Научные "нобелевки": Что делать с квазикристаллами в расширяющейся Вселенной?

После завершения Нобелевской недели 2011 года портал ЮГА.ру подробно рассказываето том, какую роль сыграли лауреаты премий по физиологии и медицине, физике и химии в развитии науки.

Физиология и медицина

Нобелевская премия 2011 года по медицине и физиологии была разделена между специалистами, обнаружившими ключевые принципы активации иммунной системы человека. По решению Нобелевского комитета лауреатами премии стали Брюс А. Бойтлер (профессор генетики и иммунологии в Исследовательском институте Скриппса) и Жюль А. Хоффманн (президент Французской национальной академии медицинских наук) "за открытия, касающиеся активации врожденного иммунитета", а также Ральф М. Штейнман (профессор иммунологии в Университете Рокфеллера в Нью-Йорке) "за открытие дендритных клеток и их роли в адаптивном иммунитете".

Врожденным иммунитетом называется изначальная способность организма обезвреживать чужеродный и потенциально опасный биоматериал: микроорганизмы, токсины, инфицированные вирусом или опухолевые клетки – даже в том случае, если иммунная система никогда ранее не контактировала с ним.
На протяжении многих лет ученые были заняты поисками тех компонентов иммунной системы, с помощью которых реализуется защитная функция иммунной системы. Брюс Бойтлер и Жюль Хоффманн обнаружили рецептор белка, способного распознавать патологические агенты и активировать врожденный иммунитет, что является первым шагом в развитии иммунного ответа организма.

Жюль Хоффманн совершил свое новаторское открытие в 1996 году, когда совместно с группой ученых изучал, каким образом плодовые мушки борются с инфекциями. В работе использовались мухи с мутациями в нескольких генах, в том числе в гене Toll. За открытие того, что ген Toll принимает участие в эмбриональном развитии немецкий биолог Кристиана Нюсляйн-Фольхард  получила Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1995 году.
Хоффманн обнаружил, что после заражения бактериями или грибами дрозофилы, мутантные по гену Toll, погибают, так как они не в состоянии организовать эффективную защиту от чужеродных агентов. Он сделал вывод, что продукт гена вовлечен в распознавание патогенных микроорганизмов, и его активация необходима для реализации иммунного ответа.

Брюс Бойтлер в своем исследовании искал рецепторы, которые могли бы связывать бактериальные липополисахариды (LPS), вызывающие септический шок – опасное для жизни состояние, обусловленное гиперактивностью иммунной системы. В 1998 году Бойтлер и его коллеги обнаружили, что мыши устойчивы к ЛПС бактерий, обладают мутацией в гене, напоминающем ген Toll дрозофилы. Эти Toll-подобные рецепторы (TLR) и оказалась неуловимыми рецепторами к LPS. При связывании LPS развивается воспаление, а при избыточных дозах LPS – септический шок.
Результаты данного исследования показали, что как млекопитающие, так и плодовые мушки используют подобные молекулы для активации врожденного иммунитета при встрече с патогенными микроорганизмами. Таким образом, датчики врожденного иммунитета, наконец, были обнаружены.

Открытия Хоффманна и Бойтлера инициировали масштабную волну исследований в врожденного иммунитета. В настоящее время у людей и мышей выявлено около десятка различных TL-рецепторов. Каждый из них распознает определенные типы молекул микроорганизмов. Люди с определенными мутациями в данных рецепторах повержены повышенному риску развития инфекций, тогда как другие генетические варианты TLR связаны с повышенным риском развития хронических воспалительных заболеваний.

- Я был в постели и проснулся посреди ночи. Взглянув на сотовый, я заметил новое сообщение в электронной почте. Я покосился на него, а потом увидел в заголовке фразу "Нобелевская премия" и решил, что должен внимательно взглянуть на него. И когда я открыл письмо, оказалось, что оно от Горана Ханссона (секретаря комитета Нобелевской ассамблеи Каролинского института ), а я получил Нобелевскую премию. Я был очень взволнован и не верил в это до конца, так что я спустился вниз, чтобы взять ноутбук. Я довольно долго не мог зайти на сайт Нобелевской премии, так что пришлось открыть Google News, и через несколько минут я увидел там свое имя и понял, что это реально, – рассказал в традиционном телефонном интервью Nobel Media Брюс Бойтлер.

