VIVOS VOCO: Лауреаты Нобелевской премии 2001 года

Лауреаты Нобелевской премии 2001 года

По физике - Э.Корнелл, В.Кеттерле, К.Вайман

Шведская Королевская академия наук присудила Нобелевскую премию 2001 г. по физике работающим в США ученым Э.Корнеллу, В.Кеттерле и К.Вайману “за экспериментальное обнаружение конденсации Бозе-Эйнштейна в разреженных газах щелочных металлов и фундаментальные исследования свойств конденсата”.

Эрик Корнелл (Eric A.Cornell) родился в 1961 г. в Пало-Альто (штат Калифорния). В 1985 г. закончил Станфордский университет, в 1990-м защитил диссертацию по физике в Массачусетсском технологическом институте, Кембридж. С 1992 г. - старший научный сотрудник Национального института стандартов, с 1995-го - профессор физического факультета Университета штата Колорадо, Боулдер.

Вольфганг Кеттерле (Wolfgang Ketterle) родился в 1957 г. в Гейдельберге. Высшее образование по физике получил в Техническом университете, Мюнхен (1982), докторскую степень - в Университете им.Людвига Максимилиана, Мюнхен, и в Институте квантовой оптики им.Макса Планка (1986). С 1990 г. работает в Массачусетсском технологическом институте (в 1997 г. стал профессором), оставаясь гражданином Германии.

Карл Вайман (Carl E.Wieman) родился в 1951 г. в Корваллисе (штат Орегон). Ученая степень по физике присуждена в 1977 г. в Станфордском университете. С 1987 г. - профессор физики Университета штата Колорадо.

С тех пор как Альберт Эйнштейн 75 лет назад предсказал новое интересное явление, история его изучения была очень непростой. В 1924 г. Эйнштейн сделал первый весьма неординарный шаг: перенес статистику, предложенную индийским физиком Шатьендранатом Бозе для фотонов, на материальные частицы. В следующем году, анализируя поведение системы таких частиц, Эйнштейн обнаружил, что в ней возможно явление, которое сейчас получило название конденсации Бозе-Эйнштейна. Оно сводится к следующему: при очень низкой, но конечной температуре макроскопическое число атомов или молекул заполняет один энергетический уровень, соответствующий нулевому импульсу, причем число частиц на этом уровне оказывается сравнимым с полным числом частиц в системе. Термин “конденсация” происходит из некоторой аналогии с процессом конденсации газа в жидкость, хотя эти явления различны - конденсация Бозе-Эйнштейна происходит в пространстве импульсов, а распределение частиц в обычном, координатном, пространстве не меняется.

Утверждение Эйнштейна нетривиально по двум причинам. Во-первых, рассматривается газ невзаимодействующих частиц. Во-вторых, речь идет о конечной температуре, и в этом случае естественно думать, что все частицы “размазаны” по разным энергетическим состояниям. Не случайно после опубликования данной работы очень крупные физики-теоретики высказывали сомнения в ее достоверности. Достаточно вспомнить Дж.Уленбека, который считал этот результат артефактом, или П.Эренфеста, близкого друга Эйнштейна, который писал в своем письме последнему, что предсказанное им явление неявно предполагает наличие взаимодействия между частицами. В ответном письме Эйнштейн признавал, что это, по-видимому, так, и он затрудняется это интерпретировать, но не сомневается: конденсация - прямой результат статистических свойств газа независимых частиц. Чтобы понять, почему возникали такие сомнения, надо упомянуть ряд обстоятельств. К тому моменту еще не существовало двух статистик, которые мы теперь знаем под именами Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака, т.е. не было раздельного описания для частиц с целочисленным спином (первая статистика) и полуцелым спином (вторая). Не было и осознания решающего факта, что в квантовой механике волновая функция, соответствующая двум или более идентичным частицам, при перестановке их местами не должна меняться (статистика Бозе-Эйнштейна) или, наоборот, должна менять знак (статистика Ферми-Дирака). Именно эта обязательная симметризация - исключительно нетривиальное обстоятельство - фактически вводит некое виртуальное взаимодействие между частицами в случае, когда непосредственного, силового взаимодействия между ними нет. Бозе-эйнштейновская конденсация часто называется просто бозе-конденсацией, хотя в работе Бозе о конденсации нет ни единого слова (он рассматривал газ равновесных фотонов, где это явление отсутствует).

В 1938 г. Ф.Лондон выдвинул смелую гипотезу, согласно которой сверхтекучесть обязана своим существованием конденсации Бозе-Эйнштейна. У этого утверждения также любопытная история. Л.Д.Ландау, приступив к построению теории сверхтекучести, сразу показал, что в газе невзаимодействующих бозонов критическая скорость равнялась бы нулю и поэтому сверхтекучесть наблюдать было бы невозможно. Теория, созданная им еще до войны, не использовала явно представления о бозе-эйнштейновской конденсации и казалась вполне завершенной. Однако уже после войны Р.Фейман обратил внимание на то, что теория Ландау неявно предполагает симметризацию волновой функции ансамбля частиц, подчиняющихся статистике Бозе-Эйнштейна, и тем самым конденсацию. Только в этом случае критерий Ландау для сверхтекучести не вызывает сомнения. В результате общая картина явления предстала законченной, и физическая идея о бозе-конденсации стала широко использоваться в самых разных областях физики. Помимо сверхтекучести жидкого гелия, на ее основе стали объяснять сверхпроводимость, она начала применяться в ядерной физике, во многих разделах физики твердого тела и т.д.

