Лауреати Нобелівської премії 2012

1. пересадка ядра
2. генетичне перепрограмування
3. Ігнобель-2012
4. квантова оптика
5. дзеркальні пастки
6. Ігнобель-2012
7. глибоке охолодження
8. Адреналиновая премія
9. Ігнобель-2012
10. Рецептори і мембрани

Щоосені вчені всього світу з нетерпінням чекають звісток зі Стокгольма. Протягом трьох жовтневих днів, починаючи з понеділка 8 жовтня, Нобелівський комітет оголошує лауреатів престижної премії.

Фізіологія і медицина: за відкриття можливості перепрограмування дорослих спеціалізованих клітин в плюрипотентні.

Лауреати: сер Джон Бертран Гердон (Кембриджський університет), Шинья Яманака (Університет Кіото).

пересадка ядра

Понад півстоліття тому молодий ембріолог Джон Гердон зайнявся трансплантацією ядер соматичних клітин в яйцеклітини, з яких він попередньо видаляв власне ядро. Як модельний об'єкт він обрав гладку шпорцевую жабу Xenopus laevis (мешканця африканських водойм і популярне лабораторне тварина). Аналогічні досліди раніше проводилися на іншому вигляді амфібій, проте успіху не принесли. У ключовий серії експериментів Гердон переносив ядра клітин кишкового епітелію пуголовків в яйцеклітини, ядра яких були знищені ультрафіолетом. Більшість яйцеклітин з трансплантованими ядрами гинуло, але деякі з них нормально розвивалися до стадії пуголовка. Гердон виявив також, що, якщо пересадити ядро ​​з клітин кишкового епітелію цього пуголовка в позбавлене ядра неоплодотворенное яйце, воно зможе розвинутися до більш просунутій стадії, причому ефективність такої методики клонування зростає від покоління до покоління. Таким чином, Гердон довів, що ядра соматичних клітин (тобто клітин, з яких побудований організм) допускають радикальне генетичне перепрограмування і починають вести себе аналогічно ядер запліднених статевих клітин.

Технологія клонування. Схема клонування, використана Гердон: знищення ядра в ікринці шпорцевой жаби Xenopus laevis за допомогою УФ-випромінювання (1), пересадка ядра, взятого з клітини кишечника пуголовка (2). Результатом стала поява пуголовка, який потім розвинувся до дорослої жаби (3). Цю техніку можна застосувати і до ссавців - овець, мишам, коровам і свиням (4).

Ці дані були опубліковані в 1962 році, і саме за них Гердон отримав Нобелівську премію. Чотирма роками пізніше він довів, що для клонування годяться і ядра, запозичені у дорослих жаб. В середині 1990-х років за допомогою цього методу була клонована вівця Доллі, а після неї і інші ссавці. Було чимало сенсаційних заяв і про клонування людини, але всі вони виявилися помилковими.

генетичне перепрограмування

На одній з найбільш ранніх стадій формування ембріона, званої бластоцистой, зародок містить ембріональні стовбурові клітини (ЕСК), які після багаторазових поділів трансформуються в спеціалізовані тканини і органи. Клітини з настільки універсальні здібності до перетворень називаються плюрипотентними. Вперше ЕСК були виділені і розмножені в 1981 році англійськими дослідниками Мартіном Евансом і Метью Кауфманом в експериментах на бластоцисти мишей. Через 17 років співробітники лабораторії американця Джеймса Томсона культивували людські ЕСК. Оскільки на той час вже була доведена принципова можливість глибокого генетичного перепрограмування, вчені стали намагатися змінити соматичні клітини з метою перетворити їх в аналоги ЕСК. У 2005 році співробітники Гарвардського університету довели принципову можливість такої трансформації, але для практичного використання їх методика виявилася непридатною.

