ОБЗОР НОВЕЙШИХ ТЕХНОЛОГИЙ

НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ 2003

ВВЕДЕНИЕ

Даже далекие от науки люди неоднократно слышали о престижной Нобелевской премии. Премия Нобеля – один из немногих феноменов, который хотя и относится к сфере высокой науки, живет в бытовом сознании на уровне светской хроники.

Нобелевская премия была учреждена в соответствии с завещанием шведского ученого и промышленника Альфреда Нобеля, и в 2003 году вручалась уже в 102-й раз. Изобретательный швед открыл миру секрет производства динамита – незаменимого, по его мнению, помощника человека в деле покорения дикой природы. Подкрепив свое открытие деловыми качествами, Нобель оказался обладателем значительного состояния, омраченного, правда, чувством вины за быстро освоенный человеком метод истребления себе подобных посредством того же самого динамита.

Нобель, будучи активным проповедником пацифизма, не считал, однако, что развитие науки нужно искусственно сдерживать. Напротив, ученый писал: «Мои открытия скорее прекратят все войны, чем ваши конгрессы. Когда враждующие стороны обнаружат, что они в один миг могут уничтожить друг друга, люди откажутся от этих ужасов и от ведения войны».

Предприниматель оказывал весьма щедрую финансовую помощь малоимущим талантливым исследователям и в конце жизни сформулировал идею Нобелевского фонда. В завещании Альфреда Нобеля говорится:

«Все оставшееся после меня реализуемое имущество необходимо распределить следующим образом: капитал мои душеприказчики должны перевести в ценные бумаги, создав фонд, проценты с которого будут выдаваться в виде премии тем, кто в течение предшествующего года принес наибольшую пользу человечеству.

Указанные проценты следует разделить на пять равных частей, которые предназначаются: первая часть тому, кто сделал наиболее важное открытие или изобретение в области физики, вторая – тому, кто совершил крупное открытие или усовершенствование в области химии, третья – тому, кто добился выдающихся успехов в области физиологии или медицины, четвертая – создавшему наиболее значительное литературное произведение, отражающее человеческие идеалы, пятая – тому, кто внесет весомый вклад в сплочение народов, уничтожение рабства, снижение численности существующих армий и содействие мирной договоренности».

Список номинаций, по которым вручается Нобелевская премия, сразу стал предметом обсуждения. Так, злые языки объяснили отсутствие премии по математике – одной из наиболее уважаемых областей научных исследований – банальным бытовым скандалом. Таким образом, якобы, Нобель «отомстил» математикам за то, что из их рядов вышел любовник его жены.

Список номинаций не вполне соответствует нынешним реалиям научно-исследовательской работы. Наиболее интересные и перспективные исследования выполняются сегодня, как правило, на стыке традиционных дисциплин или же в нескольких дисциплинах сразу. Например, премию по физиологии и медицине в 2003 году получили химик и физик.

Механизм присуждения Нобелевской премии был установлен с 1900-го года. Уже тогда члены Нобелевского комитета решили собирать документированные предложения от квалифицированных экспертов различных стран. Нобелевская премия не может быть присуждена совместно более чем трем лицам.

Для присвоения награды по каждому направлению существует специальный Нобелевский комитет. Шведская королевская академия наук учредила в своем составе три комитета – по физике, химии и экономике. Каролинский институт дал свое имя комитету, присуждающему премии в области физиологии и медицины. Шведская академия выбирает также комитет по литературе. Кроме того, норвежский парламент, стортинг, выбирает комитет, присуждающий премии мира.

Приём заявок заканчивается 1 февраля. С этого момента и до сентября члены Нобелевских комитетов и несколько тысяч консультантов оценивают квалификацию кандидатов на присуждение премии. Для выбора лауреатов приходится проделывать громадную работу. Например, Шведская академия производит выбор из общего числа от 100 до 150 кандидатов. Редкий случай, когда предлагаемая кандидатура получает премию с первого представления, многие претенденты выдвигаются по несколько раз.

В октябре в различных ассамблеях проходят окончательные выборы. Лауреаты проходят финальное утверждение и объявляются на весь мир в ходе пресс-конференции в Стокгольме. Кратко излагаются и причины присуждения премии. Впоследствии Нобелевский фонд приглашает лауреатов и членов их семей в Стокгольм и Осло 10 декабря. В Стокгольме церемония чествования проходит в Концертном зале в присутствии около 1200 человек.

