Нобелевские премии года 2011 года

Третьего октября Нобелевская ассамблея Каролинского института сообщила о награждении профессора Страсбургского университета, экс-президента Французской академии наук и иностранного члена РАН Жюля Хоффмана, руководителя Отделения генетики калифорнийского Института Скриппса Брюса Алана Бётлера — «за открытия, касающиеся активации врожденного иммунитета», и профессора Рокфеллеровского университета Ральфа Марвина Стейнмана, скончавшегося 30 сентября от рака поджелудочной железы (в последние десятилетия Нобелевские премии не присуждают посмертно, однако во время голосования Стейнман еще был жив) — «за открытие дендритных клеток и их роли в приобретенном иммунитете».

Одна из главных задач иммунологии состоит в изучении механизмов, посредством которых организм реагирует на биохимические сигналы, поступающие из окружающей среды. Исследования Хоффмана и Бётлера прояснили, каким образом животные, в том числе и человек, распознают липополисахариды — длинные молекулы, состоящие из углеводов и жировых остатков. Эти биополимеры содержатся в клеточных стенках грамотрицательных бактерий, таких как кишечная палочка, сальмонелла и возбудитель чумы. При попадании в кровь липополисахариды вызывают различные острые реакции — в частности, резко повышают температуру и снижают артериальное давление. Поэтому их давно причислили к эндотоксинам, одной из разновидностей бактериальных ядов. В конце 1980-х годов американский иммунолог Чарльз Джейнвэй предположил, что организм обладает специализированными рецепторами, которые распознают опасные вещества бактериального происхождения и мобилизуют иммунную систему на защиту от этих токсинов. Отсюда следовало, что должны существовать рецепторы, реагирующие на липополисахариды. Работы Хоффмана и Бётлера привели к открытию этих рецепторов.

Хоффман и его коллеги изучали иммунные реакции мух-дрозофил. В ходе этих исследований они пользовались мутантными линиями этих насекомых, полученными в лаборатории крупного немецкого биолога Кристиан Нусслайн-Фольхард, лауреата Нобелевской премии 1995 года. Одна из этих линий несла мутацию гена Toll, вызывающую специфические аномалии эмбрионального развития. Ученые подозревали, что молекулярные сигналы, управляющие формированием брюшной и спинной стороны эмбриона, сходны с сигналами, запускающими иммунную систему. Поэтому Хоффман решил проверить, не задействован ли ген Toll в ее работе. Он выяснил, что мутантные мухи гибнут от грибка Aspergillus fumigatus, против которого бессильна их иммунная система. Как оказалось, ген Toll запускает синтез одноименного белка-рецептора, который располагается на внешней мембране клеток дрозофил и вместе с другим протеином участвует в распознавании грибковых клеток и активировании иммунной системы. Это открытие в 1996 году было опубликовано в журнале Cell.

В середине 1990-х годов гомологи рецептора Toll нашли и у млекопитающих, их назвали толл-подобными рецепторами (Toll-like receptors, TLR). Однако поначалу никто не знал, распознают ли они патогенные микробы. Ответ на этот вопрос был найден в лаборатории Бётлера. Его сотрудники в течение нескольких лет изучали развитие септического шока у мышей при заражении грамотрицательными бактериями. Были основания предполагать, что за возникновение шока отвечает рецептор, реагирующий на липополисахариды. Бётлер и его сотрудники выявили и этот рецептор, и его ген. Он относится к семейству толл-подобных рецепторов, где ему присвоен четвертый номер (TLR-4). Тем самым команда Бётлера подтвердила гипотезу Джейнвэя и проложила путь к пониманию роли TLR в иммунных реакциях.

К настоящему времени у млекопитающих обнаружено уже тринадцать толл-подобных рецепторов, причем десять из них — у человека. Они распознают не одни лишь липополисахариды, но и другие биомолекулы, в частности, нуклеиновые кислоты вирусов и бактерий. Эти рецепторы задействованы в работе обоих видов иммунитета: врожденного неспецифического, которым обладают все животные, и специфического, который имеется лишь у позвоночных (такой иммунитет, который также называют адаптивным, приобретается и закрепляется в результате контакта организма с окружающей средой). Открытие и изучение функций TLR заметно ускорило прогресс иммунологии.

