Лечение боли и порядок из хаоса: за что ученые получили Нобелевскую премию-2021

Нобелевская премия уделила много внимания экологии в этом году. Например, премия по химии досталась ученым, которые придумали, как создавать новые лекарственные препараты с минимальным количеством отходов, а премию по физике получили два климатолога. Премию за медицину получили ученые, которые выяснили, как мы чувствуем мир. К экологии это не имеет отношения, но может помочь каждому человеку на Земле.

Физика — собрать хаос в систему

Нобелевскую премию по физике 2021 года присудили трем ученым, чьи работы заложили основы нашего понимания сложных физических систем. Их исследования предупредили мир об изменении климата.

Сюкуро Манабе из Принстонского университета в Нью-Джерси, Клаус Хассельманн, бывший сотрудник Института метеорологии Макса Планка в Гамбурге, Германия и Джорджио Паризи из Римского университета Ла Сапиенца показали, как небольшие изменения могут радикально преобразовать сложные системы.

Примечательно, двое из трех лауреатов Нобелевской премии по физике этого года – климатологи (Хассельман и Манабе). Это не первая в истории Нобелевская премия за деятельность, имеющую отношение к климату, но первая, когда отмечены ученые, непосредственно изучающие физику климатических изменений.

Почему это важно?

Общая картина изменения климата достаточно проста: улавливающие тепло газы в атмосфере превращают Землю в метафорический парник, заставляя планету нагреваться. Но на эти процессы влияет множество факторов, все они объединяются в сложную систему с множеством переменных.

Лауреатам по физике удалось найти способы объяснить хаотичность, присутствующую во всем этом.

Сложными ученые называют такие системы, которые состоят из множества частей, взаимодействующих друг с другом как самостоятельные элементы, независимо от остальных составляющих. Их очень тяжело описать языком математики. Чтобы это сделать, нужно учесть все потенциальные варианты взаимодействия разных факторов друг с другом. Необходимо учитывать, что при взаимодействии со сложной системой одни и те же действия легко дают разный результат. Все зависит от того, в каком состоянии находится система в момент контакта и в первоначальном виде. В итоге, чтобы предсказать, как она поведет себя в будущем, нужно учесть огромное количество вводных (зачастую мы их даже не знаем).

В 1980-х годах Джорджо Паризи доказал, что на первый взгляд совершенно случайные факторы связаны между собой и даже подчиняются некоторым законам. По факту, его работы помогают свести все неизвестные переменные в общий фактор неопределенности. Это в разы повышает точность всех расчетов, а значит, и предсказаний (например, климата на планете).

В свою очередь, Сюкуро Манабе удалось наглядно продемонстрировать, как рост содержания в атмосфере CO₂ может привести к росту температур у земной поверхности. Он связал энергию, поглощаемую атмосферой, с движением воздуха по вертикали над Землей, что является критическим параметром для моделирования климата.

А около 50 лет назад Клаус Хассельман создал первую компьютерную модель, которая связала погоду с климатом. Его работа стала основой науки о климатической атрибуции, которую теперь ученые используют для количественной оценки того, насколько люди усугубили жару или сделали ливни более масштабными.

Химия — безопасные лекарства

Нобелевскую премию по химии в 2021 году присудили двум ученым, которые разработали новые инструменты для создания зеркальных молекул. Они, в свою очередь, позволяют создавать новые лекарства более экологически чистым способом.

Исследователи Бенджамин Лист из Института исследований угля им. Макса Планка и Дэвид Макмиллан из Принстонского университета удостоились премии, «потому что в 2000 году они, независимо друг от друга, разработали третий тип катализа», — написано в заявлении Нобелевского комитета.

Почему это важно?

Химики создают новые молекулы, соединяя вместе крошечные химические строительные блоки, но контролировать этот процесс связывания — непросто. Катализаторы играют важную роль в управлении этими реакциями, но и у них есть свои ограничения. Например, обычные катализаторы иногда не могут предотвратить ситуацию, которая возникает, когда один процесс построения желаемой молекулы производит одну из двух возможных молекул — каждая является зеркальным отображением другой, как левая и правая руки. Эти зеркальные, или хиральные, молекулы могут иметь совершенно разные свойства и по-своему взаимодействовать с телом. Например, зеркальная молекула левометамфетамина, которая используется в назальных ингаляторах для облегчения заложенности носа, представляет собой декстрометамфетамин — терапевтическое средство, используемое при СДВГ, но при этом вызывающее сильную зависимость уличный наркотик.

