17 октября 1978 года советский ученый Петр Капица получил Нобелевскую премию за работы по физике низких температур. А чем еще он нам запомнился?

Капица — ученик сразу двух ученых, почитаемых за «отцов физики». Первым был Абрам Иоффе, воспитавший первое поколение советских физиков: кроме Капицы у него, например, учились Курчатов, Семенов, Александров. Вторым — Эрнест Резерфорд, среди воспитанников которого 12 (!) нобелевских лауреатов по физике и химии, включая и самого Капицу. К Резерфорду Капица отправился в 1921-м, по рекомендации Иоффе.

Для того чтобы таки стать сотрудником легендарной Кавендишской лаборатории, Капице пришлось Резерфорда убеждать — лорд ссылался на то, что ставок у него для нового сотрудника нет. Как вспоминал потом Капица, диалог их выглядел следующим образом:

— Какую точность Вы считаете приемлемой в своей работе?

— Два-три процента.

— В таком случае один лишний исследователь не будет заметен, он будет поглощен допустимой неточностью опыта.

С этим Резерфорд не смог не согласиться, и молодой физик стал заниматься исследованиями под его началом.

На тот момент передним краем физики было изучение свойств атомов и развитие квантовой механики — магнитные поля в этом играли ключевую роль.

Современные бытовые магниты — скажем, в динамиках или жестких дисках — создают поле около одного тесла. В аппарате для МРТ бывают поля до десяти тесла. Такие магниты уже далеко не просты в обращении: на гаечный ключ вблизи томографа будет действовать сила, достаточная для отрыва от земли груза в центнер!

Портрет Капицы и Николая Семенова кисти Бориса Кустодиева, 1921 год. Будущие нобелевские лауреаты заявили художнику, что они только «пока» не знамениты — и оказались правы

Турбодетандер и подача кислорода

Петр Капица занимался не только и даже не столько чистой физикой, сколько передовыми технологиями. Его возвращение в СССР, кстати, не было добровольным: ученому просто не дали вернуться в Великобританию из короткой поездки в 1934 году, аннулировав его визу (а в то время они были и на выезд из страны). Капицу «приземлили» с расчетом на его участие в прикладных исследованиях.

Физик действительно добился важных результатов, после того как поставил встречное требование советскому правительству и заставил перевезти свою британскую лабораторию со всем оборудованием (а там были инновационные приборы). Работая с низкими температурами, Капица радикально усовершенствовал турбодетандер, устройство для охлаждения газа.

В этом устройстве газ раскручивает турбину и из-за этого остывает, пока не превратится в жидкость. Сжижение — самый удобный и дешевый метод получения кислорода, который конденсируется до азота и других газов. Чистым кислородом продувают печи на сталелитейных заводах, его используют в производстве взрывчатки, как окислитель для ракетных двигателей, в медицине, для сварки и много где еще.

Гипотеза происхождения шаровой молнии

Еще Капица предложил гипотезу происхождения шаровой молнии. Согласно ей, шаровая молния подпитывается энергией за счет внешнего микроволнового излучения, которое каким-то образом возникает во время гроз. Физик отмечал, что источник этого излучения неясен, но, если допустить его наличие, поведение шаровой молнии вполне объяснимо даже в части проникновения плазменного сгустка сквозь оконное стекло или иные тонкие препятствия.

Эту гипотезу, в отличие от многого другого из научного наследия ученого, не удалось ни подтвердить, ни опровергнуть. Теории, объясняющей природу шаровой молнии, нет и по сей день. Редкость явления не позволяет изучить его в природных условиях, а все попытки создать нечто подобное в лаборатории успехом не увенчались. Правда, можно смело отвергнуть предположение, что светящийся объект лишь галлюцинация. На сегодня есть и видеозаписи, и даже данные о спектрах шаровой молнии.

Борьба за коллег и принципиальность

Капица писал, что после вынужденного возвращения в СССР его поначалу недолюбливали. Во-первых, ученый открыто требовал приличных условий для работы: отдельного здания под институт и выкупа британского оборудования. Во-вторых, он этого добивался и получал больше, чем многие другие физики.

