Антисиняя сила

Изобретатель динамита Альфред Нобель рассчитывал, что основанная им премия будет вручаться за самые крупные достижения истекшего года.

Изобретатель динамита Альфред Нобель рассчитывал, что основанная им премия будет вручаться за самые крупные достижения истекшего года. Увы, оценить открытие по горячим следам непросто, поэтому в уставе появилась оговорка, что при необходимости можно давать премии задним числом. Со временем исключение превратилось в норму: нобелевки, как правило, удостаиваются уже немолодые исследователи, чьи открытия заняли видное место в истории науки.

Не стал исключением и нынешний год, когда Нобелевский комитет в сто третий раз объявил лауреатов самой престижной премии, вручающейся за выдающиеся достижения в области физики, химии, физиологии и медицины (лауреаты премии мира, а также в области литературы и экономики названы уже после того, как этот номер отправился в печать).

Физика

Премия по физике присуждена трем американским ученым, Дэвиду Гроссу (David Gross, фото 1), Дэвиду Политцеру (David Politzer, фото 3) и Франку Вилчеку (Frank Wilczek, фото 2), «за открытие асимптотической свободы в теории сильного взаимодействия».

Гроссу 63 года, он профессор теоретической физики в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. 55-летний Политцер преподает в Калифорнийском технологическом институте, а самый молодой лауреат — Франк Вилчек (53 года) — профессор Массачусетского технологического института.

В 1973 году нынешние лауреаты (Вилчек и Политцер были в то время аспирантами) опубликовали две статьи, которые заложили основу современной квантовой хромодинамики, а именно теорию сильного взаимодействия между кварками, из которых состоят мезоны и барионы (в их число входят протон и нейтрон). Квантовая хромодинамика завершила Стандартную модель физики элементарных частиц, которая до сих пор успешно объясняет все известные эксперименты физики высоких энергий.

В своих революционных статьях Вилчек и Политцер впервые описали сильное взаимодействие с помощью теории, очень похожей на хорошо развитую к тому времени теорию электрослабого взаимодействия. Это дало возможность рассчитать процессы взаимодействия между кварками и объяснить непонятные результаты экспериментов.

Ключевым моментом теории стало необычное для того времени предположение, что переносчики сильного взаимодействия между кварками — безмассовые частицы глюоны — взаимодействуют не только с кварками, но и между собой. Это принципиально отличало глюоны от переносчика электромагнитного взаимодействия — фотона и от пока не обнаруженного переносчика гравитационного взаимодействия — безмассового гравитона. Фотоны, как известно, не взаимодействуют между собой, а только с частицами, обладающими электрическим зарядом. Такое поведение глюонов объясняло, почему сила взаимодействия между кварками ослабевает при их сближении и, наоборот, возрастает при удалении пропорционально расстоянию между частицами. Вдобавок стало ясно, почему кварки никогда не удается «выбить» из протонов или нейтронов и наблюдать как свободные частицы.

Уникальное свойство сильного взаимодействия ослабевать при уменьшении расстояния между частицами резко отличает его от гравитационных и кулоновских сил, возрастающих обратно пропорционально квадрату расстояния, и приводит к тому, что сблизившиеся высокоэнергичные кварки ведут себя почти как свободные частицы. Это явление, названное асимптотической свободой, позволило ученым применять стандартную теорию возмущений и успешно решать сложные нелинейные уравнения квантовой хромодинамики.

Квантовая хромодинамика учит, что у кварков, помимо обычного электрического заряда, который имеет дробное значение –1/3 или +2/3, существует еще и три «цветных» заряда — красный, зеленый и синий. Каждый из шести кварков должен обладать одним из этих трех цветов, а соответствующие им шесть антикварков — одним из трех антицветов (точно так же, как электрон имеет отрицательный электрический заряд, а его античастица — позитрон — положительный). Каждый из восьми глюонов не имеет массы и электрического заряда, зато обладает одним цветным зарядом и одним цветным антизарядом. Взаимодействуя с кварком, глюон меняет его цвет. Например, глюон с красным зарядом и синим антизарядом переводит синий кварк в красный. При взаимных превращениях частиц цветной заряд, как и электрический, сохраняется.

Сами по себе наблюдаются только «белые» частицы. Например, в составе трехкварковых протонов и нейтронов один кварк обязательно должен быть синим, другой красным, а третий зеленым — по сумме цветов барион получается белым. А в состоящих из кварка и антикварка мюонах, если кварк, например, синий, то антикварк должен быть антисиним. Этот закон «белизны» является еще одной причиной, по которой кварки никогда не встречаются по отдельности. Такая удивительная «цветная» теория прекрасно объясняет все эксперименты, в которых наблюдаются взаимные превращения и распады нескольких сотен известных мюонов и барионов.

