Кому присудили нобелевскую премию по физике в 2021 году

Обновлено: 04.02.2023

Нобелевская неделя в этом году стартует 4 октября, а за полторы недели до нее начинаются споры и состязания в точности предсказаний. Парад научных прогнозов традиционно возглавляет компания Clarivate со своим списком наиболее цитируемых ученых. Для нобелевских премий в естественных и точных науках почему-то не бывает тотализаторов. Но если вы вдруг решили с кем-то поспорить на лауреатов этого года — рассказываем, на кого имеет смысл обратить внимание.

Нобелевская премия — это своего рода Олимпиада, возможность реализовать свой спортивный азарт для журналистов и любителей науки. В задачи Нобелевского комитета не входит поддержать на старте восходящую звезду или многообещающее направление исследований, наоборот, премия служит признанием того, что прогресс в этой области уже состоялся. А поскольку следить за научным прогрессом — хотя бы на уровне опубликованных статей — может каждый, то каждый может и попробовать угадать, что привлечет внимание комитета на этот раз.

В естественных и точных науках самым авторитетным считается прогноз компании Clarivate — «наследницы» созданного в 1956 году Института научной информации (Institute for Scientific Information — ISI). Именно в нем появилась крупнейшая база научного цитирования Web of Science. Clarivate составляет нобелевские прогнозы с 1989 года и почти никогда не ошибается. Из большинства наборов ученых, которые аналитики публикуют незадолго до объявления лауреатов премии, кто-нибудь обязательно ее получает. Правда, это обычно происходит с опозданием — на год, два или даже пять.

Поэтому не стоит всерьез рассчитывать на то, что в этом году Clarivate наконец угадает — особенно учитывая, что их прогнозы 2017-20 (вот последние три из них: 2018, 2019, 2020) годов пока не сбылись (а значит, чем дальше, тем выше шанс, что сбудутся). Новый же список имеет смысл читать как послание к будущим Нобелевским комитетам, попытка предвосхитить их следующие решения и указать на обойденные вниманием события в науке. Это прогноз не на полторы недели, а на ближайшие несколько лет. Давайте посмотрим, что аналитики разглядели в будущем на этот раз и как их предсказание стыкуется с предыдущими премиями.

Физиология или медицина

Прогноз 2021 года открывает Жан-Пьер Шанже (Jean-Pierre Changeux) из Института Пастера. Шанже известен своими работами в области нейробиологии — среди прочего, он выделил никотиновый ацетилхолиновый рецептор. Это произошло больше 50 лет назад, и это был первый описанный рецептор к нейромедиатору — который в некотором смысле открыл дверь в современную нейрофизиологию.

Следующие два кандидата — из Университета Осаки: Тосио Хирано (Toshio Hirano) и Тадамицу Кисимото (Tadamitsu Kishimoto). Они заслужили свою номинацию открытием интерлейкина-6 — одного из самых известных сейчас провоспалительных сигнальных веществ. Clarivate уточняют, что номинировали Хирано и Кисимото за «разработку методов лечения, нацеленных на передачу сигналов рецептором IL-6». Можно предположить, что одним из этих методов лечения является тоцилизумаб — антитело к интерлейкину-6, которое во многих странах использовали для лечения ковида (хотя последние данные о его эффективности спорные, мы рассказывали об этом в тексте «Изобретая колесо»).

Третья номинация досталась Карлу Джонсону (Karl Johnson) из Университета Нью-Мексико и Хо Ван Ли (Ho Wang Lee) из Университета Корё. Она тоже связана с вирусологией: Джонсон и Хо Ван Ли обнаружили и выделили хантавирус — возбудитель геморрагической лихорадки с почечным синдромом, которую переносят в основном грызуны. Вакцины и специфического лечения для этой лихорадки пока нет.

Нобелевские премии по физиологии или медицине в последние годы чередуются: практические и фундаментальные работы Комитет отмечает примерно через раз. В 2020 году премию присудили за открытие вируса гепатита С (но не лекарства от него, оно появилось сильно позже). А значит 4 октября, вероятнее всего, стоит ждать «прикладных» лауреатов — и вряд ли в области вирусологии.

Физика

В нынешнем списке физиков от Clarivate — три одиночки. Первый из них, Алексей Китаев (Alexei Kitaev), работает в Калифорнийском технологическом институте. Китаев работает над квантовыми вычислениями с помощью топологически защищенных квантовых состояний. В этой области Нобелевскую премию присудили совсем недавно, в 2016 году. Однако тогда речь шла о самом механизме защиты, а Китаев предложил использовать защищенные квазичастицы и майорановские фермионы в качестве кубитов и строить на их основе топологические квантовые компьютеры (которые, впрочем, пока не построены). Подробнее об этих идеях читайте в интервью самого Китаева нашему изданию.

Второй номинант — Марк Ньюман (Mark Newman) из Мичиганского Университета. Ньюман занимается моделированием сложных сетей и систем — фундаментальная задача, которую сам же Ньюман с коллегами применял к самым разным естественным системам, от лесных пожаров до образования коллабораций в научных сообществах.

