Вернуться на главную страницу
За что присудили Нобелевские премии 2014
Три естественнонаучных премии 2014 года получили американо-британский нейрофизиолог Джон О'Киф и его коллеги из Норвегии Мэй-Бритт Мозер и Эдвард Мозер - «за открытие клеток навигационной системы мозга», японские физики Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамура - «за изобретение эффективных голубых светоизлучающих диодов, позволившее создать яркие и экономичные источники белого света», а также американцы Уильям Мёрнер и Эрик Бетциг и немец Штефан Хелль - «за разработку флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения». Нобелевскую премию мира 2014 присудили Малале Юсуфзай и Кайлашу Сатьяртхи «За борьбу против притеснений детей и молодёжи и за права детей на образование». Нобелевская премия по литературе в этом году присуждена французу Патрику Модиано «За искусство памяти, посредством которого он рассказал о самых непостижимых человеческих судьбах и жизненном мире оккупации».
Физиология и медицина: Мозг и пространство
Открытия новых лауреатов позволили понять, какие структуры мозга млекопитающих распознают положение тела в пространстве и ориентацию во время движения. В их основу легли многолетние эксперименты на крысах и мышах, начатые О'Кифом в Лондоне в конце 1960-х годов. Тогда считали, что животные действуют под прямым влиянием сигналов, получаемых от органов чувств. Однако существовала и альтернативная теория, предложенная в 1948 году американским психологом Эдвардом Толменом (см. обзор Sheri J. Y. Mizumori, 2006. Hippocampal place fields: A neural code for episodic memory?). Толмен пришел к выводу, что в мозгу животных формируются когнитивные карты (cognitive maps) окружающей обстановки, которые и служат основой поведения. Однако Толмен не мог сказать, какая зона мозга строит эти карты и как они работают.
Подступиться к решению этой задачи стало возможно в конце 1950-х годов, когда появилась техника мониторинга активности нейронов с помощью вживленных микроэлектродов. Ее и задействовал О'Киф. Его эксперименты показали, что за анализ информации о пространственном местоположении отвечают некоторые клетки гиппокампа - парного участка архикортекса (старой коры головного мозга). Тогда уже было известно, что гиппокамп исполняет важнейшую роль в процессах запоминания и обучения. О'Киф и его коллеги обнаружили в гиппокампе пирамидальные нейроны, которые возбуждаются, лишь если подопытные животные оказываются в определенных участках окружающего пространства ("place fields"). О'Киф предположил, что именно они и служат основой пространственного картирования, о котором писал Толмен. Их назвали нейронами места (place cells).
О'Киф предположил, что эти клетки хранят информацию о тех или иных «метках» пространственного окружения, которые животные воспринимают преимущественно с помощью зрения. Каждому положению животного отвечают определенные сети возбужденных клеток, сохраняющие стабильность до тех пор, пока животное находится в данном месте. При перемещении животного эти сети изменяются, формируя новые пространственные карты. Когда крысу возвращали на прежнее место, то восстанавливалась и исходная сеть возбужденных клеток.
Следующий шаг сделали супруги Мозер. В 1996 году они работали в лаборатории О'Кифа, где освоили его методику регистрации нейронной активности. В 2005 году они обнаружили, что по соседству с гиппокампом, в энторинальной коре (см. Entorhinal cortex) головного мозга, имеются нейроны, которые также участвуют в картировании окружающей среды. Они получают информацию от участков мозга, связанных с сенсорными органами, и благодаря этому реагируют на изменения положения головы и тела животного. Их называют grid-нейронами (grid cells) и на русский еще переводят как решетчатые нейроны или нейроны координатной сетки. Это связано с тем, что grid-нейроны возбуждаются, когда животное исследует пространство вокруг себя, причем области возбуждения этих нейронов образуют близкую к правильной треугольную решетку (рис. 1). В 1996 году их чисто теоретически предсказал американский нейрофизиолог Уильям Келвин (William H. Calvin), а экспериментально обнаружили супруги Мозер и их коллеги. Эти клетки обмениваются сигналами с клетками места, находящимися в гиппокампе. Позднее недалеко от энторинальной коры открыли аналоги решетчатых нейронов, которые тоже общаются с гиппокампом. Эта система и осуществляет динамическое картирование окружающей среды, некогда предсказанное Толменом.
