Сибирские ученые традиционно прокомментировали Нобелевские премии по физиологии и медицине, физике и химии за 2022 год и рассказали, как связаны с этими направлениями исследований научные институты Новосибирска.
Нобелевскую премию по физиологии и медицине, которую получил шведский биолог Сванте Паабо за открытия, связанные с геномами вымерших гоминидов и эволюцией человека, прокомментировал советник директора Института археологии и этнографии СО РАН, заведующий отделом археологии каменного века член-корреспондент РАН Михаил Васильевич Шуньков.
«Имя Сванте Паабо хорошо известно всем специалистам по эволюции человека, — сказал Михаил Шуньков. — Он является основоположником нового современного научного направления — палеогеномики. Более 30 лет назад Паабо занялся исследованием ДНК египетских мумий и секвенированием ископаемой ДНК неандертальцев. В начале 2000-х годов началось активное сотрудничество ИАЭТ СО РАН с лабораторией эволюционной палеогенетики Института эволюционной антропологии Общества Макса Планка. К 2010 году был получен первый черновик генома неандертальцев, который покрывал более 60 % ископаемого генома. Совместная работа позволила нам по-новому взглянуть на эволюцию человека: в частности, через секвенирование митохондриальной и ядерной ДНК было показано участие неандертальцев в формировании современного человечества».
Активное сотрудничество началось в 2008 году, когда в Денисовой пещере на Алтае были обнаружены первые костные останки, принадлежавшие неизвестной ранее популяции древних людей, — денисовскому человеку. Сванте Паабо вывел исследования антропологов и археологов на качественно новый уровень. Стало не только возможным производить видовую идентификацию ископаемых останков по неопределимым морфологическим костным материалам, но и секвенировать ДНК непосредственно из отложений.
«Благодаря секвенированию митохондриальной, а затем и ядерной ДНК и изучению костных останков на Алтае в Денисовой пещере удалось определить нелинейный путь развития человечества: были установлены генетические связи между древними популяциями неандертальцев, денисовцев и раннего ископаемого современного человека. Доказано, что в геноме современного европейского и азиатского населения есть 4 % генома неандертальца, а в геноме жителей островной части Юго-Восточной Азии, Австралии и Океании — до 6 % генома денисовца. Сейчас ведутся работы по изучению влияния геномной системы древних популяций на современного человека. Уже доказано, что справляться с гипоксией и жить на запредельных для обычного человека высотах тибетцам помогают именно гены денисовцев», — подчеркивает Михаил Шуньков.
На данный момент сотрудники ИАЭТ продолжают вести исследования на юге Сибири, в том числе в Денисовой и других пещерах. «За последний год были найдены два моляра, предположительно принадлежащие денисовцу. Сейчас у нас около 30 останков денисовского человека, и почти каждый год их состав обновляется. Денисова пещера — ценнейший памятник, содержащий культурные слои древних людей за последние 300 тысяч лет. Благодаря работам Сванте Паабо был изучен первый в мире образец девочки-гибрида, у которой мать была неандерталкой, а отец — денисовцем. Это во многом расширяет наши знания о вкладе двух древних популяций в генетическое наследство современного человечества», — заключил Михаил Шуньков.
Лауреатами Нобелевской премии по физике 2022 года стали Ален Аспе (Франция), Джон Клаузер (США) и Антон Цайлингер (Австрия) — за эксперименты с запутанными фотонами, изучение нарушений неравенства Белла и работы по квантовой информатике. Об их исследованиях рассказал старший научный сотрудник лаборатории нелинейных лазерных процессов лазерной диагностики Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН кандидат физико-математических наук Илья Игоревич Бетеров.
По словам ученого, история началась в 1935 году, когда Альберт Эйнштейн с коллегами опубликовал статью, в которой попытался опровергнуть основные принципы квантовой механики. Он предложил идею так называемых перепутанных квантовых состояний. Что это такое? Представьте: в разных частях земного шара есть два ящика, в одном из них лежит красный шарик, а другом — синий (и мы не знаем, где какой). Известно, что если в первом ящике окажется синий шарик, то во втором точно будет красный. Но квантовая механика допускает, что шарик может быть красным и синим одновременно, а также вообще любого цвета. И если вы открыли ящик, и там вместо красного шарика оказался белый, а во втором и вовсе черный, то возникнет вопрос, какого же цвета этот шарик был до того, как вы вскрыли ящик? Можно ли вообще говорить, что его цвет был определен?
«Ученые выдвинули идею, что, возможно, “цвет” — это что-то реальное, и квантовая механика, по которой всё вероятностно и случайно, не описывает всего. Не исключено, что есть какие-то скрытые параметры, которые эту реальность описывают и задают, но мы эти параметры не можем обнаружить», — объяснил Илья Бетеров.
В 1964 году исследователь из США Джон Стюарт Белл предложил схему эксперимента, призванную проверить существование таких скрытых параметров. А именно — тест, показывающий: если мы имеем такие перепутанные квантовые системы (например, фотоны), то, делая квантовые измерения для пары перепутанных частиц и анализируя корреляции между этими измерениями, можно получить ограничение (теперь оно известно как неравенство Белла). Это ограничение гласит: если существуют скрытые параметры, то результат измерения должен оказаться меньше двух.
В дальнейшем в работах Джона Клаузера схема наблюдения этих скрытых параметров была изменена. Ученый придумал уже совершенно другую постановку задачи, которую в 1972 году попытался реализовать. Однако из-за того, что эксперименты тогда были недостаточно точными, опыты Клаузера так и не позволили ему определить, действительно ли нарушается неравенство Белла.
