Noble 2022: Co tegoroczne nagrody mówią nam o nauce

Alicja w krainie kwantów

To Nobel wbrew Einsteinowi. Trójka laureatów udowodniła, że wielki fizyk był w wielkim błędzie, jeśli idzie o zachowanie fundamentalnych cząstek Wszechświata.

Jestem przekonany, że On nie gra w kości” – pisał ­Albert Einstein w grudniu 1926 r. w liście do niemieckiego fizyka Maxa Borna. „Ta teoria daje wiele, ale nie przybliża nas do tajemnicy Przedwiecznego”.

Einstein komentował w ten sposób kształtującą się wówczas mechanikę kwantową, szkołę fizyki, której założenia często stawały w poprzek einsteinowskiej względności czy wręcz zdrowemu rozsądkowi. Podczas gdy fizyka przed kwantami zawsze polegała na stwierdzaniu twardych faktów i przewidywaniu skutków działań, mechanika kwantowa operowała wyłącznie prawdopodobieństwami: kiedy zrobimy A, wcale nie musimy uzyskać wyniku B.

Choć w pewnych sytuacjach w świecie kwantów jest na pozór odwrotnie: A zawsze wywołuje B, mimo że na pierwszy rzut oka nie ma absolutnie prawa tego robić. Tak właśnie działają tzw. stany splątane: kwantowe efekty, które sprawiają, że dwie cząstki elementarne, choćby znajdowały się tysiące kilometrów od siebie, zawsze zachowują się tak, jakby łączyła je niewidzialna nić. Tego Einstein też nie mógł zaakceptować. Nazwał splątanie kwantowe „upiornym działaniem na odległość”. Ku niesmakowi fizyków kwantowych to lekceważące określenie przylgnęło do splątania na długie lata. Ale to oni triumfowali.

To właśnie za eksperymenty ze splątanymi kwantowo fotonami Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali w tym roku Alain Aspect (École Polytechnique), John F. Clauser (dawniej Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley) i Anton Zeilinger (Uniwersytet Wiedeński). Wszyscy trzej przeprowadzili przełomowe eksperymenty, które utorowały drogę do nowych technologii nazywanych informatyką kwantową. Dziś dzięki ich pracy jesteśmy o krok od stworzenia niedających się złamać szyfrów, bezpiecznych sieci internetowych czy komputerów kwantowych, które w pewnych ­zastosowaniach mają być dziesiątki tysięcy razy szybsze od konwencjonalnych.

Łamana nierówność

Splątanie działa tak: załóżmy, że mamy urządzenie, które emituje w przeciwnych kierunkach pary splątanych cząstek elementarnych. Te docierają do dwojga badaczy – Alice i Boba, którzy mogą mierzyć ich własności. Jedna z nich, tzw. spin cząsteczki, może przybierać tylko dwie wartości: plus lub minus. Oboje, mierząc spiny docierających do nich cząstek, zobaczą losową serię plusów i minusów. Ale kiedy porównają swoje wyniki, okaże się, że za każdym razem, gdy do Alice dotarła cząstka o spinie dodatnim, Bob mierzył spin ujemny, i odwrotnie. Bez względu na to, jak daleko od siebie się znajdują, wyniki ich pomiarów są ze sobą bezpośrednio powiązane.

Przez wiele dziesięcioleci kluczowe dla fizyków pytanie brzmiało: czy ta korelacja wynika z tego, że cząstki w splątanej parze zawierają ukryte zmienne, jakieś „instrukcje”, które mówią im, jaki wynik mają dać podczas pomiaru?

W latach 60. północnoirlandzki fizyk John Stewart Bell (zmarł w 1990 r.) opracował matematyczne założenia eksperymentu mającego rozstrzygnąć, czy splątanie kwantowe jest prawdziwym efektem wynikającym z fundamentalnych praw rządzących Wszechświatem czy też artefaktem wynikającym z naszej nieznajomości wszystkich rządzących nim praw. W skrócie – jeśli o stanach cząstek decydowałyby „ukryte instrukcje”, korelacja między badanymi w eksperymencie cząstkami nigdy nie przekroczyłaby pewnej wartości.