Однако спустя некоторое время он получил признание не только как хороший исследователь и грамотный организатор — Капицу стали уважать за стойкость. Когда Льва Ландау арестовали за составление листовок, где Сталин сравнивался с Гитлером (!), Капица добился освобождения ученого под свою ответственность. В разгар репрессий это был крайне рискованный шаг, но ни Капицу, ни большинство его сотрудников НКВД не трогало.

Капица вел переписку с иностранными коллегами и обращался к руководителям страны вплоть до самого Иосифа Сталина, указывая, как стоит развивать науку и технологии. В 1946 году он ушел из атомного проекта и попал в опалу до самой смерти Сталина и ареста Берии, но опять-таки не был арестован или убит.

В Институте физических проблем Капица, будучи директором и основателем, пошел против советских принципов хозяйствования. Чтобы разделаться с грязью, он уволил двух дворников и втрое поднял оклад оставшемуся.

Источник Чердак

Смотрите также:

О жизни, работе и нелепой смерти Александра Фридмана

Нобелевскую премию по физике 2018 г. получили американец Артур Эшкин, а также француз Жерар Мур и канадка Донна Стрикланд за «революционные изобретения в области лазерной физики». Результаты их научной работы, давно ставшие классическими, прокомментировал на традиционной пресс-конференции СО РАН по итогам Нобелевской недели академик РАН А. М. Шалагин, научный руководитель Института автоматики и электрометрии СО РАН (Новосибирск)

Работы, которые были в 2018 г. отмечены Нобелевской премией по физике, посвящены разным технологиям, но в том и в другом случае речь идет о новаторских изобретениях в области лазерной физики.

А. Эшкин, бывший руководитель отдела Лаборатории Белла (США), которому на момент присуждения премии исполнилось 96 (!) лет, был награжден за создание так называемых «оптических пинцетов», которые нашли широкое применение в молекулярной биологии, вирусологии и других биологических дисциплинах. А профессор Ж. Мур и его бывшая аспирантка, а ныне профессор Университета Уотерлу (Канада), более тридцати лет назад разработали метод генерации ультракоротких высокоинтенсивных оптических импульсов.

Академик РАН Анатолий Михайлович Шалагин, научный руководитель Института автоматики и электрометрии СО РАН

Еще до того, как Эшкин разработал свою технологию оптического пинцета, он совместно со Стивеном Чу проводил исследования по ускорению, замедлению и захвату атомов в оптической ловушке с помощью лазерного излучения. Чу сосредоточил свои интересы именно на оптических ловушках, за что в 1997 г. получил Нобелевскую премию. Эшкин же, после исследований светового давления на атомарные газы, сосредоточился на изучении действия радиационных сил на более крупные объекты (нано- и микроразмерные). На этом пути ему удалось удержать эти объекты в перетяжке лазерного луча, и перемещать их в пространстве вместе с перемещением перетяжки. Это и есть так называемый лазерный пинцет. Наиболее яркие применения этот пинцет нашел в биологии и медицине.

Оптический пинцет использует для «захвата» коллоидной частицы сильно фокусированный лазерный пучок. Градиент интенсивности излучения затягивает частицу в область перетяжки пучка, тогда как давление света выталкивает ее по направлению оптической оси. Если градиентная сила будет доминировать, частица «поймается» в области точки фокуса Источник: http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article1445

Возможность манипулировать объектами микро- и наноразмера, от эритроцита до фрагмента ДНК или белковой молекулы, вызвала огромный интерес у биологов. В России технологией лазерного пинцета занимается научная группа академика В.А. Сойфера в Институте систем обработки изображений РАН (Самара). Можно надеяться, что эта очень нужная технология вскоре придет и в отечественную медицину.

Второе «нобелевское» достижение – метод генерации ультракоротких высокоинтенсивных оптических импульсов, разработанный Муром и Стрикланд, – служит ярким примером, что простое эквивалентно гениальному.

Физики всегда хотели получить наиболее интенсивные лазерные поля, а самый простой способ сделать это – укорачивать лазерный импульс во времени при сохранении полной энергии. До какого-то момента исследователи так и делали, пока не достигли непреодолимого предела, при котором происходит разрушение самой среды, материала, где этот процесс происходит.

