Kończymy powoli Tydzień Noblowski. Ogłoszone już zostały tegoroczne Nagrody Nobla w dziedzinie nauk ścisłych: w poniedziałek z medycyny lub fizjologii, we wtorek z fizyki, a w środę z chemii. Wczoraj ogłoszony został Nobel 2021 z literatury, dziś przed nami nagroda pokojowa. Natomiast w poniedziałek – nagroda im. Nobla w dziedzinie ekonomii. Jeśli tu jesteś, Drogi Czytelniku, to pewnie Cię interesuje, za co dokładniej zostały przyznane te nagrody. Literaturę zostawię komuś innemu, ale jeśli chodzi o pozostałe nagrody – pozwól, że wyjaśnię!
Nobel 2021 w dziedzinie medycyny lub fizjologii: gorący dotyk
Nagroda w dziedzinie medycyny lub fizjologii została wręczona „za odkrycia receptorów temperatury i dotyku”. O co chodzi? Cóż, nam to, że czujemy dotyk czy temperaturę, wydaje się oczywiste. Dla naukowców jednak stwierdzenie, że “to jest oczywiste” – to za mało. Naukowcy chcą wiedzieć nie tylko, co się dzieje, ale też jak, a najlepiej – dlaczego. Wszystkie bodźce, które nasz organizm odbiera, muszą być zarejestrowane przez jakieś receptory. Jeśli nie mamy receptorów na konkretny rodzaj bodźców, nie jesteśmy w stanie w żaden sposób ich wyczuć . Dotyczy to na przykład promieniowania jonizującego.
Wiadomo było więc, że musimy mieć jakieś receptory, które będą wrażliwe na temperaturę i dotyk. Ale czym są dokładniej? Już od wielu lat było wiadomo, że różne nerwy przenoszą różnego rodzaju sygnały. W 1944 roku to odkrycie zostało nawet nagrodzone nagrodą Nobla. Jednak jakie cząsteczki przekazują nerwom te informacje, które one później mają dostarczyć do mózgu?
Kapsaicyna prawdę Ci powie
Badaniem odczuwania temperatury zajął się w latach dziewięćdziesiątych David Julius wraz ze współpracownikami. W swoich badaniach postanowił wykorzystać kapsaicynę – związek obecny w papryce1Im go więcej tym papryka jest ostrzejsza, który odpowiada za to, że w kontakcie z papryką czujemy pieczenie. Skoro miał już związek, którym mógł łatwo wywołać reakcję komórki taką, jaka następuje po oparzeniu termicznym, to mógł przystąpić do działania. Jakiego? Najpierw przygotował całą listę fragmentów DNA, które są aktywne w komórkach neuronów wrażliwych na temperaturę. Następnie wbudowywał te fragmenty – pojedynczo – w inne komórki, które normalnie były niewrażliwe na kapsaicynę. I tak długo testował kolejne geny, aż wreszcie znalazł taki, który uczynił te komórki wrażliwymi.
Jak już wiecie z naszego artykułu o genetyce, w genach zakodowana jest sekwencja białek. Tak też i w tym przypadku – odnalezienie genu pozwoliło na odnalezienie białka odpowiedzialnego za wyczuwanie kapsaicyny, a więc też wysokiej temperatury. Co ciekawe, białko odpowiedzialne za wyczuwanie niskiej temperatury odkryli niezależnie Julius i drugi tegoroczny noblista, Ardem Patapoutian. Obaj posłużyli się mentolem jako związkiem symulującym zimno. Po odkryciu tych białek nastąpiła cała seria kolejnych odkryć, prowadzących do odnalezienia białek wrażliwych na inne zakresy temperatur. To dzięki nim potrafimy rozróżnić całą gamę temperatur, z którymi możemy się zetknąć na co dzień. Po prostu w zależności od temperatury aktywny jest taki albo inny receptor.
Jak to robił Patapoutian?