Ральф Стейнман обнаружил неизвестную ранее разновидность клеток, причастных к формированию адаптивного иммунитета. Таких клеток уже открыто великое множество, хотя, по всей вероятности, далеко не все. Называются они иммунокомпетентными клетками, или иммуноцитами. Функции иммуноцитов разнообразны: одни нейтрализуют или уничтожают интервентов, вторгающихся в организм, вторые им в этом помогают, третьи хранят информацию о непрошеных гостях и обеспечивают организм иммунологической памятью. Есть также клетки, которые перерабатывают чужеродные вещества-антигены и представляют их фрагменты для распознавания другим иммуноцитам (эти клетки также секретируют биологически активные молекулы, активирующие их партнеров по иммунной защите, Т-лимфоциты и В-лимфоциты). Стейнман с начала 1970-х искал такие вспомогательные клетки (accessory cells). В 1973 году он и Занвил Кон сообщили, что обнаружили в селезенке мышей ранее неизвестные клетки этого типа, имеющие на внешних мембранах многочисленные выросты, похожие на древесные сучья. Из-за этого сходства он назвал их дендритными. Стейнман экспериментально доказал, что дендритные клетки запрограммированы на выработку цитокинов, сигнальных веществ, активирующих Т-лимфоциты. Сейчас известно, что дендритные клетки патрулируют в тканях и органах млекопитающих и отслеживают появившиеся антигены. Есть у них и иные иммунологические функции, так что это клетки-многостаночники. Следует отметить, что стратегия поведения, избираемая дендритными клетками, зависит и от химических сигналов, полученных с помощью толл-подобных рецепторов.

Исследования Стейнмана, Хоффмана и Бётлера изначально проходили по ведомству фундаментальной науки, однако со временем они привели к разработке нескольких экспериментальных вакцин, в том числе и противораковых. Результаты опытов на животных позволяют надеяться, что на основе этих открытий будут созданы новые методы лечения аутоиммунных заболеваний и подавления воспалительных процессов. В общем, это исследование — золотое дно, сокровища которого еще далеко не исчерпаны.

Нобелевскую премию по физике Королевская академия наук Швеции присудила астрофизику из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли Солу Перлмуттеру, профессору Университета Джонса Хопкинса Адаму Риссу и профессору Национального университета Австралии Брайану Шмидту «за открытие ускоряющегося расширения Вселенной, осуществленное в ходе наблюдения далеких сверхновых».

Со второй половины 1960-х годов в науке доминирует концепция горячего рождения Вселенной в результате Большого взрыва, дополненная в 1980-х теорией космологической инфляции. С этого времени мало кто сомневался, что Вселенная эволюционирует в соответствии с математическими моделями, построенными в 1920—1930-х годах на базе общей теории относительности. Согласно этим моделям, пространство может быть либо плоским, евклидовым, либо иметь кривизну (отрицательную или положительную). В первом и втором случаях Вселенная обречена на вечное расширение и охлаждение, в третьем — на последующее сжатие к начальному сверхгорячему состоянию. Выбор конкретного сценария зависит от величины средней плотности космической материи, которую можно получить только из наблюдений.

Тут-то и возникла проблема. Со временем астрономы все больше и больше убеждались, что мы живем в плоской Вселенной. Такое мироздание лучше всего описывает космологическая модель, которую в 1932 году совместно построили Альберт Эйнштейн и голландский астроном Виллем де Ситтер. Согласно этой модели и результатам измерений постоянной Хаббла, возраст Вселенной получался около 10 млрд лет, а это заведомо меньше возраста древнейших звездных скоплений. С другой стороны, согласно тогдашним данным, во Вселенной явно недоставало материи, чтобы обеспечить ей плоскую геометрию. Что-то было не так, но что именно — непонятно.

Нобелевские премии 2011 года как раз и увенчали достижения двух коллективов, определявших расстояния до сверхновых звезд типа Ia, обладающих почти стабильной пиковой светимостью. Это исследование обещало уточнить как значение постоянной Хаббла, так и среднюю плотность космической материи. Первая группа, Supernova Cosmology Project, которую возглавлял Перлмуттер, приступила к работе в 1988 году. Вторая команда под руководством Шмидта, High-z Supernova Search Team, была собрана шестью годами позже. Эта группа измерила видимую яркость и красное смещение шестнадцати сверхновых, причем основную работу по анализу полученных данных выполнил Рисс. Группа Перлмуттера обработала аналогичную информацию по сорока двум сверхновым. Статья коллаборации High-z Supernova Search Team появилась в печати в сентябре 1998 года, статья команды Перлмуттера — в июне 1999-го.

Обе группы пришли к заключению, что от очень дальних сверхновых к нам приходит меньше света, нежели предписано моделью Эйнштейна — де Ситтера. Отсюда следует, что Вселенная расширяется быстрее, чем позволяет эта модель (и даже быстрее, чем если бы в космосе вообще не было гравитирующей материи!). Адам Рисс первым понял, что возникший парадокс можно объяснить, предположив, что в космическом пространстве действует не только тяготение, но и антигравитация. Эту возможность в свое время рассматривали классики космологии Эйнштейн, де Ситтер, Фридман и Леметр, но потом о ней благополучно забыли.

