За что дали нобелевские премии?

Ученые Сибирского отделения РАН пояснили, что привнесет в мировую науку вклад новых нобелевских лауреатов.

Имена лауреатов Нобелевской премии по физиологии и медицине, физике и химии были объявлены 2,3 и 4 октября в Стокгольме. Ученые СО РАН провели традиционную пресс-конференцию, посвященную Нобелевской неделе, где рассказали журналистам о том, в чем заключается суть открытий, а также их практическое применение.

Все великие опыты начинаются с мух

Нобелевская премия по физиологии и медицине за открытие молекулярных механизмов, контролирующих циркадианные ритмы, была присуждена Джеффри Холлу, Майклу Росбашу и Майклу Янгу. Главный научный сотрудник ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН доктор биологических наук Михаил Мошкин подробнее рассказал о том, зачем человеческому организму биологические часы, и как не получить ожирение.

— Метод лауреатов — это открытие одного из генов, которые определяют работу биологических часов. Это те внутриклеточные механизмы, которые управляют периодическими процессами практически во всех живых организмах. Эти процессы характерны не только для клеток, имеющих ядро, но и для простых клеток, например, цианобактерии способны генерировать этот ритм. Суть метода заключается в том, что есть ген под названием «период» или «пер», он вырабатывает белок, и когда концентрация этого белка достигает некого порогового значения, то работа гена блокируется, а белок постепенно деградирует, и когда его уровень падает ниже порогового значения, то снова запускается этот процесс. Это чрезвычайно упрощенная схема работы биологических часов. Этот «период» поддерживается не только благодаря тому, что ген и продуцируемый им белок определяют этот 24-часовой цикл, ведь существуют дополнительные контуры регуляции. Когда повышается температура среды, все начинает работать быстрее, и активируются гены, которые тормозят эту наработку. Ожидаемого замедления или ускорения работы биологических часов не происходит, — поясняет Мошкин.

До этого другие ученые проводили эксперименты, на основе которых было получено данное открытие. Нынешние нобелевские лауреаты имели в своем распоряжении линию мух-дрозофил, у которых были генетически обусловленные изменения «периода». Дальше было дело техники: выделить гены, которые отвечают за изменение периода, охарактеризовать их.

— Данная работа — это показатель высокой техники, но я хотел обратить ваше внимание вот на что: изначально все было установлено на мухах, потом на мышах, на людях. Начинает становиться понятной основа деления людей на «сов» и «жаворонков». Приведу пример, что наша страна вернулась к проблеме использования арктических ресурсов. И вот там есть такие понятия, как «полярный день» и «полярная ночь», когда исчезает синхронизация суточных ритмов. Мы были первыми, кто пришел к выводам о том, что у людей нарушается ритм активности, сна и бодрствования в таких условиях. Теперь есть возможность заниматься анализом работы людей в полярных условиях, — рассуждает доктор биологических наук.

Внутренние часы, которые наводят порядок в организме, по словам ученого, не менее важны графика. Если кормить животное высокожировой диетой, но давать ее строго по времени, то ничего особенного не происходит. Но если давать еду беспорядочно в либерально-демократическом стиле, то развивается ожирение, и следует об этом помнить.

Синтез двух черных дыр как слияние трех солнечных масс за долю секунды

Нобелевская премия по физике была присуждена за вклад в детектор LIGO и наблюдение гравитационных волн американцам Барри Бэришу, Райнеру Вайссу и Кипу Торну. Данный детектор — это лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория. Суть данного метода раскрыл директор Междисциплинарного центра физики элементарных частиц и астрофизики физического факультета НГУ доктор физико-математических наук Александр Долгов.