Podobne podejście zastosował Patapoutian poszukując receptorów dotyku. Podszedł jednak do tematu od drugiej strony. Przede wszystkim miał do dyspozycji komórki, które dźgnięte mikropipetą produkowały mierzalny sygnał elektryczny – w związku z czym można było się domyślać, że receptorem dotyku również będzie kanał jonowy2Takie białko może selektywnie przepuszczać jony przez błonę komórkową, a przepływ jonów to przepływ ładunku – czyli przepływ prądu. Zebrał więc listę 72 genów, które kodowały obiecujące białka – i zaczął je wyłączać, jeden po drugim. Udało mu się w końcu znaleźć taki gen, którego wyłączenie sprawiło, że komórki przestały reagować na dźganie pipetą.
Odkryte w ten sposób białko Piezo1 – i podobne do niego białko Piezo2 – faktycznie jest kanałem. W dodatku kanałem jonowym, który otwiera się na skutek odkształcenia wywołanego naciskaniem błony komórkowej. Czysta mechanika: gdy naciskasz błonę w jednym miejscu, to błona się napręża, więc w okolicy otwierają się kanały jonowe. Te odkrycia pomogły nam zrozumieć, w jaki sposób postrzegamy otaczający nas świat. Dały też impuls do rozpoczęcia nowych badań, które zaowocowały między innymi nowymi sposobami leczenia bólu.
Nobel 2021 w dziedzinie fizyki: chaos, fluktuacje i globalne ocieplenie
O tym, że klimat się zmienia, i to nie na lepsze, słyszymy niemal zewsząd3Jeśli chcesz, Drogi Czytelniku, podyskutować o tym, czy klimat się zmienia, albo o tym, czy odpowiadają za to działania ludzi – wstrzymaj się, proszę. Za jakiś czas opublikujemy wpis na ten temat – to będzie odpowiedniejsze miejsce na tę dyskusję. Ale znów – wiemy, że klimat się zmienia. Pytanie brzmi, jak szybko i jaka dokładniej jest zależność pomiędzy tymi zmianami, a stężeniem dwutlenku węgla w atmosferze. I właśnie za opracowanie modeli klimatu, które umożliwiają przewidzenie tej zależności, Nobel 2021 wędruje w ręce Syukuro Manabe i Klausa Hasselmanna.
Sam w sobie efekt cieplarniany jest niekontrowersyjny i pożyteczny. Zatrzymywanie ciepła przez atmosferę wyjaśnia, dlaczego średnie temperatury na Wenus są wyższe, niż na położonym znacznie bliżej Słońca Merkurym, jak również dlaczego amplituda tych temperatur na Wenus – czy na Ziemi – jest dużo niższa. To, które gazy konkretnie za to odpowiadają, również nie jest trudne do stwierdzenia: wystarczy sprawdzić, jak skutecznie pochłaniają promieniowanie podczerwone. Ale określenie liczbowe zależności pomiędzy stężeniem gazów cieplarnianych a klimatem wcale nie jest takie proste. Trzeba pamiętać, że Ziemia to naprawdę skomplikowany układ, a jej temperatura jest efektem delikatnej równowagi pomiędzy promieniowaniem pochodzącym ze Słońca i wypromieniowywaniem energii przez samą Ziemię. Trzeba pamiętać, że mamy różne rodzaje powierzchni, które z różną efektywnością pochłaniają ciepło. Do tego masy powietrza również nie stoją w miejscu – prądy powietrzne przemieszczają się zarówno w poziomie, jak i w pionie.
Sygnał i szum
Właśnie uwzględnienie pionowego ruchu mas powietrza pozwoliło Manabe na opracowanie modelu, który zbliżał się do rzeczywistości. Jego model uwzględniał też obieg wody w atmosferze. Jest to o tyle istotne, że woda pochłania duże ilości ciepła w przeliczeniu na jednostkę masy. Dziesięć lat później jego modele zostały uzupełnione przez Hasselmanna, któremu udało się powiązać matematycznie zagadnienia pogody i klimatu.