W latach 70. John Clauser, a następnie Alain Aspect przekuli myślowy eksperyment Bella na laboratoryjną rzeczywistość. Mechanika kwantowa obroniła się za każdym razem. Korzystając z udoskonalonych przez nich narzędzi i eksperymentów, Anton Zeilinger zaczął prowadzić eksperymenty z praktycznym wykorzystaniem splątanych stanów kwantowych. Udowodnił m.in. istnienie „teleportacji kwantowej”, czyli zjawiska umożliwiającego przenoszenie stanu kwantowego z jednej cząstki na drugą na odległość.

A to już coś, co interesuje nie tylko fizyków, ale i informatyków oraz... szpiegów.

Koniec ery tranzystora

Możliwość manipulowania stanami kwantowymi na odległość i tworzenia splątanych par cząstek elementarnych może bowiem otworzyć drogę do stworzenia łączy telekomunikacyjnych, których podsłuchanie będzie fizycznie niemożliwe.

W 2004 r. Zeilinger przeprowadził eksperymenty z kwantowo splątaną komunikacją, łącząc niehakowalnym łączem laboratoria po dwóch stronach Dunaju. W 2007 r. kolejny eksperyment połączył już oddalone o 144 km od siebie stacje na Wyspach Kanaryjskich. Wreszcie 29 września 2017 r. chiński satelita Micius wysłał pakiety danych zawierające zakodowane w splątanych kwantowo cząstkach klucze kryptograficzne do laboratoriów w Pekinie i Wiedniu. Zeilinger oraz jego chiński rywal i przyjaciel Jian-Wei Pan udowodnili, że da się stworzyć sieć łączności opartą na kwantowych zabezpieczeniach. Każda próba przechwycenia cząstek zawierających klucze doprowadziłaby do zerwania stanu splątania między nimi, ujawniając obecność hakera. W przeciwieństwie do elektronicznych zer i jedynek tworzących konwencjonalne bity i bajty, splątanych komunikatów nie da się po prostu skopiować i odczytać.

Splątanie to także potencjalna rewolucja w przetwarzaniu danych: bez tego efektu nie moglibyśmy nawet myśleć o budowie komputerów kwantowych. Ich fizyczna realizacja jest ciągle odległa, ale jest na co czekać – mogą nam pomóc drastycznie zwiększyć możliwości centrów obliczeniowych, w tym tych, które odpowiadają za modelowanie klimatu, projektowanie nowych, rewolucyjnych materiałów czy fuzję jądrową.

Pierwsza rewolucja kwantowa dała nam tranzystory i ­lasery. Druga może sprawić, że era tranzystora dobiegnie końca.

© MICHAŁ GIKOWSKI

Żywe reakcje

Nagrodzeni badacze przenieśli chemię z klasycznej kolby laboratoryjnej do biologicznej komórki. Ich prace otwierają drogę m.in. do nowoczesnych terapii onkologicznych.

Tegoroczną nagrodą w dziedzinie chemii podzielą się Carolyn R. Bertozzi (Uniwersytet Stanforda), Morten Meldal (Uniwersytet w Kopenhadze) i K. Barry Sharpless (The Scripps Research Institute). Ich badania przyczyniły się do rozwoju tzw. chemii „click” i chemii bioortogonalnej.

Twórcą chemii „click” jest Barry Sharpless, najstarszy w gronie nagrodzonych, który wprowadził ten termin w 2000 r. dla reakcji zachodzących szybko, z dużymi wydajnościami i prowadzących do powstania tylko jednego typu substancji, bez tworzenia niepotrzebnych produktów ubocznych. Określenie „click” nawiązuje do dźwięku, który często słyszymy, gdy połączymy z sobą elementy tej samej układanki.

