Iekšējie pulksteņi un Einšteina paredzējums – par ko piešķirtas Nobela prēmijas zinātnē?
Kāpēc pēc gariem transkontinentāliem pārlidojumiem cilvēki mēdz justies draņķīgi? Kā iespējams novērot procesus, kas notiek mūsu šūnās? Vai Alberts Einšteins nekļūdījās, paredzot gravitācijas viļņu eksistenci? Uz šiem jautājumiem izsmeļošas atbildes snieguši zinātnieki, kuri šonedēļ pasludināti par 2017. gada Nobela prēmiju ieguvējiem medicīnā un fizioloģijā, ķīmijā un fizikā.
Svinīgā medaļu, diplomu un naudas prēmiju (deviņi miljoni Zviedrijas kronu jeb aptuveni 937 000 eiro) pasniegšanas ceremonija šogad notiks 10. decembrī Stokholmā, un uz to gaida ierodamies deviņus laureātus trijās dabaszinātņu kategorijās.
FIZIKA. Ar sarežģītu un gadu gaitā ne reizi vien modernizētu detektoru palīdzību izdevies novērot gravitācijas viļņus / Scanpix
Pulkstenis katrā šūnā
Kopš brīža, kad uz mūsu planētas radās pašas primitīvākās dzīvības formas, tām nācies pielāgoties noteiktiem apstākļiem, kas valda uz Zemes. Atsevišķas īpatnības laika gaitā ir mainījušās, taču dienas un nakts maiņa, ko nosaka Zemes rotācija ap Sauli, ir iekodēta ikviena dzīva organisma - sākot ar augiem un beidzot ar cilvēkiem - katrā šūnā. Tajās notiekošos molekulāros procesus regulē tā dēvētie organismu iekšējie pulksteņi, par kuru izpēti un konkrētu gēnu identificēšanu Nobela prēmija medicīnā un fizioloģijā šogad piešķirta trim amerikāņu zinātniekiem - Džefrijam Hollam, Maiklam Rosbašam un Maiklam Jangam.
Cirkādu jeb diennakts ritms - tā zinātnieki sauc dzīvo organismu pielāgošanos 24 stundu cikliskajām pārmaiņām uz Zemes, kuru laikā mijas diena un nakts. Jau XVIII gadsimtā tika konstatēts, ka augi dienā papleš savas lapas, lai varētu notikt fotosintēzes process, bet naktī, kad tas nav iespējams saules gaismas trūkuma dēļ, sakļauj tās, lai lieki nezaudētu šķidrumu iztvaikošanas rezultātā. Veiktie eksperimenti liecināja, ka šis uzvedības modelis nemainās arī tad, ja augus uz ilgāku laiku novieto nepārtrauktā tumsā vai apgaismojumā. Paši tālredzīgākie pētnieki jau tad izteica hipotēzi, ka arī vairākumam dzīvnieku un cilvēku kopš dzimšanas noteikts (vārdu savienojumu «gēnos iekodēts» tolaik neviens nezināja), ka dienās jābūt aktīviem, bet naktīs jāguļ, taču, kā to pierādīt, neviens nezināja.
To, ka teorija ir pareiza, pagājušajā gadsimtā apliecināja virkne brīvprātīgo, kuri piekrita piedalīties ne īpaši humānos eksperimentos un mēnešiem ilgi pavadīja absolūtā tumsā. Nezinot, vai ārā ir diena vai nakts, lielākā daļa no viņiem joprojām dzīvoja aptuveni 24 stundu režīmā, lai gan pakāpeniski laika izjūta mazinājās. Tikai pagājušā gadsimta astoņdesmito gadu vidū zinātnieki saprata, ka šāda veida eksperimenti ir nevajadzīgi un teoriju daudz vienkāršāk pierādīt ar ģenētiskās analīzes palīdzību. Tieši to paveica šāgada Nobela prēmijas laureāti, identificējot vairākus gēnus, kas nosaka augļu mušiņu diennakts aktivitātes ritmu, un pierādot, ka analoģiski gēni ietekmē arī cilvēku ikdienu.
