"Нобель" по химии присужден за "внедрение эксперимента в киберпространство"

Нобелевские лауреаты помирили Ньютона и кота Шрёдингера

Нобелевские лауреаты помирили Ньютона и кота Шрёдингера
(иллюстрация Nobel Media AB 2013 Illustration: Niklas Elmehed).

Химики-теоретики и химики-экспериментаторы ходят по бесконечной лестнице исследований реакций

Химики-теоретики и химики-экспериментаторы ходят по бесконечной лестнице исследований реакций
(иллюстрация Nobel Media AB 2013 Illustration: Niklas Elmehed).

Компьютер не должен учитывать все особенности каждого атома в не рассматриваемой части молекулы

Компьютер не должен учитывать все особенности каждого атома в не рассматриваемой части молекулы
(иллюстрация Nobel Media AB 2013 Illustration: Niklas Elmehed).

Портрет Мартина Карплуса, нобелевского лауреата по химии 2013 года

Портрет Мартина Карплуса, нобелевского лауреата по химии 2013 года
(иллюстрация Nobel Media AB 2013 Illustration: Niklas Elmehed).

Нобелевский лауреат биофизик Мартин Левитт

Нобелевский лауреат биофизик Мартин Левитт
(фото Wikimedia Commons).

Нобелевский лауреат Ари Варшель

Нобелевский лауреат Ари Варшель
(фото Wikimedia Commons).

Нобелевские лауреаты помирили Ньютона и кота Шрёдингера
Химики-теоретики и химики-экспериментаторы ходят по бесконечной лестнице исследований реакций
Компьютер не должен учитывать все особенности каждого атома в не рассматриваемой части молекулы
Портрет Мартина Карплуса, нобелевского лауреата по химии 2013 года
Нобелевский лауреат биофизик Мартин Левитт
Нобелевский лауреат Ари Варшель

Сегодня главным событием для мирового научного сообщества стало вручение Нобелевской премии по химии. Обладателями этой престижной награды стали Мартин Карплус из университета Страсбурга, Майкл Левитт (Michael Levitt) из Стэнфордского университета и Ари Варшель (Arieh Warshel)  из университета Южной Калифорнии.

Как сообщили эксперты Нобелевского комитета во время пресс-конференции, эти учёные получат свой приз за "внедрение химического эксперимента в киберпространство" и "за разработку многомасштабных моделей для комплексных химических систем".

Дело вот в чём. Молекулы сами по себе создания крайне ленивые, всё, что они делают, − это хаотично передвигаются по предоставленному им пространству. Другое дело, когда они вступают в химическую реакцию друг с другом, − происходит это молниеносно. Зафиксировать всё, что случилось в ходе взаимодействия молекул, очень трудно.

Поэтому учёные из года в год разрабатывают новые методики исследования химических реакций. А так как всё в нашем мире состоит из молекул и всё, что происходит, является результатом их взаимодействия, подборка оптимальной технологии изучения реакций химических систем является едва ли не самой главной задачей теоретической и экспериментальной науки.

Лауреаты Нобелевской премии по химии 2013 года сделали возможным объединить химический эксперимент и компьютерное моделирование. Словом, интегрировать химическую реакцию в киберпространство. Детальное понимание химических процессов улучшит подборку катализаторов для различных реакций, создание максимально эффективных лекарств и разработку солнечных батарей.

Уже несколько десятилетий химики-теоретики разрабатывают и проводят свои эксперименты с помощью компьютеров. Варшель, Карплус и Левитт начали работу над своей методикой ещё в 1970-х годах. Они исследовали каждый этап в комплексных химических процессах, которые невозможно увидеть невооружённым глазом.

Нобелевские лауреаты помирили Ньютона и кота Шрёдингера (иллюстрация Nobel Media AB 2013 Illustration: Niklas Elmehed).

Чтобы понять, насколько важна разработка нобелевских лауреатов этого года, достаточно представить, что вам необходимо создать в лаборатории искусственный аналог фотосинтеза. Этот простейший на первый взгляд процесс является одной из важнейших химических реакций, происходящих на нашей планете.

К слову, воспроизведение фотосинтеза в лаборатории — цель работы очень многих учёных, поскольку это поможет создавать эффективные солнечные батареи. Когда молекулы воды расщепляются, рождается кислород, которым мы дышим, и водород, который можно представить в виде топлива будущего. Создание искусственной реакции фотосинтеза также поможет в решении проблемы парникового эффекта, волнующей учёных долгие годы.

