Це ж велика дурість — хотіти говорити, а не хотіти бути зрозумілим.
Феофан (Єлеазар) Прокопович, український богослов, письменник, поет, математик, філософ

У глибину квантового світу і стволових клітин

11 жовтня, 2012 - 00:00
СЕР ДЖОН ГАРДОН / ФОТО РЕЙТЕР КВАНТОВИЙ ГОДИННИК ІДЕ НА ЗМІНУ ПІСОЧНОМУ ДЕВІД ВАЙНЛЕНД СЕРЖ АРОШ СІН’Я ЯНАМАКА

Шведська академія наук представила лауреатів Нобелівської премії 2012 року з фізики і медицини. Стефан Нормарк, постійний секретар Королівської Академії наук Швеції, зачитав шведською та англійською мовами коротку офіційну ухвалу Нобелівського комітету. Лауреатами з фізики стали Серж Арош (Франція) і Девід Вайнланд (США). Премію присуджено за створення «інноваційних експериментальних методів, які дозволяють проводити виміри та маніпулювати на рівні окремих квантових систем».

Серж Арош народився 1944 року в Марокко, яке тоді належало Франції. Його мати, уроджена Рубльова, народилася в Одесі. Він обіймає посаду професора і керівника кафедри квантової фізики в паризькому Колеж де Франс, член Французького, Європейського та Американського фізичних товариств. 2009 року фізик отримав золоту медаль Національного центру наукових досліджень Франції.

Девід Вайнленд також народився 1944 року і є працівником американського Національного інституту стандартів та технологій, а також членом Американських фізичного та оптичного товариств. 1978 року він першим продемонстрував технологію лазерного охолоджування іонів. 2004 року група дослідників під керівництвом Вайнленда вперше продемонструвала можливість телепортації квантових станів атомів.

Як відомо, світло складається з часток, які називаються фотонами. Вони рухаються безперервно і без зупинки саме зі світловою швидкістю. Зловити і навіть відокремити фотон від останніх — давня мрія фізиків, оскільки зв’язок між цими надрухомими частинками і рештою матерії не піддавався безпосередньому експериментові. Головна складність полягала в тому, що квантовий світ часток сильно відрізняється від звичного нам макросвіту. Квантова частка поєднує в собі як безперервні (хвилеві) властивості, так і дискретні (переривчасті). Незвичність легко продемонструвати на прикладі хвиль на воді, які виникають від кинутого каменя. Наше око бачить лише безперервні кола на воді, хоча вода складається з молекул, а ті своєю чергою, з атомів. Атоми також складаються з елементарних часток і між ними є хоча й малий, але, все ж таки, простір. Начебто і безперервний рух хвиль, але і, у той же час, дискретний. Зрозуміло, що наведений приклад носить ілюстративний характер і ні в якому разі не відбиває всю складність мікросвіту.

Основним об’єктом, який описує поведінку часток у мікросвіті, є хвилева функція, квадрат модуля якої задає розподіл ймовірності виявлення цієї ж частки в тій чи іншій точці простору. Цікаво, що хвилева функція може набувати не лише дійсних, але й комплексних значень, тобто виражається через так звану уявну одиницю, що є коренем квадратним з мінус одиниці. Наприклад, електронні хмари довкола атома, що вивчаються в курсі шкільної хімії і фізики — це і є розподіл у тривимірному просторі квадрата хвилевої функції, відповідної електронові.

Поведінка елементарних часток не описується в детермінованих категоріях. Ми можемо лише з певною ймовірністю говорити, що частка в даний момент має таку-ось координату в просторі. Цілком можливо, але з іншою ймовірністю вона там і не перебуває.

А тепер уявімо, що за такими рухомими частками з вельми складною поведінкою ми маємо спостерігати за допомогою таких же часток. Наприклад, за фотонами за допомогою фотонів. Іншими словами, всякий вимір невідворотним чином впливає на систему. Внаслідок цього система втрачає всі свої квантові властивості і стає класичною.

До нещодавнього часу фізикам здавалося, що ця перешкода носить фундаментальний характер, і її було сформульовано творцями квантової механіки — видатним данським фізиком Нільсом Бором і німецьким фізиком Вернером Гейзенбергом 1920-х рр. у вигляді так званої копенгагенської інтерпретації.