И вот возникла замечательная идея: ультракороткий лазерный импульс с малой энергией «растянуть» во времени и тем уменьшить его интенсивность, а затем с помощью усилителя лазерного излучения увеличить его энергию и затем «собрать» обратно. Импульс сжимают в оптическом компрессоре, получая на выходе такой же короткий импульс, как на входе, но в тысячи раз более интенсивный. При получении импульсов предельно высокой интенсивности для дисперсии и компрессии лазерного импульса используют дифракционные решетки и особые зеркала.

Принцип работы СРА-лазера: короткий слабый лазерный импульс поступает в растяжитель, где его длина возрастает в тысячи раз, а частота излучения плавно изменяется по длине импульса (чирпированный импульс). Затем импульс проходит через усилитель, увеличивающий его энергию на много порядков. Из усилителя импульс попадает в компрессор, где длительность его уменьшается до начального значения. Рис. из статьи Л.М. Горбунова («Природа», №4, 2007, с. 11–20) http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATURE/04_07/LASER.HTM

Лазеры, генерирующие сверхкороткие импульсы, незаменимы в исследованиях быстропротекающих процессов. Если же при этом импульсы имеют рекордную интенсивность, то такие лазеры имеют перспективу и в качестве ускорителей заряженных частиц: при распространении высокоинтенсивных импульсов в среде создается огромной плотности положительный объемный заряд, и если ему вслед послать, с соответствующей синхронизацией, электронный сгусток, то последний будет ускоряться на довольно короткой дистанции до очень больших энергий. Излучение очень высокой интенсивности способно «пробивать вакуум», рождая при этом электрон-позитронные пары и иные элементарные частицы, а это уже физика высоких энергий. Еще одно возможное применение, интерес к которому не пропадает, – лазерный термояд.

Нобелевский лауреат Жерар Мур с 2010 г. в течение нескольких лет работал в Институте прикладной физики РАН (Нижний Новгород) по тематике ультракоротких высокоинтенсивных оптических импульсов. На установке ИПФ РАН – мощном мультипетаваттном лазере, работающей по технологии Стрикланд и Муру – были получены впечатляющие результаты. Сотрудничество ученых продолжается до сих пор

В Сибирском отделении СО РАН аттосекундные импульсы и поля сверхвысокой интенсивности входят в тематику Института лазерной физики (Новосибирск), специалисты которого также сотрудничают с коллегами из Нижнего Новгорода, Арзамаса и Сарова. А в лаборатории волоконной оптики новосибирского Института автоматики и электрометрии СО РАН в процессе своих исследований часто сталкиваются с необходимостью расширения и последующего сжатия лазерного импульса.

Статьи по теме: А.А. Аполонский. В погоне за особенным светом

Нобелевскую премию по химии 2018 г. разделили пополам американка Фрэнсис Арнольд (Калифорнийский технологический институт), награжденная за развитие теории направленной эволюции ферментов, и американец Джордж Смит (Миссурийский университет) совместно с британцем Грегори Уинтером из Кембриджа – за создание метода «фагового дисплея» и адаптации его для наработки терапевтических антител. Достижения лауреатов прокомментировал 9 октября на ежегодной пресс-конференции СО РАН, посвященной итогам Нобелевской недели, к.х.н. В. В. Коваль, заместитель директора по научной работе Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН

Нобелевская премия по химии в этом году вручена за два разных достижения, но оба они касаются молекулярной биологии белков, точнее, как указывают многие комментаторы, использования эволюционных механизмов для получения молекул белков и пептидов с заданными свойствами.

К.х.н. Владимир Васильевич Коваль, заместитель директора по научной работе Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН

Так, лаборатория Ф. Арнольд, ставшей пятой женщиной-лауреатом Нобелевской премии по химии, занимается направленной эволюцией ферментов. Как мы знаем, ферменты – это белки, которые служат катализаторами всех биохимических реакций, что происходят в клетке, это основа всего «живого». В процессе эволюции природа, безусловно, уже отобрала лучшие по эффективности активные центры и белковые структуры, которые работают наиболее быстро и специфично. Но человек пошел дальше. В современной медицине, в биотехнологии есть очень много задач, когда нужно изменить специфичность или оптимизировать работу живых клеток, и для этого нужно «заставить» ферменты выполнять несвойственные им функции. К примеру, большую часть витаминов сегодня получают биотехнологическим способом, а еще 10 лет назад для этих целей использовался более дорогой и длительный многостадийный химический синтез.

