- За розробку методів багаторівневого моделювання складних хімічних систем
- обопільний підхід
- За відкриття системи везикулярного транспорту, основною транспортною системи в наших клітинах.
- клітинні листоноші
- За теоретичне відкриття механізму, який сприяє нашому розумінню походження маси субатомних частинок...
- Рятувальний круг
Найпрестижнішої наукової нагородою були відзначені роботи по методам хімічного моделювання, дослідження в області клітинного транспорту і дуже давнє пророцтво існування одного бозона.
За розробку методів багаторівневого моделювання складних хімічних систем
Лауреати: Мартін Карплус (Страсбурзький університет), Арі Варшель (Університет Південної Каліфорнії), Майкл Левітт (Стенфордський університет).
Питання будови навколишнього матерії здавна хвилювало людей. Сучасні атомистические погляди сходять до давньогрецького філософа Демокріта, вважають, що світ складається з нескінченного числа безупинно рухаються атомів. При зіткненні атоми зчіплюються, і саме так, на думку філософа, виникає відчутна матерія. Але атомистика була забута на два тисячоліття, і зараз вже важко сказати, якими уявляв собі атоми сам Демокріт. У новий час ідея атомістики воскресла: до початку ХХ століття в арсеналі вчених вже була періодична система елементів Менделєєва, був відкритий електрон, і поступово стало зрозуміло, що міжатомні взаємодії та хімічний зв'язок мають електронну природу. Потім було створення квантової фізики, Шредінгер сформулював своє знамените рівняння, але потрібні були ще десятки років і поява швидкодіючих комп'ютерів, щоб для вивчення стала доступна структура найскладнішою матерії - біологічної.
Сучасна хімія багато в чому покладається на комп'ютерне моделювання. При цьому різні елементи обраховуються виходячи з різних моделей. Квантово-хімічні розрахунки виконуються тільки для невеликої групи атомів в реакційному центрі.
обопільний підхід
Робота, за яку в цьому році присуджена Нобелівська премія з хімії, присвячена методам моделювання складних хімічних систем і реакцій за допомогою як класичної, так і квантово-механічної теорії. Класична фізика являє атоми кульками, асвязі між ними-пружинками (чи не так уявляв собі матерію ще Демокріт?). Сили, що діють на атоми, визначаються законом Гука, прискорення атомів під дією цих сил визначаються другим законом Ньютона, і все опис в цілому є механічним, тому підхід так і називається - молекулярно-механічний. Але у нього є істотний недолік: аж ніяк не можна описати хімічне перетворення. У реальності це відповідає розриву одних хімічних зв'язків іобразованіі інших, а в молекулярно-механічної моделі означало б видалення і установку пружинок.
Дзеркально-симетрична молекула 1,6-дифеніл-1,3,5-гексатріена - перший об'єкт комп'ютерного моделювання, який довів реальність створення гібридних методів, які поєднують в собі переваги класичних і квантових в описі складних хімічних систем.
Але тут на допомогу приходить квантова фізика: адже саме стан електронів дозволяє говорити оналічіі або відсутності хімічного зв'язку між атомами. Таким чином, досить виконати ресурсо-ємні квантово-фізичні (вірніше, квантовохімічні) розрахунки лише для невеликої групи атомів в реакційному центрі, а для оточуючих атомів, які майже не впливають на стан електронів в реакційному центрі, зробити молекулярно-механічний розрахунок. Такий обопільний підхід зараз сприймається вже як щось само собою зрозуміле, але саме він і є головною заслугою лауреатів. Коштувало великої праці розробити такі алгоритми розрахунку, які дозволяли б для центральної частини системи використовувати квантово-хімічний опис, а іншу частину описувати з класичної точки зору і фізично осмис-повільно зв'язати ці частини між собою. Крім того, як-то треба було описати оточення і всієї системи в цілому.
Мартін Карплус, професор Гарвардського та Страсбурзького університетів «Мене часто просять пояснити суть роботи, яка описує структуру і динаміку молекул, простими словами. Якщо ви хочете дізнатися, як працює якийсь механізм, ви його розбираєте і вивчаєте складові частини і їх взаємодія. Ми робимо те ж саме з молекулами ».
Перший крок на шляху до створення мультімасштабного моделювання був зроблений, коли Арі Варшель відвідав Мартін Карплус в Гарварді на початку 1970-х років. Варшель мав досвід опису між- і внутрішньо молекулярних сил, Мартін Карплус же був фахівцем з квантово-хімічними розрахунками. Разом вони створили програму, яка могла відмінно обчислювати спектри ряду плоских молекул, таких як дзеркально симетрична молекула 1,6-дифеніл-1,3,5-гексатріена. Ця робота стала першою, в якій була показана можливість створення гібридних методів, які поєднують в собі переваги класичних і квантових вопісаніі складних хімічних систем. В даному випадку обмежилися плоскими молекулами, в яких міркування симетрії дозволяють природним чином провести поділ електронів на ті, які потрібно розглядати квантово-хімічно, ите, для яких досить класичного розгляду. Пізніше було показано, що метод може бути застосований не лише до плоским молекулам, але існує загальна схема поділу електронів. Крім того, були створені схеми обміну енергією між класичною іквантово-хімічної підсистемами, а також між ними обома ідіелектріческім оточенням.