Американский физик-теоретик Майкл Тернер предложил назвать источник космической антигравитации темной энергией. В последующие годы результаты измерений спектра реликтового излучения позволили выяснить, что ее плотность почти втрое превосходит общую плотность обычной и темной материи и электромагнитного излучения, причем сумма всех этих плотностей дает именно столько, сколько нужно для плоской Вселенной. После Большого взрыва гравитирующая материя еще долго превалировала над темной энергией, и Вселенная расширялась с замедлением скорости. Однако плотность материи при этом уменьшалась, и примерно 5−6 млрд лет назад антигравитация победила. Так что исследования новых нобелевских лауреатов устранили возрастную аномалию Вселенной и обосновали ее евклидову геометрию.

В номинации «химия» шведская Академия наук в 2011 году назвала всего одного лауреата — профессора Технологического института Израиля Дэна Шехтмана «за открытие квазикристаллов», сделанное 8 апреля 1982 года в лаборатории американского Национального института стандартов (NIST). В тот судьбоносный день Шехтман проводил электронное просвечивание затвердевшего при быстром охлаждении расплава 86% алюминия с 14% марганца. Полученные результаты настолько противоречили азам науки о кристаллах, что поначалу им практически никто не поверил, а Шехтмана просто уволили из NIST. Ему и троим его коллегам, помогавшим ему с интерпретацией данных, удалось опубликовать свои выводы лишь в ноябре 1984 года.

Сплав, которым занимался Шехтман, выглядел необычно, однако главный сюрприз принесла электронная микроскопия, показавшая группы из десяти светлых точек, лежащих на концентрических окружностях на равных угловых расстояниях друг от друга. Такая дифракционная картина позволяла предположить, что атомная решетка сплава не изменяется при повороте на 36 градусов. Однако в тогдашних учебниках по кристаллографии писали, что кристаллических структур с такой вращательной симметрией не бывает. В то время считали, что любой кристалл состоит из одинаковых элементарных ячеек, которые переходят друг в друга при дискретных параллельных сдвигах вдоль трех пространственных осей (не обязательно взаимно перпендикулярных). Еще в конце XIX века было показано, что подобные решетки воспроизводят себя лишь при повороте на углы, кратные 180, 120, 90 и 60 градусам, и ни на какие иные. Шехтман наблюдал и другие странные дифракционные картины, не укладывавшиеся в привычные рамки.

Вскоре после публикации работы Шехтмана и его соавторов появилась статья физиков-теоретиков из Пенсильванского университета Дона Левина и Пола Стейнхардта, в которой эти картины получили теоретическое объяснение. Оно заключалось в том, что решетка шехтмановского сплава складывается не из одной, а из двух или нескольких различных элементарных ячеек, размеры которых соотносятся как иррациональные числа. Поэтому параллельные переносы решетки описывают не периодические, а квазипериодические функции. Эта гипотеза оказалась исключительно плодотворной для понимания свойств подобных решеток, которые Левин и Стейнхардт назвали квазикристаллическими. Одно из ее следствий заключается в том, что обычные кристаллы — частный случай квазикристаллов. Она объясняет и наличие дальнего порядка в квазикристаллах, и их нестандартные вращательные симметрии.

Профессор Принстонского университета Пол Стейнхардт, известный и своими трудами по космологии, рассказал «ПМ», что в 1981 году заинтересовался переохлажденными жидкостями. Оказалось, что их молекулы на небольших расстояниях друг от друга выстраиваются в структуры с необычными вращательными симметриями. Стейнхардт предположил, что такие структуры в принципе могут распространяться и на куда большие расстояния, то есть формировать не ближний, а дальний порядок. К 1984 году он и Дон Левин на основе этой идеи пришли к концепции трехмерных квазикристаллов и теоретически вычислили их дифракционные свойства. Увидев только что опубликованную статью Шехтмана, они поняли, что описанные там дифракционные картины похожи на их модель. Они написали статью Quasicrystals: A New Class of Ordered Structures, которая вскоре появилась в том же журнале Physical Review Letters, что и работа Шехтмана.

Физические причины появления квазикристаллических структур до сих пор не выяснены, хотя моделей хватает, и порой весьма экзотических (например, квазикристалл можно математически представить как трехмерное сечение нормального кристалла, существующего в шестимерном пространстве!). Известны сотни стабильных и метастабильных квазикристаллических сплавов (на основе алюминия, никеля, меди, титана и ряда других металлов) с различными внутренними симметриями, однако причины их устойчивости или неустойчивости тоже пока неизвестны. Стоит отметить, что электронные спектры квазикристаллов отличаются от спектров обычных металлов, диэлектриков и полупроводников, вследствие чего эти сплавы имеют весьма специфические электрические и термические свойства.

Интересно, что квазикристаллы могут формироваться ив ходе геологических процессов: в 2008 году Стейнхардт и его коллеги обнаружили в Музее естественной истории Университета Флоренции найденный на юго-востоке Чукотки образец минерала хатыркита с квазикристаллическими вкраплениями. Исследования квазикристаллов сильно обогатили физику твердого тела, однако мало что дали технологии — пока их используют лишь для непригорающих покрытий сковородок и ножей электробритв. Впрочем, стоит запастись терпением.