Однако всегда имелись в виду следствия этого явления, а прямого экспериментального наблюдения непосредственно самой конденсации до 1995 г. не было. Это обстоятельство не случайно: чтобы ее наблюдать, необходимо иметь газ при фантастически низких температурах. В первых экспериментах температура была в 10 млрд раз ниже комнатной, а ведь даже при температуре около 1 К любые вещества становятся твердыми (единственное исключение - гелий, остающийся жидким). Рассчитывать, что при такой температуре может существовать газ, просто невероятно. Поэтому речь могла идти только о метастабильном состоянии, т.е. о том, чтобы искусственно приготовить газ, который “жил” бы достаточное для эксперимента время. Но тут же возникает и вторая проблема: этот газ не должен взаимодействовать со стенками сосуда, который его удерживает, поскольку при таких температурах любое взаимодействие со стенками разрушит метастабильное состояние.

Итак, необходимо иметь, с одной стороны, рекордно низкие температуры, а с другой - систему, в которой газ не имеет контакта со стенками. Последнее препятствие было преодолено таким образом: роль сосуда играло магнитное поле определенной конфигурации. В так называемой магнитной ловушке частицы с магнитным моментом при достаточно низкой температуре испытывают фактически только отражение от магнитной “стенки”, т.е. никакого реального физического контакта нет, и газ существует в системе с абсолютно отражающими стенками. Получить же столь низкие температуры (это была фундаментальная проблема) удается лишь в два этапа. На первом используется метод лазерного охлаждения. Если поток фотонов падает на взаимодействующие с ним атомы и рассеивается, то импульс фотонов передается последним. При этом частицы, двигающиеся навстречу фотонам, получают импульс в противоположном направлении, т.е. происходит их замедление. Заставить взаимодействовать с фотонами нужную группу атомов можно, подбирая соответствующим образом частоту лазера - так, чтобы она резонансно совпала с частотой поглощения фотона атомом, зависящей из-за эффекта Доплера от его движения. Четыре года назад работы по лазерному охлаждению получили Нобелевскую премию (С.Чу, К.Коэн-Таннуджи, У.Д.Филлипс), и столь высокая оценка, по моему мнению, была обусловлена именно тем, что оно было использовано при охлаждении газов для достижения бозе-конденсации. Таким образом удается эффективно охладить до 10^–4-10^–5К довольно большое число атомов, однако эти температуры все еще недостаточны для поставленной цели.

Чтобы до конца охладить систему, нужен второй этап, и им стало так называемое испарительное охлаждение. Если внутри какого-нибудь сосуда с барьерами находятся атомы, то наиболее горячие атомы или, как говорят, максвелловские хвосты распределения преодолевают барьер, а те, которые имеют более низкую энергию, через барьер выйти не могут. Поэтому со временем, за счет “обрезания” этих “хвостов”, происходит понижение температуры в системе. Если уменьшить высоту барьера, через него уйдут и другие частицы, обладающие уже меньшей энергией. Так, постепенно понижая барьер, можно достичь исключительно низких температур, сохраняя при этом достаточно большое количество частиц в системе. Этот метод был развит еще до исследований лауреатов, но они усовершенствовали его, используя для “обрезания хвостов” парамагнитный резонанс. Поскольку в данном случае частицы удерживаются в магнитной ловушке, можно, подавая переменное поле, “приоткрывать” ловушку тем из них, для которых выполнено условие парамагнитного резонанса, вызывая их ускоренный уход. Снижая по мере отсева горячих атомов частоту электромагнитного поля, можно постепенно “срезать” слои теплых частиц. Сочетание лазерного охлаждения и ускоренного испарения позволило достичь температуры в 10^–8К, и к 1995 г. в двух лабораториях был получен газ, который, с одной стороны, имел такую низкую температуру, а с другой - достаточно большое количество частиц. В лаборатории JILA, объединенного исследовательского центра Национального института стандартов и Колорадского университета, охлаждение было выполнено для 2000 атомов рубидия, а в Массачусетсском технологическом институте - для еще большего числа (порядка 10⁵) атомов натрия.

