Нобелевскому комитету всегда удавалось обмануть ожидания публики, но на этот раз ничего нельзя было поделать. В последние два года гравитационные волны стали самым обсуждаемым событием в физике, а их открытие пришлось ровно на столетний юбилей Общей теории относительности. Кроме того, как раз накануне отпали последние сомнения в перспективах гравитационной астрономии: ученым впервые удалось наблюдать «эхо» слияния нейтронных звезд. Короче говоря, с премией по физике в этом году все было предсказуемо, чего нельзя сказать о двух других номинациях.
Александр Ершов

Физиология и медицина

Маятник биологических часов

Премию получили Майкл Росбаш, Джеффри Холл и Майкл Янг «за исследование молекулярных механизмов, контролирующих циркадные ритмы».

Каждый, кто хоть раз испытывал джетлаг, знает, что такое биологические часы. Их колебания контролируют сон, внимательность, метаболизм, даже температуру тела. Они существуют у людей и животных, растений, грибов и даже у цианобактерий. Но устройство маятника этих часов — того, что вызывает и контролирует их колебания, — до 70-х годов прошлого века было совершенно неизвестно. Строились самые разные предположения, связанные, например, с электрическими токами на клеточной мембране, но все они оказались неверными.

Раскрыть эту загадку удалось именно нынешним лауреатам, хотя начало этой работе положил не доживший до вручения премии американский генетик Рональд Конопка. В 1971 году вместе с Сеймуром Бензером он поставил довольно простой эксперимент: накормил плодовых мушек мощным мутагеном и пронаблюдал за тем, как они ведут себя в течение суток. Оказалось, что среди мутантных животных были те, чей цикл активности увеличился до 28 часов, те, у кого он сократился до 19 часов, и те, кто вовсе перестал следить за временем. Но самое интересное было в том, что все три мутации приходились на один ген, а значит, именно он руководил работой биологических часов. Вот только как руководил — оставалось не понятно.

Диаграммы активности лабораторных животных собирают при помощи обычного датчика, прикрепленного к беговому колесу. Ровные полосы отмечают периоды строгой работы биологических часов, а «помехи» — их поломку.

Ключевой прорыв случился уже в 1980-е, когда Холл и Росбаш установили, что матричная РНК этого гена (черновик, с которого синтезируется белок) испытывает те же колебания, что и активность дрозофил: ее концентрация в мозге постоянно меняется. Исследования нынешних лауреатов позволили полностью расшифровать механизм колебаний. Оказалось, что их причиной является отрицательная обратная связь на основе транскрипции: если белок может воздействовать на собственный синтез и при этом иметь достаточно короткое время жизни, то в клетке неизбежно возникают колебания его концентрации. Помимо своего собственного гена, белок может действовать и на другие, и тогда уже их активность начинает меняться со временем.

Интересно, что биологические часы есть в каждой клетке организма и механизмы их синхронизации пока не до конца ясны. Например, эксперименты на химерах — животных, чье тело составлено из генетически разных организмов, — показали, что тут все решает демократия: чем больше в химерной мыши клеток с «правильными» генами, тем четче такие грызуны держат суточные ритмы.

Химия

Заглянуть внутрь молекулы

Премию получили Жак Дюбоше, Йоахим Франк и Ричард Хендерсон «за развитие криоэлектронной микроскопии, позволяющей с высоким разрешением определять структуру биомолекул в растворе».

Почти все лекарства, которые мы принимаем, будь они «от головы» или «от желудка», действуют не на абстрактные голову или желудок, а на конкретные биомолекулы-мишени, работа которых нарушена в результате болезни. Они могут быть не всегда известны, но, чтобы рационально создавать новые препараты, хорошо бы знать, как эти мишени устроены. Почти все они белки, большинство — рецепторы, то есть белки, живущие на клеточной мембране. Узнать их структуру можно было бы очень просто — достаточно прочитать аминокислотную последовательность и загрузить ее в компьютер, ведь структура белка полностью определяется последовательностью. Но даже современные мощные компьютеры не способны справиться с этой задачей. Подвижки в этом направлении есть (можно вспомнить краудсорсинговый проект FoldIt), но до решения «проблемы белка» пока очень далеко.

Структура комплекса β-галактозидазы, полученная методом криоэлектронной микроскопии.