Открытия новых лауреатов важны не только для фундаментальной науки. Нейрофизиологи полагают, что навигационные системы мозга млекопитающих и человека достаточно похожи. Давно известно, что энторинальная кора повреждается на ранних стадиях болезни Альцгеймера. Изучение особенностей ее функционирования обещает дать важную информацию для борьбы с этим заболеванием и прочими нейродегенеративными расстройствами.
Рис. 1. Области возбуждения клеток места (слева) и решетчатых нейронов (справа). Черные линии показывают траекторию крысы, которая изучала окружающее пространство; красными точками отмечены места, в которых возбуждались нейроны. Рисунок из статьи Edvard I. Moser, Emilio Kropff and May-Britt Moser, 2008. Place Cells, Grid Cells, and the Brain's Spatial Representation System
Физика: вся сила в светодиодах
7 октября непременный секретарь Академии Стаффан Нормарк (Staffan Normark) объявил, что премия 2014 года присуждена «за изобретение эффективных голубых светоизлучающих диодов, позволившее создать яркие и экономичные источники белого света». Премии удостоились японские физики Исаму Акасаки (Isamu Akasaki) и Хироси Амано (Hiroshi Amano) из Нагойского университета, а также Сюдзи Накамура (Shuji Nakamura), который после ухода из частной фирмы не смог найти работу в японской университетской системе и вот уже 15 лет профессорствует в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. Они получили 108-ю по счету Нобелевскую премию по физике, пополнив прежний список из 196 лауреатов.
Устройства на голубых светодиодах распространены очень широко. Их, вместе с диодами, дающими другие цвета, используют в полноцветных дисплеях и осветительных приборах (рис. 2). Голубые светодиоды служат также основой светильников иного типа - они возбуждают своим излучением молекулы фосфорных соединений, а те испускают красные и зеленые фотоны, которые смешиваются с голубыми и дают белый свет. Такие светильники обеспечивают световой поток до 300 люменов на ватт электрической мощности (для ламп накаливания этот показатель в лучшем случае составляет 16-17 лм/Вт), а их КПД может превышать 50%. В производстве они дороже лампочек с вольфрамовыми нитями и газосветных ламп, но их стоимость быстро падает, а доступность растет. Поэтому работы новых нобелевских лауреатов представляют собой не только крупное научно-технологическое достижение, но и реальный инструмент глобальной экономии энергии. Сейчас на освещение тратится 20% мировых электрических мощностей, однако массовое применение светодиодов может уменьшить эту долю до 4%.
Рис. 2. Сверхъяркие голубые светодиоды теперь используются чуть ли не повсеместно. Изображение с сайта linustechtips.com
Химия: микроскопия без берегов
Работы новых лауреатов Уильяма Мёрнера (William E. Moerner), Эрика Бетцига (Eric Betzig) и Штефана Хелля (Stefan Hell) лежат на стыке биохимии, физической оптики и молекулярной биологии. Они привели к появлению двух новых методов оптической микроскопии, позволивших преодолеть так называемый дифракционный предел микроскопических наблюдений, который в 1870-80 годах установил (сначала экспериментально, а после и теоретически) немецкий физик Эрнст Карл Аббе. Аббе показал, что волновая природа света не позволяет до бесконечности улучшать разрешающую способность оптических приборов. В частности, из его работ следует, что минимальный размер деталей, доступных наблюдению в классический оптический микроскоп, равен частному от деления половины длины световой волны на коэффициент преломления среды, которая заполняет пространство между объективом микроскопа и объектом наблюдения. На практике этот коэффициент обычно не превышает 1,5-1,6, и потому предел разрешающей способности микроскопа соответствует одной трети длины световой волны. Поскольку человеческий глаз не воспринимает волны короче 380-400 нанометров, возможности стандартной оптической микроскопии ограничены наблюдением объектов, размеры которых превышают 130-140 нанометров. Этого достаточно для бактерий, клеток и даже крупных клеточных органелл, таких как митохондрии, но слишком мало для микроскопического исследования вирусов, не говоря уже о белковых молекулах.