Надо отметить, что еще за 15 лет до этого начались эксперименты с атомарным водородом, и к настоящему моменту удалось наблюдать бозе-конденсацию в этом газе, но уже позднее, чем в рубидии и натрии. Выбор водорода был не случаен, поскольку из всех элементов он обладает минимальной массой, а температура перехода в состояние с бозе-конденсатом обратно пропорциональна массе, т.е. при заданной плотности температура перехода для водорода максимальна. Достичь его бозе-конденсации рассчитывали, работая с атомарным газом в сильном магнитном поле. Известно, что, если два атома водорода имеют параллельные спины, т.е. находятся в триплетном состоянии, они не объединяются в молекулу. Молекула получается только при противоположно направленных спинах (образующих синглет). Поэтому идея казалась очень простой: наложить сильное магнитное поле (в экспериментах оно было порядка 100 тыс. эрстед) в сочетании с низкой температурой. При этом атомарный водород оказывается поляризованным практически на 100% и рекомбинация с образованием молекул должна быть подавлена. В этих условиях можно попытаться повысить плотность и достичь бозе-конденсации. Однако ожидания не оправдались. Проведенный в нашем теоретическом отделе детальный анализ выявил существование специфического канала трехчастичной рекомбинации даже при полной поляризации газа в “чистом” состоянии, когда спин протона параллелен электронному спину (при этом отсутствует так называемое обменное взаимодействие). Поэтому продвинуться в сторону очень больших плотностей не удастся даже при сверхсильном магнитном поле. Данное предсказание получило экспериментальное подтверждение одновременно в нескольких лабораториях, что предопределило изменение программы исследований в направлении более низких плотностей и температур. В этих исследованиях впервые было использовано испарительное охлаждение. Таким образом, у исследований, связанных с атомами щелочных металлов, существует предыстория, хотя эксперименты, в которых были достигнуты такие фантастические температуры при полной изоляции газа, стали абсолютным прорывом.

Почему были выбраны именно натрий и рубидий? По двум причинам. Во-первых, они представляют собой простейшую систему: щелочные металлы, как и атомарный водород, имеют один электрон на внешней оболочке и, следовательно, имеют спин и магнитный момент (все удержание происходит в магнитных ловушках, которые “держат” незаряженные частицы за счет взаимодействия атома, обладающего магнитным моментом, с магнитным полем). Необходимое качество присутствует у всех трех упомянутых элементов. Во-вторых, щелочные элементы, уже в отличие от водорода, имеют подходящие частоты переходов, соответствующие сравнительно стандартным лазерам. Оказалось возможным получить мощные лазеры, необходимые для охлаждения и дальнейших манипуляций с газом в ловушке (все манипуляции происходят оптически: в объем газа ввести ничего материального нельзя, иначе среда сразу погибнет). В результате атомы щелочных металлов оказались наиболее удачными объектами для экспериментального достижения бозе-конденсации.

Магнитная ловушка здесь представляет собой некое внешнее по отношению к газу поле параболической формы (в общем случае - анизотропное, с параболическим законом изменения вдоль координат). В этом кроется некоторое отличие от модели, проанализированной Эйнштейном, где рассматривалась потенциальная яма прямоугольной формы (“ящик”), для которой нижнему энергетическому уровню отвечает состояние с нулевым импульсом. Но если яма параболическая, самый нижний уровень находится около дна этой ямы, причем очень близко к нему (масса велика, и поэтому нулевые, или квантовые, колебания имеют очень малую энергию). Тогда возникает исключительно высокая плотность (концентрация) частиц: они накапливаются на уровне, который существует в пространственно ограниченной области. Таким образом, если есть явление бозе-конденсации, то происходят одновременно конденсация и на нижнем уровне в энергетическом пространстве, и в нормальном пространстве, вблизи дна магнитной ловушки. А значит, появляется возможность обнаружить процесс экспериментально, по контрасту плотности газа: газ, имеющий конечную температуру, обладает крайне низкой плотностью, а газ, который начал бозе-конденсироваться, создает сравнительно плотное ядро, и это можно заметить оптически. Если же ловушку “убрать”, газ начнет разлетаться, причем атомы с конечной температурой - быстро, а те, которые находятся в бозе-конденсированном состоянии (температура их всегда равняется нулю), - только благодаря слабому взаимодействию между собой. Это самый лучший способ обнаружить, что есть две совершенно разные группы атомов. Фактически такими и были первые эксперименты, доказывающие реализацию бозе-конденсации.

Мне довелось присутствовать на конференции, на которой еще до публикации докладывались результаты с рубидием (группа в JILA опередила на несколько месяцев группу Массачусетсского технологического института). Поскольку это было уже не виртуальное, а реальное утверждение, результаты выглядели столь сенсационно, что вся конференция прошла в попытках выявить, насколько достоверны результаты. Участники боялись, что желаемое выдается за действительное. Однако все доказательные аргументы были представлены, и публикации 1995 г. стали основой для дальнейшего развития работ в этом направлении. За прошедшие с тех пор годы в области, называемой бозе-эйнштейновской конденсацией, прогресс огромен, в первую очередь благодаря исследованиям именно этих двух групп, хотя сейчас уже более десятка других коллективов изучают разные аспекты этого явления. Группы под руководством лауреатов не только обнаружили бозе-конденсат, но и представили научной общественности фантастический набор экспериментальных результатов. Было доказано, что образуется действительно когерентная система. Так, если дать возможность двум конденсатам перекрыться (т.е. создать сначала два изолированных конденсата, а затем “снять” магнитные ловушки, чтобы атомные облака могли перекрыться), наблюдается яркая интерференционная картина. Она демонстрирует, что макроскопический конденсат описывается на уровне волновой функции, а не на уровне представлений о плотности частиц, и именно поэтому два конденсата испытывают интерференцию так же, как, например, две оптические волны.

