Алексей Алексенко /

Разные части Бога

Краткое содержание нобелевских премий 2013 года

Фото: Corbis/Fotosa.ru
Фото: Corbis/Fotosa.ru
+T -
Поделиться:

Теперь, когда пузырьки* углекислого газа из шампанского на нобелевском банкете окончательно рассеялись в атмосфере, внеся вклад в парниковый эффект, самое время разобраться: какой сухой остаток отложился в вечности от научных открытий, удостоенных премий этого года. Ведь не может быть, чтобы это только ради пузырьков*. Непосредственно сами пузырьки* упоминаются всего в одной из работ (по физиологии) — остальные работы, стало быть, претендуют на непреходящую ценность.

Но объяснить эту ценность широкой публике не всегда легко. Ну разве только по частям.

Глава первая: частица смысла и долготерпения 

Самое простое, наверное, это бозон Хиггса, тем более что его уже заблаговременно нарекли «частицей Бога». Разумеется, Питер Хиггс и остальные, открывшие пусть не самого Бога, но хоть частицу Его, заслуживают признания и денег.

Справедливости ради, частицей Бога бозон назвали популяризаторы, а не сам Хиггс. Если начать разбираться, ничего такого особенно божественного этот бозон не делает. Говорят, что он дает другим частицам массу, но тут правильнее сказать, что он дает некоторым частицам некоторую долю их массы, а это уже куда скучнее. Или еще скучнее: сам бозон вообще никому ничего не дает, а является не самым важным следствием некой вполне заумной теории... только не расходитесь, пожалуйста, мы едва начали.

Про бозон очень хорошо и понятно объяснил Алексей Цвелик, читать здесь. «Люси, принцип калибровочной инвариантности состоит в том, что собственная энергия любого поля сил, например электрического, зависит от его напряженности, а не от потенциала, а вот внешние заряды цепляются лишь за потенциал. В силу этого потенциалы и плотность заряда (тока) не определены однозначно. В силу этого также оказывается, что поля не могут вот просто так приобрести массу, и нужен чрезвычайно хитрый механизм (Андерсона — Хиггса), чтобы этого добиться. Понимаю, что объяснение сложное, но лучшего не могу придумать».

Только вот, на мой дилетантский вкус, это тоже уже довольно специальные дебри. А нам же не хочется в дебри, мы же хотим умом охватить сразу все, не правда ли?

Если охватывать сразу все, можно кратенько изложить так. Был такой физик Ричард Фейнман, на картинке можно видеть его самого и его жизненную философию.

Однажды Ричард Фейнман взял карандаш и прикинул, какое поле могло бы поменять фазу электрона (у электрона есть фаза, это вполне математическая и совершенно непостижимая фантазией штука). Оказалось, искомое поле один в один похоже на электромагнитное. То есть это самое поле делает из одного электрона другой (с другой фазой: ну, как бы из полосатого электрона делает электрон в горошек, причем и полоска, и горошек невидимые).

Раз есть поле, которое делает такие штуки с электроном, то ведь, наверное, можно проделывать и другие штуки с электроном каким-то другим полем? Можно! Например, можно придумать поле, которое сделает из электрона нейтрино, и оно же, кстати, будет из одного кварка делать другой, и это поле называется «слабое».

Эта фейнмановская хохма — квантовая электродинамика — так понравилась физикам, что они тотчас же стали прилаживать ее в общую картинку. И у них получилось, что можно придумать такое общее поле, которое делает разные штуки с лептонами (например с электроном) и с кварками. И чтобы все было красиво и симметрично, у этого поля должно быть четыре частицы-переносчика, похожие друг на друга, как вы и ваши отражения в зеркалах примерочной кабинки магазина GAP.

Придумать-то можно все что угодно, но проблема в том, что хоть такие поля действительно есть — и электромагнитное, и слабое, — переносчики у них вовсе не похожи друг на друга. У первого поля — безмассовый фотон, у второго — целых три массивных бозона. Это как если бы вы отражались в зеркалах примерочной кабинки в виде трех фиолетовых носорогов, один побольше и два поменьше, и фиг поймешь, вашего размера рубашечка или великовата.

То есть и фотон, и эти массивные бозоны существуют на самом деле, их можно наблюдать. А вся остальная конструкция абсолютно писана вилами по воде — вернее, карандашом теоретика по ресторанной салфетке. Но очень хотелось теоретикам, чтобы у них на салфетках все было красиво. Тут-то и стали они придумывать, как бы подогнать все так, чтобы — при всей прекрасной симметрии — откуда-то получились эти массы. А тут работа такая: в одном месте добавишь, в другом получается неровненько. Сделаешь все ровненько — оказывается непохоже на реальный мир и результаты экспериментов. Хлопотно это, адская работа.

