Убитый Плутон и нанотрубки

Объявлены лауреаты научной премии Кавли. 31 мая в Осло были объявлены лауреаты премии Кавли - совсем молодой награды, которая с 2008 года вручается ученым, занимающимися астрофизикой, нанотехнологиями и науками о мозге. Призовой фонд в каждой номинации составляет один миллион долларов. 

Премия Кавли была учреждена в 2005 году одноименным фондом, создатель которого - норвежский бизнесмен и филантроп Фред Кавли - с детства увлекался наукой. Получив диплом по специальности "прикладная физика", юный Фред уехал в Штаты, где очень быстро сумел создать собственный бизнес по производству датчиков для производства в аэрокосмической и автомобильной отраслях. Дела у новоиспеченной компании Kavlico шли хорошо, и в 2000-м году Кавли продал ее за 345 миллионов долларов.

Избавившись от основного бизнеса (помимо Kavlico бизнесмен курировал еще несколько проектов), Кавли, наконец, смог посвятить себя науке. Непосредственно исследованиями филантроп не занимается, но зато он всячески помогает ученым делать свою работу: фонд Кавли финансирует проведение конференций и создание целых институтов, спонсирует исследовательские лаборатории, выделяет перспективным ученым гранты и стипендии.

Особенно много внимания Кавли и его фонд уделяют трем областям исследований: астрофизике, нанотехнологиям и нейронаукам. Свой выбор приоритетов филантроп объяснил так: "Я решил поддержать три области науки: одна занимается самым большим, другая - самым маленьким, третья - самым сложным". Чтобы дополнительно стимулировать ученых работать именно в этих направлениях, фонд Кавли учредил премию с призовым фондом в один миллион долларов для каждой номинации (для сравнения, призовой фонд Нобелевской премии в последние годы составляет около 1,5 миллиона долларов в каждой номинации).

Предполагается, что премия Кавли будет не конкурировать с основной научной наградой, а дополнять ее, потому что "напрямую" фонд Нобеля не поощряет астрофизиков, нанотехнологов и специалистов, исследующих мозг, - эти ученые могут получить Нобелевку "на общих основаниях" в категориях "физика", "химия" и "физиология и медицина". Кроме того, премия Кавли претендует на то, что ей удастся исправить один из основных недостатков нобелевки - ее неоперативность. И хотя Фред Кавли неоднократно подчеркивал, что его награда будет вручаться именно за "горячие" открытия, следовать заветам основателя у оргкомитета получается не всегда. Например, в 2008 году одна из премий досталась астрофизикам Маартену Шмидту и Доналду Линден-Беллу за их работы о квазарах, выполненные еще в 60-е годы XX века. Да и нынешняя премия по нанотехнологии также была присуждена исследовательнице, первые значимые открытия которой относятся к середине прошлого столетия.

Награду по астрофизике с формулировкой "за работы по открытию и описанию пояса Койпера и его самых крупных объектов, которые значительно продвинули понимание эволюции Солнечной системы" в 2012 году разделили трое ученых: Дэвид Джуит (David Jewitt) из Калифорнийского университета, Джейн Лу (Jane Luu) из Линкольнской лаборатории Массачусетского технологического института и Майкл Браун (Michael Brown) из Калифорнийского технологического института.

Майкл Браун, Джейн Лу и Дэвид Джьюитт. Фото с сайта kavlifoundation.org

Пояс Койпера - это обширная область за орбитой Нептуна, заполненная относительно небольшими телами, которые состоят, в основном, из летучих веществ вроде воды, аммиака и метана (разумеется, замерзших). Считается, что объекты пояса Койпера - это обломки более крупных небесных тел, оставшиеся после формирования Солнечной системы ("обитатели" которой в прошлом неоднократно сталкивались друг с другом), а также "невостребованный" для строительства планет материал.