Другим свидетельством когерентности и возникновения внутренних квантовых корреляций было экспериментальное обнаружение предсказанного в нашей группе эффекта замедления всех неупругих процессов в конденсате. Наиболее выразительна в этом смысле рекомбинация - поскольку конденсат является метастабильным состоянием, он со временем должен распасться, образуя молекулы. Но для образования молекулы надо, чтобы столкнулись три частицы. Предсказание заключалось в том, что в бозе-конденсате вероятность такого процесса уменьшается в шесть раз. Можно провести эксперимент: сначала измерить скорость рекомбинации в газе при температуре выше температуры перехода, а затем охладить его и снова измерить скорость рекомбинации. Этот эффект, который сейчас называют эффектом “одной шестой”, был впервые обнаружен той же группой в JILA.

Другое исключительно интересное явление, которое удалось наблюдать, - сверхтекучесть системы после того, как возникла бозе-конденсация. Это совсем не очевидное событие: известная сверхтекучесть гелия (⁴He) имеет место при расстояниях между частицами порядка обычного атомарного размера, а бозе-конденсат - это разреженный газ (его плотность не превышает 10¹⁵ см^–3 - на много порядков величины меньше, чем 10²² см^–3 в случае гелия). И все же в очень сильно разреженном газе возникает сверхтекучесть. Экспериментально проверяется это так: если перемещать какой-то объект (в данном случае - луч лазера) с малой скоростью, сначала ничего не происходит, но если превысить некоторую критическую скорость, начинается рождение возбуждений в системе, и система разогревается со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Следующий шаг - обнаружение квантовых вихрей, которые были известны для сверхтекучей жидкости и для сверхпроводников. Сейчас можно наблюдать оптически, как возникает завихренное движение в газе. Причем уже достигнуты такие условия, когда образуется решетка вихрей типа решетки А.А.Абрикосова, предложенной для сверхпроводников (система вихрей, взаимодействующих между собой и выстраивающихся в правильную решетку). В этом году возникло новое направление, связанное с наложением на конденсат оптической решетки. Последняя образуется лазерными пучками одинаковой энергии и противоположного направления, формирующими стоячую волну в газе. Становится возможным изучать бозе-газ, помещенный в одно-, двух- и трехмерную решетку, менять высоту барьера, плотность частиц, и многие другие параметры, которые трудно моделировать при изучении, например, движения электронов в периодическом потенциале кристалла. Теперь возникла возможность последовательно изучать фазовые переходы для конденсата в кристалле, влияние размерности на флуктуации фазы, роль взаимодействия и возбуждений в туннелировании конденсата и другие процессы, составляющие фундамент мезоскопической физики.

Итак, новая область вышла на уровень, когда исследуется не только само явление в разных его аспектах, но и изучаются самые тонкие особенности, связанные с макроскопическими квантовыми системами. С помощью бозе-конденсации газов можно получить атомарный лазер. Оптический лазер, как известно, - это устройство, в одном квантовом состоянии которого накапливается большое количество фотонов, имеющих идентичную поляризацию и фактически одно направление движения. Такую же картину мы наблюдаем у атомов, испытавших бозе-конденсацию. Все они находятся в одном энергетическом состоянии, и если они обладают спином, он тоже у всех направлен одинаково. И поэтому, если выпустить пучок таких атомов из ловушки (например, за счет падения под действием силы тяжести), он будет эквивалентен лазерному, т.е. появится когерентный пучок идентичных атомов, очень хорошо коллимированный. Таким образом получаем совершенно новое устройство с длиной волны, которая определяется для частиц длиной волны де Бройля. Этот атомарный лазер может эффективно использоваться для создания и изучения микро- и наноструктур, потому что по длине волны соответствует масштабам этих систем. В плане практических приложений лауреаты также рассчитывают, что благодаря их экспериментам будет достигнут прогресс в создании атомных часов с уникальной точностью.

Суммируя сказанное, можно уверенно заявить: Нобелевской премией были отмечены выдающиеся работы, которым суждено сыграть существенную роль в современной науке.

По химии - У.Ноулс, Р.Нойори, Б.Шарплесс

Нобелевская премия по химии за 2001 г. присуждена трем химикам “за достижения в области каталитического асимметричного синтеза”, причем американец У.Ноулс и японец Р.Нойори удостоены этой высокой награды “за разработку хирально катализируемых реакций гидрирования”, а третий лауреат - американец Б.Шарплесс - “за разработку хирально катализируемых реакций окисления”. Премиальная сумма в 10 млн шведских крон разделена Нобелевским комитетом не поровну: одну половину получили Ноулс и Нойори, а другую - Шарплесс.

Уильям С. Ноулс (William S. Knowles) родился в 1917 г. в Соединенных Штатах Америки. Степень доктора наук получил в 1942 г. в Колумбийском университете, до ухода на пенсию (1986) работал в фармацевтической фирме “Monsanto Company” (г. Сент-Луис, штат Миссури).