Katram no mums ir pat ne viens, bet neskaitāmi iekšējie pulksteņi, kas atrodas ikvienā ķermeņa šūnā. Tie nosaka mūsu organisma darbību, dodot signālus, kad jāaktivizē tā vai cita orgāna funkcijas. «Cilvēku hormonu līmenis, ķermeņa temperatūra, asinsspiediens, vielmaiņa - visi šie parametri mainās atkarībā no diennakts stundas,» raksta BBC. Principā cilvēku iekšējais pulkstenis paredz, ka naktis ir jāguļ, bet dienās jābūt aktīvam, mūsu iekšējo orgānu darbību pieregulējot tieši šādam dzīves ritmam, taču ir izņēmumi un īpatnības. Cita starpā šāgada prēmijas ieguvēju pētījums arī apliecinājis, ka daļa no cilvēkiem patiešām ir cīruļi, kuru organisms aktīvam darbam gatavs agrās rīta stundās, bet daļa pūces, kas ražīgāk spēj darboties vakaros un naktīs.
Scanpix
Mūsdienās, kad cilvēku veselībai tiek pievērsta aizvien lielāka uzmanība, strauji attīstās zinātnes novirziens, kas nosaukts par hronobioloģiju, - pamatojoties uz šāgada Nobela prēmiju ieguvēju atklājumiem, tas pēta likumsakarības starp diennakts ritmu ievērošanu un cilvēku veselību. Nu jau vairs nav nekādu šaubu, ka regulāra laika joslu maiņa, kas saistīta ar gariem transkontinentāliem lidojumiem, un darbs te dienas, te nakts maiņā rada būtisku stresu organismam, kas sākumā izpaužas sliktas pašsajūtas, nelāga garastāvokļa un īslaicīgu atmiņas zudumu veidā, bet vēlāk var novest pie diabēta, sirdskaitēm vai onkoloģiskām slimībām, norāda Deutsche Welle.
«Vēsā metode» - revolūcija bioķīmijā
Gadsimtu gaitā cilvēce nonākusi pie atzinuma - to vai citu mūsu orgānu funkcionalitāti nosaka to veidojošo šūnu darbība. Līdz pat nesenam laikam izpētīt, kādi procesi notiek atsevišķās šūnās, bija ļoti sarežģīts uzdevums, taču nu to atvieglojusi par krioelektronisko mikroskopiju nosauktā metode, kas, runājot Zviedrijas Karaliskās zinātņu akadēmijas Nobela ķīmijas komitejas locekles Sāras Snogerupas Linses vārdiem, ir radījusi «revolūciju bioķīmijā». Šāgada Nobela prēmija ķīmijā piešķirta trim zinātniekiem, kuri, strādājot neatkarīgi cits no cita, noslīpējuši tehnoloģiju, kas ļauj «novērot» biomolekulas un to kustību šūnās, - amerikānim Joahimam Frankam, britam Ričardam Hendersonam un šveicietim Žakam Debušī.
Vairāk pusaudzim, nevis nopietnam zinātniekam piedienošā žargonā Zviedrijas Karaliskās zinātņu akadēmijas ģenerālsekretārs Jērans Hansons nosaucis prēmijas laureātu sasniegumu par «vēso metodi» (cool method), taču jāatzīst, ka tas sacīts ļoti trāpīgi abās šā izteiciena nozīmēs. Lai pētītu atsevišķas molekulas, šķīdums, kurā tās atrodas, ļoti strauji jāatdzesē līdz mīnus 150 grādiem pēc Celsija, pēc kā molekulas, kā skaidrojis Maksa Planka Molekulārās fizioloģijas institūta bioķīmiķis Stefans Raunsers, «paliek ieslēgtas kā spāres dzintara gabalā». Bet pati metode patiešām izrādījusies tik efektīva, ka jau četrus gadus pēc tam, kad sasniegta nepieciešamā precizitāte, devusi pirmos nopietnos rezultātus. 2015. gadā, izmantojot krioelektronisko mikroskopiju, tika izpētīts Zikas vīruss, kas palīdzēja farmaceitiem saprast, kādiem jābūt medikamentu un vakcīnu parametriem, lai to izdotos apturēt. Bet septembrī vācu un nīderlandiešu pētnieku grupa paziņoja, ka, pateicoties šai metodei, viņiem izdevies izprast, kā smadzenēs veidojas iekaisuma plankumi, kas, visticamāk, noved pie Alcheimera slimības. Šo metodi izmanto arī, lai meklētu jaunus līdzekļus cīņai pret baktērijām, kas kļuvušas neuzņēmīgas pret sen pazīstamajām antibiotikām. «Mūsu metodes praktiskā pielietojuma iespējas ir milzīgas. Medicīna vairs nekoncentrējas uz notiekošo orgānos, bet pēta procesus, kas notiek šūnu iekšienē,» bez nevajadzīgas pieticības atzinis J. Franks.
