Nobela prēmijas – par teorētiskiem pētījumiem un izgudrojumiem
Pagājušonedēļ Stokholmā tika paziņoti šāgada Nobela prēmiju ieguvēji fizioloģijā un medicīnā, fizikā un ķīmijā, bet 10. decembrī paredzēta viņu svinīgā godināšana un prēmiju – 8 miljonu zviedru kronu jeb aptuveni 817 000 eiro – pasniegšana.
Kā jau beidzamajos gados ierasts, katrā no kategorijām atzīmēts maksimālais laureātu skaits – pa trim zinātniekiem. Daļa no viņiem veikuši teorētiskus pētījumus, bet daļas darbs jau paspējis atstāt savu iespaidu uz cilvēku ikdienas dzīvi.
Karte cilvēka smadzenēs
«Kā mēs saprotam, kur atrodamies?», «Kā mēs atrodam ceļu no vienas vietas uz citu?», «Kā mēs iegaumējam informāciju, lai, nokļūstot jau zināmā vietā, nekavējoties atcerētos, kā nokļūt citā zināmā vietā?» – šie jautājumi, kā norādījusi Nobela fizioloģijas un medicīnas komiteja, cilvēci nodarbinājuši jau gadsimtiem ilgi.
Smadzeņu izziņas kartes darbības pamatprincipus atklājuši šāgada Nobela prēmijas laureāti fizioloģijā un medicīnā – britu zinātnieks Džons O’Kīfs, kā arī norvēģu laulātais pāris – Meja Brita un Edvards Mozeri. Starp citu, norvēģi kļuvuši tikai par otro ģimeni vēsturē, kas izpelnījusies Nobela prēmiju – 1903. gadā prēmija fizikā tika piešķirta Pjēram Kirī un Marijai SklodovskaiKirī. Viens no Nobela fizioloģijas un medicīnas komitejas locekļiem, Karolinska universitātes neirozinātņu nodaļas profesors Ole Kīns trāpīgi paziņojis, ka šiem trim zinātniekiem izdevies atklāt un izskaidrot cilvēka smadzeņu iekšējās GPS sistēmas darbības principus.
Par to, cik sarežģīts uzdevums bija jāatrisina zinātniekiem, liecina tas, ka Dž. O’Kīfs vēl 1971. gadā atklāja tā dēvētās vietas šūnas jeb galvas smadzeņu hipokampā esošos neironus, kas aktivizējas brīžos, kad nokļūstam kādā jau pazīstamā vietā, bet mozaīkas otru sastāvdaļu Mozeru laulātajam pārim izdevās atklāt gandrīz 35 gadus vēlāk. 2005. gadā norvēģu zinātnieki identificēja citā smadzeņu daļā esošās nervu šūnas, kas nodēvētas par «koordinātu tīkla šūnām» – tās pilda savdabīgas navigācijas kartes funkcijas, raksta BBC.
Tiesa, atšķirībā no citiem gadiem, kad, paziņojot par Nobela prēmijas laureātu paveikto, jau uzreiz bijis iespējams informēt par viņu atklājumu praktisko pielietojumu, šoreiz tas nav noticis. «Atklājuma rezultātā pagaidām vēl nav izstrādātas kādas jaunas zāles vai medicīniskās terapijas metodes,» norāda Reuters. Tomēr zināšanas par šiem procesiem, kas notiek mūsu smadzenēs, var palīdzēt labāk izprast, kādēļ, piemēram, trieku pārcietušie nereti zaudē orientāciju telpā, kādēļ tas notiek ar cilvēkiem, kuri sirgst no plānprātības un Alcheimera slimības. Jāatgādina, ka mūsu planētas iedzīvotāju vidējais dzīves ilgums turpina palielināties, taču diemžēl cilvēku vecumdienas nereti aptumšo Alcheimera slimība, kas neļauj dzīvot pilnvērtīgi un pagaidām nav ārstējama. Tiek lēsts, ka no šīs slimības cieš aptuveni 44 miljoni planētas iedzīvotāju.
Apgaismojumam un viedtālruņiem
Daudzi to jau paspējuši piemirst, taču Alfrēda Nobela testamentā ir īpaši uzsvērts, ka prēmijas piešķiramas ne tikai par fundamentālās zinātnes atklājumiem (kā, piemēram, pērn fizikā par Higsa bozona notveršanu), bet arī izgudrojumiem un jaunām tehnoloģijām, kas atstāj būtisku iespaidu uz cilvēku ikdienas dzīvi. Šāgada prēmija fizikā, ko saņems japāņu zinātnieki Isamu Akasaki, Hirosi Amano un Suidzi Nakamura, piešķirta tieši par šādu izgudrojumu – zilajām gaismas diodēm (LED), kas mūsdienās plaši tiek izmantotas ne tikai apgaismojuma nodrošināšanai, bet arī, piemēram, viedtālruņu ekrānos. «Tām ir ļoti plašs praktiskais pielietojums, un man šķiet, ka pats Nobels par šādiem laureātiem būtu bijis ļoti priecīgs,» sarunā ar BBC sacījis viens no Nobela komitejas locekļiem, Linšēpingas universitātes profesors Ulle Inganass. Savukārt komitejas vadītājs Pērs Delzings no Gēteborgas Čalmersa tehniskās universitātes paudis īpašu sajūsmu par šāgada laureātu neatlaidību un mērķtiecību. «Daudzas lielās kompānijas mēģināja atrisināt šo problēmu, taču bija spiestas atzīt neveiksmi. Taču šie puiši bija neatlaidīgi, kad viņiem kaut kas neizdevās, viņi mēģināja atkal un atkal, līdz sasniedza rezultātu,» viņš sacījis.
Reuters atgādina, ka gaismas diodes ir pusvadītāju ierīces, kas gaismas fotonu radīšanai patērē krietni mazāk enerģijas, nekā kvēlspuldzes vai dienasgaismas lampas, jo tajās liela daļa enerģijas pārvēršas karstumā. To mūžs ir desmit reižu garāks nekā dienasgaismas spuldzēm un 100 reižu garāks nekā kvēlspuldzēm. Gaismas krāsa, kādu izstaro diodes, ir atkarīga no materiāla, kas atdala abas pusvadītāja kārtas. Jau pagājušā gadsimta sešdesmitajos un septiņdesmitajos gados tika izstrādātas sarkanās un zaļās krāsas diodes, taču ar zilajām diodēm radās problēma, jo zinātnieki nekādi nespēja piemeklēt materiālu, ar kura palīdzību varētu emitēt nepieciešamā viļņu garuma gaismu, bet, ja šāds materiāls tika atrasts, tas izrādījās pārāk dārgs, lai diožu ražošana būtu ekonomiski izdevīga. Kādēļ zinātniekus tik ļoti interesēja zilās diodes? Tādēļ, ka, kombinējot sarkano, zaļo un zilo krāsu, tiek iegūta baltā gaisma, un cilvēki šādā apgaismojumā jūtas viskomfortablāk.
Astoņdesmito gadu vidū Nagojas universitātes zinātniekiem I. Akasaki un H. Amano beidzot izdevās atrast piemērotu materiālu, viņi ierosināja kā starpslāni starp divām pusvadītāju kārtiņām izmantot gallija nitrīdu ar magnija piejaukumu, kas nodrošināja diodei nepieciešamās īpašības. 1989. gadā šo tehnoloģiju uzlaboja korporācijas Nichia darbinieks S. Nakamura. Jau pēc neilga laika korporācija laida tirgū pirmās zilās gaismas diodes. Pats izgudrotājs par savu atklājumu saņēma nožēlojamus 200 dolārus un, lai gan vēlāk attiesāja no kompānijas astoņu miljonu dolāru lielu kompensāciju, emigrēja no dzimtenes un pārcēlās uz ASV, iegūstot šīs valsts pilsonību. Pašlaik S. Nakamura strādā Kalifornijas universitātē Santabarbarā.
Kompānijas General Electric prognozes liecina, ka līdz 2020. gadam LED apgaismojums nodrošinās 70% no 100 miljardus dolāru vērtā tirgus vajadzībām. 2012. gadā tam bija vien 18% liela tirgus daļa. «20. gadsimtā pasauli apgaismoja kvēlspuldzes, bet 21. gadsimtā to darīs gaismas diožu lampas,» sacīts Reuters citētajā Nobela komitejas paziņojumā. Apvienotās Karalistes fizikas institūta prezidente Frēnsisa Saundersa skaidrojusi, ka LED apgaismojumam varētu būt milzīga loma, lai samazinātu atmosfērā izmesto oglekļa dioksīda daudzumu un tādējādi nepieļautu tālākas globālās klimata izmaiņas. «Pašlaik aptuveni 20% no pasaulē saražotās elektrības tiek izmantota apgaismošanai. Aprēķini liecina, ka optimāla LED spuldžu lietošana var samazināt šādā veidā patērētās elektrības daudzumu līdz 4%,» viņa sacījusi. Zinātniece arī atgādinājusi, ka pašlaik aptuveni 1,5 miljardi mūsu planētas iedzīvotāju ir spiesti iztikt bez elektrības. LED lampas ir pietiekami efektīvas, lai tās varētu darbināt, izmantojot saules bateriju saražoto enerģiju – jo sevišķi valstīs, kas atrodas netālu no ekvatora.
Zilās gaismas diodes savās kabatās ikdienā līdzi nēsā arī daudzi viedtālruņu lietotāji, tās tiek izmantotas datoru ekrānos, automašīnu paneļu apgaismošanai, iluminācijai svētku laikā. Scientific American raksta, ka, pateicoties šim atklājumam, tapusi arī Bluray tehnoloģija, kas ļauj diskos ierakstīt četras reizes vairāk informācijas nekā parastajos DVD diskos.
Iespēja pētīt dzīvas šūnas
«Ja pirms piecdesmit gadiem kāds būtu ierunājies, ka ar optisko mikroskopu iespējams aplūkot kaut ko pārdesmit nanometrus lielu, visi par viņu būtu ņirgājušies,» intervijā BBC sacījis Amerikas Ķīmiķu savienības prezidents Tomass Bartons. Šādā veidā viņš reaģējis uz ziņu, ka Nobela prēmija fizikā piešķirta trim zinātniekiem, kuri izstrādājuši fluorescentās mikroskopijas metodi, – Štefanam Hellam, kurš vada Maksa Planka institūtu Vācijā, kā arī amerikāņiem Ērikam Betcigam no Hovarda Hjūza medicīnas institūta un Viljamam Mērneram no Stenforda universitātes.
Reuters atgādina, ka kopš 1590. gada, kad nīderlandietis Zaharija Jansens izmantoja stikla lēcas, lai palielinātu priekšmetu vizuālos izmērus, optiskie mikroskopi ar katru desmitgadi kļuva aizvien jaudīgāki un jaudīgāki. Taču jau XIX gadsimtā tika konstatēts, ka to jaudai ir savas robežas un difrakcijas dēļ saskatīt mikroskopos objektus, kas ir mazāki nekā puse no gaismas viļņu garuma jeb aptuveni 200 nanometriem, nav iespējams. Līdz ar to zinātniekiem nebija iespēju pētīt pavisam sīciņus objektus – šūnas vai molekulas. Elektroniskie mikroskopi, kuru izšķirtspēja ir ievērojami lielāka nekā optiskajiem, šim mērķim īsti nederēja, jo to starojums dzīvās šūnas nogalināja.
«Ja nav iespējams pienācīgi apgaismot mikroobjektu, varbūt var pētīt to, kā tas pats izstaro gaismu,» – ar šādu ideju 1994. gadā nāca klajā rumāņu izcelsmes vācu zinātnieks Š. Hells. Viņa metode, kas ieguva nosaukumu STED, paredzēja, ka viens lāzera impulss liek pirms tam iezīmētām un tādēļ fluorescējošām molekulām izstarot gaismu, savukārt otrs nomāc apkārtējo objektu izstaroto gaismu. Lai cik tas dīvaini neliktos pašlaik, zinātnieka ideja neguva atsaucību, un viņam pašam no teorētiķa nācās pārkvalificēties par praktiķi un eksperimentētāju. Pēc ilgiem pūliņiem 2000. gadā Š. Hells beidzot varēja nodemonstrēt savu STED mikroskopu, kas jau uzskatāms par nanoskopu – ar tā palīdzību viņš pētīja procesus, kas notiek E.coli baktērijā. Abi amerikāņu zinātnieki, turklāt neatkarīgi viens no otra, veica paralēlus pētījumus, izstrādājot nedaudz atšķirīgu metodiku, kas tiek dēvēta par atsevišķās molekulas mikroskopiju.
«Šo laureātu paveiktais mums dod iespēju pētīt molekulāros procesus reālā laika režīmā,» skaidrojis Nobela komitejas pārstāvis, Lundsa universitātes ķīmiķis Svens Lidins. Karaliskās Ķīmijas biedrības prezidents Dominiks Tideslijs sarunā ar BBC piebildis, ka fluorescentā mikroskopija tiek izmantota, piemēram, lai pētītu cilvēka smadzeņu nervu šūnas, noskaidrotu, kādi proteīni aktivizējas ar dažādām kaitēm sirgstošu cilvēku šūnās, izzinātu, kā no apaugļotām olšūnām veidojas cilvēka embrijs, kā arī pētītu DNS īpatnības.