Премии в области физики, химии, физиологии и медицины, литературы и экономики вручаются королем Швеции. В Осло церемония вручения Нобелевской премии мира проводится в университете, в зале ассамблей, в присутствии короля Норвегии и членов королевской семьи.

Выборы Нобелевских лауреатов часто подвергают критике в международной прессе как действие при закрытых дверях. Премий зачастую удостаиваются учёные весьма преклонного возраста, причём за работы, выполненные два, три, а то и четыре десятилетия назад. Во всяком случае, о том, чтобы присуждать премии исследователям, сумевшим «принести наибольшую пользу человечеству в течение предшествующего года», как это сформулировано в завещании Нобеля, речь уже не идет.

Особое внимание российской общественности привлекла Нобелевская премия 2003 года в области физики: двое из трех лауреатов – россияне.

ФИЗИКА

Королевская Академия Наук Швеции присудила Нобелевскую премию 2003 года по физике совместно трем ученым:

Алексей Абрикосов родился в 1928 году в Москве, гражданин России и США. Получил кандидатскую степень по физике в 1951 г. в московском Институте физических проблем. Работает в Аргонской национальной лаборатории в США;

Виталий Гинзбург родился в 1916 г. в Москве. Получил кандидатскую степень по физике в 1940 г. в Московском государственном университете им. Ломоносова. Занимал пост руководителя теоретической группы в Физическом институте им. П.Н. Лебедева Российской академии наук;

Энтони Леггетт родился в 1938 г. в Лондоне, гражданин Великобритании и США. Работает в Иллинойсском университете, США.

Премией отмечены ученые, которые внесли решающий вклад в объяснение двух феноменов квантовой физики: сверхпроводимости и сверхтекучести. Открытия и теории, за которые вручались премии, были сделаны очень давно. Гинзбург и Абрикосов разрабатывали свои теории в 1950-е годы, работы Леггета относятся к 1970-м. Интересно, что Гинзбург и Абрикосов уже однажды получали премию вместе: в 1966 году за совместную работу они были удостоены Ленинской премии.

Явление сверхпроводимости было экспериментально обнаружено ещё в 1911 году физиком Хайке Каммерлинг-Оннесом, получившим Нобелевскую премию два года спустя. При низких температурах – несколько градусов выше абсолютного нуля – некоторые металлы пропускают электрический ток без сопротивления.

Такие сверхпроводящие материалы обладают к тому же свойствами полностью или частично вытеснять магнитный поток. Те из них, которые полностью вытесняют магнитные потоки, называются сверхпроводниками I-го рода, а их теоретическое обоснование удостоено Нобелевской премии по физике в 1972 году. Однако эта теория оказалась все же не достаточной для обоснования явления сверхпроводимости большинства технически важных материалов.

Эти, так называемые, сверхпроводники II-го рода допускают наличие сверхпроводимости и сильного магнитного поля одновременно. Алексею Абрикосову удалось теоретически обосновать данный феномен. Теория, первоначально сформулированная Виталием Гинзбургом и другими исследователями для сверхпроводников I-го рода, была распространена Алексеем Абрикосовым на случай сверхпроводников нового типа.

Как выяснил Абрикосов, поле могло проникать в сверхпроводник отдельными силовыми линиями, в области которых сверхпроводимость подавлялась. Вокруг силовой линии, просочившейся в сверхпроводник, образовывается структура из сверхпроводящего конденсата. Проникшие в сверхпроводник силовые линии вместе с накрученной структурой в конденсате теперь называются вихрями Абрикосова.

Сверхпроводимость первого рода подавляется магнитным полем больше некоторого критического. Для сверхпроводников же второго рода есть два критических поля – поле, при котором образуются вихри и отдельные силовые линии проникают в образец, и верхнее критическое поле, при котором вихри сливаются и сверхпроводимость подавляется во всем образце. Как оказалось, верхнее критическое поле для сверхпроводников II рода гораздо больше, чем критическое поле для сверхпроводников I-го типа.

