По заслугам

• Тигран Оганесян
• Галина Костина

Даже записные критики нобелевских наград не спорят: в этом году недостойных награжденных нет. Премию по физиологии и медицине разделили немец Харальд цур Хаузен и французы Люк Монтанье и Франсуаза Барре-Синусси. Премию по физике получили трое японцев — Йоитиро Намбу, Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава. В области химии были награждены японец Осаму Шимомура, а также американцы Мартин Чалфи и Роджер Тсьен.

Вирусы поздравили с 25-летием

Харальда цур Хаузена телевизионщики, видимо, застали врасплох. «Я никогда не видел его без галстука, — воскликнул профессор, членкор РАМН Федор Киселев из НИИ канцерогенеза ГУ РОНЦ им. Н. Н. Блохина, который многие годы поддерживает научные и дружеские отношения с цур Хаузеном, и продолжил: — Он всегда очень элегантен и стилен. Но при этакой внешней застегнутости это очень открытый и доброжелательный человек». Киселев пытался дозвониться до свежего нобелевца, но телефон был недоступен, пришлось ограничиться поздравительным имейлом.

Сейчас Харальд цур Хаузен на пенсии, но остается почетным профессором Немецкого онкологического центра в Гейдельберге, который много лет возглавлял, и продолжает заниматься любимым делом — изучением взаимосвязей вирусов и онкологических заболеваний. Именно он первым предположил, что рак шейки матки может быть связан с вирусом папилломы человека, за что и удостоился в этом году Нобелевской премии.

В те времена, когда цур Хаузен сделал свое открытие, господствовала другая точка зрения: эта форма рака связана с вирусом герпеса. «Было ясно, что рак шейки матки, скорее всего, вызывает некий инфекционный агент, поскольку поражения при этом заболевании походили на те, что вызывает вирусная инфекция, — рассказывает Федор Киселев. — Но цур Хаузена не устраивала версия причастности герпеса, потому что данные эпидемиологии — сравнения носительства герпеса и рака — не свидетельствовали в ее пользу. Он прицельно искал вирус папилломы и нашел, причем не сам вирус, а его ДНК в опухолевых клетках». Это случилось в 1983 году. Позже, после обследования многих женщин, больных раком шейки матки, выявилась почти стопроцентная корреляция между зараженностью вирусом папилломы и данным видом рака.

По словам Киселева, вирус было трудно обнаружить потому, что продукты этого вируса наблюдаются на самых ранних этапах, а потом быстро исчезают. Когда вирус проникает в клетку, некоторые гены из его ДНК интегрируются в клеточный геном, после чего размножается не сам вирус, а начинают стремительно делиться клетки, в которых он засел.

После того как Харальд цур Хаузен выделил вирус папилломы у больных раком шейки матки, он занялся исследованием и описанием механизма. Ученый показал, что именно два гена вируса, Е6 и Е7, которые встраиваются в ДНК клетки, ломают ее собственную генетическую программу и стимулируют к постоянному делению. Описав механизм, цур Хаузен создал основу для создания вакцины против вируса папилломы. Ее начали разрабатывать уже в начале 90-х в компании Merck Sharp & Dohme, зарегистрирована же FDA (Food & Drug Administration — Управление по надзору за пищевыми продуктами и лекарственными препаратами, США) она была лишь в 2006 году (в России — в этом году). В Штатах была выработана государственная программа вакцинации девочек, не вступавших в половые связи. Исследования показывают, что с началом половой жизни более 30% женщин оказываются зараженными вирусом папилломы человека, а именно двумя его разновидностями — ВПЧ-16 и ВПЧ-18 (всего видов около ста). Известно также, что вирус папилломы может быть сопряжен с рядом неприятных эффектов, в том числе сказаться на рождении умственно неполноценных детей. «Понятно, что при такой распространенности этой инфекции болезнь лучше предупредить, — говорит Федор Киселев. — К тому же лечить ее пока не научились: как выдернуть вирусные гены из генома клетки? Сейчас, правда, такие разработки ведутся, чтобы можно было метить и потом удалять пораженные клетки. Мы в своем институте тоже работаем над выявлением ранних маркеров этого заболевания, которые позволят прогнозировать его течение. Ведь не все зараженные папилломой заболеют раком шейки матки». Однако рак шейки матки остается пока довольно распространенной формой: он занимает второе место в онкологических заболеваниях женщин.

