Нобелевская премия 2013 года – какой вклад сделала российская наука
Не так много российских ученых работают в специфических областях науки, которые связаны с нобелевскими премиями 2013 года. Тем не менее, при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) ведется ряд важных исследований в некоторых сложных специализированных направлениях физики, медицины и химии.
Кратко расскажем о том, каких результатов удалось добиться российским ученым, и почему, по их мнению, так важны открытия, удостоенные Нобелевской премии-2013.
ФИЗИКА
В 2013 году Нобелевскую премию по физике получили ученые Франсуа Энглер и Питер Хиггс, которые разработали теорию, объясняющую каким образом частицы приобретают массу. Теория Энглера и Хиггса является стержнем Стандартной модели физики элементарных частиц, которая описывает, как устроено мироздание. Согласно Стандартной модели, все, от растений и людей, до звезд и планет, состоит всего из нескольких блоков, частиц материи, которые взаимодействуют с помощью четырех основных сил.
Стандартная модель опирается на существование особого вида частиц: так называемого бозона Хиггса. В 2012 году эту частицу удалось обнаружить в ходе экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере, благодаря чему теория Энглера и Хиггса была подтверждена.
Российские ученые активно работают над изучением бозона Хиггса. В частности, при поддержке РФФИ работы в данном направлении ведут исследователи Дмитрий Казаков и Лидия Калиновская из Объединенного института ядерных исследований, а также Михаил Рыскин, Юрий Иванов и Олег Федин из Петербургского института ядерной физики имени Б.П. Константинова. Как отмечает старший научный сотрудник Юрий Иванов, Россия внесла значительный вклад в подготовку и проведение экспериментов ATLAS и CMS. Десятки российских институтов и университетов, сотни ученых и инженеров принимают участие в этих работах.
Поиски бозона Хиггса на Большом адроном коллайдере потребовали усилий тысяч ученых и инженеров из разных стран мира
В серии экспериментов ЦЕРН важную роль сыграла технология прецизионного анализа данных БАК для процессов Дрелла-Яна в каналах нейтрального и заряженного токов. Эта технология была разработана научной группой Лидии Калиновской в рамках гранта «РФФИ-CERN». Для того, чтобы анализировать информацию, поступающую в ходе экспериментов на двух электрон-позитронных коллайдерах LEP1 и LEP2, были необходимо специальное программное обеспечение. Среди множества программ, разработанных специалистами из разных стран, для работы на коллайдерах были выбраны: российская программа ZFITTER и итальянская TOPAZ0. Как сообщила Лидия Калиновская, программа ZFITTER используется постоянно во множестве научных экспериментов.
«В основу системы заложены оригинальные методы, что позволяет нам получать результаты мирового уровня, часто опережая зарубежные группы исследователей, проводящих аналогичные вычисления параллельно с нами, - рассказывает Лидия Калиновская. - В первую очередь, мы обращаем внимание на те процессы, теоретическая неопределенность в описании которых превышает экспериментальную точность и на те запросы, которые поступают непосредственно от экспериментальных групп».
Существенный вклад в исследование темы бозона Хиггса внес Виталий Велижанин и его коллеги из Петербургского институт ядерной физики им. Б.П. Константинова и Национального исследовательского центра «Курчатовский институт». В настоящее время существуют различные теоретические модели, расширяющие Стандартную модель. Во всех моделях масса частицы Хиггса колеблется, поэтому для сравнения экспериментальных данных с теоретическими, необходимо проводить вычисления с большой точностью. Российские ученые разработали методики вычислений в третьем порядке теории возмущений. Теория возмущений включает в себя математические методы, которые используются для нахождения приближенного решения задач, не имеющих точного решения. Если говорить простыми словами, то в теории возмущений точное решение – это «нулевой порядок», а первый, второй, третий и т.д. порядки – приблизительные значения.
«В данный момент мы ещё с трудом представляем возможное практическое применение открытий, связанных с физикой Стандартной модели, в частности с открытием бозона Хиггса. Но вряд ли кто-то задумывался 500 лет назад о практическом значении открытия того, что Земля вращается вокруг Солнца, – говорит Виталий Велижанин. - Однако трудно переоценить значение этого открытия для развития физики в целом. Оно послужило основой для многих последующих открытий: от законов Ньютона до планетарной модели атома. Для качественного скачка или научной революции, иногда необходим взгляд, выходящий за рамки общепринятых представлений, а порой и здравого смысла».
Профессор Дмитрий Казаков подчеркивает, что открытие частицы Хиггса: «Это действительно историческое событие, результат колоссальных многолетних усилий физиков-экспериментаторов. Данное открытие стало долгожданным разрешением споров о существовании хиггсовского бозона».
В 2013 году Нобелевскую премию в области химии присудили ученым Мартину Карпласу, Майклу Левиту и Ари Варшелу. Ученые создали методики построения многоуровневых моделей комплексных химических систем, которые являются ключевым элементом современных химических исследований.
Компьютерное моделирование открыло совершенно новое направление исследований. Сегодня с помощью компьютера можно моделировать сложнейшие биохимические процессы и предсказывать их результаты. Мартин Карплас, Майкл Левит и Ари Варшел дали начало компьютерной эры в моделировании химических процессов еще в 1970-е годы. Теперь же с каждым годом растет количество лекарственных препаратов и других веществ, разработанных с помощью компьютерного моделирования.
