В этом году Нобелевские премии по физике получили три британских физика Дэвид Таулес, Дункан Халдейн и Джон Костерлиц «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи». При этом они работают в американских университетах: физик-теоретик Таулес в Вашингтонском, Халдейн — в Принстонском, а Костерлиц — в Брауновском. Исследования ученых относятся к теоретической физике конденсированного состояния вещества и связаны с описанием фазового перехода Березинского — Костерлица — Таулеса (БКТ).
Нобелевской премии по физиологии и медицине удостоен японский биолог Есинори Осуми за описание процесса аутофагии. Его открытия позволяют приблизить объяснение процесса старения и рака. Ученый родился в 1945 году в городе Фукуока, с 2009 года работает в Токийском технологическом институте.
Нобелевская премия 2016 года в области химии присуждена Жан-Пьеру Соважу, Джеймсу Фрейзеру Стоддарду и Бернарду Феринга «за разработку и синтез молекулярных машин».
Жан-Пьер Соваж работает в университете Страсбурга, Фрейзер Стоддарт — в Северо-Западном университете в Эванстоне, США, Бернард Феринга — в университете Гронингена, Нидерланды. Нобелевские лауреаты по химии этого года разработали молекулы, движение которых можно контролировать, и которые могут производить работу при подаче энергии. Это новый шаг в разработке молекулярных (химических) компьютеров.
ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ КАК ШАГ К КВАНТОВЫМ КОМПЬЮТЕРАМ
Универсальный метод, разработанный нобелевскими лауреатами по физике, позволяет дать общее теоретическое объяснение определенных состояний материи — двумерных сверхпроводников, сверхтекучих жидкостей и магнитных тонких пленок. Теперь появилась возможность прогнозировать их свойства при переходе из сверхтекучего или сверхпроводящего состояний в нормальное. На квантовом уровне такие системы допускают топологическое описание, вне зависимости от конкретного материала. Отсюда такие свойства материи получили такое название.
Топология — раздел математики, разработка которого началась в начале прошлого века в трудах великого французского математика Анри Пуанкаре. Большой вклад в эту теорию внес польский математик Казимеж Куратовский. В 1927—1933 гг. он преподавал во «Львовской политехнике».
Топология (от др.-греч. topos — место и logos — слово, учение) изучает в самом общем виде явление непрерывности, в частности свойства пространства, которые остаются неизменными при непрерывных деформациях без разрывов и склеиваний. В привычной геометрии деформации тел и фигур фактически не рассматриваются. При этом деформируемые тела рассматриваются как различные.
В топологии не используются метрические свойства объекта. Такие понятия геометрии как расстояние, размер и т.д. в этом разделе математики отсутствуют. Для топологии тор (бублик) и кружка с ручкой неотличимы. Топология стала необходимым инструментом описания физических свойств различных объектов. Топологически достаточно корректно объясняется изменение сопротивления в квантовом эффекте Холла. Последний широко используется не только в технике, но также в медицинской аппаратуре.
Эффект, описанный лауреатами, дает появление электрического напряжения в поперечное сечении проводника, по которому протекает постоянный ток, помещенный в магнитное поле. Квантовый эффект связан с появлением дискретных, т.е. прерывных уровней проводимости. Иными словами, на данном уровне проводимость есть, а на другом она отсутствует.
Впервые на теоретическом уровне такой эффект предсказал советский физик Вадим Березинский в 1960-х гг. Им были описаны свойства тонких пленок сверхтекучего жидкого гелия и слоистых магнетиков. К сожалению, родившийся в Киеве физик умер в 1980 году в возрасте 45 лет.
Как показал Березинский, при низких температурах в таких системах образуются связанные пары вихрь — антивихрь, их энергия не зависит от размера материала. С повышением температуры система выходит из топологической фазы при этом сверхтекучий (без трения) гелий переходит в обычную жидкость. Характерно, что математическое описание одинаково для сверхтекучести и сверхпроводимости определенных двумерных систем.
Статью Березинского в свое время большинство физиков не поняло. К тому же, она была написана довольно сложно и не во всем последовательно. Костерлиц и Таулесс объяснили этот процесс более понятным способом. Вот почему этот переход стал называться переходом Березинского — Костерлица — Таулесса. Развитие этой области физики создало условия для создания и изучения новых классов веществ — топологических изоляторов. Их отличие заключается в том, что они в своей толще ток не проводят, так называемые топологические токи протекают по поверхности вещества.
Описание нобелевских лауреатов применительно к тонким веществам с фазовыми топологическими переходами в том числе и в применении к топологическим изоляторам открывает возможность создавать процессоры и вычислительные системы работающие с огромной частотой, поэтому они способны производить значительно больше операций в единицу времени. Она не будет ограничена выделением тепла из-за потерь на электрическом сопротивлении. Другое направление использования эффекта — создание первичных элементов для квантового компьютера будущего.
Добавим к этому, что в физике все взаимосвязано. Описанные фазовые эффекты будут использованы в графеновых тонких пленках, за которые в 2010 году два бывших советских ученых Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию.