Woda zamiast alkoholu

Sharpless to również odkrywca efektu nazwanego od jego nazwiska. W 2005 r. zauważył, że niektóre reakcje chemiczne prowadzone w wodnej zawiesinie (w której substraty się nie rozpuszczają – podobnie jak mąka w wodzie) przebiegają dużo szybciej niż wtedy, gdy prowadzi się je w tzw. typowych rozpuszczalnikach organicznych, takich jak etanol, chloroform czy toluen. Była to zaskakująca obserwacja – dotąd uważano, że aby dwa substraty mogły ze sobą reagować, muszą się rozpuścić w rozpuszczalniku, w którym prowadzona jest reakcja.

To odkrycie stanowiło również podstawy chemii bioortogonalnej, w której reakcje zachodzą w wodzie. Woda zaś jest naturalnym środowiskiem reakcji zachodzących w organizmach żywych. Kolejnym krokiem w rozwoju tej dziedziny było wprowadzenie do chemii „click” pewnych szczególnych reakcji, które chemicy nazywają cykloaddycjami, katalizowanych („przyspieszanych”) przez jony miedzi. ­Dokonali tego niezależnie od siebie Morten Meldal i Sharpless.

W 2003 r. Carolyn R. Bertozzi wprowadziła sam termin „chemia bioortogonalna”. To bez wątpienia chemia XXI wieku. W tej dziedzinie klasyczna kolba reakcyjna, w której prowadzi się reakcję chemiczną, została zastąpiona przez materię ­biologiczną. Reakcje chemiczne prowadzi się w komórkach lub organizmach żywych w taki sposób, aby zachodziły one niezależnie i nie zakłócały naturalnych procesów biochemicznych. To stąd nazwa – wyobrażamy sobie, że interesujące nas reakcje są „prostopadłe” (w matematyce mówimy: ortogonalne) do naturalnych reakcji komórkowych, a nie „równoległe” do nich: nie przeszkadzają więc sobie nawzajem, żyją niejako na osobnych płaszczyznach. Aby tak jednak mogło być, reakcje bioortogonalne muszą spełniać pewne wymagania.

Przede wszystkim substraty i produkty reakcji powinny być stabilne w wodzie w warunkach in vivo. Reakcje powinny zachodzić w warunkach fizjologicznych szybko, a wykorzystywane i powstające w nich związki nie mogą być toksyczne dla organizmów. Reakcje muszą też być selektywne, co oznacza, że nie mogą zachodzić żadne reakcje uboczne pomiędzy reagentami i innymi związkami biologicznymi obecnymi w środowisku komórki.

Jak pozbyć się miedzi

Rozpoczęły się więc poszukiwania reakcji, które będą zachodzić w wodzie w warunkach fizjologicznych – czyli w temperaturze około 37 st. Celsjusza i w środowisku lekko kwasowym lub obojętnym (pH mniej więcej w zakresie 4-7).

Spośród całego ogromu znanych reakcji chemicznych niewiele spełnia równocześnie wszystkie wymienione wymagania. Tę wąską kategorię tworzą wspomniane już reakcje nazywane cykloaddycjami. Bertozzi postanowiła wykorzystać w swoich pracach konkretną reakcję opisaną przez Meldala i Sharplessa. Ale pojawił się problem. Nie można bowiem katalizować reakcji prowadzonych w organizmach żywych jonami miedzi, na czym opierała się metoda zaproponowana przez pozostałych laureatów. Te jony nie są obojętne dla organizmów, a mogą być wręcz toksyczne – reakcja ta nie była więc w pełni bioortogonalna.

Carolyn R. Bertozzi wymyśliła, jak w reakcjach cykloaddycji zastosować związki o innej strukturze przestrzennej, takiej, dzięki której nie trzeba już było stosować jonów miedzi. Na bazie jej odkrycia wprowadzono do chemii kolejne reakcje bioortogonalne, które mają wiele cennych zastosowań. Za pomocą tego typu reakcji możemy w środowisku komórek ­biologicznych obrazować fluorescencyjnie różne bio­cząsteczki – np. białka, cukry, kwasy nukleinowe czy glikany – lub małe cząsteczki leków. Z pomocą reakcji bioortogonalnych można też badać szlaki metaboliczne, wykrywać zmiany nowotworowe, studiować oddziaływanie pomiędzy różnymi biocząsteczkami w celu poznania biologii komórki. Jednakże najbardziej spektakularne obecnie zastosowanie tych reakcji dotyczy onkologii – polega na celowanym dostarczaniu leku do miejsca, gdzie znajdują się komórki nowotworowe.