Третьим в прогнозе значится Джорджо Паризи (Giorgio Parisi) из римского университета Ла Сапиенца. Паризи известен своими работами в области квантовой хромодинамики — он один из авторов пертурбативного уравнения ДГЛАП (но трое других авторов уже мертвы, а еще один, Юрий Докшицер, вывел уравнение независимо и позже остальных).

От редактора

В изначальной версии блога было сказано, что Паризи известен своими работами в области квантовой термодинамики. На самом деле уравнение ДГЛАП — пертурбативное уравнение квантовой хромодинамики, калибровочной теории для сильного взаимодействия элементарных частиц. Редакция приносит свои извинения.

В предыдущие несколько лет (2017, 2019 и 2020) Нобелевская премия по физике была «космической» с перерывом на прикладной 2018 год (тогда ее присудили за лазерные пинцеты). А значит, в этом году, возможно, стоит ждать чего-то «земного» — как в прямом, так и в переносном (то есть прикладном) смысле.

Химия

На премию по химии, по мнению аналитиков, тоже могут претендовать три одиночки. Первый из них работает на стыке с биологией — это Барри Холливелл (Barry Halliwell) из Медицинской школы Юн Лоо Лина в Сингапуре. Холливелл много лет изучал свободные радикалы и механизмы их нейтрализации у растений. В последнее время он переключился на роль свободных радикалов в старении и патогенезе разных болезней (например, нейродегенеративных).

Второй номинант Clarivate тоже связан с медициной. Уильям Йоргенсен (William Jorgensen) из Йельского Университета занимается вычислительной химией — то есть ищет способы смоделировать взаимодействие между молекулами. Он известен своими моделями реакций в водных растворах, а сейчас применяет компьютерные методы для разработки лекарств, в том числе, блокаторов обратной транскриптазы (их используют для лечения ВИЧ).

Третий номинант тоже занимается радикальными реакциями — но с точки зрения «чистой» химии. Мицуо Савамото (Mitsuo Sawamoto) из японского Университета Тюбу известен как открыватель реакции радикальной полимеризации с переносом атома. В отличие от многих реакций с участием свободных радикалов, которые являются цепными, в этой катализатор связывается с каждым мономером. Поэтому такую реакцию легко контролировать и останавливать, а значит, строить полимеры с высокой точностью.

Нобелевские премии по химии часто вручают за работы на стыке с биологией, тоже примерно через раз. Так произошло в 2018 и 2020 годах, когда их присудили за направленную эволюцию молекул и методы генетического редактирования. А вот в 2019 году премию присудили за литий-ионные аккумуляторы — и такую же, скорее химическую, чем биологическую, можно ожидать и на этот раз.

Экономика

Нобелевскую премию по экономике Clarivate предлагает присудить, во-первых, двум Дэвидам: Дэвиду Одречу (David Audretsch) из Университета Индианы и Дэвиду Тису (David Teece) из Калифорнийского Университета в Беркли. Оба они занимаются исследованием инноваций: того, как должен быть устроен процесс получения прибыли от них и того, как их стоит регулировать на уровне государства.

Второй номинации от аналитиков удостоился Джоэл Мокир (Joel Mokyr) из Северо-Западного университета в Иллинойсе. Его работы лежат на стыке с историей: он ищет объяснения и причины промышленной революции вне экономики, в области культуры. Свои размышления он собрал в монографии «Культура роста: истоки современной экономики» (A Culture of Growth: The Origins of the Modern Economy), в рецензии на которую ему уже пророчили Нобелевскую премию.

Третьим претендентом — точнее, парой претендентов — по версии Clarivate стали Кармен Рейнхарт (Carmen Reinhart) из Гарвардской школы Кеннеди и Кеннет Рогофф (Kenneth Rogoff) из Гарвардского университета. В отличие от многих других номинантов, свою знаменитую работу по макроэкономике они выпустили относительно недавно, в 2010 году. Они предложили гипотезу «90-процентного порога», согласно которой, когда внешний долг государства достигает 90 процентов от ВВП, скорость роста ВВП падает вдвое. Эту статью, с одной стороны, цитировали многие политики в США и Европе, обсуждая экономические стратегии государств, а с другой стороны — критиковали многие коллеги за методологические ошибки. Рейнхарт и Рогоффу пришлось повторить свои расчеты, и хотя точные результаты получились не такими, как в оригинальной статье, общие закономерности остались прежними.

Прогнозы Clarivate, вероятно, сбудутся не скоро. Какие-то, возможно, не сбудутся никогда — обычно компания угадывает лишь с парой кандидатов из всего списка. Тем не менее, стандарты, по которым их отбирают, остаются строгими: их статьи или выступления должны быть процитированы не менее двух тысяч раз. Это означает, что, вне зависимости от того, обратит на них внимание Нобелевский комитет или нет, исследовательское сообщество свой выбор уже сделало — и движется в этих направлениях, не дожидаясь 4 октября.

Мы не можем точно предсказать, какой будет погода хотя бы через неделю, но при этом с уверенностью можем говорить об изменении климата на годы вперед. И это не парадокс или досадный пробел в нашем понимании природы. Почему это так, разобрались лауреаты Нобелевской по физике в 2021 году. Ее поделили три человека: половина досталась Джорджо Паризи (Giorgio Parisi), остальные две четверти ушли климатологам Сюкуро Манабе (Syukuro Manabe) и Клаусу Хассельману (Klaus Hasselmann).

