На главную страницу журнала     На первую страницу сайта    

Нобелевские премии 1997 года

физика

Награды удостоены Стивен Чу из Станфордского университета,
Уильям Филлипс из Национального института стандартов и технологии США (штат Мэриленд), а также
Ллод КоэнТаннуджи -из Высшей нормальной школы и Коллеж де Франс в Париже за разработку методов лазерного охлаждения и удерживания атомов.

Уже более ста лет используют электрические и магнитные поля для управления движением электронов и ионов, но лишь недавно научились делать то же с нейтральными частицами (нейтронами, атомами). Мы знаем, что натертая шерстью стеклянная палочка поляризует незаряженные предметы, которые начинают втягиваться в область с большей напряженностью поля. В 1968 г. В.С.Летохов из Института спектроскопии АН СССР в Троицке предположил, что атомы могут быть поляризованы и пойманы в ловушку благодаря действию неоднородного поля, порождаемого лазерным излучением. Но чтобы осуществить такой захват, атомы необходимо предварительно сильно замедлить, то есть охладить примерно до 1 К, и это тоже можно делать лазером навстречу пучку атомов надо направить луч света с чуть меньшей частотой, чем они поглощают. Тогда из-за эффекта Доплера энергия фотонов сравняется с резонансной, атомы начнут поглощать фотоны и переизлучать их в произвольном направлении; поэтому импульс световых квантов будет передаваться атомам и они станут замедляться. Первый удачный эксперимент по торможению светом пучка атомов натрия был проведен В.С.Летоховым с сотрудниками в 1979 г. ("Письма в ЖЭТФ", т.29, N10). После этого лазерные методы манипулирования с атомами стали интенсивно развивать во всем мире но не у нас в стране, что, видимо, и привело в итоге к неутешительному для российских физиков решению Нобелевского комитета.

Понятно, что по мере замедления атомов дальнейшее их охлаждение лучом затрудняется из-за рассогласования частот, поэтому Летохов предложил использовать перестраиваемый лазер. Филлипс же применил другой подход он стал сдвигать энергетические уровни атомов, помещая их в магнитное поле (эффект Зеемана). Кроме того, Филлипс успешно создавал «оптические кристаллы», когда атомы удерживались в местах концентрации световой энергии, возникших в пространстве при интерференции нескольких лазерных лучей (см. "Новости науки", 1994, N 1).

Чу, работавший тогда в Белловских лабораториях АТ&Т, применил три пары лучей, ориентированных по трем пространственным осям, так что силы, тормозящие атомы, стали действовать на них со всех сторон. Это позволило охлаждать атомы не только направленного пучка, но и просто газа световая среда оказывалась для них как бы вязкой, поэтому такую систему назвали "оптической патокой".

Парижские физики разрабатывали сложные ловушки, основанные на комбинациях нескольких тонких эффектов. В результате им удалось охладить атомы гелия до 0,0002 К.

Быстрый прогресс этого научного направления уже привел к нескольким замечательным достижениям. Так, недавно достигли нового состояния материи - из сильно охлажденных атомов получили конденсат Бозе-Эйнштейна (см. "Новости науки", 1995, N 10-12), сконструировали атомные часы фантастической точности (1997, N 11). Световые ловушки можно использовать также для удержания антиматерии, для детального изучения взаимодействия между атомами, для сверхпрецизионных измерений спектральных характеристик и физических констант.

Новые возможности открываются перед биологами, поскольку принципы захвата атомов применимы и к частицам микронных размеров, скажем, к шарикам из полистирола, которые можно присоединить к одиночным биомолекулам. Чу изучал таким способом мышечное сокращение на молекулярном уровне, упругие свойства ДНК, других биополимеров. Более того, если луч лазера направить прямо в оптический микроскоп, то удается не только наблюдать биообъект, но и с помощью света («оптического пинцета») перемещать его. Это уже проделали с живыми бактериями, а также с отдельными хромосомами и органеллами внутри живой клетки.

ХИМИЯ

Премию поделили датчанин Йенс Скоу из Орхусского университета, американец Пол Бойер из Лос-Анджелесского университета и англичанин Джон Уолкер из Молекулярно-биологической лаборатории в Кембридже. Отмечены их исследования ферментов, обратимо преобразующих химическую энергию АТФ в трансмембранный градиент ионов и протонов.

Известно, что по солевому составу цитоплазма клеток и внеклеточная среда сильно различаются, в частности, концентрация ионов натрия в клетках значительно ниже, а калия выше, чем в плазме крови. Это неравновесное распределение ионов поддерживается активно, то есть с затратой химической энергии в клеточных мембранах есть ферменты-насосы, которые перекачивают ионы через мембрану.

В 1957 г. Скоу, которому сейчас 79 лет, обнаружил в гомогенате нервов краба фермент, который, как оказалось, служит таким ионным насосом при расщеплении молекулы АТФ он обменивает два иона К+ на три иона Nа+, перенося их через мембрану навстречу друг другу против градиента их концентраций. Пронизывающий мембрану насквозь фермент Nа++-АТФаза состоит из субъединиц двух типов, в нем есть места связывания ионов натрия и калия, на его работу влияют липидное окружение, различные вещества как внешней среды, так и цитоплазмы. Скоу много сделал для понимания устройства этого сложного фермента, исследования которого продолжаются и по сей день.