Первые предположения о том, что, помимо планет, вокруг Солнца обращается множество других объектов, появились еще в 1930-е годы, вскоре после открытия Плутона. Астрономы отмечали, что на дальних рубежах Солнечной системы тела находятся слишком далеко друг от друга и поэтому не могут "сбиться" в более крупные образования. Идея о существовании одного или нескольких поясов мелких космических обломков набирала все больше сторонников, однако непосредственно увидеть гипотетические пояса удалось только в конце XX века.

Джуит и его тогдашняя аспирантка Лу стали первыми, кому удалось засечь объекты пояса Койпера. Будущие лауреаты премии Кавли наблюдали "подозрительную" область космоса с конца 80-х годов, но получить результат смогли только в 1992 году. Найденное Джуитом и Лу небесное тело диаметром 160 километров получило название (15760) 1992 QB1 и стало первым подтвержденным "обитателем" пояса Койпера. Впоследствии двое исследователей обнаружили множество других объектов пояса, и их работы помогли во многом уточнить представления о составе этой области космоса.

Майкл Браун занялся изучением пояса Койпера позже своих коллег - в 1998 году. Он организовал масштабное изучение региона за орбитой Нептуна, сосредоточившись на участках, расположенных вне плоскости обращения планет Солнечной системы, и именно там обнаружил самые крупные из известных сегодня объектов пояса. В 2002 году Браун и его коллеги нашли Кварар, в 2005 - Макемаке и Эриду. Все эти тела были значительно больше остальных объектов пояса Койпера, а Эрида по диаметру так и вовсе обогнала Плутон - вскоре после ее открытия последний был "низложен" из нормальных планет в карликовые. После вынесения этого решения за Брауном прочно закрепилось прозвище "убийца Плутона".

Премия по нанотехнологиям, или нанонаукам, досталась исследовательнице из Массачусетского технологического института Милдред Дрессельхаус (Mildred Dresselhaus). Работы Дрессельхаус, начатые еще в 1960-е годы, во многом предвосхитили позднейшие открытия фуллеренов, нанотрубок и графена - необычных соединений из углерода, с которыми сегодня связывают будущее доброго десятка различных отраслей, от медицины до электроники.

Милдред Дрессельхаус. Фото с сайта kavlifoundation.org

Изначально Дрессельхаус не собиралась оставаться в науке - поступая в Хантер-колледж в Нью-Йорке, девушка из бедной семьи планировала стать учительницей младших классов. Однако на втором курсе она попала на лекции по физике, которые читала Розалин Ялоу (Rosalyn Yalow), будущий лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине. После курса Ялоу Дрессельхаус поняла, что хочет заниматься именно физикой, и всерьез приступила к научной работе - непростое решение, учитывая, что в то время доля женщин в этой области не превышала двух процентов.

Дрессельхаус интересовали свойства веществ, "лишенных" одного или двух измерений - например, свойства углерода, растянутого до слоя толщиной в один атом. В таком виде углерод можно условно считать двумерным, и сегодня такую его конфигурацию называют графеном. В 60-е годы графен еще не изобрели, поэтому исследовательница работала с материалами, представляющими собой "будетрброды", в которых тончайшие слои углерода были зажаты между слоями других веществ. Дрессельхаус смогла определить многие важнейшие характеристики двумерного углерода, например, его удивительную электропроводность, а также выяснить, как он взаимодействует с другими материалами.

В 80-е исследовательница переключилась на изучение свойств одномерного углерода. Опять-таки, у Дрессельхаус не было "полноценных" экспериментальных объектов, поэтому ей пришлось довольствоваться тонкими углеродными волокнами. По итогам проведенных опытов физик не только заключила, что "настоящие" одномерные углеродные модификации могут быть получены сворачиванием двумерных листов, но также предсказала их свойства. Нанотрубки, как сегодня называют полые цилиндры, стенки которых состоят из углеродного слоя толщиной в один атом, были получены в 1991 году.