Существует множество ферментов, множество белков – вводить точечные мутации и испытывать каждый вариант слишком долго и дорого. «Просчитать» заранее, какие изменения надо внести в сложную белковую структуру из сотен и тысяч аминокислот, трудно, а зачастую невозможно. Метод направленной эволюции ферментов – это скрининг, работающий по законам природы.

Как все происходит? К примеру, мы хотим определенным образом изменить какой-то фермент, чтобы он приобрел новые свойства. Для этого берем ген, кодирующий нужный фермент, и «в пробирке» генерируем образование случайным образом различных мутантных вариантов этого гена (в том числе и за счет «перетасовки» целых генных фрагментов, как это происходит при формировании половых клеток). Получившиеся ДНК-последовательности с помощью методов генной инженерии помещаем в бактерии, а затем отбираем микроорганизмы с нужной активностью ферментов. Другими словами, мы «копируем» природный эволюционный процесс, но делаем это гораздо быстрее.

Чтобы «ускорить эволюцию» и изменить ген, кодирующий конкретный белок, используют «мутагенную» методику полимеразной цепной реакции (ПЦР), в ходе которой происходит многократное удвоение определенного участка ДНК, но с ошибками-мутациями, получая «бибилиотеку» разных генных вариантов. Затем эти генетические конструкции встраивают и клонируют (размножают) в бактериях E. coli, а затем выделяют бактерии с нужными свойствами. После этого выделить и «прочитать» структуру нового гена – дело техники. Весь процесс может быть повторен неоднократно. Thomas Shafee/Wikimedia Commons

Метод направленной эволюции белков позволяет создавать ферменты с улучшенными свойствами, отсутствующие в природе ферменты, ферменты с расширенной и измененной субстратной специфичностью, «индустриальные» ферменты для биотехнологий. С помощью таких ферментов получают терапевтически значимые молекулы – витамины, антибиотики, ингибиторы и индукторы биохимических процессов и т.д. Сегодня все это – большой кусок индустрии, но при этом и важнейшее фундаментальное направление, судя по взрывному росту числа публикаций. Исследованиями в области направленной эволюции ферментов интенсивно занимаются во всех экономически развитых странах, в первую очередь в США. Подобные работы ведутся и в России, в частности, в СО РАН, однако в целом вклад отечественной науки в эту область, к сожалению, слишком мал.

Вторую половину Нобелевской премии получили исследователи, предложившие использовать для наработки белков с заданными свойствами бактериофаги – вирусы бактерий, которые имеют маленький собственный геном. Красивая идея фагового дисплея была впервые выдвинута Дж. Смитом в статье, опубликованной в Nature еще в 1985 г., когда существовала проблема соотнесения множества уже известных белков с участками ДНК, в которых эти белки закодированы. Последовательность ДНК к тому времени научились успешно секвенировать, но нужно было найти способ узнать, какие из этих расшифрованных фрагментов несут те или иные конкретные гены.

Суть технологии, предложенной для этих целей Смитом, состояла в том, чтобы встраивать фрагменты такой «неизвестной» ДНК в геном бактериофага (ученый предложил использовать для этого фаг M13 – достаточно крупный вирус кишечной палочки). И не в любое место, а туда, где находятся гены, кодирующие собственные поверхностные белки фага. В бактерии фаги размножаются, в результате чего образуется множество вирусных частиц, которые несут на поверхности уже не только свои, но и инородные белки. С помощью специфических антител к конкретному белку мы можем «выудить» из этой армии бактериофаги, несущие этот белок, «прочитать» их геном вместе со «вставкой» и идентифицировать нужный ген.

