Кому и за что дали Нобелевские премии по естественным наукам в 2021 году

Нобелевская премия в области физиологии и медицины присуждена американским ученым Дэвиду Джулиусу и Ардему Патапутяну «за открытие ими рецепторов температуры и прикосновения». Здесь нужно сразу сделать одну оговорку: словом «рецептор» в современной биологии называются и сенсорные клетки (и даже многоклеточные образования), и чувствительные отростки таких клеток, и конкретные молекулы, которые непосредственно воспринимают тот или иной сигнал. Клетки и клеточные окончания, обеспечивающие механическую и температурную чувствительность, были идентифицированы и описаны еще в XIX веке. Но до самого рубежа прошлого и нашего века было неясно, какими именно молекулярными механизмами это обеспечивается и как именно тепловое или механическое воздействие преобразуется в нервный сигнал.

Заслуга нынешних лауреатов именно в том, что они закрыли этот пробел в знаниях, определив конкретные белки, обеспечивающие эти виды чувствительности. Как и ожидалось, это оказались ионные каналы — белки (точнее, комплексы из нескольких одинаковых белковых молекул), пронизывающие насквозь мембраны чувствительных клеток и способные пропускать или не пропускать внутрь некоторые ионы (прежде всего натрия и кальция, а также некоторые органические молекулы). 

Температурную рецепцию обеспечивает целое семейство таких белков: Джулиус в 1997–2003 годах открыл первые три, а сейчас благодаря усилиям команд Джулиуса, Патапутяна и других исследователей известно почти три десятка. Разные белки реагируют на разные диапазоны температур. В норме образуемые ими каналы закрыты, но, если их нагреть (или, если речь идет о рецепторах холода, охладить), связи между разными частями белковой молекулы перестраиваются, молекула меняет свою форму, и канал открывается. Такое же действие оказывают на них некоторые вещества: на «горячие» рецепторы — капсаицин (вещество, придающее перцу жгучесть), а на «холодные» — ментол. Ну, а как поток ионов натрия внутри клетки трансформируется в нервный импульс, физиологам известно еще с 1950-х годов. Открытые Патапутяном два белка-рецептора механического воздействия работают примерно так же, только там к изменению формы молекул и открытию канала приводит просто деформация клеточной мембраны по соседству с рецептором.

Премию в области химии получили немецкий химик Беньямин Лист и его американский коллега Дэвид Макмиллан «за развитие асимметричного органокатализа». Нужно прежде всего пояснить, что это такое. Сегодня химикам известно огромное множество катализаторов, но подавляющее большинство из них — это либо металлы (в основном из нижней части таблицы Менделеева, то есть тяжелые), либо белки-ферменты. Причем многие ферменты в качестве «рабочего инструмента» тоже используют ионы металлов. Но некоторые обходятся без них — все необходимое делают сами аминокислотные остатки. Причем из сотен аминокислот, составляющих белковую молекулу, реально взаимодействуют с реагентами всего несколько штук, образующих так называемый активный центр. Задача всех остальных — обеспечить такую форму молекулы, чтобы аминокислоты активного центра оказались рядом друг с другом, причем в правильном взаимном расположении. 

А нельзя ли обойтись без этой огромной периферии, оставив активный центр в чистом виде? Заставить фермент, подобно Чеширскому Коту из «Алисы в Стране чудес», исчезнуть, оставив только свою улыбку? Именно этим путем шел Беньямин Лист. К 2000 году ему удалось создать такие катализаторы. Простейшим из них оказалась вообще одна свободная аминокислота — пролин.

Практически одновременно с Листом свои первые работы опубликовал Макмиллан, шедший путем иным. Он искал органические вещества, которые вели бы себя аналогично ионам металлов. Нужными свойствами обладали иминиевые ионы — положительно заряженные ионы на основе атома азота, связанного двойной связью с атомом углерода. Правда, в водном растворе они были неустойчивыми, но Макмиллану в конце концов удалось синтезировать молекулу, в которой была иминиевая группа, а остальная часть молекулы придавала ей стабильность. Это и был его первый органический катализатор.

