Журнал "Компьютерра" №755 - Компьютерра

Нобель троицу любит

Авторы: Галактион Андреев, Дмитрий Шабанов

ФИЗИКА. В этом году половина Нобелевской премии по физике присуждена давно работающему в США японскому теоретику Йоитиро Намбу (Yoichiro Nambu) [1] "за открытие механизма спонтанного нарушения симметрии в субатомной физике". Другую половину поделили японские физики Макото Кобаяси (Makoto Kobayashi) [2] и Тосихиде Маскава (Toshihide Maskawa) [3] "за открытие источника нарушения симметрии и предсказание существования, по крайней мере, трех поколений кварков".

Премия разделена, чтобы отметить два разных открытия, состоявшихся несколько десятилетий назад. Их роднит то, что они помогли физикам навести порядок в зоопарке элементарных частиц, основываясь на фундаментальных соображениях симметрии. Работы лауреатов способствовали формированию Стандартной модели физики элементарных частиц, которая сегодня успешно объясняет устройство микромира, состоящего из лептонов и кварков, и объединяет три из четырех фундаментальных взаимодействий (кроме гравитации).

Симметрию физики понимают как неизменность системы по отношению к определенному преобразованию. И каждой симметрии соответствует фундаментальный закон сохранения. Например, произвол в выборе начала отсчета времени приводит к закону сохранения энергии. Определенным симметриям соответствуют законы сохранения зарядов и других квантовых чисел вроде цвета и аромата кварков.

Однако в определенных ситуациях симметрия системы может спонтанно нарушаться. Например, для вертикально стоящего на столе карандаша все направления равнозначны, то есть симметричны по отношению к любым поворотам вокруг его оси. Но это положение карандаша неустойчиво, и, упав на стол, он спонтанно нарушит вращательную симметрию, выбрав одно из направлений.

Идеи спонтанного нарушения симметрии широко использовались в теории сверхпроводимости. И заслуга профессора Намбу в том, что он увидел определенные аналогии между квантовой теорией поля и теорией сверхпроводимости, предложив использовать механизмы спонтанного нарушения симметрии для объяснения свойств адронов, к которым, в частности, относится протон и нейрон. Эти идеи, высказанные в начале 1960-х годов, оказались весьма плодотворны, заставив теоретиков иначе посмотреть на огромное количество открытых к тому времени элементарных частиц. В конечном счете это помогло ученым понять, что сотни известных адронов состоят из нескольких кварков. Йоитиро Намбу продолжил активную работу в этой области, предложил одну из первых квантовых моделей и первым додумался до идеи "цвета" кварков.

Фундаментальная работа профессоров Кобаяси и Маскавы 1973 года посвящена нарушению так называемой CP-симметрии, которая была открыта в 1964 году. CP-симметрия означает, что все свойства античастиц должны совпадать со свойствами обычных частиц в зеркально отраженном пространстве. Это часть фундаментальной CPT-симметрии, для которой надо добавить еще и смену направления времени. CPT-симметрия выполняется с огромной точностью и непосредственно следует из свойств пространства-времени.

Но CP-симметрия слегка нарушается в распадах К-мезонов из-за слабого взаимодействия адронов. И чтобы объяснить это нарушение, теоретикам пришлось предположить существование по меньшей мере трех поколений кварков. Эта гипотеза вскоре начала блестяще подтверждаться, а последний самый тяжелый из предсказанных кварков был обнаружен в 1995 году.

По всей видимости, благодаря спонтанному нарушению симметрии между частицами и античастицами во время Большого Взрыва, породившего нашу Вселенную, мы и доступный для наших наблюдений космос состоит из вещества. Полной аннигиляции с симметричным ему антивеществом почему-то не произошло. И дальнейшее исследование всевозможных симметрий и их нарушений по сей день остается основной заботой физиков-теоретиков, пытающихся разгадать эту и ряд других фундаментальных загадок природы.

Сегодня профессору Намбу 87 лет. Он почетный профессор Института имени Энрико Ферми при Чикагском университете. Профессору Кобаяси 64 года, и он работает в Лаборатории КЕК в Цукубе. Профессору Маскава 68 лет. Он работает в институте теоретической физики при Университете Киото.