Нелинейный беспорядок

В 1977 году Нобелевскую премию по химии присудили Илье Пригожину — он показал, что в открытых термодинамических системах, далеких от состояния равновесия, могут сами собой возникать диссипативные структуры — устойчивые, но динамические элементы с заданной внутренней геометрией. Несмотря на видимую упорядоченность, они по природе своей случайны, поэтому и структура у них сложная, нелинейная, мультимасштабная и непредсказуемая. Суть диссипативных структур именно в их неравновесности — они могут возникать в совершенно разных по своей природе системах: например, неравномерно нагретом слое масла на сковородке, лазерах или структуре городов.

Атмосфера Земли — одна из подобных открытых неравновесных систем. В атмосфере одновременно протекает великое множество процессов на разных временных и пространственных масштабах. Они определяются огромным числом параметров: интенсивностью солнечного излучения, химическим составом атмосферы, отражательной способностью поверхности и так далее. В результате — индетерминизм и сложности с прогнозированием.


Циклон — классический пример диссипативной структуры

В реальности правила неравновесной термодинамики практически бесполезны — предсказательной способности у них никакой, они фактически говорят только о том, что беспорядок — это беспорядок. Описать и даже объяснить его можно, но нет никакой возможности сказать, в каком состоянии описанная сегодня система будет через сутки, четыре месяца или двадцать лет.

Если Пригожин показал, почему в неравновесных системах естественным образом возникает беспорядок, то нобелевские лауреаты 2021 года — как в этих беспорядочных системах можно на самом деле найти закономерности. Они научились смотреть на них правильно и увидели, что хаос расположился на уровне нашего, человеческого, взгляда. Сложность именно в том, как приподняться над ним и научиться искать в сложных неупорядоченных системах закономерности, которых в упор — не видно.

Снизу вверх

Джорджо Паризи, получивший сегодня половину премии, искал путь из бездны хаоса к порядку в прямом смысле снизу, с уровня микромира. Значительная часть работ ученого посвящена взаимодействию между элементарными частицами — он, в частности, один из соавторов пертурбативного уравнения хромодинамики, которое описывает сильное взаимодействие. Поэтому и на неравновесную систему он смотрел не как на физическую систему, которая описывается каким-то числом глобальных параметров — таких как температура, давление или скорость ветра, — а как на совокупность отдельных «элементарных неравновесностей».

Такой элементарной неравновесной ячейкой может быть система из трех атомов с ненулевым спином, зафиксированных в вершинах правильного треугольника. Если между этими атомами ферромагнитное взаимодействие, то спины всех трех будут направлены в одну сторону, и никаких проблем не возникнет. Но если взаимодействие антиферромагнитное, то они появляются: у двух атомов спины будут противоположными, а третий оказывается в неприятном положении. Оба возможных состояния будут для него одинаково невыгодны (или одинаково выгодны). Такая система из трех атомов будет фрустрированной — ее состояние будет определяться вероятностно.


Система из трех атомов с антиферромагнитным взаимодействием. Стрелками обозначены спины: два атома находятся в равновесии друг с другом. Третий не может находиться в равновесии с двумя другими одновременно

Система из множества таких «элементарных неравновесностей» — так называемые спиновые стекла, немагнитные материалы с включением одиночных магнитных атомов. В них ферромагнитное взаимодействие конкурирует с антиферромагнитным, из-за чего состояние каждого конкретного спина определяется статистически. Паризи доказал, что у спинового стекла (в отличие, например, от ферромагнетика) невозможно определить наиболее выгодное состояние — то есть оно находится в состоянии замороженного беспорядка.


Структура спинового стекла. Зеленые точки — атомы меди, красные — атомы железа

«Решения задачи поиска основного состояния спинового стекла не существует, потому что это NP-сложная задача. Для большой системы компьютер такую задачу решить не может, — говорит Алексей Рубцов, научный сотрудник кафедры квантовой электроники физфака МГУ. — Надо перебирать все возможные варианты, а их там 2 n . Это экспоненциальная задача — Паризи это доказал. Он понял, как устроен энергетический ландшафт в этой задаче».

Паризи ввел метрику, которая описывает беспорядок в спиновых стеклах как состояние, в котором возможно множество равновесий. Эта метрика работает не только для спиновых стекол. Решение оказалось применимым к нейронным сетям, гранулированным средам и лазерам c хаотической системой генерации. А также турбулентным системам и системам с нелинейным взаимодействием волн, на котором можно строить и климатические предсказания.

«Физики сравнительно поздно начали понимать, что бывают действительно нерешаемые задачи, — продолжает Рубцов, — которые решать не имеет смысла: чуть-чуть пошевелите условия задачи или параметры, и решение окажется сразу очень далеким от того, что вы нарешали. А есть задачи нерешаемые в том смысле, что за обозримое время минимум энергии найти нельзя. Например, спиновые стекла. Человек не очень хорошо воспринимает границы своего могущества. Надо совершить усилие мысли, чтобы понять, что где-то наши возможности ограничены».