Нобелевскую премию по физике 2015 года получили Артур Макдональд и Такааки Каджита «за открытие осцилляции нейтринов, показывающее, что у нейтринов есть масса».
УТИЛИЗАЦИЯ КЛЕТОЧНОГО СОДЕРЖИМОГО
Современные компьютеры на основе кристаллов кремния подошли к пределу увеличения своей производительности. Кстати, медицина требует увеличения производительности компьютеров для разработки средств лечения болезней человечества. Начиная от сердечно-сосудистых до рака, гепатита и СПИД. Физика и электроника стоят перед крупнейшим скачком в производительности компьютеров. И это станет серьезным инструментом в руках ученых, в том числе биологов и физиологов.
Здесь на первый план выходит объяснение механизма функционирования клеток. Он оказался довольно сложным, и это потребовало разработки новых методов исследования.
Аутофагия (греч. auto — себя и phagein — есть) — процесс уничтожения внутриклеточного мусора с помощью клеточных компонентов с кислой средой. В 1960-х гг. было замечено, что клетки избавляются от собственного содержимого с помощью мембранного мешочка. Клеточный компонент с ферментами, переваривающие белки, жиры и углеводы назвали лизосомой. Именно лизосома имеет функцию утилизации и даже ликвидации клеточного содержимого. В 1974 году профессор Кристиан де Дюв получил Нобелевскую премию за открытие лизосом. Он же и ввел термин «аутофагия» в 1963 году.
Вынос отработанного клеточного содержимого в лизосомы называется аутофагией, а пузырьки — аутофагосомами. Феномен долгое время был мало изучен из-за объективных трудностей в его наблюдении. В начале 1990-х гг. японский ученый Есинори Осуми провел блестящие эксперименты и обнаружил ответственные за аутофагию Atg-гены. В ходе дальнейших экспериментов он доказал, что такие же процессы протекают в клетках человеческого организма.
Благодаря его работам стало понятно, что аутофагия обеспечивает так называемое топливо и строительные компоненты для обновления клеточных структур. Именно таким образом клетки мобилизуют внутренние резервы. Аутофагия обеспечивает удаление поврежденных клеточных структур, что важно для поддержания нормальной работы клетки. С ее помощью клетка отвечает на различные виды стресса. Особенно это важно при заражении вирусами и бактериями. Именно аутофагия помогает клеткам от них избавиться. Также она способствует развитию эмбриона и дифференцированию профильных функций клеток.
Клетки используют аутофагию для выведения поврежденных белков, что противодействует негативным последствиям старения. Считается, что нарушения в механизме аутофагии приводит к болезни Паркинсона, сахарному диабету второго типа и другим заболеваниям, которые возникают у пожилых людей. Кроме того, аутофагия направлена на борьбу с внутриклеточными инфекционными агентами, например, с возбудителем туберкулеза.
В частности, раковые клетки непрерывно делятся, и это поддерживает процесс аутофагии. Для нормальной клетки это естественно, и она всеми силами поддерживает возможность делиться. Важно найти способ прерывать этот процесс для раковых клеток и вещества-ингибиторы (лат. inhibere — задерживать, останавливать), подавляющие защитную функцию аутофагии в раковых клетках. Особая сложность — в том, чтобы научиться воздействовать ингибиторами именно на раковые клетки и не затронуть важный процесс аутофагии у здоровых клеток. На это направлены основные усилия молекулярных онкологов и биологов.
Осуми уже выдвигался на получение Нобелевской премии в 2013 году, но тогда ее получили Рэнди Шекман, Джеймс Ротман и Томас Зюдхоф за раскрытие механизмов везикулярного транспорта — главной транспортной системы в наших клетках.
КОММЕНТАРИЙ
«ПРЕМИИ УКАЗЫВАЮТ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ НАУКИ»
Владимир ЯНОВСКИЙ, доктор физико-математических наук в области теоретической физики, профессор, Харьков:
— Начну с примера. Нобелевскую премию 2013 года присудили за бозон Хиггса. Были потрачены гигантские деньги на постройку ускорителя. Этот ускоритель был построен только для того, чтобы обнаружить «никому не нужную» частицу — бозон Хиггса. Она нужна только для того, чтобы выяснить: определенная стандартная теория правильная или неправильная. Никакой практической пользы от бозона Хиггса не следует ожидать в ближайшие сто лет. Но его польза заключается в том, что становится понятно, куда развивать фундаментальные исследования. И это лейтмотив.
Нобелевская премия по физике 2016 года была присуждена за создание концепции фазовых переходов нового типа и новых фаз, которые могут возникать в низкоразмерных системах. Она тоже пока не имеет практического значения.
Все эти Нобелевские премии важны не столько практическими применениями, сколько для того, чтобы указывать направления развития науки. А это на самом деле самое важное. Потому что наука в общем-то нужна не для того, чтобы мы жили хорошо, а для того, чтобы мы в принципе выжили. Если мы не будем развивать фундаментальные исследования, человечество погибнет.
Подготовила Ольга ХАРЧЕНКО, «День»