Але в 2006 році Шинья Яманака і Казутоші Такахаші повідомили про переробку соматичних клітин мишей в клітини, що володіють багатьма властивостями плюрипотентних клітин ембріона. Для цього в фібробласти (основні клітини сполучної тканини) були вмонтовані гени чотирьох білків, що активують конкретні ділянки спадкової інформації (такі допоміжні білки-активатори називають факторами транскрипції). Підсадку генів транскрипційних факторів проводили за допомогою ретровірусів, куди вони були штучно вбудовані. Ці чотири гена змогли перетворити фібробласт в неспеціалізовану клітку і принесли Яманака Нобелівську премію.

Однак це був тільки початок. У червні 2007 року дослідники з Кіото і ще два колективи повідомили, що точно тим же способом вони здійснили понад глибоку трансформацію такого ж вихідного матеріалу і створили практично точні копії мишачих ЕСК. Отримані результати давали підставу сподіватися, що незабаром аналогічну операцію вдасться зробити і з людськими клітинами. А всього декількома місяцями пізніше японські вчені і їх американські колеги зробили і це. Яманака і його співробітники застосували ті ж чотири чинника транскрипції, з якими працювали на клітинах миші. В якості вихідного матеріалу вони взяли культуру, яка містить 50 000 людських фібробластів. Їм вдалося отримати декілька ліній плюрипотентних клітин, які за всіма показниками практично нічим не відрізнялися від ЕСК. Ці клітини стали попередниками клітин серцевого м'яза, нервової тканини і деяких інших органів.

Штучні аналоги ЕСК називають індукованими плюрипотентними стовбуровими клітинами (ІПСК). Вважається, хоч це остаточно і не доведено, що трансплантація ІПСК дозволить виліковувати багато захворювань генетичної природи. Зараз вчені вміють за допомогою факторів транскрипції змінювати спеціалізацію соматичних клітин навіть без попередньої переробки їх в ІПСК. Так, в цьому році було опубліковано повідомлення про перетворення фібробластів в клітини серцевого м'яза - кардіоміоцити (причому за допомогою всього лише трьох факторів транскрипції). Загалом, технології генетичного перепрограмування відкривають величезні можливості як для фундаментальної біології, так і (по крайней мере, в перспективі) для практичної медицини.

Фізика: за розробку новаторських експериментальних методів, що дозволяють вимірювати індивідуальні квантові системи і маніпулювати ними.

Лауреати: Серж Арош (Паризький Колеж де Франс і Вища нормальна школа), Девід Джей Вайнленд (Національний інститут стандартів і технології США).

Ігнобель-2012

Вчені, як правило, мають хороше почуття гумору і вміють посміятися над собою. Тому Ігнобелівської премія, яка вручається «за наукові досягнення, які спочатку змушують людей сміятися, а потім - замислюватися», хоча і не може посперечатися з Нобелівською за своєю престижністю, але нітрохи не менш знаменита.
Премію в області психології за роботу «Нахил вліво змушує Ейфелеву вежу здаватися менше» в цьому році отримали голландці - професор психології відділення соціальних наук Університету ім. Еразма Роттердамського в Роттердамі Рольф Цваан і аспірантка цього ж відділення Аніта Еерланд, а також аспірант Інституту психолінгвістики ім. Макса Планка в Неймгене Туліо Гвадалупе. Вчені вивчали вплив положення тіла випробовуваних на кількісне сприйняття. Згідно з однією з психологічних теорій, свідомість людини створює уявну шкалу зі значеннями, що збільшуються зліва направо. Поставивши випробовуваних на ігровий контроллер Wii Balance Board, вчені опитували їх про розміри тих чи інших предметів, нахиляючи випробувальну платформу в ту чи іншу сторону, і підтвердили, що в разі нахилу вліво розглядаються предмети здаються менше, ніж в разі рівного положення і тим більше нахилу вправо ( «ПМ» настійно рекомендує рибалкам враховувати цей ефект при фотографуванні і демонстрації трофеїв!).
Премія миру присуджена співробітникам російської компанії СКН з міста Снежинска за розробки в області наноалмазов - синтетичних алмазів з розміром зерна в одиниці, десятки і сотні нанометрів, які використовуються в промисловості в якості абразивного матеріалу. Ці наноалмази синтезуються за допомогою технології ударного стиснення - при детонації вибухових речовин (ВВ) вільний вуглець продуктів вибуху при відповідних умовах конденсується у вигляді ультрадисперсних алмазів. До миротворчості це має саме безпосереднє відношення, оскільки дослідники компанії СКН (до слова, більшість з яких - колишні співробітники Федерального ядерного центру, де розробляють російську ядерну зброю) використовували для виробництва наноалмазов бойові ВВ, що підлягають утилізації, втіливши в життя приказку «Перекуємо мечі на орала ». Що ж, цілком заслужена нагорода!
Нагорода в області акустики дісталася японським дослідникам - її отримали Казутака Куріхара з Національного інституту передових промислових наук і технології і Кодзі Цукада з Університету Очаномізу в Токіо за створення «пригнічувача мови» SpeechJammer. Це пристрій вносить порушення в акустичну зворотний зв'язок, забезпечуючи оратора тільки що вимовленими словами з затримкою в декілька десятих доль секунди за допомогою направленого мікрофона і динаміків. Результати попередніх досліджень здаються цілком багатообіцяючими.

