10 ученых-первопроходцев: как исследователи меняли мир и чего им это стоило

13.12.2021

1 106

Сегодня мало кто считает ученых вредителями и бездельниками. Однако существует стереотип, что современная наука все больше вдается в чистую теорию и мало задается вопросами практического применения открытий. Между тем вся новейшая история говорит о том, что деятельность ученых не проходит бесследно. ПостНаука вместе с Homo Science решила рассказать о десяти ярких исследователях XX и XXI века, чья деятельность навсегда изменила мир.

Отто Ган

Сегодня ядерное топливо — один из основных источников электроэнергии. Благодаря ему производится более 10% всего электричества на Земле [1]. Ядерная энергетика обслуживает как повседневные потребности людей, так и питает технику в удаленных местах, таких как арктические ледоколы и даже космические спутники. Все это было бы невозможно без открытия деления ядер атомом Отто Ганом и его коллегами.

Ган родился в 1879 году во Франкфурте-на-Майне. В 1901 году он получил докторскую степень по химии в Марбургском университете, после чего стажировался в англоязычных странах, где в разное время работал под началом Уильяма Рамзая, Эрнеста Резерфорда и Эмиля Фишера. С 1912 года он был сотрудником Института физической химии и электрохимии кайзера Вильгельма, где продолжил изучать радиоактивность.

Тот факт, что некоторые вещества способны испускать ионизирующее излучение, был известен с начала XX века. Однако долгое время ученым не были известны обусловливающие его химические и физические процессы. Ган в 1930-е годы вместе со своими коллегами, Лизой Мейтнер и Фрицем Штрассманом, занимался облучением различных веществ потоком нейтронов. С удивлением они обнаружили, что в результате бомбардировки нейтронами урана им удалось получить барий, лантан и церий — элементы, атомный вес которых вдвое меньше, чем у исходного урана. В декабре 1938 года Ган и Штрассман опубликовали исследование, в котором сообщили о своем открытии. Именно за него они получили Нобелевскую премию по химии за 1944 год.

Многие впоследствии обвиняли Гана в академической нечестности. Он не включил Мейтнер в соавторы нобелевской статьи, поскольку та была вынуждена покинуть Германию из-за прихода к власти нацистов, а Ган не хотел рисковать судьбой важной публикации. Тем не менее сама Мейтер никогда не ставила это в вину Гану и очень высоко оценивала его работу [2].

Эрик Артур Джонсон

Развитие науки — это нелинейный процесс. Очень много исследователей всю жизнь занимаются какой-то нишевой проблемой, из-за чего в конце концов оказываются забытыми историей. Однако иногда развитие технологий совершает резкий поворот, и очень узкий продукт внезапно покоряет мир. Именно это произошло с сенсорным экраном, впервые созданным Эриком Артуром Джонсоном.

Джонсон был сотрудником Royal Radar Establishment — исследовательского центра в Великобритании, который занимался созданием электроники для летательных аппаратов. Это практически единственная доступная в широком поле информация, имеющаяся о Джонсоне. Но кроме нее сохранились его публикации и патент [3][4]. В них описывается устройство, которое представляет собой дисплей с электронно-лучевой трубкой с подключенными к нему чувствительными к прикосновениям пальцев проводами. Каждый из этих проводов отвечал за определенную команду, и поэтому с помощью этого устройства можно было передавать на компьютер ряд команд.

Именно таким был первый концепт сенсорного дисплея. Джонсон хотел, чтобы они использовались для операторов управления воздушным движением [5]. Так и произошло, но лишь в 1990-е годы. Настоящее же признание технология получила в XXI веке, вместе с внедрением в растущую сферу мобильных телефонов. Сегодня практически весь рынок этих устройств занимают девайсы с сенсорными экранами. Такого будущего Джонсон точно не мог себе представить.

Андрей Гейм

Как видно по истории Джонсона, новые технологии далеко не сразу находят свое практическое применение. Некоторые открытия, тем не менее, сразу привлекают внимание и становятся сенсациями. Именно так и произошло с графеном, открытым Андреем Геймом в 2004 году.

Гейм родился в 1958 году в семье немецкого происхождения в городе Сочи [6]. В 1976 году он поступил в МФТИ, окончил вуз с отличием, а в 1987 году защитил кандидатскую диссертацию по физико-математическим наукам в Институте физики твердого тела РАН. В 1990 году Гейм получает стипендию Британского королевского общества и навсегда уезжает работать за границу. С 1994 по 2000 год он работает в Университете Неймегена в Нидерландах, а с 2001-го — в Манчестерском университете.

Андрей Гейм — очень креативный и смелый ученый. Так, он не побоялся приехать на вручение ему Шнобелевской премии за эксцентричное исследование по изучению принципов диамагнитной левитации, с помощью которой он заставил летать лягушку.

