Nagrody Nobla 2019

GN 42/2019 |

dodane 17.10.2019 00:00

Taka sytuacja zdarza się nieczęsto. Tegoroczna Nagroda Nobla z fizyki została przyznana za dwa różne projekty badawcze. Nie dość, że nie mają one ze sobą nic wspólnego, to na dodatek dzieli je od siebie kilkadziesiąt lat.

James Peebles JUSTIN LANE /epa/pap James Peebles

Fizyka i astronomia

NOBEL ZA PRACE TEORETYCZNE DOTYCZĄCE WCZESNEGO WSZECHŚWIATA ORAZ ZA ODKRYCIE PLANETY POZASŁONECZNEJ, KTÓRA OKRĄŻA GWIAZDĘ PODOBNĄ DO SŁOŃCA.

Taka sytuacja zdarza się nieczęsto. Tegoroczna Nagroda Nobla z fizyki została przyznana za dwa różne projekty badawcze. Nie dość, że nie mają one ze sobą nic wspólnego, to na dodatek dzieli je od siebie kilkadziesiąt lat.

Połowa nagrody została przyznana kanadyjskiemu astrofizykowi Jamesowi Peeblesowi, który w latach 60. i 70. XX w. zajmował się teoretycznymi wyliczeniami dotyczącymi początków naszego wszechświata. Druga połowa została przyznana wspólnie szwajcarskim astronomom Michelowi Mayorowi i Didierowi Quelozowi za odkrycie pierwszej planety, która okrąża obcą gwiazdę podobną do Słońca.

Prace Jamesa Peeblesa dotyczyły mikrofalowego promieniowania tła. To w pewnym sensie echo Wielkiego Wybuchu – promieniowanie, które jest pozostałością po wczesnych etapach rozwoju wszechświata, po czasach, w których cała materia była plazmą. Analizując je, w pewnym sensie cofamy się w czasie i oglądamy zdjęcie wszechświata z okresu dziecięcego. James Peebles w połowie lat 60. teoretycznie wyliczał parametry tego promieniowania. Samo promieniowanie – oprócz tego, że daje wgląd we wczesną historię wszechświata – jest potwierdzeniem teorii Wielkiego Wybuchu. Choć wtedy, gdy Peebles czynił swoje obliczenia, od odkrycia Hubble’a mijało już ponad 40 lat, to jednak koncepcja utrzymująca, że początkiem wszechświata był Wielki Wybuch, wcale nie była powszechnie przyjmowana. Potwierdzenie istnienia mikrofalowego promieniowania tła było ostatnim gwoździem do trumny starych przekonań. Tegoroczny noblista przyłożył więc rękę do potwierdzenia Teorii Wielkiego Wybuchu. Teoretycznie pokazał, że wszechświat w momencie narodzin był bardzo gęsty i od początku swojego istnienia rozszerza się. Dzisiaj wiemy, że ta ekspansja przyspiesza. Nie wiedzielibyśmy tego, gdyby promieniowanie tła nie zostało wykryte. Stało się to możliwe dzięki wyliczeniom tegorocznego noblisty, prof. Jamesa Peeblesa.

Ale to tylko połowa nagrody. Druga połowa została przyznana dwom astronomom z Szwajcarii, którzy w 1995 r. odkryli planetę krążącą wokół gwiazdy podobnej do Słońca. To zaskakujący werdykt komitetu noblowskiego, bo odkrywcą pierwszej pozasłonecznej planety jest Polak, prof. Aleksander Wolszczan. Jego jednak nie nagrodzono.

Pierwsza planeta poza Układem Słonecznym została odkryta w 1992 r. (data publikacji wyników), a odkrycie tegorocznych laureatów nastąpiło trzy lata później. Dzisiaj znamy kilka tysięcy planet poza tymi, które są w naszym układzie, a szacunki mówią, że tylko na Drodze Mlecznej jest ich kilkaset miliardów. I choć przez setki lat wydawało się, że we wszechświecie jest tylko jeden układ planetarny, tegoroczni nobliści udowodnili, że to nieprawda. Ich odkrycie pokazało coś jeszcze, a mianowicie to, że układy planetarne mogą być różne. Dotychczas znaliśmy tylko jeden. Dzisiaj znamy ich setki. Nie wszystkie wyglądają jak nasz. Niektóre – zgodnie z naszą wcześniejszą intuicją – nie powinny istnieć. Właśnie taki układ planetarny odkryli tegoroczni nobliści. Olbrzymia planeta, gazowy gigant, krąży w nim bardzo blisko swojej gwiazdy.

Przed tym odkryciem uważaliśmy, że gazowe giganty poruszają się wokół swoich gwiazd w dużej odległości. Dla porównania, Jowisz krąży wokół Słońca w odległości około 780 mln km, podczas gdy w przypadku odkrytej przez noblistów planety ta odległość wynosi 8 mln km, a więc jest stukrotnie mniejsza. Tak blisko Słońca – w naszym układzie – nie znajduje się nawet Merkury. Ta najbliższa planeta naszego układu okrąża Słońce w odległości 58 mln kilometrów.