Паризи учит нас: понять лес, созерцая отдельное дерево, — не сложно, а невозможно. Порядок есть только на соответствующем масштабе и ему никак не мешает хаос уровнем ниже. Поэтому искать закономерности и в турбулентности, и в погоде можно — но не на уровне определивания этих беспорядочностей, а на уровне статистики и их сосуществования в ансамбле.

Погода как шум

Остальные лауреаты, занимавшиеся физикой атмосферы, решили посмотреть на вопрос поиска закономерностей в беспорядочных неравновесных системах, максимально обобщая. Сюкуро Манабе посмотрел на динамику атмосферы и гидросферы на Земле не как на последовательность сменяющих друг друга отдельных состояний погоды, а как на единую глобальную систему.

В такой оптике видна разница между климатом и погодой. Климат — это лес. Гиперобъект, живущий в масштабе планеты и темпе десятилетий. Для него не существует дней, которыми измеряют свое время люди. Для него не существует погоды. Он просто меняется — медленно и квазиравновесно. А погода — отдельное дерево. Свойства соседних деревьев (погоды сегодня, вчера и позавчера) явно находятся в каком-то отношении друг к другу, но природу этой зависимости, переходя от дерева к дереву, понять невозможно.

Выбраться на уровень, где она наконец-то станет ясна, можно, отведя взгляд от погоды, как беспорядочного шума мимолетного сегодня, и переведя его на климат. Шум погоды мешает исследовать климат. Но у этого шума есть периодическая составляющая — ежедневные и сезонные колебания, и стохастическая составляющая — прямое следствие неравновесности системы, которая и мешает прогнозировать погоду на недели вперед.

Манабе показал, что если рассматривать климат под таким углом, то для него можно построить формальные физические модели, которые связывают динамику изменения климата в первую очередь с интенсивностью излучения Солнца и химическим составом атмосферы. Все это совершенно не годится для предсказания завтрашней погоды, но зато позволяет понять, как будет развиваться климат.

Физик построил одну за другой несколько численных моделей, все более и более сложных по своей структуре. Базовая модель Манабе — наследник классической модели Аррениуса, в которой атмосферная конвекция связывается с разницей в энергии излучения, которое добирается до поверхности Земли, и тем, что излучает планета.


«Однослойная» модель атмосферы Сванте Аррениуса, которую дорабатывал Манабе

Нобелевскую премию по химии 2021 года присудили за довольно маленькие молекулы. Причем некоторые из них совсем не новые — аминокислоту пролин, например, открыли еще в 1900 году. Но прелесть их не в новизне, а в том, как они смогли себя проявить уже в XXI веке. Рассказываем, для чего сегодняшним лауреатам пришло в голову их использовать и как это поможет избежать медицинских трагедий.

На рубеже 1950-х и 60-х годов тысячи европейских детей появились на свет с тяжелыми пороками развития. У кого-то был недоразвит пищевод или мочевой пузырь, другим не хватало ушных раковин, третьим — пальцев, локтей или голеней, а то и целых конечностей. Такие аномалии встречались особенно часто у тех, чьи матери в первый месяц беременности принимали талидомид — успокоительное средство, которое незадолго до этого вышло на рынок. А через полтора десятка лет выяснилось, что проблема не в принципе действия лекарства — а в том, что около трети молекул действующего вещества в каждой его таблетке были не той формы.

Злое отражение

Талидомид — одна из тех молекул, у которых зеркальное отражение не совпадает с ними самими (их называют хиральными). Состав у них одинаковый, но некоторые свойства — разные. В хиральности талидомида виноват один из атомов углерода, который входит в его состав. Этот углерод образует четыре одинарные связи, и все — с разными химическими группами. А у его зеркального отражения эти группы расположены в другой последовательности — как пальцы на правой и левой руках, которые одинаковы по строению, но следуют друг за другом в разном порядке.


Справа лекарство R-талидомид, слева его зеркальное отражение, токсин S-талидомид

Etsuko Tokunaga et al. / Scientific Reports, 2018

Смесь из двух вариантов талидомида получается естественным образом на производстве. Но в 1950-х годах никто не позаботился о том, чтобы ее разделить. А зря. Технически, зеркально отраженные молекулы талидомида (их называют оптическими изомерами или энантиомерами) — это то же самое вещество: идентичные наборы атомов объединены в одни и те же группы одними и теми же связями. Но из-за того, что у них разная форма, для клетки это две принципиально разные молекулы. Подобно тому, как левшам неудобно браться за ножницы, рассчитанные на правшей, клеточные белки по-разному связываются с «правыми» и «левыми» изомерами (их называют D- и L-) одного и того же вещества. В некоторых случаях это приводит к тому, что лекарство просто становится бесполезным. В случае с талидомидом оно превратилось в яд (другие примеры такого рода можно найти в нашем тесте «Убийца из зазеркалья»).

Через пять лет после выхода на рынок талидомид оказался под запретом в большинстве стран — а ученые остались разбираться с последствиями. Одни занялись подробным изучением его свойств (и впоследствии нашли способ применить его против рака и лепры), другие обновили стандарты клинических испытаний: теперь каждый препарат разработчики обязаны проверить на млекопитающих, причем на представителях нескольких отрядов, прежде чем давать его людям.