Открытие графена также произошло нестандартно [7]. Существует практика снимать верхний слой графита с образца для его последующего анализа. По совету своего коллеги, Олега Шкляревского, Гейм обратил внимание на прилипший к клейкой ленте графит и взялся за его изучение. Вместе с другим ученым, Константином Новоселовым, Гейм постепенно усовершенствовал методику, и в результате ученым удалось получить большое количество графена.

Графен — это форма углерода, как графит и алмаз. Ее особенность — удивительная толщина в один атом, а также ряд уникальных свойств: великолепная электропроводность, эффективная изоляция, высокая гибкость и присущая углероду прочность. Сейчас графен не используется активно, но его потенциальная сфера применения огромна: от альтернативы кремниевой электроники до заменителя пластика в бытовом использовании.

Юрий Оганесян

Некоторые научные открытия не могут напрямую изменить наш мир. Однако они расширяют его границы, меняя само наше представление о возможном и невозможном. Именно такого рода исследованиями занимается Юрий Оганесян.

Выдающийся физик-ядерщик родился в 1933 году в Ростове-на-Дону. По своим собственным словами, эту профессию он во многом выбрал по воле случая. Изначально он не знал, куда ему лучше поступить [8]: на техническую специальность в МИФИ или же на архитектурную в МАРХИ. Он прошел вступительные испытания в оба университета, но экзамены в МИФИ были раньше, и он уже сдал документы туда. Когда Оганесян захотел перенести документы в МАРХИ, в МИФИ ему сказали, что документы уже переданы в учреждения для создания допуска к служебным документам.

Основное направление его деятельности — синтез сверхтяжелых химических элементов. Долгое время физики придерживались консенсуса, согласно которому невозможно синтезировать более 100 химических элементов. На сегодняшний же день удалось получить 118 элементов, последний из которых назван в честь Юрия Цолаковича — оганесон. Этот прорыв многим обязан Оганесяну и его творческому подходу к синтезу новых элементов: именно Оганесян разработал метод горячего синтеза, с помощью которого удалось получить элементы со 113-го по 118-й. Сегодня он возглавляет Объединенный институт ядерных исследований, на базе которого существует фабрика сверхтяжелых элементов. Юрий Цолакович совместно с коллегами ищет способы расширить границы возможных химических элементов еще дальше.

Острова стабильности

Занимаясь синтезом тяжелых элементов, ученые руководствуются гипотезой об «острове стабильности» — участке на графике изотопами различных элементов, которые могут не испытывать ядерный распад долгое время. Найти долгоживущие сверхтяжелые элементы — задача современных физиков-атомщиков.

Юрий Оганесян говорит [8] об этом так: «Мы видим материальный мир как «материк» стабильных элементов, который простирается до свинца. Потом тонким перешейком идут короткоживущие элементы до радия, затем — природные уран, торий и долгоживущие трансурановые элементы до калифорния. Это похоже на “полуостров”. А потом далеко от известной области элементов следуют “острова”: один, может быть, второй и даже третий».

Кэтрин Боуман

Еще один стереотип о науке — это дело уже взрослых, умудренных опытом людей. Молодым же ученым положено всячески ассистировать старшим, и лишь с возрастом, набравшись опыта, они смогут приступить к самостоятельным исследованиям. Это представление, однако, регулярно разбивается о реальность: сегодня молодые эксперты очень часто занимают ключевые посты на передовых фронтах науки.

Именно к ним относится Кэтрин Боуман [9]. Она родилась в 1989 году, и на момент самого главного на сегодняшний день открытия в ее жизни ей было всего лишь 30 лет. В 2011 году она с отличием окончила бакалавриат Университета Мичиган, а в 2017-м получила в нем докторскую степень. Уже через два года, в апреле 2019 года, весь мир увидел результаты ее работы — снимок тени черной дыры.

Несмотря на возраст, Кэтрин Боуман самостоятельно возглавляла создание CHIRP — алгоритма по обратной свертке изображений, созданных с помощью радиоастрономии [10]. Он предназначался для обработки данных, собранных Телескопом горизонта событий — глобальной сети радиотелескопов, расположенных в Европе, Северной и Южной Америках, Антарктиде и на Гавайях. Все включенные в сеть восемь телескопов работают синхронно, а полученные ими данные обрабатываются мощными суперкомпьютерами, оснащенными CHIRP [11].

Черные дыры — это астрономический объект, который долгое время существовал исключительно на бумаге. Дело в том, что они поглощают свет, в результате чего их невозможно зафиксировать доступными нам средствами. Однако с развитием технологий ученым удалось запечатлеть «тень» черной дыры — фотоны, которые дошли до нас с последних орбит перед горизонтом событий. И все это стало возможным благодаря молодому специалисту, преданному своему делу.