Odkrycia tegorocznych noblistów w dziedzinie chemii kolejny raz potwierdziły, że warto obserwować naturę i ją naśladować. Okazało się bowiem, że prowadzenie reakcji w warunkach naturalnych – w wodzie, w temperaturze zbliżonej do temperatury organizmu, przy zastosowaniu odpowiednich substratów i unikaniu niebezpiecznych katalizatorów – jest często dużo bardziej korzystne w porównaniu z warunkami drastycznymi, takimi jak wysoka temperatura czy toksyczne odczynniki, do których przyzwyczaili się chemicy. Dzięki odkrywaniu reakcji, które nie naruszają naturalnych procesów biochemicznych zachodzących w organizmach, możliwe są w tych ostatnich bardzo precyzyjne ingerencje.

© ALEKSANDRA PAŁASZ

Autorka kieruje Zakładem Chemii Organicznej na Uniwersytecie ­Jagiellońskim. Doktorat i habilitację uzyskała za badania nad reakcjami cykloaddycji.

Krzyżówka z neandertalczykiem

Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny po raz pierwszy trafiła do naukowca, którego najbardziej interesują ludzie nieżyjący od dziesiątek tysięcy lat. Svante Pääbo to badacz pradawnych genomów.

Pääbo zaczynał jako egiptolog, jednak szybko rozczarowały go metody i ślimacze tempo pracy tradycyjnych archeologów. O historii ludzkości postanowił dowiedzieć się czegoś więcej dzięki wykorzystaniu niedostępnych dotąd źródeł – genetyki.

Sam pomysł nie był nowy – kilkadziesiąt lat temu Luigi Luca Cavalli-Sforza próbował rekonstruować historię ludzkich migracji na podstawie porównywania proporcji grup krwi (zdeterminowanych genetycznie) wśród poszczególnych populacji. Ale była to zawodna i niedokładna metoda, a możliwości technologiczne nie pozwalały jeszcze na sekwencjonowanie i porównywanie całego genomu poszczególnych ludzi. Tym bardziej nikomu nie śniło się nawet, by można było w ten sposób badać geny ludzi nieżyjących od tysięcy lat. To wydawało się absurdalne – w komórkach organizmów występuje skomplikowana maszyneria biochemiczna zaangażowana w konserwację materiału genetycznego, który bez niej ulegałby degradacji. Ale Pääbo, który po kolejnych studiach – tym razem medycznych – posmakował pracy w nowoczesnym laboratorium genetycznym, postanowił w wolnym czasie, w tajemnicy przed współpracownikami, w końcu sprawdzić, czy obiegowe przekonanie jest zgodne z prawdą. I przydały mu się w tym znajomości w środowisku egiptologów, bo jego pierwszymi obiektami badawczymi były egipskie mumie.

Z którejś z nich w końcu pobrał materiał zawierający cząsteczki DNA – a to zaważyło na jego dalszej karierze. Dziś jest niemal pewne, że próbki te były zanieczyszczone współczesnym DNA – najpewniej pochodzącym od samego Pääba albo pracowników muzeum, w którym trzymano mumie. Nie miały zatem żadnej naukowej wartości. Ale żeby można to było w końcu stwierdzić – a także unikać podobnych błędów w przyszłości – potrzeba było stworzenia metod oczyszczania, analizowania i interpretowania próbek pobranych ze szczątków dawno zmarłych ludzi, a więc połączenia osiągnięć genetyki, mikrobiologii, informatyki i statystyki. To właśnie w kolejnych latach zrobił Svante Pääbo.

Genetyczna rewolucja

Określenie „rewolucja naukowa” nie będzie tu żadnym nadużyciem. Od czasów Karola Darwina wiedzieliśmy z grubsza, że ludzie wywodzą się z Afryki, a nasi wcześni przodkowie musieli przypominać małpy. Jeszcze w XIX w. znaleziono skamieniałości „małpoluda wyprostowanego” (dziś nazywanego Homo erectus), czyli formy pośredniej między małpą a człowiekiem. W XX i XXI w. paleoantropolodzy odkryli wiele innych kopalnych gatunków człowieka. Ale mogliśmy tylko snuć przypuszczenia, jakie więzy pokrewieństwa łączą ich z nami. Badania Pääbo dały nam pewność.

