- питання імунітету
- Не тільки на мухах
- Вродженого ...
- ... і придбаного
- А все-таки вона прискорюється
- Відповіді і нові питання
- Кристал і не-кристал
- Італійка, яка запізнилася премія
Щороку в жовтні весь вчений світ, затамувавши подих, чекає новин з Стокгольма. Там шведська Королівська академія наук вирішує, хто в цьому році буде удостоєний найпрестижнішої наукової нагороди - Нобелівської премії з природничих наук.
За традицією першими оголошують лауреатів в номінації «фізіологія або медицина», на наступний день - в номінації «фізика», а ще через день - «хімія».
питання імунітету
Третього жовтня Нобелівська асамблея Каролінського інституту повідомила про нагородження професора Страсбурзького університету, екс-президента Французької академії наук і іноземного члена РАН Жюля Хоффмана, керівника Відділення генетики каліфорнійського Інституту Скріппса Брюса Алана Бетлера - «за відкриття, що стосуються активації вродженого імунітету», і професора Рокфеллерівського університету Ральфа Марвіна Стейнмана, який помер 30 вересня від раку підшлункової залози (в останні десятиліття Нобелівські премії: не присуджено ают посмертно, однак під час голосування Стейнман ще був живий) - «за відкриття дендритних клітин і їх ролі в набутому імунітеті».
Не тільки на мухах
Група Бойтлер опублікувала свої результати в 1998 році в журналі Science. У переліку авторів цієї статті першим вказано петербурзький хімік Олександр Полторак, який нині керує лабораторіями в бостонському Університеті Тафтса і в Петрозаводськом університеті.
Олександр Полторак розповів «Популярною механіці», що ще до того, як їх група приступила до досліджень, було відомо, що ген, який запускає синтез шуканого рецептора, у мишей локалізована на четвертій хромосомі. Була також отримана лінія мишей, у яких ін'єкції великих доз липополисахаридов не викликали запальних реакцій, що ведуть до септичного шоку. Такий результат було природно пояснити мутацією гена, що приводить до поломки рецептора. Бойтлер і його співробітники провели ретельне картування цікавить їх ділянки четвертої хромосоми мишей-мутантів і таким чином ідентифікували шуканий ген. Подальше було справою техніки, причому вельми витонченою.
Вродженого ...
Одна з головних задач імунології полягає у вивченні механізмів, за допомогою яких організм реагує на біохімічні сигнали, що надходять з навколишнього середовища. Дослідження Хоффмана і Бетлера прояснили, яким чином тварини, в тому числі і людина, розпізнають ліпополісахариди - довгі молекули, що складаються з вуглеводів і жирових залишків. Ці біополімери містяться в клітинних стінках грамнегативнихбактерій, таких як кишкова паличка, сальмонела і збудник чуми. При попаданні в кров ліпополісахариди викликають різні гострі реакції - зокрема, різко підвищують температуру і знижують артеріальний тиск. Тому їх давно зарахували до ендотоксинів, однією з різновидів бактеріальних отрут. В кінці 1980-х років американський імунолог Чарльз Джейнвей припустив, що організм має спеціалізованими рецепторами, які розпізнають небезпечні речовини бактеріального походження і мобілізують імунну систему на захист від цих токсинів. Звідси випливало, що повинні існувати рецептори, що реагують на ліпополісахариди. Роботи Хоффмана і Бетлера привели до відкриття цих рецепторів.
Хоффман і його колеги вивчали імунні реакції мух-дрозофіл. В ході цих досліджень вони користувалися мутантними лініями цих комах, отриманими в лабораторії великого німецького біолога Крістіан Нусслайн-Фольхард, лауреата Нобелівської премії 1995 року. Одна з цих ліній несла мутацію гена Toll, що викликає специфічні аномалії ембріонального розвитку. Вчені підозрювали, що молекулярні сигнали, що управляють формуванням черевної і спинний боку ембріона, схожі з сигналами, що запускають імунну систему. Тому Хоффман вирішив перевірити, чи не задіяний чи ген Toll в її роботі. Він з'ясував, що мутантні мухи гинуть від грибка Aspergillus fumigatus, проти якого безсила їх імунна система. Як виявилося, ген Toll запускає синтез однойменного білка-рецептора, який розташовується на зовнішній мембрані клітин дрозофіл і разом з іншим протеїном бере участь в розпізнаванні грибкових клітин та активації імунної системи. Це відкриття в 1996 році було опубліковано в журналі Cell.
