Земные и внеземные открытия: Нобелевские премии 2019 года

Лауреаты: Уильям Кэлин (Университет Джонса Хопкинса, США), Питер Рэтклифф (Институт Фрэнсиса Крика, Великобритания), Грегг Семенза (Институт Говарда Хьюза, США)

Ключевые работы: 1990-е годы

Формулировка: «За изучение адаптации клеток к дефициту кислорода»

Коротко: Семенза показал, что в ответ на нехватку кислорода в клетках млекопитающих накапливаются белковые факторы HIF (Hypoxia-Inducible Factor, «Фактор, индуцируемый гипоксией»), которые запускают множество противогипоксических генов. Рэтклифф и Кэлин раскрыли механизм работы HIF. Его часто «взламывают» злокачественные опухоли, заставляя организм дополнительно насыщать свои клетки кровью, кислородом и питательными веществами. Поэтому открытия новых лауреатов уже привели к разработке новых препаратов, способных блокировать HIF и перекрывать снабжение опухоли.

Существенные подробности: Недостаток кислорода заставляет почки выделять эритропоэтин, гормон, стимулирующий образование дополнительных эритроцитов. В 1991 году Семенза сумел найти регуляторный участок, который запускает работу гена эритропоэтина, и выяснил, что его стимулирует белковый комплекс HIF, состоящий из двух частей. Одна из них (ARNT) присутствовала в клетках постоянно и обеспечивала доставку HIF в ядро, другая (HIF-1a) появлялась только при дефиците кислорода.

Уже вскоре обнаружилось, что HIF действует на все клетки нашего организма, регулируя работу сотен генов. Однако связь между дефицитом кислорода и HIF-1а удалось объяснить только на рубеже XXI века. Кэлин и Рэтклифф показали, что клетки производят его постоянно, однако в присутствии кислорода к белку быстро присоединяются несколько дополнительных ОН-групп. Это вызывает изменения структуры HIF-1а, делая его лакомой добычей для ферментов, утилизирующих ненужные белки.

В условиях дефицита кислорода эта цепочка нарушается. HIF-1а сохраняется в целости, связывается с ARNT и отправляется в клеточное ядро, запуская соответствующие гены. Помимо эритропоэтина к ним относится и ген сигнального белка VEGF, который стимулирует рост новых сосудов и нередко оказывает помощь раковой опухоли, которая использует его для получения питания. Опухолевые клетки часто весьма активно эксплуатируют работу HIF, и медики ищут препараты, позволяющие подавить этот ложный сигнал тревоги и буквально «задушить» рак, перекрыв ему кислород.

Награда: 1/2 от 9 млн шведских крон

Лауреат: Джеймс Пиблс (Принстонский университет, США)

Ключевые работы: 1960–1980-е годы

Формулировка: «За теоретические открытия в области космологии»

Коротко: Современная космология опирается на четыре ключевых наблюдаемых факта: ускоряющееся расширение Вселенной, доминирование в ней легчайших элементов (водорода и гелия), существование неоднородного реликтового излучения и крупномасштабной структуры в распределении галактик. Как теоретик, Пиблс поучаствовал в объяснении всех этих явлений. За годы работы он сделался одним из столпов физической космологии, превративших ее из довольно спекулятивной области знания в точную и уважаемую науку.

Существенные подробности: Привычно говоря о том, что наша Вселенная появилась в результате Большого взрыва около 13,8 млрд лет назад, что она состоит из обычного вещества только на 5%, а на 26% сложена из темной материи и на 69% – из темной энергии, – мы обращаемся к выводам, полученным патриархами современной космологии. До их работ даже весьма уважаемые ученые могли считать космос вечным и неизменным. Все изменило обнаружение в 1965 году реликтового фона – следов первого излучения, родившегося в молодой Вселенной.

Почти за 20 лет до того его существование предсказал сбежавший из СССР физик Георгий Гамов, однако именно Пиблс и его тогдашний научный руководитель Роберт Дикке дали первые теоретические комментарии к уже открытому явлению. Впоследствии, уже самостоятельно, Пиблс предложил модель «холодной темной материи», которая стала самой распространенной в современной космологии, поучаствовал в описании первичного нуклеосинтеза – образования ядер легких элементов – и концепции темной энергии.

Впрочем, многие специалисты на считают вклад Пиблса таким уж революционным, упоминая обойденного наградой академика Рашида Сюняева и всю плеяду учеников Якова Зельдовича, участие которых в создании современных космологических представлений было никак не меньшим. Так, астрофизик из Специальной астрофизической обсерватории ГАИШ МГУ Олег Верходанов назвал премию «почетным Оскаром заслуженному человеку», а академик РАН Валерий Рубаков отметил, что «Нобелевскую премию редко дают по совокупности работ, но, мне кажется, это как раз такой случай».