Единственным способом узнать строение большой молекулы до сих пор был рентгеноструктурный анализ — тот самый, с помощью которого открыли спиральную форму ДНК. Рассеиваясь на кристалле, рентгеновский свет формирует пятна на детекторе, и уже по их расположению можно узнать внутреннее строение. Если вы смогли получить хороший кристалл, метод работает просто отлично. Только вот реальные мишени для лекарств с большим трудом поддаются кристаллизации, особенно если это мембранные белки.

Именно здесь в нашей истории появляются нынешние нобелевские лауреаты. Они предложили альтернативный подход: использовать для определения структуры не кристаллы, а отдельные молекулы, и не рентгеновские лучи, а лучи электронов. Другими словами, нужно попытаться рассмотреть внутреннее устройство молекул в электронный микроскоп. Долгое время считалось, что эта задача не имеет решения: электроны обладают огромной энергией и способны просто испепелить каждую отдельную молекулу. Полученный «посмертный снимок» можно пытаться расшифровать, но такой слабый сигнал несет слишком мало информации. Выходит, нужно собирать тысячи снимков и комбинировать данные — но как узнать, в фас или профиль был сделан каждый из них?

Математическую основу для решения этой задачи заложил нынешний лауреат Йоахим Франк. В 1977 году он показал, что при достаточно большом размере частиц можно сначала определить ориентацию каждой из них, поделить их на группы и уже затем приступать к анализу. Чем мельче молекула, тем сложнее, но на сегодня таким образом удалось определить даже структуру крохотного гемоглобина — одного из первых объектов рентгеноструктурного анализа.

Однако теория — это только половина работы. Прежде чем анализировать снимки, нужно зафиксировать объект перед камерой. Сделать это непросто: будучи высушенными или замороженными, белки теряют структуру. Другой нынешний лауреат, Жак Дюбоше, разработал метод мгновенной заморозки препаратов, который позволил сохранять структуру белков для последующего анализа. Для этого он использовал специальную сеточку, которую вместе с раствором погружали в баню из жидкого азота и этана. Что касается третьего лауреата, Ричарда Хендерсона, то его заслуга заключается в том, что он совместил достижения двух других и довел метод до атомного разрешения, определив в 1990 году с его помощью структуру бактериородопсина.

Физика

Телескоп для гравитации

Премию получили Кип Торн, Райнер Вайсс и Барри Бэриш «за решающий вклад в создание детектора LIGO и обнаружение гравитационных волн».

О том, что такое гравитационные волны, и о том, как их удалось обнаружить, сегодня уже сняты фильмы (обязательно стоит посмотреть «В ожидании волн и частиц»), написаны книжки (например, «Интерстеллар» нынешнего лауреата Кипа Торна) и десятки научно-популярных статей, в том числе и на страницах «ПМ». Но можно поспорить, что некоторые из этих фактов могли ускользнуть от вашего внимания.

  1. За гравитационные волны уже вручали Нобелевскую премию: в 1993 году ее получили Рассел Халс и Джозеф Тейлор. В ходе многолетних наблюдений за двойной системой PSR B1913+16 астрономы обнаружили, что вращение звезд замедляется ровно так, как это предсказывает ОТО с учетом потерь на излучение гравитационных волн. Так что сам факт их существования никто из физиков под сомнение не ставил, интрига была в том, чтобы напрямую детектировать сигнал и на основании этих данных изучать уже другие вещи — например, уточнить постоянную Хаббла и научиться следить за слияниями черных дыр и нейтронных звезд.

    Сигнал слияния нейтронных звезд, зафиксированный LIGO 17 августа 2017 года. «Клюшка» — это резкий скачок частоты вращения при сближении двух тел.

