Nobelovky se letos točí kolem optiky

Nobelovky se letos točí kolem optiky
Téma: Akademie věd ČR
11.10.2014 Lidové noviny Strana 26 Orientace/Věda
EVA VLČKOVÁ
2014 LIDOVÉ NOVINY
Vnitřní navigace v mozku, úsporné světlo a mikroskopy s lepším rozlišením: autoři těchto objevů
získali letos nejprestižnější vědecké ocenění.
MEDICÍNA: prostorová paměť Co se děje v mozku, když přijdeme na místo, kde jsme už někdy byli?
Jak se orientujeme v prostoru? A proč s tím lidé trpící Alzheimerovou nemocí mají problém? Právě
tyto otázky pomohly zodpovědět výzkumy oceněné letošní Nobelovou cenou za fyziologii a lékařství.
První významný krok učinil na přelomu 60. a 70. let John O’Keefe, americký vědec žijící v Londýně. V
roce 1971 zveřejnil přelomovou práci, v níž popsal neurony místa (anglicky place cells) – buňky ve
vývojově staré části mozkové kůry zvané hipokampus, které kódují naši aktuální pozici ve známém
prostředí a aktivují se jen v jeho určitém místě. „Tento objev dal práci obrovské skupině lidí. Nejen
proto, že je to extrémně zajímavý fenomén, ale i proto, že jsme dnes přesvědčeni, že představuje
fyziologický základ pro nesmírně důležitý druh paměti – tu prostorovou,“ říká neurofyziolog Karel
Ježek z Biomedicínského centra Lékařské fakulty UK v Plzni. Zpočátku však musel O’Keefe vědeckou
komunitu přesvědčovat, že nejde o chybu v měření – pozorování bylo tak přelomové, že mu bylo těžké
uvěřit.
Později vědci identifikovali i další buňky, které se na prostorové paměti podílejí. Nobelův výbor vedle
O’Keefa ocenil norské manželeMay-Britt a Edvarda I. Moserovy, kteří v roce 2005 objevili mřížové
buňky (anglicky grid cells). Nacházejí se v entorinální oblasti mozkové kůry a představují metrický
orientační systém. Když procházíme prostorem, tyto neurony se periodicky aktivují v místech tvořících
pomyslnou šestiúhelníkovou síť a zjednodušeně řečeno slouží jako souřadnice pro náš vnitřní
navigační systém.
Postupně se ukazuje, že na prostorové orientaci se podílejí i další neurony – například ty pro vnímání
směru natočení hlavy nebo pro signalizaci toho, že se blížíme k hranici vytyčeného území – a jistě i
další, dosud neobjevené typy. Dohromady všechny zmíněné neurony tvoří důmyslný systém. „Práce
O’Keefa a manželů Moserových ale patřily k těm nejdůležitějším, takže jejich ocenění je plně
zasloužené,“ říká docent Aleš Stuchlík, vedoucí Laboratoře neurofyziologie paměti Fyziologického
ústavu AV ČR, kde se výzkumu prostorové paměti věnují už desítky let. Pokusy probíhají na
potkanech, ale podobné buňky byly nedávno popsány i u lidí – díky pacientům s epilepsií, kteří měli do
mozku voperované diagnostické elektrody pro nalezení epileptického ohniska. Aleš Stuchlík
připomíná, že poznatky původně základního výzkumu, které umožňují detailně pochopit podstatu
mozkové mapy prostředí, teď slouží ke studiu nemocí, jako je Alzheimerova choroba a další typy
demencí nebo schizofrenie.
„Výpočty prostorové paměti jsou pro mozek velice náročné, což může být jedním z důvodů, proč se
Alzheimerova nemoc projevuje v první řadě problémy s orientací – mozek už kapacitně nestíhá a to je
patrně jedním z důvodů, proč je tato schopnost postižena nejdříve,“ říká Karel Ježek, který v Plzni
zakládá laboratoř, v níž chce kromě jiného studovat právě tuto problematiku. Předtím strávil sedm let v
laboratoři manželů Moserových a dodnes je součástí jejich týmu. Pro ně přitom konkrétní využití
objevů nebylo tím hlavním cílem, soustředili se na základní výzkum – chtěli poznat, jak prostorová
paměť funguje.
Z malé laboratoře, v níž panovalo takřka rodinné prostředí, vybudovali špičkové mezinárodní
pracoviště. Pomohlo jim k tomu i několik grantů včetně norského grantu excelence, grantů Evropské
výzkumné rady a podpory vloni zesnulého amerického mecenáše norského původu Freda Kavliho.
„Moserovi jsou skvělým příkladem, jak se dvě zcela rozdílné povahy doplňují. Edvard je introvert,
zatímco May-Britt je gejzírem energie, který laboratoř táhne po organizační stránce,“ vzpomíná Karel
Ježek. Za jejich velkou přednost považuje, že jsou otevření všem novým myšlenkám a nechybí jim
empatie vůči kolegům, která je obzvlášť během dlouhých severských zim zapotřebí.
