Накануне завершилась Нобелевская неделя. Представители Шведской королевской академии наук и Каролинского института объявили лауреатов самых престижных научных наград в мире — Нобелевских премий в области физики, химии, физиологии и медицины. Научный журналист Даниил Кузнецов объясняет, в чем суть и какая польза для человечества от их открытий.
1. Дыхание смерти, дыхание жизни: за что дали Нобелевскую премию по медицине
Американцы Грегг Семенца, Уильям Келин и британец сэр Питер Рэтклифф награждены за исследования реакций клеток на кислород и его отсутствие.
Все организмы на Земле делятся на два типа: анаэробы и аэробы. Первым для получения энергии из питательных веществ кислород не нужен. С одной стороны, это преимущество, а с другой — тормоз для дальнейшей эволюции и освоения новых экологических ниш. Наиболее сложные из анаэробов — круглые черви. К аэробам же относится большинство микроорганизмов, почти все животные и растения. Наконец, мы, люди. С одной стороны, кислород — важнейший строительный элемент наших тел. Он есть и в составе воды, из которой мы состоим на 60-70%, и в молекулах органических веществ клеток. С другой — кислород служит окислителем в процессе клеточного дыхания и обеспечения энергией. Без кислорода нет жизни.
Обычно в окружающем нас воздухе 21% кислорода. Мы вдыхаем его, через легкие он поступает в артериальную кровь. Там O2 уже 15%. Выходящая из левого желудочка артериальная кровь омывает все органы, отдавая кислород. Его переносят специальные клетки — красные кровяные тельца или эритроциты, похожие на вдавленные с двух сторон диски, — с помощью содержащего железа белка гемоглобина. В итоге в венозной крови, возвращающейся в правое предсердие, остается всего 5% кислорода. Но что будет, если его поступление внезапно уменьшится?
Стоит уровню кислорода в воздухе упасть всего на один процент, как нам будет казаться, что нечем дышать. Дальнейшее снижение концентрации вызывает так называемую высотную болезнь (ее симптомы часто проявляются на большой высоте в горах, где воздух разрежен и кислорода мало) — вялость, сонливость, головокружение, затуманенное сознание. Закончиться все может отеком легких или мозга, приводящих к смерти.
Борьба за кислород
Недостаток кислорода в крови называется гипоксией. А вот реакция на него очень-очень сложная и многоступенчатая. В наших сонных артериях есть так называемые каротидные тельца. Эти скопления чувствительных клеток, словно "датчики", постоянно "измеряют" концентрацию O2 в крови и сообщают мозгу, если она начинает падать. Вслед за этим происходит активация дыхательного центра в продолговатом мозге, заставляющего нас дышать глубже и чаще, а сердце — биться быстрее. За открытие этих "датчиков" Нобелевскую премию получил еще в далеком 1938 году Корней Хейманс.
Однако это не единственный и далеко не основной способ побороть гипоксию. Два других связаны с транспортной функцией крови и конкретно красных кровяных телец. Это усиление ангиогенеза — роста кровеносных сосудов к испытывающим дефицит кислорода тканям, и увеличение концентрации в крови гормона эритропоэтина. Он воздействует на красный костный мозг и стимулирует производство эритроцитов: чем они многочисленнее, тем больше кислорода из легких идет к тканям и органам. Вырабатывают эритропоэтин клетки почек, поэтому при их заболеваниях люди часто страдают анемией или малокровием.
На уровне целого организма механизм был понятен уже в середине XX века, однако оставалось загадкой, как клетки "понимают", что кислорода не хватает? В 1985 году был обнаружен ген эритропоэтина EPO. Его подробным изучением и занялся наш первый лауреат Грегг Семенца из Университета Джонса Хопкинса. Параллельно в Великобритании ту же проблему пытался решить Питер Рэтклифф.
Главный вопрос заключался в том, что приводит к активации этого гена. Независимо друг от друга Семенца и Рэтклифф выяснили, что в ДНК есть особые регуляторные участки рядом с геном эритропоэтина. Они-то и являются спусковым крючком, "включающим" в нужный момент "соседа" в работу по синтезу эритропоэтина. Но чтобы "проинформировать" эти регуляторные участки, ДНК нужен какой-то посредник — белок или иная молекула, сигнализирующая о гипоксии.
