Темные начала Вселенной и индийская беднота

Нобелевские премии 2019 года присудили за научные прорывы, ряд которых уже изменил мир, — от революции в подходах к образованию и здравоохранению в бедных странах до технологической революции, благодаря которой люди обросли гаджетами. Но не меньше поражают открытия, еще не изменившие жизнь, зато взорвавшие наши представления о мире: оказалось, что 95% Вселенной состоит неизвестно из чего и находится неизвестно где, что клеткам рака можно буквально перекрыть кислород, дав команду лишь одному гену, что экономика может быть экспериментальной наукой, дающей точные прогнозы

Nobel Media

Беспроводной мир и карманные компьютеры

Номинация: химия

Лауреаты: Стэнли Уиттингем из Университета Бингемтона (США); Джон Гуденаф из университета Техаса в Остине; Акира Ёсино, член корпорации Asahi Kasei, профессор университета Мэйдзё.

За что: за разработку литийионных аккумуляторов.

Почему важно. Как отличить современного человека от предков из прошлого века? Конечно, главное внешнее отличие — гаджеты. Смартфон, ноутбук, беспроводные наушники, фитнес-браслет — всюду с нами умные помощники, способные работать по многу часов без подзарядки, легкие и компактные. Все это появилось совсем недавно, вслед за созданием литийионных батарей, вызвавших революцию в области портативных технологий. Как отметили в Нобелевском комитете, благодаря лауреатам по химии этого года «у нас есть мир, который можно перезарядить». А еще литийионный аккумулятор — важнейшее решение для электромобилей (вкупе с электросамокатами, электроавтобусами и прочим электротранспортом) и систем хранения энергии, необходимых миру, пытающемуся минимизировать использование ископаемого топлива. Сейчас не существует другого способа запасти энергию, собранную солнечной батареей или ветрогенератором.

История открытия. Разработка прототипа аккумулятора началась в 1970 году, когда Стенли Уиттингем попытался преодолеть основные недостатки батарей того времени — большой вес и малое количества энергии, которую они могли хранить. Посчитав, что литий может быть решением проблемы благодаря легковесности, а также быстроте потери электрона для эффективного перемещения от анода к катоду, он использовал металлический литий в аноде (проводнике, испускающем электроны) и ионы лития, заправленные в дисульфид титана для катода (проводника, принимающего электроны). Но батарея получилась слишком взрывоопасной. Один из создателей современной химии твердого тела Джон Гуденаф, ставший старейшим лауреатом Нобелевки (ему 97 лет), выяснил, что у катода будет больше возможностей, если изготовить его с применением оксида, а не сульфида металла. В 1980 году он показал, что оксид кобальта с ионами лития производят до четырех вольт –– это стало важным прорывом, который привел к увеличению мощности батарей в несколько раз. Взяв в качестве основы катод, созданный Гуденафом, японский ученый Акира Ёсино в 1985 году создал первый литийионный аккумулятор. Заслуга самого Ёсино заключалась в том, что вместо реактивного лития, который мог взорваться, он использовал в аноде углеродные материалы. В результате получился прочный, легкий и компактный аккумулятор, который можно заряжать сотни раз, прежде чем его производительность ухудшится. Первые литийионные аккумуляторы появились на рынке в 1991 году –– их выпустила компания Sony.

Что говорят эксперты. «Литийионные аккумуляторы дали возможность развиваться огромному количеству технологий, которые мы используем в нашей повседневной жизни и без которых себя уже не мыслим. Смартфоны сейчас по мощности соответствуют уровню хорошего компьютера и потребляют много энергии — для того, чтобы их обеспечить ею, необходимы высокоемкие аккумуляторы. На данный момент литийионные аккумуляторы –– это единственное решение, предоставляющее достаточно энергии для питания таких устройств, заменить их решительно нечем. То же самое можно сказать и про все остальные носимые гаджеты. А если смотреть в будущее, мы хотим пересесть с автомобилей с двигателями внутреннего сгорания на электромобили, чтобы сделать города чище, используя энергию возобновляемых источников. Необходимую энергию для пробега электромобиля тоже можно получить только с помощью литийионного аккумулятора». Профессор Центра Сколтеха по электрохимическому хранению энергии Артем Абакумов.

«Вселенная похожа на чашку кофе. Большая часть в этой чашке — это, собственно, кофе. Это темная энергия. В чашке довольно много сливок, это темная материя. А совсем маленькая доля сахара — это обычная материя. И до сих пор наука изучала практически исключительно только это — сахар» 

Когда кислорода не хватает

Номинация: физиология и медицина.

