Первое, что бросается в глаза при знакомстве со списком победителей этого года, — все они американцы. В последний раз такая же картина наблюдалась в 1983 году. Наверное, можно посетовать на некоторую неполиткорректность шведских академиков, не пожелавших разбавить новую научную суперэлиту представителями Европы или, скажем, Японии. Однако, как бы ни относились к такому выбору, нельзя не признать хорошо известный всем неангажированным ученым факт: большая наука давно и прочно обосновалась по ту сторону Атлантического океана.
Да, американцам катастрофически не хватает собственных квалифицированных кадров, и они вынуждены идти на все большую либерализацию иммиграционного законодательства для приманивания «хороших мозгов» (а что прикажете делать с коренным населением, половина которого, согласно исследованию, проведенному в 2002 году Национальным научным фондом США, не знает, что электроны меньше атомов, а динозавры и люди никогда не жили по соседству друг с другом на нашей планете?). Но ведь нет отбоя от иноплеменных хороших ученых, желающих стать стопроцентными американцами в первом поколении.
Обращает на себя внимание и большая любовь Нобелевского комитета к достижениям в области биотеха и быстро почкующихся от него новомодных научных дисциплин. То, что премии в области физиологии и медицины на протяжении многих лет регулярно присуждаются по большей части генетикам, — тенденция вполне закономерная, однако куда интереснее другое: уже в который раз предметом повышенного внимания академического ареопага, выбирающего лучших химиков, становятся ученые, подвизающиеся на междисциплинарной биохимической ниве.
Ускоренное стирание четких граней между классической триадой, физикой, биологией и химией, — еще одна заметная примета нового научного времени. Примета, которая служит очевидным свидетельством того, что будущее человеческой науки — в объединении усилий ученых различных специальностей для решения наиболее сложных проблем. Правда, будут ли они решаться только на территории США — вопрос открытый.
Температурная зыбь бытия
Нобелевскую премию по физике 2006 года получили американские астрофизики, внесшие наиболее значительный вклад в осуществление одного из ключевых экспериментов космологии ХХ века — запуска в 1989 году космического аппарата COBE (Cosmic Background Explorer, исследователь космического фона), исследовавшего спектр реликтового излучения и флуктуации его фона.
По сути, именно благодаря COBE современная космология наконец смогла вздохнуть свободно, навсегда избавившись от обидного эпитета кабинетной науки. Комментируя присуждение физической Нобелевки этого года, американский космолог Макс Тегмарк позволил себе следующее сравнение: «Открытие космических микроволновых флуктуаций было столь же революционным для физики, как открытие ДНК для биологии. Эти флуктуации — наша космическая ДНК, кодирующая ранние этапы развития Вселенной».
С энтузиазмом воспринял решение Нобелевского комитета и главный научный сотрудник Государственного астрономического института имени Штернберга МГУ (ГАИШ) доктор физико-математических наук Артур Чернин, в интервью «Эксперту» отметивший, что «выбор шведской Королевской академии — замечательное событие в истории астрономии, космологии и физики в целом, свидетельствующее о той огромной роли, которую скоро будут играть конкретные исследования, стоящие на стыке различных научных дисциплин и объединяющие науки о бесконечно большом и бесконечно малом».
В проекте COBE участвовало около тысячи ученых и инженеров, но нобелевские лавры достались лишь двум: Джорджу Смуту, профессору Калифорнийского университета Беркли, и Джону Матеру, ведущему сотруднику лаборатории наблюдательной космологии Центра космических полетов NASA имени Годдарда.
В чем же заключается первостепенная научная значимость работы двух новоиспеченных лауреатов? Согласно официальной формулировке Нобелевского комитета, Смут и Матер экспериментально обнаружили «соответствие спектра космического микроволнового фонового излучения спектру абсолютно черного тела и анизотропию этого фонового излучения».