И Семенца вскоре его обнаружил. Это оказался целый белковый комплекс, способный связываться с ДНК в любых человеческих клетках и активировать ген EPO. Семенца назвал его HIF (hypoxia-inducible factor) — фактор, индуцированный гипоксией. Вскоре выяснилось, что это не один фактор, а целое семейство белков: HIF-1α, HIF-2α, HIF-3α. Каждый из них имеет свои функции. При длительном дефиците кислорода за синтез эритропоэтина в почках отвечает HIF-2α. А HIF-1α служит краткосрочным сигналом тревоги при острой гипоксии.
Ослепленный "мусорщик"
Впрочем, кислород не только благо, но и яд. Все зависит от его количества. Работу HIF должен был регулировать какой-то контрольный механизм. Его и установил третий лауреат Нобелевки этого года Уильям Келин из Института рака Дана-Фарбер. Он изучал наследственную болезнь Гиппеля-Линдау, при которой часто развиваются некоторые типы онкологических заболеваний.
Сначала Келин обнаружил, что болезнь Гиппеля-Линдау связана с мутацией в гене VHL, который кодирует одноименный белок, входящий в состав протеасомы — внутриклеточной машины, разрушающей ненужные или дефектные белки. У белка VHL есть особая задача: он ставит метки на "мусорные" белки. Если метка есть — протеасома расщепляет его, нет — проходит мимо.
Это универсальный механизм. Если кислорода в клетках достаточно, то комплексы HIF становятся ненужными. Они должны помечаться VHL и утилизироваться протеасомами. Но Келин выяснил потрясающий факт: в клетках опухолей повышена активность гена EPO! Из чего следует, что комплексы HIF там не разрушаются, ибо VHL из-за мутации не метит их и оставляет невидимыми для протеасом. Все вместе это ведет к усилению питания кислородом раковых клеток, их бесконтрольному росту и делению, развитию опухолей и смерти.
Осталось выяснить, как этот механизм работает в норме. Здесь на сцену вновь вышел Рэтклифф. Он обнаружил ферменты, которые в присутствии кислорода вешали на HIF гидроксильные группы, после чего они меняли свою форму и легко связывались с VHL, а затем уничтожались протеасомами. Если же концентрация кислорода была низкой, то ферменты не срабатывали, HIF продолжали спокойно существовать и стимулировать активность гена EPO, а клетки вырабатывали эритропоэтин. Он поступал в костный мозг и увеличивал выработку эритроцитов, помогая преодолеть гипоксию. Так в начале 2000-х годов сложилась вся мозаика.
Польза от этого открытия
Раскрытие полной цепочки сигналов поможет создать целый класс новых противоопухолевых препаратов. Известно, что раковые клетки, особенно в солидных опухолях, перепрограммируют механизм сигнализации о гипоксии, заставляя свои клетки постоянно просить новую порцию кислорода, стимулируя ангиогенез к пораженным тканям и получая усиленное питание. Блокирование этого механизма способно как усилить действие химио- и радиотерапии, так и выступать в качестве самостоятельного курса лечения. Сейчас препараты такого класса проходят клинические испытания. Другой практический "выхлоп" — помощь больным с почечной недостаточностью в преодолении анемии и, наоборот, повышении снабжения кислородом тканей и органов.
2. Иные миры и картина мира: за что дали Нобелевскую премию по физике
Джеймс Пиблс, Дидье Кело и Мишель Майор награждены за вклад в понимание эволюции Вселенной и места Земли в космосе. Пиблс получил половину премии за теоретические открытия в физической космологии, а Кело и Майор другую половину за открытие экзопланеты, вращающейся вокруг солнцеподобной звезды.
Что такое планета, всем известно. Это небесное тело, которое обращается по орбите вокруг Солнца; имеет достаточную массу, чтобы под действием собственной гравитации прийти в состояние равновесия, и расчищает окрестности своей орбиты от иных объектов (например, астероидов). А экзопланета? Определение остается тем же, меняется только светило. Экзопланетами называют любые планеты, обращающиеся вокруг других звезд. Сейчас их открывают практически каждый день. Но так было далеко не всегда.
Движущиеся огоньки
Вообще первая из них была обнаружена в 1988 году у двойной звезды Гамма Цефея, однако астрономы приняли ее за третий звездный компонент. И лишь 15 лет спустя выяснилось, что это вовсе не звезда, а экзопланета. В 1992 году были открыты три экзопланеты у нейтронных звезд. И, наконец, в 1995 году Мишель Майор и Дидье Кело нашли планету на орбите звезды 51 Пегаса — желтого карлика, очень похожего на наше Солнце. Сейчас считается, что эта экзопланета — 51 Пегаса b — "горячий юпитер", всегда повернутый к своему светилу одной из сторон. Его масса более чем вдвое меньше нашего Юпитера, а вот размеры несколько превышают его.
Профессор Пиблс объясняет принципы своего открытия на коротком брифинге
Обнаружена 51 Пегаса b была методом лучевых скоростей. Его суть в том, что исследователи не "видят" экзопланету, что называется, своими глазами, но измеряют ее влияние на звезду. А используют для этого эффект Допплера.
Чтобы понять его суть, представьте себе фонарик. Если он быстро отъезжает от вас и расстояние между вами все время увеличивается, значит, его лучевая скорость положительна. Если же фонарик стремительно приближается к вам, лучевая скорость отрицательна. Ну а если фонарик кружит вокруг вас, не приближаясь и не удаляясь, его лучевая скорость равна нулю. Однако фонарик еще и светит желтоватым цветом. При этом, когда он быстро летит на вас, кажется зеленым. А если от вас — красным. Этот эффект изменения частоты любого сигнала в зависимости от лучевой скорости объекта, его испускающего, и называется эффектом Доплера.
Вальс двух тел
Но как же с его помощью обнаружить экзопланету? Может показаться, что когда планета обращается вокруг звезды, последняя всегда стоит на месте. На самом деле это не так. Звезда тоже обращается, с тем же периодом, что и планета, описывая при этом маленький кружок вокруг центра масс системы. И если при этом система располагается по отношению к наблюдателю так, что лучевая скорость звезды для него в некоторые моменты времени отлична от нуля, то он может заметить эффект Доплера в виде изменения спектра излучения от нее — и заподозрить, что вокруг звезды обращается какое-то массивное тело, по всей вероятности — экзопланета.
Интересно, что метод лучевых скоростей сыграл злую шутку с Майором и Кело. В 1997 году их открытие подвергли сомнению. Было высказано предположение, что планеты не существует, а периодические изменения в спектре 51 Пегаса вызваны собственной пульсацией этой звезды. Однако следы такой пульсации в дальнейшем обнаружить не удалось, и существование 51 Пегаса b было окончательно подтверждено.
Польза от этого открытия
Она скорее психологическая. С 1995 года мы твердо знаем, что Солнечная система не уникальна. Что вокруг других звезд тоже вращаются планеты. И это могут быть землеподобные экзопланеты в зоне обитаемости (то есть они получают от своего светила столько же энергии, сколько и Земля от Солнца, а на их поверхности может быть вода). Значит, есть все основания предполагать, что на некоторых из них может существовать жизнь.
Темная сторона силы
Что касается Джеймса Пиблса, то ему Нобелевку дали скорее по совокупности заслуг. Он внес существенный вклад во многие основополагающие теоретические концепции и методы в космологии. Здесь и связь реликтового излучения с первичным синтезом гелия во Вселенной, и разработка численных методов для предсказания периодических колебаний в спектре мощности реликтового излучения, и многое-многое другое. Об одной из его концепций стоит сказать особо — холодной темной материи.
Еще в 1920-х годах было установлено, что звезды в нашей Галактике вращаются вокруг ее центра значительно быстрее, чем следует из известных физических законов и видимого количества вещества. Позднее аналогичный эффект был обнаружен и для других галактик. Это означало, что или законы неверны, или существует что-то еще, невидимое для земных телескопов. Какое-то скрытое вещество — темная материя.
До Пиблса считалось, что эта темная материя состоит из практически незаметных для нас нейтрино — легчайших частиц, не имеющих заряда. Это делало темную материю очень "горячей". И одновременно сильно повышало общую массу нейтрино — она должна была в пять раз превышать массу видимого вещества. Такому огромному количеству нейтрино просто неоткуда было взяться. В противовес "горячей" темной материи Пиблс предложил "холодную" — CDM (cold dark matter). Ее гипотетические частицы движутся гораздо медленнее скорости света (почему она и холодная) и слабо взаимодействуют с обычным веществом и электромагнитным излучением (из-за чего она темная и невидимая).