В середині 1990-х років гомологи рецептора Toll знайшли і у ссавців, їх назвали толл-подібними рецепторами (Toll-like receptors, TLR). Однак спочатку ніхто не знав, розпізнають вони патогенні мікроби. Відповідь на це питання було знайдено в лабораторії Бетлера. Його співробітники протягом декількох років вивчали розвиток септичного шоку у мишей при зараженні грамнегативними бактеріями. Були підстави припускати, що за виникнення шоку відповідає рецептор, що реагує на ліпополісахариди. Бетлера і його співробітники виявили і цей рецептор, і його ген. Він відноситься до сімейства толл-подібних рецепторів, де йому присвоєно четвертий номер (TLR-4). Тим самим команда Бетлера підтвердила гіпотезу Джейнвея і проклала шлях до розуміння ролі TLR в імунних реакціях.
До теперішнього часу у ссавців виявлено вже тринадцять толл-подібних рецепторів, причому десять із них - у людини. Вони розпізнають не самі лише ліпополісахариди, а й інші біомолекули, зокрема, нуклеїнові кислоти вірусів і бактерій. Ці рецептори задіяні в роботі обох видів імунітету: вродженого неспецифічного, яким володіють всі тварини, і специфічного, який є лише у хребетних (такий імунітет, який також називають адаптивним, набувається і закріплюється в результаті контакту організму з навколишнім середовищем). Відкриття і вивчення функцій TLR помітно прискорило прогрес імунології.
... і придбаного
Ральф Стейнман виявив невідому раніше різновид клітин, причетних до формування адаптивного імунітету. Таких клітин вже відкрито безліч, хоча, ймовірно, далеко не всі. Називаються вони імунокомпетентними клітинами, або імуноцитів. Функції иммуноцитов різноманітні: одні нейтралізують або знищують інтервентів, вторгаються в організм, другі їм в цьому допомагають, треті зберігають інформацію про непрошених гостей і забезпечують організм імунологічної пам'яттю. Є також клітини, які переробляють чужорідні речовини-антигени і передають їх фрагменти для розпізнавання іншим імуноцити (ці клітини також секретують біологічно активні молекули, що активують їх партнерів по імунному захисті, Т-лімфоцити і В-лімфоцити). Стейнман з початку 1970-х шукав такі допоміжні клітини (accessory cells). У 1973 році він і Занвіл Кон повідомили, що виявили в селезінці мишей раніше невідомі клітини цього типу, що мають на зовнішніх мембранах численні вирости, схожі на деревні сучки. Через це подібності він назвав їх дендритними. Стейнман експериментально довів, що дендритні клітини запрограмовані на вироблення цитокінів, сигнальних речовин, що активують Т-лімфоцити. Зараз відомо, що дендритні клітини патрулюють в тканинах і органах ссавців і відстежують з'явилися антигени. Є у них і інші імунологічні функції, так що це клітини-многостаночники. Слід зазначити, що стратегія поведінки, яка обирається дендритними клітинами, залежить і від хімічних сигналів, отриманих за допомогою толл-подібних рецепторів.
Дослідження Стейнмана, Хоффмана і Бетлера спочатку проходили по відомству фундаментальної науки, проте з часом вони привели до розробки декількох експериментальних вакцин, в тому числі і протиракових. Результати дослідів на тваринах дозволяють сподіватися, що на основі цих відкриттів будуть створені нові методи лікування аутоімунних захворювань і придушення запальних процесів. Загалом, це дослідження - золоте дно, скарби якого ще далеко не вичерпані.
А все-таки вона прискорюється
Нобелівську премію з фізики Королівська академія наук Швеції присудила астрофізику з Національної лабораторії імені Лоуренса в Берклі Солу Перлмуттеру, професору Університету Джонса Хопкінса Адаму Риссу і професору Національного університету Австралії Брайану Шмідту «за відкриття прискореного розширення Всесвіту, здійснене в ході спостереження далеких наднових».
Відповіді і нові питання
Директор Інституту космології при університеті Тафтса Олександр Виленкин в бесіді з «ПМ» назвав роботи Нобелівських лауреатів 2011 року великим досягненням астрономії XX століття, наукова значимість якого слід за відкриттям розширення Всесвіту:
«Воно не тільки усунуло колишні труднощі, а й поставило нові завдання фундаментальної важливості. Нинішня щільність темної енергії по порядку величини збігається з щільністю баріонів і темної матерії. Більшість фізиків вважає, що темну енергію породжують квантові флуктуації вакууму, які вносять в неї і позитивний, і негативний внесок. Згідно з приблизними оцінками, і ті, і інші повинні давати гігантські щільності темної енергії, приблизно 10118 ГеВ / см3. Але її реальна величина незрівнянно менше - на 123 порядку! Виходить, що різниця двох велетенських чисел лише трохи відрізняється від нуля, що виглядає вельми дивним ».
На думку Олександра Виленкина, не виключено, що це гра випадку: «Можливо, що в інших областях Космосу такі флуктуації дали зовсім інші значення щільності темної енергії, які обернулися або швидким розширенням простору, або катастрофічним стисненням.