Помимо важнейших открытий в области свойств одно- и двумерного углерода Дрессельхаус впервые показала перспективность метода рамановской спектроскопии для изучения свойств материалов. Суть метода заключается в облучении образца и анализе спектра рассеянного излучения. Каждое вещество, в зависимости от его свойств, будет добавлять в этот спектр излучение с другой длиной волной (так называемый рамановский спектр).

Награда в области нейронаук досталась трем ученым: Корнелии Баргман (Cornelia Bargmann) из университета Рокфеллера, Уиинфриду Денку (Winfried Denk) из института медицинских исследований и Энн Грейбил (Ann Graybiel) из Массачусетского технологического института, - исследующим, на первый взгляд, довольно далекие друг от друга области. Объединяющим, по мнению оргкомитета премии, оказался тот факт, что работы всех троих исследуют механизмы восприятия - то есть реакции на внешние раздражители, и принятия решений.

Энн Габриэль, Винфрид Денк и Корнелия Бангманн. Фото с сайта kavlifoundation.org

Основным объектом изучения Корнелии Баргман стал микроскопический прозрачный червяк Caenorabditis elegans - излюбленная модель биологов. За долгие годы работы с C. elegans исследователи не только выучили, сколько у него клеток, но и установили как именно они взаимодействуют друг с другом. Так, нейронов у червяка ровно 302, и связи каждого из них с каждым хорошо известны. Соответственно, изучая какую-нибудь реакцию C. elegans - например, его стремление к объекту, источающему "вкусный" запах, можно проследить, какие нейроны при этом взаимодействуют друг с другом.

Используя червяков, Баргман в 1997 году доказала, что нейроны, а вовсе не обонятельные рецепторы, определяют, будет ли C. elegans двигаться к источнику запаха или от него. Другими словами, исследовательница показала, что именно нейроны "решают", насколько приятен тот или иной запах. Кроме того, Баргман детально изучила механику и физиологию процессов восприятия различных раздражителей, причем многие из ее выводов могут быть в той или иной степени применимы и для человека.

Основными заслугами Уиинфрида Денка эксперты, выбиравшие, кто получит премию Кавли в 2012 году, сочли две разработанные им экспериментальные методики, которые существенно облегчили исследования мозга. Разработанный в 90-х годах метод двухфотонной флуоресцентной микроскопии позволял получать очень четкие изображения изучаемых объектов. Метод работает так: изучаемый объект так или иначе снабжают флуорофором - молекулой, способной испускать флуоресценцию при ее возбуждении квантами света определенной длины волны. Затем на образец направляют два возбуждающих кванта и изучают изображение, получаемое при испускании света флуорофором. В отличие от обычного флуоресцентного микроскопа, двухфотонный прибор использует кванты света низкой энергии - в результате удается избежать фоновой флуоресценции, которая мешает разглядеть окружение объекта.

Второй из придуманных Денком методов дает возможность изучать трехмерное строение объекта, что необходимо, например, при исследовании асимметричных ответов нейронов на тот или иной стимул (это одна из областей, которыми занимается Денк). Технология, о создании которой было объявлено в 2004 году, представляет собой разновидность электронной микроскопии (ЭМ). В классической ЭМ объекты изучают, делая из них тончайшие срезы, которые затем облучают потоком электронов. Этот метод дает очень высокое разрешение, однако он не позволяет увидеть, как выглядит объект вне среза. Денк модифицировал ЭМ, предложив изучать не срезы, а сам объект, от которого эти срезы отделяют. Последовательно снимая слой за слоем и облучая электронами открывающуюся поверхность, можно конструировать трехмерные изображения очень высокой точности.

Третий лауреат премии, Энн Грейбил, в течение нескольких десятков лет занималась изучением полосатого тела - небольшой структуры в мозгу, которая, как оказалось, играет важную роль при обучении. Грейбил получила карту взаимодействия нейронов в полосатом теле крыс и выяснила, как именно они возбуждаются, когда животные разучивают те или иные навыки.

www