«Способность учиться не зависит от расы или гендера». Нобелевский лауреат Уильям Мернер о равноправии в науке, российских ученых и мифах о ГМО

Фото Stanford's Chemistry Department
Фото Stanford's Chemistry Department
Forbes Life пообщался с американским ученым Уильямом Мернером, профессором Стэнфордского университета и лауреатом Нобелевской премии по химии, о сотрудничестве в современной науке, о том, кто должен финансировать науку, о предубеждениях против ГМО и главном научном уроке, который можно извлечь из пандемии COVID-19

Уильям Мернер — американский ученый, работающий на стыке физики и химии. Профессор химии и прикладной химии в Стэнфордском университете. Член Национальной академии наук США и Американского физического общества. Обладатель Премии Вольфа по химии 2008 года и Нобелевской премии по химии 2014 года за разработку флуоресцентной микроскопии. Почетный профессор Московского педагогического государственного университета (2018). Участник XXI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии в Санкт-Петербурге (2019).

Что привело вас в науку?

Я учился в школе во времена первого спутника, история которого вам хорошо известна. Его успешный запуск на орбиту Земли вызвал мощный всплеск интереса к научному образованию. На мою жизнь это тоже повлияло, потому что мои родители очень поощряли мои занятия естественными науками и математикой. Я перепробовал многое: скажем, был радиолюбителем, ставил на заднем дворе нашего дома химические эксперименты, разбирался в том, как работают электроприборы. Мне становилось интересно практически любое научное занятие, о котором я узнавал.

Из этого выросло все остальное, длинная цепочка событий в моей жизни. Я поступил в колледж, сначала чтобы изучать инженерное дело, потом к нему добавились физика и математика, и я получил степени бакалавра по всем этим трем дисциплинам. Потом я поступил в магистратуру по специальности «физика» и стал изучать молекулы с помощью света. Эта история продолжается до сих пор. Мне просто всегда были интересны разные аспекты науки, и особенно нравилось ставить эксперименты, чтобы понять, как что работает. 

Могли ли вы представить, будучи студентом, что однажды получите Нобелевскую премию?

Я бы сказал «нет», я не думал об этом. Я просто испытывал интерес и получал удовольствие всегда, на каждом этапе моей научной работы. Например, одно из самых больших удовольствий, когда ты изучаешь несколько научных дисциплин, — это обнаруживать, что одна и та же математика применима к разным областям, будь то физика, инженерия, химия или биология. Это один из замечательных аспектов естественных наук. Вы пытаетесь разобраться, как устроен наш мир. И овладев базовыми математическими концепциями, вы потом можете использовать их снова и снова. 

Я не мечтал о Нобелевской премии, вот и все, что я могу по этому поводу сказать. Я просто занимался тем, что мне было больше всего интересно, и наслаждался открытиями, которые мне удавалось делать.

Почему вас заинтересовало именно изучение молекул?

Это отличный пример того, о чем я только что говорил. Как я уже говорил, некоторое время я изучал физику. Но в наше время самые интересные темы для исследований появляются на стыке разных научных дисциплин. Поэтому в докторантуре я занялся вибрацией молекул. Они происходят в инфракрасном свете, так что в наших экспериментах использовались инфракрасные лазеры, которые воздействовали на молекулы в твердых телах при низких температурах.

Свойства молекул — это область на стыке физики и химии. И она очень интересна, потому что молекулы могут поглощать свет, испускать свет и так далее. Более того, в тех экспериментах, которыми занимался я, они могли менять цвет, поглощая свет определенной частоты, так что можно было делать измерения, исходя из длины волн. Что привело к идее попробовать использовать свет и молекулы для хранения данных в твердых веществах — именно этой темой я занимался на моей первой работе в IBM Research. Фундаментальные аспекты этой идеи позже привели к попыткам пронаблюдать отдельные молекулы с помощью света.

Какие еще прикладные результаты может принести ваша область исследований?