А химики взялись придумать, как сделать так, чтобы этого больше не повторилось. «Когда-то раньше, несколько десятилетий тому назад, лекарственные препараты можно было в такой энантиомерно нечистой форме применять — вспоминает в разговоре с N + 1 Валентин Анаников, заведующий лабораторией металлокомплексных и наноразмерных катализаторов Института органической химии РАН, — но это давно закончилось. После истории с талидомидом и еще пары не таких громких историй все лекарственные препараты должны быть хирально чистыми». Иными словами, нужно любой ценой добиваться того, чтобы при синтезе вещества получался только нужный изомер, а не его зеркальный двойник.

Надзор за формой

В живой природе контролем за хиральной чистотой обычно занимаются ферменты — поскольку именно они отвечают за превращения биологических молекул. Для того, чтобы ускорить, то есть катализировать эти превращения, ферментам служит активный центр — это карман сложной формы, в который заходят участники реакции. Собирая их вместе, фермент подталкивает вещества к тому, чтобы те вступили во взаимодействие, — в тесноте вероятность этого гораздо выше, чем если бы они просто плавали рядом в растворе. А в результате этого тесного взаимодействия образуется всегда один и тот же энантиомер.


Фермент лизоцим и его активный центр

Ratul Chowdhury et al. / AlChe Journal, 2019

Но использовать ферменты для синтеза лекарств очень непросто. Во-первых, они привыкли жить внутри клетки и не всегда соглашаются работать, например, при высоких температурах, которые бывают нужны для синтеза органических веществ в промышленном «котле». Во-вторых, их самих довольно сложно раздобыть — для этого приходится строить инкубаторы, заселять их генетически модифицированными клетками и ждать, пока они нарастят нужное количество фермента.

Еще больше времени может занять поиск фермента под конкретную реакцию. В природе никакого талидомида не существует, как не существует и многих других нужных людям лекарств — а значит, может не найтись и фермента, который смог бы их синтезировать. Приходится либо искать похожие реакции в клеточном обмене веществ, либо заставлять ферменты эволюционировать и надеяться, что они сделают это в нужном нам направлении (за метод направленной эволюции Нобелевскую премию по химии вручили в 2018 году, об этом наш текст «Игра в бога»).

Поэтому фармкомпаниям вместо капризных ферментов катализаторами, как правило, служат атомы металлов. Они могут объединяться в комплексы с органическими молекулами, умеют отдавать и принимать электроны, чем активируют участников реакции и побуждают их вступить во взаимодействие, чтобы восстановить электронный баланс. Но атомы металлов слишком малы и слишком симметричны, чтобы развернуть молекулу нужной стороной, — а значит, не способны проконтролировать хиральность продукта. На выходе получается смесь энантиомеров, которые нужно разделять, что тоже довольно сложно и затратно.

Эту проблему решили лауреаты Нобелевской премии по химии, которую вручили 20 лет назад: Уильям Ноулз, Рёдзи Ноёри и Барри Шарплесс. Они научились делать катализаторы из асимметричных органических молекул, соединенных с атомом металла: таким образом на выходе образовывался нужный энантиомер. Их разработки быстро нашли применение в фармацевтической промышленности, благодаря им удалось наладить производство леводопы — лекарства от паркинсонизма, в основе которого лежит L-аминокислота фенилаланин.

Но применение этой технологии не обходится без издержек для производителя: после того, как реакция закончилась и образовался продукт, смесь нужно очистить. «Очень много сложных лекарственных препаратов делается с катализом на палладии, — говорит Анаников, — это тяжелый металл, его примеси остаются [в препарате]. Естественно, никто не хочет покупать таблетки с палладием, это добром не кончится, поэтому надо чистить. А это очень дорого и тяжело».

Разбирая фермент

За пару лет до того, как Ноулз, Ноёри и Шарплесс получили свое приглашение на церемонию вручения Нобелевской премии, молодой биохимик Беньямин Лист решил выяснить, каким именно инструментом пользуются ферменты для контроля хиральности — вдруг получится у них его позаимствовать? Основная задача любого асимметрического катализатора — перенести информацию о хиральности на целевую молекулу. На первый взгляд, каталитическая способность ферментов должна полностью определяться тем, как устроены их активные центры.

Свои наблюдения ученый начал с фермента альдолазы и реакции, которую она катализирует: «пришивает» к ацетону ароматический альдегид. В качестве промежуточной стадии при этом образуется енамин, в котором атом азота находится рядом с двойной углерод-углеродной связью, а соседний с ним атом углерода — хиральный. Лист уже знал, как устроен активный центр альдолазы, и знал, что за образование енамина отвечает аминокислота L-пролин. Осталось понять, будет ли ее одной достаточно для катализа.


Реакция альдольной конденсации, для которой Лист искал хирализующий катализатор

«Конечно, там были сложности, — говорит Денис Чусов, старший научный сотрудник Института элементоорганических соединений РАН. — Потому что аминокислоты не очень хотят растворяться в органических растворителях. А в воде такие реакции проводить очень сложно: там тончайшие эффекты, которые вода, конечно, разобьет. Но когда получилось, он, конечно, сразу понял, что у него в руках и какое это открытие».

В другом растворителе, диметилсульфоксиде, Листу действительно удалось использовать хирально чистый L-пролин как катализатор — и сделать из нехиральных альдегида и кетона хирально чистый альдоль.

