Объявление лауреатов премии Кавли 2016 года стало знаковым событием, объединившим ведущих исследователей в области астрофизики, нанотехнологий и нейробиологии. В рамках торжественных мероприятий в Осло и последующей панельной дискуссии на Всемирном фестивале науки в Нью-Йорке эксперты обсудили революционные открытия — от фиксации гравитационных волн до манипуляций отдельными атомами и раскрытия тайн пластичности мозга. Этот материал подробно освещает ключевые достижения лауреатов, личные истории ученых и главные вызовы, стоящие перед современной мировой наукой.
🌟 Премия Кавли: чествование величайшего, наименьшего и самого сложного 0:00
Выступая на открытии церемонии, директор Национального научного фонда США (NSF) Франс Кордова подчеркнула, что двухлетняя премия Кавли отмечает ученых за выдающиеся достижения в трех областях: астрофизике, нанотехнологиях и нейробиологии. Награда была учреждена норвежским предпринимателем и филантропом Фредом Кавли, чей фонд активно поддерживает исследовательские центры, международные симпозиумы и научную журналистику. По словам Кордовы, Фред Кавли всегда стремился к тому, чтобы мир признавал научные инновации и их вклад в качество жизни человечества.
Национальный научный фонд США разделяет цели Фонда Кавли, инвестируя огромные ресурсы в фундаментальные исследования, движимые чистым любопытством. В качестве примера Кордова привела недавнее эпохальное открытие гравитационных волн, сделанное через 100 лет после публикации общей теории относительности Эйнштейна. NSF поддерживает этот проект, реализуемый обсерваторией LIGO, еще с 1970-х годов. Франс Кордова отметила, что современная наука переживает уникальный момент, когда тайны Вселенной можно изучать одновременно в трех режимах: электромагнитном, корпускулярном и гравитационном. Кроме того, NSF активно софинансирует президентскую инициативу по изучению мозга (BRAIN Initiative) и развивает Национальную скоординированную инфраструктуру нанотехнологий, открывая ученым доступ к передовому оборудованию в 16 университетах.
По мнению Франс Кордовы, истинное наследие Фреда Кавли заключается в людях, которые вдохновляются его энтузиазмом к фундаментальной науке и стремятся исследовать неизведанный океан истины.
🧠 Нейробиология: как опыт меняет архитектуру мозга 14:44
Норвежская академия наук и словесности присудила премию Кавли 2016 года в области нейробиологии трем ученым: Ив Мардер (Брандейский университет), Майклу Мерзеничу (Калифорнийский университет в Сан-Франциско) и Карле Шатц (Стэнфордский университет). Награда вручена за открытие механизмов, благодаря которым опыт изменяет функции мозга.
Председатель отборочного комитета пояснил, что работа лауреатов раскрыла тонкий баланс между пластичностью и стабильностью нервной системы. Исследования каждого лауреата охватывают разные временные и пространственные масштабы:
- Ив Мардер использовала простые нейронные цепи ракообразных для изучения динамического взаимодействия гибкости и стабильности. Она идентифицировала химические сигналы (нейромодуляторы), которые перестраивают работу взрослых нейронов без изменения их анатомической структуры.
- Майкл Мерзенич доказал, что сенсорные цепи в коре головного мозга перестраиваются под влиянием опыта даже во взрослом возрасте. Его эксперименты показали, что изменение интенсивности использования пальцев рук ведет к трансформации их представительства в мозге, а слуховая кора меняет карту частот после обучения различению тонких оттенков звука.
- Карла Шатц продемонстрировала, как паттерны активности в развивающемся мозге формируют связи между нейронами еще до рождения. Она обнаружила, что спонтанные волны активности проходят по сетчатке плода, настраивая финальную карту связей между глазом и мозгом. Именно Шатц сформулировала знаменитый принцип «нейроны, которые активируются вместе, связываются вместе» (neurons that fire together wire together).
Как отметили члены комитета, эти открытия полностью перерисовали наше представление о том, как человек воспринимает окружающий мир и как мозг сохраняет надежность, допуская масштабные изменения в процессе обучения.