На сверхпроводниках II рода строятся все современные мощные магниты. Кстати, именно такие магниты дали возможность получить премию этого года по медицине, которая присуждена за ЯМР-томографию. Сегодня можно производить сверхпроводники, сохраняющие свои свойства при все более высоких температурах и магнитных полях.

Сверхтекучесть – это свойство «квантовой жидкости» протекать через узкие щели и капилляры без трения.

Именно Энтони Леггет, третий лауреат Нобелевской премии за 2003 год, сформулировал и обосновал в 70-х годах теорию, которая объяснила, как атомы гелия-3 взаимодействуют и распределяются в сверхтекучем состоянии. Проводимые в настоящее время различные исследования пытаются объяснить, как подобное упорядочение переходит в хаос или в турбулентность. Сегодня это одна из нерешенных проблем классической физики.

Естественно, достижения лауреатов далеко не ограничиваются теми, за которые они получили премию. Отдельно хочется сказать о старейшем из лауреатов Нобелевской премии этого года, Виталии Лазаревиче Гинзбурге. В наше время по пальцам можно пересчитать ученых со столь разнообразными научными интересами: физика твердого тела, физика плазмы, астрофизика – вот далеко не полный перечень областей, в которых на счету Гинзбурга есть крупные достижения.

Сверхпроводимость и переходное излучение, сегнетоэлектричество и создание термоядерного оружия, распространение электромагнитных волн в плазме и космические лучи – кажется удивительным, что один человек мог более чем успешно заниматься такими несхожими вещами.

Помимо собственно научных достижений, Гинзбург известен благодаря своему уникальному семинару, ставшему настоящей школой мысли для многих сотен физиков, а также книгами про то, «Что в физике и астрофизике представляется наиболее важным и интересным».

«Нобелевские» открытия Гинсбурга были сделаны очень давно. Сейчас трудно даже представить, сколь сильны были в те годы барьеры на пути взаимодействия советских и зарубежных ученых. Так, журнал, в котором в 1950 г. была опубликована работа В.Л.Гинзбурга и Л.Д.Ландау, не переводился на английский язык, а сами авторы не имели возможности ездить за границу. Поэтому в определенной степени случайно то, что работа стала вскоре известна на Западе – статья была переведена по собственной инициативе одним английским ученым, который затем послал перевод некоторым своим коллегам.

Но барьеры на пути научных контактов были еще не самым страшным испытанием. Об этом, например, свидетельствует трагическая судьба человека, фактически открывшего сверхпроводники второго рода за двадцать лет до работы Абрикосова, – выдающийся физик-экспериментатор Л.В.Шубников был расстрелян в 1937 г.

ХИМИЯ

Нобелевскую премию по химии 2003 присудили за открытие ионных каналов в клеточных мембранах. Нобелевскими лауреатами стали американские ученые – Питер Агр (Peter Agre) и Родерик Мак-Киннон (Roderick Mackinnon).

Питер Агр родился в Нортфилде (штат Миннесота) в 1949 году. В настоящее время является профессором университета Джона Хопкинса (Балтимор), занимается исследованиями в области биохимии и медицины.

Родерик Мак-Киннон родился в 1956 году в пригороде Бостона. В настоящее время является профессором в Институте Говарда Хьюза университета Рокфеллера (Нью-Йорк). Занимается исследованиями в области молекулярной нейробиологии и биофизики.

Как говорится в заявлении Нобелевского комитета, эти ученые прояснили, каким образом ионы солей и вода проникают в клетки человеческого организма. Питер Агр удостоен премии за открытие механизма проникновения воды в клетки, а Мак-Киннон – за исследования структуры и механизмов проникновения ионов солей.

Эти фундаментальные открытия дали нам знания о том, как клетка поддерживает свою форму и внутреннее давление, как в нервных клетках генерируются и передаются электрические сигналы, какова природа тех или иных болезней, например болезней почек, сердца, мускулатуры, нервной системы и т.д. Это открыло возможность разработки принципиально новых лекарств.

Все живые клетки окружены двухслойными мембранами, которые отделяют их от других клеток и внеклеточного пространства. В самих клетках мембранами также окружены т.н. органеллы, такие как ядро, митохондрии и хлоропласты. Мембраны в обычном состоянии непроницаемы для воды и ионов, до тех пор, пока не понадобится быстро и строго выборочно переместить их через мембрану, часто в ответ на вне- или внутриклеточный сигнал.