Получилось, что огромная молекула фермента и сложная геометрия активного центра совсем не обязательны, чтобы получить хирально чистый продукт. Для этого достаточно одной маленькой хирально чистой молекулы, которая образует промежуточный комплекс и делает катализ асимметрическим.

Хирализуя катализатор

В то же самое время Дэвид Макмиллан шел к похожей идее совсем с другой стороны. Он пытался позаимствовать принцип работы не у ферментов, а у маленьких молекул, известных катализаторов, которые на промежуточной стадии образуют временные комплексы с одним из реагентов.

Один из таких катализаторов, который часто используют и в промышленности, — это кислота Льюиса (например, AlCl3). Ни о какой хиральности применительно к хлориду алюминия говорить нельзя. Поэтому Макмиллан задался целью найти для кислоты Льюиса органический хиральный аналог.

В качестве модельной реакции Макмиллан его коллеги взяли реакцию Дильса — Альдера — присоединения к диену соединения с двойной связью. В качестве реагентов Макмиллан взял циклопентадиен и α,β-ненасыщенный альдегид.


Реакция Дильса — Альдера, для которой Макмиллан искал хирализующий катализатор

В результате такой реакции образуется бициклическое соединение, в котором к соседним атомам углерода напротив двойной связи присоединены альдегидная группа и радикал с противоположного хвоста альдегида. В зависимости от того, как эти группы развернуты относительно мостика бицикла, может получиться два различных энантиомера.

В качестве катализатора Макмиллан решил использовать циклический вторичный амин. Такой катализатор цепляется к альдегиду — получается иминий, ион, в котором положительно заряженный атом азота соединен двойной связью с одним из соседних атомов углерода. Ключевая идея работы Макмиллана — в том, что на промежуточном этапе такой реакции образуется хиральный комплекс, что приводит к асимметрии реакции.

Фактически Макмиллан пришел к тому же выводу, что и Лист: если в каталитической реакции образуется промежуточный комплекс с хирально чистым катализатором, то из нехиральных реагентов можно получить хирально чистый продукт. Но пришел к этой идее, вводя хиральность в известный механизм катализа.

Почти одновременно

Макмиллан отправил свою статью в журнал в январе 2000 года. В ней впервые появляется слово «органокатализ» — ученый тем самым подчеркивал, что не так важно, какую именно молекулу он сделал катализатором. По его мнению, гораздо важнее был сам принцип — что хиральная органическая молекула может передавать хиральность «по наследству» продуктам реакции, которую катализирует.

В этом отдельная ценность «нобелевских» статей Листа и Макмиллана. Ученым не всегда удается сформулировать сразу, почему феномен, открытый ими экспериментально, вообще так работает. Например, с Нобелевской премией 2005 года за реакцию метатезиса все было не так. «Реакцию нашли в 50-х годах еще, — вспоминает Чусов, — а механизм предложили только в 70-х. То есть люди использовали реакцию, заводы построили уже, применяли, но как это работает — совершенно непонятно было. А тут — когда [Лист и Макмиллан] нашли эту реакцию, они задумались, как это работает. И предложили очень простое объяснение — действительно, когда смотришь, то понимаешь, что так оно и должно быть».

Во введении к своей статье Макмиллан предсказал, что реакций, к которым можно применить обнаруженный им принцип, должно быть много — а значит, будет много и органических катализаторов. И тем самым предвосхитил статью Листа, которую даже опубликовали раньше, чем статья самого Макмиллана вышла в печать.

За следующие 20 лет органических катализаторов действительно стало больше. Многие фармкомпании уже зарегистрировали патенты на использование этого метода для создания самых разных лекарств: от повышенного давления и депрессии, воспаления и вирусного гепатита. Органический катализ мог бы сделать производство гораздо выгоднее и быстрее: например, синтез популярного лекарства от гриппа он ускорил в целых 30 раз. Правда, пока сложно сказать, насколько компании действительно пользуются этим методом. «Ученые, которые занимаются формально фундаментальной наукой, возможно прикладной — они не знают, что использует промышленность, — рассказывает Чусов. — Потому что промышленность стремится не раскрывать детали. Но общаясь с людьми, которые возглавляли R&D фармацевтических гигантов, я могу сказать, что в первую очередь они проверяют разработку Листа, по той причине, что это дешево, очень безопасно, и это можно мешками использовать».

Не прекратили своих исследований и Макмиллан с Листом. Например, Макмиллан соединил асимметрический органокатализ с окислительно-восстановительным фотокатализом. В результате получилась система, похожая на фотосинтез у растений — она преобразуют солнечный свет в химическую энергию. А Лист приспособил для катализа другие аминокислоты, хотя пролин до сих остается его любимцем: «Кстати, сладковатый на вкус, — поделился сегодня утром ученый, говоря об этом с журналистами, — как мое тогдашнее открытие».

Лист, кстати, тоже сегодня стал должником — правда, на сумму поменьше. «Когда я к нему ехал, — вспоминает Чусов, который сотрудничал с Листом несколько лет — я уже понимал, что он натворил в науке и что Нобелевская премия ему обеспечена. А он не очень верил. Мы с ним заключили пари, что в ближайшие 20 лет ему дадут премию. [Не знаю], вспомнит ли он, — смеется ученый, — но вообще спорили мы на 100 евро!»