🔬 Нанонаука: скульптурирование мира по одному атому 20:23
Лауреатами премии в области нанонауки стали Герд Бинниг (Исследовательская лаборатория IBM в Цюрихе), Христоф Гербер (Базельский университет) и Калвин Куэйт (Стэнфордский университет). Ученые удостоены награды за изобретение атомно-силовой микроскопии (AFM), ставшей прорывом в технологиях измерений и наноскульптурирования.
Председатель комитета по нанонауке профессор Арне Братаас отметил, что перемещение единичных атомов на поверхностях долгое время оставалось лишь мечтой, но создание AFM воплотило её в реальность. В основе метода лежит сканирование поверхности образца микроскопической иглой (кантилевером) на наномасштабном расстоянии. Измерение сверхмалых сил взаимодействия между иглой и образцом позволяет визуализировать отдельные атомы с невероятным разрешением, фиксируя химические связи, трение, электрические и магнитные взаимодействия.
Основные преимущества и сферы применения технологии атомно-силовой микроскопии включают:
- Работа с любыми материалами: в отличие от электронных микроскопов, AFM способна исследовать непроводящие среды, жидкости и живые биологические системы.
- Наноскульптурирование: инструмент позволяет буквально поштучно менять местами, добавлять или удалять атомы на поверхности, что сравнимо с трехмерной нанопечатью.
- Исследование биомолекул: ученые могут закрепить одиночную молекулу ДНК или белка между иглой и подложкой, а затем растягивать её, изучая эластичные свойства и механизмы функционирования макромолекул.
- Медицинские инновации: температурно-чувствительные измерения открывают двери для создания передовых лекарств на клеточном уровне и изучения трения и смазки на атомном уровне.
По мнению Арне Братааса, этот прибор и созданные на его основе методы приносят и будут приносить долгосрочную пользу всему человечеству — от физики и химии до биохимии и медицины.
🌌 Астрофизика: новая симфония темной Вселенной 24:52
В номинации «Астрофизика» премию Кавли 2016 года получили Рональд Древер (Калифорнийский технологический институт), Кип Торн (Калифорнийский технологический институт) и Райнер Вайсс (Массачусетский технологический институт) за прямую регистрацию гравитационных волн.
Глава комитета по астрофизике профессор Матс Карлссон напомнил, что 14 сентября 2015 года обсерватория LIGO впервые зафиксировала импульс гравитационного излучения от столкновения двух черных дыр. Это открытие одним махом подтвердило общую теорию относительности Эйнштейна для зон сильного гравитационного поля, доказало существование черных дыр с массами в 30 раз больше Солнца и открыло совершенно новое окно во Вселенную. Гравитационные волны представляют собой крошечные пульсации пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света.
Техническая реализация этого открытия потребовала десятилетий работы и потрясающей инженерной смелости:
- Концепция интерферометра: базовую идею лазерного интерферометра, легшего в основу LIGO, в 1972 году разработал Райнер Вайсс, обеспечивший непоколебимое экспериментальное руководство проектом.
- Теоретическое обоснование: Кип Торн с 1960-х годов просчитывал, как именно экстремальные космические события генерируют гравитационные волны, и обеспечил научное видение проекта.
- Инженерный гений: Рональд Древер присоединился к команде в 1979 году и применил свой талант для радикального усовершенствования конструкции интерферометров, что позволило достичь необходимой чувствительности оборудования.
Профессор Карлссон подчеркнул, что хотя в реализации проекта участвовали сотни инженеров и ученых по всему миру, именно упорство, интеллектуальное лидерство и изобретательность Древера, Торна и Вайсса стали главной движущей силой этого эпохального открытия.
💬 Дискуссия в Нью-Йорке: взгляд изнутри лабораторий 30:10
После объявления результатов в Осло трансляция переместилась в Нью-Йорк, где на сцене Всемирного фестиваля науки собрались три выдающиеся исследовательницы: физик Нергис Мавалвала (MIT), инженер Михаль Липсон (Колумбийский университет) и нейробиолог Кори Баргманн (Рокфеллеровский университет).
Отвечая на вопрос ведущего о причинах невероятного общественного резонанса вокруг открытия гравитационных волн, Нергис Мавалвала выразила мнение, что дело не только в фундаментальной важности нового инструмента для изучения космоса. По её словам, публику заворожила сама история масштабной науки: 40 лет упорного труда, около миллиарда долларов инвестиций и более тысячи ученых, работающих вместе ради единой цели. К тому же, как с улыбкой добавила Мавалвала, «все любят черные дыры».
