Mapa, dioda i mikroskop

Komitet Noblowski przyznał trzy razy po trzy medale – czyli maksimum, jakie przyznać może. W medycynie i fizjologii laureatami zostali John O’Keefe, May-Britt Moser i Edvard I. Moser za odkrycie, jak w mózgu działa zmysł orientacji przestrzennej. Nagrodę z fizyki otrzymali trzej Japończycy: Isamu Akasaki, Hiroshi Amano i Shuji Nakamura, za wynalezienie niebieskiej diody LED. Nobla z chemii dostali Eric Betzig, Stefan W. Hell i William E. Moerner za opracowanie metody mikroskopowej, pozwalającej ignorować optyczne ograniczenia.


John O’Keefe i Moserowie zajmowali się badaniem szczurzych mózgów. Już w latach 70. ubiegłego wieku O’Keefe odkrył, że gdy laboratoryjne szczury dochodzą do konkretnego, znanego im miejsca w labiryncie, aktywują się im zawsze te same komórki nerwowe. Doszedł do wniosku, że istnieją komórki odpowiedzialne za mapę powstającą na bieżąco w szczurzym mózgu.

Późniejsze badania Moserów, możliwe dzięki jeszcze bardziej zaawansowanym technikom obrazowania pracy mózgu, wykazały, że komórki odpowiedzialne za orientację w przestrzeni dosłownie tworzą mapę okolicy: kiedy szczur docierał do kolejnych punktów, aktywowały się kolejne komórki ułożone w uporządkowaną, sześciokątną sieć. Poruszanie się po okolicy oznaczało przesuwanie się w konkretne punkty mózgu.

Struktura mieszcząca „mapę okolicy” zwana jest hipokampem i u ludzi działa tak samo. Odkrycie tłumaczy też, dlaczego ludzie z chorobą Alzheimera nie są w stanie odnaleźć się w okolicy: zwyrodnienie chorobowe bardzo często dotyczy m.in. właśnie hipokampu.


Japończycy nagrodę dostali koniec końców za cierpliwość. Teoria niebieskich diod półprzewodnikowych znana była od lat, gorzej z praktyką. Inżynierowie wiedzieli też, jak tworzyć diody świecące na czerwono, żółto i zielono. Brakowało koloru niebieskiego – bardzo ważnego: niebieska dioda pozwala budować źródła światła, które wydaje nam się białe (będącego złożeniem kolorów czerwonego, zielonego i niebieskiego właśnie). Niezwykle oszczędne – przy tej samej jasności dioda potrzebuje 16 razy mniej prądu niż żarówka. Równie ważne było stworzenie energooszczędnych systemów podświetlających telewizory i monitory komputerowe.

Otworzyło to też drogę do zbudowania niebieskich laserów, które dziś możemy znaleźć w odtwarzaczach BluRay.

Stworzenie materiałów, które pod wpływem prądu zaczną świecić niebieskim światłem, wymagało tysięcy eksperymentów z niezwykle czystymi monokryształami różnych substancji, w tym arsenku galu. W eksperymentach przodował Nakamura (ponoć pomogły mu monokryształy hodowane w Polsce), który pracował w niewielkiej firmie Nichia Chemicals w Tokushimie. Cierpliwie, rutynowo sprawdzał substancję po substancji. Podobno przez kilka miesięcy dzień pracy kończył się eksplozją instalacji do hodowania kryształów. Współpracownicy kolejne wybuchy kwitowali już tylko kiwaniem głową. Ostatecznie firma zakazała dalszych prac nad arsenkiem galu, uważając, że jest to zbyt kosztowne (regularne wymiany szyb w pracowni mogły irytować). Nakamura w 1993 r., finansując badania z własnej kieszeni, uzyskał diodę świecącą na niebiesko.

Nakamura wielokrotnie konsultował się z Akasakim i Amano z uniwersytetu Nagoya. Udało mu się np. udoskonalić proces opracowany przez Akasaki, tak by lepiej nadawał się do przemysłowego wdrożenia. Niebieskie diody i lasery z pewnością są zasługą całej trójki. Co ciekawe, nagroda została przyznana w dziedzinie fizyki, choć hodowla monokryształów półprzewodnikowych jest bardziej związana z chemią.


Dla równowagi Komitet Noblowski przyznał nagrodę z chemii za ominięcie fizycznych barier: związanych z optyką. W 1873 r. Ernst Abbe wyznaczył granice możliwości mikroskopów optycznych: z uwagi na falową naturę światła najmniejszy przedmiot, który można zobaczyć, może mieć rozmiar 0,2 mikrometra. Wszystko, co mniejsze, będzie rozmyte. Jednym ze sposobów na ominięcie tego ograniczenia było zastąpienie światła widzialnego elektronami: tak powstały mikroskopy elektronowe. Ale omiatanie oglądanych przedmiotów czymś innym niż światło widzialne często jest dla nich niebezpieczne – pod mikroskopem elektronowym nie da się np. oglądać żywych komórek.

Na pomysł ominięcia limitu Abbego wpadł Stefan Hell w latach 90. XX w. W 2000 r. zademonstrował mikroskop zbudowany według własnego pomysłu. Cała rzecz w mikroskopii fluorescencyjnej sprowadza się do „pomalowania” interesujących naukowca fragmentów substancją reagującą na światło, a potem omiatanie próbki laserem. Substancje reagujące na laser zaczynają świecić. Problem w tym, że obraz rozmywa się później wskutek dyfrakcji, którą opisał Abbe. Ale pomysł Hella był prosty: nieważne, gdzie świeci, ważne, że świeci. Jeśli wiadomo, gdzie dokładnie pada światło lasera, to cierpliwie omiatając przedmiot jak najmniejszą jego wiązką, można stworzyć mapę punktów, gdzie pojawiły się błyski fluorescencji, a gdzie ich nie było. Limit Abbego nie ma tu nic do rzeczy, bo obrazu nie ogląda się w obiektywie, lecz w komputerze, który przetwarza dane.

Eric Betzig i William Moerner opracowali zaś sposób, jak zmusić do świecenia tylko kilka molekuł. Małe dawki światła sprawiają, że do świecenia pobudzane są tylko nieliczne cząsteczki „farby”, którą pomalowany został obiekt. Rzecz w tym, że molekuły błyskają losowo, więc kilka sesji oświetleniowych i odrobina statystyki pozwalają uzyskać informacje o rozłożeniu świecących molekuł w próbce i w ten sposób stworzyć obraz przedmiotu, który jest istotnie mniejszy, niż wynosi limit Abbego.

A gdzie tu chemia? Cóż, z obrazowania mikroskopowego bardziej skorzystają chemicy niż fizycy, a nobel z fizjologii był już zajęty...