Jak wszyscy pamiętamy z lekcji geografii, pogoda to chwilowy stan atmosfery. Klimat z kolei to uśredniony stan parametrów pogody. Hasselman4Podobno zainspirowany podejściem Einsteina do problemu ruchów Brownapotraktował chwilowe, gwałtowne zmiany pogody, (wywołane takimi zjawiskami, jak wybuchy wulkanów czy zmiany intensywności promieniowania słonecznego) tak, jak się traktuje szum w danych eksperymentalnych. To dało nie tylko lepsze naukowe podstawy analizom klimatu. Pozwoliło też oddzielić wpływ różnych bodźców na klimat: zarówno naturalnych, jak i mających swoje źródło w działalności człowieka. Wspólnie ci naukowcy pomogli przewidzieć, jak bardzo Ziemia się ogrzeje. Wykazali też, że to gazy emitowane w związku z działalnością ludzi odpowiadają za ten efekt.
Ale to tylko połowa tegorocznego Nobla z fizyki. A co z drugą połową? Przyznana została trzeciemu laureatowi Nobel 2021, Giorgio Parisi, za odkrycie w jaki sposób wzajemnie oddziałują na siebie nieporządek i fluktuacje. O co chodzi?
Od szczegółu do ogółu
Naukowcy od dawna prowadzili prace nad połączeniem teorii dotyczących zachowania pojedynczych atomów z tymi dotyczącymi zachowania dużych układów. Owocem tych zmagań są takie dziedziny, jak mechanika czy termodynamika statystyczna. Korzystają z narzędzi statystyki, żeby przełożyć losowe zachowanie olbrzymiej ilości atomów czy cząsteczek na zachowanie całego systemu. Innymi słowy: nie analizujemy każdego atomu z osobna. Zamiast tego wiedząc, że każdy może mieć nieco inne parametry, staramy się obliczyć parametry całego systemu. Całkiem niezłym przykładem jest temperatura, która – jak możecie pamiętać z naszego wpisu – jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek w układzie. Czyli: część cząsteczek porusza się szybciej, część wolniej, ale znajomość wartości średniej pozwala nam na określenie wielu właściwości całego obiektu.
To uśrednianie nie zawsze daje dokładne wyniki. Przykładem może być szybka krystalizacja – tak powstający kryształ zwykle nie jest do końca regularny, ma większe lub mniejsze wady. I za każdym razem te wady będą nieco inne, właśnie z powodu losowego ruchu krystalizujących cząstek. I właśnie zbliżony materiał, czyli tak zwane szkło spinowe, badał Parisi.
Magnesy i…
Szkłem spinowym był stop miedzi z niewielką ilością dodanego żelaza. Nie kojarzy się nam ze zwykłym szkłem, z którego produkuje się szyby… Istotne jednak jest to, że atomy w nim ułożone są nieregularnie. Co więcej: atomy żelaza w takim stopie zachowują się jak małe magnesiki. Zaś nasz laureat jako pierwszy dał radę matematycznie opisać zasady rządzące tym, w jaki sposób te magnesy ustawiają się wzajemnie. Wiadomo oczywiście, że każdy magnes chciałby ustawić się do następnego przeciwnym biegunem. Jednak w takim złożonym układzie jest to niemożliwe. Magnesów w okolicy jest przecież tak wiele! Ale Parisi ustalił, w jaki sposób odnajdują one najlepszą konfigurację. Co ciekawe, wyniki badań nowego noblisty znajdują zastosowanie w tak, zdawałoby się, odległych dziedzinach wiedzy, jak neurobiologia, uczenie maszynowe czy… analiza wzajemnego ustawienia stada ptaków.
A co te dwie części nagrody mają wspólnego? Cała trójka fizyków wyróżnionych nagrodą Nobel 2021 badała, w jaki sposób działają złożone i wielkie układy. I jak na to zachowanie mogą wpłynąć niewielkie zmiany w składzie czy wzajemnym ułożeniu elementów tych układów.