Обсуждая перспективы фиксации реликловых гравитационных волн, оставшихся после Большого взрыва, Мавалвала объяснила ключевое преимущество гравитационных волн перед светом. По её словам, свет активно взаимодействует с материей и рассеивается, из-за чего мы не можем заглянуть в историю Вселенной глубже, чем на 400 000 лет после Большого взрыва, когда космос остыл. Гравитационные волны, напротив, ведут себя как «интроверты на вечеринке»: они практически не взаимодействуют с веществом и доходят до нас из самых первых мгновений зарождения мира в первозданном виде. При этом исследовательница признала, что это экстремально сложное измерение, и приборы текущего поколения на это пока не способны.
Нергис Мавалвала поделилась личной историей о том, как в 1991 году она пришла устраиваться в лабораторию к Райнеру Вайссу. Вайсс, сидевший за столом с трубкой и закинутыми ногами, спросил, что она умеет делать руками в лаборатории, прервав её рассказ об оценках по квантовой механике. Узнав, что она умеет собирать электронные схемы, работать в мастерской и чинить велосипеды, Вайсс сразу принял её на работу. По признанию Мавалвалы, тогда идея измерять смещения в тысячу раз меньше протона казалась ей абсолютно безумной, но Вайссом всегда двигала страсть к неизведанному.
Михаль Липсон, развивая тему применимости фундаментальных технологий, рассказала, что сегодня атомно-синовые микроскопы стали обязательным стандартом. В её собственной лаборатории кремниевой фотоники AFM используется для проверки идеальной прямолинейности литографических нанопроводов. Липсон пояснила, что если хотя бы один atom сдвинется с решетки, свет рассеется и уйдет.
По словам Липсон, кремниевая фотоника начиналась с попыток решить проблему тепловыделения в компьютерах путем замены медных проводов на оптические каналы. За последние 10 лет эта область продвинулась настолько, что громоздкие оптические системы теперь миниатюризируются до размеров крошечного чипа без подвижных деталей. По её прогнозам, внедрение кремниевой фотоники в дата-центрах крупнейших ИТ-компаний способно радикально снизить мировое потребление энергии на охлаждение серверов.
🧬 От червя до человека: скрытые механизмы разума 43:41
Кори Баргманн, входившая в состав отборочного комитета премии Кавли, поприветствовала присутствовавших в зале гигантов нейробиологии — Торстена Визеля и Эрика Канделя. Она пояснила, что лауреаты этого года смогли объединить понимание ремоделирования нервной системы на всех уровнях.
Характеризуя открытия коллег, Баргманн привела детальные аргументы:
- Работы Ив Мардер разрушили старое представление о мозге как о жестко зафиксированной анатомической схеме, которая просто обрабатывает информацию и выдает готовый ответ. Мозг постоянно перестраивает сам себя для решения сиюминутных задач с помощью химических модуляторов.
- Эксперименты Майкла Мерзенича показали промежуточный масштаб пластичности. Баргманн напомнила о феномене «гомункулуса» — карты тела в мозге. Мерзенич доказал, что если, например, связать человеку два пальца вместе, то через пару недель мозг начнет воспринимать их как один единый палец. Этот механизм лег в основу адаптации людей со слуховыми кохлеарными имплантами: мозг успешно учится распознавать человеческую речь всего по 16 звуковым каналам вместо природных 10 000 каналов здорового уха.
Баргманн отметила, что взрослый мозг не так жаден до изменений, как молодой, но исследования Мерзенича доказали огромную роль таких факторов, как концентрация внимания и когнитивная вовлеченность, для запуска механизмов восстановления. Сегодня эти принципы активно применяются в реабилитации пациентов после инсультов и тяжелых травм головного мозга.
Рассказывая о собственных многолетних исследованиях нематоды (C. elegans) — простого червя, обладающего всего 302 нейронами, Баргманн подчеркнула, что мозг всех существ построен из одних и тех же кирпичиков. Генетические факторы риска, связанные с такими сложными человеческими расстройствами, как шизофрения, аутизм или дислексия, присутствуют и у червей. По её мнению, изучение этих генов в системе из 302 нейронов позволяет понять их базовые функции, что было бы невообразимо сложнее сделать в человеческом мозге, насчитывающем 86 миллиардов нейронов.