Говоря более понятными словами, руководителям двух важнейших экспериментов проекта COBE удалось экспериментально подтвердить постулаты модели Большого взрыва. В соответствии с этой моделью реликтовое излучение — это электромагнитное излучение ранней Вселенной, равномерно распространяющееся по всему космосу начиная с так называемой эпохи последнего рассеяния (примерно 300–400 тыс. лет после Большого взрыва). Теоретический каркас модели Большого взрыва был создан в 40–50-х годах ХХ века эмигрировавшим в 1934 году из СССР в США Георгием Гамовым и его молодыми сотрудниками-аспирантами Ральфом Альфером и Робертом Херманом. По Гамову, микроволновое фоновое излучение возникло на раннем этапе расширения Вселенной, когда вещество ее было практически однородным и очень горячим. Гамов, Альфер и Херман предположили, что если теория ранней горячей Вселенной верна, то нынешняя Вселенная неизбежно должна быть заполнена остатками (реликтами) первобытного горячего излучения — фотонами узкого спектра. По мере расширения Вселенной температура ее вещества и излучения постепенно снижается, и, согласно их предварительным расчетам, нынешняя температура этого реликтового излучения должна составлять всего порядка 5–6 °K (то есть чуть выше –270°°С). Позднее выяснилось, что Гамов и его сотрудники немного ошиблись в своих калькуляциях: эта температура равна примерно 3 °K.
Реликтовое излучение, долгое время казавшееся большинству коллег Гамова лишь плодом его изощренной фантазии, было экспериментально (и добавим, совершенно случайно) обнаружено американскими радиоинженерами корпорации Bell Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном в 1964 году. За это в 1978 году они удостоились Нобелевской премии по физике (Гамов так и не дождался официального признания своих научных заслуг).
Теоретики также предполагали, что излучение горячей ранней Вселенной должно иметь спектр, подобный известному из теоретической физики спектру излучения абсолютно черного тела. Убедительное экспериментальное подтверждение этого предположения было получено лишь в январе 1990 года, когда на собрании Американского астрономического общества идеолог и один из научных руководителей проекта NASA СОВЕ Джон Матер и члены его группы представили полученный приборами спутника микроволновый спектр фонового излучения, который с очень высокой точностью соответствовал излучению абсолютно черного тела.
Проект СОВЕ начал разрабатываться в недрах NASA еще в середине 70-х. Первоначально американцы планировали отправить зонд для измерения различных параметров реликтового излучения на борту одного из своих шаттлов. Однако после катастрофы «Челленджера» в 1986 году и остановки программы запусков космических «челноков» судьба проекта оказалась под большим вопросом. Выбить деньги у начальства NASA для продолжения финансирования нового эксперимента и получить его согласие на выделение под СОВЕ специальной ракеты-носителя Atlas участникам проекта удалось во многом благодаря искусной переговорной деятельности Джона Матера. Спутник был выведен на околоземную орбиту 8 ноября 1989 года.
Основной целью СОВЕ было обнаружение анизотропии реликтового излучения. Анизотропия реликтового излучения — это вариации его средней температуры в разных направлениях на небе, предсказанные мейнстримовской космологической теорией.
В возрасте менее 300 тыс. лет Вселенная представляла собой почти однородную плазму, периодически содрогавшуюся от звуковых, а точнее, инфразвуковых волн. По расчетам космологов, эти волны сжатия и расширения вещества также генерировали в плазме колебания плотности ее излучения, и поэтому ныне они должны обнаруживаться в виде чуть заметной «температурной зыби» в почти однородном реликтовом излучении. Соответственно, сегодня оно должно приходить на Землю с разных сторон с несколько различной интенсивностью. Причем вариации этой интенсивности должны быть крайне малыми: порядка всего 0,00003 °К.
Обнаружить эту анизотропию реликтового излучения астрономам никак не удавалось. Теоретики-космологи держали астрофизиков-практиков в черном теле на протяжении почти тридцати лет — предсказываемый теорией уровень анизотропии оказывался существенно ниже порога чувствительности радиотелескопов: приборы для измерения микроволнового фона продолжали показывать абсолютно однородное излучение. И лишь благодаря начавшемуся вторжению в околоземное космическое пространство научно-исследовательских спутников практическая космология наконец смогла заявить о себе в полный голос.
Причем в экспериментальном исследовании крупномасштабной анизотропии реликтового излучения долгое время лидирующее положение в мире занимал Советский Союз. И первой реальной попыткой исследования реликтового излучения с борта космического аппарата (а не при помощи наземных радиотелескопов) стал советский эксперимент «Реликт-1», осуществленный в период с июля 1983-го по февраль 1984 года.
Эксперимент «Реликт-1» был проведен в Институте космических исследований (ИКИ АН СССР) под руководством Игоря Струкова с помощью спутника «Прогноз-9». За полгода спутником была осмотрена почти вся небесная сфера, однако первая черновая обработка сделанной им небесной радиокарты дала отрицательный результат. И лишь спустя несколько лет, после того как в исследовательскую группу, в состав которой помимо Струкова входили Дмитрий Скулачев и Михаил Сажин, влился Андрей Брюханов из Государственного астрономического института имени Штернберга МГУ, «предложивший свежий взгляд на полученные результаты» (формулировка Михаила Сажина), пресловутая разница температур реликтового излучения все-таки была найдена.
