Цього року Нобелівські премії з фізики отримали троє британських фізиків — Девід Таулесс, Дункан Халдейн і Джон Костерліц «за теоретичні відкриття топологічних фазових переходів і топологічних фаз матерії». При цьому вони працюють в американських університетах: фізик-теоретик Таулесс — у Вашингтонському, Холдейн — у Принстонському, а Костерліц — у Браунівському. Дослідження вчених належать до теоретичної фізики конденсованого стану речовини і пов’язані з описом фазового переходу Березинського — Костерліца — Таулесса (БКТ).
Нобелівської премії з фізіології та медицини удостоєний японський біолог Есинорі Осумі за опис процесу аутофагії. Його відкриття дозволяють наблизити пояснення процесу старіння і раку. Вчений народився 1945 року в місті Фукуока, з 2009 року працює в Токійському технологічному інституті.
Нобелівську премію 2016 року в області хімії присуджено Жан-П’єру Соважу, Джеймсу Фрейзеру Стоддарту і Бернарду Ферінга «за розробку і синтез молекулярних машин».
Жан-П’єр Соваж працює в університеті Страсбурга, Фрейзер Стоддарт — у Північно-Західному університеті в Еванстоні, США, Бернард Ферінга — в університеті Гронінгена, Нідерланди. Нобелівські лауреати з хімії цього року розробили молекули, рух яких можна контролювати і які можуть здійснювати роботу під час подачі енергії. Це новий крок у розробці молекулярних (хімічних) комп’ютерів.
ФАЗОВІ ПЕРЕХОДИ ЯК КРОК ДО КВАНТОВИХ КОМП’ЮТЕРІВ
Універсальний метод, розроблений нобелівськими лауреатами з фізики, дозволяє дати загальне теоретичне пояснення певних станів матерії — двовимірних надпровідників, надтекучих рідин і магнітних тонких плівок. Тепер з’явилася можливість прогнозувати їх властивості при переході з надтекучого або надпровідного станів у нормальний. На квантовому рівні такі системи допускають топологічний опис, незалежно від конкретного матеріалу. Звідси такі властивості матерії отримали таку назву.
Топологія — розділ математики, розробка якого почалася на початку минулого століття в працях великого французького математика Анрі Пуанкаре. Великий внесок у цю теорію зробив польський математик Казімеж Куратовський. У 1927—1933 рр. він викладав у «Львівській політехніці».
Топологія (від давньогрец. topos — місце і logos — слово, вчення) вивчає в якнайзагальнішому вигляді явище безперервності, зокрема властивості простору, які залишаються незмінними за безперервних деформацій без розривів та склеювань. У звичній геометрії деформації тіл і фігур фактично не розглядаються. При цьому тіла, що деформуються, розглядаються як різні.
У топології не використовуються метричні властивості об’єкта. Такі поняття геометрії, як відстань, розмір тощо в цьому розділі математики відсутні. Для топології тор (бублик) і чашка з ручкою не розрізняються. Топологія стала необхідним інструментом опису фізичних властивостей різних об’єктів. Топологічно доволі коректно пояснюється зміна опору у квантовому ефекті Холла. Останній широко використовується не лише у техніці, а також у медичній апаратурі.
Ефект, описаний лауреатами, дає появу електричної напруги в поперечному перетині провідника, по якому протікає постійний струм, вміщений у магнітне поле. Квантовий ефект пов’язаний із появою дискретних, тобто переривчастих рівнів провідності. Інакше кажучи, на даному рівні провідність є, а на іншому вона відсутня.
Уперше на теоретичному рівні такий ефект передбачив радянський фізик Вадим Березинський у 1960-х рр. Ним були описані властивості тонких плівок надтекучого рідкого гелію і шаруватих магнетиків. На жаль, фізик, який народився у Києві, помер 1980 року у віці 45 років.
Як показав Березиський, за низьких температур у таких системах утворюються зв’язані пари вихор-антивихор, їх енергія не залежить від розміру матеріалу. З підвищенням температури система виходить із топологічної фази, при цьому надтекучий (без тертя) гелій переходить у звичайну рідину. Характерно, що математичний опис однаковий для надтекучості і надпровідності певних двовимірних систем.
Статтю Березинського свого часу більшість фізиків не зрозуміла. До того ж вона була написана досить складно і не у всьому послідовно. Костерліц і Таулесс пояснили цей процес у більш зрозумілий спосіб. Ось чому цей перехід почав називатися переходом Березинського — Костерліца — Таулесса. Розвиток цієї галузі фізики створив умови для створення і вивчення нових класів речовин — топологічних ізоляторів. Їх відмінність полягає в тому, що вони у своїй товщі струм не проводять, так звані топологічні струми протікають поверхнею речовини.
Опис нобелівських лауреатів щодо тонких речовин із фазовими топологічними переходами, зокрема і в застосуванні до топологічних ізоляторів, відкриває можливість створювати процесори й обчислювальні системи, що працюють із величезною частотою, тому вони здатні здійснювати значно більше операцій за одиницю часу. Вона не буде обмежена виділенням тепла через втрати на електричному опорі. Інший напрям використання ефекту — створення первинних елементів для квантового комп’ютера майбутнього.
Додамо до цього, що у фізиці все взаємопов’язано. Описані фазові ефекти будуть використані в графенових тонких плівках, за які 2010 року двоє колишніх радянських учених Андрій Гейм і Костянтин Новосьолов одержали Нобелівську премію.