Принципиальная схема процедуры отбора высокоспецифичных рекомбинантных антител к конкретной мишени-антигену из комбинаторной библиотеки фагового дисплея на основе нитчатых бактерифагов. По: (Тикунова, Морозова, 2009)

В процессе размножения фаги мутируют, поэтому в результате мы получаем обычно целый набор фаговых частиц, которые несут на своей поверхности немного различающиеся варианты белков – так получаются комбинаторные фаговые библиотеки, на основе которых можно вести отбор фагов, несущих белки с нужными свойствами. После секвенирования генома отобранных фагов исследователь получает генетическую конструкцию, которые можно «размножать» биотехнологическим способом.

Второй нобелевский лауреат, Г. Уинтер, адаптировал технологию фагового дисплея для получения антител к определенным антигенам. Он первым ввел в геном фага кусок ДНК, кодирующей фрагмент человеческого иммуноглобулина, ответственного за распознавание других молекул, а затем с помощью фагового дисплея отобрал варианты, наиболее эффективно взаимодействующие с целевой молекулой. С помощью такого подхода он и его коллеги разработали терапевтические препараты на основе антител для лечения аутоиммунных заболеваний, а затем и для применения в онкологии.

Сегодня эту замечательную методику широко используют для самых разных целей, включая отбор белков по специфическим свойствам, направленную модификацию белков, поиск, отбор и наработку терапевтических моноклональных антител, исследования рецепторов и картирования сайтов связывания антител и т.д. С ее помощью можно создавать противораковые препараты направленного действия и безопасные вакцины.

Фаговым дисплеем сегодня пользуются буквально все. В том числе в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН с помощью этой технологии создан препарат Энцемаб от клещевого энцефалита на основе генно-инженерных гуманизированных антител, который успешно прошел доклинические испытания.

Фото: https://commons.wikimedia.org

Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2018 г. получили американский профессор Джеймс Эллисон из Андерсоновского онкологического центра при Университете Техаса и японец Тасуку Хондзё из Университета Киото за создание принципиально нового подхода в онкологии – иммунотерапии рака. 9 октября 2018 г., на традиционной пресс-конференции СО РАН, посвященной итогам Нобелевской недели, достижения нобелевских лауреатов прокомментировал к.б.н. С.В. Кулемзин, старший научный сотрудник лаборатории иммуногенетики Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН (Новосибирск)

Мысль, что иммунная система человека может сама эффективно бороться с раком, далеко не нова. Еще в начале прошлого века в США была сделана попытка использовать инактивированные патогенные бактерии для активизации иммунитета, чтобы рекрутировать иммунную систему на борьбу с «пятой колонной». В медицинской практике отмечены не единственные случаи, когда раковые опухоли полностью регрессировали.

Старший научный сотрудник лаборатории иммуногенетики Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН, к.б.н. Сергей Викторович Кулемзин

Дальнейшее изучение фундаментальных принципов и механизмов работы иммунной системы привело к пониманию главенствующей роли иммунной системы в борьбе с опухолями, которую ведет сам организм. Как известно, в органах и тканях постоянно возникают десятки и сотни мутаций, приводящих к злокачественному перерождению клеток. Однако клетки иммунной системы (Т- и В- лимфоциты, макрофаги, дендритные клетки) с ними успешно справляется – до поры.

В 1990-х гг. исследователи начали уделять большое внимание поверхностным рецепторам иммунных клеток – мембранным белкам, которые служат для передачи молекулярных сигналов разного рода. Некоторые из них могут активировать клетку и направить ее на борьбу с раковой клеткой, другие, напротив, будут подавлять ее «сторожевые» функции. Такие «негативные» сигнальные молекулы могут продуцировать как регуляторные элементы самой иммунной системы (что служит защитой против возникновения аутоиммунных патологических состояний), так и опухолевые клетки.

В результате исследования баланса этих сигналов были обнаружены так называемые чек-пойнты («контрольные точки») – рецепторы, которые служили для передачи очень сильных негативных сигналов, буквально «выключающих» как функции, так и размножение иммунных клеток-убийц. Возникла идея, что если такой рецептор (и, соответственно, негативный сигнал) заблокировать, то равновесие сдвинется в позитивную сторону.