Жорес Алферов

С высокой вероятностью вы читаете этот материал на устройстве, подключенном к сети Wi-Fi, интернет в которой берется из оптоволоконного кабеля. Это значит, что своим комфортом вы отчасти обязаны Жоресу Алферову — обладателю Нобелевской премии по физике 2000 года за вклад в разработку полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокочастотных схемах и оптоэлектронике.

Жорес Алферов родился в 1930 году в Витебске [12]. Его родители были убежденными коммунистами, поэтому и имя своему младшему сыну дали в честь лидера французской социалистической партии, Жана Жореса. В 1952 году окончил Ленинградский политехнический институт по специальности «электровакуумная техника». Доктором наук Алферов стал уже в 1970 году, защитив диссертацию на тему «Гетеропереходы в полупроводниках». В дальнейшем, уже после распада СССР, параллельно научной деятельности начал заниматься политикой и долгое время был депутатом от фракции КПРФ.

Изучаемые Алферовым гетероструктуры — это микроструктуры, сделанные из различных по химическому составу элементов [13]. Полупроводниковые устройства на основе гетероструктур предоставляют инженерам большую свободу в подборе параметров в зависимости от поставленных ими целей. Долгое время создать рабочее устройства на базе кристаллов из сложных химических композиций невозможно, однако это случилось.

Исследования Жореса Алферова стоят не только за оптоволоконными коммуникациями [14]. CD-, DVD- и Blu-ray-диски, сканеры для штрих-кодов в магазине, светодиоды для экранов ноутбуков, телевизоров и мобильных телефонов — все эти технологии так или иначе возникли благодаря исследованиям, вдохновленным открытием Алферова.

Джеймс Уотсон

Наука — это далеко не всегда беспристрастное изучение и анализ фактов. За каждым исследователям стоят какие-то этические и философские позиции, которые так или иначе влияют на результаты его исследований. И иногда на почве этих позиций в научном сообществе возникают серьезные конфликты, глядя на которые уже не кажется, что наука полностью объективна. Очень ярко это наблюдение иллюстрирует история Джеймса Уотсона и его открытий.

Джеймс Дьюи Уотсон — уроженец Чикаго, где он родился в 1928 году. Уже с детства он проявлял склонность сугубо формальному восприятию мира, был осторожнее своих сверстников. В будущем он стал атеистом [15]. В 15 лет Уотсон поступил в Чикагский университет, где стал бакалавром зоологии в 1947 году. Через 10 лет он защитит докторскую диссертацию по биологии.

Уотсон — очень противоречивая фигура в научном сообществе. Его основная сфера интересов — это молекулярная биология и генетика. За годы исследований он стал убежденным сторонником того, что предел человеческих способностей строго задан генами. В том числе он считал, что человеческие расы никогда не смогут находиться на одном уровне интеллектуального развития [16]. Из-за таких заявлений в 2019 году Уотсон был отстранен от всех почетных званий и титулов лаборатории Колд Спринг Харбор, которую он возглавлял более 30 лет.

Тем не менее, невозможно отрицать его вклад в молекулярную биологию. Именно Уотсон вместе с двумя коллегами, Фрэнсисом Криком и Морисом Уилкинсом, получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1962 году за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот — им удалось открыть спиральную структуру ДНК. На этом исследования Уотсона не закончились, и в дальнейшем он возглавлял проект «Геном человека», цель которого — расшифровка общей для каждого человека последовательности ключевых нуклеотидов в ДНК [17]. Благодаря его исследованиям человечество как никогда близко к решению проблемы генетических заболеваний.

Игорь Африкантов

Дело многих ученых продолжает жить и после их смерти, поскольку при жизни им удалось заложить крепкие основания для дальнейшей работы коллег. Такие условия сегодня существуют в «Опытном конструкторском бюро машиностроения», дочерней компании корпорации «Росатом». Это стало возможным благодаря деятельности его основателя, Игоря Ивановича Африкантова.

Он родился в небольшой деревне Пушкарка Нижегородской губернии в 1916 году [18]. В 1929 году его отца демобилизовали и отправили отправили преподавателем в Горьковское речное училище. Благодаря этому молодому Игорю Ивановичу удалось поступить в Горьковский индустриальный институт на кораблестроительный факультет. С 1942 года, в связи с наступлением немцев был переведен из Сталинграда на Горьковский артиллерийский завод № 92. Именно на его основе возникло ОБКМ, которое Африкантов возглавлял до конца жизни.