Лауреаты: американские онкологи Грэг Семенца и Уильям Кэлин; британский молекулярный биолог сэр Питер Рэтклифф.

За что: за открытие того, как клетки распознают уровень кислорода и адаптируются к нему.

Почему важно. Без источника энергии гаснут не только экраны смартфонов, но и любая жизнь. Мы получаем энергию, «сжигая» пищу, а для этого нужен кислород. Но сколько? В зависимости от места, где мы находимся, уровень кислорода во внешней среде может отличаться. Например, высоко в горах кислорода значительно меньше, что ведет к гипоксии. Не менее важно, чем мы заняты: во время активности, физической или интеллектуальной нашим клеткам требуется больше кислорода. Организм должен регулировать поступление кислорода к клеткам с учетом внешних факторов и внутренних потребностей клетки. Где-то в каждой клетке нашего тела спрятана система, которая чутко реагирует на уровень доступного кислорода и потребности клетки.

Этот механизм и нашли сегодняшние лауреаты. По словам одного из членов Нобелевского комитета, профессора Рэндона Джонсона, «это открытие войдет в учебники биологии. Дети неизбежно будут это изучать — ведь это самый базовый аспект работы любой клетки».

Перед учеными открывается возможность создавать лекарства, стимулирующие или подавляющие потребление кислорода клеткой. Возможно, так удастся перекрыть питание раковой опухоли, научившейся использовать этот механизм, чтобы выращивать дополнительные кровеносные сосуды, снабжающие ее питанием. Пока такого препарата нет, но некоторые основанные на этом механизме препараты для лечения анемии в Китае и Японии уже показали свою эффективность.

История открытия:

Эритроциты, красные кровяные тельца, выполняют роль «курьеров», которые несут кислород к клетке. При гипоксии, то есть в условиях нехватки кислорода, их нужно больше. Сигнал к росту их числа дает гормон эритропоэтин. Но как организм понимает, что надо начать его синтез?

Первую часть механизма нашли Грэг Семенца и Питер Рэтклифф. Независимо друг от друга они изучали ген, который кодирует эритропоэтин, и его поведение в ответ на гипоксию. Они выяснили, что, во-первых, синтез гормона запускает кислород, а во-вторых, это происходит во всех клетках организма, а не только в почках, как предполагалось ранее. В ходе дальнейших исследований Семенца обнаружил белковый комплекс HIF, который и был «детектором» кислорода. Когда кислорода мало, он дает ДНК сигнал начать синтез гормона, а когда достаточно — деградирует в цитоплазме клетки. Когда кислорода хватает, чтобы началось расщепление уже не нужного HIF, требуется другой белковый комплекс, VHL — его производит ген VHL, который и обнаружил третий лауреат, Уильям Кэлин, когда изучал генетическую болезнь Гиппеля-Линдау, при которой развиваются некоторые типы рака.

Что говорят эксперты. «Лауреаты определили биологическое значение двух белков. Один — HIF — возникает в ответ на гипоксию. Он определяет работу гена эритропоэтина, гормона, отвечающего за выработку эритроцитов. Второй, VHL, — разрушает HIF. Вся цепочка выглядит следующим образом: при наступлении гипоксии именно HIF способствует усиленному снабжению кислородом тканей. Он делает это за счет воздействия на ген эритропоэтина и, соответственно, усиленного производства эритроцитов. При преодолении гипоксического состояния этот процесс блокируется белком VHL.

Изучая эти белки, лауреаты смогли установить ряд особенностей роста новых кровеносных сосудов, производства красных кровяных клеток, выполнения некоторых иммунных функций и даже развития плода и плаценты. Безусловно, результаты этих исследований будут определять масштабные процессы в медицине будущего. Они уже влияют и на сегодняшнюю медицину: в частности, препараты Roxadustat и Daprodustat, первый из которых проходит клинические испытания в Китае, представляются решением проблемы анемии. Они способны заставить организм человека думать, что он находится в высокогорье, в условиях нехватки атмосферного кислорода, и мобилизовать процессы, направленные на преодоление этого состояния. На этапе доклинических испытаний находятся препараты, имеющие потенциальную противоопухолевую активность — в частности, за счет их способности блокировать создание новых кровеносных сосудов злокачественными новообразованиями». Денис Романов, кандидат медицинских наук, заместитель генерального директора «Европейской клиники» по научной работе.

Оказалось, учебники и питание вообще не важны для качества образования, а главная проблема в том, что преподавание недостаточно адаптировано к потребностям школьников, знания воспринимаются ими как абстрактные и далекие от жизни 

Знай свое место в космосе

Номинация: физика.