Nobel 2021 w dziedzinie chemii: katalizatory organiczne
O tym, co to jest katalizator, już tu wspominałem przy okazji artykułu na temat enzymów. W skrócie: katalizator to coś, co przyspiesza, albo wręcz umożliwia reakcję chemiczną. Sam natomiast nie ulega trwałym zmianom w trakcie tej reakcji. Do roku 2000 znane były dwa rodzaje katalizatorów: enzymy właśnie, oraz metale. Ale w roku 2000 laureaci Nobel 2021, Benjamin List oraz David MacMillan, odkryli nowy rodzaj katalizatora: asymetryczne katalizatory organiczne.
Od razu wyjaśnię: “organiczne” nie oznacza “uprawiane ekologicznie”. Oznacza po prostu związki węgla5Za wyjątkiem kilku najprostszych, takich, jak tlenki węgla czy kwas węglowy. Jak się okazało, związki węgla, ze strategicznie umieszczonymi innymi atomami, też są w stanie przyspieszać reakcje chemiczne. Jeśli się nad tym zastanowić, to nie powinno to być bardzo zaskakujące. Przecież enzymy są związkami organicznymi, a niejednokrotnie spora część enzymu służy tylko utrzymaniu kilku kluczowych jego fragmentów w odpowiednim miejscu. I rzeczywiście, po odkryciu Lista i MacMillana niejeden chemik zadawał – czasem głośno – pytanie: “dlaczego właściwie myśmy na to wcześniej nie wpadli?”.
Asymetria
A dlaczego asymetryczna? Być może pamiętacie również z wpisu na temat enzymów, że niektóre związki chemiczne mają odbicia lustrzane, które nie nakładają się na siebie nawzajem. Enzymy świetnie sobie radzą z produkcją jednego, wybranego związku z takiej pary. Metale – wręcz przeciwnie, najczęściej wcale. Jak nazwa wskazuje, asymetryczne katalizatory organiczne również potrafią selektywnie prowadzić do syntezy jednego związku z pary.
Dlaczego to ma takie znaczenie? Ponieważ znacząco ułatwia – a często wręcz umożliwia – syntezę nowych związków, które można testować jako potencjalne leki. Ale farmacja to nie jedyna dziedzina, która korzysta z tego odkrycia! Asymetryczna kataliza organiczna stosowana jest też w syntezie wielu związków pochodzenia roślinnego. Przydaje się, jeśli chcemy je uzyskać metodami chemicznymi, zamiast pracowicie wydzielać z naturalnego surowca. Co więcej, dla wielu już syntezowanych związków, osiągnięcie nowych noblistów zapewniło możliwość szybszej, bardziej wydajnej, bardziej ekologicznej i zwyczajnie tańszej syntezy. Dodatkowo, związki produkowane tą metodą często łatwiej jest oczyścić, niż te produkowane przy pomocy katalizatorów metalicznych. Dlaczego? Trzeba pamiętać, że nawet niewielkie ilości metali ciężkich w lekach czy innych produktach wykorzystywanych przez ludzi mogą mieć naprawdę dalekosiężne i mało korzystne skutki…
Kataliza organiczna, złożone układy i receptory temperatury i dotyku – za te odkrycia przyznany został Nobel 2021. Każde z tych odkryć przyczyniło się do znaczącej zmiany świata, w którym żyjemy – czy to dając nam nowe możliwości, czy pozwalając lepiej zrozumieć to, co się wokół nas dzieje. Cały szereg innych wielkich odkryć czeka na uhonorowanie. Które będą następne? Dowiemy się już za rok!
Źródła:
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2021/press-release/
https://edition.cnn.com/2021/10/04/health/nobel-prize-medicine-physiology-winner-2021/index.html
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2021/press-release/
https://phys.org/news/2021-10-nobel-prize-physics-awarded-scientists.html
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2021/press-release/
https://www.nature.com/articles/d41586-021-02704-2
Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!
[…] nagrody pokojowej, a w poniedziałek – nagrody im. Nobla w dziedzinie ekonomii. Ale my, tak jak rok temu, pozostajemy przy tym, co nas interesuje najbardziej! Oto podsumowanie i wyjaśnienie, za co […]