В том же 1983 году, когда цур Хаузен связал вирус папилломы с онкологией, французские ученые из Института Пастера Люк Монтанье и Франсуаза Барре-Синусси наблюдали за одним тяжело больным гомосексуалистом. «Культивируя его лимфоциты, они обнаружили в них новый ретровирус, — рассказывает профессор, главный научный сотрудник Института биологии гена РАН Анатолий Альтштейн. — Ученые назвали его LAV — вирус, ассоциированный с лимфоаденопатией. Чуть позже похожий вирус выделил уже от больного СПИДом американец Роберт Галло из Национального института рака и назвал его HTLV-3. Лаборатории сотрудничали и передавали материалы друг другу, но вдруг разгорелась череда скандалов насчет того, кто был первым, к тому же Галло пришлось отбиваться от обвинений в плагиате. В большой статье Chicago Tribune детально разбиралась ситуация». В 1981 году Галло открыл два ретровируса, HTLV-1 и HTLV-2, которые были связаны со злокачественными перерождениями лейкоцитов. Открыв третий, ученый увидел, что он не очень-то похож на первые два, но все же назвал его HTLV-3 и, по слухам, сначала просто побоялся объявить, что этот вирус вызывает ВИЧ-инфекцию, но в дальнейшем утверждал, что был первооткрывателем знаменитого вируса. Хотя, говорит Альтштейн, первые два ретровируса вообще относятся к другому роду, а ВИЧ (так его переименовали, чтобы прекратить споры вокруг двух названий — HTLV-3 и LAV) был первым из рода лентивирусов, которые раньше выделяли только у животных.

Роберту Галло было трудно бороться за роль первооткрывателя, поскольку французы опубликовали статью сразу после сделанного открытия. Однако нужно отдать должное Галло, который и до этого много занимался ретровирусами, и после широко развернул исследования. «Открытый им интерлейкин-2 позволил культивировать лимфоциты, на которые нападает ВИЧ, — рассказывает Альтштейн. — И эти исследования способствовали созданию тестов диагностики ВИЧ-инфекции».

Кстати, из-за тестов тоже развернулась борьба, поскольку Галло и Монтанье подали заявку на патент почти одновременно, в 1985 году. В конце концов международная свара закончилась тем, что патент выдали обоим. А в 1986 году Монтанье и Галло, а также еще один исследователь в области ВИЧ, Майрон Эссекс, получили Ласкеровскую премию. Поэтому многие были удивлены, узнав, что Роберта Галло, который и сегодня работает над созданием вакцины против ВИЧ, не оказалось в списке лауреатов.

Японская физика

Нобелевские премии по физике 2008 года в очередной раз достались представителям фундаментальной науки — физики частиц. В советские времена ее называли физикой элементарных частиц, однако сегодня общепринятым считается «усеченный» вариант. Во-первых, потому, что именно так корректно переводится английский эквивалент (particle physics), а во-вторых, потому, что из сотен, если не из тысяч открытых физиками во второй половине ХХ века частиц (с учетом их так называемых виртуальных аналогов) лишь кварки и лептоны признаются по-настоящему элементарными, то есть не распадающимися на более простые составляющие.

В последние три десятилетия представители этого ключевого направления современной физики получали Нобелевки с завидной периодичностью — примерно раз в три года, и, по всей видимости, этот премиальный тренд сохранится в обозримом будущем: уже на подходе эксперименты на новом крупнейшем ускорителе LHC (Большом адронном коллайдере).

И даже если оставить за скобками долгожданный приток новой информации к размышлению от экспериментов LHC, число маститых физиков, выстроившихся в длинную очередь за заслуженной научной наградой, все равно значительно превышает лимит премий, ежегодно выдаваемых в Стокгольме. И Нобелевки 2008 года — весьма убедительное тому свидетельство.

По выбору шведских академиков лауреатами-физиками стали три японца, два из которых, почетный профессор Исследовательского центра ускорителя высоких энергий в Цукубе Макото Кобаяси и профессор Киотского промышленного университета Тосихидэ Маскава, постоянно проживают на родине, а один, Йоитиро Намбу, давно переехал в Соединенные Штаты и, являясь почетным профессором Чикагского университета, работает в легендарном Институте им. Энрико Ферми.