Gazowe giganty krążące tak blisko swoich gwiazd od tego odkrycia nazywa się „gorącymi Jowiszami”. Temperatura ich atmosfery może sięgać 1000 st. Celsjusza.

Tomasz Rożek

Chemia

NOBEL ZA WYNALEZIENIE BATERII LITOWO-JONOWYCH.

To najbardziej praktyczny z tegorocznych Nobli. Nasz świat wyglądałby zupełnie inaczej, gdyby na początku lat 70. XX wieku nie powstała bateria litowo-jonowa. Lekka, pojemna i w zasadzie bezawaryjna. Choć świat wciąż czeka na przełom w dziedzinie magazynowania energii elektrycznej, pierwszy krok do tego przełomu zrobili tegoroczni nobliści.

Alfred Nobel w swoim testamencie opisał dokładnie, jakimi kryteriami ma posługiwać się komitet noblowski. Nagrody miały być przyznawane jednej osobie za odkrycie, które jest praktyczne i którego dokonano w roku poprzedzającym nagrodę. Dzisiaj po tych zapisach niewiele pozostało. Nauki nie uprawia się już tak, jak to robiono za czasów Nobla. Dzisiaj zespoły badawcze składają się czasami z setek ludzi. W efekcie od lat z dziedzin ścisłych nie przyznaje się Nagrody Nobla jednej osobie, tylko kilku. Nie ma też szansy na nagrodzenie odkrycia, które miało miejsce w roku poprzedzającym ceremonię. Badania są tak skomplikowane, że tylko ich potwierdzenie przez inne zespoły badawcze daje pewność poprawności. To jednak wymaga czasu. I tak jeden z tegorocznych noblistów z chemii prof. John B. Goodenough ma 97 lat, a to znaczy, że jest najstarszym w historii nagrody laureatem.

Stosunkowo najłagodniej komitet noblowski obchodzi się z ostatnim z trzech zapisanych w testamencie warunków, czyli z tym, że nagradzani mogą być tylko ci, którzy dokonali czegoś praktycznego. Nie zawsze się udaje, ale w tym roku, przynajmniej z chemii, trafiono idealnie. Trudno sobie wyobrazić coś bardziej praktycznego niż akumulator litowo-jonowy. To dzięki magazynom energii tego typu ma miejsce technologiczna rewolucja. Smartfony, laptopy, tablety, aparaty fotograficzne… w zasadzie wszystko, co wymaga energii, a nie jest „uwiązane” kablem elektrycznym, musi mieć sprawne akumulatory. Te baterie jednak (a w zasadzie akumulatory) napędzają nie tylko elektronikę, którą być może często traktujemy tylko jako rodzaj gadżetu czy zabawki. Baterie tegorocznych noblistów zasilają także aparaty słuchowe czy stymulatory serca, defibrylatory i wiele innych przenośnych urządzeń medycznych. A to znaczy, że ratują życie i poprawiają jego jakość. To coś już na dzisiaj, ale przyszłość przed dobrymi magazynami energii też jest – nomen omen – świetlana. Elektromobilność wymaga dobrych akumulatorów. Nie ma dzisiaj na rynku lepszych akumulatorów niż te, które wynaleźli tegoroczni nobliści. To one będą dostarczały energii samochodom elektrycznym, autobusom czy ciężarówkom. Jesteśmy też u progu rewolucji dronowej, a w dalszej perspektywie bateriami będą zasilane także samoloty. W przypadku środków transportu chodzi nie tylko o to, by akumulatory były lekkie i pojemne, ale także żeby szybko się ładowały. Jest coś jeszcze. Świat coraz mocniej odchodzi od paliw kopalnych, a te wykorzystujące wiatr i słońce są zmienne i wymagają dobrych magazynów energii. Naukowcy pracują nad coraz lepszymi akumulatorami, ale te litowo-jonowe są podstawą tych prac.

Nobel z chemii został przyznany trzem naukowcom. Nie pracowali razem, ale każdy ulepszał prace poprzedników. Jak skonstruować baterię, wiemy od XIX wieku. Gra toczyła się jednak o to, by baterie były lekkie, pojemne i bezpieczne. Oraz by można je było szybko ładować. Aby sprostać temu zadaniu, trzeba było szukać nowych materiałów i ulepszać stare. W latach 70., w czasach szalejącego kryzysu energetycznego, Stanley Whittingham (pierwszy noblista) odkrył, że siarczek tytanu ma strukturę warstwową i nadaje się do budowy elektrod. Kilka lat później kolejny z tegorocznych noblistów John Goodenough odkrył, że lepiej nadaje się do tego tlenek kobaltu. A po kolejnych kilku latach Akira Yoshino (trzeci z noblistów z chemii) w strukturę materiału węglowego wbudował atomy litu. Tak przygotowany materiał był anodą, a tlenek kobaltu katodą. To wtedy powstała bateria leżąca u podłoża rewolucji elektronicznej, która dopiero się rozkręca.