квантова оптика

Нові лауреати - визнані авторитети в галузі квантової оптики, яка вивчає взаємодії речовини і електромагнітного випромінювання. Обидва вони працюють з системами, що включають невелику кількість частинок і фотонів. У таких системах квантова природа речовини і випромінювання проявляється особливо чітко і часом парадоксально. Арош займається мікрохвильовими фотонами, замкнутими всередині порожнин з ідеально відбивають стінками. Вайнленд і його співробітники досліджують тонкі деталі взаємодій світлових квантів з іонами, замкненими в електромагнітних пастках.

«Обчислювати динаміку микросистем з малим числом учасників не дуже складно, оскільки вона підпорядковується добре відомим законам квантової механіки та електродинаміки, - пояснює« ПМ »професор фізики Університету Еморі в Атланті, фахівець з квантової оптики Сідней Берковіц. - Однак такі системи важко отримати і досліджувати експериментально, бо будь-які взаємодії з зовнішнім середовищем маскують і навіть руйнують їх квантову специфіку. Навпаки, системи з великого числа частин піддаються лише статистичному опису, хоча експериментувати з ними набагато легше. Головне досягнення Арош і Вайнленда полягає в розробці цілого ряду невозмущающіх способів дослідження взаємодій між фотонами і атомами або іонами. Ці методи дозволили безпосередньо спостерігати і вимірювати ефекти, зумовлені суперпозицией квантових станів, і дали можливість по-новому досліджувати такі прояви квантової природи матерії, як виникнення поплутаних систем і співвідношення невизначеностей ».

Квантовий Нобель. Зліва на фото - іон в електромагнітній пастці. Його квантовим станом можна керувати за допомогою імпульсів лазерного випромінювання (схема приведена для іонів берилію). Справа на фото - фотон в мікрохвильовому резонаторі. Його стан вимірюється при взаємодії з порушеними атомами рубідію.

Лауреати цього року внесли великий вклад в розробку методів тонкого управління поведінкою окремих атомів і фотонів і перенесення інформації між ними. Ці роботи обіцяють наблизити поява квантових комп'ютерів, які використовують для обчислень частки і фотони, які можуть одночасно знаходитися як мінімум в двох станах. Такі комп'ютери зможуть вирішувати багато (хоча далеко не всі!) Завдання набагато швидше і ефективніше, ніж комп'ютери на напівпровідникових схемах. Зусиллями групи Вайнленда також створений оптичний суперхронометр на іони алюмінію, який при заявленій відносної точності 8,6 х 10-18 на два порядки перевершує годинник на атомах цезію.