Вместе с тем Баргманн высказала предостережение: пластичность имеет и обратную, пугающую сторону. В качестве примера она привела масштабную эпидемию зависимости от рецептурных обезболивающих в США, которая представляет собой опасную форму нежелательной пластичности мозга, с которой ученым еще предстоит научиться бороться.
👩🔬 Женщины в авангарде науки и вызовы академической среды 56:05
Поскольку на сцене в Нью-Йорке сформировалась полностью женская панель экспертов, ведущий предложил обсудить их путь в профессии. Михаль Липсон привела примечательную статистику: по её наблюдениям, абсолютное большинство женщин, добившихся успеха в физике и инженерии, выросли в семьях, где отцы сами были физиками или инженерами. По мнению Липсон, это тревожный сигнал, свидетельствующий о том, что общество еще не достигло подлинного равенства, если женщине по-прежнему необходим отец-ментор для старта в науке.
Нергис Мавалвала согласилась с важностью поддержки, но отметила, что её собственная семья не имела отношения к академической среде, однако дала ей главное — установку на важность образования. Профессиональную же роль менторов для неё сыграли встретившиеся позже Райнер Вайсс, Кип Торн и Барри Бэриш.
Кори Баргманн поделилась, что выросла в глубоко академической семье, где её отец и обе сестры стали профессорами. Однако она обратила внимание на другую системную проблему: в биологии до 50% докторских степеней (PhD) получают женщины, но на этапе перехода к профессорским должностям наука теряет эти таланты. По мнению Баргманн, академическим институтам необходимо пересмотреть критерии оценки кандидатов. Она подчеркнула, что студенты, становящиеся первыми в своих семьях выпускниками колледжей, часто не обладают внешней академической «глянцевой» речью, но демонстрируют колоссальную стойкость, характер и внутреннюю мотивацию, которые критически важны для науки.
Все участницы дискуссии сошлись во мнении, что видимое присутствие женщин на ключевых позициях играет колоссальную подсознательную роль, вдохновляя молодых девушек и доказывая им возможность успешно совмещать научную карьеру и семью.
❓ Ответы на вопросы: от Большого взрыва до борьбы с невежеством 1:02:17
В финальной части встречи исследовательницы ответили на вопросы зрителей из трансляции:
- Как прививать любовь к науке широкой публике? Нергис Мавалвала порекомендовала каждому молодому ученому разработать так называемую «презентацию для лифта» (elevator pitch) — способность емко, страстно и понятно объяснить суть своей работы случайному попутчику за 30–60 секунд.
- Интерферируют ли гравитационные волны от разных источников? По словам Мавалвалы, сигналы в космосе независимы и накладываются друг на друга как шум голосов на многолюдной вечеринке, создавая какофонию. Задача LIGO — декуплировать и изолировать эти индивидуальные космические «голоса».
- Зачем изучать гравитационные волны, если они несут информацию только о прошлом? Мавалвала напомнила, что вся астрономия — это изучение прошлого. Даже на наше Солнце мы смотрим с задержкой в 8 минут. Анализ этих космических «реликвий» необходим для воссоздания подлинной хронологии Вселенной, понимания нашего происхождения и прогнозирования будущего.
- Как преодолевать жесткую конкуренцию в научной среде? Кори Баргманн выразила убеждение, что главным и единственным настоящим конкурентом для любого ученого является человеческое невежество. По её мнению, понимание этой общей цели заставляет даже самых амбициозных соперников объединяться. Мавалвала добавила, что в современной практике возник даже специальный термин «коллаберация» (collabetition), сочетающий в себе черты здорового соперничества и масштабного сотрудничества, поскольку современные научные задачи стали слишком сложными для ученых-одиночек.
Завершая дискуссию, Кори Баргманн, получившая премию Кавли в 2012 году, отметила, что эта награда является не просто чествованием отдельных персон, а глобальным праздником постоянно прирастающего человеческого знания. По её словам, Фред Кавли искренне разделял это детское чувство удивления перед миром, которое свойственно всем людям, если наука преподнесена им правильно.
