Ритмы, волны, заморозка

Для любого, кто пишет о науке, первая неделя октября всегда особенная. С понедельника по среду Нобелевский комитет называет от трех до девяти лауреатов Нобелевской премии: сначала по физиологии или медицине, затем – по физике, завершая все химической премией.

В этом году решения, оглашенные на специальных пресс-конференциях в Стокгольме, были на любой вкус: совершенно неожиданное, абсолютно предсказуемое и более-менее «из лонг-листа». Самих же лауреатов оказалось максимальное количество, причем семь из девяти – американцы.

Физиология или медицина: премия за циркадные ритмы

Первой из большой тройки научных премий традиционно присуждается премия по физиологии или медицине. Почему-то в русском языке принято писать союз «и» в названии этой премии, однако в завещании Альфреда Нобеля черным по белому написано «или».

Эта премия, как и все остальные (не считая премии по экономике, которая на самом деле премия памяти Нобеля), присуждается с 1901 года. Однако за 117 лет по всем дисциплинам было присуждено разное количество премий (меньше 117 – то война помешает, то Нобелевский комитет не договорится). Если говорить о «медицинской» премии, то из 108 премий за всю историю было лишь две российские – и два лауреата. Иван Павлов получил премию единолично в 1906 году, а Илья Мечников, к тому времени уже работавший в Париже, разделил с Паулем Эрлихом премию 1908 года. Нужно сказать, что из всех «научных» Нобелевских премий этого года, премия по медицине – самая непредсказуемая. Ни один эксперт не смог угадать даже область, на которую обратят свои взоры члены Нобелевского комитета. Что неудивительно – премия в области сна и бодрствования, циркадных ритмов вручается впервые за всю историю Нобелевских премий.

Научный путь к премии 2017 года «за открытия молекулярных механизмов, контролирующих циркадные ритмы», которую получили Майкл Янг из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке, Майкл Росбаш из Университета Брэндейса и Джеффри Холл из Университета штата Мэн, начался еще 2350 лет назад. Именно тогда сопровождающий Александра Македонского ученый обнаружил, что индийский фикус меняет положение листьев днем и ночью.

Следующий шаг сделали 2080 лет спустя: астроном Жан де Меран провел опыт с мимозой, показав, что она, как и многие растения, «открывает» листья днем и «закрывает» ночью, даже если ее оставить в темноте на несколько суток. То есть внутренние «часы» прошиты внутри организма, а не регулируются внешними признаками. Впрочем, окончательно это смогли подтвердить только в 1984 году изящным экспериментом с отправлением модельного организма на орбиту, где сутки длятся полтора часа.

Дальше стало интереснее: в 1970‑х годах американцы Сеймур Бензер и его ученик Рональд Конопка, работавшие в Калифорнийском технологическом институте, приступили к поискам мутантных плодовых мушек с измененными циркадными ритмами. Достаточно быстро, используя химические мутации, они вывели мух, у которых «внутренний день» длился 29 часов, 19 часов и вообще без смены дня и ночи, показали, что существует ген, который отвечает за все это, и назвали его period. Увы, эти нейробиологи не дожили до Нобелевской премии: Бензер умер в 2007 году, Конопка – в 2015‑м.

И вот только теперь настало время для лауреатов. До них было неизвестно, как работает этот самый ген циркадных часов на молекулярном уровне.

Джеффри Холл и Майкл Росбаш решили, что белок PER, который кодируется геном period, каким-то образом блокирует работу гена по производству этого белка. Им удалось показать, что белок накапливается в ядре клетки за ночь и «рассасывается» днем, однако как ему это удается, осталось загадкой.

Майкл Янг сумел открыть еще один ген,Оказалось, что этот ген кодирует белок TIM. И только объединившись, белки TIM и PER проникают в ядро и блокируют ген period.

Так появилась основа изящного молекулярного механизма, который работает в наших клетках, является самоподдерживающимся и самоподстраивающимся под внешние условия. Дальнейшие исследования лауреатов выявили новые гены и новые белки, которые поддерживают работу этого механизма. Например, белки, с помощью которых свет синхронизирует биологические часы или при резкой смене часовых поясов вызывает джетлаг – несовпадение ритма человека с дневным ритмом, вызванное быстрой сменой часовых поясов при перелете на самолете.

