кобальта. Так происходит процесс зарядки и разрядки литий-ионного аккумулятора.

НАУКА ПРОДЛЕВАЕТ ЖИЗНЬ

Фамилия главного героя этой Нобелевской недели — Джон Гуденаф. Сама его фамилия словно предвещала ему награды — Good enough означает «достаточно хорош». Во-вторых, важность его работ так велика, что многие задавались вопросом, почему он до сих пор не получил премию — даже Clarivate Analytics числит его в претендентах с 2015 года. Кроме литий-ионных батареек, которые он сам не считает своей главной работой, он много сделал в области сверхпроводников и магнитных материалов и фактически заложил основы новой области знания — химии твёрдого тела, современного материаловедения. В-третьих, напряжённость ожидания подо- гревалась почтенным возрастом лауреата — он получил премию в 97 лет и поставил рекорд, став самым возрастным на момент присуждения премии нобелиатом. «Достаточно хорош» в 97 лет!