Поправка

В первоначальной версии текста во второй цитате Дениса Чусова упоминалось, что Нобелевские лауреаты 2001 года открыли свою реакцию в 50-х годах, но не объяснили ее механизм. На самом деле, речь идет о лауреатах Нобелевской премии по химии 2005 года. Редакция приносит свои извинения.

Премию по физике получили сразу три человека — ученые из Италии, Германии и США. Двое из них оценили влияние человека на глобальное потепление, а третий — открыл неизвестные закономерности материалов с неупорядоченной структурой

Фото: Pontus Lundahl / TT News Agency / Reuters

Нобелевский комитет объявил лауреатов премии по физике 2021 года. Ими стали Сюкуро Манабе, Клаус Хассельман и Джорджо Паризи за «новаторский вклад в понимании комплексных физических систем», сообщается на сайте организаторов.

«Половина Нобелевской премии по физике присуждена Сюкуро Манабе, Клаусу Хассельманну, а другая половина — Джорджо Паризи», — говорится в объявлении о премии на сайте комитета.

Немецкий ученый Клаус Хассельманн и американец Сюкуро Манабе получили премию «за физическое моделирование климата Земли, количественный анализ вариаций и надежный прогноз глобального потепления».

Хассельманн работает в Институте метеорологии общества Макса Планка в Гамбурге, Манабе — в Принстонском университете в США. Им достанется по четверти от общей суммы в 10 млн шведских крон (примерно по $286,6 тыс.).

Манабе руководил разработкой физических моделей климата Земли в 1960-х годах, он был первым человеком, исследовавшим взаимодействие между радиационным балансом и вертикальным переносом воздушных масс. Он доказал, что повышенный уровень углекислого газа в атмосфере ведет в росту температуры на поверхности планеты. Его работа заложила основу для разработки современных климатических моделей.

Спустя десять лет Хассельманн создал модель, которая связывает воедино погоду и климат. Это позволило понять, что климатические модели могут быть надежными, несмотря на то что погода изменчива. Его методы также использовались, чтобы доказать связь потепления с ростом выбросов углекислого газа.

Фото: Christian Burri / Unsplash

Восемь способов загубить отпуск и как этого не допустить

Фото: Mark Kolbe / Getty Images

Как искать информацию о здоровье в интернете и не навредить себе

Как снять санкции с человека или компании. Пошаговая инструкция

Фото: Shutterstock

Как торговаться с китайцами — секреты переговоров

Фото: Michael Cohen / Getty Images for The New York Times

Дожить до 120 лет: зачем сооснователь PayPal принимает гормон роста

Фото: Oli Scarff/Getty Images

В Москве может освободиться 1,5 млн кв. м офисов: что с ними делать

Фото: Shutterstock

Акции Coinbase рухнули вслед за криптой. Стоит ли их покупать на просадке

Фото: Hannelore Foerster / Getty Images

Сможет ли еврозона сохранить единство перед лицом кризиса — The Economist

Итальянец Джорджо Паризи, работающий в римском университете «Сапиенца», получил премию «за открытие того, как беспорядочность и флуктуации взаимодействуют в физических системах — в масштабах от атомных до планетарных». Он получит половину премии — 5 млн крон, или $573,2 тыс.

Как пояснил Нобелевский комитет, Паризи примерно в 1980-м году открыл скрытые закономерности в материалах с неупорядоченной структурой. «Его открытия являются одними из самых важных вкладов в теорию сложных систем. Они позволяют понять и описать множество различных и очевидно совершенно случайных явлений не только в физике, но и в других, очень разных областях, таких как математика, биология, нейробиология и машинное обучение», — говорится на сайте премии.

Фото:Shutterstock

«Что касается первого исследования, то меня очень сильно удивляет, почему за это сейчас решили дать Нобелевскую премию. С одной стороны, это суперважно, потому что касается глобального потепления, того, грозит нам парниковая катастрофа или нет. С другой стороны, ситуация в этой области далека от ясности», — заявил РБК физик, астрофизик, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник НИИЯФ МГУ Александр Панов.

Он отметил, что обычно Нобелевскую премию давали за экспериментальные исследования, иногда за хорошо подтвержденные теоретические исследования. «В этом случае явно нет ни того, ни другого», — добавил он.

Тема, за исследования в которой выдали Нобелевскую премию, интересна, так как современное моделирование хотя и позволяет предсказывать события, но в простых системах, говорит доктор физико-математических наук, профессор, заместитель директора Института ядерной физики и технологий МИФИ Георгий Тихомиров. «Как только мы переходим к сложным системам, мы не можем хорошо прогнозировать. Как раз климат моделировать очень сложно, на него оказывает влияние множество факторов», — сказал он.

В прошлом году Нобелевская премия в области физики была присуждена Роджеру Пенроузу из Великобритании и Райнхарду Генцелю и Андреа Гез из США. Пенроуз получил половину денежного приза за открытие того, что «образование черных дыр служит надежным подтверждением общей теории относительности», а Генцель и Гез — остальную часть суммы за «открытие супермассивного компактного объекта в центре галактики».

