Більше — не завжди краще. Усякому, хто в цьому сумнівається, варто глянути на вибух у комп’ютерній галузі, який стався за останні півстоліття. Це виявилося можливим, бо комплектуючі, з яких складаються комп’ютери, постійно зменшувались. А цей успіх надихнув учених на пошуки інших галузей, де зменшення розмірів теж може обернутися вигодою.
Одна із цих галузей іще від 1990-х балансувала між модним віянням та надією. Це нанотехнологія. З роками зміст цього терміна так змінився, що навіть можна пробачити сумніви циніків, чи не є нанотехнології просто новою вивіскою для звичайної хімії? Утім, нанотехнологія від самого початку справді мала доволі чітке визначення. Вона описувала можливість створення машин із рухомими деталями на молекулярному рівні. І на визнання цієї мети Шведська королівська академія наук вирішила минулого тижня присудити цьогорічну Нобелівську премію в галузі хімії трьом дослідникам: Жану-П’єру Соважеві, серові Фрейзеру Стоддарту й Бернарду Ферінзі, які ніколи не забували про початкову мету нанотехнологій.
Читайте також: Оголосили лауреата Нобелівської премії з літератури
Внесок доктора Соважа, за який він отримав третину від 8 млн шведських крон ($930 тис.) призової суми, полягав у поєднанні атомів у нові, потенційно корисні сполуки. Звичайні молекули тримаються вкупі завдяки парним зв’язкам електронів між сусідніми атомами. У деяких випадках (наприклад, бензену) в результаті утворюються кільця з атомів. Доктор Соваж зрозумів, що такі кільця можна з’єднувати між собою як ланки металевого ланцюга і створити супермолекулу, що тримається вкупі швидше механічним способом, а не через звичні хімічні зв’язки. У 1983 році його дослідницькій групі у Страсбурзькому університеті (Франція) вдалося створити таку супермолекулу, а через 11 років ці вчені продемонстрували структуру, що складалася із двох таких ланок і мала особливі властивості. Під час застосування енергії одна з них оберталася навколо іншої, утворюючи такий собі молекулярний «двигун».
Маленьке — прекрасне
Сер Фрейзер здобув свою третину премії за працю про мініатюрну машину, що нагадує принцип попереднього відкриття. У 1991 році йому та його колегам із Північно-Західного університету в Іллінойсі вдалося просадити крихітну молекулярну вісь крізь кільцевидну молекулу. Під час нагрівання кільце ковзало між кінцями осі. Так виник молекулярний «човник». Після цього група вчених створила низку інших машин, серед яких ліфт масштабів атома, штучні м’язи й навіть простий механічний комп’ютер, зроблений із деталей завбільшки з молекулу.
Проте найбажанішою метою нанотехнологічних досліджень завжди залишався двигун, який обертається навколо осі, а не просто ковзає по ній туди-сюди. І саме за створення у 1999 році такого пристрою отримає свою частку премії доктор Ферінга. Він зрозумів, як можна змусити кільце стабільно обертатися в одному напрямку, адже із двигуна, який довільно крутитиметься в будь-який бік, користі не вельми багато. До 2011 року його команда в університеті міста Гронінген у Нідерландах дійшла до рівня, який дав їй змогу зробити наноавтомобіль. Він складається з молекулярного шасі, з’єднаного з чотирма колесами, які рухають автомобіль (дуже повільно) поверхнею.
Читайте також: Стали відомі лауреати Нобелівської премії з економіки
Скільки часу знадобиться, щоб перетворити будь-який із цих винаходів на продукт, буде видно. Оптимісти говорять про виробництво машин молекулярного розміру: від пристроїв для «транспортування» медикаментів в організмі до мініатюрних комп’ютерів. Песимісти пригадують, що нанотехнологія — це галузь, яку раз по раз роздувають й науковці, й інвестори, а відтак вона просто здувається, зіткнувшись із практичними труднощами.
Та є підстава сподіватися, що все зрештою вдасться. Тому, що матінка-природа вже все вигадала до нас (як воно часто буває з людськими винаходами). Для прикладу уявімо собі живі клітини як сукупність нанотехнологічних машин. В ензимі, який виробляє аденозинтрифосфат (АТФ) — молекулу, що є носієм енергії для біохімічних реакцій у майже всіх живих клітинах, є обертальна молекулярна машина, подібна до винаходу доктора Ферінги. Вона працює ефективно. АТФ-генератори в людському тілі продукують цього добра стільки, що за день його вага майже дорівнює вазі тіла. Якби вдалося розробити комерційний еквівалент такого генератора, інформаційний шум усіх цих років навколо нанотехнологій виявився б недаремним.
Як клітини поїдають самі себе
Іще один приклад природної нанотехнології — «автофагія» (що грецькою означає «самопоїдання»). Це система, яка розщеплює і переробляє зношені клітинні компоненти. І Нобелівська премія в галузі фізіології або медицини, яку присуджує Каролінський інститут, дісталася одному з учених, котрі найактивніше займаються дослідженням механізмів автофагії, — Йосінорі Осумі з Токійського технологічного інституту.
Читайте також: Нобелівську премію з медицини отримав японець за вивчення «самопоїдання» клітин
Коли доктор Осумі почав свої дослідження, біологи вже знали, що автофагія — процес із двох фаз. Спочатку клітинні компоненти (органели), які мають бути знищені, покриваються жировою мембраною й утворюється схожа на бульбашку везикула — автофагосома. Відтак остання зливається з іншою везикулою, яка називається лізосома. Та містить травні ензими, які розщеплюють вміст автофагосоми. Проте вчені не знали деяких нюансів. Зокрема, загадкою залишався процес формування автофагосом. Доктор Осумі отримав нагороду саме за з’ясування цих подробиць.