Риёдзи Нойори (Ryoji Noyori) родился в г. Кобе в 1938 г. Доктором наук стал в 29 лет, когда работал в Университете г. Киото, с 1972 по 2000 г. занимал должность профессора химии в Университете г. Нагойя; сейчас он - директор Исследовательского центра наук о материалах при этом же университете.

К.Барри Шарплесс (K. Barry Sharpless) родился в 1941 г. в Филадельфии (штат Пенсильвания, США). Защитил докторскую диссертацию в Станфордском университете (1968), с 1990 г. - профессор Скриппсовского исследовательского института в Ла-Холья (штат Калифорния).

Работы нобелевских лауреатов связаны c синтезом органических соединений, молекулы которых различаются только взаимным расположением атомов в пространстве, поэтому их называют стереоизомерами. Некоторые из них проявляют оптическую активность: один изомер вращает плоскость поляризации света вправо, а другой влево. Структуры этих оптических антиподов соотносятся как предмет и его зеркальное отражение или как правая рука и левая. Такие изомеры именуют также зеркальными и хиральными (от гр. ceir - рука). По принятой сейчас абсолютной номенклатуре левовращающие изомеры обозначаются буквой S, а правовращающие - R. Правда, для оптических изомеров аминокислот и углеводов нередко употребляются первоначальные обозначения - L и D.

Изучению оптической асимметрии молекул были посвящены еще первые работы Л.Пастера (1848). Именно он показал, что различия в оптической активности кристаллов винной кислоты обусловлены присутствием двух асимметричных форм.

В 1874 г. голландский химик Я. Х. Вант-Гофф и его французский коллега Ж. А. Ле Бель предложили объяснение оптической изомерии органических соединений наличием в них центрального атома углерода, вокруг которого, как по углам тетраэдра, располагаются четыре разные группы. (Кстати, Вант-Гофф был удостоен Нобелевской премии в год ее учреждения, правда, за другие открытия.) Это объяснение и стало основой стереохимии, которая сейчас проникла уже в биохимию, биофизику, молекулярную биологию. Теперь известно, что из зеркально-симметричных молекул построены все биополимеры: в состав пептидов и белков, например, входят только левовращающие аминокислоты (L-форма), а сложные углеводы и нуклеозиды (мономеры ДНК и РНК) включают лишь правовращающие сахара (D-изомеры). Иными словами, природные соединения хирально чисты. Именно такая чистота лежит в основе матричного синтеза, ферментативного катализа, иммунных реакций, т.е. всех биохимических процессов, где требуется узнавание одних молекул другими. Отсюда следует важный вывод: если природе свойственна избирательность в отношении оптических антиподов, то лекарственные препараты на основе органических молекул тоже должны быть хирально чистыми. Таким образом, задача синтетиков - получать лишь одну зеркальную форму, один нужный энантиомер.

Зеркальные изомеры аминокислоты аланина.

Структурные элементы,
из которых У.Ноулс
синтезировал катализатор для асимметричного гидрирования

Однако осуществить такой синтез весьма не просто, поскольку в ходе его с равной вероятностью образуются обе формы. Эту трудность успешно преодолел Ноулс. В 1968 г. он обнаружил, что можно получать требуемый изомер, если использовать для синтеза оптически активный катализатор. Идея создать его была основана на двух работах других исследователей. Английский химик Дж.Уилкинсон, занимавшийся металлоорганическими соединениями “сэндвичевого” строения, за которые он вместе с Э.Фишером получил Нобелевскую премию в 1973 г., синтезировал растворимый в воде комплекс трифенилфосфинородийхлорид [Rh(Ph₃P)₃]Cl. Это соединение с переходным металлом не обладало оптической активностью, но катализировало реакции гидрирования - присоединение атома водорода. Когда Хорнер и Мислоу заменили в трифенилфосфине одну фенильную группу на метильный остаток, а другую на этильный, они получили оптический изомер фосфина. После этого Ноулс и предположил, что, заменив трифенилфосфиновую группу в металлокомплексе Уилкинсона на энантиомер Хорнера и Мислоу, можно получить зеркально-симметричные формы катализатора, который в реакциях гидрирования будет превращать оптически неактивный реагент (субстрат) в лево- или правовращающий продукт реакции.

Эксперименты Ноулса по катализу асимметричного гидрирования оказались успешными и открыли новое поле исследований как в академической науке, так и в промышленном синтезе. Индустриальное получение аминокислоты L-ДОФА (диоксифенилаланина), которую начали применять для лечения паркинсонизма, тоже плод достижений Ноулса. Вместе с коллегами он перебрал энантиомеры фосфинов разной структуры, прежде чем создать нужный катализатор, а получив его, быстро достиг желаемого результата. В “Monsanto Company”, где работал Ноулс, по его способу стали синтезировать L-ДОФА в промышленных масштабах, причем выход конечного продукта достигал 97.5 %.

Схема реакции, по которой получают левовращающий изомер диоксифенилаланина (ДОФА),
применяемого для лечения паркинсонизма.