Лауреаты: Джеймс Пиблс из Принстонского университета; Дидье Кело и Мишель Майор из Женевского университета.

За что: Общая формулировка — «За вклад в наше понимание эволюции вселенной и места Земли в космосе». Половину премии получил Пиблс «за теоретические открытия в физической космологии», а вторую половину — Дидье и Майор «за открытие экзопланеты, вращающейся вокруг солнцеподобной звезды».

Почему важно. Космология, наука о свойствах, о происхождении и об эволюции Вселенной как целого, появилась всего столетие назад, когда стало ясно, что Млечный Путь — это далеко не вся Вселенная, а лишь ничтожный по вселенским меркам звездный островок, и вокруг сотни миллиардов таких же островков, в каждом из которых сотни миллиардов звезд. Голова начинает кружиться от такого расширения мира — и по мере изучения космологии это головокружение только усиливается. Наука, стоящая ближе всех прочих к тайне возникновения мира, все время ломает стереотипы — оказалось, например, что Вселенная не пребывает в стационарном состоянии, а все быстрее расширяется. А значит, сила, расширяющая мироздание, мощнее всех других сил, вместе взятых. Иначе мир, наоборот, сжимался бы под действием гравитации. Ее назвали «темной энергией», и вскоре выяснилось, что по расчетам физиков-теоретиков, мир на 70% состоит из нее, хотя никто из физиков-экспериментаторов найти ее не может. Мало того, еще 25% массы и энергии Вселенной по расчетам теоретиков содержатся в темной материи — и это совсем не темная энергия, а другая сущность. Объединяет эти «темные начала» только наша собственная темнота — мы до сих пор не можем их найти.

Джеймс Пиблс и был одним из таких теоретиков, рассчитавших, что все, что мы видим вокруг и все, чем занималась физика до сих пор, — это лишь 5% Вселенной, а остальные 95% спрятаны от нас. Где именно, физикам еще предстоит выяснить.

История открытия. Одни ли мы во Вселенной? Непохоже — куда ни глянь в телескоп, мир устроен одинаково. Галактики, звезды, а вокруг них должны кружиться планеты. Вот только еще недавно их не было видно — технологии не позволяли увидеть рядом с огромными сияющими звездами в сотни и тысячи раз меньшие по массе и размерам планеты. За открытие первой планеты, вращающейся вокруг звезды солнечного типа, швейцарцы Мишель Майор и Дидье Кело получили вторую часть Нобелевской премии по физике.

Лауреаты Нобелевской премии 2019 года по медицине — Уильям Кэлин, Грэг Семенца, Питер Рэтклифф 056_rusrep_20-1.jpg Illustration: Niklas Elmehed
Лауреаты Нобелевской премии 2019 года по медицине — Уильям Кэлин, Грэг Семенца, Питер Рэтклифф
Illustration: Niklas Elmehed

В 1995 году Майор и Кело разработали методику лучевых скоростей, которая позволила наблюдать первую экзопланету на орбите солнцеподобной звезды — 51 Пегас b. Оговорка про солнцеподобную звезду не случайна — тремя годами ранее Александр Вольщан и Дейл Фрейл открыли планету, которая оборачивалась вокруг пульсара, вращающейся нейтронной звезды, испускающей мощнейшие электромагнитные импульсы. Но засечь планету у пульсара, изучая данные с радиотелескопа, гораздо проще. Совсем другое дело — планеты около звезд, похожих на Солнце. Разработанный лауреатами метод открыл ученым настоящее окно в мир экзопланет. На сегодняшний день в Млечном Пути их открыто более 4000, больше всего — специально предназначенным для поиска экзопланет орбитальным телескопом «Кеплер».

Лауреаты Нобелевской премии 2019 года по химии  —  Стэнли Уиттингем, Джон Гуденаф, Акира Ёсино 056_rusrep_20-2.jpg Illustration: Niklas Elmehed
Лауреаты Нобелевской премии 2019 года по химии — Стэнли Уиттингем, Джон Гуденаф, Акира Ёсино
Illustration: Niklas Elmehed

У практически любой открытой экзопланеты мы можем узнать расстояние между звездой и планетой, ее радиус и массу. Но пока насчитыватся лишь десятки экзопланет, о которых мы можем знать чуть больше. Как правило, это планеты-гиганты — их легче изучать. Но нам интереснее всего найти планеты, похожие на Землю, и по возможности изучить их атмосферу по спектральному составу излучения. Астрономы настроены оптимистично — это должно получиться уже в ближайшие десятилетия.