Нобелівську премію з фізики 2015 року одержали Артур Макдональд і Такаакі Каджита «за відкриття осциляції нейтринів, що показує, що у нейтринів є маса».
УТИЛІЗАЦІЯ КЛІТИННОГО ВМІСТУ
Сучасні комп’ютери на основі кристалів кремнію підійшли до межі збільшення своєї продуктивності. До речі, медицина вимагає збільшення продуктивності комп’ютерів для розробки засобів лікування хвороб людства. Починаючи від серцево-судинних до раку, гепатиту і СНІДу. Фізика й електроніка стоять перед найбільшим стрибком у продуктивності комп’ютерів. І це стане серйозним інструментом у руках учених, зокрема біологів і фізіологів.
Тут на перший план виходить пояснення механізму функціонування клітин. Він виявився досить складним, і це вимагало розробки нових методів дослідження.
Аутофагія (греч. auto — себе і phagein — їсти) — процес знищення внутрішньоклітинного сміття за допомогою клітинних компонентів із кислим середовищем. У 1960-х рр. було помічено, що клітини позбуваються власного вмісту за допомогою мембранного міхурця. Клітинний компонент із ферментами, що переварюють білки, жири і вуглеводи, назвали лізосомою. Саме лізосома має функцію утилізації і навіть ліквідації клітинного вмісту. 1974 року професор Крістіан де Дюв отримав Нобелівську премію за відкриття лізосом. Він же і впровадив термін «аутофагія» 1963 року.
Винесення відпрацьованого клітинного вмісту в лізосоми називається аутофагією, а бульбашки — аутофагосомами. Феномен довгий час був мало вивчений через об’єктивні труднощі у його спостереженні. На початку 1990-х рр. японський учений Есинорі Осумі провів блискучі експерименти і виявив відповідальні за аутофагію Atg-гени. У ході подальших експериментів він довів, що такі самі процеси протікають у клітках людського організму.
Завдяки його роботам стало зрозуміло, що аутофагія забезпечує так зване паливо і будівельні компоненти для оновлення клітинних структур. Саме таким чином клітини мобілізують внутрішні резерви. Аутофагія забезпечує видалення пошкоджених клітинних структур, що важливо для підтримки нормальної роботи клітини. З її допомогою клітина відповідає на різні види стресу. Особливо це важливо при зараженні вірусами і бактеріями. Саме аутофагія допомагає клітинам їх позбутися. Також вона сприяє розвитку ембріона і диференціюванню профільних функцій клітин.
Клітини використовують аутофагію для виведення пошкоджених білків, що протидіє негативним наслідкам старіння. Вважається, що порушення в механізмі аутофагії призводить до хвороби Паркінсона, цукрового діабету другого типу та інших захворювань, які виникають у літніх людей. Крім того, аутофагія спрямована на боротьбу з внутрішньоклітинними інфекційними агентами, наприклад, зі збудником туберкульозу.
Зокрема, ракові клітини безперервно діляться, і це підтримує процес аутофагії. Для нормальної клітини це природно, і вона всіма силами підтримує можливість ділитися. Важливо знайти спосіб переривати цей процес для ракових клітин і речовини-інгібітори (лат. inhibere — затримувати, зупиняти), що пригнічують захисну функцію аутофагії в ракових клітинах. Особлива складність у тому, щоб навчитися впливати інгібіторами саме на ракові клітини і не зачепити важливого процесу аутофагії у здорових клітин. На це спрямовані основні зусилля молекулярних онкологів і біологів.
Осумі вже висувався на здобуття Нобелівської премії 2013 року, але тоді її одержали Ренді Шекман, Джеймс Ротман і Томас Зюдхоф за розкриття механізмів везикулярного транспорту — головної транспортної системи в наших клітинах.
КОМЕНТАР
«ПРЕМІЇ ВКАЗУЮТЬ НАПРЯМИ РОЗВИТКУ НАУКИ»
Володимир ЯНОВСЬКИЙ, доктор фізико-математичних наук у сфері теоретичної фізики, професор, Харків:
— Почну з прикладу. Нобелівську премію 2013 роки присудили за бозон Хіггса. Було витрачено величезні гроші на збудування прискорювача. Цього прискорювача було побудовано лише для того, щоб виявити «нікому не потрібну» частку — бозон Хіггса. Вона потрібна лише для того, щоб з’ясувати: певна стандартна теорія правильна чи неправильна. Жодної практичної користі від бозона Хіггса не слід чекати найближчих сто років. Але його користь полягає в тому, що стає зрозуміло, куди розвивати фундаментальні дослідження. І це лейтмотив.
Нобелівську премію з фізики 2016 року було присуджено за створення концепції фазових переходів нового типу і нових фаз, які можуть виникати в низькорозмірних системах. Вона теж поки не має практичного значення.
Усі ці Нобелівські премії важливі не стільки практичним використанням, скільки для того, щоб вказувати напрями розвитку науки. А це насправді найважливіше. Тому що наука загалом потрібна не для того, щоб ми жили добре, а для того, щоб ми в принципі вижили. Якщо ми не розвиватимемо фундаментальні дослідження, людство загине.
Підготувала Ольга ХАРЧЕНКО, «День»