Премия по физике: самая предсказуемая и самая «российская»

Нобелевскую премию по физике можно с полным правом назвать самой российской: «наших» лауреатов здесь больше, чем всех лауреатов Нобелевской премии из России и СССР, вместе взятых, даже если считать литературу и премию мира. Посудите сами: 1958 год – Илья Франк, Павел Черенков и Игорь Тамм, 1962 год – Лев Ландау, 1964 год – Александр Прохоров и Николай Басов, 1978 год – Петр Капица, 2000 год – Жорес Алферов, 2003 год – Виталий Гинзбург и Алексей Абрикосов, 2010 год – Андрей Гейм и Константин Новоселов. Дюжина!

Так случилось, что и премия 2017 года, помимо того что она оказалась самой предсказуемой, тоже имеет российский след. Но это потому, что открытие, отмеченное премией, стало результатом работы огромной экспериментальной установки и труда десятков научных групп, среди которых и наши соотечественники, в том числе и группа из Нижнего Новгорода во главе с новоиспеченным президентом Российской академии наук Александром Сергеевым. Что же такого открыл Кип Торн (он, помимо того что привлек Голливуд к популяризации науки фильмом «Интерстеллар», еще и самый авторитетный теоретик в области гравитации) вместе с Райнером Вайссом и Барри Баришем?

Для того чтобы понять объекты исследований этой троицы, перенесемся на век назад, в 1915 год, когда была опубликована Общая теория относительности Альберта Эйнштейна, тоже будущего нобелевского лауреата. В этой теории гравитация предстала как некое искривление пространства-времени, а движение массы с некоторыми типами ускорения (не любыми, говоря языком физики, при нужном нам ускоренном движении должен нарушаться так называемый квадрупольный момент) вызывает появление движущейся со скоростью света «ряби» пространства. Если говорить совсем «на пальцах», то в момент прохождения через нас гравитационной волны мы в одном направлении чуть-чуть растягиваемся, а в другом – чуть-чуть сжимаемся. Так, круг становится на некоторое время эллипсом, растягиваясь и сжимаясь на бесконечно малую, недоступную для измерения величину.

В 1957 году еще один нобелевский лауреат, Ричард Фейнман, доказал, что гравитационные волны – это не некий математический артефакт, а реальный объект, переносящий энергию. И в 1974 году Джозеф Тейлор-младший и Рассел Халс открыли новый тип двойных пульсаров, период излучения которых медленно затухал. Физики показали, что это затухание происходит благодаря тому, что гравитационные волны уносят энергию от этих объектов. Так были косвенно открыты гравитационные волны, и это открытие принесло Нобелевскую премию 1993 года. Но это все же косвенные улики. Физикам, конечно же, хотелось прямого детектирования. И как раз в середине 1970‑х годов Кип Торн, Райнер Вайсс и Рональд Древер задумали грандиозный эксперимент по детектированию гравитационных волн. Принцип был простой, но очень сложно технически реализуемый: внутри интерферометра лучи лазера строго определенной длины волны движутся по разным оптическим путям, которые называются плечами интерферометра, а затем объединяются. Поскольку лучи имеют одну длину волны, они интерферируют между собой: там, где их фазы колебаний совпадают, свет усиливается, там, где они в противофазе, ослабевает. Небольшое изменение длины плеча изменяет картинку интерференции – меняется пройденный путь, а с ним меняется и фаза волны. То есть, если сквозь интерферометр пройдет гравитационная волна, мы сумеем по изменению картинки ее увидеть. Первые эксперименты по построению лазерного интерферометра, ставшего основой будущей LIGO – лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории, начал Рональд Древер, увы, несколько месяцев не доживший до премии. Длительной чередой усовершенствований авторам удалось создать современную LIGO, где при помощи сложной системы зеркал в четырехкилометровые «физические» плечи «упаковать» более 1000 километров пути лазерного луча. «Базовую» обсерваторию возглавил Барри Бариш.

На самом деле LIGO – это два интерферометра-близнеца, расположенных на расстоянии 3002 километра на противоположных концах США. Это нужно для того, чтобы понять, что мы действительно видим гравитационную волну – если это она, то обе обсерватории должны зафиксировать сигнал одинакового характера с разницей до 10 микросекунд.