В обох випадках там не могли виникнути галактики, зірки, планети і, тим більше, живі істоти. Тому бачимо значення щільності темної енергії, можливо, не має іншого пояснення, окрім того аргументу, що при великій кількості інших розкладів нікому було б його вимірювати ».
З другої половини 1960-х років в науці домінує концепція гарячого народження Всесвіту в результаті Великого вибуху, доповнена в 1980-х теорією космологічної інфляції. З цього часу мало хто сумнівався, що Всесвіт еволюціонує відповідно до математичними моделями, побудованими в 1920-1930-х роках на базі загальної теорії відносності. Згідно з цими моделями, простір може бути або плоским, евклідовим, або мати кривизну (негативну чи позитивну). У першому і другому випадках Всесвіт приречена на вічне розширення і охолодження, в третьому - на подальше стиснення до початкового сверхгорячей станом. Вибір конкретного сценарію залежить від величини середньої щільності космічної матерії, яку можна отримати тільки з спостережень.
Тут-то і виникла проблема. Згодом астрономи все більше і більше переконувалися, що ми живемо в плоскій Всесвіту. Таке світобудову найкраще описує космологічна модель, яку в 1932 році спільно побудували Альберт Ейнштейн і голландський астроном Віллем де Сіттер. Відповідно до цієї моделі і результатами вимірювань постійної Хаббла, вік Всесвіту виходив близько 10 млрд років, а це явно менше віку найдавніших зоряних скупчень. З іншого боку, згідно з тодішніми даними, у Всесвіті явно бракувало матерії, щоб забезпечити їй плоску геометрію. Щось було не так, але що саме - незрозуміло.
Нобелівські премії 2011 року якраз і увінчали досягнення двох колективів, що визначали відстані до наднових зірок типу Ia, що володіють майже стабільною пікової світність. Це дослідження обіцяло уточнити як значення постійної Хаббла, так і середню щільність космічної матерії. Перша група, Supernova Cosmology Project, яку очолював Перлмуттер, приступила до роботи в 1988 році. Друга команда під керівництвом Шмідта, High-z Supernova Search Team, була зібрана через шість років. Ця група виміряла видиму яскравість і червоне зміщення шістнадцяти наднових, причому основну роботу з аналізу отриманих даних виконав Рісс. Група Перлмуттера опрацювала аналогічну інформацію по сорока двох наднових. Стаття колаборації High-z Supernova Search Team з'явилася у пресі у вересні 1998 року, стаття команди Перлмуттера - в червні 1999-го.
Обидві групи дійшли висновку, що від дуже далеких наднових до нас приходить менше світла, ніж наказано моделлю Ейнштейна - де Ситтера. Звідси випливає, що Всесвіт розширюється швидше, ніж дозволяє ця модель (і навіть швидше, ніж якби в космосі взагалі не було гравитирующей матерії!). Адам Рісс першим зрозумів, що виник парадокс можна пояснити, припустивши, що в космічному просторі діє не тільки тяжіння, але і антигравітація. Цю можливість свого часу розглядали класики космології Ейнштейн, де Сіттер, Фрідман і Леметр, але потім про неї благополучно забули.
Американський фізик-теоретик Майкл Тернер запропонував назвати джерело космічної антигравітації темною енергією. У наступні роки результати вимірювань спектру реліктового випромінювання дозволили з'ясувати, що її щільність майже втричі перевершує загальну щільність звичайної і темної матерії і електромагнітного випромінювання, причому сума всіх цих щільності дає саме стільки, скільки потрібно для плоскої Всесвіту. Після Великого вибуху гравитирующих матерія ще довго превалювала над темною енергією, і Всесвіт розширювався з уповільненням швидкості. Однак щільність матерії при цьому зменшувалася, і приблизно 5-6 млрд років тому антигравітація перемогла. Так що дослідження нових нобелівських лауреатів усунули вікову аномалію Всесвіту і обгрунтували її евклидову геометрію.
Кристал і не-кристал
У номінації «хімія» шведська Академія наук у 2011 році назвала всього одного лауреата - професора Технологічного інституту Ізраїлю Дена Шехтмана «за відкриття квазікристалів», зроблене 8 квітня 1982 року в лабораторії американського Національного інституту стандартів (NIST). В той доленосний день Шехтман проводив електронне просвічування затверділого при швидкому охолодженні розплаву 86% алюмінію з 14% марганцю. Отримані результати настільки суперечили азам науки про кристалах, що спочатку їм практично ніхто не повірив, а Шехтмана просто звільнили з NIST. Йому і трьом його колегам, що допомагали йому з інтерпретацією даних, вдалося опублікувати свої висновки лише в листопаді 1984 року.