Дальнейшая разработка каталитического асимметричного синтеза принадлежит японскому химику Р.Нойори. К 1980 г. он уже создал оба стереоизомера катализатора, в котором родий связан уже с другим лигандом - динафтилдифенилфосфином. C той поры можно было получать нужный энантиомер требуемой аминокислоты с выходом, приближающимся к 100%. Этот же лиганд с начала 80-х годов используется компанией “Takasago International” для промышленного синтеза ментола.

Схема стереоселективного восстановления кетона.
С помощью разработанного катализатора, в который Нойори включил рутений и
оптически активный лиганд динафтилдифенилфосфин,
эфир кетокислоты восстанавливается до эфира оксикислоты,
а выход требуемого энантиомера составляет 99.5%.

Однако Нойори видел необходимость конструирования катализатора, который был бы пригоден для гидрирования более широкого круга соединений. Добиться этого ему удалось, когда переходный металл родий был заменен на рутений. Созданный катализатор обеспечивал присоединение атома водорода по месту разрыва двойной связи в органических соединениях разных классов и вполне годился для промышленного синтеза энантиомеров многих веществ. Так была впервые получена R-форма двухатомного спирта 1,2-пропандиола (1,2-пропиленгликоля), который необходим для индустриального синтеза антибиотика левофлоксацина. За счет подобных реакций в фармацевтической промышленности начали производить и другие антибиотики. Катализаторы Нойори нашли применение в синтезе оптически чистых химических веществ, лекарственных препаратов и неизвестных до его открытий материалов.

Бок о бок с работами по каталитическому синтезу энантиомеров в реакциях гидрирования шли исследования Б.Шарплесса, который занимался созданием оптически активного катализатора для реакций другого типа - окислительных. И такой катализатор - комплексное соединение, содержащее титан в качестве переходного металла и оптический изомер диэтилового эфира винной кислоты в качестве лиганда, - был синтезирован. В 1980 г. Шарплесс провел серию успешных экспериментов, приведших его к практическому воплощению каталитического окисления оптически неактивного аллилового спирта до R-изомера глицидола с выходом 95%.

Схема окисления аллилового спирта с помощью титанового катализатора, разработанного Б.Шарплессом.

Открытый Шарплессом метод получения эпоксидных стереоизомеров многие ученые считают наиболее важным достижением за последние несколько десятилетий. Это вполне понятно, так как эпоксиды служат промежуточными продуктами во многих типах промышленного синтеза. Эпоксиглицидол, например, используется в фармацевтической индустрии для получения бета-блокаторов, необходимых в кардиологии. Чрезвычайно важен метод Шарплесса и для академических исследований, поскольку позволяет получать разные структурные варианты из одного и того же исходного продукта.

Достижения нобелевских лауреатов 2001 г. неоценимы для совершенствования индустрии по синтезу многих лекарственных препаратов, ароматизирующих веществ, подсластителей и даже инсектицидов. Фундаментальная же наука обогатилась методами, крайне необходимыми не только в химии, но и в биологии, медицине, а также в создании новых материалов.

По физиологии и медицине - Л.Хартвелл, П.Нерс, Т.Хант

Нобелевская премия по физиологии и медицине за 2001 г. присуждена американцу Леланду Хартвеллу и англичанам Тимоти Ханту и Полу Нерсу. Этой награды ученые удостоились за значительные достижения в области исследований клеточного цикла. В заявлении Нобелевского комитета говорится, что эти открытия “будут применяться при диагностике опухолей и в конце концов приведут к разработке новых способов борьбы с раком”.

Леланд Хартвелл (Leland H.Hartwell) родился 30 октября 1939 г. В 1961 г. окончил Калифорнийский технологический институт, а в 1964 г. защитил диссертацию в Массачусетсском технологическом институте. За эти годы он успел поработать в лабораториях у всех знаменитостей - в том числе в одной команде с Г.Теминым у Р.Дюльбекко и с Б.Эдгаром в группе М.Дельбрюка. В 1973 г. Хартвелл стал профессором Университета им. Дж.Вашингтона в Сиэтле, где продолжает работать и до сих пор. Одновременно он еще и президент Центра исследования рака им.Ф.Хатчинсона. Новый нобелевский лауреат- член Национальной академии наук США и лауреат целого ряда профессиональных премий: “General Motors” (1991), С.Шубитца Чикагского университета (1992), Горвитца и Пассано Колумбийского университета (1996), А.Ласкера Американского национального общества здоровья (1998), Массри (2000), отмечен медалью Американского общества генетиков (1994). Кроме того, Хартвелл - один из основателей компании “Rosetta Inpharmatics”, впервые создавшей систему анализа экспрессии генов в клетке.