Их много. Таким образом мы сможем понять многие аспекты того, как устроен наш мир. Например, окраску листьев растений, то, как они усваивают солнечную энергию, переводят ее в энергию химических связей и так далее. Но я в своей научной карьере сосредоточился на наблюдении отдельных молекул. Вы, возможно спросите, как такая специфическая идея может дать практические результаты? Постараюсь объяснить на примере.

Например, у вас есть стакан с водой. В нем много молекул — скажем, 10 в степени 24, то есть число с двадцатью четырьмя нулями. Но мы поставили эксперимент и увидели, как одна интересующая нас молекула испускает свет, который мы можем уловить нашими приборами. Свет появляется на темном фоне, так что мы можем увидеть молекулу. Когда вы делаете такие вещи на уровне отдельных молекул, вам больше не нужно брать много молекул и усреднять. Представьте: в большинстве обычных экспериментов у вас есть образец с миллионами и триллионами молекул. И что бы вы ни измеряли, это будут средние показатели между всеми этими молекулами. Но если мы можем изучить одну за раз, то способны понять, все ли они одинаковы, или между ними есть разница, как каждая молекула себя ведет и т. п.

Это позволяет нам совершенно по-новому взглянуть на механизмы, действующие в сложных системах, таких как живые клетки или полимеры. Мы можем видеть, как молекулы двигаются по-разному, ведут себя по-разному. Это как задать вопрос: все ли люди пляшут под одну дудку, или среди них есть самобытные натуры? И иметь возможность эти самобытные натуры изучить. Вот почему мы спускаемся на уровень отдельных молекул.

Вы получили Нобелевскую премию с формулировкой «За развитие флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения». Что это значит, если объяснить простым языком? 

Чтобы ответить на этот вопрос, мне нужно сначала объяснить вам понятие дифракционного предела. Начнем с толщины волоса у вас на голове: она составляет в среднем примерно сотню микронов. Если увеличить разрешение до одного микрона, вы увидите отдельные клетки. А если опуститься еще на уровень ниже и попробовать посмотреть, что происходит внутри клетки — скажем, с каким-то одним ферментом, — речь будет идти уже о десятках нанометров, которые в сто раз меньше микронов.

Проблема в том, что вы не сможете заглянуть так глубоко с помощью видимого света, потому что длина его волны составляет примерно 500 нанометров — а это гораздо больше, чем те объекты, которые вы пытаетесь исследовать. Так что если вы попробуете разглядеть их с помощью видимого света, то просто ничего не увидите. Вот почему снимки клеток, которые делались раньше, были чрезвычайно размытыми, и их нельзя было сделать резче, купив микроскоп получше. Таково было ограничение оптической микроскопии, заложенное в нее с самого начала.

Микроскопия сверхвысокого разрешения перешла этот предел. Как это работает? Оказалось, что можно решить проблему, используя отдельные молекулы. Я и мой постдок Лотар Кадор впервые пронаблюдали отдельную молекулу в конденсированном состоянии в 1989 году. С тех пор исследования в этой области принесли сюрпризы, и мы узнали, что можно заставить флюоресцентную молекулу мигать, «включая» и «выключая» ее. Этого нельзя было увидеть, изучая сразу много молекул и усредняя их свойства. И это стало ключом к тому, чтобы наша идея заработала. 

Проведу аналогию. Представьте, что вы хотите увидеть ветви дерева, но не можете сделать этого темной ночью. Так вот, есть способ это сделать. Посадите светлячков на ветки на всем их протяжении. А потом снимите видео. Вы увидите, как фонарики светлячков вспыхивают случайным образом то тут, то там. И каждая такая вспышка показывает, где находится маленький кусочек ветки. Так что можно заснять все эти вспышки и совместить их потом на одной картинке — и вы увидите ветки дерева.

Именно это мы и делаем с отдельными молекулами и клетками. У нас есть наноразмерный объект, к которому прикреплено много флуоресцентных молекул, которые мы заставляем испускать свет. Но не просто испускать, а мигать, включаясь и выключаясь под нашим контролем. Получается как раз то, что я только что описал. Видеоролик, показывающий вспыхивающие точки. Молекулы вспыхивают по отдельности, так что мы можем понять, где находится то, что нас интересует: формы и размеры очень маленьких объектов — складывающиеся постепенно из светящихся точек. Это очень похоже на пуантилизм в живописи.