И вот 14 сентября 2015 года LIGO почувствовала первый и очень сильный сигнал: гравитационные волны, которые пришли с расстояния более миллиарда световых лет от слияния двух черных дыр массами 29 и 36 масс Солнца. О грандиозности этого события говорит хотя бы то, что образовавшаяся черная дыра имела 62 массы Солнца, а излученная в течение нескольких микросекунд энергия – эквивалент трех солнечных масс!

Сейчас к LIGO присоединилась европейская Virgo, которая уже успела зарегистрировать один сигнал совместно с американскими партнерами. Мир вступает в эпоху гравитационно-волновой астрономии – последнее «окно во Вселенную», которое оставалось распахнуть астрономам.

Премия по химии: заморозка, ускорившая биологию

Если говорить о нашей стране, то премия по химии оказалась самой неудачной для России и СССР: всего один раз наш соотечественник получал престижную награду из рук короля Швеции: в 1956 году лауреатом стал Николай Семенов за свою теорию разветвленных цепных реакций. У нас был шанс и в этом году – например, за открытие острова стабильности Юрием Оганесяном, в честь которого и 118‑й элемент-то назвали. Но не случилось.

Что касается лауреатов премии по химии 2017 года, то явными фаворитами они не были. Но сам метод криоэлектронной микроскопии, за который удостоены награды Жак Дюбоше из Университета Лозанны, рожденный в Германии Иоахим Франк из Университета Колумбии в Нью-Йорке и шотландец Ричард Хендерсон из лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, эксперты называли.

Итак, что же это за метод, и почему премия присуждена абсолютно по делу? Начнем с того, что современная органическая химия способна довольно быстро и точно устанавливать структуры органических молекул, если они достаточно простые. Масс-спектрометрия, ядерный магнитный резонанс, другие варианты. С большими биомолекулами такое не пройдет. Слишком они велики, и слишком много значит их пространственная структура.

По-хорошему, до появления метода криоэлектронной микроскопии у молекулярных биологов и биохимиков был один более-менее надежный метод установить структуру, например, большого белка: нужно было получить кристалл этого белка, а затем провести рентгеновское исследование. За разработку методов рентгеновской кристаллографии биомолекул Дороти Кроуфут Ходжкин получила Нобелевскую премию по химии 1964 года, а в 2009 году стала лауреатом израильтянка Ада Йонат, применившая этот метод к изучению структуры рибосомы, – две женщины из четырех лауреатов‑химиков за всю историю.

Другое дело, что рентгеновская кристаллография не изучает структуры молекул в их естественном или, как говорят биологи, нативном состоянии: ведь в организме кристаллов белков нет. Конечно, заманчиво было бы попробовать посмотреть биомолекулы под электронным микроскопом, в который тоже видны атомы, но поток электронов разрушает все. А если сделать его более слабым, то разрешение будет недостаточным.

Британец Ричард Хендерсон изучал мембранные белки – основной тип рецепторов в клетке, которые проходят сквозь клеточную мембрану. Кристаллография тут бесполезна: если «вынуть» белок из мембраны, то он станет бесформенным клубком. Ученый попробовал сканировать белок прямо в мембране при помощи электронного микроскопа. Результат оказался многообещающим, но на усовершенствование метода пришлось потратить 15 лет. Первая достойная структура была снята в 1990 году. Но что дальше? Кроме мембранных белков есть еще другие, и их гораздо больше.

Иоахим Франк в США разработал алгоритм обработки данных, благодаря которому оказалось возможным отличать случайно расположенные, но одинаковые молекулы белков от фонового шума.

Последний же важнейший шаг в создании нового метода сделал Жак Дюбоше, который придумал, как можно «зафиксировать» для электронной микроскопии любую биомолекулу, а не только уже зафиксированный в мембране белок-рецептор. Оказывается, можно мгновенно заморозить белок в растворе жидким азотом.

Сейчас криоэлектронная микроскопия уже совершила революцию в структурной биологии, и ни одно крупное исследование работы клетки не обходится без нее. Есть у этого метода и чисто практическое применение: с помощью CryoEM – так сокращается его название – можно, например, изучать структуру комплексов новых кандидатов в антибиотики с мишенью большинства антибактериальных препаратов: рибосомой бактерии.