Везикули (пухирці) є основною транспортною системою в наших клітинах, забезпечуючи доставку сигнальних молекул (гормонів, нейромедіаторів, ферментів, цитокінів идругих) між частинами однієї і тієї ж клітини, розділеними мембранами, або в міжклітинний простір для зв'язку з іншими клітинами.
Приблизно в той же час Левітт зміг виконати перші молекулярно-динамічні розрахунки для молекул ДНК ібелков, а потім домігся успіхів у питаннях фолдинга білків і передбачення їх структури. Проблема фолдинга білка, тобто завдання визначення просторової (третинної) структури білка, виходячи з його амінокислотної послідовності, в даний час активно вивчається. Сучасні алгоритми передбачення структури дозволяють вирішувати цю задачу лише для відносно невеликих білків (менш 200 амінокислотних залишків), але, на жаль, цього зовсім недостатньо для задоволення потреб структурної біології.
Роботи Мартін Карплус, Варшеля і Левітта стали відправною точкою як для подальшого теоретичного аналізу исоздание більш точних моделей, так і для прикладних досліджень. Запропоновані методи були застосовані до вивчення не тільки складних процесів в органічної хімії і біохімії, а й гетерогенного каталізу ітеоретіческого розрахунку спектрів молекул, розчинених вжідкостях. Але найважливіше те, що ці роботи поклали початок плідній співпраці між теоретиками і експериментаторами, - це дозволило зробити розв'язуються багато нерозв'язні перш завдання.
За відкриття системи везикулярного транспорту, основною транспортною системи в наших клітинах.
Лауреати: Джеймс Ротман (Єльський університет), Ренді Шекман (Каліфорнійський університет в Берклі) іТомас Зюдхоф (Стенфордський університет).
Дослідження американських вчених дозволили встановити, що мікроскопічні бульбашки - везикули - забезпечують передачу сигнальних молекул: гормонів, нейромедіаторів, ферментів, цитокінів ( «клеткодвігателей») та інших, які запускають відповідні біохімічні реакції. Це може бути передача між частинами однієї і тієї ж клітини, розділеної мембранами, або в міжклітинний простір - для зв'язку з іншими клітинами. Необхідність передачі сигнальних молекул викликана спеціалізацією різних частин клітини: наприклад, білки, які синтезуються на рибосомах, часто використовуються в іншому відділі клітини або в інших (часом досить віддалених) клітинах організму. Для доставки за призначенням вмісту везикули до неї прикріплюється сигнальний білок, на який реагують тільки білкові комплекси - рецептори - адресата.
клітинні листоноші
Оболонка везикул складається з тих же фосфоліпідів, які утворюють внутрішньо-або міжклітинні мембрани. При контакті з рецепторами, відповідними її вмісту, мембрана везикул розпадається, вивільняючи сигнальні молекули. Після цього сигнальне речовина або розчиняється, або, при необхідності, з мембрани одержувача утворюється інша Везикула, яка, наткнувшись на наступний відповідний рецептор, знову розчиняється, і в обох випадках біохімічна інструкція доставляється адресатові.
Відразу після народження Всесвіту хиггсовских поле було симетричним, але через 10-11 секунди відбулося порушення симетрії, Іполіт Хіггса змінило рівень своєї енергії на більш низький.
Шекман ще в 1970-х роках зайнявся вивченням генетичної основи цієї системи. Відключаючи роботу окремих генів дріжджів, він разом зі своїм колегою Пітером Новіком виявив ті, без яких в клітинах починалося щось на зразок дорожньої пробки, яка блокує доставку вантажів адресатам, і виділив 23 гена, білки яких можна розділити на три групи в залежності від того, звідки і куди повинні були направлятися везикули. Ротман в 1980-1990-х роках досліджував транспортну систему вклетках ссавців. Він з'ясував, що білкові рецептори працюють як двосторонні застібки-блискавки, які можна відкрити і зовні, і зсередини клітинної мембрани, і знайшов у ссавців ті ж гени, які Шекман описав у дріжджів, що говорить одревнем еволюційному виникненні даного механізму. Зюдхоф вивчав везикулярний механізм передачі сигналів в синаптичних щелях- процес, необхідний для передачі електричних імпульсів між нейронами центральної нервової системи та периферичної, що керує всіма органами і тканинами тіла. В упаковці з везикул через синапс (місце контакту нейронів) передаються нейромедіатори - речовини, що стимулюють поширення електричних імпульсів за призначенням, - наприклад, до м'язових волокон, які таким чином отримують команду скоротитися. Для передачі нервових імпульсів необхідний струм іонів кальцію через мембрану. Зюдхоф описав чутливі до току кальцію білки і вивчив деталі їх скоординованої роботи.