— Гравитационные волны — это колебания пространства времени, распространяющиеся со скоростью света от источника, где движутся громадные массы. Поле гравитации очень слабое, но, тем не менее, оно заставляет предметы сдвигаться и само пространство меняет свои свойства. Чтобы зарегистрировать гравитационную волну, нужно мерить расстояние, которое в 1000 раз меньше размера протона и в 100 миллионов раз меньше, чем размер атома. Лауреатами была проверена общая теория относительности в области очень сильных полей. До этого она была известна только в области слабых полей. Телескопы гравитационных волн открывают возможность наблюдать Вселенную на громадных расстояниях, совершить новое проникновение в нее на расстоянии миллиардов световых лет, — поясняет ученый.

Лазерный интерферометр — это детектор, который стоит порядка миллиарда долларов. Два детектора находятся друг от друга на расстоянии 3 тысячи километров, они меряют мельчайшие расстояния, почти одновременно показывают один и тот же сигнал.

В основе него расположен лазер, который пускает электромагнитную волну, она разделяется зеркалом по двум ортогонально перпендикулярным плечам и лазерный луч долго бегает, там накапливается энергия, а потом сбрасывается на счетчик. Он настроен так, что если нет никаких гравитационных волн, расстояние между детектором и зеркалами будет измеряться так: по одному направлению будет схлопываться, а по другому расти.

— Уровень сигнала при этом регистрируется такой, который отвечает 10 в минус шестнадцатой степени, но отмечу, что проблема шума кардинально важная. Когда идет сбрасывание сигнала на детектор, нужно отделять сигнал как раз от этого шума. Затем идет регистрация сигнала, исходившего от слияния двух черных дыр массами 36 и 29 солнечных масс на расстоянии около 1,3 млрд. световых лет от Земли.  Черные дыры в какой-то момент будут находиться близко друг от друга, крутиться по спиральной орбите и будет взрывоопасное слияние, и вследствие этого случится колоссальное излучение, а выделенная энергия будет стоить трех солнечных масс за долю секунды. Можно сказать, что на наших глазах рождается астрономия гравитационных волн, — констатировал Александр Долгов.

Новый шаг в витрификации тканей

Премия по химии была присуждена проекту развития криоэлектронной микроскопии. Лауреатами стали Жак Дюбоше, Йоахим Франк и Ричард Хендерсон. Елена Рябчикова, доктор биологических наук, заведующая группой микроскопических исследований Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, доцент кафедры биомедицинской физики и кафедры молекулярной биологии НГУ, отметила, что данный метод является прорывным в области микроскопических исследований.

— Для того, чтобы электроны летели с катода и долетели до экрана, пройдя образец они должны быть разогнаны, и тогда катод нагревается. Напряжение достигает обычно 80 тысяч Вольт. Проблема по изучению нефиксированных клеток стояла довольно долго, и к ней стали подходить, замораживая клетки и ткани. Кусочек ткани замораживается во льду, и при низкой температуре специальная машина делает срезы, затем их можно поместить на стекло и получить клетку, в которой все сохранено. Ферментные системы клетки продолжают работать, эти срезы достаточно толстые, порядка 15 микрон, минимум 10. Они могут быть использованы для того, чтобы выявить ферментные системы, а еще это хорошо используется в диагностике, — добавляет доктор биологических наук.

Микроскопия замороженных срезов практиковалась давно, напоминает Елена Рябчикова, и в итоге люди начали разрабатывать криоэлектронную микроскопию, то есть изучение замороженных образцов в электронном микроскопе.

— Электроны будут лететь в любом случае, но чтобы образец не горел и не таял, стали использовать охлаждение держателей самого образца жидким азотом. Нужно образец залить в воду, и тут встала проблема кристаллов, потому что вода при заморозке кристаллизуется и разрушает объекты. Лауреаты решили эту проблему: они предложили использовать быстроохлажденную (витрифицированную) воду в стеклообразном состоянии, и она позволила сохранить объекты, а также выяснилась, что эта вода не рассеивает электроны. Это очень дорогой метод, — подытожила Рябчикова.

Фото: баз- Tim Ereneta, остальные- Дарья Савельева

Дарья Савельева