Но вот наконец общая теория электрослабого взаимодействия была готова, и в ней был заложен механизм, по которому у этих бозонов (и у всего, с чем они взаимодействуют) могла бы появиться масса. Все получилось ровненько, симметрично и похоже на то, что мы видим в мире вокруг себя. Для этого нужно было вообразить некое поле — поле Хиггса, — которое и брало на себя весь фокус: из одинаковых частиц-переносчиков делало разные.

И все бы хорошо, в свой срок Нобелевки получили и Фейнман (1965), и авторы теории электрослабого объединения (1979). Оставалась проблема: поля Хиггса не видел никто никогда, оно так и осталась на салфетках теоретиков. А у него должна быть своя частица. А ее что-то не видно.

И вот ее-то как раз и открыли в 2012 году на коллайдере.

Теперь я попрошу вас зажмуриться и вообразить всю эту историю еще раз. На входе у нас электромагнитное поле (то есть свет, электричество и смешные школьные фокусы с магнитами), а также странное явление бета-радиоактивности, ради объяснения которого придумали специальное «слабое» взаимодействие, его и почувствовать-то никак нельзя. Ну и было еще много всяких разных частиц в пузырьковых* камерах, классифицируй их как хочешь.

Дальше — много десятилетий возни с ресторанными салфетками, исчерканными карандашом, причем почти все они заканчивали свой путь в мусорных корзинах и пепельницах. Потом на этих салфетках вроде все складывается. Еще полвека об этом знают во всем мире человек пятьсот. Эти пятьсот убеждают остальных вбухать миллиарды в кольцевой тоннель под землей, охлаждаемый жидким гелием.

И наконец катарсис: из данных детекторов вырисовывается штука, задним числом придающая смысл всей этой катавасии. Штука, подтверждающая, что идея «сделать все ровненько» на ресторанной салфетке на самом деле не праздная игра ума. Что не одни мы (люди) обеспокоены тем, чтобы в мире было все ровненько да складно, что сам мир (ну или Бог, хоть его и не бывает) тоже с этим запарился.

Обратите внимание, кстати, на формулировку Нобелевского комитета: премия присуждается за «теоретическое открытие механизма, который вносит вклад в наше понимание происхождения масс субатомных частиц...». Не «механизма, который делает массы» — массы и так уже есть, зачем их делать. А механизма, который помогает пониманию. Который укладывает многообразную сложность природы в красивую и симметричную схему, умещающуюся на ресторанной салфетке. Ну хорошо, на дюжине салфеток. Чтобы мир не казался нам бессмысленным хаосом. Добрый, заботливый механизм Хиггса, настоящий дар небес.

В этом смысле бозон Хиггса, конечно, частица Бога. Равно как и нейтрон, позитрон и нейтрино — их тоже сперва придумали для красоты. Вот только для бозона Хиггса путь от салфетки до реальности оказался, пожалуй, самым длинным — и по времени, и по числу логических ступенек и поворотов.

Пока за это Нобелевская. Хотя проблемы-то не решены: если верить салфеткам теоретиков, включая механизм Хиггса, у нейтрино не должно быть массы, а она есть. Ну и темной материи быть не должно, как справедливо подмечено в нобелевском обзоре. Так что сколько там еще этих ступенек да поворотов, только Богу ведомо, которого, кстати, нет (что, на наш вкус, придает всей истории особую пикантность).

Глава вторая: частица порядка и разума

Теперь у нас речь пойдет о физиологии, а это наука о том, как устроена и как работает живая материя. А работает она так сложно и прихотливо, что прямо-таки навевает мысли о Творце. Вот даже и Павел Лобков во время нобелевской трансляции на «Дожде», когда разобрался в том, за что дали физиологическую премию, вдруг как закричит: «Да как же такое чудо могло возникнуть само собой, без разумного замысла!» Приглашенные гости (и я в их числе) зыркнули злобно: у нас-то было что ему ответить на это мракобесие, но слова нам не дали.

В общем, Лобкова можно понять. Вся та биология, которую учат в школе, в лучшем случае может объяснить этакий бесформенный мешок протоплазмы («Все химия», как заявлял некий спятивший священнослужитель из рассказа Леонида Андреева). В мешке идут какие-то химические реакции — обмен веществ, — и все это управляется законами химической кинетики. Концентрации реагентов, катализаторы и т. п. Будь это так, оставаться бы нам мешками с протоплазмой, какие уж тут Нобелевские премии.

На самом деле ученые уже довольно давно поняли, что нас кое-что отличает от мешков. Это кое-что называется «компартментализация»: разные химические реакции проходят в клетке в разных местах, и чтобы приложить законы химии, надо разобраться в том, как эти места соединяются друг с другом.

За этот прикол уже давали премии: сперва в 1974 году французам, показавшим, как белки синтезируются на рибосомах, висящих на эндоплазматической сети (ЭПС), а потом направляются в аппарат Гольджи, который назван так в честь итальянца Гольджи, тоже лауреата Нобеля (1906). Потом, в 1999-м, премию получил Гюнтер Блобель — он открыл специальные кусочки белков, «сигнальные пептиды», в которых, собственно, написано, куда отправлять тот или иной белок.

Но вся картина оставалась запутанной. Есть некая труба или система труб (ЭПС и аппарат Гольджи). С одного конца в нее вливаются вперемешку разные белки, пусть даже с надписанными адресами. По идее, с другого конца должна выливаться ровно такая же каша: ну и где здесь порядок? Это не порядок, а какая-то «Почта России» — если что и попадет к адресату, то разве что чудом.

Но ученые жутко настырны, они стали разбираться. Сперва Рэнди Шекман вздумал отбирать мутанты дрожжей. Не всякие мутанты, а такие, в которых транспорт веществ внутри клетки блокирован на разных стадиях (обычно под микроскопом такие уроды выглядели именно как мешки, беспорядочно набитые пузырьками* с белком).

Нашел 23 штуки — значит, 23 разных гена участвуют в этой истории. И каждому гену соответствовало какое-то событие, происходящее с белком на пути от фабрики (рибосомы) к точке назначения.

Связь между «генами» и «событиями» прояснил Джеймс Ротман. Он очистил белки, закодированные в этих генах. Тут не место описывать изящную экспериментальную систему, использованную Ротманом — поверьте на слово, она потрясающе проста, утонченна и потребовала от автора проявить недюжинную эрудицию в смежных областях науки. Сперва он поймал белок NSF, потом «растворимый NSF-связывающий фактор», а потом — уже перейдя от дрожжей к ткани мозга — «растворимый NSF-связывающий белковый рецептор», или SNARE — главное действующее лицо Нобелевской премии этого года.

Что делает этот белок? Очень простую штуку: он сливает мембраны. Подплывает пузырек*, набитый белком и заключенный в мембрану, к другой мембране. И вот белок SNARE заставляет эти мембраны схлопнуться — раз! — и содержимое пузырька оказывается по ту сторону мембраны. То есть снаружи от нее, ну, или внутри, в зависимости от того, откуда появился пузырек*.

А что там, кстати, в пузырьках*? Да все что угодно... но чтобы вы не скучали, пусть там будут, например, нейротрансмиттеры. Те самые, на которые действуют наркотики. Пусть это происходит в окончании (аксоне) нейрона. Пусть нейрон — нормальный, а не обдолбанный — решает, в какой момент ему выбросить в синапс тот самый нейротрансмиттер, благодаря которому, например, вам станет хорошо без кокаина. Так интереснее?

Остается понять, как нейрон принимает это судьбоносное решение. Это-то и выяснил третий лауреат, Томас Зюдхоф. Он показал, что сигнал пузырькам* «сливаться с мембраной» передается волной концентрации ионов кальция, причем там участвуют еще два сложных белка — комплексин и синаптотагмин.

Если кому-то еще интересно, больше деталей можно подсмотреть здесь. А если уже нет, значит, пора подытоживать.

На протяжении десятка коротких абзацев мы прошли (вместе с природой!) путь от мешков с протоплазмой, через дрожжи, до самых умных нервных клеток нейронов. В общем, прошли тот путь от хаоса и мешанины к порядку и разуму, который и считается основным содержанием эволюции жизни на Земле. Заметьте: за весь путь и сотню лет познания — всего четыре Нобелевки, считая Камилло Гольджи. Очень экономный он, я считаю, этот Нобелевский комитет. Не разбазаривает попусту наследство изобретателя динамита. 

(Продолжение следует)

*Примечание. Нам хотелось, чтобы в заголовке упоминался Бог. Но на самом деле можно было подогнать все так, чтобы главным объединяющим мотивом стали именно пузырьки. Они действительно упоминаются во введении и во всех четырех главах нашей истории; для удобства вдумчивого читателя отмечены звездочками.

Комментировать Всего 7 комментариев

Ох уж, я 4 года жизни положил на работу с этими пузырьками Гольджи.  Достиг невиданных экспериментальных высот  и воспроизводимостей... 

Но в большом знании больше и печали.

 Лучше бы право ел-пил-гулял  и ни о чем бы не заботился....  Все  эти заботы оказались напраслиной.

Так до сих пор и неизвестен  точный механизм транспорта белков  через Гольджи-аппарат...  Цистерны там созревают или же пузырьки шуруют...