дзеркальні пастки

Обидва лауреати в своїх експериментах замикали фотони і частинки всередині вакуумних пасток, охолоджених майже до абсолютного нуля. У дослідах Серж Арош такий пасткою служили ідеально відполіровані увігнуті сферичні дзеркала з надпровідного ніобію. Їх поглинає здатність була настільки малою, що мікрохвильові фотони виживали в межзеркальной порожнини протягом 130 мікросекунд і встигали за цей час пройти відстань близько 40 000 км. Крізь порожнину поодинці пролітали сильно збуджені атоми рубідію, зовнішні електрони яких були закинуті на дуже високі енергетичні рівні з великими кутовими моментами. Атоми в таких станах (їх називають ридберговских) мають аномально великий діаметр, який в експериментах Арош досягав чверті мікрометра. На прольоті зі швидкістю 250 м / с атоми взаємодіяли з фотонами, злегка змінюючи свої хвильові функції, однак така взаємодія не приводило до поглинання фотонів. Відстежуючи ці зміни, паризькі фізики змогли зібрати інформацію про кількість фотонів всередині порожнини. Вони також використовували рідбергів атом для отримання фотонів, які одночасно перебували в різних квантових станах, аналогічних «суміші» з живого і мертвого кота в знаменитому уявному досвіді Шредінгера.

Ігнобель-2012

Премія за нейронауки в цьому році дісталася американським психологам Крейгу Беннетту і Майклу Міллеру з Каліфорнійського універститету в Санта-Барбарі, Абігайль Беірд з Коледжу Вассар (штат Нью-Йорк) і Джорджу Уолфорд з Дартмутського коледжу (штат Нью-Гемпшир). У своїй роботі «Нейрокорреляціі міжвидової точки зору посмертного атлантичного лосося: аргумент для множинних порівняльних корекцій» вони підняли важливу проблему: до наскільки абсурдних результатів може призводити бездумне використання результатів навіть дуже сучасних наукових методів досліджень? Вивчаючи активність мозку купленої в магазині двокілограмової тушки атлантичного лосося за допомогою фМРТ (функціональної магніторезонансної томографії), вчені продемонстрували, як легко впасти в оману, вважаючи, що мертва риба може реагувати на фотографії людей.
Нагорода за відкриття в області рідинної динаміки дісталася випускнику МФТІ, а нині доценту інженерного відділення Каліфорнійського університету Руслану Кречетникову і його аспіранту Хансу Майеру за роботу: «Прогулянка з кавою: чому він розхлюпується».

глибоке охолодження

Девід Вайнленд і його колеги працювали з іонами берилію, полоненими за допомогою електромагнітних полів. Експериментатори спочатку охолоджували ці частинки, пригнічуючи їх коливальні рухи за допомогою лазерних імпульсів, а потім цим же способом переводили їх електрони в змішані квантові стану. Дослідникам вдалося створити дуже тонкі методи вимірювань, що дозволяють відслідковувати динаміку таких станів і спостерігати за руйнуванням квантових сумішей в процесі їх взаємодії із зовнішнім оточенням.

В середині 1990-х років команда Вайнленда здійснила лазерне управління переходами між двома електронними енергетичними рівнями замкненого в пастці іона берилію. Так була вперше реалізована двохкубітні логічна операція «контрольоване НЕ» (CNOT), яка використовується в алгоритмах обчислень на квантових комп'ютерах. З тих пір фізики навчилися виконувати і інші квантові логічні операції, в яких беруть участь понад десятка іонів.

Коментуючи для «ПМ» роботи нових лауреатів, відомий фахівець з квантової інформації, професор фізики Мерілендського університету Крістофер Монро, який багато років співпрацює з Вайнленд, зазначив, що їх дослідження сильно підвищили якість вимірювань чисто квантових властивостей окремих частинок і фотонів і відкрили нові шляхи до прямий експериментальної перевірки основних принципів квантової механіки та їх ключових наслідків, наприклад нерівності Белла (див. «ПМ» № 4'2006): «Вони показали, що поодинокі квантові системи в принципі можн використовувати в якості блоків пам'яті в комп'ютерах наступних поколінь. У більш загальному плані роботи Арош і Вайнленда розширили наші уявлення про квантові платформах, придатних для використання в інформаційних системах близького і не дуже близького майбутнього. Завдяки всьому цьому вони збагатили як фундаментальну, так і прикладну фізику ».

