Ионные каналы и другие открытия

Шведская королевская академия наук в очередной раз подвела итоги деятельности ученых, отметив наиболее яркие проявления научной мысли.

 

Жгучий алкалоид

Лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине стали американский физиолог Дэвид Джулиус из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, а также американский молекулярный биолог и нейробиолог Ардем Патапутян из Института Скриппса. Награда присуждена за открытие в клетках ионных каналов, реагирующих на температуру и прикосновения.

Еще в 1944-м Нобелевскую премию по физиологии и медицине вручили нейробиологам, которые выяснили: на простое прикосновение к коже и на боль реагируют различные нервные волокна. Но механизм восприятия нервами удара, давления, изменений температуры оставался неясным.

Решить этот вопрос в применении для температурного воздействия удалось Дэвиду Джулиусу. Во второй половине 1990-х он вместе со своими коллегами по Калифорнийскому университету в Сан-Франциско попробовал исследовать механизм ощущения температуры с помощью капсаицина. Это жгучий растительный алкалоид, присутствующий в перце чили. В нейронах, которые передают сигналы опасной температуры, сигналы боли и сигналы механического давления, синтезируется множество белков с известной ДНК. Ученые попробовали пересадить ДНК из сенсорных нейронов в те клетки, которые ни температуру, ни боль, ни прикосновения не чувствуют. На следующем этапе модифицированные клетки обрабатывали капсаицином. В результате этого эксперимента Джулиус и его коллеги обнаружили рецепторный белок TRPV1. Он проявляет реакцию как на капсаицин, так и на опасную температуру. TRPV1 представляет собой ионный канал, находящийся в мембране сенсорного нейрона. Под воздействием определенной температуры он открывается. Через открытый канал ионы перегруппировываются между наружной и внутренней сторонами мембраны. В итоге возникает электрохимический импульс, который по нервам доставляется в мозг.

Однако оказалось, что TRPV1 не является единственным температурным рецептором. В диапазоне 33–38°С действует рецептор TRPM2. Когда температура падает ниже 26°С, то в действие вступает TRPM8. Именно этот рецептор с помощью «холодного» ментола независимо друг от друга открыли Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян. Но Патапутян отмечен премией не столько за открытие TRPM8, сколько за исследования рецепторов механического давления. В конце 2000-х вместе с коллегами из Института Скриппса он экспериментировал с сенсорными нейронами, проявляющими реакцию на прикосновения. На клетки воздействовали микропипеткой, они откликались электрическим сигналом. Ученые выявили 72 гена, которые обладали способностью кодировать нужный рецепторный белок. Пришлось отключать их в клетках по очереди. Так были найдены интересующие ученых механосенсорные белки. Ими оказались гены Piezo1 и Piezo2. С их помощью мы ощущаем объятия, предметы, которые держим в руке, положение тела в пространстве, давление мочи в мочевом пузыре. Именно с помощью Piezo организм следит за дыханием и кровяным давлением.

65-летний Джулиус родился и вырос в Нью-Йорке на Брайтон-Бич. Его бабушка и дед в поисках лучшей жизни бежали из царской России, где натерпелись от проявлений антисемитизма. Он учился в Массачусетском технологическом институте и Калифорнийском университете в Беркли.

 

Климатические секреты

Нобелевская премия по физике присуждена за исследования сложных хаотических, случайных явлений. Одну половину премии поделят Сюкуро Манабе (Принстонский университет, США) и Клаус Хассельман (Институт метеорологии Общества им. Макса Планка, Германия). Они отмечены «за физическое моделирование климата Земли, количественную оценку изменчивости и надежное прогнозирование глобального потепления». Вторая половина премии присуждена Джорджио Паризи (Римский университет, Италия) «за открытие взаимодействия беспорядка и флуктуаций в физических системах – от атомных до планетарных масштабов».

Манабe обозначил взаимосвязь между повышенным уровнем углекислого газа в атмосфере и повышением температуры на поверхности Земли. Он руководил разработкой физических моделей климата Земли еще в 1960-х. Его труды заложили основу для разработки современных климатических моделей. Первая модель Манабе была относительно простой, ориентированной на возможности компьютеров того времени, которые не обладали высоким быстродействием. В 1975 г. ученый представил трехмерную модель климата, основанную на идеях одномерной модели. На пути к пониманию климатических секретов это была важная веха.