Tomasz Rożek

Medycyna i fizjologia

NOBEL ZA ODKRYCIE MECHANIZMÓW MOLEKULARNYCH UMOŻLIWIAJĄCYCH REGULOWANIE AKTYWNOŚCI GENÓW W ODPOWIEDZI NA ZMIENIAJĄCE SIĘ STĘŻENIE TLENU.

Aż do lat 90. ubiegłego wieku nauka nie miała pojęcia, jak odpowiadać na pytanie, skąd komórki wiedzą, ile mają tlenu, oraz co robią, by mieć go więcej, albo przeżyć jak najdłużej przy jego niedostatku. Tegoroczni nobliści z zakresu medycyny i fizjologii udzielili na nie fundamentalnej odpowiedzi. Ich odkrycie doczekało się już zastosowań w terapii anemii, ale możliwości są znacznie szersze, zwłaszcza w leczeniu raka.

Tlen spala pożywienie – z tego czerpiemy energię. Im większy jest nasz wysiłek, im więcej zużywamy energii, tym więcej potrzebujemy tlenu. Dzieje się tak w każdej komórce naszego ciała. To, ile tlenu do niej trafia, zależy od jego stężenia w powietrzu, szybkości oddychania, jakości naczyń krwionośnych i ilości oraz jakości czerwonych krwinek. Na każdym z tych „poziomów” nasz organizm potrafi regulować to, ile tlenu ma i ile wykorzystuje. Na przykład gdy nasze mięśnie miały go za mało wczoraj na siłowni, dziś mamy zakwasy. Mięśnie ustaliły bowiem, że tlenu jest za mało dla wymaganej od nich pracy, „włączyły” więc proces beztlenowego oddychania zwany glikolizą. Tlen pozyskały, jednak produktem takiej reakcji jest nie dwutlenek węgla, ale kwas mlekowy, który zakwasza. Więc łydki bolą.

Skąd jednak komórki wiedzą, żeby uruchomić inne mechanizmy niż te, które zwykle działają? W latach 90. XX w. Gregg Semenza wykorzystał działanie hormonu EPO produkowanego przez nerki, który powoduje, że sportowcom na obozach kondycyjnych w górach przybywa czerwonych krwinek. Naukowiec odkrył i oczyścił specjalny kompleks białkowy HIF (ang. Hypoxia Inducible Factor), który aktywuje gen kodujący EPO. HIF składa się ze znanego wcześniej białka ARNT oraz z nowego – HIF-1alfa – będącego czujnikiem tlenu. William Kaelin badał gen zdolny powstrzymać rozrost guza nowotworowego zwanego Hippel-Lindau. Odkrył dzięki temu białko VHL, jak się później okazało, kluczowe dla wyczuwania tlenu w komórce. Sir Peter J. Ratcliffe wykazał natomiast, że białko VHL wiąże się z HIF-1alfa po to, by regulować jego poziom.

Jeśli komórka ma wystarczająco dużo tlenu, to HIF-1alfa łączy się z nim, a następnie z białkiem VHL. Taki białkowy kompleks pada ofiarą pożeracza zbędnych białek komórkowych – proteasomu i ślad po nim ginie. Gdy tlenu jest za mało, VHL nie ma jak przyłączyć się do HIF-1alfa. Wówczas HIF wchodzi do jądra komórkowego, przyłącza się do ARNT i do DNA w miejscach, gdzie zaczyna się ponad 300 genów. Jakie to geny? Takie, których aktywność jest niezbędna, by przeciwdziałać szkodom wynikającym z niedoboru tlenu. Włączają się też geny odpowiedzialne za tworzenie nowych czerwonych krwinek (erytropoezę), budowanie naczyń krwionośnych (angiogenezę) dostarczających krew do tkanek oraz glikolizę. Choć jest ona znacznie mniej wydajna energetycznie od „spalania” w tlenie, organizm molekularnie kalkuluje, że lepszy rydz niż nic. Z kolei w sytuacji niedokrwienia trzeba podnosić poziom czynnika HIF. Powstają leki, które mają to zapewnić.

Mechanizmy, które opisali tegoroczni nobliści, można wykorzystać do walki z nowotworami. Komórki nowotworowe szybko się rozmnażają – do tego potrzeba energii, a więc i tlenu. Komórki guza nowotworowego w swych głębszych warstwach produkują więcej czynnika HIF, by mieć dostęp do energii. Proces ten mobilizuje powstawanie nowych naczyń krwionośnych, które będą dostarczały tlen i substancje odżywcze. Komórkom nowotworowym zapewni to życie, a nam może przynieść śmierć. Opracowanie leków zatrzymujących wzrost stężenia białka HIF w guzie spowodowałoby, że komórki nowotworowe po prostu umarłyby z powodu niedoboru energii.

Magdalena Kawalec-Segond

Tagi: