За какие научные открытия вручили Нобелевскую премию в этом году? Поясняют эксперты

Накануне вручения Нобелевской премии в Киеве уже в пятый раз прошло мероприятие Nobilitet. Это что-то вроде украинского TED talks, посвященного именно нобелевке. Эксперты в соответствующих областях (ученые, преподаватели вузов, журналисты) рассказывают о Нобелевской премии самое важное: кому и за какие открытия ее вручили, и какую роль эти открытия сыграли — или еще сыграют — в судьбе человечества и в нашей повседневной жизни. Формат — лекции с ответами на вопросы. 

“Вокруг света. Украина” побывал на мероприятии, и теперь мы тоже можем рассказать вам о нынешних нобелиатах и их открытиях.

Нобелевская премия по медицине и физиологии

Лауреаты: американские физиологи Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян.

Достижение: открытие и исследование термо- и тактильных рецепторов 

То, как мы ощущаем изменения температуры, прикосновения и боль, во многом определяет нашу жизнь. Скажем, палец автоматически отдергивается от горячего чайника (или сосуда с жидким азотом — холод-то ведь тоже обжигает). Но что, если рецепторы не сработают? Отсутствие боли на первый взгляд кажется бонусом, но что, если человек ничего не почувствует, сломав лодыжку, и продолжит бежать, вместо того, чтобы вызвать “скорую”? 

Возникновение и трансляция этих ощущений связаны с работой ионных каналов в клеточных мембранах, а их работу, в свою очередь, определяют белки-рецепторы — своеобразные биологические сенсоры, которые открывают и закрывают “воротца” в мембране, чтобы внутрь клетки могли проникнуть необходимые вещества, а ненужные покинули клетку. 

 

Как пояснил в своей лекции Nobilitet научный сотрудник Института физиологии им. Богомольца Алексей Болдырев, команда под руководством Джулиуса логично предположила, что терморецептор горячего (а также жгучего, подобно перцу) должен находиться в нейронах. Джулиус выделил ДНК и РНК нервных клеток и изучил, какие гены активны, когда клетка вступает в контакт с капсаицином — действующим веществом жгучего перца. Таким образом обнаружился белок, программируемый и активируемый соответствующими генами. Белок-рецептор назвали TRPV1; он включается, когда мы чувствуем жар или едим острую пищу со жгучим перцем. 

Алексей Болдырев

Еще через несколько лет исследований группа Джулиуса обнаружила холодовый рецептор TRPM8, который активируется холодом — и мятой. Поэтому от мяты холодок во рту! Кстати, оказалось, что регуляция TRPM8 связана с полом  и половыми гормонами. Чем выше уровень тестостерона, тем ниже чувствительность холодового рецептора. Именно поэтому мужчины меньше мерзнут, чем женщины (и особенно — когда возбуждены или злятся). Так что напоминание “Надень шапку” — не такое уж бесполезное, когда речь идет о мужчинах! 

С помощью белка-терморецптора А1 из этой же группы гремучие змеи способны безошибочно находить жертву в темноте (рецепторы расположены на морде змеи). У человека А1 отвечает за восприятие чеснока, холода и отчасти давления.

Открытие белковых рецепторов, отвечающих за чувство жара и боли, может значительно помочь в лечении хронической боли и онкологических заболеваний. Ведь рецепторы могут реагировать не на один, а на множество разных факторов, в том числе и вроде бы неожиданных. Например, холодовой рецептор оказался активным в тканях рака простаты. О чувстве холода там явно речь не идет, но рецептор как-то связан с развитием рака, и на него можно влиять, например, с помощью лекарств или генной инженерии. 

Группа Ардема Патапутяна занималась исследованием механорецепторов и обнаружила мембранный белок, названный Piezo-1, поскольку работает по принципу пьезозажигалки: под действием давления рецептор открывает ионный канал в клеточной мембране, через который идет электрический ток. 