Водные каналы позволяют клетке регулировать свой объем и внутреннее давление и необходимы, когда вода должна быть выделена из различных жидкостей организма, например, когда моча собирается в почках. В растениях работа водных каналов особенно заметна, например, при усвоении воды корнями. Водные каналы абсолютно необходимы для жизни и существуют во всех организмах – от бактерии до человека.

Предположение о существовании водных каналов было высказано еще в средине XIX века. В конце 1950-х было обнаружено, что вода быстро транспортируется через мембрану клетки красных кровяных телец с помощью водно-селективных каналов, не пропускающих ионы. Но еще 30 лет никто не мог идентифицировать белок-канал для воды, и представление о водно-специфических каналах оставалось весьма туманным.

В конце 80-х неуловимые водные каналы были, наконец, открыты Питером Агрэ. В 1988 году он выделил белок в клеточной мембране, который, как стало ясно год спустя, и является тем самым клеточным каналом для воды. Открытие белка, известного теперь как аквапорин 1 или AQP1, было решающим моментом в изучении клеточных водных каналов. С тех пор аквапориноподобные белки были найдены во всех живых организмах. Только в организме человека их обнаружено уже 11.

Всего лишь за десять лет было достигнуто практически полное понимание функции водных каналов на атомном уровне и выяснена физиологическая роль водных каналов в живых организмах и их роль в развитии болезней. Открытие Агрэ произвело революцию в изучении транспорта воды и заложило твердый биохимический фундамент в важнейших областях физиологии и медицины.

В свою очередь, ионные каналы позволяют клетке генерировать и передавать электрические сигналы и являются молекулярной основой нервной системы. Ионные каналы могут открываться или закрываться в ответ на разные сигналы, то есть они управляются импульсами. Изучение работы ионных каналов в организме человека дает ключ к изучению многих болезней внутренних органов, например, мозга, сердца, мышечной системы.

Еще в 1890 году Вильгельм Оствальд (Нобелевский лауреат по химии 1909 года) предположил, что электрические токи в живых материях могут быть вызваны движением ионов через клеточные мембраны. Работы начала XX века позволили установить, что природа мембранных электрических потенциалов электрохимическая, и было сделано предположение о существовании узких ионных каналов.

Работа 50-х годов по ионному транспорту через мембрану аксона гигантского кальмара (за которую была вручена Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1963 году) открыла новую эру в нейрофизиологии и быстро привела к детальной модели действия электрического потенциала в нервной клетке. Основные принципы быстрого транспорта, ионной избирательности, затворных свойств и блокирования каналов были ясно сформулированы, но лежащий в их основе молекулярный механизм был совершенно неясен.

Получить трехмерную структуру высокого разрешения для мембранных белков очень трудно. Большой прорыв произошел в лишь в 1998 году, когда Родерик МакКиннон выяснил структуру одного из калиевых каналов. Работы МакКиннона открыли совершенно новые возможности для детальных исследований функции ионных каналов. Его исследования обеспечили твердый фундамент для понимания на молекулярном уровне неврологических, мышечных и сердечных болезней, открыв новые возможности для разработки лекарств.

ФИЗИОЛОГИЯ И МЕДИЦИНА

Нобелевская премия 2003-го года в области физиологии и медицины присуждена совместно двум учёным – американцу Полу Лотербуру (Paul Christian Lauterbur) и британцу Питеру Мэнсфилду (Peter Mansfield) – за открытия, касающиеся получения изображений с помощью ядерного магнитного резонанса. В настоящее время метод магнитно-резонансного сканирования (MRI) – наиболее безопасный и всё более активно применяемый в мире способ исследования внутренних органов человеческого тела.

Пол Кристиан Лотербур родился в 1929 году в США, в городе Сиднее, штат Огайо. Окончил Технологический институт в Кливленде по специальности «химия», защитил диссертацию в Питтсбургском университете. Научная карьера Лотербура началась в Нью-йоркском университете. С 1985-го года Пол Лотербур занимает должности профессора Иллинойсского университета и директора биомедицинской лаборатории по изучению ядерного магнитного резонанса в городе Урбане. Явление ядерного магнитного резонанса было открыто в 1946-м году независимо двумя группами американских физиков. За это открытие Нобелевская премия была вручена ещё в 1952 году. Заслуга Лотербура состоит в том, что в начале 70-х годов он предложил методику, позволившую данные магнитно-резонансной спектроскопии преобразовывать в двухмерное изображение.