Sławę przyniosło mu potwierdzenie, że nasi przodkowie utrzymywali intymne kontakty z neandertalczykami. Żeby to ustalić, Pääbo zsekwencjonował kompletny genom neandertalczyka, pozyskując potrzebny materiał ze zmielonych fragmentów skamieniałości. Później ta sama metoda pozwoliła mu na odkrycie nieznanej wcześniej populacji człowieka, nazwanej denisowianami, z którą i neandertalczycy, i nasi przodkowie także się krzyżowali, i której ostatni przedstawiciele wymarli nie później niż 15-30 tys. lat temu.

Badania Pääba doprowadziły go do popularnej hipotezy, że poza rdzennymi mieszkańcami Afryki wszyscy ludzie wywodzą się z populacji, która ok. 60-70 tys. lat temu opuściła Czarny Ląd i skolonizowała Eurazję, a następnie Oceanię i obie Ameryki. Choć dziś niektórzy w to powątpiewają – „wyjść z Afryki” mogło być więcej, a niektóre szczątki Homo sapiens w Eurazji pochodzą nawet sprzed 200 tys. lat – to w rewolucji, jaką Svante Pääbo zapoczątkował, nie chodzi o samo ustalenie tych faktów. Raczej o stworzenie nowego obszaru badawczego – paleogenetyki – który całkowicie zmienił sposób uprawiania nauki o człowieku i pozwolił w ogromnym stopniu wzbogacić wiedzę na temat naszej ewolucyjnej historii. Dzisiaj możemy już zaglądać nawet w geny ludzi żyjących ponad 400 tys. lat temu – tyle wynosi rekord ustanowiony przez zespół Pääba. A najważniejsze pytanie, jakie zadają sobie odkrywcy kolejnych skamieniałości, dotyczy tego, czy da się z nich wyizolować starożytne DNA.

Nie dla zdrowia

W żyłach Pääba płynie szwedzko-estońska krew, z dużą domieszką noblowskiej – jest synem nagrodzonego w tej samej kategorii biochemika Sunego Bergströma. To musi być gorąca krew, biorąc pod uwagę burzliwe życie prywatne Pääba, które opisał w swojej biografii intelektualnej „Neandertalczyk. W poszukiwaniu zaginionych genomów”. Wspominał tam też o chorobliwych ambicjach i konfliktach w środowisku naukowym – mniej krwawych niż te, które musiały wybuchać między naszymi przodkami, ale przecież wynikających z tych samych programów genetycznych, które po nich odziedziczyliśmy. Z potrzeby eksploracji, dominacji, posiadania.

Nie zapominajmy też o innej potężnej sile ewolucyjnej: kooperacji – historia Pääba jest też opowieścią o międzynarodowej współpracy i ukształtowaniu kolejnych pokoleń badaczy, z Davidem Reichem i Johannesem Krausem na czele, którzy dzisiaj kierują własnymi, słynnymi laboratoriami, badającymi m.in. historię ludzkich migracji i starożytne epidemie.

W oficjalnych komunikatach Komitetu Noblowskiego możemy przeczytać, że odkrycia Pääba mają także znaczenie medyczne, bo wzbogacają wiedzę na temat tego, jak układ immunologiczny reaguje na infekcje. Zresztą Pääbo pokazał m.in., że ciężki przebieg COVID-19 ma związek z genami, które odziedziczyliśmy po neandertalczykach. Ale to jedynie wybieg, mający nieco bardziej uzasadnić, że można przyznać „medycznego Nobla” komuś, kto najdokładniej opowiedział nam, kim jesteśmy i skąd pochodzimy. Ta opowieść raczej nikomu nie uratuje życia – za to na pewno je wzbogaci.

©(P) ŁUKASZ KWIATEK