Сплав, яким займався Шехтман, виглядав незвично, однак головний сюрприз принесла електронна мікроскопія, яка показала групи з десяти світлих точок, що лежать на концентричних кіл на рівних кутових відстанях один від одного. Така дифракційна картина дозволяла припустити, що атомна решітка сплаву не змінюється при повороті на 36 градусів. Однак в тодішніх підручниках по кристалографії писали, що кристалічних структур з такою обертальної симетрією не буває. У той час вважали, що будь-який кристал складається з однакових елементарних осередків, які переходять один в одного при дискретних паралельних зрушеннях уздовж трьох просторових осей (не обов'язково взаємно перпендикулярних). Ще в кінці XIX століття було показано, що подібні решітки відтворюють себе лише при повороті на кути, кратні 180, 120, 90 і 60 градусів, і ні на які інші. Шехтман спостерігав і інші дивні дифракційні картини, які не укладаються в звичні рамки.
Незабаром після публікації роботи Шехтмана і його співавторів з'явилася стаття фізиків-теоретиків з Пенсільванського університету Дона Левіна і Пола Стейнхардт, в якій ці картини отримали теоретичне пояснення. Воно полягало в тому, що решітка шехтмановского сплаву складається не з однієї, а з двох або декількох різних елементарних осередків, розміри яких співвідносяться як ірраціональні числа. Тому паралельні переноси решітки описують не періодичні, а квазіперіодичні функції. Ця гіпотеза виявилася виключно плідною для розуміння властивостей подібних решіток, які Левін і Стейнхардт назвали квазікрісталліческая. Одне з її наслідків полягає в тому, що звичайні кристали - окремий випадок квазікристалів. Вона пояснює і наявність далекого порядку в квазікристалів, і їхні нестандартні обертальні симетрії.
Італійка, яка запізнилася премія
«Шехтман отримав премію зовсім заслужено, - говорить професор університету штату Нью-Йорк в Стоні-Брук Артем Оганов, - хоча і не в тій номінації: квазікристалів все ж займаються фізики і металурги, але не хіміки.»
Більш того, на думку Оганова, «Шведська академія наук сильно запізнилася з присудженням цієї премії. Відкриття Шехтмана спочатку викликало величезний інтерес і стимулювало безліч досліджень, але за останні 15 років в фізиці квазікристалів практично майже не було нових проривних результатів. Всі великі дослідники, які свого часу пішли в цю область, вже займаються зовсім іншими темами. Звичайно, ситуація може змінитися, але поки це не виглядає ймовірним. »
Професор Прінстонського університету Пол Стейнхардт, відомій и своими працями з космології, рассказал «ПМ», что в 1981 году зацікавівся переохолодженімі рідінамі. Виявило, что їх молекули на невеликих відстанях один від одного шикують у структурі з Незвичайна обертовімі сіметрії. Стейнхардт припустив, що такі структури в принципі можуть поширюватися і на значно більші відстані, тобто формувати не близький, а дальній порядок. До 1984 року він і Дон Левін на основі цієї ідеї прийшли до концепції тривимірних квазікристалів і теоретично обчислили їх дифракційні властивості. Побачивши щойно опубліковану статтю Шехтмана, вони зрозуміли, що описані там дифракційні картини схожі на їх модель. Вони написали статтю Quasicrystals: A New Class of Ordered Structures, яка незабаром з'явилася в тому ж журналі Physical Review Letters, що і робота Шехтмана.
Фізичні причини появи квазікристалічних структур досі не з'ясовані, хоча моделей вистачає, і часом досить екзотичних (наприклад, квазікристал можна математично представити як тривимірне перетин нормального кристала, існуючого в шестивимірному просторі!). Відомі сотні стабільних і метастабільних квазікристалічних сплавів (на основі алюмінію, нікелю, міді, титану і ряду інших металів) з різними внутрішніми симетрії, проте причини їх стійкості або нестійкості теж поки невідомі. Варто відзначити, що електронні спектри квазікристалів відрізняються від спектрів звичайних металів, діелектриків та напівпровідників, внаслідок чого ці сплави мають дуже специфічні електричні та термічні властивості.
Цікаво, що квазікристали можуть формуватися і в ході геологічних процесів: у 2008 році Стейнхардт і його колеги виявили в Музеї природної історії Університету Флоренції знайдений на південному сході Чукотки зразок мінералу хатиркіта з квазікрісталліческая вкрапленнями. Дослідження квазікристалів сильно збагатили фізику твердого тіла, проте мало що дали технології - поки їх використовують лише для непрігораемой покриттів сковорідок і ножів електробритв. Втім, варто запастися терпінням.
Стаття «Три дня Нобеля» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №1, Январь 2012 ).