Для наочної ілюстрації положень копенгагенської інтерпретації знаменитий австрійський фізик Ервін Шредінгер вигадав свого знаменитого кота. Уявімо собі чорну скриньку, всередину якої поміщено кота. Окрім тварини в скриньці є ампула з отруйним газом, який запускається від єдиного атома якогось радіоактивного елементу. Якщо атом розпадається, то ампула розривається і кіт гине. Якщо атом не розпадається, то кіт живе. З погляду зовнішнього спостерігача, кіт усередині скриньки через період напіврозпаду елемента виявиться одночасно в двох станах — живому і мертвому. При цьому в кожному з них кіт перебуватиме з однаковою ймовірністю, що дорівнює 1/2. І ми зовні жодним чином не можемо однозначно визначити стан кота.

Розвиток фізики показав обмеженість такої інтерпретації. Саме прорив у цьому напрямку і здійснили нобелівські лауреати цього року.

У 1980-х рр. минулого сторіччя квантова оптика — підрозділ квантової механіки — переживала період бурхливого розквіту. Це було пов’язано, серед іншого, з технологіями, які досягли потрібного для виробництва відповідного устаткування рівня. Одним із популярних об’єктів для вивчення стали так звані об’ємні резонатори — власне, пара віддзеркалюючих елементів-дзеркал, між якими збуджувалося електромагнітне поле. Фізикам удавалося домогтися того, що виникаючі фотони жили в резонаторі досить довго, перш ніж їх поглинуть стінки камери.

За допомогою таких резонаторів одні фізики виготовляли мазери — мікрохвильові лазери, тобто джерела когерентного випромінювання в мікрохвильовому діапазоні, інші вивчали взаємодію фотонів і атомів матерії. Серж Арош зацікавився питанням: чи є всередині резонатора хоча б один фотон.

Відповідь передбачалося отримати не знищуючи фотон у резонаторі — тобто не викликаючи колапсу його хвилевої функції.

Виявилось, що це можливо. Особливим чином дібрані вихідні стани атомів змінювалися специфічним чином, проходячи через резонатор. Стан атома можна представити у вигляді хвилі і якщо в резонаторі був фотон, то піки цієї хвилі зміщувалися. Це можна зареєструвати вже звичайними вимірюваннями. Використовуючи більш ніж один атом, Арош створив технологію підрахунку кількості фотонів у резонаторі.

Американець Девід Вайленд підійшов до проблеми з іншого кінця «тунелю». Об’єктом його досліджень були іони, поміщені в пастку, що є вакуумною камерою, в якій присутнє статичне і коливальне електричне поле. Ці поля дозволяють утримувати і вивчати одиночні іони — за розробку такої пастки, що отримала назву пастки Пауля, Вольфганг Пауль і Ханс Демельт 1989 року отримали Нобелівську премію з фізики.

Головним досягненням Вайнленда стало уміле використання лазерних імпульсів. Виявилось, що підбираючи їх особливим чином, можна «заштовхати» іон в найнижчий енергетичний стан. А потім, за допомогою вже інших імпульсів, перевести іон в суперпозицію (накладення) нижнього і наступного за ним енергетичного стану. Отримавши іон у природному квантовому стані, фізики, нарешті, змогли вивчати ці, здавалося б, загадкові об’єкти.

Окрім фундаментального значення експериментів нобелівських лауреатів вони матимуть в майбутньому велике застосування. Зокрема, ми впритул наблизилися до створення квантових комп’ютерів, які матимуть швидкість обробки інформації, принаймні, теоретично в 10 в 80 разів більшу за сучасну. Створення таких комп’ютерів настільки змінить наше життя в нинішньому столітті, як їхні попередники в минулому.

Саме величезний обсяг обчислень робить неможливим точний прогноз погоди на тривалий період. Результативність робіт із створення ліків від раку, СНІДу й інших небезпечних хвороб стримується недостатньою продуктивністю сучасних комп’ютерів.

Наступним завданням, яке дозволять вирішувати квантові пристрої — надточний вимір часу. Оптичний годинник буде як мінімум в 100 разів точніший за сучасні цезієві. Помилка в одну секунду, по-перше, набігатиме за 3,7 мільярда років. Як наслідок, ми отримаємо набагато досконалішу систему стеження за об’єктами й обчислення їхніх координат у просторі. Наступний крок — системи автопілота в автомобілі і на цій основі запобігання дорожньо-транспортним пригодам. Зараз можна тільки робити припущення, наскільки революція в комп’ютерах відіб’ється на розвитку мікробіології і медицини, оскільки принципово розширить можливості вивчення живого на генетичному рівні.

Нобелівську премію з медицини цього року присуджено Джону Гардону та Син’я Яманака за «відкриття можливості перепрограмування зрілих клітин в плюрипотентні». Іншими словами, за здобуття індукованих стовбурових клітин.