Важные шаги для решения этого вопроса сделал Ален Аспе. Он провел эксперименты по исследованию корреляции и поляризации (направления колебания электромагнитного поля) фотонов. У Алена Аспе был источник, испускающий пары фотонов, оба из которых могли иметь либо горизонтальную, либо вертикальную поляризацию. При этом заранее понять, какая именно поляризация будет в результате каждого измерения, было невозможно. Затем ученый поставил набор детекторов поляризации и проанализировал статистику их совпадения. Алену Аспе удалось показать, что неравенство Белла действительно не выполняется, и квантовая механика не содержит скрытых параметров.
Антон Цайлингер продолжил эксперименты в том же самом направлении. Он проводил опыты уже с тремя перепутанными фотонами, что позволило получить еще более строгие доказательства.
«Эти работы, на мой взгляд, блестящий показатель того, какой должна быть Нобелевская премия, потому что здесь мы получили ответ на конкретный вопрос фундаментальной природы, который имеет длительную историю. Он был поставлен в 1935 году, и ушло больше 50 лет, чтобы на него ответить, причем это удалось сделать в результате блестящих и достоверных экспериментов. Ален Аспе в 2013 году приезжал в Новосибирск, в ИФП СО РАН, и мы уже тогда понимали, что он, безусловно, достоин за свои работы Нобелевской премии», — отметил Илья Бетеров.
По словам ученого, исследование перепутанных квантовых состояний сегодня относится к одним из наиболее востребованных направлений в науке.
«В нашем институте мы пытаемся получить перепутанные состояния, но не фотонов, а атомов. У нас есть довольно сложная экспериментальная установка, на которой мы продемонстрировали, что можем захватить и удерживать в пространстве два атома, поддерживать их на заданном расстоянии друг от друга. Мы рассчитываем, что если удастся удерживать эти атомы поближе друг к другу и возбудить их с помощью лазерного излучения, то возможно получить их перепутанное состояние. Подобные эксперименты ведутся и в Москве, — рассказал Илья Бетеров. — Сейчас есть фундаментальный вопрос: можно ли создать многочастичное состояние уже не двух- или трехквантовых систем, а, допустим, тысячных. Если да, то становятся возможными те самые квантовые компьютеры, о которых мы так много слышим. Но дело в том, что это действительно фундаментальный физический вопрос, на который сегодня еще нет ответа».
Созданию квантовых компьютеров мешают физические ограничения (например, такие, как разрушения квантовых состояний и квантовых суперпозиций). Главная проблема: чем больше частиц, тем сложнее поддерживать их квантовое состояние, особенно если они не изолированы друг от друга. Для этого, как отмечает Илья Бетеров, нужно научиться контролировать абсолютно все параметры.
Нобелевскую премию по химии в 2022 году получили Каролин Бертоцци (США), Мортен Мельдаль (Дания) и Барри Шарплесс (США) — за разработку клик-химии и биоортогональной химии. О важности и применении этих исследований рассказал заместитель директора по научной работе Новосибирского института органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН кандидат химических наук Денис Александрович Морозов.
«Клик-химия включает реакции, подразумевающие простое и быстрое получение химических веществ путем соединения между собой отдельных маленьких элементов. Барри Шарплесс предложил взглянуть на природу и искать природоподобные реакции, а их немного — всего несколько десятков. Синтез сложных молекул через соединения небольших блоков — главная идея этого направления», — отметил Д. А. Морозов.
По словам ученого, клик-реакция должна быть модульной, широко распространенной, протекать с высокими количественными выходами, безопасными и легко удаляющимися побочными продуктами. Также должны соблюдаться нормальные условия: комнатная температура, простые растворители (например, вода), доступные в природе реагенты.
«Команда Шарплесса довела до совершенства азид-алкиновую реакцию, когда две молекулы в присутствии катализатора из медного купороса и аскорбиновой кислоты легко и просто соединяются. Каролин Бертоцци развила идею использования клик-реакций в живых системах, где эта реакция оказалась биоортогональной, что означает химическое превращение, не нарушающее функционирований самой системы. Такой подход может применяться для лечения онкологии: к молекуле белка присоединяется частица с определенной функцией, которая служит ядом для опухолевых клеток, а так как этот белок не распознается оборонительными системами новообразования, то может влиять на него изнутри», — сказал Д. А. Морозов.
Ученые из НИОХ СО РАН также активно применяют методы клик-химии в своей работе. В институте есть три лаборатории, которые занимаются поисками биологически активных соединений и молекул с заданными свойствами и используют практически все методы клик-химии.
«Путем присоединения частиц с определенными функциями к белку альбумину мы получили контраст для МРТ-диагностик. Кроме того, в нашем институте совместно с Государственным научным центром вирусологии и биотехнологии “Вектор” создан противовирусный препарат для борьбы с оспой “НИОХ-14”, в процессе синтеза которого ключевые стадии разработки также относятся к клик-химии, например реакция сборки молекулы действующего вещества», — сказал Денис Морозов.
По словам исследователя, благодаря химическим открытиям Шарплесса, Мельдаля и Бертоцци другие ученые изменяют подходы к планированию органического синтеза, основываясь на том, как бы на их месте поступила сама природа.
Полина Кустова, Диана Хомякова, Кирилл Сергеевич
Фото Юлии Поздняковой
ИСТОЧНИКИ
Нобелевские премии — 2022
- Наука в Сибири (www.sbras.info), 06/10/2022