Сто лет одиночества

В научном мире первая половина октября - время знаменательное. Шведская королевская Академия наук объявляет новых лауреатов Нобелевских премий, бессменно остающихся на протяжении последних ста лет самыми высокими и престижными научными наградами в мире.

По традиции первыми становятся известны победители в области физиологии и медицины. Ими в этом году стали (фото 1, слева направо): американец Лиланд Хартуэлл (Leland Hartwell), британцы Тимоти Хант (Timothy Hunt) и Пол Нерс (Paul Nurse). Награда присуждена за исследования «ключевых регуляторов клеточного цикла», иначе говоря, за изучение молекулярных механизмов, управляющих развитием и репродукцией клетки. Нарушение этих механизмов, в частности, приводит к неконтролируемому делению клеток и образованию опухолей. Как отмечается в заявлении Нобелевской ассамблеи, фундаментальные работы новых лауреатов в перспективе «открывают новые возможности для лечения рака».

Работая с культурой дрожжей, Хартуэлл еще три десятка лет назад обнаружил группу генов, управляющих клеточным циклом, и в том числе так называемый «стартовый» ген, который инициирует процесс деления. Пол Нерс продолжил работу в том же направлении и в середине 70-х гг. выделил другой ген с аналогичными функциями управления различными этапами развития клетки. Позднее Нерс обнаружил один из его вариантов в геноме человека. Тимоти Хант, проводивший свои исследования в начале 80-х гг., выделил целый класс белков-циклинов, получивших такое название за то, что их уровень меняется в процессе клеточного цикла. Хант определил, что циклины контролируют активность генов, регулирующих деление клетки.

Высшую научную награду по химии разделят между собой американец Уильям Ноулз (William S. Knowles, фото 2) и японец Риодзи Нойори (Ryoji Noyori, фото 3), а вторая половина достанется американцу Барри Шарплессу (K. Barry Sharpless, фото 4). Работа этих ученых связана с созданием хиральных катализаторов: Ноулз и Нойори награждены за катализаторы реакции гидрирования (присоединения водорода), Шарплесс - за хиральные катализаторы реакции окисления (присоединения кислорода).

Так называемые хиральные молекулы могут существовать в виде двух модификаций (левой и правой), являющихся зеркальными отражениями друг друга. Две руки человека - хорошая аналогия для иллюстрации таких объектов. Большинство хиральных молекул - биологически активные вещества. При этом зачастую если одна из модификаций молекулы может быть лекарством для организма, то вторая - оказывает на него губительное воздействие. Причина этого состоит в том, что любое живое существо на Земле состоит только из L-изомеров (левых) аминокислот (т.е. кирпичиков, образующих белки) и из сахаров D-ряда (правых). До сих пор не ясно, почему природа выбрала для создания живых организмов именно эти хиральные модификации.

Многие химические соединения, которые теоретически способны быть неплохими лекарствами, представлены хиральными молекулами. Однако в процессе искусственного синтеза такого соединения невозможно получить только «правильную» модификацию молекулы; на выходе всегда будет смесь. А физические и химические свойства (в отличие от биологических) хиральных модификаций одной и той же молекулы почти идентичны, так что отделить «зерна от плевел» весьма трудно. Многие годы потенциально возможные лекарства не выходили на фармацевтический рынок именно из-за невозможности разделить «плохую» и «хорошую» модификации. Лауреатам Нобелевской премии по химии этого года удалось создать особые катализаторы, которые способны проводить химические реакции гидрирования и окисления только со строго определенной модификацией хиральной молекулы (что делает последующую процедуру разделения тривиальной задачей). Благодаря методикам ученых-лауреатов, которые были разработаны в конце 60-х годов прошлого века, в арсенале медиков появилось большое число новых высокоэффективных лекарств. В качестве примера можно привести препарат L-DOPA, широко используемый ныне для лечения болезни Паркинсона.

Зачастую Нобелевские премии дают маститым теоретикам и заслуженным экспериментаторам, сделавшим свои открытия многие годы назад. Однако в области физики на этот раз ее присудили за эксперименты, осуществленные не так давно - в 1995 году. Лауреатами первой в XXI веке Нобелевской премии по физике стали американцы (фото 5) Эрик Корнелл (Eric A. Cornell), Карл Виман (Carl E. Wieman) и немец Вольфганг Кеттерле (Wolfgang Ketterle, фото 6). Премия присуждена, по словам пресс-релиза Королевской Шведской Академии наук, «за получение конденсата Бозе-Эйнштейна из атомов разреженного газа щелочных металлов и за первые исследования физических свойств таких конденсатов».