Идея поначалу не была воспринята с энтузиазмом, однако работа в этом направлении продолжилась. Будущий нобелевский лауреат Д. Эллисон предложил использовать антитела к CNLA4 – поверхностному рецептору Т-лимфоцитов. После подавления этих рецепторов иммунные клетки начинали активно размножаться и уничтожать раковые. Японские исследователи работали с «рецептором смерти» PD-1 В-лимфоцитов, показав, что подавление этих рецепторов без дополнительной стимуляции приводит к значительной активации этих клеток.

Но здесь возникает вопрос: если мы будем, используя чек-пойнт ингибиторы, блокировать все сигналы, тормозящие деятельность иммунных клеток, не будет ли это наносить вред здоровым тканям? Не выйдет ли из-под контроля сама иммунная система? Оказалось, что действительно, подобная терапия имеет достаточно много побочных эффектов: слишком активированные иммунокомпетентные клетки у некоторых пациентов начинают атаковать не только опухолевые, но и близлежащие здоровые клетки. Но эти побочные эффекты все же не настолько сильны, чтобы отказаться от иммунотерапии. И сегодня этот вид лечения назначают все большему числу пациентов.

Сегодня в клинической практике в мире применяют семь иммуноонкологических препаратов – блокаторов PD-1, PD-L1 и CTLA-4. В России зарегистрированы препараты Опдиво (ниволумаб) и Ервой (ипилимумаб), а также их комбинация, которые рекомендованы для лечения неоперабельной или метастатической меланомы, лимфомы Ходжкина, рецидивирующего или метастатического плоскоклеточного рака головы и шеи, неоперабельного или метастатического рака мочевого пузыря. В РФ разрабатываются и отечественные иммуноонкологические препараты.

В обычном случае рецептор Т-лимфоцита PD-1 связывается со своим лигандом PD-L1 на клетке опухоли, что тормозит работу иммунной клетки (слева). Если заблокировать PD-L-1 или PD-1, то лимфоцит уничтожит раковую клетку. Источник: cancer.gov

При планировании иммунотерапии рака надо учитывать один важный момент: ингибиторы рецепторов эффективны лишь в том случае, когда клетки иммунной системы в принципе способны распознать клетки опухоли, но из-за внешнего прессинга не способны это сделать. Но дело в том, что далеко не все типы рака, и не у всех пациентов, обладают способностью вызвать иммунный ответ.

Среди онкозаболеваний, наиболее «хорошо» реагирующих на иммунотерапию, – меланома, наиболее часто мутирующий рак, который может достаточно легко распознаваться иммунными клетками. Исторически именно для этого типа клеток были впервые применены чек-пойнт ингибиторы. Но, к примеру, при онкогематологических заболеваниях раковые клетки практически не мутируют, и иммунная система воспринимает их как здоровые. В этом случае применение ингибиторов не имеет смысла. Еще один нюанс: иммунокомпетентным клеткам трудно проникнуть в слишком большие опухоли, и в этом суть второго ограничения, накладываемого на применение иммунотерапии рака. Таким образом, расценивать этот вид терапии как панацею нельзя, но в ряде случаев при наличии сильной иммунной системы можно добиться очень хороших результатов.

В нашей лаборатории иммуногенетики Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН мы также занимаемся разработкой средств иммунотерапии рака. Наше направление – клеточные средства терапии, в частности, CAR T-клетки, генетически модифицированные Т-лимфоциты, которые несут на своей поверхности рецептор, способный распознавать раковые клетки. Т-клетки берут у пациента, а после генной модификации вводят ему обратно. Если раковая опухоль не мутировала, и она не воспринимается иммунной системой как нечто чужеродное, то CAR T-клетки – это то, что нужно, чтобы заставить иммунную систему распознавать конкретный тип рака и уничтожать его.

Наша лаборатория ведет работы по применению CAR T-клеток для терапии онкогематологических заболеваний и рака простаты. На данный момент некоторые испытания проводятся «в пробирке», но некоторые – уже на модельных животных. Надеемся, что нам удастся продвинуть эту технологию дальше, дойти до клинических испытаний. Сейчас сделать это непросто еще и из-за принятия нового федерального закона «О биомедицинских клеточных технологиях».

Читайте по теме: Иммунотерапия рака, или как обучить иммунитет команде «фас!»