- Я узнал о вручении премии с задержкой в несколько часов. Честно говоря, я не ожидал, что что-то подобное произойдет. Я был в Шанхае, мы с моим китайским другом были в музее, а затем обедали. А потом, когда мы решили вернуться в отель, мы увидели огромный фейерверк. Это был какой-то китайский национальный праздник – жители праздновали, и мы были в гуще толпы, когда моему другу позвонили из отеля и сообщили, что мы должны вернуться. Но мы не могли себе даже представлять, что послужило причиной! В конце концов, мы сели в метро, чтобы вернуться, и, когда пришли в гостиницу, там уже были журналисты, которые заявили: "Ну что, теперь вы обладатель Нобелевской премии". А я по-прежнему не верил в этом и хотел знать только, в какой области мне вручили премию, – поделился с Nobel Media Жюль Хоффманн.

Хоффман и Бойтлер летом 2011 года удостоились также за свои работы так называемой "азиатской Нобелевки" – премии Шоу. Ее размер составляет около 1 миллиона долларов.

Ральф Штейнман, в свою очередь, идентифицировал дендритные клетки иммунной системы, которые обладают уникальной способностью активировать и регулировать адаптивный (приобретенный) иммунитет, более позднюю стадию иммунной реакции, в ходе которой микроорганизмы удаляются из организма, и развивается имунологическая память.

В 1973 году Штейнман обнаружил новый тип клеток, которые он назвал дендритными. Он предположил, что клетки могут играть важную роль в деятельности иммунной системы, и приступил к проверке данной гипотезы. В ходе экспериментов на клеточных культурах ученый показал, что наличие дендритных клеток стимулирует усиленный ответ Т-клеток. Изначально выводы были встречены со скептицизмом, однако последующие работы Штейнмана показали, что дендритные клетки обладают уникальным потенциалом в плане активизации Т-клеток.
Дальнейшие исследования помогли установить также, что сигналы, возникающие при активации врожденного иммунитета и воспринимаемые дендритными клетками, контролируют активность T-клеток. Это дает иммунной системе возможность реализовать защиту от патогенных микроорганизмов, избегая при этом повреждения собственных эндогенных молекул организма.

3 октября, спустя 3 часа после оглашения лауреатов Нобелевской премии по физиологии и медицине, на сайте Рокфеллеровского университета было объявлено о смерти Ральфа Штейнмана 30 сентября. Штейнман скончался в возрасте 68 лет от рака поджелудочной железы.

Согласно уставу Нобелевского фонда Нобелевская премия не присуждается посмертно; исключение может составлять только лауреат, скончавшийся после присуждения награды, но до ее вручения. До сих пор таким исключением являлся британский экономист Уильям Викри, удостоенный премии в 1996 году.
Однако после повторного заседания совета фонда, решение, принятое Нобелевской ассамблеей Каролинского института о присуждении в 2011 году Нобелевской премии по физиологии и медицине Ральфу Штейнману, осталось без изменений. Вечером 3 октября Нобелевский комитет подтвердил вручение Премии Штейнману, сообщив: "Нобелевская премия была присуждена справедливо. Ее присуждение основывалось на очевидной предпосылке, что лауреат жив".

Компоненты иммунной системы были определены один за другим на протяжении всего 20 века. Благодаря серии открытий, также удостоенных Нобелевской премии, известно, например, устройство антител и механизмы распознавания Т-клетками чужеродных веществ. Однако только работы Бойтлера, Хоффманна и Штейнмана, смогли раскрыть загадку механизмов запуска врожденного иммунитета и посреднических связей между врожденным и адаптивным иммунитетом.
Данные открытия дают возможность развивать новые методы профилактики и лечения заболеваний: улучшить вакцины против инфекций или запрограммировать иммунную систему человека на атаку злокачественных опухолей. Кроме того, они помогают понять механизмы патологических процессов, в ходе которых иммунная система человека атакует свои собственные ткани.

Физика

Нобелевская премия по физике в 2011 году была присуждена 4 октября участнику проекта Supernova Cosmology Солу Перлмуттеру (Национальная лаборатория Лоренса Беркли и Университет Калифорнии), а также членам команды High-z Supernova Search – Брайану П. Шмидту (Австралийский национальный университет) и Адаму Г. Риссу (Университет Джонса Хопкинса) с формулировкой "за открытие ускоряющегося расширения Вселенной путем наблюдения далеких сверхновых".

Открытие ускорения расширения Вселенной стало важной вехой для космологии, настолько же существенной, как открытие температурных колебаний в реликтовом излучении Вселенной (за которое Джон Мазер и Джордж Смут были удостоены Нобелевской премии по физике в 2006 году). В то время, как исследование реликтового излучения дает возможность узнать больше о ранней истории Вселенной и ее происхождении, изучение дальнейшего расширения Вселенной позволяет взглянуть на ее эволюцию и, возможно, дальнейшую судьбу.