Эту реплику поддерживают: Сергей Любимов, Алексей Алексенко

Ну если сам Ротман в какой-то момент с дрожжей перешел на мозги, значит, были тому резоны. 

Я, на самом деле, могу понять изумление всеми этими чудесами, и вопли - "это не могло возникнуть из Хаоса, это работа Демиургов!" - потому что всё это, действительно, весьма и весьма очаровательно. Я про биологию, если что.

Так вот, я, конечно, напомню этим креацинанистам, что миллиард лет - это очень много, это тыща миллионов или миллион тыщ - но есть во всём этом некий момент, который меня, честно говоря, тоже смущает.

Я не биохимик и не могу оценить вероятности самопроивзольного возникновения тех или иных структур - от первых репликаторов до клеток до позвоночных. Насколько я знаю, биохимики это тоже не могут оценить.

Но есть у меня убеждение (никакими реальными расчётами и доказательствами, впрочем, не подкреплённое), что чем сложнее система - тем быстрее она может развиваться.

И если с этим моим убеждением хотя бы на минуточку согласиться, то мы получим довольно странную вещь. Эволюции понадобилось 500млн лет (длительность фанерозоя), чтобы от триллобитов и головоногих - доэволюционировать до современного живого мира. При том, что триллобиты те - было очень и очень сложными уже животными - у них была как минимум треть внутренних систем современных животных. То есть, если сравнить, скажем, "дистанцию" от примитивной многоклеточной фигни типа губки до триллобита - то она много больше, чем дистанция от триллобита до нас.

При этом, как нам сообщают очередные британские учёные, первые многоклеточные возникли 1000 млн лет назад - то есть этот "более длинный путь" занял те же 500 млн лет.

Но основная проблема (для моего восприятия) не в этом. А в том, что по уверениям тех же учёных, первая  жизнь - прокариоты - возникла 4млрд лет назад. То, что путь от прокариот до губки занял 3000 млн лет - оно как бы нормально, и как раз меня успокаивает после волнующего "несоответствия скоростей", приведённого выше (от губки до триллобита и от триллобита до нас).

Смущает (уже по настоящему) другое - то, что если Земле всего 4.5млрд лет, то было всего 500млн лет на возникновение жизни (прокариот).

То есть, суммируя - по моему "интуитивному ощущению" создание прокариот из, фактичечески, неорганического супа - намного менее вероятное событие, чем эволюция губки в триллобита и тем более - триллобита в слона. "Намного" - то есть на порядки величин. Однако же этот процесс занял всё те же 500млн лет, что для меня, мягко говоря, удивительно.

Да, я наслышан про опыты с "минимальным геномом" - но они не дают оценки вероятности самопроизвольного возникновения "первой жизни". Поэтому и опираюсь на "сравнительные вероятности" - и прихожу в недоумение.

Эту реплику поддерживают: Сергей Любимов

А то, что Земля существует всего треть (а жизнь на ней - четверть) времени существования Вселенной - это вас не смущает? Меня вот вообще все смущает, а то чего бы я такой смущенный ходил.

Эту реплику поддерживают: Владимир Генин, Сергей Любимов

Не, меня не смущает, что мы с Вами состоим из ошмётков какой-то сверхновой (кстати, одной и той же, как Вы думаете?).

Не смущает потому, что не вижу (может, в силу незнания) "несоответствия масштабов".

А вот панспермия - да, максимум "подправит" время, отведённое на зарождение жизни - в 2-3 раза. Потому что пока ошмётки органики летят в космосе - вроде как вряд ли будут самоорганизовываться. Но пусть будут - и время на начальную у нас раздвинется с 0.5млрд до 5млрд лет. Всё равно как-то маловато. "Маловато будет!" - учитывая "вероятностное расстояние" от первой клетки до триллобита.

А меня вот процесс появления кристаллов из раствора  смущает.   Екстрагирую обычным бензином  какую-то бурую  растительную чачу , подогреваю, фильтрую  и в  холодильник....

Прозрачный как слеза комсомолки  раствор.... Он там стоит, стоит, стоит....день стоит, два стоит....  и вдруг бац... открываю  утром холодильник, а там огромные красивейшие кристаллы  появились... из ниоткуда. 

И еще какие-то оранжевые пятна воскообразной консистенции,  причем тоже не по всей поверности  а именно что в  нескольких точках. Вот ведь где чудо....  Что там эта живая клетка.

По-мне так  там в ней вообще порядку нет и не было никогда....  один хаос...  который как-то умудряется себя воспроизводить,  так что нам снаружи кажется  что там должен быть порядок.

Кристаллизация - это конечно чудо, пусть и предельно понятное. Один из простейших примеров самоорганизации, регулируемой немногими законами.