Итак, для проведения такого важного и сложного химического эксперимента, в первую очередь стоит заглянуть в Интернет в поисках хороших трёхмерных моделей белков, регулирующих фотосинтез. Загрузив картинки в компьютер, в специализированной программе их можно покрутить их и рассмотреть с любой стороны. Молекула белка − очень сложная структура, состоящая из десятков тысяч атомов.

В какой-то части молекулы расположена небольшая область, называемая реакционным центром. Именно он отвечает за расщепление молекул воды. Напрямую в эту реакцию вовлечено лишь несколько атомов. Среди оставшихся частиц мы видим четыре иона марганца, один ион кальция и несколько атомов кислорода.

На компьютерном изображении хорошо видно расположение атомов и ионов относительно друг друга, однако как они взаимодействуют, остаётся непонятным. Это нужно выяснить каким-то иным образом. Очевидно, что происходит разделение зарядов (электроны уходят, протоны остаются) но как именно это происходит в данном случае?

Химики-теоретики и химики-экспериментаторы ходят по бесконечной лестнице исследований реакций (иллюстрация Nobel Media AB 2013 Illustration: Niklas Elmehed).

Традиционными методами изучения химии практически невозможно выяснить, как происходит этот процесс. Многие важные этапы реакции происходят за доли миллисекунды. Такая скорость исключает применение большинства современных привычных методик. Картинка на компьютере также не поможет, ведь на ней запечатлён белок в состоянии покоя.

Когда солнечный свет попадает на зелёные листья растений, белки (пигменты) поглощают кванты света и переходят в возбуждённое состояние ("наполняются энергией"), вся их атомная структура в корне меняется. Чтобы воспроизвести эту химическую реакцию, нужно знать, как выглядит белок в состоянии "наполненности" солнечной энергией. А это уже можно определить с помощью специальных компьютерных программ будущего, основу которых как раз и разработали нобелевские лауреаты по химии 2013 года.

Используя такого рода программное обеспечение, можно вычислить сразу несколько путей, по которым будет проходить химическая реакция. Это называется компьютерной симуляцией или компьютерным моделированием. Манипуляции позволяют понять, какие конкретные атомы играют какую роль на разных этапах химической реакции.

Когда у вас уже есть определённая модель (сценарий, если угодно) происходящего, можно смело приступать к проведению практического эксперимента.

Остаётся разобраться только в том, что же такого особенного в компьютерном алгоритме, за создание которого вручают самую престижную научную премию в мире.

Здесь необходимо обратиться к физике. Эта наука уже многие десятилетия разбита на два лагеря, один из которых эксперты из нобелевского комитета условно проиллюстрировали яблоком (классическая или ньютоновская физика), а другой — котом Шрёдингера (как несложно догадаться, квантовая физика).

Компьютер не должен учитывать все особенности каждого атома в не рассматриваемой части молекулы (иллюстрация Nobel Media AB 2013 Illustration: Niklas Elmehed).

В ходе презентации журналистам показывали метафорическую картинку, изображающую кота Шрёдингера, шипящего на Ньютона. Ведущие церемонии напомнили, что методы классической ньютоновской физики и квантовой физики (проиллюстрированные этой картинкой), долгое время оставались непримиримы. Однако Карплусу, Левитту и Варшелю удалось разработать методику изучения химических систем на основе и той, и другой физики. Поэтому на следующем слайде кот Шрёдингера мурлыкает на коленях у Ньютона.

Все прежние компьютерные программы, с которыми работали химики, были основаны либо на методах и принципах ньютоновской физической теории, либо на квантовой физике. И у тех, и у других программ были свои недостатки и преимущества.

"Ньютоновские" программы были хороши тем, что с их помощью можно было изучать очень крупные молекулы. Благодаря им, химики выяснили, каково точное расположение атомов в молекуле в состоянии покоя. Однако исследовать таким образом химические реакции не получается — стоит хотя бы вспомнить трёхмерное изображение белка, участвующего в фотосинтезе. Классическая физика не может объяснить, как на атомном уровне некая молекула переходит в возбуждённое состояние и меняет свою структуру, и это является существенным ограничением для изучения фундаментальных природных процессов.

Если главной задачей является всё-таки моделирование химической реакции (допустим, когда атомная структура итак хорошо известна), то учёные обращаются к методам квантовой физики. Этот раздел сплошь построен на дуализме: к примеру, электрон можно представить как в виде частицы, так и в виде волны, а пресловутый кот Шрёдингера является одновременно и живым, и мёртвым.

Портрет Мартина Карплуса, нобелевского лауреата по химии 2013 года (иллюстрация Nobel Media AB 2013 Illustration: Niklas Elmehed).