Расширение Вселенной было обнаружено в 1920-е годы Весто Слайфером, Карлом Вирцем, Кнутом Лундмарком, Жоржем Леметром и Эдвином Хабблом. Было установлено, что скорость расширения зависит от содержания энергии – и Вселенная, содержащая только материю, должна, в конечном итоге, замедлиться благодаря действию силы тяготения. Тем не менее, наблюдения сверхновых на расстоянии около 6 миллиардов световых лет, проводимые двумя независимыми исследовательскими группами, показали, что в настоящее время скорость расширения возрастает. В рамках стандартной космологической модели считается, что данное ускорение вызвано действием энергии вакуума (которая иногда называется "темной энергией"), но что конкретно представляет из себя эта энергия, до сих пор остается загадкой. Известно только, что она составляет примерно три четверти Вселенной.

Эти результаты, опубликованные в 1998 году, потрясли основы космологии.
Две команды специалистов, под руководством Сола Перлмуттера, а также Брайана Шмидта и Адама Рисса, проводили исследование особого вида сверхновых звезд типа Ia. Это так называемые термоядерные сверхновые, которые образуются в процессе термоядерного синтеза в плотном углеродно-кислородном ядре. Предшественниками сверхновых типа Iа являются старые компактные звезды – белые карлики с массой, близкой к пределу Чандрасекара (около 1.38 массы Солнца) – после превышения которого звезда становится нейтронной. Принято считать, что такие звезды образуются в двойных звездных системах при перетекании вещества от одной компоненте к другой. Таким образом, для того, чтобы превратиться в сверхновую, белый карлик должен располагаться рядом с обычной звездой с сильно раздутой водородной атмосферой. Перемещение этой атмосферы на поверхность карлика может привести к тому, что его масса превысит предел Чандрасекара, и карлик станет быстро сжиматься, разогревая свое ядро. В результате высокотемпературных ядерных реакций, приводящих к синтезу элементов группы железа, возникают волны давления, направленные к поверхности белого карлика, после чего он теряет устойчивость и взрывается, превращаясь в расширяющееся плазменное облако, нагретое до миллиардов градусов.

В результате изучения этих сверхновых, двум группам физиков удалось показать, что свет некоторых далеких сверхновых слабее, чем ожидалось – что было признано показателем ускоряющегося расширения Вселенной.

- Мало того, что мы не знаем, что из себя представляет темная энергия, и почему она заставляет Вселенную расширяться все быстрее и быстрее, мы даже не знаем, действительно ли причиной этому является какая-то новая энергия, существующая во Вселенной. Вполне возможно, что мы просто обнаружили дополнительные недостатки в теории относительности Эйнштейна! В данный момент наша работа состоит в разработке способов измерения этого весьма малозаметного эффекта. У нас есть около трех различных методов, которые мы могли бы использовать, и каждый из них представляет собой довольно сложный эксперимент, который потребует создания новых инструментов, и, возможно, даже нового космического телескопа, – рассказал в интервью для Nobel Media руководитель одной из исследовательских групп Сол Перлмуттер.

- Я помню, как полностью закончил анализ данных. И помню, как подумал, что получил неверные результаты, я решил: "Ох, я совершил ужасную ошибку, и теперь должен найти эту ошибку", – а затем несколько недель искал ее, и только после этого начал допускать возможность, что результат может быть реальным, а затем, что расширение Вселенной действительно может ускоряться, – поделился участник другой научной команды Адам Рисс.

- Итак, у нас существует некоторая неопределенность насчет того, что из себя представляет темная энергия на самом деле: почему она существует и какова ее точная форма. Но модель темной энергии, темной материи – все это объясняет те наблюдения, которые мы проводим во Вселенной. Таким образом, с одной стороны, у нас есть довольно точная модель Вселенной, которую мы можем проверить, и каждый раз проверяя ее, мы получаем какие-то ответы. Но, с другой стороны, остаются и вопросы: "Что такое темная материя?", "Что такое темная энергия?". Астрономия не похожа на физическую лабораторию, здесь вы не можете просто поставить эксперимент. Вы должны просто пойти и посмотреть в звездное небо, и выяснить, что космос может предложить вам, и строить эксперимент, исходя из этого, – заявил Брайан Шмидт.

На протяжении практически ста лет ученым известно, что Вселенная расширяется с момента Большого Взрыва уже около 14 миллиардов лет. Тем не менее, открытие того факта, что это расширение ускоряется, поразило физиков всего мира. Предполагается, что если данная тенденция сохранится, то рано или поздно может наступить абсолютное охлаждение Вселенной.