ĶĪMIJA. Organisma šūnās esošo molekulu izpētei piemērotākā ir krioelektroniskās mikroskopijas metode / Scanpix
Deutsche Welle atgādina, ka pirmo elektronisko mikroskopu 1931. gadā izstrādāja vācu zinātnieks Ernsts Ruska, kuram 1986. gadā tika piešķirta Nobela prēmija fizikā par fundamentālu ieguldījumu elektroniskās optikas attīstībā. Taču līdz pat brīdim, kad pie mikroskopa uzlabošanas ķērās J. Franks, ar tā palīdzību bija iespējams iegūt tikai diezgan miglainus divdimensiju attēlus, turklāt šāda veida mikroskopus varēja izmantot vien neorganisku molekulu pētīšanai, jo elektronu plūsma iznīcināja biomateriālu. Tādēļ proteīnu pētīšanai vēl līdz nesenam laikam tika izmantota rentgenstaru kristalogrāfijas metode (2009. gadā Nobela prēmija ķīmijā par šādā veidā veiktu ribosomu izpēti tika piešķirta Adai Jonatai), kas ne tuvu nebija nevainojama - ne visi proteīni kristalizējas.
Laimīgā kārtā J. Franks un R. Hendersons noticēja elektronisko mikroskopu potenciālam, pakāpeniski uzlabojot to precizitāti līdz atomu līmenim, bet trekno punktu jaunās tehnoloģijas izstrādāšanā pielika Ž. Debušī, kuram ienāca prātā doma molekulas no elektronu starojuma ietekmes «paslēpt» ledus apvalkā. Līdz brīdim, kamēr teorija kļuva par praksi, gan pagāja krietns laika sprīdis, jo nācās atrisināt veselu virkni tehnoloģisku problēmu, galvenā no kurām bija saistīta ar šķīduma sasaldēšanu - tam bija jānotiek ļoti ātri, lai nepaspētu izveidoties ledus kristāli, kas traucētu pētīt molekulas.
Pašlaik tehnoloģija darbojas lieliski (lai gan uzlabojumi vienmēr ir iespējami), taču, kā sarunā ar Deutsche Welle uzsvēris Getingenes universitātes profesors Holgers Starks, - tā joprojām ir ļoti dārga. Viens krioelektroniskais mikroskops maksā aptuveni piecus miljonus eiro, vēl vismaz 150 līdz 200 tūkstoši eiro gadā nepieciešami tā uzturēšanai, turklāt arī speciālistu, kuri prot strādāt ar šo supermoderno aparatūru, ir tik maz, ka pat solīdas algas viņus reizēm neattur no līgumu laušanas un pāriešanas darbā pie konkurentiem. «Izskatās, ka ar mums būtu jāveido tāda pati transfēru sistēma, kāda ir futbola tirgū,» daļēji jokojot, bet daļēji nopietni sacījis H. Starks.
Einšteinam bija taisnība
Vēl 1916. gadā Alberts Einšteins izteica pārliecību, ka jebkurš masas paātrinājums Visumā rada laiktelpas svārstības jeb gravitācijas viļņus, kas kosmosa telpā pārvietojas gaismas ātrumā. Lai gan pagājušā gadsimta otrajā pusē un šīs simtgades sākumā tika veikts ne viens vien atklājums, kas netieši apstiprināja teorijas pareizību, bija jāpaiet gandrīz 100 gadiem, līdz 2015. gada 14. septembrī divi starptautiskā projekta LIGO detektori, kas uzbūvēti ASV Vašingtona un Arizonas štatos, pirmo reizi reģistrēja laiktelpas viļņošanos. Tie fiksēja svārstības, ko izraisījusi 1,3 miljardu gaismas gadu attālumā notikusi divu melno caurumu sadursme, taču var sacīt arī citādi - Zemi sasniedza pirms 1,3 miljardiem gadu notikušās melno caurumu saplūšanas atbalss.