Каждая элементарная частица обладает определенным спином - собственным моментом импульса - который характеризует ее вращение вокруг своей оси. Спин частицы может быть целым: 0, 1, 2…, либо полуцелым: 1/2, 3/2… В первом случае ее называют бозоном, и она подчиняется законам статистики Бозе-Эйнштейна, во втором - фермионом, подчиняющимся статистике Ферми-Дирака. Как было обнаружено теоретиками еще в 20-х годах прошлого века, эти два семейства частиц сильно отличаются друг от друга. Согласно представлениям квантовой механики, в каждой системе частицы могут обладать лишь определенным, дискретным набором значений энергии, при этом частицы с полуцелым спином (например, электроны) ведут себя «индивидуалистически»: на каждом энергетическом уровне может находиться не более одного фермиона с данной проекцией спина. Бозоны (например, нейтроны и протоны), наоборот, «коллективисты», т.е. все они стремятся попасть в одно и то же спиновое состояние.

Бозе обратил внимание на то, что из этой особенности можно вывести любопытную закономерность: если охладить систему атомов до температуры абсолютного нуля, то все бозоны «свалятся» на самый низкий, нулевой энергетический уровень, образуя своеобразный «ком», который ведет себя как одна частица. При этом получившееся вещество будет обладать весьма интересными и полезными свойствами, такими как сверхтекучесть (отсутствие сцепления с каким бы то ни было материалом), и сверхпроводимость (отсутствие сопротивления электрическому току). Такое состояние вещества назвали конденсатом Бозе-Эйнштейна.

Однако только спустя 70 лет формулы теоретиков были подтверждены в лаборатории. Главная проблема заключалась в том, что для получения конденсата Бозе-Эйнштейна необходимо достичь температуры, лишь на миллиардные доли градуса отличающейся от абсолютного нуля!

Эрик Корнелл (Национальный институт стандартов и технологий) и Карл Виман (Университет Колорадо) выбрали для работы атомы щелочного металла рубидия. Применяя особую технику охлаждения, заключающуюся в выделении наиболее «энергичных» (и, следовательно, «теплых») атомов и удалении их из системы с помощью магнитного поля, американские ученые смогли в июне 1995 года перейти предел конденсации и получить первый образец конденсата Бозе-Эйнштейна, содержащий всего две тысячи атомов рубидия, охлажденных до 0,00000002 градуса выше абсолютного нуля.

Вольфганг Кеттерле работал в Массачусетском технологическом институте независимо от своих коллег из Колорадо. Его статья всего на четыре месяца отстала от публикации Корнелла и Веймана. В своих экспериментах немецкому ученому удалось получить конденсат Бозе-Эйнштейна на основе натрия. При этом число атомов в конденсате было в сотни раз бОльшим, чем у Корнелла и Вимана, что позволило изучить его свойства. Кроме огромного научного значения, работы лауреатов имеют и практическую пользу. Предполагается, что применение конденсата Бозе-Эйнштейна в будущем совершит революцию в нанотехнологиях: винчестеры размером с пылинку и микро-роботы перестанут быть фантастикой.

Премию по литературе получил потомок индийских брахманов, британский прозаик родом из Тринидада В.С. Найпол (V.S.Naipaul) «за живое повествование и неподкупный взгляд» в описании современного мира, соединяющего различные традиции и культуры. И наконец, премия по экономике, учрежденная Банком Швеции в память Альфреда Нобеля досталась американским ученым Джозефу Стиглицу (Joseph E. Stiglitz), Джорджу Акерлофу (George A. Akerlof) и Майклу Спенсу (A. Michael Spence) за работы в области анализа рынков с асимметричной информацией.

В заключение остается добавить, что размер премии в этом году составил 10 млн. шведских крон (почти 950 тыс. долларов), а официальная церемония награждения лауреатов состоится 10 декабря в день смерти основателя премии Альфреда Нобеля.

[i41712]