ХИМИЯ. Какой образ концентрирует в себе страхи обывателя перед новейшими биотехнологиями? Светящееся зловещим светом чудовище. Стэплтон был вынужден мазать собаку Баскервилей составом, содержащим фосфор. Создатели современных монстров куда изощреннее. Они опираются на технологию, фундамент которой заложил в 1961 году Осаму Cимомура (Osamu Shimomura) [4]. Японский ученый, к тому времени переехавший в США, изучал механизмы свечения морских животных. Исследуя биолюминесценцию одной из медуз, он выделил белок, ответственный за излучение "живого" света. Этот белок стал первым в группе GFP - зеленых флуоресцирующих белков. При дневном свете он излучал довольно слабый зеленоватый свет, зато ярко светился при облучении ультрафиолетом. Хотя физико-химические механизмы, позволяющие таким белкам захватывать кванты с одной длиной волны, а потом излучать энергию на другой длине, еще недостаточно изучены, применению подобных белков это не мешает.

Многие технологии генной инженерии требуют многократных попыток внедрения нового генетического материала в комплекс наследственной информации трансформируемых организмов. Грубой аналогией применяемой в генетике процедуры может быть попытка улучшить свойства телевизоров путем стрельбы по ним из пушек, заряженных радиодеталями. Как выбрать те клетки, которые изменились в нужном направлении?

Одно из решений нашел в начале 90-х годов прошлого века американский биолог Мартин Чалфи (Martin Chalfie) [5]: надо "сшить" ген светящегося белка с тем геном, который интересует исследователей. После обработки культуры клеток на них будет достаточно посветить ультрафиолетом. Те клетки, где заработала чужеродная генетическая информация, засветятся зеленым!

Наконец, еще один американский исследователь китайского происхождения, Роджер Цьен (Roger Tsien) [6], научился использовать не только белки, обеспечивающие зеленое свечение, но и белки иных цветов. Теперь появилась возможность связать в модельном организме светящиеся белки разных цветов с различными генами. Посветив УФ-излучением, можно получить яркую картину, где тот или иной цвет будет маркировать клетки, в которых включаются интересующие исследователя гены! Новый метод стал важнейшим инструментом молекулярно-биологических изысканий, и не случайно его создатели удостоились Нобелевской премии.

Итак, равные доли получат Осаму Симомура (1928 года рождения) из Лаборатории морской биологии в Вудс-Холе, Массачусетс; Мартин Чалфи (1947) из Колумбийского университета и Роджер Цьен (1952) из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Российские исследователи тоже приложили руку к новой технологии, но премированы не были. Остается надеяться, что в нобелевской речи лауреаты упомянут Михаила Матца и Сергея Лукьянова, которые первыми нашли белок с красным свечением.

Надо ли обывателю опасаться монстров, "в которых внедрили гены морских медуз"? Когда речь идет о пугающих всех генетически модифицированных организмах, свечение маркирует результаты генетических вмешательств. Однако с чем связаны опасения в отношении новых биотехнологий? С незнанием того, как же в действительности управляется развитие организмов. Лауреаты Нобелевской премии этого года награждены за разработку инструмента, сокращающего наше незнание.

МЕДИЦИНА. Премия по физиологии и медицине присуждена ученым, чьи работы спасают человеческие жизни. Нынешний приз решено разделить на две части. Первая досталась Харальду цур Хаузену (Harald zur Hausen [7], 1936 года рождения) из Германского центра исследования рака в Гейдельберге за открытие вирусов папилломы человека, вызывающих рак шейки матки.

Проблема рака для нашей стареющей цивилизации становится все острее. Увы, до сих пор мы знаем далеко не все механизмы, приводящие к выходу отдельных клеток организма из-под общего управления. Неконтролируемо делящиеся клетки вызывают опухоль; если они еще и обладают способностью к расселению, такую опухоль называют раковой. Представление о раке как о заразной болезни не подтвердилось, однако для отдельных видов рака вклад вирусов в перерождение клеток может быть весьма велик. Классический пример такого механизма был описан при участии Харальда цур Хаузена в восьмидесятых годах прошлого века.

Каждый двадцатый случай рака в мире - рак шейки матки. Эта болезнь ежегодно уносит жизни более чем двухсот тысяч женщин. Как выяснил нынешний лауреат, в большинстве случаев рак развивается на основе папиллом (некрупных доброкачественных разрастаний), вызываемых специфическими вирусами. Если женщина была заражена одной из двух "нехороших" форм вируса папилломы, вероятность заболевания раком матки для нее резко возрастает. Вирус не вызывает рак сам по себе, но подталкивает процесс его развития. Значит, проводя широкую вакцинацию против вируса папилломы, можно сохранить жизни сотен тысяч людей. Задача эта еще не решена, хотя довольно эффективные вакцины уже разработаны. Может, решение Нобелевского комитета ускорит переход к вакцинации женщин по всему миру?