Между Нобелем и Шнобелем

В самом деле, порой за забавными формулировками Шнобелевского жюри скрываются довольно интересные работы и результаты, которые можно даже спутать с достижениями, удостоенными медалей с нобелевским профилем. Попробуйте угадать сами: мы расскажем о работе физиков и химиков, медиков и биологов, получивших премии этого года, а вы уж решайте, кто из них достоин Нобеля, а кто — Шнобеля.

По некоторым данным, фантомные боли встречаются у 90−98% пациентов с ампутированной конечностью. Ощущения судорог, невозможности расслабить отсутствующую руку или ногу могут быть действительно невыносимы. Раньше их связывали с воспалением периферических нервов и даже прибегали к дополнительному укорочению конечности или к хирургическому устранению связей между ней и таламусом в мозге — все это помогало мало.

По-настоящему эффективная терапия оказалась на удивление проста: как обнаружил Вилейанур Рамачандран, проблема заключается не в чувствительных нейронах, а в самом мозге. «Ментальная карта», схема тела, интегрирующая сигналы от мускулов, связок, кожи, перестает «обновляться» данными о состоянии потерянной конечности и пытается восполнить нехватку всеми доступными способами. Рамачандран нашел способ обмануть этот процесс, используя обычное зеркало, установленное так, что пациент видел сохранившуюся конечность на месте утраченной, а затем пытался шевелить обеими руками. Он собственными глазами видел, как «шевелится» отражение на месте потерянной конечности, и фантомное напряжение проходило в считаные минуты.

Зеркальная терапия сегодня используется довольно широко, к ней прибегал даже доктор Хаус в одной из серий шестого сезона. Ну а новоиспеченным нобелевским (или шнобелевским?) лауреатам, немецким неврологам из команды Кристофа Хельмхена, удалось показать эффективность этого подхода для лечения хронического зуда. Некоторым больным он может доставлять исключительно тяжелые переживания, заставляя до крови расчесывать и без того больную конечность, а иногда возникает и «фантомно». Как показали эксперименты Хельмхена, чесать можно и противоположную сторону тела. Если поставить зеркало и наблюдать за этим процессом, можно в очередной раз обмануть свой мозг, заставив зуд успокоиться.

Аналогичная премия в области медицины и физиологии досталась профессору Токийского технологического института Ёсинори Осуми за почти 30-летние исследования механизмов аутофагии, благодаря которым живые клетки избавляются от ненужных, поврежденных и старых органелл, крупных молекул и прочего мусора. Все это не выбрасывается бесхозяйственно, а разлагается до отдельных компонентов и используется снова, причем довольно эффективно. Скажем, из 300−400 г чистого белка, которые требуются организму среднего человека в день, с пищей достаточно получать 50−80 г, остальное поставит переработка.

Все самое зрелищное происходит в лизосомах и протеасомах — крошечных мембранных пузырьках, заполненных ферментами, где эти структуры и разлагаются. Но самое интересное начинается раньше, когда биохимические механизмы клетки определяют, кому и когда следует отправиться в переработку. К белкам, например, присоединяется специальная метка, длинная цепочка из молекул убиквитина, после чего за них принимается протеасома. Структуры крупнее проходят другой путь, который до недавнего времени, казалось, интересовал одного лишь Ёсинори Осуми: бум исследований в области аутофагии начался именно с его работ. Точнее говоря, с изучения дрожжей, у которых она организована примерно так же, как и у животных, разве что роль лизосом у них играют немного другие органеллы, вакуоли.

Первым делом японский биолог определил ферменты, которые находятся в вакуолях и участвуют в деградации белков, и научился подавлять их активность. Это позволило провернуть довольно остроумный трюк: дрожжи Осуми выращивал на обедненной питательной среде, стимулируя аутофагию и активное использование «переработанных материалов», а параллельно ингибировал ферменты-протеазы. Содержимое вакуолей у таких клеток быстро увеличивалось в размерах и количестве, его можно было наблюдать просто в микроскоп — и экспериментировать дальше.