Він почав працювати над цією проблемою 1988 року й досліджував автофагію у клітинах дріжджів. Це добре вивчений організм, який біологи часто використовують для дослідження фундаментальних клітинних процесів. На жаль, клітини дріжджів дуже маленькі. Тому докторові Осумі було важко роздивитися автофагосоми в них навіть під мікроскопом. Він вирішив цю проблему, деактивувавши процес виробництва лізосомних травних ензимів. Відтак автофагосоми не знищувались і накопичувались у достатній кількості, щоб їх можна було
розгледіти в мікроскоп і вивчити.
Його робота, опублікована 1992 року, стала ключем до решти досліджень: ідентифікації генів, задіяних у процесі створення автофагосоми. Це, своєю чергою, допомогло зрозуміти, як виникають везикули. Вибір дріжджових клітин, який зробив доктор Осумі, виявився дуже вдалим. На той час, коли вчений почав свої дослідження, геном дріжджів був уже добре вивчений, а згодом одним із перших описаний цілком у межах Проекту геному людини. Деактивувавши гени й дослідивши наслідки їхньої «відсутності», Осумі відтворив повну картину процесу виникнення автофагосом. І хоча дріжджі та люди не найближчі родичі, автофагія — це такий фундаментальний процес, що в клітинах цих двох біологічних видів він відбувається більш-менш однаково. Тож дріжджова автофагія — хороший зразок аналогічного процесу в клітинах людини.
Читайте також: Нобелівську премію миру отримав президент Колумбії
Це важливо тому, що дослідження доктора Осумі має масштабніше значення, ніж просто висвітлення важливого етапу життя клітини. Воно допомагає пояснити, що відбувається під час проникнення до організму патогенних бактерій та вірусів (непроханих гостей поглинають автофагосоми) і проливає світло на недуги, зокрема хворобу Паркінсона й деякі різновиди діабету, викликані збоями в автофагії та накопиченням клітинних відходів.
Отже, розуміння процесів автофагії має важливе практичне значення. Про працю, нагороджену в галузі фізики, схоже, можна сказати протилежне. Саме це спочатку й визнало журі, яке оголошувало переможців. Судді підкреслили красу математичних викладок у роботі-переможниці й нічого не сказали про її практичне застосування: про нього зараз не йдеться.
Читайте також: Нобелівську премію з хімії присудили за розробку та створення молекулярних машин
Згадані математичні викладки стосуються топології. Це розділ геометрії, який займається «інваріантами» на кшталт дірок, що можуть існувати в геометричних тілах лише в дискретних, цілих числах (тобто тіло не може мати половину дірки). Лауреати — Девід Таулесс з Університету Вашингтона в Сієтлі, Данкан Галдейн із Принстонського університету в Нью-Джерсі та Майкл Костерліц з Університету Брауна в місті Провіденс, штат Род-Айленд — застосували топологію до матеріалознавства й дістали теоретичні пояснення поведінки
незвичайних станів матерії.
Усепоглинаючий вихор
Інтрига цьогорічної наукової премії ще й у тому, що всі три лауреати — «діти доби міграції мізків» XX століття, коли народжені в Британії вчені переїжджали далі на захід у пошуках вищих окладів і кращих лабораторій в Америці. Доктор Таулесс, якому дісталася половина премії, співпрацював із доктором Костерліцом (котрий розділив іншу половину з доктором Галдейном) ще в 1970-х роках, коли вони обидва ще жили на батьківщині. Плід їхньої спільної праці — спростування уявлення про те, що суперпровідність (явище, під час якого зникає опір електричного провідника, зазвичай у разі охолодження до температур, близьких до абсолютного нуля) не може спостерігатися в тонких шарах матеріалу. Відповідно до їхніх розрахунків суперпровідність можлива завдяки дії спарених вихорів у такому шарі.
Вихори (вони є різновидом дірки) — це топологічні інваріанти. Саме вивільнення цих вихорів та їхній вільний рух під час нагрівання матеріалу знищує суперпровідність. Фактично це вивільнення — фазова зміна під час переходу матерії з одного стану в інший за аналогією до того, як вивільнення атомів кристалічної ґратки під час нагрівання зумовлює фазовий перехід із твердого стану в рідкий.
Читайте також: Стали відомі лауреати Нобелівської премії з фізики
Після переїзду до США на початку 1980-х доктор Таулесс не переставав доводити, що покрокові переходи до й від суперпровідності під дією магнітного поля (явище, відоме як квантовий ефект Голла) — це теж вид топологічного інваріанта. А наприкінці 1980-х уже й доктор Галдейн, перебравшись за океан, показав, що магнітні поля взагалі необов’язкові під час цього процесу.
Вибір на користь такої езотеричної теми цього року, зокрема, здивував багатьох оглядачів, які думали, що перемогти може зроблене 2015 року відкриття гравітаційних хвиль в експерименті під назвою LIGO. Це було б у дусі заповіту Альфреда Нобеля: присуджувати посмертну нагороду його імені за дослідження попереднього року. Та хоч би яка була причина, світила Королівської академії наук, відповідальні за вибір переможців у галузях фізики й хімії, вирішили й надалі ігнорувати цю частину документа про заснування премії.
© 2011 The Economist Newspaper Limited. All rights reserved
Переклад з оригіналу здійснено «Українським тижнем», оригінал статті опубліковано на www.economist.com