Фото Pascal Le Segretain / Getty Images
Фото Pascal Le Segretain / Getty Images

Можете привести примеры открытий, уже сделанных с помощью микроскопии сверхвысокого разрешения?

Например, группа из Гарварда лаборатории Сяовэй Чжуана решила взглянуть на нервные клетки с использованием микроскопии сверхвысокого разрешения. И они обнаружили, что белки на поверхности длинных отростков нейронов, аксонов, группируются в кольца, перпендикулярные оси аксона. Это крошечная структура, лежащая за дифракционным пределом, так что раньше ее не видели. И это потрясающее открытие. Специалисты по нервным клеткам сейчас должны понять, что оно означает. Возможно, эти структуры как-то связаны с передачей нейронами нервных сигналов.

Это всего один из сотен примеров того, как можно увидеть что-то новое и интересное, преодолев дифракционный предел и получив возможность изучать объекты на наноуровне.

Когда вы узнали, что получили Нобелевскую премию по химии в 2014 году, какова была ваша первая реакция?

У той ситуации были некоторые забавные аспекты. Я как раз был на конференции в Бразилии, посвященной молекулам и свету. И мой мобильный телефон там не работал, потому что за это надо было сколько-то доплатить. Так что Нобелевский комитет не смог до меня дозвониться. Я узнал обо всем только после того, как жена прислала мне сообщение в WhatsApp: «Срочно включи телефон!» (смеется).

Все, что я могу сказать: это было очень волнующе. Я знал, что моя жизнь начнет меняться сразу же. И я также знал, что у меня возникнут новые обязательства, что и произошло. Был ажиотаж и на той конференции, и в Стэнфорде, где я работал, тоже — они сказали: «Приходите в корпус такой-то в 10 утра для пресс-конференции». А я ответил: «Простите, но я не смогу там быть, потому что я сейчас в Бразилии». И так далее.

Как изменилась ваша жизнь после получении Нобелевской премии?

Ну, было много увлекательных перемен. Я получаю много приглашений выступить в разных городах и странах. Сейчас, конечно, поездки стали невозможны. Но я все же выступаю много через интернет. Это дает мне платформу, чтобы популяризировать науку и говорить о том, насколько она важна, широким аудиториям.

Это одна сторона медали. Другая состоит в том, что у меня появилось и много ответственности. Также есть люди, которые хотят использовать меня для чего-то.

Так что в моем новом положении есть и плюсы, и минусы. Но все же получить признание здорово. И это чувство могут разделить со мной все, кто ведет исследования в этом направлении.

Вы получили премию вместе с вашими коллегами Штефаном Хеллем и Эриком Бетцигом. Насколько важно сотрудничество в современной науке? 

Прежде всего я хочу заметить, что мы не работали над микроскопией сверхвысокого разрешения вместе в полном смысле этого слова. Мы были независимыми исследователями. Штефан Хелль добился сверхвысокого разрешения в микроскопии, использовав наши наработки с «включением» и «выключением» флуоресцентных молекул. Работа Эрика Бетцига ближе к моей. Он очень заинтересовался, когда мы начали видеть отдельные молекулы при низких температурах в начале 1990-х. Его вкладом была ключевая идея совместить разные аспекты. 

Отвечая на ваш вопрос, я могу сказать, что, по моему мнению, сотрудничество в науке очень важно. Работая вместе, люди объединяют свои идеи, свой опыт, свои мысли, чтобы двигать науку вперед. Так происходило и в моей группе, и в других двух группах, участвовавших в той работе.

Но что еще более важно, наука работает так: когда делается новое открытие и отчет об этом публикуется, другие люди начинают думать об этом, приходить к разным идеям, пробовать решать проблему немного разными способами, чтобы сделать еще один шаг вперед. И так происходит очень много раз. Требуется немало лет, чтобы собрать все это вместе, как это было в нашей работе, чтобы понять, как это можно применить. И результат подчас бывает неожиданным. Как та же молекула, мерцающая сначала при низкой температуре, а потом и при комнатной. Некоторые считали это открытие бесполезным. Но потом мы наконец нашли ему важное применение.