В 1980-90 годы ученые нашли ряд возможностей улучшить разрешение оптических приборов, применяемых для исследования микромира. Конфокальные и мультифотонные (Multiphoton microscopy) системы позволили уменьшить минимальный размер различимых объектов примерно вдвое, а сканирующие микроскопы ближнего поля - даже десятикратно. Однако микроскопия ближнего поля имеет много ограничений и не может претендовать на широкую применимость. Две технологии оптической микроскопии, отмеченные Нобелевской премией, не только обеспечивают сверхвысокое разрешение, но и могут применяться для наблюдения большого разнообразия объектов. Благодаря им и другим подобным методам оптическая микроскопия быстро превращается в наноскопию.
Обе технологии используют опорные сети, состоящие из светящихся молекул. Такие сетки создаются и работают по-разному, но в обоих случаях их элементы регистрируются независимо друг от друга. Поэтому информация с сеток считывается без оглядки на дифракционный предел, что и делает новые методы практически универсальными.
Метод Штефана Хелля основан на так называемом стимулированном истощении эмиссии (Stimulated Emission Depletion, STED). Исследуемый объект метят молекулярными маркерами, способными испускать световые кванты (флуоресцировать) под действием лазерного излучения (таким объектом может быть молекула ДНК, а метками - флуоресцентные антитела). Однако эти же молекулы можно заставить испускать с некоторой задержкой и фотоны с большей длиной волны, если облучить их другим лазером с должным образом подобранными характеристиками. Пусть первый лазер создает на поверхности образца круглое световое пятно, а лучи второго фокусируются в кольце, накрывающем весь этот круг кроме центра. Метки в центральной зоне будут светиться на одной длине волны, а метки внутри кольца - на другой, гораздо большей (это и есть истощение флуоресцентной эмиссии). Если настроить приемную систему микроскопа на регистрацию лишь коротковолновых фотонов, участки с истощенной эмиссией как бы погаснут.
Эту систему можно превратить в сканирующий микроскоп, если направлять лазерные лучи в разные участки объекта, регистрировать сигналы от светящихся зон и обрабатывать на компьютере. Если метки плотно покрывают поверхность объекта, то картинки, полученные в ходе такого сканирования, воспроизведут его структуру. Степень разрешения такого прибора определяется размерами зон с неподавленной эмиссией, которые в принципе могут быть даже нанометровыми.
Хелль разработал теорию своего метода в 1993-94 годах, а в 1999 году продемонстрировал его на практике. Сначала технология STED была немногим лучше конфокальных микроскопов. Сейчас на заводских приборах она обеспечивает разрешение от 30 до 80 нанометров, а в эксперименте - два с половиной нанометра (рис. 3).
Рис. 3. Фотография одного и того же объекта конфокальным микроскопом (слева) и STED-системой (справа). Длина масштабной линейки 1 мкм, длина масштабных линеек во врезах 250 нм. Изображение из статьи Benjamin Harke, Jan Keller, Chaitanya K. Ullal, Volker Westphal, Andreas Schönle and Stefan W. Hell, 2008. Resolution scaling in STED microscopy
Второй метод называется PALM, Photoactivated Localization Microscopy. Его главным разработчиком признан Эрик Бетциг (хотя почти такой же вклад внес и его коллега по Институту Хьюза Харальд Гесс (Harald F. Hess)). Впервые эта технология была продемонстрирована в 2006 году. Третий лауреат, Уильям Мёрнер, оптической микроскопией не занимался. Однако PALM использует белки, которые под действием синего или ультрафиолетового света испускают яркое зеленое свечение. Эти так называемые зеленые флуоресцентные белки (Green fluorescent protein, GFP) были впервые выделены из тканей медуз вида Aequorea victoria, а позднее найдены и у других морских беспозвоночных (их открытие было отмечено Нобелевской премией по химии 2008 года). Мёрнер в 1989 году первым в мире изыскал возможность измерить поглощение света одной-единственной молекулой, а через 8 лет открыл способ управлять флуоресценцией отдельных GFP-молекул с помощью лазерного излучения.