Квантовую физику учёные называют наиболее беспристрастной наукой, любая модель на её основе будет лишена предубеждений самого исследователя, а значит, будет максимально реалистичной. Главный недостаток "квантовых" компьютерных программ состоит в том, что они требуют громадной вычислительной мощности, ведь компьютер должен будет обрабатывать информацию о каждом электроне и протоне каждого атома в молекуле. Количество этой информации можно сравнить с бесчисленным множеством пикселей цифрового изображения: чем их больше, тем лучшее представление мы имеем о том, что реально происходит.

В 1970-х годах, когда Карплус, Левитт и Варшель начинали свою работу, использовать "квантовые" программы удавалось лишь для анализа небольших простых молекул. При моделировании учёные были вынуждены не принимать во внимание взаимодействие с окружающей средой, хотя в реальном мире большинство химических реакций происходят в различных растворах. А если без информации о воздействии внешней среды (раствора, например) было никак не обойтись, химикам годами приходилось ждать результатов моделирования.

Как сказали ведущие пресс-конференции, в работе Карплуса, Левитта и Варшеля квантовая и классическая физика пожали друг другу руки.

Когда работа будущих нобелевских лауреатов только начиналась в 1970-х годах, все трое учёных тщательно исследовали оба метода. Мартин Карплус, который на тот момент работал в Гарвардском университете, был убеждён в том, что будущее именно за квантовой механикой и старался оптимизировать программы на её основе. Он создал компьютерный алгоритм, способный имитировать химические реакции с помощью квантовой физики, а также создал уравнение Карплуса, используемое для вычисления ядерного магнитного резонанса.

Нобелевский лауреат биофизик Мартин Левитт (фото Wikimedia Commons).

Когда к Карплусу и его исследовательской группе присоединился Ари Варшель, началась работа над программой, основанной на классической теории, которая позволила моделировать все виды молекул, включая самые крупные биологические.

Именно эта программа и легла в основу разработки, удостоенной годы спустя Нобелевской премии. Карплус начал развивать дополнение к этой программе, которое помогло выполнить различного рода расчёты, касающиеся электронов. Как правило, эти частицы вращаются вокруг одного атомного ядра, но бывает и так, что несколько электронов беспрепятственно "бегают" между несколькими атомными ядрами.

Такие "свободные электроны" можно найти, к примеру, в молекулах сетчатки человеческого глаза. Когда свет падает на сетчатку, свободные электроны переходят в возбуждённое состояние, вследствие чего изменяется атомная структура составляющих сетчатку молекул. Именно благодаря этому процессу мы и видим окружающие предметы.

В конце концов, Карплус и Варшель создали программу на основе квантовой физики, которая проводит расчёты, касающиеся поведения свободных электронов, но при этом использует классическую теорию для работы с обычными электронами. Это был первый в истории науки случай, когда кому-то удалось объединить две непримиримые физические теории. Но и у этой программы был недостаток: она могла "строить" реакции с участием молекул только с зеркальной симметрией.

Нобелевский лауреат Ари Варшель (фото Wikimedia Commons).

На этом этапе к работе подключился Левитт, который мечтал создать программу для изучения ферментов (сам он по специальности биофизик) — белков, регулирующих и упрощающих химические реакции в живых организмах. В 1976 году Левитт, Варшель и Карплус опубликовали статью о новой революционной программе, работающей с любым видом молекул и способной моделировать почти любые химические реакции.

Как было сказано выше, главная проблема "квантовых" компьютерных программ — это потребность в гигантской вычислительной мощности. Чтобы решить эту задачу, учёные урезали по максимуму нагрузку. По их словам, компьютер не должен учитывать все особенности каждого атома в не интересной учёным части молекулы. Они показали, что при проведении расчётов можно объединить несколько атомов, и не рассматривать поведение десятков тысяч.

Основное преимущество методики, разработанной Нобелевскими лауреатами по химии 2013 года, состоит в том, что она полностью универсальна. Её можно применять и для изучения молекул в живых организмах, и для исследования промышленных химических процессов. С помощью новой программы можно исследовать реакции, происходящие в солнечных батареях, а значит, подобрать соединения, более эффективно конвертирующие свет, и оптимизировать их конструкцию, улучшить формулы лекарств и много чего другого.

Варшель, Карплус и Левитт прибудут в Стокгольм на церемонию вручения Нобелевской премии в декабре 2013 года.

В официальном пресс-релизе Нобелевского комитета информация о разработке ещё более полная (PDF-документ).

 

Также по теме:
Реакция в один клик: россиянин претендует на Нобелевскую премию по химии
Нобелевской премией по физике отметили первооткрывателей бозона Хиггса
Нобеля по медицине вручили за изучение транспортного механизма клеток