Направление оказалось перспективным: катализаторы нового типа не требовали ионов металлов (использование которых чревато загрязнением окружающей среды), были не капризны и катализировали более широкий круг реакций, чем известные ферменты. При этом если катализируемая реакция в принципе могла приводить к образованию смеси двух хиральных форм вещества-продукта (молекулы которых выглядят как зеркальные отражения друг друга), то органические катализаторы (как и ферменты) катализировали образование преимущественно или даже исключительно одной такой формы — только «правых» или только «левых» молекул. Так что новые катализаторы, введенные в химическую практику Листом и Макмилланом, представляют не только академический, но и немалый практический интерес, например в сегментах химической промышленности. Ведь современную химическую промышленность невозможно себе представить без катализаторов.

Пожалуй, наиболее неожиданным оказался в этом году выбор лауреатов премии по физике. Ее распределили так: половину премии получит итальянский физик-теоретик Джорджо Паризи, а вторую поделят между собой два специалиста по физике атмосферы — работающий в США японец Сюкуро Манабэ и немец Клаус Хассельман. Представители наук о Земле, мягко говоря, крайне редко удостаиваются Нобелевских премий. Кроме того, в данном решении некоторым комментаторам почудился привкус конъюнктурности: Манабэ и Хассельман известны своими работами по проблемам глобального климата и его изменений — а эта тема сегодня является полем острых политических и общественных споров. Мол, премия должна повысить авторитет как самих климатических исследований, так и «официальной» точки зрения на причины изменения климата.

Нелишне будет отметить, что Манабэ и Хассельман (обоим в этом году исполняется 90 лет) выбрали предмет своих интересов в те времена, когда климатические проблемы отнюдь не были притчей во языцех. Для Манабэ, который начал заниматься климатом еще в конце 1950-х годов, это было прежде всего интересной физической задачей: как вообще можно описывать поведение столь сложной системы, зависящей от множества факторов, нелинейным образом влияющих друг на друга и на всю систему в целом? Ответом Манабэ стало моделирование климатических процессов на компьютерах, только-только входивших тогда в стандартный арсенал научных инструментов. Компьютерные модели, построенные Манабэ, сегодня выглядят предельно упрощенными, но уже они дали важные результаты (в частности, показали, что рост концентрации двуокиси углерода в атмосфере действительно должен приводить к глобальному потеплению). Но, пожалуй, еще важнее то, что именно компьютерное моделирование позволило климатологии перейти от простого описания наблюдаемых явлений к изучению их причин. Все, что мы сегодня знаем о динамике климата, основано на моделях и экспериментах с ними.

Второй лауреат-геофизик, Клаус Хассельман, тоже всю жизнь работал с разного рода компьютерными моделями. Это позволило ему получить много важных результатов, причем не только в области климатологии. Пожалуй, самыми интересными можно считать два из них. Во-первых, ему удалось дать достаточно строгое описание того, как соотносятся между собой погода и климат, то есть краткосрочные и долгосрочные процессы и явления в атмосфере. В частности, полученные им результаты показали, почему климатический прогноз может быть надежнее и определенней метеорологического. Во-вторых, он разработал метод, позволяющий оценивать влияние на климат любого интересующего нас фактора в отдельности. Что, помимо всего прочего, позволяет оценить вклад антропогенных выбросов парниковых газов в глобальное изменение климата.

Какое отношение ко всему этому имеют работы Паризи, занимавшегося вроде бы совсем другими вопросами — математическим описанием сложных неупорядоченных систем, в частности, поведения атомов ферромагнитных металлов в гетерогенных сплавах? Дело в том, что, изучая свой предмет, Паризи обнаружил, что, когда на систему действует множество независимых случайных факторов, между ними возникают определенные взаимосвязи, позволяющие при расчете поведения системы учитывать эффект, производимый всем этим множеством случайных влияний, как одно возмущающее действие. Такой подход нашел применение далеко за пределами той области, в которой работал сам Паризи. В том числе и в климатологии, поскольку «климатическая машина» Земли как раз и представляет собой сложную систему, на которую действует множество случайных факторов.

Разумеется, задача, которую каждый год приходится решать нобелевскому комитету, в принципе не имеет корректного решения: на кого бы ни пал выбор, в списке номинированных всегда найдутся фигуры не менее достойные. Но тут уж ничего не поделаешь. Хорошо уже то, что все лауреаты этого года вполне заслуживают присужденной им награды.

А что думаете вы? Обсудить тему и поспорить с автором теперь можно в комментариях к материалу.

Больше текстов о науке и обществе — в нашем телеграм-канале «Проект "Сноб” — Общество». Присоединяйтесь