Сегодня науку стараются сделать более инклюзивной, чтобы ею могли заниматься представители разных рас, гендеров и т. д. Как вы думаете, приносят ли такие процессы пользу самой науке?

Да, это однозначно хорошо для науки, на всех уровнях. Если мы относимся к науке как к глобальному делу, которое способно выиграть от идей многих людей с самым разным опытом, то, позволяя этим людям подключаться к работе, мы только выиграем.

Конечно, во многих областях по-прежнему не хватает разнообразия. Но есть и прогресс. Помню, 25 лет назад, когда я только пришел в Стэнфорд, среди сотрудников факультета была всего одна женщина. Сегодня их гораздо больше. У меня в группе женщины работают много лет, в том числе темнокожие, как и представители других, обычно недостаточно представленных групп. Так что ситуация меняется, и мы должны продолжать работать над этим.

Лично я не вижу, чтобы подходы разных людей к науке как-то существенно различались по неким фундаментальным причинам, проистекающим из их расы, гендера или чего-либо подобного. Конечно, у людей может быть разный уровень подготовки и разный опыт. Но любой человек способен учиться. Да, у нас до сих пор сохраняется сильная разница между образованием разных групп людей. И мы должны стараться преодолевать эту разницу, чтобы обеспечивать каждому равный доступ к знаниям, умениям и возможностям, везде, где это возможно.

Большинство лауреатов Нобелевской премии — американцы. Почему это так? Можно ли это изменить?

У этого наблюдения много аспектов. Также большинство лауреатов мужчины. Доминируют не только американцы, но и европейцы. Во многом это происходит по историческим причинам, но так, конечно, не должно быть всегда, ни в каком смысле. Недавно была одна женщина — нобелевский лауреат из Китая, например, и еще одна из США. Я не принимаю такие решения, но я уверен, что с увеличением разнообразия людей с разными бэкграундами среди ученых уровень разнообразия среди лауреатов Нобелевской премии со временем также повысится. 

Конечно, по-настоящему важно поощрять молодых людей выдвигать собственные идеи, ставить под сомнение догмы, мыслить самостоятельно, предлагать разные решения, делать разные суждения и так далее. Некоторые культуры выстроили в науке очень жесткую систему, когда начальник прямо говорит своим подчиненным, что делать, а что нет. Можно предположить, что чуть больше индивидуализма и свободы позволили некоторым странам получать премии Нобеля чаще в начале их существования. Но по мере того, как образование становится более гибким, ситуация начинает меняться. 

Именно по этой причине я хочу, чтобы мои студенты ценили свои неудачи. Когда вы ставите эксперимент и пытаетесь сделать что-то новое на переднем крае науки, вы можете терпеть неудачи, что-то может идти не так просто потому, что вы не можете знать все. Но вместо того, чтобы расстраиваться и грустить по этому поводу, стоит превратить это в полезный опыт и идти дальше уже с новыми знаниями. Я думаю, такой подход способен в перспективе принести больше открытий.

Кто, по-вашему, должен финансировать науку — власти, бизнес или и те, и другие?

Я на самом деле считаю, что наука производит ценность для всех жителей страны. Так что ее нужно достойно поддерживать. Как мы знаем, во многих странах такая поддержка исходит от правительства в виде грантов и других форм финансирования исследований. Но если частные компании мыслят достаточно широко, чтобы думать о будущем, а не только требовать немедленных результатов, то будет здорово, если они тоже будут поддерживать фундаментальную науку.

Знаете, в 70-х и 80-х и мне принесло пользу существование больших частных исследовательских лабораторий. Я едва не стал сотрудником Bell Laboratories, но вместо этого в итоге пришел работать в IBM Research. Тогда было много таких научных центров, которые занимались вполне фундаментальными исследованиями. Наука в них расцветала и давала важные результаты. Но все изменилось, когда конкуренция в этих отраслях стала еще более серьезной. И сейчас мы видим, что центрами науки и прикладных исследований стали другие организации.