Позднее Клаус Хассельман создал модель, связавшую воедино погоду и климат. Он продемонстрировал: хаотически меняющиеся погодные явления можно описать как быстро меняющийся шум. Таким образом долгосрочные прогнозы климата были поставлены на основательную научную основу. Затем Хассельман занялся методами определения антропогенного воздействия на климатическую систему. Ученый осознал, что изменения уровней солнечной радиации и парниковых газов оставляют так называемые «отпечатки пальцев». Выявив их, уже легче было судить только о влиянии человека на климатическую систему. Методика Хассельмана использовалась для доказательства того, что повышение температуры в атмосфере вызвано именно выбросами углекислого газа, связанными с деятельностью человека.

В 1980-х Джорджио Паризи сделал открытие: случайные явления в неупорядоченных сложных материалах управляются скрытыми правилами. Он описал это явление математически. С тех пор работы Паризи почитают как один из самых важных вкладов в теорию сложных систем. Благодаря им ученые смогли понять и описать различные случайные явления не только в физике, но также в математике, биологии, нейробиологии и машинном обучении.

 

Органические катализаторы

Нобелевская премия по химии досталась немецкому химику, директору Института исследования угля Общества им. Макса Планка Беньямину Листу и профессору Принстонского университета Дэвиду Макмиллану за исследования в области асимметрического органокатализа.

Современные медицина, наука и индустрия в большой степени находятся в зависимости от способности химиков создавать молекулы, которые смогут тормозить развитие заболеваний, образовывать эластичные и прочные материалы, накапливать энергию в батареях и решать многие другие важные задачи. Для успеха такого рода работ требуются катализаторы. Это вещества, которые контролируют и ускоряют химические реакции, но не становятся частью конечного продукта.

В автомобилях токсичные вещества в выхлопных газах при помощи катализаторов превращаются в безвредные молекулы. Ферменты в человеческом организме – это те же катализаторы, разбивающие молекулы на блоки, необходимые для жизни.

Довольно долго полагали, что существует всего два вида катализаторов – металлы и ферменты. В 2000 г., независимо друг от друга, Лист и Макмиллан разработали третий тип катализа. Его назвали асимметрическим органокатализом, а строится он на основе малых органических молекул.

Его суть состоит в том, что небольшие (значительно меньше ферментов) органические молекулы выступают в роли эффективных катализаторов для синтеза «левых» или «правых» молекул. Органические катализаторы не загрязняют продукты токсичными металлами, как это происходит в случае с металлокомплексными катализаторами, их намного проще синтезировать и использовать по сравнению с белками.

Лист и Макмиллан независимо друг от друга и почти одновременно опубликовали статьи с описанием концепции асимметрического органокатализа. И тем самым способствовали дальнейшему взрывному росту исследований в этой области. Открытие оказалось почти на поверхности, но совершить его мешало устоявшееся мнение химиков, что катализатор можно получить либо на основе комплексов металлов, либо это должен быть большой и сложный фермент. Остальные варианты считались неэффективными. Но Лист и Макмиллан продемонстрировали, что это не так.

 

Важность школьных знаний

Нобелевскую премию по экономике присудили Дэвиду Карду (Калифорнийский университет, Беркли), Джошуа Ангристу (Массачусетский технологический институт, Кембридж) и Гвидо Имбенсу (Стэнфордский университет). Дэвид Кард получит половину премии. Он стал лауреатом с формулировкой «за эмпирический вклад в экономику труда». Вторую половину поделят Джошуа Ангрист и Гвидо Имбенс. Их отметили с формулировкой «за методологический вклад в анализ причинно-следственных связей».

Дэвид Кард проанализировал влияние на рынок труда минимальной заработной платы, иммиграции и образования. В начале 1990-х он провел исследования, которые бросили вызов общепринятым представлениям экономистов. Результаты Карда показали, среди прочего, что повышение минимальной заработной платы не обязательно приводит к сокращению числа рабочих мест. Кард смог доказать, что иммиграция приносит выгоду коренному населению, но негативно сказывается на экономическом благополучии тех, кто решил сменить место жительства. Ученый также изучал влияние продолжительности образования на уровень жизни и на доход. Выяснилось, что школьные знания более важны для будущего успеха на рынке труда, чем считалось ранее.

Прежде полагали, что уровень образования коррелирует с будущей зарплатой, но причинно-следственная связь в явном виде здесь не просматривалась. Джошуа Ангрист и Гвидо Имбенс выявили ее по итогам ряда «естественных экспериментов». Более того, они доказали, что дополнительный год в школе равносилен девятипроцентной прибавке к будущей зарплате.

Американский и израильский экономист Джошуа Ангрист – профессор Массачусетского технологического института. Он является экспертом по экономике труда и экономике образования, внес вклад в область эконометрики. Ранее Ангрист преподавал в Гарвардском университете и Еврейском университете в Иерусалиме. С 1982 по 1985-й служил в ЦАХАЛе, был десантником и участвовал в Ливанской войне.

 

Сергей ГАВРИЛОВ