Хімія: за вивчення рецепторів, сполучених з G-білком (трансмембранних рецепторів).

Лауреати: Роберт Джозеф Лефковіц (Університет Дьюка), Брайан Кент Кобілка (Стенфордський університет).

Адреналиновая премія

На качану 1970-х років Роберт Лефковіц и его колеги зайнять одним з головних переносніків хімічніх сігналів - всім відомим гормоном адреналіном. В ті часи Вже Було відомо, что рецептори адреналіну Працюють в Парі з груп внутрішньоклітінніх протеїнів, так званні G-білків (за Відкриття якіх Було присуджено Нобелівську премию тисячі дев'ятсот дев'яносто чотири року). Проти інформація про молекулярні характеристиках адреналіновіх рецепторів Залишайся Досить бідною, а Механізм їх роботи з комерційними G-білкамі БУВ абсолютно неясно. Правда, в 1940-і роки Було доведено, что існують два типи рецепторів адреналіну, назва грецького буквами? и ?: Перші в основном передаються гормональні сигналі гладким м'язам кровоносна судина, а другі збуджуються Клітини серцево м'яза. Напевно, багато хто чув про бета-блокатори - ліках, які нормалізують серцевий ритм і знижують артеріальний тиск, роблячи бета-рецептори несприйнятливими до адреналіну. Обидві групи адреналінових рецепторів поділяються ще і на підтипи.

Розшифровка зв'язків між адреналіновий рецепторами і G-білками зажадала трудомістких лабораторних досліджень, які посіли аж десять років. У минулому Лефковіц був кардіологом, тому його група вивчала один з видів бета-рецепторів (а саме? 2-рецептори). Їм вдалося показати, що контакт з адреналіном призводить до структурної перебудови рецептора, через яку до нього міцно приєднується плаваюча в цитоплазмі клітини молекула G-білка. Зв'язавшись з активованим рецептором, вона розпадається на фрагменти, один з яких, субодиниця альфа, є окремою молекулярною структурою, а другий складається з пари зчеплених блоків, які охоплюють як субодиниці бета і гамма. Ці фрагменти G-білка реагують з різними внутрішньоклітинними протеїнами і передають їм адреналіновий сигнал, який запускає складні каскади біохімічних реакцій. Самі фрагменти після виконання свого завдання знову об'єднуються (зрозуміло, не механічно, а хімічним шляхом), і відроджена молекула G-білка отримує здатність вступати в контакт з рецепторами. Цей сигнальний механізм працює і у зворотному напрямку. G-білок може з'єднатися з внутрішнім кінцем Неактивована рецептора, після чого той знаходить підвищену схильність до зчеплення з адреналіном на своєму зовнішньому кінці.