Как иронично отметил в беседе с корреспондентом «Эксперта» членкор РАН, заведующий лабораторией Института теоретической и экспериментальной физики имени Алиханова Михаил Высоцкий, «с научной точки зрения общего у новых лауреатов маловато и, по большому счету, их объединяет только то, что все они — японцы». Иными словами, уже в который раз в своем выборе Нобелевский комитет руководствовался не столько соображениями научной логики, сколько геополитическими мотивами: сработала некая закулисная установка «нужно наградить японских физиков» — шведские академики выбрали трех самых ярких уроженцев Страны восходящего солнца.

Для того же, чтобы придать более или менее внятное научное обоснование политкорректному решению объединить трех японцев-теоретиков в одном нобелевском флаконе, академики искусственно подогнали друг под друга две официальные формулировки, использовав в обеих красивое слово «симметрия». Патриарх современной теоретической физики 87-летний Йоитиро Намбу был удостоен половины премии за «открытие механизма спонтанно нарушенной симметрии в субатомной физике», а Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава получили вторую половину за «открытие первопричин возникновения нарушенной симметрии, благодаря которому удалось предсказать существование по крайней мере трех (новых. — “Эксперт”) семейств кварков в природе».

Несмотря на это неловкое жонглирование «нарушенной симметрией» в обеих формулировках, речь на самом деле идет о решении двух принципиально разных физических проблем. Так называемое спонтанное (самопроизвольное) нарушение симметрии — очень распространенное в природе явление, наблюдаемое не только в физических процессах. И самый яркий пример — из сферы биологии: как известно, в природе существуют «левые» и «правые» (то есть закрученные в ту или другую сторону) однотипные молекулы, и такое нарушение симметрии случайным (самопроизвольным) образом, формирование определенного порядка из равноправных, равновероятных структур возникло еще на ранних стадиях эволюции биологической жизни на Земле.

Но именно в современной физике количество выявленных разновидностей спонтанно нарушенных симметрий особенно велико. В частности, к ним относится рождение так называемых калибровочных бозонов, частиц Хиггса, монополей т`Хоофта, инстантонов и солитонов в физике высоких энергий, а также более известные широкой публике феномены сверхпроводимости, сверхтекучести и суперлюминесценции, фазовые переходы.

Наконец, классический пример — процесс возникновения Вселенной в космологии: в первые мгновения после Большого взрыва произошло «спонтанное» нарушение пространственно-временной инвариантности, в результате чего образовался небольшой избыток вещества над антивеществом (протонов над антипротонами), и именно благодаря этому «микроизбытку» и образовалась наша Вселенная (в случае же сохранения симметрии вещества и антивещества произошла бы их взаимная аннигиляция).

Важнейшей заслугой Йоитиро Намбу стало успешное инкорпорирование общефизической концепции спонтанно нарушенной симметрии в тело современной физики частиц. Как отметил Михаил Высоцкий, «Намбу первым среди всех ученых понял и четко сформулировал еще в 1958 году базовый механизм специфической реализации симметрии на безмассовых, псевдоскалярных частицах». Японский ученый совместно с американцем Джеффри Голдстоуном создал новую модель, согласно которой базовые принципы концепции спонтанно нарушенной симметрии (к слову, по аналогии с процессами, наблюдаемыми в сверхпроводящих материалах) были применены к взаимодействиям между протонами и нейтронами атомного ядра (нуклонами) и специфическими частицами пи-мезонами (пионами). Намбу показал, что физическая природа и даже само существование пионов, которые первоначально рассматривались в качестве частиц-переносчиков так называемого сильного (ядерного) взаимодействия, могут быть объяснены как прямое следствие спонтанного нарушения симметрии, благодаря которому эти частицы и получили массу, спин и прочие физические характеристики.

Именно эта модель Намбу (или, корректнее говоря, модель Намбу-Голдстоуна) сегодня лежит в основе физики слабых взаимодействий и, шире, является одним из важнейших кирпичиков стандартной модели физики частиц.

Многие комментаторы сегодня сходятся во мнении, что Йоитиро Намбу заслуживал Нобелевки уже лет двадцать назад. Причем эту премию японско-американский физик мог получить еще как минимум за две-три другие теоретические работы (в частности, за создание в 1965 году совместно с Моо-Юнг Ханом и параллельно с рядом других физиков концепции дополнительных степеней свободы кварков, позднее названных «цветовыми зарядами»).

Та же «явная задержка с премией» отмечается экспертами и в отношении двух других нобелевских лауреатов 2008 года, Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскавы. Совместная работа этих ученых, ставшая поводом для Нобелевки-2008, была опубликована еще в 1972 году, а окончательная экспериментальная верификация их предположений — в 2001-м.

Другое дело, что их «нарушенная симметрия» — это нарушение физических законов симметрии в чистом виде, тогда как в строгом смысле так называемое «спонтанное нарушение симметрии» (по Намбу и Ко) на самом деле отнюдь не является нарушением теоретических основ нашего симметричного мира, поскольку все базовые принципы симметричности при этом остаются в силе.

Кобаяси и Маскаве удалось найти решение куда более загадочной проблемы физики частиц — проблемы нарушения зарядово-пространственной симметрии (или инвариантности, сокращенно — CP-инвариантности). C-инвариантность (зарядовая инвариантность) означает симметрию мира по отношению к замене частиц античастицами и наоборот. P-инвариантность — симметрия пространства относительно изменения знака всех координат (или зеркального отражения). Наконец, CP-инвариантность — это произведение C- и P-инвариантности.

Впервые удивительный эффект нарушения CP-инвариантности был обнаружен в 1964 году при радиоактивном распаде редких частиц К-мезонов и их «антиподов» — анти-К-мезонов. На тот момент физикам было известно только о существовании трех «подлинно элементарных» частиц-кварков (верхнего, нижнего и странного), и К-мезоны состояли из комбинации странного кварка с антиверхним или антинижним антикварками.

Используя теоретический аппарат квантовой механики, японские исследователи на базе более ранних работ итальянца Николо Кабиббо создали новую модель, получившую затем название CKM-матрицы (аббревиатура CKM — от первых букв написанных по-английски фамилий трех ученых), которая позволила снять возникшие было в теории физики частиц проблемы с объяснением нового феномена. По словам Михаила Высоцкого, «гениальность теории Кобаяси и Маскавы заключалась в том, что на момент опубликования их работы в начале 70-х физиками-эксперименаторами еще не был обнаружен даже полный состав первого поколения кварков, а японцы смогли выдать полностью подтвердившийся прогноз на двадцать с лишним лет».

И здесь самое время наконец вернуться к «проблеме нехватки нобелевских премий для всех достойных кандидатов». На ведущих научных интернет-сайтах идет весьма оживленная дискуссия об обойденном вниманием шведских академиков Николо Кабиббо. Мнения экспертов разделились: одни полагают, что отсутствие Кабиббо (равно как и упоминавшегося выше соратника Намбу Джеффри Голдстоуна) в списке нобелевских лауреатов по физике 2008 года — это очередная гримаса шведских академиков, другие возражают, что итальянец и американец все-таки выдали на-гора «недоработанный сырец», а настоящим прорывом стали работы японских теоретиков. Нам же остается лишь напомнить, что, несмотря на очевидное наличие в решениях Нобелевского комитета геополитической подоплеки, пространство для маневра Шведской королевской академии изначально достаточно жестко ограничено условиями завещания Альфреда Нобеля: промышленник-меценат распорядился по каждой научной номинации ежегодно присуждать премии не более чем трем ученым и не более чем по двум разным работам. Четко следующий этому правилу, Нобелевский комитет постоянно критикуют заступники обиженных ученых, но все остается по-прежнему: кто-то всегда чуть-чуть не дотягивает до призовой тройки.

Возбудилась и позеленела

Осаму Шимомуру, ныне работающего в Бостонском университете, светящиеся организмы завораживали со студенческих лет. Получив первое признание в Японии за работу со светящимся моллюском, он отправился в США: его пригласил Принстонский университет. И там Шимомуру поглотила страсть к светящимся медузам. Рассказывают, что он собирал их у берегов Северной Америки тоннами. Ученому не давал покоя вопрос: зачем они светятся? По иронии судьбы, вопрос так пока и остался без точного ответа, хотя гипотез немало. А получил Шимомура со товарищи — Мартином Чалфи и Роджером Тсьеном Нобелевскую премию за зеленый флуоресцентный белок (Green fluorescent protein, GFP), который участвует в свечении медузы.

Впрочем, сначала был открыт другой белок, который тоже отвечает за свечение у медузы эквореи — экворин. Но экворин вызывал синее свечение. Почему же медуза в возбужденном состоянии зеленела? Оказывается, исследователи поначалу просто не заметили другого белка — GFP. Открытие было сделано в 1962 году. Шимомура с коллегами из Принстона выяснил, что выделенный из медузы экворин при добавлении ионов кальция вызывает синее свечение, медуза же зеленела от того, что белок GFP трансформировал синий цвет, испускаемый экворином, в зеленый. Когда на медузу попадал синий или ультрафиолетовый свет, белок начинал испускать зеленый.