Когда Хартвелл всерьез занялся изучением жизненного цикла такого примитивного одноклеточного организма, как пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae (а это было более 30 лет назад), никто не верил, что оно может принести пользу. Однако дрожжи не так просты, как на первый взгляд кажется. Выяснилось, что этот экспериментальный объект - почти идеальная модель для изучения эвкариотической клетки: дрожжи не только умеют размножаться и выделять вещества, способствующие брожению, но и осуществляют другие процессы и действия, свойственные клеткам весьма высокоорганизованных живых существ. Например, дрожжи успешно справляются и с ответом на сигналы внешней среды, и с постоянно возникающими под ее влиянием мутациями ДНК. В геноме дрожжевой клетки присутствуют гены, родственные всем основным классам генов высших эвкариот, в том числе и человека, однако у дрожжей этих генов гораздо меньше и организованы они проще. А это значит, что структура и функции дрожжевой клетки гораздо легче поддаются детальному анализу.

Фазы клеточного цикла эвкариотической клетки: G1 - от конца митоза до начала синтеза ДНК, S - синтез ДНК, G2 - от конца синтеза ДНК до митоза, M - митоз. В центре - белковый комплекс циклина с циклин-зависимой киназой, активность которой определяет ту или иную стадию цикла (показано стрелками).

Главная идея Хартвелла заключалась в том, что изучение жизненного цикла дрожжевой клетки может оказаться полезным для исследований тонкой регуляции размножения нормальных, а также опухолевых клеток человека. Проведя элегантную серию экспериментов с температурочувствительными мутантами в 1970-1971 гг., Хартвелл создал банк дрожжевых штаммов, в которых отдельные гены, влияющие на определенные параметры жизненного цикла этих организмов, не работали. В дальнейшем к экспериментам подключились и другие исследователи. В течение нескольких лет было выделено более сотни дрожжевых генов, в том числе cdc-гены (от англ. cell division cycle), продукты которых участвуют в процессах клеточного деления. Один из этих генов, получивший в номенклатуре Хартвелла название cdc28, контролирует самое начало жизненного пути клетки - “старт”. Белковый продукт CDC28 отвечает за выбор времени деления клетки, запуск почкования, репликацию ДНК, формирование митотического веретена и разделение хромосом. Все эти процессы связаны с активизацией киназной активности белка CDC28, фосфорилирующего другие белки дрожжевой клетки.

Позднее в лабораторию Хартвелла пришел новый сотрудник, Т.Вейнерт, который вплотную занялся вопросами регуляции клеточного цикла и заинтересовал этим своего научного руководителя. Вместе они обратили внимание на интереснейший феномен остановки клеточного цикла в ответ на облучение. Дело в том, что никаких причин для остановки не было и быть не могло - все основные типы генов, вовлеченных в процесс деления клетки, уже были учтены. Тогда сотрудники Хартвелла попытались выделить гены, выполняющие “полицейские” функции - специально тормозящие клеточный цикл. Мысль о существовании “полицейских” генов вовсе не тривиальна: в те годы считалось, что в ходе отбора одноклеточных организмов поддерживаются в основном свойства, способствующие их размножению, а вовсе не задерживающие его. В процессе исследований оказалось, что “полицейских” генов довольно много, и все они получили серийное имя rad, к которому обычно добавляется порядковый номер, например rad51. Белковые продукты некоторых rad-генов “чувствуют”, что в ДНК под влиянием облучения появились разрывы или неверно спаренные нуклеотиды. Другие RAD-белки организуют тщательную проверку состояния ДНК, для чего останавливают клеточный цикл, позволяя ферментам репарации ДНК спокойно разобраться в ситуации. Такая процедура получила общепризнанное в англоязычной литературе название checkpoint (контрольный пункт) - термин впервые введен Хартвеллом.

Сэр Пол Нерс (Sir Paul M.Nurse) родился 25 января 1949 г. По словам самого лауреата, интерес к науке возник у него довольно рано, когда впервые увидел пролетающий в небе спутник. В 1970 г. Нерс закончил Бирмингемский университет, а в 1973 г. защитил диссертацию в Университете Восточной Англии. Впоследствии он работал в Эдинбургском университете, в 1996 г. стал директором Королевского фонда исследования рака, где возглавляет лабораторию по исследованию клеточного цикла. Международное признание Нерса выразилось в присуждении ему премий: Международного Гарднеровского фонда (1992), “General Motors” (1997), А.Ласкера Американского национального общества здоровья (1998). Однако наибольшего признания он достиг на родине, где в 1999 г. его посвятили в рыцари и присвоили ему титул сэра.

Научный путь Нерса, приведший его к Нобелевской премии, также начался с интереса к одноклеточным дрожжам, но другого вида - Schizosaccharomyces pombe. Результаты изучения оказались близкими к выводам Хартвелла: Нерс открыл ген cdc2 (в современной номенклатуре cdc1), который кодирует белок, гомологичный продукту гена cdc28 из пекарских дрожжей, и описал его протеинкиназные функции. Впоследствии Нерс переключился на исследование клеток высших эвкариот. Ему удалось клонировать человеческий ген, отвечающий за “старт”. Это была непростая история, поскольку протеинкиназ в человеческих клетках оказалось множество. К счастью, в лаборатории Нерса работала М.Ли, придумавшая, как можно решить эту проблему. Вместе они создали клонотеку из отдельных человеческих генов и поместили их по отдельности в клетки дрожжей с дефектом гена cdc2, причем сделали так, чтобы чужеродные человеческие гены смогли работать.

