Naked science пару років тому зазначав, що інший раз вибір нобелівського комітету дійсно викликає питання — як це було в 2019 році, коли першовідкривач екзопланет (планет в інших системах) премію не отримав, а пішла вона зовсім іншим людям. Однак в 2021 році ситуація склалася зовсім неоднозначна. Одні нагороди виглядають безперечними, а ось інші… Але давайте про все по порядку.
Нобелівка з медицини: ще одна премія здорової людини
Здавалося б, що може бути простіше відчуттів? холоду чи, дотику чи. Тому новина про те, що девіду джуліусу і ардему патапутяну присудили нобелівську премію з фізіології і медицини 2021 року, на перший погляд, дивна. Але, насправді, мало що в нашому організмі може бути складніше відчуттів і всього, що з ними пов’язано. Відкриття цих двох вчених показували шляхи до нових способів знеболення – і тому, як саме ми можемо дихати і не перегріватися.
ардем патапутян ліворуч, девід джуліус праворуч / © nobelprize.org
Якщо погортати вузівські підручники пристойного біофаку, то здається, що людина влаштована просто — щось на зразок радіоприймача або смартфона, тільки деталей сильно більше. Фотон потрапив в око, активував ось такі-то світлочутливі молекули (майже фотосинтез, так?). Ось іони натрію (і не тільки) понеслися між клітинами, переносячи сигнали — а потім і донесли сигнал до мозку. Там інші іони дозволили нервовим клітинам обробити отриманий сигнал – і вуаля, ми вже маємо образ. Або відчуття тепла. Або навіть торкання руки.
Тільки це так не працює. Всі, хто пробував на цій основі зрозуміти, як ми щось відчуваємо, як це перетворюється в відчуття, стикалися з тим, що в простій ланцюга «зовнішній вплив-приймач в очах/шкірі/носі — передача сигналу по нервових волокнах — нейронна мережа в мозку» чогось ніби не вистачає.
Наш мозок взагалі не обробляє ніякі сигнали ззовні, не зберігає їх сліди в пам’яті і так далі. Як саме все це відбувається-часто тільки здогади, і багато вчених впевнені, що наше покоління не доживе до розгадок. Аналогія з електромеханічними сенсорами і комп’ютерами помилкова не тільки для людей, але і тварин.
Але залишимо осторонь мозок. Проблеми з такою простою» біофаковской “картиною світу починаються» з самих низів«, з базових»п’яти почуттів”. Науці відомо одноклітинне з практично оком, оснащеним лінзою і всім, чим належить. Але що там передає сигнал і, власне, куди? де центр обробки зорової інформації, хоч якийсь аналог мозку? на вигляд ніде: одноклітинне як одноклітинне, немає ніяких особливих структур, яким можна було приписати функції мозку. Проте воно якось бачить своїх жертв цим оком і навіть полює, задіюючи його.
Якщо ви думаєте, що з більш складними істотами простіше, тому що ось він мозок або хоча б ганглій, то, на жаль, немає: чим складніше, тим складніше (тавтологія навмисна), а не простіше. Люди вивчають сприйняття сигналів равликами десятки років і навіть не сподіваються зрозуміти і відтворити те, що там відбувається, раніше, ніж через сотню років (тобто нинішні дослідники до цього точно не доживуть).
Можливо, раз все так складно, немає і сенсу вникати в те, як на ділі працюють почуття,як ми розуміємо інформацію? на жаль: це дуже нагальна інформація, вкрай корисна з практичної точки зору.
Чому «відчуття тепла» було так складно відкрити
Як би не було складно розібратися із зором, слухом і смаком, там хоча б ясно, де копати: ось вони очей, ніс, чутливий до запахів, і мова, що розрізняє смаки. Але де знаходиться те, що відчуває зміни температури, і як цей орган знайти?
Треба сказати, девід джуліус відкрив його випадково. Взагалі – то він цікавився використанням капсаїцину для знеболювання. Це діюча речовина пекучого перцю в народній медицині застосовувалося для місцевого знеболювання дуже давно, але в «велику фармацевтику» потрапити йому було складно. Якщо неясний механізм дії, легко нашкодити, “переборщивши” з безпечною дозою — і складно повністю використовувати потенціал ліки, якщо уникати високих доз занадто вже послідовно.