В январе 1992 года информация об открытии «Реликтом-1» анизотропии была впервые официально обнародована на Московском астрофизическом семинаре в ГАИШ. Затем авторы эксперимента отправили соответствующие статьи в два научных журнала — наш («Письма в Астрономический журнал») и британский Monthly Notices of Royal Astronomical Society. А спустя несколько месяцев, в апреле 1992-го, аналогичное заявление об экспериментальном открытии спутником СОВЕ анизотропии реликтового излучения сделал в Америке руководитель проекта DMR Джордж Смут. И уже в который раз в истории современной физики PR-бомба американцев оказалась намного мощнее: о схожих результатах группы Струкова забыли, тогда как достижения Смута и его коллег получили приоритетный статус. Как с сожалением констатировал в этой связи Артур Чернин, «Игорь Струков вполне мог бы быть третьим нобелевским лауреатом этого года, но — увы».
Следует также отметить, что радиометр «Реликта-1» по чувствительности существенно превосходил многочастотные радиометры, которые изначально планировалось использовать на СОВЕ. И после проведения советского эксперимента американцам пришлось провести серьезный апгрейд готовившейся к полету аппаратуры.
Однако, по признанию одного из разработчиков эксперимента Михаила Сажина, «радиометр “Реликта”, настроенный на одну частоту, был самым уязвимым местом с точки зрения астрономии: тогда как многочастотный эксперимент (такой как СОВЕ. — “Эксперт”) позволял сразу выяснить природу анизотропии, эксперименты типа “Реликта” оставляли много места для спекуляций о природе анизотропии». Иными словами, данные о наличии анизотропии, полученные «Реликтом-1», даже после их грамотной очистки от «шлака», проведенной благодаря доработке исследовательской модели эксперимента Андреем Брюхановым, по большому счету не могли считаться безупречными и требовали новой проверки на более чувствительной многочастотной аппаратуре.
Новый эксперимент, «Реликт-2», планировалось начать в 1993–1994 годах с борта космического аппарата «Либрис». Чувствительность многочастотной измерительной аппаратуры, разрабатываемой в Институте космических исследований РАН для «Реликта-2», была примерно в 20 раз выше, чем у «Реликта-1». Однако после распада СССР дальнейшее финансирование проекта зарезали, и «Либрис» так и не был запущен в космос.
Шестой игрок
В этом году Нобелевские премии и по физиологии, и по медицине, и по химии дали, как это уже не раз случалось, по сути, за биологию. Они достались исследователям, изучавшим процессы передачи генетической информации. Премию по физиологии и медицине присудили Эндрю Файру (Стенфордский университет) и Крейгу Меллоу (Университет Массачусетса) за регулирование потока генетической информации, премию по химии — Роджеру Корнбергу из Стенфордского же университета — за механизм считывания этой информации с ДНК.
Из школьных учебников все знают, как устроен самый главный жизненный механизм — образование белков. В ядре каждой клетки находится ДНК, которая содержит всю генетическую информацию об организме, в том числе и ту, что необходима для синтеза белков. Но белки синтезируются не в ядре, а в цитоплазме, поэтому, чтобы запустить процесс синтеза, нужен посредник. Эту роль выполняет информационная, или матричная, РНК (мРНК).
Матричная РНК образуется в процессе считывания информации (или транскрипции) с небольшого участка ДНК, как правило, содержащего один ген. Запускает процесс считывания информации фермент — РНК-полимераза, которой помогает ряд молекулярных комплексов. Нынешний химический лауреат Роджер Корнберг более десяти лет методично изучал детали этого сложного процесса. Благодаря его исследованиям и работам других ученых картина все более прояснялась. «Сначала Корнберг охарактеризовал РНК-полимеразу у дрожжей и выявил пять основных факторов, которые наряду с РНК-полимеразой участвуют в транскрипции, — рассказывает академик Павел Георгиев из Института биологии гена. — Но дальнейшие исследования более сложных организмов показали, что в процессе транскрипции участвует еще один игрок». И именно он, как предполагают ученые, ответствен за специализацию клеток организма. Его воздействие, скорее всего, определяет, какие гены нужно считывать в той или иной ткани — нервной, костной и т. д. Но, как сказал нам Павел Георгиев, каким именно образом это происходит, неясно. И Корнберг пока этого тоже не объяснил.