Что говорят эксперты. «Вселенная похожа на чашку кофе. Большая часть в этой чашке — это, собственно, кофе. Это темная энергия. В чашке довольно много сливок, это темная материя. А совсем маленькая доля сахара — это обычная материя. И до сих пор наука изучала практически исключительно только это — сахар». Профессор Матс Ларсон, председатель Нобелевского комитета по физике.

Эксперименты с бедностью

Номинация: экономика

Лауреаты: Абхиджит Банерджи и Эстер Дюфло из Массачусетсксого технологического института; Майкл Кремер из Гарварда.

За что: за экспериментальный подход к искоренению глобальной бедности.

Почему важно:

Бедность — одна из главных глобальных проблем. Половина населения мира страдает от крайней бедности, а значит, плохо питается, получает плохое образование и лишена доступа к современной медицине и другим благам цивилизации. Но как конкретно помогать бедным? На этот счет чуть ли не у каждого крупного экономиста еще недавно были свои соображения. Экономика не считалась экспериментальной дисциплиной. С доказательностью и точными прогнозами тоже было трудновато — на каждого экономиста находился другой с противоположным мнением.

Майкл Кремер и супруги Эстер Дюфло и Абхиджит Банерджи не стали добавлять свои теории к уже имеющимся или изучать поведение испытуемых в лаборатории. Вместо этого они «вышли в поле» — стали изучать экономическое поведение в реальных условиях, чтобы проверить, какие из методов борьбы с бедностью лучше работают на практике. Объектом для экспериментов послужили целые деревни в развивающихся странах, таких как Кения и Индия, жителям которых предлагались разные программы и методы, направленные на улучшение экономического положения и образования, на выход из «ловушки бедности».

Лауреаты Нобелевской премии 2019 года по физике — Джеймс Пиблс, Дидье Кело и Мишель Майор 056_rusrep_20-3.jpg Illustration: Niklas Elmehed
Лауреаты Нобелевской премии 2019 года по физике — Джеймс Пиблс, Дидье Кело и Мишель Майор
Illustration: Niklas Elmehed

Подход будущих лауреатов изменил экономику как науку, сделав важнейшим требованием доказательность ее утверждений. Но главное — он изменил стратегии борьбы с бедностью. По предложенным Кремером программам уже учатся миллионы детей, а в здравоохранении развивающихся стран широко используются методы, предложенные супругами Банерджи и Дюфло.

История открытия. В середине 1990-х годов Майкл Кремер пытался понять, как улучшить школьное образование в Кении. Дети недоедали и не имели доступа к учебникам — что важнее? Кремер решил проверить это экспериментально: он снабжал одни группы детей книгами, другие — усиленным питанием, а для третьих предпринимал еще что-то, что могло помочь (например, повышал зарплаты учителям). Оказалось, учебники и питание вообще не важны для качества образования, а главная проблема в том, что преподавание недостаточно адаптировано к потребностям школьников — знания воспринимаются ими как абстрактные и далекие от жизни. Эффективными методами оказались индивидуальная работа с отстающими, группировка детей не по возрасту, а по уровню знаний, фокусировка внимания на простых навыках, а не на учебной программе.

Лауреаты Нобелевской премии 2019 года по экономике — Абхиджит Банерджи, Эстер Дюфло и Майкл Кремер 057_rusrep_20-3.jpg Illustration: Niklas Elmehed
Лауреаты Нобелевской премии 2019 года по экономике — Абхиджит Банерджи, Эстер Дюфло и Майкл Кремер
Illustration: Niklas Elmehed

Похожие эксперименты Банерджи и Дюфло проводили в Индии, в сфере здравоохранения. Оказалось, самые эффективные меры — те, что направлены на максимальное облегчение доступа малоимущих к профилактическому медицинскому обслуживанию. Нужно, чтобы медпункт был рядом, чтобы вакцинация максимально поощрялась (за прививку — килограмм чечевицы), чтобы раздаточные пункты с бесплатной хлоркой стояли рядом с источниками воды, а препараты от глистов добавлялись прямо в школьную еду.

Что говорят эксперты. «Вот уж никак не думала, что можно получить Нобелевскую премию в моем возрасте — в 46 лет». Эстер Дюфло, самый молодой лауреат Нобелевки в истории премии.

У партнеров

    «Русский репортер»
    №20 (485) 21 октября 2019
    Елена Погребижская: 90% моих героев лучше меня
    Содержание:
    Фотография
    Краудфандинг
    Фотополигон
    Реклама