Метод асимметричного органокатализа использует крошечные органические молекулы в качестве катализаторов. Это позволяет обойти проблему зеркального отображения, позволяя химикам выбирать точную «маневренность» молекулы, которую они хотят создать. В итоге, снижается количество отходов и связанных с этим затрат при производстве жизненно важных фармацевтических препаратов. Органические катализаторы изготавливаются путем присоединения обычных активных химических элементов, таких как кислород, азот, сера и фосфор, к стабильной структуре из атомов углерода. Это дешевый и экологически чистый процесс.

Органические катализаторы могут использоваться для запуска множества химических реакций. Используя их реакции, исследователи теперь могут более эффективно создавать что угодно, от новых фармацевтических препаратов до молекул, которые могут улавливать свет в солнечных элементах.

По сути, работа Бенджамина Листа и Дэвида У.К. Макмиллана позволила ученым производить эти молекулы более дешево, эффективно, безопасно и со значительно менее опасными отходами. Как отметили в Нобелевской комиссии, это уже приносит огромную пользу человечеству.

Возможность контролировать направление, в котором новые атомы добавляются к молекулам, важна. Нобелевская комиссия объяснила, что невыполнение этого требования может привести к побочным эффектам лекарств, ссылаясь на катастрофический пример талидомида, который вызвал серьезные врожденные дефекты у детей.

Медицина — почему нам больно

Нобелевскую премию по медицине получили американские ученые, открывшие секреты нашего осязания. Их исследования сыграли важную роль в разработке новых обезболивающих. Дэвид Джулиус из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и Ардем Патапутян из Исследовательского института Скриппса в Ла-Хойя открыли, каким образом температура или, например, прикосновение превращаются в человеческие ощущения.

Открытие Джулиуса и Патапутяна нобелевское жюри назвало прорывным. Их работа «позволила понять, как тепло, холод и механическая сила могут инициировать нервные импульсы, которые позволяют нам воспринимать окружающий мир и адаптироваться к нему, — говорится в заявлении Нобелевского комитета. — Эти знания используются для разработки методов лечения широкого спектра заболеваний, включая хроническую боль».

Почему это важно?

Дэвид Джулиус заметил, что острая пища вызывает в организме точно такую же реакцию, как и горячая. Ученый предположил, что алкалоид капсаицин (отвечает за жгучий вкус перца) активирует некий специфический фрагмент ДНК — тот же, что и высокая температура. Спустя годы исследований в 90-х годах ученые обнаружили, что за ощущение жжения, связанное с капсаицином, отвечает белок, который назвали TRPV1. После Джулиус обнаружил и второй — TRPV2, он, в свою очередь, реагирует на еще более высокую температуру.

Позже, в 2002 году И Юлиус, и Патапутиан независимо друг от друга использовали ментол для открытия другого белка, TPRM8. Он активируется при низких температурах.

Основываясь на этой работе, Патапутиан и его коллеги создали библиотеку из 72 генов, которые, как они подозревали, обеспечивали ощущение физического прикосновения. Кропотливо деактивируя эти гены один за другим в клетках они обнаружили, что один из них (кстати, самый последний, 72-й) вырабатывает белок, который и побуждает клетки производить крошечный электрический сигнал каждый раз, когда на них воздействуют. Обнаруженный рецептор не только жизненно важен для восприятия механической силы, но и использовался различными для поддержания работу кровеносных сосудов.

В итоге, ученые выяснили, как именно соматосенсорная система позволяет людям чувствовать не только температуру и прикосновение, но и боль. Эти открытия не только помогли объяснить механизмы, лежащие в основе сенсорных ощущений, но и дали возможность создать новые лекарства, которые нацелены на определенные рецепторы. Так могут появиться новые, более эффективные обезболивающие и препараты, которые могут снижать кровяное давление в кровеносных сосудах и органах.

Итоги и повестка

Очередная Нобелевская неделя завершилась сегодня, в понедельник, церемонией объявления лауреатов премии Государственного банка Швеции по экономике памяти Альфреда Нобеля. Выбор комитетов по всем номинациям этого года показывает, что их эксперты внимательно следят за актуальной политической повесткой. В премии по физике прозвучала популярная сейчас тема климата Земли, по химии — «зеленого» производства. С 1901 года Нобелевскую премию вручали 603 раза. Размер денежной составляющей в каждой номинации в составит 10 млн крон ($1,14 млн по текущему курсу). Вручение награды состоится 10 декабря, в день смерти Нобеля.

Читать далее

Китайский электромобиль с открытым верхом маневрирует как мотоцикл и меняет положение руля

Посмотрите на доисторические лыжи, найденные в норвежском леднике. Археологи теперь ищут их владельца

Посмотрите на цифровое искусство, которое сделали на основе анализа книг Айзека Азимова