Почему к зеленому белку активный интерес проявился чуть ли не тридцатью годами позже? Дело в том, что Шимомура даже не подозревал о его уникальных свойствах. Ученый думал, что GFP — что-то вроде экворина и других подобных белков.

Лишь в конце восьмидесятых группа ученых выделила ген зеленого белка, клонировала, и с ним стало можно проводить исследования. Тогда и стало понятно: зеленый белок уникален. Ученые выяснили, что этот белок, в отличие от других светящихся белков, не должен был связываться с низкомолекулярными веществами, чтобы светиться. У зеленого белка уникальную хромофорную (способную принимать и излучать свет) группу составляли три аминокислотных остатка самого белка, образующих кольцо. Это кольцо оказалось «упаковано» в невиданную ранее сложную структуру — белок похож на бочку с дном и крышкой. Хромофорная группа в ответ на синий или ультрафиолетовый свет переходила в возбужденное состояние, а потом, избавляясь от полученной энергии, испускала свет в зеленом диапазоне. Стало понятно, что такой белок гораздо легче трансформировать в клетку, чем другие белки, которые светились в результате сложных химических реакций.

В 1988 году на одной из конференций зеленым белком заинтересовался Мартин Чалфи из Колумбийского университета. Занимавшийся изучением любимого всеми биологами червя Caenorhabditis elegans, Чалфи сразу понял: этот «светлячок», который сравнительно легко вставить в клетку, даст ему возможность наблюдать за активностью генов прозрачного червя в реальном времени. Он использовал зеленый белок в своих опытах — внедрил его в половые железы Caenorhabditis elegans. Поскольку червь самооплодотворяется, то в детках были обнаружены светящиеся части, видимые под ультрафиолетовыми лучами. Результаты своей работы Мартин Чалфи опубликовал в 1994 году.

Ученые понимали: один зеленый маркер — хорошо, но для наблюдения за различными процессами, происходящими в живых клетках одновременно, необходимо иметь много разноцветных маркеров. За решение этой задачи взялся Роджер Тсьен из Калифорнийского университета. Экспериментируя с заменой аминокислотных остатков, он получил белки, которые излучали кроме зеленого голубой, синий и желтый свет. Но получить другие цвета, к примеру из красной гаммы, ему не удавалось. И тут в работу включились российские ученые — лаборатория Института биоорганической химии РАН под руководством Сергея Лукьянова, ныне члена-корреспондента РАН. «Мы решили попытать счастья и стали искать похожие белки не на том поле, на котором работало большинство ученых, — рассказывает Лукьянов. — Нам очень помог замечательный ученый Юлий Лабас, который подсказал нам путь — поискать белки в кораллах. Обладая прекрасными генетическими технологиями, мы открыли большую группу разноцветных белков из актиний и коралловых полипов, в том числе и красный». Российские ученые опубликовали статью в Nature Biotechnology в 1999 году. Сейчас лаборатория Лукьянова в сотрудничестве с российской инновационной компанией «Евроген» продолжает разработку новых технологий анализа живых клеток и целых организмов с помощью флуоресцентных белков. Благодаря их деятельности новые белки-маркеры становятся доступны исследователям во всем мире. Так, Роджер Тсьен, использовав разработки российских ученых, смог получить белки сливового, вишневого, клубничного, апельсинового и лимонного оттенков.

«Само открытие зеленого белка и использование его и подобных цветных белков позволили широко внедрить их в исследовательскую практику, — говорит Сергей Лукьянов. — С их помощью можно наблюдать включение и выключение генов, функции различных белков в клетках, можно отслеживать образование опухолей, размножение в клетках вирусов, в том числе ВИЧ».

• Томские ученые не только сумели разработать уникальное химическое вещество, но и довели свое ноу-хау до стадии промышленного производства
• Член Римского клуба и автор книги «Фактор 5» Эрнст фон Вайцзеккер уверен, что новые технологии помогут отдалить дефицит ресурсов и экологические катастрофы. Чтобы стимулировать применение этих технологий, он предлагает повышать цены на ресурсы и вводить эконалоги
• Экоробот спасет океаны