Награда: 1/2 от 9 млн шведских крон

Лауреаты: Мишель Майор и Дидье Кело (Женевский университет, Швейцария)

Ключевая работа: 1995 год

Формулировка: «За обнаружение экзопланеты на орбите звезды солнечного типа»Коротко: Майор и Кело не только открыли одну из первых известных экзопланет, но и продемонстрировали технологию их поиска по слабым изменениям цвета далеких звезд. Дело в том, что вращение близкой и массивной планеты заставляет звезду колебаться вокруг общего центра масс. Благодаря эффекту Доплера это движение вызывает смещение спектральных линий звезды: в красную сторону при удалении от нас, в синюю – при приближении. Методом Доплера открыты около 800 из 4100 экзопланет, известных на конец 2019 года.

Существенные подробности: Вплоть до конца ХХ века никто не был в точности уверен в том, что за пределами Солнечной системы имеются другие планеты. Первыми ласточками стали PSR B1257+12 В и C, открытые польскими астрономами в 1992 году и получившие названия Полтергейст и Фобетор. Однако находка оказалась довольно специфической: эти экзопланеты вращаются вокруг мертвой нейтронной звезды, пульсара. Его вспышки повторяются с большой регулярностью, так что даже слабые изменения, вызванные влиянием планет, бросаются в глаза.

Метод Доплера, позволяющий находить планеты по изменениям спектра обычных звезд, дал результат еще раньше, в 1989 году, когда появились сообщения об обнаружении массивной планеты HD 114762 b. Впоследствии выяснилось, что первоначальные оценки ее массы (около 11 масс Юпитера) оказались сильно занижены. Сегодня установлено, что HD 114762 b набирает почти 110 масс Юпитера и является не планетой, а коричневым карликом, а возможно, и небольшой красной звездой.

Поэтому Димидий (51 Пегаса b), который Майор и Кело открыли в 1995 году, вполне можно назвать первой «нормальной» экзопланетой, обнаруженной «нормальным» способом. До сих пор метод Доплера остается одним из самых популярных в этой области. Активнее используется разве что транзитный метод, следящий за изменениями светимости звезды при прохождении планеты на ее фоне. Он удобнее и проще, но зато не так универсален, позволяя замечать только те экзопланеты, орбиты которых ориентированы подходящим образом.

Награда: 9 млн шведских крон

Лауреаты: Джон Гуденаф (Техасский университет в Остине, США), Стэнли Уиттингем (Бингемтонский университет, США), Акире Ёсино (Asahi Kasei и Университет Мейдзё, Япония)

Ключевые работы: 1970–1980-е годы

Формулировка: «За создание литий-ионных аккумуляторов»Коротко: Уиттингем обнаружил, что ионы металлов могут интеркалировать – встраиваться структуру некоторых материалов, не повреждая ее. Используя такое покрытие для электродов, он показал, что это позволяет многократно накапливать напряжение между ними: при зарядке ионы внедряются в покрытие отрицательного анода, при разрядке переходят в положительный катод. Ёсино и Гуденаф подобрали оптимальные материалы для обоих электродов – графит и оксид кобальта, открыв дорогу современным литий-ионным аккумуляторам.

Существенные подробности: Любая батарея представляет собой пару электродов, погруженных в раствор электролита. Металл анода окисляется, выделяя в жидкость положительно заряженные ионы, которые устремляются к катоду. Оторванные от них электроны отправляются в сеть, где совершают полезную работу, а затем также поступают на катод. Со временем материал анода расходуется, и батарея «умирает», однако аккумуляторы позволяют вернуть все обратно в процессе зарядки. Для этого внешнее напряжение должно заставить и катионы, и электроны выйти из катода и своими путями вернуться обратно на анод.

Чтобы такая схема работала, понадобились усилия поколений ученых. Уиттингем нашел материал, подходящий для покрытия анода, способный не деформироваться при многократном вхождении и выходе катионов лития из «пор» его структуры, – сульфид титана. А несколько лет спустя Гуденаф подобрал еще более подходящее покрытие, оксид кобальта, способный накопить еще больше ионов. Главной проблемой оставались металлические дендриты: возвращаясь на анод, литий не укладывается на нем ровным слоем, а нарастает древоподобными структурами, приводя к короткому замыканию.

Избавиться от них удалось, покрыв второй электрод графитом, поры которого прекрасно интеркалируют атомы лития. Впоследствии Ёсино обнаружил, что кокс, содержащий смесь графита с сажей, работает намного дольше и стабильнее чистого материала. Так в 1991 году в продаже появились первые коммерческие литий-ионные аккумуляторы, без которых были бы невозможны ни недавняя «революция смартфонов», ни будущая «революция электромобилей».