Ігнобель-2012

В області хімії оргкомітет вважав за потрібне відзначити досягнення інженера-еколога Йохана Петтерссон з міста Андерслев в південній частині Швеції, за розслідування причин того, чому у кількох білявих мешканців нових будинків в цьому містечку шевелюри раптом придбали зелений відтінок. Як з'ясувалося, причиною тому була не питна вода (як передбачалося спочатку), а мідь, яка потрапляє з труб нагрівачів в гарячу воду, якої постраждалі мили голови.
Літературна премія в цей раз дісталася Рахунковій палаті США з формулюванням «за публікацію звіту про звіти про звіти, що рекомендує підготувати звіт про звіти про звіти» за роботу «Дії, необхідні для оцінки результативності зусиль для оцінки витрат на звіти і дослідження». Повна доповідь, присвячений можливості економити кошти на бюрократичних процедурах Міністерства оборони, займає 32 сторінки, але для оцінки справедливості премії досить ознайомитися з рекомендаціями звіту: «Щоб визначити, чи роблять зусилля по оцінці витрат бажаний ефект досягнення більшої прозорості, зниження або усунення вимоги до звітності і підвищення вартості обізнаності, міністр оборони повинен вжити заходів для оцінки зусиль, в тому числі опитати осіб, які приймають рішення, щоб отримати їхню думку про т м, як це вплинуло на їх рішення про створення вимог до зовнішньої і внутрішньої звітності, і чи мають вони загальне розуміння того, які види витрат включаються в ці звіти ».
Премія в галузі фізики присуджена професорові математики Стенфордського університету Джозефу Келлеру (це його другий Ігнобель після премії 1999 роки) за дослідження того, чому хвостики в жіночій зачісці при бігу коливаються вправо-вліво, хоча голову при цьому рухаються тільки вгору-вниз, а також Реймонду Голдстейн з Кембриджського університету, Патріку Уоррену з дослідницького центру компанії Unilever і Роберту Боллу з університету Уорвік за їх роботу «Форма зачіски типу« кінський хвіст »і статистична фізика пучків волосся».
Премія за досягнення в області анатомії дісталася зоопсихології з Національного центру дослідження приматів при Університеті Еморі в Атланті Франсу де Ваал і Дженніфер покірно за їх роботу «Особи і зади: статеве сприйняття шимпанзе», в якій вони наочно показали, що ці примати здатні ефективно пізнавати один одного не тільки по особам, а й по протилежній частині тіла.
В області медицини премія дісталася французьким лікарям Еммануель Бен-Суссан з паризької клініки Clinique de l'Alma і Мішелю Антоніетті з госпіталю в Руані за роботу в області безпечної колоноскопії «Вибух кишкових газів під час терапевтичної колоноскопії з електропріжіганіем».

Рецептори і мембрани

Ця трикомпонентна (гормон - рецептор - G-білок) модель була побудована на початку 1980-х. Потім Лефковіц поставив перед своєю групою нове завдання - знайти ген, який кодує бета-рецептори. До цієї роботи він залучив недавнього випускника медичної школи Єльського університету Брайна Кобілку, який цікавився механізмом дії адреналіну. Значною мірою завдяки наполегливості і феноменальною винахідливості молодого вченого ген вдалося клонувати, про що Кобілка, Лефковіц і їх колеги повідомили в 1986 році. Виявилося, що молекула рецептора складається з довгих спіральних ниток, які сім разів пронизують в обох напрямках клітинну мембрану. Повний структурний портрет Неактивована? 2-рецептора людини був отриманий Кобілкой і його колегами методами рентгенівської кристалографії лише в 2007 році. За допомогою цієї техніки пізніше вдалося з'ясувати, яким чином рецептор із зовнішнього боку клітинної мембрани з'єднується з молекулою адреналіну, а всередині клітини вступає в хімічну зв'язок з G-білком. У 2011 році ця робота була опублікована в журналі Nature.

Сигнал крізь мембрану. Схема моделі взаємодії гормону з рецептором. Коли гормон або будь-яка інша молекула приєднується до рецептора на поверхні клітини, всередині неї запускається каскад хімічних реакцій.

Значення досліджень Лефковіц і Кобілкі виходить далеко за рамки розшифровки структури адреналінових рецепторів і механізму їх роботи. Вони допомогли виявити велике сімейство трансмембранних рецепторів, що передають в клітину зовнішні хімічні сигнали за допомогою G-білків. У геномі людини є не менше 800 генів, що кодують такі рецептори. Всі вони мають подібну семерична структурою, але виконують дуже різні функції. Більше половини таких 7-TM (7-трансмембранних) рецепторів розташовується в органах нюху, зору і смаку; приблизно третина передає сигнали гормонів, простагландинів і нейротрансмітерів. До того ж вони працюють в різних режимах. Один і той же рецептор може реагувати на кілька зовнішніх хімічних сигналів; з іншого боку, в клітці ці рецептори зв'язуються не тільки з G-білками, але і з іншими протеїнами. Загалом, не буде перебільшенням стверджувати, що дослідження Лефковіц і Кобілкі привели до розробки не просто нової золотої жили молекулярної біології, а цілої золотоносної провінції.

Стаття «Три дні в жовтні» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №12, Листопад 2012 ).