С кропотливостью настоящего японца Осуми получал мутантные штаммы дрожжей и смотрел, как нарушение работы того или иного гена скажется на вакуолях. Ведь если проблема затронет еще первые этапы аутофагии, они перестанут образовываться вовсе. Это позволило открыть целое семейство из 15 дрожжевых генов APG (AutoPhagy Gene), а впоследствии — и их аналоги у других организмов. Вся машинерия, участвующая во вторичной переработке внутри клетки, была разобрана буквально по деталям.

Например, обнаружилось, что для появления аутофагосом необходим комплекс белков Atg1 и Atg13, который появляется при посредничестве белка-мишени рапамицина (TOR). В нормальных условиях он оставляет химическую метку на Atg13, не давая ему объединяться с Atg1, но если клетка сталкивается с нехваткой ресурсов, TOR инактивируется — и запускается целый каскад, ведущий к образованию комплекса Atg1 с Atg13, а затем и с другими белками ATG. Такая большая структура взаимодействует с белками на внутриклеточных мембранах — и начинает формирование пузырька, готового забрать материал на переработку и доставить его в лизосому.

Работы Кристофа Хельмхена указали на действенную терапию для одного болезненного состояния. Работы Осуми немедленных практических результатов не дали, но обещают куда большее. Нарушения механизмов аутофагии могут участвовать в развитии целого ряда заболеваний — например, они перестают справляться с уничтожением быстро накапливающихся белковых бляшек при болезнях Паркинсона и Альцгеймера, а в раковых клетках, наоборот, действуют особенно интенсивно, обеспечивая их дополнительным питанием. Понимание того, как что-то работает, — первый шаг к тому, чтобы научиться этим управлять, и ученые стремительно движутся к этой цели. Даже (ш?)нобелевский комитет отметил взрывной рост числа публикаций на тему аутофагии. Когда Осуми начинал свою работу, он был едва ли не единственным. Сегодня каждый год выходят тысячи статей, посвященных проблеме «деградации и переработки».

В области физики жюри (ш)нобелевской премии отметило наградой проделанные еще в 2007 и 2010 годах работы венгерских ученых во главе с Габором Хорватом и Миклосом Блахо, доставив немало веселых минут читателям околонаучных новостей. Хорват — один из заметных исследователей зрения насекомых: во многом благодаря ему мы знаем, что их странные фасеточные глаза способны распознавать линейную поляризацию света. И пусть они не различают мелкие детали, плоскость поляризации придает зрению насекомых недоступное нам информационное измерение.

В удостоенных премии исследованиях Хорвата и его коллег было показано, что слепни могут ориентироваться на поляризацию солнечных лучей, отраженных шкурой животного. И если для крупных хищников белый цвет ярко выделяет жертву на фоне, то для кровососов-насекомых он служит, наоборот, маскирующим фактором, и белых лошадей те видят хуже — и кусают реже. Тот же механизм обманывает и стрекоз, которые (по данным Хорвата) принимают блестящую поверхность черных надгробий за водную гладь и даже пытаются отложить в них яйца.

Эти работы послужили прологом для весьма интересных результатов, полученных уже в 2012 году, когда ученым удалось найти новое решение одной из древнейших загадок — почему зебры полосатые. Хорват и его коллеги выяснили, что участки шкуры разного цвета по-разному вращают отраженное излучение, что совершенно сбивает с толку слепней и серьезно облегчает жизнь этим полосатым лошадям. Они не только меньше страдают от разносимых насекомыми болезней, но и способны дольше пастись на ярко освещенных солнцем участках и реже отдыхать в тени. Согласитесь, довольно неожиданный выбор темы для премии в области физики. Но вот (ш?)нобелевская награда в той же номинации удивления не вызывает.

Половина этой премии досталась Дэвиду Таулессу из Вашингтонского университета, а вторую разделили Дункан Холдейн из Принстона и Майкл Костерлиц из Брауновского университета — теоретики, описавшие странности топологических фазовых переходов. Все мы помним про твердое, жидкое и газообразное состояния вещества, к которым более «продвинутые» добавят плазму или даже конденсат Бозе-Эйнштейна. На самом деле фазовых состояний известно еще больше, причем переход из одного в другое происходит скачкообразно: нельзя быть наполовину твердым или газом только на 20%.

