Нобелевская премия по химии присуждена за компьютерное моделирование

Как обычно, в третий день нобелевской недели Шведская королевская академия наук в Стокгольме объявила имена исследователей, удостоившихся премии по химии. Лауреатами 2013 года стали трое ученых из США - Мартин Карплус (Martin Karplus), Арье Уоршел (Arieh Warshel) и Майкл Левитт (Michael Levitt). Впрочем, каждый из них, помимо американского, имеет еще и второе, а один - даже и третье гражданство: Карплус - австрийское, Уоршел - израильское, а Левитт - израильское и британское.

Высшая в научном мире награда присуждена этим ученым за то, что они, по выражению Нобелевского комитета, "перенесли эксперимент в киберпространство". Официальная формулировка гласит: "за разработку компьютерного моделирования сложных химических систем". Но прежде чем пытаться разобраться, что конкретно скрывается за этой довольно обтекаемой формулировкой, давайте поближе познакомимся с новоиспеченными лауреатами.

Коротко о лауреатах: Мартине Карплусе,..

Самому старшему из этой троицы - Мартину Карплусу - 83 года. Он родился 15 марта 1930 года в Вене в интеллигентной и состоятельной светской еврейской семье. Его дед с отцовской стороны был нейрофизиологом, профессором Венского университета, дед с материнской стороны - кстати, выходец из Одессы, - ревматологом, директором одной из самых известных венских грязелечебниц.

В 1938 году, после аншлюса Австрии к нацисткой Германии, семья бежала через Швейцарию в США и обосновалась в окрестностях Бостона. В 1950 году Мартин Карплус окончил Гарвардский университет по специальности "химия" и начал научную работу в Калифорнийском технологическом институте в группе под руководством будущего двукратного нобелевского лауреата Лайнуса Полинга (Linus Pauling), где и защитил диссертацию в 1953 году.

Следующие два года в рамках постдокторской стажировки Карплус провел в Великобритании в Оксфордском университете, по возвращении в США пять лет вел научную работу и преподавал физическую химию в Иллинойском университете, а в 1960 году стал профессором Колумбийского университета. В 1966 году он получил должность профессора в Гарвардском университете, где с 1979 года возглавляет кафедру химии. Там ученый выполнил, в частности, те работы, что удостоились теперь Нобелевской премии. С 1995 года Карплус является также профессором Страсбургского университета во Франции.

...Арье Уоршеле...

Арье Уоршел на 10 лет моложе Карплуса. Он родился 20 ноября 1940 года в кибуце Сдэ-Нахум (сегодня это Израиль, а тогда была Палестина - британская подмандатная территория, и кибуц назывался "ха-Садэ"). В 1958-1962 годах проходил военную службу в армии обороны Израиля. Кстати, впоследствии Уоршел принимал участие в Шестидневной войне 1967 года и в войне Судного дня 1973 года, дослужившись до звания капитана.

В 1966 году Уоршел окончил Израильский технологический институт (Технион) - вуз в Хайфе, - а затем продолжил обучение в Институте Вейцмана в Реховоте, где в 1969 году защитил диссертацию по специальности "химическая физика". Двухлетнюю постдокторскую стажировку молодой исследователь провел в США, работая в Гарвардском университете под руководством Мартина Карплуса.

В 1972 году Уоршел вернулся в Израиль, в Институт Вейцмана, а с 1974 по 1976 годы работал в Великобритании, в Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже. В 1976 году Уоршел перебрался в США, где занял должность профессора химии и биохимии в Университете Южной Калифорнии. Там он выполнил все свои основные научные работы, там он трудится и сегодня.

...и Майкле Левитте

Самый молодой из нынешней троицы нобелевских лауреатов - Майкл Левитт: ему 66 лет. Он родился 9 мая 1947 года в Претории, Южная Африка, в еврейской семье. Высшее образование Левитт получил в Великобритании, в лондонском Королевском колледже. Получив степень бакалавра по специальности "физика" в 1967 году, он уехал на два года стажироваться в Израиль, в Институт Вейцмана, где работал в одной исследовательской группе с Арье Уоршелом.

По возвращении в Великобританию Левитт вел исследования в колледже Гонвилл-энд-Киз, где в 1971 году защитил диссертацию по специальности "вычислительная биология". Двухлетнюю постдокторскую стажировку он проходил опять же в Институте Вейцмана, а в 1974 году стал научным сотрудником в Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже.

С 1979 по 1987 годы Левитт занимал должность профессора химической физики в Институте Вейцмана, а затем получил профессуру в отделении структурной биологии медицинской школы Стэнфордского университета. Там он работает и сегодня, однако шесть месяцев в году проводит в Израиле, где живут его жена и дети.

Классическая физика или квантовая?

Так в чем же состоят выдающиеся научные заслуги новоиспеченных лауреатов? В том, что своими исследованиями они заложили основы для разработки современных компьютерных программ, используемых сегодня для того, чтобы более детально понять и даже предсказать те или иные химические реакции. Дело в том, что эти реакции протекают с исключительно высокой скоростью, время перехода электронов с орбиты вокруг одного атомного ядра на орбиту другого атомного ядра измеряется долями миллисекунды. Классическая химия была не в состоянии экспериментально зарегистрировать каждый отдельный этап в химическом процессе.

Благодаря работам Карплуса, Уоршела и Левитта исследователи могут теперь решать эти задачи с помощью компьютеров. Член Нобелевского комитета профессор Свен Лидин (Sven Lidin) поясняет: "Чтобы моделировать химические реакции, ученые могут использовать два совершенно разных подхода: я имею в виду классическую физику и квантовую физику. До работ, выполненных нынешними нобелевскими лауреатами, исследователи были вынуждены выбирать один из этих двух подходов. Преимущества классической физики состояли в простоте расчетов и в том, что она позволяла моделировать даже очень большие молекулы. Однако она не годилась для моделирования химических реакций как таковых. Для этих целей ученые были вынуждены пользоваться квантовой физикой, однако такие расчеты требовали поистине колоссальной вычислительной мощности. Даже самые современные компьютеры могли справиться лишь с моделированием очень небольших, простых молекул".

Лауреаты соединили несовместимое

Мартину Карплусу, Арье Уоршелу и Майклу Левитту удалось соединить, как бы свести воедино два, казалось бы, несовместимых подхода и разработать методы моделирования, в которых параллельно используется как классическая, так и квантовая физика. Скажем, при моделировании взаимодействия молекулы лекарственного препарата с молекулой белка в организме пациента компьютер производит расчеты на основе квантовой теории в отношении тех атомов, которые непосредственно участвуют во взаимодействии, а поведение всей остальной белковой молекулы моделируется на основе классической физики.

Благодаря работам Карплуса, Уоршела и Левитта компьютеры являются сегодня не менее важным инструментом для химиков, чем традиционные пробирки и колбы. А компьютерное моделирование достигло уже такого совершенства, что способно надежно предсказывать результаты экспериментов.