В любом случае идея в том, чтобы мыслить стратегически. Множество экспериментов не достигнут успеха, но будут и такие, которые приведут к большим прорывам. И чтобы это могло произойти, нужно инвестировать и в неудачные эксперименты тоже.

Вы и еще более 100 лауреатов Нобелевской премии подписали открытое письмо в поддержку ГМО в сельском хозяйстве. Почему вы это сделали? 

Генная инженерия в сельском хозяйстве — это не более чем мощный метод селекции. Вы меняете один ген, чтобы получить пищевой продукт с новыми свойствами — скажем, помидоры, которые дольше не гниют, или рис, насыщенный полезными веществами, которых не хватает в рационе жителей определенной местности. Это по сути ничем не отличается от традиционной селекции, когда вы смешиваете тысячи генов, но при этом практически не можете контролировать последствия.

Если же мы меняем один ген, например, то при тщательном контроле можем проверять, хорошо это или нет. В таком «точном земледелии» применяются более строгие тесты, чем в обычном. Поэтому я не боюсь таких методов селекции растений до тех пор, пока они находятся под контролем.

В конце концов, пища, которая производится таким образом, тоже состоит из белков. Наши тела предназначены для того, чтобы расщеплять белки на их молекулярные составляющие и получать из этого питание. Я, например, люблю бургеры с котлетами от Impossible Foods — потому что знаю ученых, которые над этим работали, и им удалось создать на базе растительных белков что-то вкусное. Это замечательный шаг вперед: теперь не нужно убивать животных, чтобы получить необходимые для питания белки.

В мире продолжается кризис, связанный с пандемией COVID-19. Какой, по-вашему, главный научный урок, который можно из нее извлечь?

Да, что за потрясающая цепочка событий. Ужасная пандемия накрыла земной шар и продолжает его накрывать, как продукт тесных взаимосвязей в современном обществе. И это простимулировало множество интересных научных исследований, направленных на то, чтобы узнать больше о вирусе и о том, как с ним бороться. Вся наука в целом получила импульс.

Я убежден, что мы должны применять научные методы, чтобы тестировать новые вакцины и лекарства, следовать правилам и методикам, которые создавались долгое время для нашей безопасности. Так что я надеюсь, что на такие работы ни в каких странах не будет оказываться политическое давление и что ученым позволят решать, как делать это максимально безопасно.

Вы бывали в России несколько раз. Что вы думаете про российскую науку?

Мое мнение о ней основывается на моем многолетнем опыте взаимодействия с российскими учеными, который всегда был очень позитивным. Например, когда я был в творческом отпуске в Швейцарии в 1993 году, я работал бок о бок с постдоком из Москвы по имени Тарас Плахотнюк. Он служил отличным примером того, насколько хорошо российские ученые подготовлены в таких областях, как физика, химия и не только.

С тех пор мне приходилось сотрудничать и с другими российскими учеными, и я горд носить звание почетного профессора МГПУ (Московского государственного педагогического университета). Недавно мне довелось посотрудничать с профессором Андреем Наумовым из Института спектроскопии РАН в Троицке — он делал эксперименты с отдельными молекулами и использовал некоторые наши идеи по поводу трехмерной микроскопии, чтобы узнать больше о том, как ведут себя молекулы в твердом веществе. 

В России замечательная научная культура, и я испытываю к ней огромное уважение.

Я бы хотел подчеркнуть, что очень важно для всех стран, включая Россию, продолжать принимать решения на основе науки, и помнить, что наука нужна нам, чтобы продолжать двигаться вперед. Она нужна нам, чтобы отправить экспедицию на другую планету — и чтобы эта экспедиция туда долетела, а не разбилась по пути. Наука нужна нам для разработки новых лекарств. Чтобы строить мосты, которые не будут рушиться. И поэтому мы не должны позволять принимать решения, которые принесут вред, потому что мы не послушали ученых.

Forbes Life выражает признательность Благотворительному фонду Андрея Мельниченко за помощь в организации интервью.