Открытием Мёрнера воспользовались Бетциг с коллегами для разработки технологии PALM. Она основана на использовании лазерного излучения с длиной волны, необходимой для возбуждения зеленых флуоресцентных белков. Образец многократно облучают очень слабыми лазерными импульсами, содержащими небольшое число фотонов. Эти фотоны заставляют светиться белковые молекулы - опять таки, в малом количестве. Поскольку свет случайным образом выбирает эти молекулы на поверхности объекта довольно большой протяженности, почти все они оказываются отделенными друг от друга расстояниями, превышающими предел Аббе. Положение каждого светящегося центра можно зарегистрировать с большой точностью с помощью оптического микроскопа. По отдельности такие картинки не слишком информативны, однако компьютерный анализ всех изображений, который делается на основе вероятностных алгоритмов, позволяет восстановить структуру исходного образца. Сегодня PALM обеспечивает разрешение вплоть до 20 нанометров, и, скорее всего, это еще не предел (рис. 4).
Рис. 4. Изображение актинового цитоскелета живой клетки. Центральная часть изображения сделана по технологии PALM. Рисунок с сайта cfn.kit.edu
Нобелевскую премию мира 2014 присудили Малале Юсуфзай и Кайлашу Сатьяртхи «За борьбу против притеснений детей и молодёжи и за права детей на образование» [1].
Мала́ла Юсуфза́й - пакистанская правозащитница, выступающая за доступность образования для женщин во всём мире. 9 октября 2012 года была тяжело ранена боевиками из террористического движения Техрик-и-Талибан Пакистан за свою правозащитную деятельность. В 2013 году получила премию имени Анны Политковской и премию имени Сахарова.
В начале 2009 года в возрасте 11 лет Юсуфзай стала известна в мире благодаря блогу, который она писала для Би-би-си. В блоге она подробно рассказывала о своей жизни при режиме талибов, об их попытке взять под контроль долину Сват и о своих взглядах на развитие образования для девочек. В конце 2009 года пакистанские военные развернули полномасштабное наступление против боевиков, что привело к изгнанию талибов из долины Сват. Малала Юсуфзай заняла первое место на ежегодной Национальной пакистанской молодёжной премии мира за своё описание данных событий в блоге.
Сторонница троцкистской Международной марксистской тенденции и участница проводившейся этой организацией летней школы в Свате в 2012 году.
Кайлаш Сатьяртхи - индийский активист за права детей, С 1990-х годов играет ключевую роль в движении против детского труда в Индии. Основанная им в 1980 году организация «Бачпан бачао андолан» за время своего существования помогла более чем 83 000 детей из 144 стран.
Нобелевская премия по литературе в этом году присуждена французу Патрику Модиано «За искусство памяти, посредством которого он рассказал о самых непостижимых человеческих судьбах и жизненном мире оккупации». Хотя, как пишут исследователи его творчества, он «не любит заботиться о правдоподобии и мотивировке действий персонажей», «знаменитая память Модиано - на самом деле продукт его воображения» [2,3]. При этом Модиано заявляет: «Оккупация в моих романах имеет мало общего с реальными 40-ми годами. Я создаю атмосферу, которая напоминает оккупацию, но в конце концов не так уж на неё и похожа... В моих первых трёх романах я описывал не исторические события, а неверный свет моих истоков» [2, 658]
1. http://www.thehindu.com/news/international/world/malala-kailash-satyarthi-win-nobel-peace-prize/article6488625.ece?homepage=true
2. Ржевская Н. Ф.Патрик Модиано // Французская литература 1945-1990.-М.: Наследие, 1995.- С.654-665.
3. Бреннер Ж.Моя история современной французской литературы.- М.: Высшая школа, 1994.-ISBN 5-06-003195-0- С. 313.
По материалам elementy.ru и wikipedia.org
