Самоедство – на пользу. Что стоит за Нобелевскими премиями

Зачастую Нобелевские премии обсуждают на поверхностном уровне – кто такой лауреат, есть ли в его работах научная сенсация и «заслужил – не заслужил». А что же остается в сухом остатке? Попробуем разобраться, насколько интересны и практически полезны человечеству сами открытия, отмеченные в этом году наиболее почетными научными наградами мира.

Лауреат в области медицины и физиологии Ёсинори Осуми (Yoshinori Ohsumi), специалист по биологии клетки из Технологического университета Токио, был удостоен премии «за открытие механизмов аутофагии». Аутофагия (в переводе с греч. – «самоедство») – это процесс утилизации и переработки клеткой своих ненужных и «поломанных» частей – разного накопившегося в ней «мусора». При этом само явление было открыто еще в середине XX века, но именно Осуми выяснил, является ли оно контролируемым и какие гены отвечают за этот процесс.Японец многие десятилетия изучал механизмы аутофагии на обычных пищевых дрожжах, с помощью которых делают пиво. На этой излюбленной биологами модели для генетики высших организмов он и выявил нужные гены. Выяснилось, что они есть у всех организмов, клетки которых содержат ядро. Для чего организму нужна аутофагия? Так клетки очищаются, к примеру, от попавшей в них инфекции и от образовавшихся токсинов. Кроме того, при стрессе, например голоде, утилизация клеточного «мусора», подобно топливу, позволяет выработать энергию. То есть Осуми, а теперь и весь научный мир, подтвердил известный в церковной практике факт: голодать и поститься полезно, организм и вправду очищается. Постится ли сам нобелевский лауреат, точно неизвестно, но выглядит он в 71 год вполне подтянуто и моложаво. Между прочим, японские ученые, коллеги и продолжатели дела Осуми, считают, что аутофагия предохраняет организм от преждевременной старости и даже омолаживает за счет того, что создает новые клетки, выводит из организма дефектные и поврежденные элементы. А вот нарушения этого процесса ведут к болезни Паркинсона, диабету и даже раку. Вообще использование аутофагии как процесса переваривания клетки самой себя в контролируемых условиях имеет большие перспективы в медицине. По идее, если научиться активировать ее в нужных клетках, то это станет отличным способом лечения рака и других опасных болезней.  С Нобелевской премией по физике, присужденной трем британским физикам-теоретикам, работающим в США, – Дэвиду Таулессу (David James Thouless), Дункану Холдейну (Duncan Haldane) и Майклу Костерлитцу (John Michael Kosterlitz) за открытие топологических переходов и топологических фаз материи, не все так понятно. Прежде всего, что такое топология? Это раздел математики, занимающийся изучением свойств геометрических объектов, которые сохраняются при непрерывных преобразованиях. Например, кусок глины можно без разрыва превратить в тарелку, но не в бублик. Переход от одного топологического состояния в другое (от тарелки к бублику) всегда связан со скачком (разрывом, в данном случае дыркой) и, как оказалось, приводит к новым свойствам материи. Таулесс и Костерлитц доказали это на физическом уровне. Они продемонстрировали, что сверхпроводимость может наблюдаться в тонких слоях при низких температурах, и объяснили фазовый переход, который заставляет сверхпроводимость исчезать при более высоких температурах. Этот переход получил название перехода Березинского – Костерлитца – Таулесса. Увы, советский физик-теоретик Вадим Березинский, участвовавший в разработке теории, до получения Нобелевской премии не дожил. Топологические фазовые переходы принципиально отличаются от привычных фазовых переходов, когда, например, вода превращается в лед. Ведущую роль в топологическом переходе играют малые вихри в плоском слое. При очень низких температурах они образуют плотные пары. При нагреве, при определенной температуре происходит внезапное удаление вихрей друг от друга, что существенно меняет свойства материала. Такое нарушение порядка удобно описывать именно в рамках топологии. Так можно описать переход в сверхтекучее или сверхпроводящее состояние. Кстати, школьное деление на жидкое либо твердое, либо газообразное состояние вещества можно считать очень грубым: квантовые теоретики, используя новые математические методы, насчитали более 500 фазовых состояний материи! Топологический подход оказался вполне универсален для различных задач и типов материалов, в том числе с небывалыми свойствами. Например, при исследовании топологических изоляторов, изученных Холдейном, – веществ, которые сами по себе не проводят электрический ток, но на тонком слое поверхности превращаются в проводники. Проводящее состояние появляется из-за специфики распределения энергии электронов диэлектрика. Как отмечается в пресс-релизе Нобелевского комитета, нынешние лауреаты «открыли двери в неизвестный мир», в котором материя может находиться в необычном состоянии. Физики надеются, что топологические материалы будут востребованы в будущих квантовых компьютерах. Нобелевскую премию по химии француз Жан-Пьер Соваж (Jean-Pierre Sauvage), шотландец, работающий в США, сэр Фрезер Стоддарт (Fraser Stoddart)  и голландец Бернард Феринга (Bernard Lucas Feringa) получили ни много ни мало за проектирование и синтез молекулярных машин. Что за машины такие, спросите? В природе молекулярными машинами можно назвать, например, белок миозин. Он как бы скользит по другому белку, актину, меняя форму и взаимное расположение частей молекулы. Совместные акты множества молекул миозина сокращают мышцу. Лауреаты же синтезировали новые частицы, которые не встречаются в природе. Все трое работали по отдельности и открыли супрамолекулы (или надмолекулы). Это такая структура, которая не только сохраняет в себе свойства исходных молекул, из которых она составлена, но и приобретает новые. Когда на эти надмолекулы оказывают химическое или фотохимическое воздействие, их части начинают вращаться подобно деталям классических механизмов.Если говорить конкретно, то научная группа Жан-Пьера Соважа открыла катенаны: надмолекулярную структуру в виде двух сочлененных колец, напоминающих звенья цепи. Эти кольца могут вращаться друг относительно друга. Сэр Фрезер Стоддарт и его соавторы синтезировали ротаксаны: эти частицы имеют форму гантели с узкой центральной частью и с широкими частями по бокам, на которую надета другая молекула в форме кольца. А группе Бернарда Феринги принадлежит открытие первого молекулярного ротора – молекулы, которая под действием света начинает двигаться в заданном направлении. В 1999 году с помощью молекулярных моторов ученому удалось заставить вращаться стеклянный цилиндр, в 10 тысяч раз превышавший размер наномоторов.