Нобелевские премии 2013

Вопрос строения окружающей материи издавна волновал людей. Современные атомистические воззрения восходят к древнегреческому философу Демокриту, полагавшему, что мир состоит из бесконечного числа безостановочно движущихся атомов. При столкновении атомы сцепляются, и именно так, по мнению философа, возникает осязаемая материя. Но атомистика была забыта на два тысячелетия, и сейчас уже трудно сказать, какими представлял себе атомы сам Демокрит. В новое время идея атомистики воскресла: к началу ХХ века в арсенале ученых уже была периодическая система элементов Менделеева, был открыт электрон, и постепенно стало понятно, что межатомные взаимодействия и химическая связь имеют электронную природу. Затем последовало создание квантовой физики, Шрёдингер сформулировал свое знаменитое уравнение, но потребовались еще десятки лет и появление быстродействующих компьютеров, чтобы для изучения стала доступна структура самой сложной материи — биологической.

Работа, за которую в этом году присуждена Нобелевская премия по химии, посвящена методам моделирования сложных химических систем и реакций с помощью как классической, так и квантово-механической теории. Классическая физика представляет атомы шариками, асвязи между ними- пружинками (не так ли представлял себе материю еще Демокрит?). Силы, действующие на атомы, определяются законом Гука, ускорения атомов под действием этих сил определяются вторым законом Ньютона, и все описание в целом является механическим, поэтому подход так и называется — молекулярно-механический. Но у него есть существенный недостаток: никак нельзя описать химическое превращение. В реальности это соответствует разрыву одних химических связей иобразованию других, а в молекулярно-механической модели означало бы удаление и установку пружинок.

Но здесь на помощь приходит квантовая физика: ведь именно состояние электронов позволяет говорить оналичии или отсутствии химической связи между атомами. Таким образом, достаточно выполнить ресурсо-емкие квантово-физические (вернее, квантовохимические) расчеты лишь для небольшой группы атомов в реакционном центре, а для окружающих атомов, которые почти не влияют на состояние электронов в реакционном центре, сделать молекулярно-механический расчет. Такой обоюдный подход сейчас воспринимается уже как нечто само собой разумеющееся, но именно он и является главной заслугой лауреатов. Стоило большого труда разработать такие алгоритмы расчета, которые позволяли бы для центральной части системы использовать квантово-химическое описание, а остальную часть описывать с классической точки зрения и физически осмыс-ленно связать эти части между собой. Кроме того, как-то надо было описать окружение и всей системы в целом.

Первый шаг на пути к созданию мультимасштабного моделирования был сделан, когда Арье Варшель посетил Мартина Карплуса в Гарварде в начале 1970-хгодов. Варшель имел опыт описания меж- и внутримолекулярных сил, Карплус же был специалистом по квантово-химическим расчетам. Вместе они создали программу, которая могла отлично вычислять спектры ряда плоских молекул, таких как зеркально симметричная молекула 1,6-дифенил-1,3,5-гексатриена. Эта работа стала первой, в которой была показана возможность создания гибридных методов, сочетающих в себе достоинства классических и квантовых вописании сложных химических систем. В данном случае ограничились плоскими молекулами, в которых соображения симметрии позволяют естественным образом провести разделение электронов на те, которые нужно рассматривать квантово-химически, ите, для которых достаточно классического рассмотрения. Позже было показано, что метод может быть применен не только к плоским молекулам, но существует общая схема разделения электронов. Кроме того, были созданы схемы обмена энергией между классической иквантово-химической подсистемами, а также между ними обеими идиэлектрическим окружением.

Примерно в то же время Левитт смог выполнить первые молекулярно-динамические расчеты для молекул ДНК ибелков, а затем добился успехов ввопросах фолдинга белков и предсказания их структуры. Проблема фолдинга белка, то есть задача определения пространственной (третичной) структуры белка, исходя из его аминокислотной последовательности, в настоящее время активно изучается. Современные алгоритмы предсказания структуры позволяют решать эту задачу лишь для относительно небольших белков (менее 200 аминокислотных остатков), но, к сожалению, этого совершенно недостаточно для удовлетворения потребностей структурной биологии.

Работы Карплуса, Варшеля и Левитта стали отправной точкой как для дальнейшего теоретического анализа исоздания более точных моделей, так и для прикладных исследований. Предложенные методы были применены к изучению не только сложных процессов в органической химии и биохимии, но и гетерогенного катализа итеоретического расчета спектров молекул, растворенных вжидкостях. Но важнее всего то, что эти работы положили начало плодотворному сотрудничеству между теоретиками и экспериментаторами, — это позволило сделать решаемыми многие неразрешимые прежде задачи.

Лауреаты: Джеймс Ротман (Йельский университет), Рэнди Шекман (Калифорнийский университет в Беркли) иТомас Зюдхоф (Стэнфордский университет).

Исследования американских ученых позволили установить, что микроскопические пузырьки — везикулы — обеспечивают передачу сигнальных молекул: гормонов, нейромедиаторов, ферментов, цитокинов («клеткодвигателей») и других, запускающих соответствующие биохимические реакции. Это может быть передача между частями одной и той же клетки, разделенной мембранами, или в межклеточное пространство — для связи с другими клетками. Необходимость передачи сигнальных молекул вызвана специализацией разных частей клетки: например, белки, которые синтезируются на рибосомах, часто используются в другом отделе клетки или в других (порой весьма отдаленных) клетках организма. Для доставки по назначению содержимого везикулы к ней прикрепляется сигнальный белок, на который реагируют только белковые комплексы — рецепторы — адресата.