Как это ни удивительно, эксперты знаменитого журнала Nature, в который учёный послал для публикации свою работу, не сразу оценили её значение. Работа вернулась назад с пояснением, что статья посвящена слишком мелкой проблеме и не заслуживает публикации в журнале. Лотербур слегка переделал текст, изложив результаты более красочно. Весной 1973-го года работа была опубликована и вызвала сенсацию.

Питер Мэнсфилд развил методики Лотербура. Он показал, как математически анализировать полученные сигналы и как добиться предельно быстрого получения изображений (т.н. эхо-планарный метод).

Питер родился в 1933 году в Лондоне. В 15 лет бросил школу после того, как учитель сказал ему, что наука – занятие явно не для него. Отслужив в армии, он окончил вечернюю школу и поступил в Лондонский университет. После защиты диплома и диссертации по специальности «физика», Мэнсфилд работал в США, Англии, Германии. С 1979-го года он является профессором Центра магнитно-резонансных технологий Ноттингемского университета.

Методика магнитно-резонансного сканирования в 70-е годы была еще весьма несовершенна. К тому же, как раз в это время появилась и получила массовое распространение компьютерная рентгеновская томография. Однако сегодня методу магнитно-резонансного сканирования во многих случаях практически нет альтернативы, особенно когда речь идёт об исследовании мозга, сердца, органов брюшной полости. К тому же, в отличие от всех методов, в которых используются рентгеновские лучи, метод MRI не связан с ионизирующим излучением, а значит совершенно безопасен для пациента.

Цифры впечатляют: сегодня количество магнитно-резонансных томографов в мире уже превысило 22 тысячи единиц, за год на этих аппаратах проводится свыше 60-ти миллионов обследований. Многие знают, как выглядит такой томограф: наверняка и вам доводилось видеть по телевизору, как пациента укладывают на лежак и вдвигают в узкую трубу. Но как он работает?

Организм человека в значительной степени состоит из воды, содержащей атомы водорода. При этом атомы водорода обладают магнитным моментом, что и позволяет использовать явление ядерного магнитного резонанса в медицине. Явление ядерного магнитного резонанса вызывается одновременным воздействием на вещество двух внешних полей – постоянного магнитного и переменного электромагнитного.

Главный компонент томографа – мощный магнит. Постоянное магнитное поле упорядочивает ориентацию ядер-диполей, заставляя их развернуться вдоль силовых линий. Если теперь дополнительно приложить переменное электромагнитное поле, то при определённых значениях напряжённости или частоты начинается процесс резонансного поглощения энергии поля ядрами атомов вещества.

После отключения электромагнитного поля атомы водорода начнут возвращаться в исходное состояние, излучая радиоволны. Этот процесс регистрируется специальными приёмниками, а поступающая от них информация обрабатывается компьютером. Поскольку разные ткани человеческого тела содержат разное количество воды (от 12% в костях до 83% в сером веществе мозга), то появляется возможность получать достаточно чёткие послойные изображения отдельных органов.

Современные системы высокоскоростной визуализации позволяют получать изображения быстротекущих процессов. Ядерная магнитно-резонансная томография уже может, например, регистрировать изменения мозговой активности в ответ на внешнее раздражение, позволяет в режиме реального времени наблюдать за работой сердца.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Напоследок перечислим всех нобелевских лауреатов этого года:

Физика
Алексей Абрикосов (Россия-США)
Виталий Гинзбург (Россия)
Энтони Леггетт (Великобритания-США)

Химия
Питер Агр (США)
Родерик МакКиннон (США)

Физиология и медицина
Пол Лотербур (США)
Питер Мэнсфилд (Великобритания)

Литература
Джон Максвелл Кутзее (ЮАР)

Нобелевская премия мира
Ширин Эбади (Иран)

Премия Банка Швеции за достижения в экономической науке
Роберт Энгл (США)
Клайв Грэйнджер (Великобритания)