Кислород, экзопланеты, аккумуляторы

Нобелевскую премию по физиологии и медицине дали за открытие механизма адаптации клеток к объему доступного кислорода. Справиться с его недостатком помогают гены, которые вовремя активируются универсальной системой организма. Поскольку кислород для жизни очень важен, у нас должны быть специальные механизмы, которые помогают вовремя почувствовать изменившиеся кислородные условия и приспособиться к ним. В ответ на гипоксию в организме повышается уровень гормона эритропоэтина. Он стимулирует формирование эритроцитов, содержащих гемоглобин, который связывает кислород. И чем больше эритроцитов, тем больше кислорода из легких отправится с кровью к клеткам тела.

Один из нынешних лауреатов, американский онколог Грегг Семенза, выяснил, что рядом с геном эритропоэтина есть участки ДНК, которые каким-то образом определяют понижение уровня кислорода. Семенза и еще один нобелевский лауреат этого года, британский молекулярный биолог Питер Рэтклифф, определили, что один и тот же механизм «кислородного чувства» работает в самых разных типах клеток. К 1995 г. Семенза и его коллеги смогли найти и в чистом виде выделить белок, который назвали HIF – hypoxia-inducible factor (фактор, индуцируемый гипоксией). Если кислорода для клетки становится мало, то число молекул HIF увеличивается и они связываются с определенными регуляторными участками ДНК перед геном эритропоэтина и еще перед множеством генов. Если же кислорода для клетки достаточно, уровень HIF падает: его расщепляет специальная молекулярная машина под названием протеасома. Она избавляет клетку от ненужных белков. Но как же расщепляющая машина понимает, что кислорода достаточно и нужно убавить количество HIF? Ответ на этот вопрос нашел третий лауреат – американский онколог Уильям Кэлин – младший. В 2001-м Рэтклифф и Кэлин-младший независимо друг от друга опубликовали статьи, в которых шла речь о том, что при достаточном количестве кислорода на белке HIF появляются химические модификации, в которых непосредственно участвует кислород. Если же кислорода мало, то и никаких модификаций на HIF нет, а значит, он остается невидимым для расщепляющих ферментов и ему никто не мешает активировать гипоксические гены. Расшифровка механизма клеточного кислородного чувства состоялась.

Нобелевской премией по физике отметили за понимание эволюции Вселенной и открытие первой экзопланеты. Награду решено разделить между тремя учеными. Причем первый из них – американец Джеймс Пиблс – получит половину премии. Его отметили «за теоретические открытия в физической космологии». С середины 1960-х на протяжении двух десятилетий Пиблс разрабатывал идеи, которые стали основой для становления космологии как науки. Наши современные представления о Вселенной сформировались на основе теоретических исследований этого ученого. В 1971-м вышла книга Пиблса «Физическая космология», которая вдохновила целое новое поколение физиков. Они вносили свой вклад в развитие этой науки не только с помощью теоретических изысканий, но и с помощью наблюдений и измерений. Спустя 400 000 лет после Большого взрыва Вселенная стала прозрачной, и лучи света смогли путешествовать в пространстве. И по сей день это ультрадревнее излучение окружает нас со всех сторон. В 1964 г. его случайно обнаружили два американских радиоастронома: Арно Пензиас и Роберт Уилсон, получившие в 1978 г. Нобелевскую премию. Их антенна улавливала отовсюду в космосе некий постоянный «шум». Они искали объяснение этому явлению в работах других исследователей, в том числе Джеймса Пиблса, поскольку он провел теоретические расчеты этого фонового микроволнового излучения. Но главный научный прорыв произошел, когда Пиблс уяснил, что температура этого излучения может дать информацию о том, сколько материи было создано в Большом взрыве. Позднее она «сгустилась», формируя галактики и скопления галактик, которые мы сейчас видим в космосе. Но это лишь 5% содержимого Вселенной. Остальные 95% – это пока неизвестные темная материя и темная энергия. Решение этой загадки за следующими поколениями физиков.

Вторую половину Нобелевской премии разделят швейцарцы Мишель Майор и Дидье Кело, которых отметили «за открытие экзопланеты, вращающейся вокруг звезды солнечного типа». В октябре 1995 г. эти ученые заявили о первом подтвержденном наблюдении за пределами нашей Солнечной системы экзопланеты, вращающейся вокруг звезды солнечного типа в нашей галактике, Млечном Пути. Пользуясь сверхточным спектрометром, Майор и Кело обнаружили покачивание звезды 51 Пегаса с периодом 4,23 суток. Оно вызывалось находящейся рядом со звездой гигантской планетой, сравнимой по размерам с Юпитером. Она получила сначала стандартное название 51 Пегаса b, а затем и собственное имя – Димидий. Открытие новоиспеченных нобелевских лауреатов ознаменовало начало революции в астрономии. С тех пор в Млечном Пути обнаружили более 4000 экзопланет. Ученые надеются, что поиски и исследования таких небесных тел позволят найти ответ на вечный вопрос о том, есть ли в космосе другая жизнь.

Нобелевскую премию по химии присудили за разработку литий-ионных аккумуляторов. Без них попросту немыслима нынешняя жизнь. Именно эти перезаряжаемые источники питания с успехом используются в самых разнообразных электронных устройствах. Зародившаяся почти полвека назад технология пришла в каждый дом. Над совершенствованием литий-ионных аккумуляторов на протяжении десятков лет работали многие исследователи. Нобелевский комитет выделил троих из них.

Среди отмеченных наградой – американец Стэнли Уиттингэм. В 1970-х он проводил работы по созданию перезаряжаемой электрической батареи на основе лития. Сложность заключалась в подборке наиболее подходящих материалов для электродов, которые должны одновременно накапливать и отдавать литий, да еще делать это многократно. К тому же конструкция в целом должна была быть не только безопасной, но и дешевой.

Второй нобелевский лауреат – американец Джон Гуденаф (самый пожилой из награжденных, в этом году ему исполнилось 97 лет). В 1980-м он предложил использовать в литиевой батарее в качестве катода соединения на основе оксида кобальта вместо применявшихся ранее сульфидов металлов. Выбор нового материала оказался очень удачным. Катод на его основе мог эффективно впускать в себя и выпускать обратно ионы лития, которые обратимо встраивались в его кристаллическую структуру.

Выпуск первой серийной литий-ионной батареи был уже не за горами. Но для этого надо было решить еще несколько проблем. Например, требовалось избавиться от металлического лития, который использовался в качестве второго электрода. Выяснилось, что с такой задачей великолепно справляется графит. Он обладает слоистой структурой, и в пространство между слоями атомов углерода могут «заходить» другие атомы, особенно если они небольшого размера, как раз такие характерны для лития. Еще одна проблема заключалась в подборе стабильного электролита, по которому ионы лития могли бы перемещаться от электрода к электроду. Собрать воедино все оптимальные элементы и сделать конструкцию аккумулятора надежной и безопасной удалось в 1985 г. – именно тогда японец Акиро Ёсино предложил первый прототип литий-ионного аккумулятора, который уже можно было запускать в серийное производство. Правда, для этого потребовалось еще шесть лет. Именно Ёсино стал третьим лауреатом Нобелевской премии по химии.

 

Сергей ХАУДРИНГ