Нобелевская премия по физике вручается с 1901 года. Самым первым лауреатом стал немец Вильгельм Конрад Рентген. Он получил награду за открытие рентгеновского излучения. С тех пор премию присудили более 200 ученым.

Накануне, 4 октября, были объявлены лауреаты Нобелевской премии в области физиологии и медицины. Ими стали американские ученые Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян «за открытие рецепторов температуры и прикосновения».

6 октября Нобелевский комитет назовет лауреатов премии по химии, 7 октября — по литературе. Лауреата премии мира объявят в Осло в пятницу, 8 октября. 11 октября будет присуждена премия по экономике.

Фото: Pontus Lundahl / TT / Keystone Press Agency / Global Look Press

Физическое моделирование климата Земли, за которое дали Нобелевскую премию по физике, является очень сложным, поскольку на него оказывает влияние множество факторов. Об этом рассказал РБК доктор физико-математических наук, профессор, заместитель директора Института ядерной физики и технологий МИФИ Георгий Тихомиров.

Ранее Нобелевский комитет объявил лауреатов премии по физике 2021 года. Ими стали Сюкуро Манабе, Клаус Хассельман и Джорджо Паризи за «новаторский вклад в понимание комплексных физических систем». Хассельман и Манабе получили премию «за физическое моделирование климата Земли, количественный анализ вариаций и надежный прогноз глобального потепления», а Паризи — «за открытие того, как беспорядочность и флуктуации взаимодействуют в физических системах — в масштабах от атомных до планетарных».

«Тема реально интересная, потому что современное моделирование, с одной стороны, вроде бы позволяет предсказывать события, но в простых системах. Как только мы переходим к сложным системам, мы не можем хорошо прогнозировать. Как раз климат моделировать очень сложно, на него оказывает влияние множество факторов», — пояснил он.

Фото:Pontus Lundahl / TT News Agency / Reuters

Физик, астрофизик, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник НИИЯФ МГУ Александр Панов, в свою очередь, выразил недоумение, почему премия за физическое моделирование климата Земли присуждена только сейчас. «Меня очень сильно удивляет, почему за это сейчас решили дать Нобелевскую премию. С одной стороны, это суперважно, потому что касается глобального потепления, того, грозит нам парниковая катастрофа или нет. С другой стороны, ситуация в этой области далека от ясности», — рассказал он.

По его словам, на сегодняшний день существуют несколько десятков климатических моделей, и все они дают прогнозы к концу столетия от потепления на пару градусов до полной климатической катастрофы. «Обычно Нобелевскую премию давали за ясные экспериментальные исследования, иногда за хорошо подтвержденные теоретические исследования. В этом случае явно нет ни того, ни другого. Проверить правильность той или иной модели можно будет только через 100 лет», — подытожил ученый.

Говоря о второй части премии, присужденной Паризи «за открытие того, как беспорядочность и флуктуации взаимодействуют в физических системах — в масштабах от атомных до планетарных», по мнению Тихомирова, это также является важным исследованием. «Возможно, это исследование о том, что взаимодействие твердых тел, например планет, может привести к цепочке случайных событий. Планеты и метеориты так расположились, что одно из небесных тел, например, приобрело кинетическую энергию и вылетело за пределы Солнечной системы. Конечно, это тоже важное исследование», — сказал он.

Фото: Joe Raedle / Getty Images

Приятели с первого нюха: как мы находим друзей и почему это так сложно

На рынке PR — деформация: специалисты просят миллионы ни за что

Фото: Oli Scarff/Getty Images

В Москве может освободиться 1,5 млн кв. м офисов: что с ними делать

Фото: Christian Burri / Unsplash

Восемь способов загубить отпуск и как этого не допустить

Фото: Shutterstock

Как торговаться с китайцами — секреты переговоров

Эффект теломер. Революционный подход к более молодой, здоровой и долгой жизни

Фото: Kevin Dietsch / Getty Images

Фастфуд и зарядка для мозга: как держит себя в форме Уоррен Баффетт

Налоговые споры: на что обратить внимание прямо сейчас

Фото: Jessica Gow / EPA / ТАСС

Как пояснил Нобелевский комитет на своем сайте, исследования Манабе и Хассельмана заложили основу наших знаний о климате Земли и о том, как человечество влияет на него. В тоже время открытия Парази «являются одними из самых важных вкладов в теорию сложных систем». «Они позволяют понять и описать множество различных и совершенно случайных явлений не только в физике, но и в других, очень разных областях, таких как математика, биология, нейробиология и машинное обучение», — уточнили в комитете.

Нобелевская премия по физике вручается с 1901 года. Самым первым лауреатом стал немец Вильгельм Конрад Рентген. Он получил награду за открытие рентгеновского излучения. С тех пор премию присудили более 200 ученым.

Днем ранее были объявлены лауреаты Нобелевской премии в области физиологии и медицины. Ими стали американские ученые Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян «за открытие рецепторов температуры и прикосновения».

Нобелевский комитет 6 октября назовет лауреатов премии по химии, 7 октября — по литературе. Лауреата премии мира объявят в Осло в пятницу, 8 октября. Премия по экономике будет присуждена 11 октября.

Автор статьи

Куприянов Денис Юрьевич

Куприянов Денис Юрьевич

Юрист частного права

Страница автора

Читайте также: