Tri vedecké Nobelove ceny – za fyziku, za chémiu a za fyziológiu a medicínu – väčšinou navzájom vôbec nijako nesúvisia. Tento rok však majú spoločného menovateľa, a to nesmierne užitočné aplikácie. Minulé, súčasné aj budúce.
V skutočnosti je tých spoločných čŕt vlastne viac. Piati zo šiestich tohtoročných laureátov sú v podstate rovesníci, majú od 65 do 70 rokov. Ten šiesty je o voľačo starší, má 82 rokov a jeho obľúbenou kratochvíľou je pilotovanie lietadla. Ďalšou spoločnou črtou je štúdium fyziky. Fyziku študovali nielen čerství nositelia Nobelovej ceny za fyziku, ale aj laureát ceny za chémiu a jeden z nositeľov ceny za fyziológiu a medicínu. Ale to, čo ich spája najviac, sú asi predsa len tie aplikácie. A skutočnosť, že ide o výsledky základného, a nie aplikovaného výskumu.
.takmer rodák
Peter Grünberg sa narodil v Plzni v roku 1939, dva mesiace po rozdelení Československa. Jeho otec pracoval ako inžinier na konštrukcii nových lokomotív pre plzenskú škodovku a malý Peter bol zrejme po ňom – jeho najobľúbenejšou hračkou bola stavebnica Merkur. Po roku 1945 sa k novým častiam tejto stavebnice už asi nedostal. V povojnovom Nemecku, do ktorého bola rodina vysídlená na základe Benešových dekrétov, sa asi zháňali iné veci než stavebnice.
Gigantickú magnetorezistenciu objavil Grünberg v roku 1988, necelých päť rokov pred rozdelením Československa. Škoda, mohli sme mať rodáka s Nobelovou cenou. Takto ho majú len Česi, nám ostal len vrúcny vzťah k tým dekrétom.
Mimochodom, ktovie, ako by to bolo s tou Nobelovou cenou, nebyť vysídlenia. V Československu by tak Grünberg možno získal štátnu cenu Klementa Gotwalda za vynikajúce výsledky v rámci nejakého rezortného výskumu. O gigantickú magnetorezistenciu by sme však neprišli. V roku 1988 ju totiž nezávisle od Grünberga objavil aj francúzsky fyzik Albert Fert.
A čo je to vlastne tá magnetorezistencia? Je to na prvý pohľad nepríliš zaujímavá skutočnosť, že magnetické pole ovplyvňuje elektrický odpor niektorých materiálov. Tento fakt, ktorý objavil lord Kelvin pred 150 rokmi, nemal až donedávna nijaké prevratné technické uplatnenie. To sa však dramaticky zmenilo nástupom počítačov a v nich harddiskov ako pamäťového média.
Harddisky si pamätajú veci tak, že ich jednotlivé časti sú rôznym spôsobom zmagnetizované. Informáciu z harddisku číta počítač tak, že prevádza informáciu o zmagnetizovaní disku na elektrický signál, pričom využíva práve jav magnetorezistencie. Čím väčšiu magnetorezistenciu materiál vykazuje, tým lepšie harddisky sa z neho dajú vyrobiť.
Grünberg a Fert v roku 1988 zistili, že magnetorezistencia nezávisí len od materiálu, ale aj od jeho usporiadania. Ak na seba nanesieme veľmi tenké vrstvy rôznych kovov, môžeme dosiahnuť magnetorezistenciu o niekoľko rádov vyššiu než v bežných prípadoch. Ak by sa dali z takýchto tenkých vrstiev vyrábať harddisky, dosiahli by sme dovtedy nevídané pamäťové kapacity.
Dá sa to? Ale áno, od konca 90. rokov sú prakticky všetky harddisky založené na gigantickej magnetorezistencii. Práve jej využitie umožnilo skok od megabajtových diskov ku gigabajtovým, miniaturizáciu diskov do mp3 prehrávačov, fotoaparátov, a tak ďalej. Ak sa v tomto momente rozhliadnete okolo seba, takmer určite zbadáte niečo, čo využíva jav gigantickej magnetorezistencie.
.takmer muzikant
Gerhard Ertl sa narodil v Stuttgarte v roku 1936. V detstve sníval o kariére klavírneho virtuóza a hre na klavír sa vo svojom voľnom čase venuje dodnes. V pracovnom čase sa venuje virtuozite. Akurát, že s inými než hudobnými nástrojmi.