Математически этот процесс выглядит как топологический переход: из шара можно слепить куб или конус, не нарушая целостности его структуры, но чтобы получить бублик (тор), придется сделать скачок, внести разрыв и склеить края дырки. Такие резкие фазовые переходы происходят и с другими свойствами вещества, например со сверхпроводимостью. Подобно тому как ниже 0 °C вода переходит в лед, у ртути, охлажденной почти до -273 °С, сопротивление скачком падает до нуля. То же происходит и с вязкостью: ниже критической температуры внутреннее трение между частицами жидкости исчезает одним махом.

Скачкообразные переходы характерны для многих квантовых эффектов, не только сверхпроводимости и сверхтекучести. Например, если поместить плоский проводник с постоянным током в магнитное поле и низкую температуру, то с усилением магнитного поля его сопротивление будет меняться скачками, от одной «ступеньки» к другой, в соответствии с обнаруженным в начале 1980-х квантовым эффектом Холла. Теоретическое объяснение этому нашел Дэвид Таулесс, использовав подход, предложенный советским физиком Вадимом Березинским.

Еще за десятилетие до Таулесса он изучал сверхпроводимость в плоских, двумерных системах и описал ее через поведение вихрей сверхпроводящего тока. Березинский показал, что ниже точки перехода эти вихри образуют устойчивые пары с «антивихрями», но при температуре выше критической их связь разрушается — и вещество теряет сверхпроводимость практически одним скачком. Его выкладки Таулесс, а затем и Костерлиц доработали до уровня полноценной физической теории, так что топологические фазовые переходы получили их имена, хотя сам Березинский, к сожалению, не дожил до своей (ш?)нобелевской награды.

Впоследствии топологический подход пригодился для объяснения и многих других физических явлений — например, поведения одномерных магнитных цепочек, что удалось сделать Дункану Холдейну. На первый взгляд, все это выглядит какой-то квантовой экзотикой, но теория переходов Березинского-Таулесса-Костерлица стремительно находит применение на практике.

Например, в 2013 году удалось предсказать, что плоский материал, сложенный гексагональной решеткой из атомов олова, будет демонстрировать уникальные полезные свойства — например, сохранять сверхпроводимость по краям даже при температуре выше критической. Через два года такой двумерный оловянный материал, получивший название станен, был получен в лаборатории. Ну а в уже недалеком будущем он может стать одним из ключевых элементов квантовых компьютеров и новых поколений электроники.

Премию по химии (и тут уж скрывать не станем, Игнобелевскую) получило руководство концерна Volkswagen AG — за остроумный подход к проблеме загрязнения воздуха. Вместо установки более эффективной системы очистки выхлопных газов инженеры слегка «доработали» управление. Как только компьютер регистрировал прохождение тестов, он переводил двигатель в неэкономичный, но зато отличающийся низким уровнем содержания оксидов азота в выхлопе режим работы. На дороге же автомобиль возвращался к экономичной программе, радуя потребителей — и превышая заявленные нормы загрязнения в десятки раз.

История вокруг Volkswagen достойна отдельной детективной повести: началась она еще в 1980-х, когда у бензиновых автомобилей немецкой компании появились исключительно удачные каталитические конверторы. Однако для новых турбированных дизелей, которые стали устанавливаться на машины Volkswagen в 2000-х, характерно более высокое содержание кислорода в выхлопе, и традиционные средства уже не справляются с задачей восстановления вредных оксидов азота. Подумав, руководство компании приняло решение о создании новой технологии, которая к 2009 году, когда дизельные легковушки стали поступать в продажу, оказалась не готова.