Химия

Нобелевская премия по химии 2011 года была присуждена 5 октября сотруднику Технологического института Израиля Даниилу Шехтману "за открытие квазикристаллов".

Квазикристалл – это одна из форм организации структуры твердых тел, которая характеризуется осями симметрии, невозможными в трехмерной периодической решетке и запрещенными в классической кристаллографии: в частности, осями седьмого, восьмого, десятого, двенадцатого и других порядков. Осью симметрии пятого порядка обладают, к примеру, правильные пятиугольники, которые не могут быть элементарными ячейками кристалла, поскольку, в противоположность правильным треугольникам, шестиугольникам и квадратам, их невозможно подогнать друг к другу на плоскости без зазоров. Остающееся после подгонки свободное пространство называют несогласованием, и именно оно и является камнем преткновения для формирования осей симметрии пятого, седьмого и более высоких порядков.

Одной из основных особенностей квазикристаллической структуры является необычная атомная структура. В классических твердых кристаллических веществах атомы упакованы в симметричные последовательности, которые периодически повторяются вновь и вновь – именно эти повторы и позволяют частицам вещества формировать кристалл. Однако в квазикристаллах данные последовательности не повторяются. Помочь составить представление о том, как выглядят квазикристаллы на атомном уровне, ученым помогли средневековые исламские мозаики на стенах дворцов и храмовых сооружений. В этих мозаиках, как и в квазикристаллах, существует множество регулярных паттернов, которые, тем не менее, никогда не повторяются.

При описании квазикристаллов ученые используют также концепцию, которая происходит из математики и искусства одновременно – это правило золотой пропорции. Золотая пропорция когда-то привлекла интерес древнегреческих математиков, так как часто возникала в геометрии. Так и в квазикристаллах, например, соотношения различных расстояний между атомами часто пропорциональны золотому сечению.
До открытия квазикристаллов все твердые тела делили на полностью разупорядоченные аморфные и обладающие строгими закономерностями строения кристаллические. После возникновения понятия "квазикристалл" его стали рассматривать как промежуточную форму.

Само открытие было совершено в 1982 году в экспериментах по дифракции электронов на быстроохлаждённом сплаве алюминия и марганца Al6Mn, названном впоследствии шехтманитом.
В ходе эксперимента руководитель группы химиков Даниил Шехтман обнаружил, что наблюдаемая им картина дифракции противоречит известным законам природы. В частности, картина содержала типичные для кристаллов резкие пики, однако обладала осью симметрии пятого порядка.
Таким образом, открытие, совершенное Шехтманом, было крайне противоречивым, и в ходе обсуждения ученому пришлось оставить свою исследовательскую группу. Тем не менее, в конце концов неоспоримые факты заставили химиков пересмотреть свои представления о самой природе материи.

Подобные результаты наблюдались и ранее, в 1940-е годы, однако в то время они были ошибочно идентифицированы как следствие кубической кристаллической формы. Однако более детальное изучение, проведенное Шехтманом, показало, что необычная дифракционная решетка действительно говорит об обнаружении новой формы организации материи.

- Эта история научила меня тому, что хороший ученый – это скромный ученый, это тот, кто готов услышать те новости, которых никто не ожидает. Потому в наше время все открытия действительно неожиданны – если бы они были ожидаемы, они должны были быть совершены давным-давно. Так что все то новое, что запрещено некоторыми законами – люди должны уметь воспринять это. В большинстве случаев, научная новость не станет полноценой новостью, но в некоторых случаях неожиданные открытия действительно совершаются и те, кто их делает, должны быть выслушаны,
– поделился Даниил Шехтман в интервью Nobel Media.

После открытия Шехтмана ученые всего мира также заинтересовались темой квазикристаллов и смогли получить и другие их виды в лабораторных условиях. Кроме того, были обнаружены естественные квазикристаллы в минеральных образцах некоторых российских рек.
В настоящее время ученые экспериментируют с использованием невероятно прочных квазикристаллов в различных отраслях промышленности, таких как производство сковород и дизельных двигателей.

Смотрите также:

«Тотальное ощущение счастья»
Сегодня, 10:52
«Тотальное ощущение счастья»
Готовимся к марафону в Краснодаре с бегуньей Анной Коншиной
Как попасть в Японский сад в парке «Краснодар» без очереди
Вчера, 15:21
Как попасть в Японский сад в парке «Краснодар» без очереди
Бронируем столик в ресторане «Рётэй»