  2. О прямом наблюдении гравитационных волн уже сообщалось, но это оказалось ошибкой. Гравитационные волны, как и электромагнитные, бывают очень разными по своей частоте. У тех, что удалось зафиксировать коллаборациям LIGO и Virgo, частота измеряется в миллисекундах, но есть и волны, период колебания которых сопоставим со временем существования Вселенной. Это колебания пространства-времени, которые возникли в первые моменты Большого взрыва и, как считается, должны были оставить свой след в поляризации реликтового микроволнового излучения. О том, что гравитационные волны такого типа удалось увидеть, в 2014 году сообщали физики из эксперимента BICEP2. Впоследствии, однако, оказалось, что астрономы недооценили влияние космической пыли, и громкое открытие пришлось отозвать.
  3. Физики изначально пытались «слушать гравитацию» совершенно иным способом — с помощью огромных металлических резонаторов. Пионером такого метода был Джозеф Вебер из Мэрилендского университета в США. Идея была в том, что при прохождении гравитационной волны двухметровый алюминиевый цилиндр должен подхватить колебания, что можно будет зафиксировать с помощью чувствительных пьезодатчиков. В 1969-м Вебер даже сообщил об обнаружении сигнала волны, который, однако, так и остался историческим курьезом. Детекторы было очень сложно изолировать от внешних колебаний. Уже после Вебера было много попыток охлаждать резонаторы, прятать их на большую глубину, но чувствительность их так и осталась низкой. Один из детекторов, например, был установлен в 1970-е годы в подвале физфака МГУ и даже зафиксировал воспроизводимый сигнал — им оказался грохот отправляющихся в депо трамваев.
  4. Российские физики имеют непосредственное отношение к открытию. Во‑первых, недавно умерший член-корреспондент РАН Владимир Брагинский еще с 1960-х годов занимался разработкой методов детекции гравитационных волн. Он сформулировал одно из ключевых понятий для будущего успеха детектора — стандартный квантовый предел. Это происходящее из неопределенности Гейзенберга ограничение на точность измерений в квантовой механике. Во‑вторых, сама идея регистрации волн с помощью интерферометра была впервые сформулирована советскими физиками Михаилом Герценштейном и Владиславом Пустовойтом в статье 1961 года. Знали ли о ней нынешние лауреаты — достоверно не известно, но факт остается фактом. К слову, и сама мишень для поиска волн — слияние черных дыр — была подсказана Кипу Торну советским физиком Яковом Зельдовичем во время приезда нынешнего лауреата в Москву в 1971 году. В-третьих и главных, в коллаборации LIGO вполне официально участвовали российские ученые из нижегородского Института прикладной физики и МГУ (группа того самого Брагинского). Все это не означает, что «российских ученых опять обошли». Наоборот, премия руководству коллаборации означает престиж для всех сотрудников, и российские ученые тут на тех же правах, что и представители остальных стран-участниц.

  5. Обнаруженное искажение длины составило около 1/1000 радиуса протона — и это при длине «лазерной линейки» в 4 км. Такая фантастически высокая точность измерений была достигнута за счет применения сжатого света, способного обойти стандартный квантовый предел. Упрощая, можно сказать, что это свет, в котором из пары связанных параметров — например, амплитуды и фазы — один может быть измерен существенно лучше другого. Сжатый свет можно сравнить с плотницким карандашом, чей сплюснутый грифель при той же площади сечения позволяет рисовать более тонкие линии. Такое состояние излучения было продемонстрировано еще в 1980-х, но довести технологию до реального применения в интерферометрах LIGO удалось только в 2013 году.
  6. Гравитационные волны — это колебания: их можно перевести в аудиозапись, для этого нужно лишь немного увеличить скорость воспроизведения. Звучат гравитационные волны как своеобразный «чирк». Поскольку перед слиянием черные дыры выбрасывают энергию, их частота вращения резко увеличивается, что хорошо слышно в записи. Кстати, объем этой энергии примерно эквивалентен трем массам Солнца.
  7. С сентября 2015 года, когда был получен первый сигнал, зафиксировано еще четыре слияния — в последнем случае источником была пара нейтронных звезд, а не черных дыр. Затем к паре детекторов LIGO присоединился расположенный в Италии Virgo, и стало возможно вычислять источник сигнала на небесной сфере. На подходе японский KAGRA, LIGO-India, телескоп Эйнштейна и множество других детекторов, самый амбициозный из которых, космическая гравитационная обсерватория ELISA, должен был завершен к 2034 году.

Статья «Неделя высокой науки» опубликована в журнале «Популярная механика» (№12, Декабрь 2017).
Понравилась статья?
Подпишись на новости и будь в курсе самых интересных и полезных новостей.
Спасибо.
Мы отправили на ваш email письмо с подтверждением.