Оболочка везикул состоит из тех же фосфолипидов, которые образуют внутри- или межклеточные мембраны. При контакте с рецепторами, соответствующими ее содержимому, мембрана везикул распадается, высвобождая сигнальные молекулы. После этого сигнальное вещество или растворяется, или, при необходимости, из мембраны получателя образуется другая везикула, которая, наткнувшись на следующий подходящий рецептор, снова растворяется, и в обоих случаях биохимическая инструкция доставляется адресату.

Шекман еще в 1970-х годах занялся изучением генетической основы этой системы. Отключая работу отдельных генов дрожжей, он вместе со своим коллегой Питером Новиком выявил те, без которых в клетках начиналось что-то вроде дорожной пробки, блокирующей доставку грузов адресатам, и выделил 23 гена, белки которых можно разделить на три группы в зависимости от того, откуда и куда должны были направляться везикулы. Ротман в 1980—1990-х годах исследовал транспортную систему вклетках млекопитающих. Он выяснил, что белковые рецепторы работают как двусторонние застежки-молнии, которые можно открыть и снаружи, и изнутри клеточной мембраны, и нашел у млекопитающих те же гены, которые Шекман описал у дрожжей, что говорит одревнем эволюционном возникновении данного механизма. Зюдхоф изучал везикулярный механизм передачи сигналов в синаптических щелях- процесс, необходимый для передачи электрических импульсов между нейронами центральной нервной системы и периферической, управляющей всеми органами и тканями тела. В упаковке из везикул через синапс (место контакта нейронов) передаются нейромедиаторы — вещества, стимулирующие распространение электрических импульсов по назначению, — например, к мышечным волокнам, которые таким образом получают команду сократиться. Для передачи нервных импульсов необходим ток ионов кальция через мембрану. Зюдхоф описал чувствительные к току кальция белки и изучил детали их скоординированной работы.

Исследования лауреатов 2013 года по медицине относятся не только кфундаментальной науке, но иполучили применение в практической медицине- для понимания причин заболеваний, вызванных нарушениями регуляции внутри- и межклеточного транспорта, идля разработки систем целевой доставки лекарственных препаратов к ненормально функционирующим клеткам.

Лауреаты: Питер Хиггс (Эдинбургский университет) и Франсуа Энглерт (Свободный университет Брюсселя).

История бозона Хиггса, который последние несколько лет буквально не сходит со страниц газет и журналов, началась в 1950-х годах. Именно тогда теоретики врамках квантовой электродинамики стали разрабатывать различные подходы, которые в дальнейшем привели к появлению Стандартной модели элементарных частиц. Пытаясь построить теорию слабого взаимодействия, а позднее объединить его с электромагнитным, физики тогда столкнулись с проблемой. Предсказанные частицы — три векторных бозона-переносчика слабого взаимодействия — получались безмассовыми, хотя, согласно квантовой механике, посредниками в переносе короткодействующих сил могут быть лишь достаточно массивные виртуальные частицы. К тому же безмассовые бозоны достаточно легко зарегистрировать в экспериментах, но тем не менее наблюдать их не удавалось. Поэтому теоретики того времени считали подобные выводы чисто «бумажным», гипотетическим случаем.

В 1964 году физики из брюссельского Свободного университета Франсуа Энглерт и Роджер Броут, Питер Хиггс и сотрудники лондонского Имперского колледжа Джерри Гуральник, Роберт Хаген и Томас Киббл нашли способ решить эту проблему и придать бозонам слабого взаимодействия ненулевую массу. Этот способ сейчас называют механизмом Хиггса.

Надо сказать, что работу Хиггса и его коллег оценили далеко не сразу, а лишь через несколько лет, когда Стивен Вайнберг и Абдус Салам построили теорию, объединявшую электромагнитное и слабое взаимодействия (за что в 1979 году, после экспериментального подтверждения, удостоились Нобелевской премии). В этой теории механизм Хиггса наделяет массой два заряженных и один нейтральный векторный бозон. А через несколько лет, в 1973 году, вЦЕРНе были экспериментально зарегистрированы так называемые слабые нейтральные токи, указывающие на существование незаряженного промежуточного бозона.

Механизм Хиггса основан на скалярных полях, квантами которых являются хиггсовские бозоны. Считается, что поля эти возникли спустя очень короткое время после Большого взрыва и теперь пронизывают всю Вселенную. Такие поля обладают наименьшей энергией при ненулевой величине — это и есть их устойчивое состояние.

Нередко пишут, что элементарные частицы обретают массу в результате торможения хиггсовским полем, но это чересчур механистическая аналогия. В теории электрослабого взаимодействия фигурируют четыре хиггсовских поля (каждое со своими квантами) ичетыре векторных бозона- два нейтральных и два заряженных, которые сами по себе не имеют массы. Три бозона, оба заряженных и один нейтральный, поглощают по одному хиггсу и в результате обретают массу и способность переносить короткодействующие силы (их обозначают символами W+, W- и Z0). Последний бозон ничего не поглощает и остается безмассовым — это фотон. «Съеденные» хиггсы ненаблюдаемы (физики их называют «духами»), в то время как их четвертый собрат должен наблюдаться при энергиях, достаточных для его рождения.

Однако теория теорией, но физикам нужно было экспериментальное свидетельство существования бозона Хиггса. Его стали целенаправленно искать сконца XX века — сначала на Большом электронно-позитронном коллайдере (Large Electron-Positron Collider, LEP) вЦЕРНе, потом на американском «Тэватроне», а позднее висследования вступила самая большая имощная научная установка из когда-либо построенных- Большой адронный коллайдер (БАК). И наконец, летом 2013 года, после нескольких лет накопления и обработки данных ученые с достаточной долей уверенности смогли экспериментально опознать следы бозона Хиггса.