Эксперимент Нерса был не только очень смелым, но и чрезвычайно удачным. Дрожжи, в клетки которых попали гены, не имевшие отношения к cdc2, так и не начали размножаться, а клетки-счастливчики, получившие человеческий ген cdc2, выросли и образовали колонию. Чужеродный ген “спас” их (в генетике это явление называется комплементацией). Так впервые было показано, что гены столь несходных организмов, как человек и дрожжи, взаимозаменяемы. В таком случае логичным выглядит и утверждение, что основные законы функционирования клетки, изученные на простых одноклеточных дрожжах, верны и для клеток человека. В результате дрожжи по праву заняли место одного из важнейших модельных организмов.

Тимоти Хант (Timothy R.Hunt) родился 19 февраля 1943 г. В 1964 г. окончил Кембриджский университет, а в 1968 г. там же получил ученую степень. С 1991 г. - ведущий ученый Королевского фонда исследования рака, где работает вместе с Нерсом. Хант - лауреат премии им.Абрахама Уайта, присуждаемой за научные достижения (1993).

Главное научное достижение Ханта - открытие в 80-х годах циклинов (небольших белков, которые образуют комплексы с протеинкиназами, запускающими процесс деления клетки). Без циклинов эти ферменты не способны работать, поэтому в настоящее время самым распространенным их названием стало словосочетание “циклин-зависимые киназы”. В клетке содержится несколько типов циклинов, относительная концентрация которых меняется в зависимости от стадии клеточного цикла. Если циклин-зависимая киназа - это “мотор” клеточного цикла, то набор циклинов - “коробка передач”, которая осуществляет тонкую настройку циклин-зависимых киназ. Хант показал, что, отработав свое, циклины быстро разрушаются и клетка снова становится чувствительной к сигналам, регулирующим деление. Это позволяет ей быстро реагировать на изменяющуюся обстановку, прекращая или возобновляя деление в зависимости от внешних сигналов.

Впоследствии Хант продолжил работу на примитивном модельном объекте - клетках морского ежа из рода Arbacia, а затем и на других живых организмах. Выяснилось, что циклины почти не изменились в процессе эволюции. Сейчас Хант изучает регуляцию клеточного цикла на модели ооцитов и эмбрионов шпорцевой лягушки Xenopus laevis.

Как же получилось, что ученым, работавшим на дрожжах и морских ежах, дали Нобелевскую премию за исследования в области канцерогенеза? Напомним, что за деление клеток дрожжей и человека отвечают одни и те же гены, претерпевшие лишь небольшие изменения в процессе эволюции. У большинства известных типов опухолевых клеток нарушена регуляция клеточного цикла, причем не каким-то одним, унифицированным способом, а в каждой опухоли по-своему. В одних клетках слишком много циклинов, поэтому они делятся быстрее обычного. В других - ген какой-либо циклин-зависимой киназы мутирован, причем так, что это способствует повышению киназной активности, т.е. делению. В третьих - отсутствуют или отключены гены, продукты которых ингибируют деление клетки (такие гены тоже есть - большинство из них относится к классу генов-супрессоров, подавляющих рост опухоли).

Стадии развития злокачественной опухоли. При дисплазии клетки с разбалансированным геномом, над которым утрачен контроль, начинают делиться быстрее обычных и получают селективное преимущество перед нормальными. В случае карциномы in situ эти свойства приобретают все клетки эпителия, однако истинная злокачественность проявляется, когда они начинают проникать сквозь базальную мембрану и внедряются в подлежащую соединительную ткань.

Но самые “хитрые” опухоли отключают гены группы rad, открытые Хартвеллом. Если какой-либо из этих генов отключен, выходит из строя “пункт проверки” (checkpoint) целостности генетического аппарата клетки перед началом деления. В этом случае клетка перестает чувствовать, что с ней что-то не в порядке, игнорирует накопившиеся мутации и вступает в митоз. Из-за этого возрастает мутационная нагрузка на клетку, в ней повреждаются регуляторные механизмы, следящие за генами деления, открытыми Нерсом и Хантом. Это значит, что опухолевые клетки с разбалансированным геномом, над которым утрачен контроль, начинают делиться быстрее обычных и получают селективное преимущество перед нормальными.

Основной способ терапевтического воздействия на опухоли человека - подавление клеточного деления. Дело в том, что нормальные клетки человека делятся гораздо медленнее канцерогенных, поэтому химиотерапевтические препараты, препятствующие размножению клеток, влияют на опухоль гораздо сильнее, чем на прилежащие ткани. Известно, что чем специфичнее препарат, тем меньше у него побочных эффектов, столь тяжелых для пациентов. Открытия нобелевских лауреатов 2001 г. позволили создать несколько лекарственных средств, селективно ингибирующих активность циклин-зависимых киназ. Эти препараты уже прошли клинические испытания и направлены в клиники для продления жизни раковых больных, в том числе пациентов с опухолями мозга.