FYZIKA: modré LED diody Letošní Nobelova cena za fyziku je příběhem tvrdohlavosti a pevné vůle.
LED diody, malé svítící polovodičové součástky, znali vědci už od 60. let. „Vznikly vlastně jako vedlejší
produkt při vývoji laserů,“ konstatuje Ivan Pelant z Fyzikálního ústavu AV ČR. Svítily ale jen červeně
a zeleně. Aby se dočkaly širšího uplatnění, bylo potřeba vyvinout ještě modrou diodu – sloučením
jejich spekter by vzniklo bílé světlo. Ale to se dlouho nedařilo, chyběl vhodný materiál. Získat zdroj
bílého světla přitom bylo lákavé – LED diody na rozdíl od žárovek převádějí většinu elektrické energie
na světlo a jen minimum na teplo, takže jsou mnohem úspornější. Jak to, že miniaturní součástky
dokážou tak jasně zářit? „V běžných látkách vedou elektrický proud jen elektrony, ale v polovodičích
jsou dva typy nosičů náboje – záporné elektrony a takzvané díry s kladným nábojem. Když se elektron
ve vhodně vyrobené součástce potká s dírou, vzájemně se vyruší, anihilují a jejich energie se vyzáří
ve formě fotonu čili světla,“ vysvětluje Ivan Pelant.
Už v 60. letech měli fyzici náznaky, že by vhodným kandidátem pro vývoj modrých diod mohl být nitrid
gallia – pokusy s ním probíhaly po celém světě. Nikomu se ale nedařilo vypěstovat z tohoto materiálu
vhodné krystaly a postupně se pozornost přesunula k jinému polovodiči – selenidu zinku. Japonský
fyzik Isamu Akasaki se ale nevzdal a se svými spolupracovníky z Nagojské univerzity dál rozvíjel
technologii růstu vrstev z nitridu gallia. Jeden z jeho kolegů, Hiroši Amano, objevil vhodnou
mezivrstvu, která umožnila získat kvalitní vrstvy tohoto materiálu, a naznačil i možnost zavést do něj
atomy hořčíku, aby dosáhl elektrické vodivosti kladného typu, tedy pomocí děr.
Do zdárného konce ale vše dovedl až Šúdži Nakamura. Dlouhých 14 let na vlastní pěst bádal v
japonské firmě Nichia Chemicals. Vedení ho zpočátku podporovalo, ale když firmu převzal zeť
původního majitele, snažil se výzkum nitridu gallia zastavit. Šúdži se přesto nevzdal a v roce 1993
představil modrou LED diodu a o tři roky později i modrý laser, který při přednášce použil jako
ukazovátko. Během výzkumu si zaregistroval přes sto patentů. Po sporech s firmou odešel do USA a
o zisk spojený se zmíněnými patenty se několik let soudil.
Modré diody se obvykle potahují speciálním materiálem, který vydává světlo o delší vlnové délce a
součtem obou barev pak vzniká bílé světlo. Najdeme je v počítačových monitorech, displejích mobilů i
v televizních obrazovkách. Začínají se prosazovat i při svícení místo úsporných zářivek – na rozdíl od
nich neobsahují jedovatou rtuť, jsou ještě účinnější a mají delší životnost. Díky tomu, že nepotřebují
220 voltů, se uplatňují i v rozvojových zemích, kde je napájejí solární baterie. Vše nasvědčuje tomu,
že právě tomuto způsobu svícení patří budoucnost. CHEMIE: fluorescenční nanoskop Letošní cena za
chemii je důkazem, že věda už se nevejde do škatulek, vytyčených před více než sto lety. „Dnešní
výzkumy jsou multidisciplinární. Cenu za chemii tak dostali fyzikové, kteří vyvíjeli nástroj pro biology,“
říká Karel Drbal z Katedry buněčné biologie Přírodovědecké fakulty UK v Praze a zdůrazňuje, že
trendemposledních let je udělovat Nobelovy ceny především za technologické pokroky. Biology dlouho
lákalo nahlédnout do nanosvěta, protože právě na této úrovni se odehrávají pro ně nejzajímavější
věci: chemické procesy a reakce jednotlivých molekul uvnitř buněk.
Bránily jim v tom ale přírodní zákony, konkrétně Abbeho limit. Podle něj od sebe nemůžeme rozlišit
dva body, které jsou k sobě blíž než polovina vlnové délky světla, tedy zhruba 200 nanometrů. Několik
vědců se ale nedalo odradit a přišlo na způsob, jak tento zákon obejít.
Prvním z nich je Stefan Hell, Němec rumunského původu a letošní držitel Kavliho ceny za
nanotechnologie, který vyvinul metodu známou pod zkratkou STED. Ta umožňuje pomocí laserových
paprsků postupně bod po bodu trojrozměrně „naskenovat“ zkoumaný vzorek. Hell využil toho, že
laserové světlo dokáže rozsvítit, nebo naopak zhasnout fluorescenční látky. Jeden laserový paprsek
slouží jako „stínítko“, které zhasne okolní molekuly, druhý naopak rozsvítí nanoskopickou část vzorku
uprostřed pro detekci.