Nobela prēmija fizikā šogad piešķirta trim amerikāņu astrofiziķiem, kuri devuši lielāko ieguldījumu vērienīgā LIGO (Laser Interferometer GravitationalWave Observatory) realizēšanā - Raineram Veisam, Kipam Tornam un Berijam Berišam. R. Veiss, kurš saņems pusi no naudas balvas, izstrādāja gravitācijas viļņu reģistrēšanas koncepciju, kas 1992. gadā ļāva saņemt pirmo Nacionālā zinātnes fonda stipendiju un ķerties pie detektoru būvniecības. Par detektoriem kalpo divi četrus kilometrus gari tuneļi, no kuriem izsūknēts gaiss un kas aprīkoti ar sarežģītu lāzeru interferometru, gaismas detektoru un spoguļu sistēmu. Runājot pavisam vienkārši - brīdī, kad šo ierīci sasniedz gravitācijas vilnis, notiek laiktelpas svārstība, un lāzera stars par pavisam niecīgu attālumu (runa ir par protona diametra tūkstošdaļu) novirzās no nomināla, raksta BBC.
Ar deviņdesmito gadu instrumentiem šādu precizitāti nebija iespējams panākt (A. Einšteins pat bijis pārliecināts, ka cilvēcei nekad neizdosies uzbūvēt tik precīzus mērinstrumentus), tādēļ LIGO detektori ne reizi vien modernizēti, īpašu uzmanību pievēršot vajadzīgajam datoru programmnodrošinājumam. Tā izstrādāšanā lielu ieguldījumu devis K. Torns, kurš iepriekš bija veicis arī būtisku daļu teorētiskā darba. Trešais prēmijas ieguvējs B. Berišs apbalvots par nozīmīgo organizatorisko darbu, lielā mērā pateicoties viņam, pēc pirmajām neveiksmēm pagājušā gadsimta nogalē un šā gadsimta sākumā no LIGO projekta nenovērsās finansiālie atbalstītāji, un pētniekiem galu galā izdevās sasniegt savu ambiciozo mērķi. Tiek lēsts, ka beidzamajās četrās desmitgadēs projektā ieguldīts 1,1 miljards dolāru, un mūsdienās LIGO ir vērienīgs starptautisks projekts, kurā iesaistītas vairāk nekā 100 pētnieciskās organizācijas 18 pasaules valstīs. Trešais detektors ir uzbūvēts Itālijā, un arī tas šā gada augustā reģistrēja gravitācijas viļņus, norāda Deutsche Welle.
Karaliskās Griničas observatorijas astronoms sers Martins Rīss sarunā ar BBC uzsvēris, ka visi trīs laureāti prēmiju nopelnījuši godam, taču - no otras puses - žēl, ka Nobela zinātnisko prēmiju piešķīrēji neņem piemēru no Norvēģijas Nobela komitejas, kas Miera prēmiju nereti piešķir ne tikai atsevišķām personām, bet arī organizācijām. Šajā gadījumā prēmija fizikā būtu jāpiešķir LIGO projektam kopumā - vairāk nekā 1000 astronomiem, tehniķiem, datorspeciālistiem un citu jomu ekspertiem, jo gravitācijas viļņu fiksēšana tomēr bija īsts komandas darbs.
Iespēja reģistrēt gravitācijas viļņus ir jauns paņēmiens, kā novērot Visumu, un var palīdzēt zinātniekiem izpētīt tādu noslēpumainu objektu kā melno caurumu un neitronu zvaigžņu dabu, raksta Reuters. Kārdifas universitātes astronoms Patriks Satons intervijā AP norādījis, ka ar šīs tehnoloģijas palīdzību, iespējams, izdosies atklāt pilnīgi jaunus objektus, par kuru eksistenci cilvēkiem pagaidām nav ne jausmas. Bet Zviedrijas Karaliskās zinātņu akadēmijas pētnieks Ariels Goobars sarunā ar šo pašu ziņu aģentūru atklājuma nozīmīgumu raksturojis šādiem vārdiem: «Vistrāpīgāk to būtu salīdzināt ar brīdi, kad Galileo Galilejs izgatavoja teleskopu, ar ko pirmo reizi izdevās saskatīt Jupitera pavadoņus. Cilvēce pēkšņi saprata, ka Visums ir krietni lielāks un plašāks, nekā bija ierasts domāt.».