Очевидно, пошук механізмів сприйняття цієї речовини потрібно вести в нервових клітинах, але з дослідів випливало, що не всі вони в однаковій мірі до нього чутливі. Група, в якій працював нинішній нобелівський лауреат, впливала на нервові клітини лабораторних щурів капсаїцином, а потім шукала в їх молекулах рнк сліди генів, що кодують ті білки, які утворилися після стимулювання капсаїцином. Джуліус встановив, що ключовими були білок trpv1 і кодуючий його ген з тією ж назвою.
Trpv1-мембранний білок, що безпосередньо входить в оболонку (мембрану) наших нервових клітин. Коли щось активує його, він може пропустити всередину іони натрію, а у відповідь на це клітина дає ту чи іншу реакцію — наприклад, передає далі по ланцюжку іони, сигналізуючи в центральну нервову систему про пекучому відчутті.
мембранний білок trpv1 відкрили завдяки капсаїцину, що надає пекучий смак гострого перцю / © nobelprize.org
Просто знайти ген trpv1 було недостатньо: потрібно показати, що поява такого ж білка в нечутливих до «гострого» клітинах викличе в них таку ж реакцію, як у клітин чутливих. Відштовхуючись від рнк чутливих клітин, група джуліуса змогла включити ген trpv1 в днк нервових клітин, де його не було — і який був нечутливий до капсаїцину. Це дозволило впевнено довести, що саме trpv1 відповідає за його сприйняття.
І лише в процесі всієї цієї роботи випадково з’ясувалося, що точно такий же мембранний білок пропускає іони і у відповідь на зміни температури — даючи організму знати, що йому жарко. Більш того: з’ясувалося, що без цього білка нам взагалі було б важко вижити. Досліди на тваринах показали, що при «вимкненому» (генетично або хімічно) trpv1 миші починають перегріватися: не відчувають спеки, а організм не включає компенсаторні механізми.
Майбутній нобелівський лауреат продовжував пошук подібних білків і кодуючих їх генів – і знайшов trpv1, trpm3 і trpa1. Вони відповідали не тільки на тепло, але і на ряд небезпечних хімічних сполук, даючи організму зрозуміти, що слід їх уникати. Потім джуліус встановив, що мембранний білок trpm8 відкриває іонний канал у відповідь на холод.
Тиск зовні, тиск зсередини: те, без чого ми не можемо жити
Ардем патапутян знав про відкриття девіда джуліуса (вони працювали в одному і тому ж каліфорнійському університеті) і вирішив продовжити пошук «в сторону». Він став перебирати різні типи нервових клітин, сподіваючись знайти ті, які відкривали іонні канали, якщо ткнути в їх оболонку чимось, що може зігнути мембрану, але не знищити при цьому клітину.
Знайти таку клітку – лише початок шляху. У неї було 72 гени-відмінності від нервових клітин, які не реагували на механічний тиск. Як зрозуміти, який ген насправді відповідає за кодування того невідомого білка, який дає нам відчуття тиску? патапутян почав відключати кожен з цих генів, поки не знайшов той, з чиїм відключенням клітини більше не реагували на тиск.
І це був незвичайний ген-тому що він кодував вкрай екзотичний білок. Зазвичай мембранні білки мали від шести до 12 сегментів, що проходять через клітинну мембрану. А у нового гена, piezo1, їх було відразу 38, вони утворювали чашоподібну западину в клітинній стінці. Як тільки до клітини прикладали тиск, чашеообразная западина розпрямлялася, відкриваючи канал, що пропускає іони.
Цікаво, що ні piezo1, ні близького до нього piezo2 немає у мух і черв’яків — тільки у хребетних. Тому до цих пір не цілком ясно, як і наскільки бідні мухи і черв’яки відчувають тиск — і чи відчувають його взагалі.
piezo1 і piezo2 в закритому стані виглядають як западина в стінці клітини. Однак тиск змушує западину розпрямлятися і пропускати іони через клітинну мембрану, запускаючи подачу нею сигналу в мозок / © nobelprize.org
Швидко стало ясно, що, як і з рецептором тепла, білок, що відповідає за сприйняття тиску, має широке коло обов’язків. Лабораторні гризуни, чиї ембріони позбавляли гена, що кодує білок piezo2, вмирали незабаром після народження. Їх організм просто не міг відчути тиск від стінок легенів, тому не був здатний відрегулювати самостійне дихання нормальним чином.
Нарешті, цей же білок відповідає за нашу здатність «відчувати» частини власного тіла, не дивлячись на них. Якщо його робота порушена, починаються серйозні проблеми з підтриманням рівноваги навіть в стані спокою. Рухи ж часто призводять до падінь.
Той же рецептор відповідає за наші відчуття від підвищення тиску в кровоносних судинах, позивів в туалет (при тиску на стінки сечового міхура, наприклад) тощо.
Що це дає?
Значення всіх відкриттів вкрай велике — настільки, що ми досі не використовували їх скільки-небудь повно. Справа в тому, що поки медицина знеболюєНас грубими методами: наприклад, опіоїдами, які на деяких людей діють зовсім не так, як на інших. Та й не знеболюють вони зовсім: відчуття задоволення просто заглушають біль, але не відключають її. Тим часом в ряді випадків слід саме відключати відчуття, а не глушити.
Наприклад, саме рецептори, які почав вивчати джуліус, залучені в стимулювання запального процесу. Відчуваючи температуру в тій чи іншій частині тіла, вони запускають ланцюжок запальних реакцій. Щоб зняти запалення, опіоїди не допоможуть. Є ряд протизапальних препаратів, але у них трапляються неприємні побічні ефект. Так що непогано б навчитися відключати саме білок trpv1 і його «родичів» — trpm3 і trpa1.
Зрозуміло, це можна зробити за допомогою капсаїцину, яким користувався джуліус, — і в наші дні так і роблять: наприклад, з деякими хворими на артрит. Однак поки до повноцінного, широкого і керованого відключення таких рецепторів дуже далеко. Потрібні речовини з меншою кількістю побічних ефектів, ніж капсаїцин, якісь його антагоністи типу amg9810, але без неприємних супутніх явищ. Було б непогано знайти і речовини, що активують рецептори холоду без самого холоду. Такі можуть стати в нагоді при боротьбі зі шкідливим для здоров’я запаленням або тим же артритом. Роботи в цьому напрямку ще тільки почалися і зажадають багатьох років.
Інша сторона проблеми: пошук можливих захворювань, в тому числі рідкісних і генетичних, при яких порушена робота білків trpv1 (і йому подібних) і piezo1 (і йому подібних). Що робити, якщо нездатність відрегулювати тиск своїх судин і ряд інших проблем викликаються складнощами з генами, що кодують відповідні білки?
Відповіді на всі ці питання, без яких повністю не потиснути плоди відкриттів джуліуса і патапутяна, науці тільки належить дізнатися. Але великий розмах наукової (і практичної) роботи, породженої їх знахідками, вже очевидний. Вони цілком заслужили свою премію.
Фізика: не все так однозначно
Сюкуро манабе і клаусу хассельману присудили одну половину нобелівки за фізичне моделювання клімату землі, а друга пішла джорджо парізі — за відкриття взаємодії між безладом і флуктуаціями в фізичних системах.
Джорджо парізі отримав свою половину премії досить очікуваним чином. Його вже називали одним з трьох претендентів на неї — це зробив алгоритм компанії clarivate analytics, що аналізує тенденції в цитуванні того чи іншого вченого. Частота посилань на парізі і його наукові результати в роботах інших вчених дійсно в останні десятиліття помітно зростає.
Офіційно премію йому дали «за відкриття взаємодії між безладом і флуктуаціями у фізичних системах — від атомних до планетарних масштабів». Йдеться про роботи, що народилися з досліджень спінових стекол. Так називають в цілому немагнітні сплави, в які введені домішки магнітних матеріалів. За рахунок складної взаємодії магнітних властивостей в таких матеріалах вони показують складну, невпорядковану поведінку. Наприклад, в них рівноважним може бути більше одного стану — тобто система з рівною ймовірністю здатна мати два і більше варіанти структури, що незвично для більшості звичних нам матеріалів, з кристалічною решіткою (наприклад, багатьох металів).
вгорі: спінове скло, спини атомів (тобто власні моменти їх імпульсів) спрямовані в різні боки. Внизу: феромагнітний матеріал, спини атомів спрямовані в одну сторону / © wikimedia commons
Важливо те, що спостережувані в них закономірності не просто дозволяють краще передбачати поведінку спінових стекол в електроніці, але і схожі на поведінку інших структурно слабоупорядоченних систем — і в біології, і в нейронних мережах, і в інших областях.
Як розрахувати глобальне потепління
Куди менш очікуваною була «четвертинка» премії манабе.
Сюкуро манабе все життя пропрацював над складними питаннями, пов’язаними з глобальним потеплінням. У 1967 році він — далеко не першим, втім — висловив думку, що зростання концентрації парникових газів, включаючи вуглекислий, може призвести до потепління. Тоді ж вчений опублікував в journal of atmospheric sciences роботу, в якій описав спрощену одновимірну модель клімату землі.
сюкуро манабе / © wikimedia commons
У ній атмосфера розглядалася як якийсь одновимірний стовп від поверхні планети до космосу — більш складне моделювання при тодішніх обчислювальних потужностях було нереальним. Зате модель містила найважливішим момент: зворотний зв’язок між вуглекислим газом і водяною парою. Внесок водяної пари в парниковий ефект формально набагато більше, ніж вуглекислого газу. Однак вміст водяної пари різко змінюється слідом за температурою: при її падінні водяна пара просто випадає інеєм на поверхню. Коли холодно, h2o в повітрі майже немає, і поверхня планети в цій точці легко вистужается за ніч.
А ось вміст вуглекислого газу так різко не змінюється: він випадає у вигляді твердих частинок при температурах нижчих, ніж водяна пара. Не даючи інфрачервоному випромінюванню від поверхні планети легко її покинути, со2 грає ключову роль в парниковому ефекті там, де бувають морози, — тобто там, де живе більшість людей. В результаті він служить і регулятором вмісту водяної пари в повітрі: не даючи йому остигати занадто швидко, регулює вміст н2о, залишаючи його рівень порівняно високим.
До тих пір, поки вчені не врахували зворотний зв’язок з водяною парою, точно визначити вплив со2 на земний клімат було неможливо. У цьому сенсі премія манабе цілком виправдана.
Чому для вченого важливо прожити довше
Однак слід зазначити, що де-факто зовсім не модель манабе зіграла головну роль у відкритті глобального потепління. Сам вчений лише розробив модель, а ось висновок про неминучість глобального потепління належить не йому.
Справа в тому, що з факту високої чутливості моделей, подібних створених манабе, до концентрації со2 в повітрі можна зробити різні висновки. Дехто з учених 1960-1970-х років порахував: така модель показує нестійкість земного клімату. Адже, згідно з нею, навіть незначне зниження рівня сонячного випромінювання, що досягає поверхні, може привести до різкого падіння вмісту водяної пари в атмосфері, після чого на планеті почне холоднішати. Тому ряд дослідників тієї пори очікували глобального похолодання від аерозолів, що утворюються при згорянні вугілля (вони блокували частину сонячної радіації).
Зробити більш точне передбачення зміг михайло будико, який заявив про неминучість глобального потепління на міжнародній конференції всесвітньої метеорологічної організації в 1971 році. Логічніше було б вручати нобелівку йому. На жаль, вчений помер два десятки років тому, не дочекавшись премії, а вона, як відомо, вручається тільки нині живуть. Так манабе підтвердив давно відому в наукових колах сумний жарт: якщо хочеш наукового визнання, треба не просто зробити відкриття, а й мати міцне здоров’я, що дозволяє дожити до моменту, коли це відкриття стане мейнстрімом.
михайло будико / © wikimedia commons
Втім, будемо чесні: далеко не факт, що будико отримав би премію, навіть доживи він до наших днів. Вчений вважав, що глобальне потепління благо, а ця точка зору в наші дні просто єретична (що відзначав і дотримувався таких же поглядів на наслідки потепління фізик фрімен дайсон).
Клаусу хассельману присудили половину від половини премії за розрахунки ряду явищ в кліматичному моделюванні. Вони дозволили почати чітко розрізняти коливання температури, викликані різними причинами-наприклад, розрахунково розуміти, коли температура впала від наслідків вивержень вулканів, а коли від аерозольного забруднення атмосфери. Або коли вона підвищується від зростання концентрації парникових газів, а коли – від природних факторів.
Економічний нобель: перевірити алгебру емпірикою
Альфред нобель, як відомо, скептично ставився до економістів і ніяких премій їм не заповідав. Але після його смерті шведська академія вирішила, що нобелівка потрібна і економіці — і, на наш погляд, вона права.
девід кард-праворуч, його співавтор по роботі про корисність мрот алан крюгер-зліва / © wikimedia commons
Поглянемо на девіда карда — канадсько-американського економіста, який вивчав питання мінімальної заробітної плати. В економічній теорії десятки років домінувала ідея, що введення мінімальної зарплати-погано. Багато економістів з неолібералів стверджували, що якщо її ввести, то багато компаній виберуть скоротити ті робочі місця, де оплата праці нижче мінімалки. Оскільки на цих місцях зайняті бідні, то, міркували економісти-неоліберали, введення мінімальної зарплати, покликаної захистити бідних, насправді, б’є по їх же інтересам.
Кард був першим економістом, який вирішив перевірити цю гадану очевидноюІдею на емпіричних фактах. Він вивчив зміни в зайнятості низькооплачуваних категорій після великого підвищення мінімалки в нью-джерсі, сша. У результаті з’ясувалося дивне: ніякого скорочення зайнятості не відбулося зовсім, навіть серед найменш оплачуваних категорій громадян, включаючи працівників закладів фастфуду. Навіть у прикордонних округах нью-джерсі зайнятість у фаст-фудах після под’меа мінімально оплати праці злегка зросла, а не скоротилася. Останній ефект дещо загадковий: можливо, стало перебувати більше бажаючих працювати на посадах з такою оплатою, якщо вже вона піднялася.
Кард прийшов до висновку, що для роботодавців на практиці немає вибору «або низька оплата праці, або скорочення низькооплачуваного працівника». Ймовірно, справа в тому, що мінімалку отримують люди зі сфери послуг, де зарплати нижчі, ніж у промисловості. Але якщо для промислового підприємства часто можна вибрати місце хоч в країнах третього світу, хоч в сполучених штатах, то для громадського харчування скоротити співробітників означає просто втратити виручку. Тому тут роботодавці можуть бути готові підвищувати зарплати без звільнень.
Ідеї карда мають велике практичне значення. Раніше будь — яка спроба підвищення мінімальної оплати праці викликала серйозну протидію економістів-сьогодні ж це можливо тільки в країнах, де економісти досить погано підготовлені, щоб бути не в курсі ідей карда. У сша за останні десятки років жодне підвищення мрот в тому чи іншому штаті не обходиться без посилання на роботу карда.
взагалі-то разом з кардом нобелівську премію повинен був отримати і його співавтор алан крюгер. На фото (овальний кабінет, президент обама і його радники) крюгер-крайній праворуч. На жаль, проти премії знову спрацювало те, що її можна вручити тільки тим, хто живе: крюгер вчинив самогубство в 2019 році / © wikimedia commons
Джошуа енгрист і гвідо імбенс були удостоєні премії за свої роботи, що використовують «квазіекспериментальний підхід». В економіці, як відомо, важко проводити експерименти в контрольованих умовах, а без них на багато питань не можна отримати відповіді. Щоб обійти проблему, енгрст став шукати “як би експерименти” в економічній реальності. Наприклад, порівнював заробітки американців, які воювали у в’єтнамі, з доходами їхніх однолітків, які програли в призовній лотереї.
Останню фразу варто пояснити. Тоді в сша набирали в армію менше людей, ніж підлягало призову. Щоб відокремити призовників від непризваних, використовували лотерею, тобто факт призову став випадковим. У енгрста і імбенса вийшло, що люди одного і того ж віку, раси і рівня доходів, які воювали у в’єтнамі, за життя мали на 15% менший сукупний заробіток ніж ті, хто не служив. Це стало одним з “як би експериментів” — спостережень, які за результативністю можна порівняти з експериментами справжніми. Хоча описане звучить просто, але до двох нобеліатів в економіці ніхто не зміг показати, що подібні методики «пошуку природних експериментів» в даних спостережень дійсно можуть давати настільки точні результати.
Нобелівка все ще та?
З того, що сказано вище, здається, що думки про нібито знецінення нобелівської премії все ще далекі від істини. Лауреати цього року в фізіології і медицині більш ніж заслужили нагороду. Ті, що отримали премію за роботу в галузі фізики, — теж цілком видатні вчені. Безперечно, не такі видатні, як ті, хто відкрили глобальне потепління, але тут вже нічого не зробиш. Нобелівський комітет не встиг оцінити важливість цієї події до того, як вчений, який передбачив його, помер.
Про премії економістам взагалі не можна сказати поганого слова. Економіка-непроста наука, одна з головних проблем якої — труднощі перевірки її теоретичних передбачень. Кард, енгрст і імбенс змогли показати, що, з одного боку, такі передбачення не завжди вірні, а з іншого — що є методи передбачати точніше, ніж раніше. Досить поміняти підхід до вивчення емпіричних даних.
Жителі росії і в xx столітті, і в xxi столітті страждали (і все ще страждають) від спроб реалізації ідей економістів-теоретиків, недостатньо заснованих на емпіричних даних. Мабуть, ми як ніхто не розуміємо, чому роботи, подібні описаним вище, дійсно важливі.