Дослідження лауреатів 2013 року до медицині відносяться не тільки кфундаментальной науці, але іполучілі застосування в практичній медицині- для розуміння причин захворювань, викликаних порушеннями регуляції внутрішньо- і міжклітинної транспорту, ідля розробки систем цільової доставки лікарських препаратів до ненормально функціонує клітинам.
За теоретичне відкриття механізму, який сприяє нашому розумінню походження маси субатомних частинок і який недавно був підтверджений шляхом відкриття передбаченої елементарної частинки в експериментах ATLAS іCMS на Великому адронному колайдері.
Лауреати: Пітер Хіггс (Единбурзький університет) та Франсуа Енглерт (Вільний університет Брюсселя).
Історія бозона Хіггса, який останні кілька років буквально не сходить зі сторінок газет і журналів, почалася в 1950-х роках. Саме тоді теоретики врамках квантової електродинаміки стали розробляти різні підходи, які в подальшому привели до появи Стандартної моделі елементарних частинок. Намагаючись побудувати теорію слабкої взаємодії, а пізніше об'єднати його з електромагнітним, фізики тоді зіткнулися з проблемою. Передбачені частки - три векторних бозона-переносника слабкої взаємодії - виходили безмасовими, хоча, згідно з квантовою механікою, посередниками в перенесенні короткодіючих сил можуть бути лише досить масивні віртуальні частинки. До того ж безмасові бозони досить легко зареєструвати в експериментах, але тим не менше спостерігати їх не вдавалося. Тому теоретики того часу вважали подібні висновки чисто «паперовим», гіпотетичним випадком.
Відразу після народження Всесвіту хиггсовских поле було симетричним, але через 10-11 секунди відбулося порушення симетрії, Іполіт Хіггса змінило рівень своєї енергії на більш низький.
Рятувальний круг
У 1964 році фізики з брюссельського Вільного університету Франсуа Енглерт і Роджер Броут, Пітер Хіггс і співробітники лондонського Імперського коледжу Джеррі Гуральник, Роберт Хаген і Томас Кіббл знайшли спосіб вирішити цю проблему і надати бозонам слабкої взаємодії ненулевую масу. Цей спосіб зараз називають механізмом Хіггса.
Франсуа Енглерт, професор Вільного університету Брюсселя «Бозон Хіггса - це частинка, яку можна було виявити експериментально. Але тільки після того, як Стандартна модель отримала блискучі підтвердження. Атеперь і остання її деталь встала на своє місце ».
Треба сказати, що роботу Хіггса і його колег оцінили далеко не відразу, а лише через кілька років, коли Стівен Вайнберг і Абдус Салам побудували теорію, яка об'єднувала електромагнітне і слабке взаємодії (за що в 1979 році, після експериментального підтвердження, удостоїлися Нобелівської премії). У цій теорії механізм Хіггса наділяє масою два заряджених і один нейтральний векторний бозон. А через кілька років, в 1973 році, вЦЕРНе були експериментально зареєстровані так звані слабкі нейтральні струми, які вказують на існування незарядженого проміжного бозона.
Механізм Хіггса заснований на скалярних полях, квантами яких є хиггсовских бозони. Вважається, що поля ці виникли через дуже короткий час після Великого вибуху і тепер пронизують весь Всесвіт. Такі поля мають найменшої енергією при ненульовий величиною - це і є їх стійкий стан.
Нерідко пишуть, що елементарні частинки знаходять масу в результаті гальмування хиггсовских полем, але це надто механістична аналогія. В теорії електрослабкої взаємодії фігурують чотири хиггсовских поля (кожне зі своїми квантами) ічетире векторних бозона- два нейтральних і два заряджених, які самі по собі не мають маси. Три бозона, обидва заряджених і один нейтральний, поглинають по одному Хіггса і в результаті знаходять масу і здатність переносити короткодействующие сили (їх позначають символами W +, W- і Z0). Останній бозон нічого не поглинає і залишається безмассового - це фотон. «З'їдені» Хіггса ненаблюдаеми (фізики їх називають «духами»), в той час як їх четвертий побратим повинен спостерігатися при енергіях, достатніх для його народження.
Однак теорія теорією, але фізикам потрібно було експериментальне свідчення існування бозона Хіггса. Його стали цілеспрямовано шукати сконца XX століття - спочатку на Великому електронно-позитронного коллайдера (Large Electron-Positron Collider, LEP) вЦЕРНе, потім на американському «Теватрон», а пізніше вісследованія вступила найбільша імощная наукова установка з коли-небудь построенних- Великий адронний коллайдер (ВАК). І нарешті, влітку 2013 року, після декількох років накопичення та обробки даних учені з достатньою часткою впевненості змогли експериментально впізнати сліди бозона Хіггса.
Стаття «Нобелівські премії 2013» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №1, Январь 2014 ).
И не так уявляв собі матерію ще Демокріт?