Сер Джон Гардон — британський біолог, відомий своїми роботами з пересадки клітинних ядер. Він народився 1933 року, а 1960 року закінчив Оксфордський університет. Докторську ступінь учений отримав в Каліфорнійському технологічному інституті. 1962 року Гардон здійснив експеримент, в ході якого замінив ядро з яйцеклітини жаби на ядро, взяте з клітини кишечника. Згодом з такої яйцеклітини розвивалися нормальні пуголовки. В результаті експерименту було здобуто докази того, що в геномі вузькоспеціалізованих клітин зберігається інформація, достатня для роботи всіх клітин організму, а їхня спеціалізація може бути оборотною.

Син’я Яманака народився в Осаці 1962 року, в рік виходу ключової статті Гардона. Він закінчив університет Кобе, а докторську дисертацію захистив в університеті Осаки 1993 року. Дослідження, за які Яманака отримав Нобелівську премію, було проведено через 40 років після експериментів Гардона. 2006 року японський учений опублікував із співавторами статтю, в якій показав, що активувавши всього чотири гени в клітинах сполучної тканини, їх можна перетворити на стовбурові клітини. Згодом, з таких клітин можуть розвиватися будь-які клітини організму.

Всі багатоклітинні організми зростають з однієї-єдиної клітини — зиготи, тобто заплідненої яйцеклітини. Як тільки зигота починає ділитися й утворювати нові клітини, їхні долі розходяться: якісь клітини стають нейронами, якісь — клітинами жирової тканини. Окрема лінія клітин з часом дає початок новим яйцеклітинам. Диференціювання клітин інколи порівнюють з падінням з гори. Впасти до певної «долини спеціалізації» легко, але повернутися назад неможливо.

Хоча кожна з клітин організму (за рідкісними особливими винятками) має геном, ідентичний геномові зиготи, здобута спеціалізація визначає її подальшу долю. Повністю дозріла клітина зазвичай не лише не здатна змінити свою спеціалізацію, але часто навіть не може ділитися.

У дорослого організму існують слабо спеціалізовані клітини, з яких утворюються декілька видів зрілих клітин. Такі слабо спеціалізовані клітини діляться й компенсують втрати організму. У широкому сенсі їх називають стовбуровими клітинами, а точніше — мультипотентними клітинами. Саме з них формуються нові клітини крові, з них утворюються нові клітини епітелію (зміна якого дуже важлива для існування організму), вони здійснюють регенерацію пошкоджених тканин.

Для людини незворотність клітинної спеціалізації означає, що можливості регенерації тканин у дорослого організму виявляються украй обмеженими. Втративши значну кількість стовбурових клітин, організм з часом втрачає здатність до поновлення, починається незворотне старіння. Відомо, що стовбурові клітини мозку майже повністю зникають ще під час внутрішньоутробного розвитку і надалі не відновлюються. Вони залишаються в стані, що дрімає, й активуються наприклад, під час інсульту. Проте, той нейрогенез, який відбувається в дорослому віці, витрачає непоправний ресурс цих клітин і, врешті-решт, він закінчується.

Для подальшого розвитку біології і медицини украй важливо було навчитися перепрограмувати клітини, зробити можливим створення нових стовбурових клітин. З цією метою Гардон видаляв ядро з яйцеклітин за допомогою ультрафіолетового опромінення, а потім ін’єктував у них ядро з епітелію пуголовка. З отриманої клітини розвивалася нормальна жаба. Згодом цю технологію застосували для овець, мишей, свиней, собак та інших тварин. У тому числі й для славнозвісної вівці Доллі.

Сен’я Яманака зробив низку вельми тонких дослідів із перепрограмування клітин, які не тільки розвивають ідеї Гардона, але вносять принципово нові елементи. Здобуття індукованих стовбурових клітин в довільній кількості потенційно здатне забезпечити людину інструментами активації регенерації і продовження життя. Найбільш очевидне їхнє застосування пов’язане з лікуванням хвороби Паркінсона, а також в наступі на рак, серцево-судинні захворювання та діабет. Учені отримали чудову технологію для вивчення механізмів диференціювання кліток, за якою велике майбутнє.

Плювацьке й безвідповідальне ставлення української влади до розвитку науки призвело до того, що ми й мріяти не можемо побачити прізвища наших учених у так званих нобелівських списках. І це при тому, що наш науковий потенціал на разі достатній, щоб бути на найпередовіших кордонах. Але, схоже, що проблеми науки владу мало цікавлять. Напевно, недостатньо для цього у неї сірої речовини.

Юрій РАЙХЕЛЬ
Газета: 

Додати коментар

Фото Капча
Введіть символи з картинки

НОВИНИ ПАРТНЕРІВ