Создаваемая ионными насосами разность концентраций ионов Nа+ и К+ по обе стороны мембран играет ключевую роль в проведении нервного импульса, в регуляции осмотического давления и водно-солевого обмена;например,морские птицы могут с помощью этих ферментов опреснять для себя соленую воду. Знания о них важны и для медицины - так, с ними связано заболевание крови, при котором меняется форма эритроцитов.

Бойер и Уолкер получили известность в 70 80-е годы благодаря своим работам над протонным насосом, то есть Н+-АТФ-синтазой важнейшим белком биоэнергетики. После появления революционной хемиосмотической теории П.Митчела главной задачей было понять, как этот фермент преобразует электрохимический градиент протонов в химическую энергию АТФ синтезирует АТФ из АДФ и неорганического фосфата (а может осуществлять и обратный процесс). Уолкер, используя электронную микроскопию и рентгеноструктурный анализ, сумел прояснить строение фермента и подтвердить верность предложенного Бойером трехтактного алгоритма его работы (см. "Новости науки", 1994, N11). Бойер, в частности, предсказал, что внутренняя субъединица белка вращается, последовательно изменяя при этом конформацию каждого из трех его каталитических блоков. Это было недавно блестяще подтверждено в Японии ("Новости науки", 1997, N 7); фильм о поставленном там опыте произвел сенсацию. Однако полного понимания как строения, так и механизма действия фермента нет - тут ведутся споры, в которых активно участвуют отечественные исследователи, в том числе авторы нащего журнала.

Физиология и медицина

Премию получил 55-летний профессор сразу трех дисциплин неврологии, вирусологии и биохимии Капифорнийского университега в Сан-Франциско Стенли Прузинер за вклад в изучение болезнетворного агента, вызывающего губчатую энцефалопатию, или "коровье бешенство", у крупного рогатого скота.

В 50-е годы американский вирусолог Д.К. Гайдузек об:ледовал племя форе в Ноюй Гвинее, многие члены соторого страдали смертель«ым дегенеративным заболеванием мозга, которое они называли "куру". Он заметил, что эта болезнь сходна с почесухой, встречающейся у овец и отличающейся очень длительным инкубационным периодом; поэтому ее возбудителя окрестили "медленным вирусом". Гайдузек предположил, что куру тоже вызывает подобный вирус болезнь передается при ритуальном поедании мозга умершего человека, что практиковалось в этом племени. Затем выяснили, что похоже развивается и редкая болезнь человека - Крейцфельда-Якоба, а также некоторые другие заболевания ЦНС у животных и человека; в 1976 г. Гайдузек был награжден Нобелевской премией. Хотя почесуха передавалась от одного животного к другому, медленный вируспереносчик выделить не смогли. Искомый возбудитель обладал и другими странностями - не вызывал иммунной реакции, не был виден в электронный микроскоп, а самое главное, не инактивировался при действии факторов, разрушающих ключевую составляющую всех вирусов - нуклеиновую кислоту. Постепенно стало формироваться мнение, что тут проявляет себя принципиально новый тип патогенов (по сравнению с бактериями, вирусами, вироидами) инфекционный белок. Англичане Т.Альпер и Дж.Гриффит нашли факты, говорящие о том, что болезнь вызывают какие-то клеточные белки, имеющие неправильную конформацию.

Основную тяжесть утверждения этой еретической концепции с начала 80-х годов взвалил на свои плечи Прузинер. Ему удалось перенести почесуху на хомяков, что облегчило выделение из мозга больных зверьков специфического белка, для которого он ввел ставший общепринятым термин "прион" (РгР, то есть prion protein). Оказалось, что РгР представляет собой устойчивый к протеазам компонент большего белка, кодируемого в ДНК животного и человека (у людей его ген расположен в коротком плече 20-й хромосомы; функция этого белка пока не известна). Ген удалось клонировать и расшифровать, после чего выяснили, что выделенный белок отличается от нормального определенными посттрансляционными модификациями, а также измененной конформацией.

Все же основные положения теории прионов остаются пока не доказанными. Главное не удалось с выделенными из мозга больных животных белками перенести болезнь на других особей. Прузинер считает, что есть еще не опознанный белок-икс, который взаимодействует с РгР; именно такой комплекс и становится патогенным. Однако его оппоненты указывают, что все еще не исключена возможность существования трудноуловимого вируса. Нейробиолог из Йельского университета Л.Мануэлидис так отозвалась на награждение С.Прузинера: " Нобелевская премия-  большая честь, но подлинное удовлетворение ученым приносит установление истины". Всеобщее внимание к этой теме привлек скандал с британской говядиной. "Коровье бешенство" уже поразило десятки и сотни тысяч коров, которых пришлось забивать, а одну из форм болезни Крейцфельда-Якоба у людей, как недавно доказали, вызывает тот же агент (Nature, 1997, v.389, p.498), причем инфекция может передаваться с пищей - еще раньше убедились, что, когда племя форе перестало потреблять мозги умерших, куру почти совсем исчезла.

В одном из ближайших номеров журнала будет подробнее рассказано об этой проблеме

Подготовил Л.Верховский