Вклад Гросса, Политцера и Вилчека в создание квантовой хромодинамики существенно изменил наши представления о том, как работает одна из четырех фундаментальных сил природы, и позволил сделать еще один шаг к давнишней мечте «продвинутых» физиков — созданию Единой Теории Всего. — Г.А.

Медицина, химия

Премия по физиологии и медицине 2004 года тоже присуждена американцам: 58-летнему Ричарду Акселю (Richard Axel, Университет Колумбии) и 57-летней Линде Бак (Linda Buck, Институт изучения рака им. Ф. Хатчинсона в Сиэтле). Работа лауреатов, посвященная изучению обонятельных рецепторов и организации системы органов обоняния, была опубликована в 1991 году.

«Химическая» награда досталась израильско-американской команде — Аарону Цихановеру (Aaron Ciechanover, 57 лет) и Аврааму Гершко (Avram Hershko, 67 лет) из института «Технион» в Хайфе (фото 4), а также 78-летнему патриарху Ирвину Роузу (Irwin Rose, фото 5) из Калифорнийского университета в Ирвине. Их исследования, опубликованные в 80-х годах, посвящены механизму уничтожения ненужных белков в клетках.

Любопытно, что обе премии присуждены за работы, исследующие молекулярные механизмы, которые лежат в основе биологических процессов. После эйфории от того, что мы узнали, из каких молекул построена жизнь, наступило отрезвление, вызванное головокружительной сложностью функционирования биологических систем. Поэтому изыскания, раскрывающие механизм работы той или иной молекулярной «машинки», следует оценивать по достоинству. Хотя… ощущения научной революции достижения нынешних нобелевских лауреатов не оставляют. Это добротные исследования, выполненные в рамках общей научной парадигмы.

Чем же примечательны отмеченные работы?

Аксель и Бак (фото 6) изучали самый сложный из наших органов чувств. Ученые экспериментировали на мышах, но их выводы вполне применимы и к человеку. Благодаря компактной химической лаборатории в дыхательных путях (рис. 7) мы способны различать около десяти тысяч типов пахучих молекул. Тысяча генов (примерно 3% от общего количества) человека отвечает за функционирование органа обоняния. Под их управлением развивается система, состоящая из аналогичного числа разновидностей клеток-рецепторов. В каждом типе рецепторов синтезируются белки, позволяющие реагировать на определенное количество молекул. Мозг анализирует, какие рецепторы среагировали на то или иное вещество, и формирует уникальный образ запаха.

Для сравнения можно указать, что зрение, благодаря которому человек получает львиную долю информации, связано с работой всего лишь четырех типов рецепторов (трех чувствительных к свету с определенной длиной волны и еще одного, реагирующего на весь видимый спектр). Сложность обоняния, кстати, — одна из причин, не позволяющих виртуальной реальности толком «обрести аромат». Это чувство, как отметил Нобелевский комитет, оказывает сильное влияние на эмоциональную жизнь.

Одно из возможных применений работы Цихановера, Гершко и Роуза — создание искусственных биосенсоров, копирующих работу обонятельного рецептора.

Нынешняя премия по химии тесно связана с биологией. Человеческая клетка содержит около 100 тысяч различных белков. Основное внимание обычно уделяется их синтезу (с этой темой связано не менее пяти Нобелевских премий), но не менее интересно и их разрушение. Удивительно, что хотя усвоение пищевых белков идет с высвобождением энергии, утилизация собственных белков требует ее расхода. Лауреатам удалось показать, что в процессе утилизации с обреченным белком связывается «черная метка» — состоящий из 76 аминокислот полипептид убиквитин.

Маркированный белок доставляется в протеосому — специализированную органеллу, где он расщепляется на аминокислоты. Последние могут использоваться как строительные блоки при производстве новых белков. Понимание описанного механизма может быть полезно для лечения ряда заболеваний, позволяя сократить или повысить содержание того или иного белка в клетке.

Отметим, что немалая часть работы была выполнена по субботам, которые Гершко и Цихановер проводили у Роуза в Филадельфии. Через двадцать с лишним лет нарушение запрета на работу в Шабат принесло ученым самую авторитетную премию в мире науки.

Интересно, а когда будут награждаться исследования, выполненные в 2004 году? — Д.Ш.