Благодаря модели Пиблса удалось объяснить, каким образом Вселенная из относительно однородного начального состояния на раннем этапе развития перешла к современному распределению галактик и их скоплений. А не так давно астрофизики смогли определить точный количественный состав Вселенной. Оказалось, что на долю обычной материи — ученые называют ее барионной — приходится всего 5% общей массы мироздания, еще 27% — это как раз холодная темная материя, оставшиеся же 68% относятся к еще одной гипотетической субстанции — темной энергии, которая ответственна за наблюдаемое ускоренное расширение нашей Вселенной. Как пояснил председатель Нобелевского комитета по физике, профессор Матс Ларсон:
Вселенная похожа на чашку кофе. По большей части она наполнена кофе — это темная энергия. Еще в чашке довольно много сливок — это темная материя. А совсем маленькая доля сахара — это обычная материя. И до сих пор наука изучала практически исключительно только этот сахар.
3. Аккумуляторы в каждый дом: за что дали Нобелевскую премию по химии
Джон Гуденаф, Стэнли Виттингхэм и Акира Есино награждены за разработку литий-ионных аккумуляторов.
Самая близкая к простому человеку премия и одна из наиболее ожидаемых. Сегодня литий-ионные аккумуляторы стоят в смартфонах, ноутбуках и зарядных устройствах, в небольших электросамокатах и огромных электромобилях. И теперь мы все знаем, кого за это благодарить!
Discover the person behind the striking illustrations of the new #NobelPrize laureates: Niklas Elmehed.
— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 9, 2019
Here Niklas is painting the portrait of 2019 Chemistry Laureate, John Goodenough. pic.twitter.com/8Rb5BpBtGR
Никлас Эльмехед, автор знаменитых иллюстраций нобелевских лауреатов, рисует Джона Гуденафа
Снова в школу
На первый взгляд, литий-ионные аккумуляторные батареи устроены достаточно просто. Есть два электрода: катод, возле положительного полюса батареи, и анод, возле отрицательного. Между ними электролит. Атомы лития в аноде теряют электрон и в виде положительно заряженного иона движутся от анода к катоду. Параллельно по внешнему контуру возникает течение отрицательно заряженных электронов — собственно электрический ток, запитывающий, например, внутренности вашего iPhone. Как только большинство ионов попадет в катод, батарея разрядится.
Чтобы понять механизм работы батареи (и любой электрической цепи), представьте себе длинную трубу: возле одного ее конца (полюса) электронов (пусть они будут маленькими шариками) больше, а возле другого меньше. Иными словами, наблюдается дисбаланс. Любая природная система стремится к равновесию, поэтому шарики-электроны по трубе начинают двигаться туда, где их меньше. Этот дисбаланс называется электрическим напряжением. Именно он заставляет электроны перемещаться, а измеряют его в вольтах (В).
При зарядке литий-ионного аккумулятора происходит обратный процесс: под действием приложенного электрического напряжения ионы лития выходят из катода и возвращаются к аноду. При этом катод также теряет электроны, и они под действием приложенного напряжения движутся к аноду, соединяясь с положительно заряженными ионами лития (восстанавливая их). Собственно, вся история развития литий-ионных аккумуляторов состояла в поиске подходящих материалов для катода, анода и электролита между ними.
Укрощение взрывов
Идея использовать в батарейке литий принадлежит Стэнли Виттингхэму. Он же предложил применять для многозарядных аккумуляторов принцип интеркаляции — способности определенных материалов включать в себя на время большое количество атомов другого вещества — например, того же лития. Виттингхэм выяснил, что сульфид титана хорошо интеркалирует, а значит — из него можно делать катоды. Так появился первый литий-ионный аккумулятор. Единственной его проблемой, правда фатальной, оказалась склонность к самопроизвольным возгораниям и взрывам.
Решить ее удалось Джону Гуденафу, когда он предложил заменить сульфид титана оксидом кобальта, а анод делать не из металлического лития, а также обладающего хорошими свойствами интеркаляции графита. Наконец, японец Акира Есино довел идеи предшественников до полноценного коммерческого продукта, заменив уже графит на содержащий сажу кокс — максимально стабильный в условиях интеркаляции лития материал. Благодаря чему в 1991 году компания Sony выпустила первый серийный фотоаппарат с литий-ионным аккумулятором, дав во всем мире старт революции портативной потребительской электроники и значительно увеличив цены на литий и кобальт в перспективе следующих 30 лет.