В России также ведутся исследования в области компьютерного моделирования химических процессов. Так, Кафедра органической химии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова начала работать над этим еще в 1970 е годы, как и нобелевские лауреаты. За это время удалось добиться существенных результатов, в частности создать многие эффективные лекарственные препараты. Сегодня работа над этим направлением продолжается Владимиром Палюниным и его коллегами, которые создают новые поколения антибиотиков и других лекарственных средств потенциально способных излечивать человека от различных тяжелых заболеваний.
«Вручение Нобелевской премии за многоуровневое моделирование сложных химических систем ожидалось научным сообществом в течение последнего десятилетия, - отмечает Владимир Палюнин. - Лауреаты Нобелевской премии создали методы, лежащие в основе всех современных компьютерных программ для моделирования молекулярной динамики белковых структур. Это было сделано еще в те годы, когда даже наиболее мощная компьютерная техника не позволяла осуществлять моделирование в требуемом масштабе».
Компьютерное моделирование химических процессов помогло существенно продвинутся в разработке новых соединений, в частности лекарственных препаратов
Под руководством Романа Ефремова в Институте биомедицинской химии Российской академии наук в течение многих лет ведутся исследования в области моделирования молекулярной динамики трансмембранных рецепторов и других белков с учетом их липидного окружения, а также разрабатываются методики моделирования механизма действия нового класса антибиотиков, так называемых лантибиотиков.
В лаборатории Александра Немухина на Химическом факультете МГУ выполнены обширные исследования динамического поведения целого ряда наноразмерных систем, включая функционирование ионных каналов. В лаборатории Константина Шайтана (факультет биоинженерии и биоинформатики) проводятся исследования динамики разнообразных наносистем и их взаимодействия с небольшими молекулами.
Работа над созданием новых химических соединений ведется и в других российских научных учреждениях. Успехи российских химиков в создании новых средств борьбы с различными бактериями и вирусами высоко оцениваются зарубежными коллегами. Так, в преддверии вручения Нобелевской премии, эксперты компании Thompson Reuters включили в свой список возможных лауреатов российского ученого Валерия Фокина, который работает адъюнкт-профессором кафедры «Инновационная фармацевтика и биотехнология» Московского физико-технического института. Ему прочили премию за успехи в области компьютерного моделирования, в частности за методики синтеза новых химических веществ. За простоту и скорость синтеза новых соединений, эту методику называют «клик-химией».
МЕДИЦИНА
В 2013 году Нобелевскую премию по медицине получили Джеймс Ротман, Рэнди Шекман и Томас Зюдоф за открытие механизма, регулирующего везикулярный трафик.
Везикулярный трафик – это процесс обмена веществ между клетками организма, который осуществляется с помощью небольших пузырьков, везикул. Понятно, что везикулярный трафик очень важен для поддержания здоровья. Раскрытие механизмов везикулярного трафика может помочь при таких тяжелых заболеваниях, как сахарный диабет, эпилепсия, болезнь Альцгеймера, шизофрения, болезнь Гентингтона и других.
Джеймс Ротман, Рэнди Шекман и Томас Зюдоф объяснили, как именно везикулы с определенными веществами попадают в нужный пункт назначения.
В России также ведутся исследования везикулярной транспортной системы клеток. В частности при поддержке РФФИ заведующий лабораторией клеточных рецепторов Александр Петренко из Института биомедицинской химии Российской академии наук и его коллеги исследуют молекулярные механизмы нейронального эндоцитоза, то есть процесс захвата клеткой внешнего материала. Александр Петренко долгое время работал в одной команде с нобелевским лауреатом Томасом Зюдофом и имеет с ним соответствующие соавторские публикации.
Изучение механизма везикулярной транспортировки может помочь в излечении множества болезней
В Казанском медицинском университете межклеточные коммуникации изучает ученый Андрей Зефиров, который занимается исследованием везикулярного транспорта, экзоцитоза и эндоцитоза – основных процессов внутриклеточных и межклеточных коммуникаций в мозге. Эти процессы очень важны для многочисленных функций головного мозга, лежащих в основе памяти и обучения. Многие важные данные о межклеточных коммуникациях в мозге были получены именно в России, в лаборатории Зефирова. Благодаря успехам российских ученых, медицина стала на шаг ближе к созданию новых лекарственных средств, для профилактики и лечения ныне неизлечимых заболеваний.
Как отмечает Андрей Зефиров, нобелевский лауреат Рэнди Шекман идентифицировал три класса генов, контролирующих везикулярный транспорт у дрожжей. С помощью мутантных штаммов удалось определить белки, которые вовлечены в перенос веществ с помощью везикул. В свою очередь, Джеймс Ротман впервые описал белковый комплекс, который обеспечивает адресную доставку везикул в определенные регионы клетки и участвует в их слиянии с мембранами. Томас Зюдоф показал в деталях, как процесс экзоцитоза (выделения клеткой) везикул осуществляется в нервных клетках, и как ионы кальция заставляют везикулы сливаться с мембраной. Эти три разных подхода позволили описать универсальные механизмы везикулярного транспорта.
«Вручение нобелевской премии отражает важность исследований молекулярных механизмов везикулярного транспорта в клетках, особенно в нейронах, - рассказывает Андрей Зефиров. – «В настоящее время многие ведущие лаборатории мира пытаются разобраться в сложной паутине молекулярных взаимодействий, управляющих экзо- и эндоцитозом везикул и везикулярным транспортом».
ПОТЕНЦИАЛ И ПРАКТИКА
Как видим, российская наука имеет большой потенциал в самых передовых областях научных знаний. Российские ученые работают совместно с ведущими учеными, чьи заслуги признаны в том числе и Нобелевским комитетом. Разработки российских и зарубежных ученых имеют огромную ценность и приносят большую пользу человечеству.
Поделиться