«Эта работа далеко не закончена, — комментирует присуждение премии Корнбергу член-корреспондент РАН заведующий лабораторией Института молекулярной биологии имени Энгельгардта Сергей Кочетков. — Над ней бьется огромное сообщество ученых. Поэтому говорить о каких-то практических приложениях пока рано». Можно предположить, что дальнейшие открытия в этой области позволят вмешиваться в механизм транскрипции с тем, чтобы целенаправленно регулировать работу определенных генов. «Но это задача архисложная, — продолжает Кочетков. — Представьте: если человека чем-то отравили, нужно активировать выработку белка, который бы этот яд ликвидировал. Но нам нужно, чтобы механизм заработал не во всем организме, а в нужном месте. А для того, чтобы справиться с предотвращением разрастания опухоли, нужно тоже очень избирательно запустить сотню разных процессов в соответствующих клетках. Эти задачи не решены, но работа Корнберга и других ученых позволяет двигаться дальше».
Совсем даже не огрызки
Когда матричная РНК выплывает из ядра в цитоплазму для того, чтобы заняться наконец синтезом белков, порой с ней происходят странные вещи. Например, она оказывается заблокированной или порезанной на мелкие кусочки, отчего синтез соответствующего белка становится невозможным. Эти странности были объяснены нынешними нобелевскими лауреатами по физиологии и медицине.
Файр и Меллоу искали способ, как специально заблокировать ген мРНК. Для этого они провели ряд экспериментов. Сначала они блокировали мРНК специально синтезированной комплементарной РНК, не несущей генетической информации. Получалось, но плохо. Дальнейшие исследования показали, что более эффективным блокатором гена оказывается так называемая микроРНК (на схеме показано, как она образуется в организме). Этот механизм назвали РНК-интерференцией.
Пониманию механизма РНК-интерференции способствовали исследования других ученых, которые пытались объяснить роль подобных малых РНК, или микроРНК, которые они то и дело находили в растениях и некоторых организмах, в частности у мушек-дрозофил. «Впервые малые РНК были замечены в нематоде, но тогда на них не обратили особого внимания, — рассказывает завотделом Института молекулярной генетики РАН академик Владимир Гвоздев. — Затем их стали встречать все чаще, но и после этого долго полагали, что они могут быть неким мусором, “огрызками” к примеру, больших мРНК».
«Сделанное американцами открытие как минимум открывает новую главу в молекулярной биологии двадцать первого века, — отмечает академик Лев Киселев из Института молекулярной биологии РАН. — Благодаря ему ученые получили высокоэффективный метод научных исследований, они могут создать функциональную карту генома. В перспективе также можно ожидать эффективного решения проблем многих вирусных заболеваний, подбирать ключики к подавлению роста опухолей».
По словам Владимира Гвоздева, теперь ученые получили очень хороший инструмент для своих исследований. Они целенаправленно синтезируют самые различные микроРНК, с помощью которых можно «выключать» необходимые гены. Большой интерес представляет использование микроРНК в борьбе с раком и вирусными инфекциями. Ведь с их помощью можно подавлять экспрессию тех генов, которые ответственны за синтез факторов, способствующих безудержному делению опухолевых клеток. Можно воздействовать и на вирусы. Многие из них содержат не ДНК, а РНК. Так вот, когда такой вирус попадает в хозяйскую клетку, на эту РНК набрасываются хозяйские ферменты и вырезают микроРНК, которая начинает «глушить» гены вируса. Впрочем, ученые заявляют, что для победы над раком или ВИЧ еще нужно провести немало исследований, в том числе фундаментальных.
По словам Владимира Гвоздева, многие эксперименты, касающиеся других заболеваний, уже проводятся, и успешно. В частности, на мышах был испробован подход подавления экспрессии гена, ответственного за производство холестерина, с помощью искусственно синтезированной микроРНК. Известно, что уже появились некоторые препараты на основе микроРНК, которые находятся в стадии клинических испытаний. Компания Acuity Pharmaceuticals в Филадельфии испытывает препарат бевазираниб, который блокирует синтез такого белка как фактор роста сосудистого эндотелия. Препарат предназначен для лечения макулодистрофии, при которой безудержное разрастание сосудов в задней стенке глазного яблока приводит к слепоте. Но эти испытания закончатся в 2009 году. Ученые и фармацевты полагают, что после открытия Файра и Меллоу генная терапия будет развиваться более быстрыми темпами.