Na vývoji druhé metody se podíleli dva Američané, William E. Moerner a Eric Betzig. První z nich
během svého působení v IBM v roce 1989 jako první na světě zachytil snímek jediné molekuly.
Později přišel na to, že některé fluoreskující molekuly blikají. Toho využil Eric Betzig, který se už dříve
snažil obejít Abbeho limit jiným způsobem, ale neúspěšně. Právě blikající molekuly mu pomohly
dotáhnout nápad do konce. Vše probíhá tak, že se pořídí časosběrná série snímků s postupně
blikajícími, od sebe oddělenými molekulami a tato série se následně poskládá do výsledného
detailního obrazu.
Jednotlivá bliknutí sice mikroskop vidí rozmazaně, ale zpětně může dopočítat jejich geometrický střed
v prostoru a tím i přesnou polohu. „Na příběhu Betziga je fascinující, že na deset let s deziluzí opustil
akademický svět, aby pracoval jako strojař s hydraulikou ve firmě svého otce. Když zkrachovala,
plynule navázal ve výzkumu tam, kde přestal – to by v našem vědeckém prostředí bylo
nepředstavitelné. Ve Spojených státech se zkrátka víc hledí na originální nápady, než dosavadní
kariéru a publikace,“ podotýká Karel Drbal.
Hlavní výhodou obou metod je, že na rozdíl od elektronového mikroskopu umožňují pozorovat procesy
v živých buňkách. Slouží tak biologům, ale i fyziologům – umožňují zkoumat v nitru i na povrchu buněk
děje, které vedou k různým onemocněním včetně rakoviny.
Letošní Nobelovy ceny mají ještě jednu zajímavou souvislost: ceny za fyziku i chemii úzce souvisejí s
optikou. „To jsem nečekal, zvlášť když za kvantovou optiku byla udělena fyzikální cena předloni,“ říká
profesor Zdeněk Hradil, vedoucí katedry optiky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v
Olomouci. „Je to důkaz, že tento obor je víc než jen jednou z disciplín fyziky. Kdykoliv je třeba něco
detekovat, nutně se uplatňují optické metody. Optika je zkrátka i tam, kde není vidět,“ uzavírá profesor
Hradil.
***
Nobelovy ceny 2014
Dvě různé metody využívající laser a fluorescenci molekul umožnily zlepšit rozlišení optických
mikroskopů
chemie za vývoj fluorescenční mikroskopie s vysokým rozlišením
Eric Betzig (* 1960, USA) Americký fyzikální chemik, pracuje v Lékařském ústavu Howarda Hughse ve
Virginii
Stefan W. Hell (* 1962, Rumunsko) Německý fyzik rumunského původu, působí v Ústavu Maxe
Plancka v Göttingenu a Německém ústavu pro výzkum rakoviny v Heidelbergu
William E. Moerner (* 1953, USA) Americký fyzik, profesor Stanfordovy univerzity v Kalifornii
mír za snahu o odstranění dětské práce a právo dívek
na vzdělání Kajláš Satjárthí (* 1954, Indie) Indický aktivista žijící v Dillí, předseda a zakladatel Hnutí za
záchranu dětství
Malalaj Júsufzaiová (* 1997, Pákistán) Sedmnáctiletá pákistánská aktivistka, která dnes žije v britském
Birminghamu, je vůbec nejmladším laureátem ceny v historii
literatura za umění popsat ty nejneuchopitelnější lidské osudy a odkrýt život v okupaci Patrick Modiano
(* 1945, Francie) Tématy románů francouzského spisovatele jsou ztráta identity, pocit viny, vzpomínky
i zapomnění
lékařství a fyziologie za objev buněk tvořících v našem mozku systém prostorové orientace
May-Britt Moserová (* 1963, Norsko) Edvard I. Moser (* 1962, Norsko) Norští neurovědci, manželé,
profesoři na vědecko-technologické univerzitě v Trondheimu
John O’Keefe (* 1939, USA) Neurovědec s americkým a britským občanstvím, profesor kognitivních
neurověd na University College London
Základ prostorové paměti tvoří buňky zvané neurony místa v hipokampu a mřížové neurony v
entorinální kůře.
fyzika za vynález výkonných diod vyzařujících modré světlo, který umožnil vznik jasných a úsporných
zdrojů bílého světla
Isamu Akasaki (* 1929, Japonsko) Japonský fyzik, profesor na univerzitě Meidžo a Nagojské
univerzitě v Japonsku
Hiroši Amano (* 1960, Japonsko) Japonský fyzik, profesor na Nagojské univerzitě
Šúdži Nakamura (* 1954, Japonsko) Americký fyzik japonského původu, profesor na Kalifornské
univerzitě v Santa Barbaře
Foto popis|
O autorovi| EVA VLČKOVÁ, redaktorka LN