Пьезо-каналы очень важны в клетках иммунной системы, которые постоянно словно “ощупывают” все, что попадется им “под руку”, чтобы обнаружить врага — вирус, бактерию или токсин. При аутоиммунных заболеваниях иммунная система реагирует слишком сильно на невинные раздражители. В эксперименте на мышах, больных рассеянным склерозом, ученые заблокировали белок  Piezo-1 и добились снижения интенсивности аутоиммунных реакций, что открывает богатые перспективы в медицине. 

Нобелевская премия по физике

Лауреаты: Сюкуро Манабе, Клаус Гассельманн и Джорджио Паризи.

Достижение: Сюкуро Манабе и Клаус Гассельман — за физическое моделирование климата Земли; Джорджио Паризи — за исследование взаимодействия хаоса и флуктуаций в физических системах.

В этом году Нобелевскую премию по физике вручили трем ученым. Двое из них, Сюкуро Манабе и Клаус Гассельман, вели независимые исследования, связанные между собой одной темой: моделирование погодных процессов и климата. 

Физик Джорджио Паризи получил премию за исследование эрготичности на примере спиновых стекол. Гипотеза эрготичности звучит примерно так: рано или поздно система окажется во всех возможных состояниях. Как это можно проиллюстрировать? Скажем, если идеальная машина окажется в идеальной горной долине, то рано или поздно машина посетит все места этой долины. Однако на самом деле существуют преграды, вроде рек и горных кряжей, которые помешают автомобилю пробраться в некоторые места. Паризи, изучая особые аморфные системы, которые называют спиновыми стеклами из-за некоторой схожести со стеклом, показал на математических моделях, что такие стекла всегда аморфны и никогда не могут кристаллизоваться, поскольку достигают определенных метастабильных состояний. А значит, принцип эрготичности системы нарушается — она не может побывать во всех возможных состояниях, поскольку не может кристаллизоваться. 

Все это крайне сложно и далеко от повседневности. Однако, как пояснил лектор Nobilitet Александр Якименко, доктор физико-математических наук, — идеи Паризи помогли другим ученым понять поведение многих хаотических систем. Например, огромных стай скворцов — их движение кажется хаотичным, но на самом деле подчинено строгим внутренним законам. Также идеи Паризи помогли ученым понять динамику нейронных сетей и… климатических изменений. 

Открытия Сюкуро Манабе и Клауса Гассельманна оценить чуть легче, поскольку мы привыкли читать об изменениях климата и уж тем более — просматривать прогноз погоды. А ведь первый удачный прогноз, основанный на вычислениях, был создан лишь в 1950 году на первом программируемом компьютере “ЭНИАК”. Забавный факт: прогноз был рассчитан на 12 часов вперед, но сами вычисления как раз заняли 12 часов. Когда прогноз был готов, его точность уже можно было проверить, просто выглянув в окно.

Современные модели имеют очень высокую разрешающую способность и предсказывают погоду на местности с точностью до 5 км; по словам лектора Nobilitet доктора физико-математических наук Екатерины Терлецкой, примерно 90% метеопрогнозов на неделю вперед оказываются верными, а если прогноз более краткосрочный — на завтра-послезавтра — им тем более можно доверять. 

 

Екатерина Терлецкая

Однако с предсказанием глобальных климатических изменений ситуация более сложная. Еще в 1963 году Эвард Лоренс описал знаменитый эффект бабочки: взмах крыла бабочки в Бразилии может привести к торнадо в Техасе. Говоря научным языком, при крошечных изменениях в значении начальных условий итоговые результаты системы уравнений могут очень сильно различаться. Так как же учесть все эти крошечные (в мировом масштабе) флуктуации погоды и других реальных условий, которые в конечном счете очень сильно влияют на глобальную климатическую модель? 

Климатологи Сюкуро Манабе и Клаус Гассельман получили Нобелевскую премию как раз за шаги к решению этой проблемы. Благодаря их работам стало возможным создание климатической модели, в которой быстро меняющиеся факторы — погода, выбросы парниковых газов и пр. — учтены в общей системе уравнений. Манабе и Гассельман смогли выделить и показать влияние на климат как антропогенных факторов (сжигание нефти, крупные производства, вырубка лесов), так и природных факторов (извержения вулканов, изменение солнечной активности). 

График из работ Клауса Гассельмана. Синяя кривая показывает расчетное изменение глобальных температур под влиянием  только природных факторов, красная — расчетное влияние антопогенных и природных факторв вместе, черная — реальные наблюдения. Очевидно, что человек все портит.

Манабе, в частности, предсказал еще в своих первых моделях в 1969 году, что температура будет повышаться в тропосфере (это нижний слой атмосферы, прилегающий к Земле), но одновременно снижаться в стратосфере (верхнем слое атмосферы). Измерения это подтверждают. Чем больше выбросы парниковых газов, тем больше солнечного тепла остается в «ловушке» на Земле и тем меньше излучается наверх в стратосферу, а затем и в космическое пространство. Кстати, стратосфера, охлаждаясь, сокращается, как любой газ. Наблюдения показывают, что она действительно становится тоньше.

Нобелевская премия Гассельману и Манабе — это знак, что научный консенсус по поводу влияния человека на глобальное потепление достигнут и закреплен, так сказать, официально. Спорить с этим могут только маргиналы. А вот как решить проблему негативных последствий глобального потепления — человечеству еще предстоит понять.

Нобелевская премия по химии

Лауреаты: Бенджамин Лист и Дэвид Макмиллан.

Достижение: разработка асимметричного органокатализа.

Катализ (попросту, ускорение) химических реакций — невероятно важный процесс. В присутствии катализатора происходят тысячи химических реакций, использующихся в различных сферах производства, от фармацевтики до производства удобрений. Поэтому за исследования катализа Нобелевку давали уже как минимум полтора десятка раз. 

Катализатором часто выступают различные металлы, но у них есть побочные эффекты — в частности, металлы загрязняют окружающую среду и накапливаются в организме человека, что чревато развитием разных болезней. В исследованиях Листа и Макмиллана в центре внимания были биологические катализаторы. А конкретно — те катализаторы, которые способствуют синтезу определенных стереоизомеров.

Стереоизомеры — молекулы, отличающиеся друг от друга только расположением атомов Хотя формула у них одна и та же, свойства могут сильно различаться. Простой пример: два стереоизомера одного и того же вещества отвечают за запах тмина и мяты. Формула у них одинаковая, а вот аромат у вещества совсем разный. 

Игорь Комаров

Доктор химических наук Игорь Комаров, директор Института высоких технологий КНУ им. Шевченко, поясняя значение открытия, привел и другой пример, гораздо более драматичный: известную историю с лекарством под названием талидомид. В 50-е годы в США новое лекарство активно прописывали беременным женщинам как успокоительное и уменьшающее тошноту. Оно хорошо помогало, однако после родов обнаружился ужасный побочный эффект: тератогенность. Талидомид нарушал нормальное развитие плода, приводя к уродствам новорожденных (они рождались без конечностей). Так вот, за успокоительные свойства отвечал один стереоизомер талидомида, а за тератогенные — другой. Если бы их можно было адекватно разделить в процессе синтеза, трагедии удалось бы избежать. Но обычно в ходе реакций стереоизомеры образуются примерно в соотношении 1:1.

Асимметричный органокатализ — это и есть такой катализ, который способствует синтезу только одного стереоизомера из возможных, чтобы он преобладал в итоговых продуктах реакции. Кроме того, сам катализатор — органический. 

Благодаря открытию органических асимметричных катализаторов, в частности, был синтезирован единственный эффективный препарат от гриппа — озельтамивир (тамифлю). В его производстве используется катализатор Макмиллана. Другое важное лекарство — препарат от цитомегаловируса — также производится с участием асимметричных органокатализаторов.

К слову, Игорь Комаров, а также его украинские коллеги в начале 2000-х сотрудничали с Бенджамином Листом в работе над созданием органокатализатора, участвующего в синтезе аминокислот.

Нобелевская премия по экономике

Лауреаты: Дэвид Кард, Джошуа Ангрист и Гвидо Имбенс.

Достижение: Дэвид Кард — за эмпирический вклад в экономику труда; Джошуа Ангрист и Гвидо Имбенс — за методологический вклад в анализ причинно-следственных связей.

Экономическая наука сильно отличается от естественных дисциплин тем, что объект исследований в экономике — человек, а у человека, в отличие от молекул и атомов, есть свобода воли. Алексей Геращенко, экономист, преподаватель авторских финансовых курсов в Киево-Могилянской бизнес-школе, проиллюстрировал эту мысль простым примером: допустим, для роста курса доллара к гривне нет никаких экономических предпосылок. Однако если кто-то влиятельный авторитетно заявит, что курс должен вырасти, многие поверят и побегут скупать доллары, и курс действительно вырастет, балансируя спрос и предложение. Свобода воли позволяет людям принимать такие решения — покупать доллары или нет, и соответственно, эти решения влияют на общий ход событий.

Алексей Геращенко

Кроме того, этика не позволяет ставить над людьми эксперименты. Однако ученые используют “естественные эксперименты” — то есть то, что фактически уже случилось в обществе. Например, статистика показывает, что в США люди, родившиеся во второй половине года, имеют доходы на 9% выше, чем те, кто родился в первой половине года. Почему? Потому, что в США по закону дети должны учиться минимум до достижения 18 лет. И те, кто заканчивает выпускной класс раньше, чем им исполнилось 18, остаются в школе еще на год. Благодаря этому дополнительному году они достигают лучших успехов в учебе, чаще поступают в вузы и, соответственно, получают более высокую зарплату. Благодаря выводам, сделанные нынешними нобелевскими лауреатами из этого исследования, во многих странах школьное обучение продлили с 10 до 12 лет. 

Идея безусловного базового дохода, которую сейчас опробуют в Финляндии, Швейцарии, Германии и некоторых других странах, базируется на выводах из другого естественного эксперимента — Массачусетской лотереи. Эта лотерея отличается от других тем, что крупный выигрыш счастливчику выплачивают порциями ежемесячно в течение нескольких лет. Наблюдения показали, что такие выплаты не заставляют людей бросить работу, хобби, семью и удариться во все тяжкие. Тогда как при получении всей суммы сразу это случается часто. И спустя 10 лет после выигрыша у сорвавшего джек-пот в среднем остается на руках только 16% выигранной суммы. Таким образом бы создана теоретическ

Еще один естественный эксперимент связан с неравенством. Исследования в США показали, что когда в школе учатся в основном чернокожие, то даже при инвестициях в школу, повышении зарплаты учителям это не улучшает среднюю успеваемость учеников. А в школах со смешанным составом учеников успеваемость выше. 

Другой вывод по поводу школьного образования: создание классов, где собраны талантливые ученики, в целом стимулирует других учеников учиться лучше, так что неравенство по принципу таланта — полезный инструмент.

Также нынешние нобелиаты по экономике выяснили, что городские кварталы, где селятся люди разного этнического происхождения, остаются стабильными и благополучными, но только пока количество людей, принадлежащих к этническому меньшинству (для данного квартала), не превышает 5-20%. Если же количество условных “чужаков” переваливает за эту отметку, в квартале начинаются расовые и религиозные конфликты. Такие выводы полезны в городской политике, в частности, США и других стран с пестрым этническим составом.

В целом, заслуга нынешних нобелиатов по экономике в том, что они показали: благодаря естественным экспериментам можно найти ответы на острые социальные вопросы.

 

P.S. Если вы не посетили мероприятие Nobilitet в Киеве и хотите послушать лекции (включая те, которые здесь не упомянуты: о Нобелевской премии мира и премии по литературе), можно купить онлайн-билет и посмотреть лекции в любое удобное время. Для просмотра доступны записи как полной программы мероприятия, так и отдельных лекций. Приобрести запись мероприятия и узнать больше о проекте можно по ссылке: https://nobilitet.com.

Генеральным спонсором, поддерживающим научное событие уже второй год, стала компания Carlsberg Ukraine.

Читайте также:

Шнобелевская премия-2021: вред ужастиков для экологии и оргазм против насморка