Там он проявил себя не только как прекрасный специалист по кораблестроению, но и как первоклассный управленец. Его усилиями удалось включить ОБМК в рамки «Советского атомного проекта». В результате в 1960 году на заводе была создана реактивная установка для атомного ледокола «Ленин». За это Африкантову было присвоено звание Героя Социалистического труда.

В дальнейшем [19] под его руководством инженерам ОБМК удалось сконструировать первый в СССР реактор на быстрых нейтронах — БН-350, которых был подключен к электросети в Актау, Казахстан. Все последующие модели этой серии — БН-600 и БН-800 — также создавались по следам наработок Африкантова. Сегодня внедрение реакторов на быстрых нейтронах — одна из приоритетных задач для всей ядерной энергетики, и Африкантова по праву можно назвать первопроходцем в этой области.

Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Даудна

Многие научные исследования, в первую очередь связанные с медициной, влекут за собой оживленные дискуссии об этике. Возникли они и перед Эммануэль Шарпентье и Дженнифер Даудна — двумя учеными, открывшими наиболее эффективный на сегодняшний день механизм по редактированию генетического кода.

Эммануэль Шарпентье родилась во Франции в 1968 году. Еще в 12-летнем возрасте она объявила своей маме, что в будущем хочет работать в Институте Пастера. В 27 лет она защитила там диссертацию, посвященную фрагментам ДНК бактерий, из-за которых они способны вырабатывать устойчивость к лекарствам. После этого она очень много раз меняла страну работы ради лучших условий для занятий наукой. Сама Шарпенье считала это своего рода монашеством, уходом из обычной жизни [20].

Дженнифер Даудна родилась в США в 1964 году. Ее интерес к биологии пробудился благодаря работе Джеймса Уотсона «Двойная спираль» [21]. Во время обучения в колледже Помона она хотела сменить основной профиль образования с биохимии на французский язык, однако затем передумала. Дженнифер Даудна защитила кандидатскую работу по биохимии и молекулярной фармакологии в 1989 году.

В 2020 году Шапренье и Даудна разделили между собой Нобелевскую премию по химии за разработку так называемых «генетических ножниц» и стали первой полностью женской «командой», получившей эту награду. Они отталкивались от того факта, что определенный класс белков-ферментов, известный как Cas, могут вносить изменения в последовательность генов и вырезать оттуда вредные последовательности [22]. В ходе совместной работы Шарпенье и Даудне удалось установить, что с помощью одного такого белка, Cas9, возможно «разрезать» молекулы любого организма. Благодаря этому ученых смогут до полного восстановления молекулы вносить изменения в поврежденный участок.

Новая технология, получившая название CRISPR-Cas9, открывает огромные возможности по борьбе с генетическими заболеваниями. Вместе с тем она вызывает горячие споры о ее потенциальных опасностях. «Генетические ножницы» могут стать способом улучшения генотипа наиболее состоятельной части населения Земли, что потенциально может многократно усилить неравенство на планете.

Франсуаза Барре-Синусси

Биологи занимают отдельное место среди меняющих мир ученых. Многим из них приходится бороться с неотложными проблемами — с терзающими человечество болезнями. Во второй половине XX века мир столкнулся с новой проблемой — синдромом приобретенного иммунного дефицита. Решающую роль в борьбе с этим заболеванием удалось занять Франсуазе Барре-Синусси.

Она родилась в Париже в 1947 году, и с раннего детства проявляла интерес к биологии [23]. Начиная с третьего курса учебы в Парижском университете она подрабатывала в Институте Пастера — некоммерческом научном институте по биологии. Из-за этого она крайне редко посещала занятия и при подготовке к экзаменам опиралась в основном на записи однокурсников [24]. Это не помешало, однако, сдавать экзамены лучше всех. Ранняя работа тоже пошла впрок: в дальнейшем она стала профессором в Институте Пастера.

Ее научная деятельность связана с изучением ретровирусов [25]. В начале 80-х ученые начали подозревать, что набирающая обороты эпидемия СПИД может быть спровоцирована ретровирусами, однако долгое время никаких следов их присутствия в организме человека обнаружить не удавалось. Команда исследователей во главе с Барре-Синусси и ее учителем, Люком Монтанье, решили сосредоточить поиски на образцах лимфоузлов людей с ранней стадией СПИД. В результате они смогли обнаружить клетки, которые копировали свой ДНК методом обратной транскрипции — характерным способом размножения ретровирусов. Аналогичные тела были позже обнаружены в крови людей с поздней стадией СПИД. Так впервые был обнаружен ВИЧ — вирус иммунодефицита человека. За это открытие Франсуазе Барре-Синусси в 2008 году была вручена Нобелевская премия по физиологии или медицине.

Еще больше достоверного научного контента вы сможете найти на просветительской онлайн-платформе Homo Science.