Обман, о котором, как выяснилось впоследствии, знали десятки ключевых фигур в Volkswagen, вскрылся в ходе независимых тестов, что привело к скандалу глобальных масштабов. Процесс развивался медленно, но верно: первые сообщения о странностях с выхлопами прозвучали еще в конце 1990-х, а официальные данные европейских и американских регуляторов были опубликованы лишь в последние годы. Нарушение закончилось рядом отставок, штрафами, отзывом выпущенных в 2009—2015 годах дизельных автомобилей и убытками, которых не покроет ни Игнобелевская премия, на даже Нобелевская. Кстати, ее денежный эквивалент в 2016 году составил 8 млн шведских крон, почти 57 млн рублей по текущему курсу.

Эту сумму в равных долях разделят новоиспеченные лауреаты «нобелевки» по химии — по интересному совпадению, тоже создатели машин. Уже отошедший от дел заслуженный французский ученый Жан-Пьер Соваж, а также его коллеги — Джеймс Стоддарт из Северо-Западного университета в США и профессор нидерландского Университета Гронингена Бернард Феринга — получили награду за разработку устройств, оперирующих отдельными атомами, молекулами и связями между ними. То есть — молекулярных машин.

Здесь нам снова придется вспомнить о топологии, хотя и в совершенно другом смысле. Представьте себе молекулу, состоящую из двух сцепленных друг с другом колец (катенан). Атомы каждого кольца соединены друг с другом обычной химической связью, но соединение самих колец возникает в силу простой геометрии — такая связь и будет называться топологической. Их получение оказалось совсем нелегкой задачей: катенан из двух колец был синтезирован только в 1963 году, а из трех — в 1969-м, и все равно реакции синтеза имели позорно низкий выход. Только в 1983 году Соваж нашел новый и эффективный метод.

Французский химик использовал кольца с отрицательно заряженными атомами (кислородом и азотом), в просвете которых связывались положительные ионы металла. Следующие элементы добавлялись к ним полукольцами, которые, взаимодействуя с металлом, сами продевались в то же отверстие первого кольца. Затем химики фиксировали их вторым полукольцом, после чего металл удаляли. Такой метод давал уже достойный выход, и после некоторых модификаций Джеймс Стоддард получил с его помощью катенаны даже с пятью кольцами, а заодно и ротаксаны — другой вид супрамолекулярных соединений, похожих на гантелю с надетым на нее кольцом, которое не может соскочить из-за крупных групп-ограничителей на концах.

Меняя окислительно-восстановительные свойства раствора, оказалось возможным контролировать распределение зарядов в кольце ротаксана, заставляя его перемещаться с одного центра связывания на гантели к другому, двигаться вдоль оси. Такой ротаксан стал первой молекулярной машиной, сознательно созданной человеком, а уже к началу 2000-х на ее основе были получены довольно хитроумные устройства, включая «молекулярный лифт» и «молекулярные мускулы».

Бернард Феринга шел другим путем, через классические ковалентные связи. Одинарная связь между парой атомов углерода похожа на ось — находящиеся по ее концам группы практически свободно вращаются, но двойная при попытке вращения разрывается. Феринга нашел способ обойти этот запрет, присоединив к концам двойной связи пару крупных групп, которые изрядно мешают друг другу при вращении. В этом и заключалась хитрость: оказавшись в неудобном положении, группы не возвращаются на исходные позиции, а «сцепляются» друг с другом, деформируя связь и докручиваясь дальше — чтобы прийти к первоначальной ориентации, совершив уже полный оборот. Аккуратно варьируя структуры молекул, ученые добились потрясающей скорости этого вращения — многие миллионы оборотов в секунду.

В 2011 году Феринга продемонстрировал настоящий молекулярный автомобиль, собранный из пары таких моторов-ротаксанов, соединенных цепочкой, как «шасси». К чему приложить эти потрясающие разработки, пока неизвестно: ученые пробуют разные конструкции, осваивают новые принципы, не представляя, для чего они могут понадобиться в будущем. В связи с этим жюри Нобелевской премии отметило, что создание молекулярных моторов сегодня остается на уровне, на котором электродвигатели находились в начале XIX века. И, как двигателям, этим машинам обязательно найдется применение — наверняка даже более блестящее, чем мы способны представить.