A práve za tú virtuozitu získal Ertl Nobelovu cenu. V jeho prípade totiž nejde o jeden konkrétny objav, ale o celkový príspevok k jednej veľkej oblasti chémie a najmä o excelentné využívanie veľmi rôznorodých experimentálnych metód. Väčšinou išlo o fyzikálne metódy, ale to nie je nič prekvapujúce – v poslednom čase je stieranie rozdielov medzi jednotlivými vedeckými Nobelovými cenami skôr pravidlom než výnimkou.
Vzťah Ertlovej práce k aplikáciám bol a je obojsmerný. Často vychádzal z priemyselne dôležitých chemických reakcií a jeho snahou bolo tieto reakcie čo najlepšie preskúmať a pochopiť. To, že toto „pochopenie pre pochopenie“ často viedlo k novým aplikáciám, neprekvapí asi nikoho (hádam s výnimkou ministra Mikolaja).
Vo väčšine týchto reakcií hral úlohu katalyzátora povrch nejakej tuhej látky. Napríklad povrch železa pri výrobe amoniaku zo vzdušného dusíka (táto reakcia umožnila priemyselnú výrobu umelých hnojív, vďaka ktorej milióny ľudí nevedia, čo je to hlad). Alebo povrch platiny pri premene oxidu uhoľnatého na oxid uhličitý v katalyzátoroch automobilov (táto reakcia výrazne znižuje škodlivosť výfukových plynov).
Čo sa to vlastne deje pri reakciách na povrchu týchto kovov? Molekuly látok nachádzajúcich sa v plyne nad povrchom kovu doň neustále narážajú. Väčšina z nich sa pritom odrazí, ale mnohé sa neodrazia a zostanú naviazané na povrchu kovu. Niektoré molekuly sa „prilepia“ len jedným koncom, niektoré viacerými koncami a v takom prípade môže dôjsť k „roztrhnutiu“ pôvodnej molekuly, pričom obe časti zostanú naviazané na povrchu kovu. Tieto časti molekúl mávajú oveľa väčšiu chuť do chemických reakcií ako pôvodné molekuly a ak sa v ich blízkosti ocitne nejaká iná molekula, veľmi ochotne sa s ňou dajú do reči a často nezostane len pri tom. Výsledkom je vznik nových molekúl.
Tak napríklad automobilový katalyzátor funguje tak, že na povrch platiny sa naviažu jednak molekuly škodlivého oxidu uhoľnatého CO a jednak molekuly kyslíka O2. Molekuly kyslíka sa „roztrhnú“ na dva samostatné atómy kyslíka, ktoré zostávajú naviazané na povrch platiny a ak sa ocitnú pri molekule CO, rady s ňou vytvoria molekulu neškodného CO2. Tá sa potom oddelí od povrchu platiny a uvoľní tak miesto ďalšej reakcii.
Tak to vyzerá v hrubých rysoch. Ako to vyzerá v detailoch, vieme najmä vďaka Ertlovým výskumom a jeho priam muzikantskej virtuozite.
.takmer asociál
Najranejšou spomienkou Maria R. Capecchiho je odvedenie jeho matky dôstojníkmi Gestapa a SS. Predvídajúc svoje uväznenie pre protifašistické a protinacistické postoje, predala väčšinu svojho majetku a výťažok dala roľníckej rodine v Tirolsku, aby sa postarali o jej trojročného syna. Tam strávil malý Mario zhruba rok, a potom bol za nejasných okolností ponechaný sám na seba. Zvyšok vojny trávil žobrajúc v uliciach severotalianskych miest, niekedy v spoločnosti ďalších detí bez domova, niekedy v sirotincoch. Jeho trvalým spoločníkom bol hlad.
Ani po vojne pre neho nenastali lepšie časy. Takmer rok strávil, podobne ako množstvo ďalších detí, v nemocnici so stovkami postelí bez prikrývok a plachiet. Hlavnou chorobou týchto detí bola otrasná podvýživa, ale najjednoduchší liek na ňu – normálnu stravu – nedostali. Tam ho našla v horúčkach, bojujúceho o život, jeho mama, presne v deň jeho deviatych narodenín.
Pani Capecchiová sa aj s malým Máriom presťahovala do USA k svojmu bratovi, významnému fyzikovi Edwardovi Rambergovi. Tu sa z malého analfabeta a asociála stal postupne „človek“. Postupne ukončil základnú, strednú aj vysokú školu a pokračoval v postgraduálnom štúdiu na Harvarde u nositeľa Nobelovej ceny Jamesa Watsona. Dnes je nositeľom Nobelovej ceny za fyziológiu a medicínu aj Mário Cappechi, spolu s ním ju získali aj Brit Martin J. Evans a Američan Oliver Smithies.
Týchto troch mužov spája dlhoročné priateľstvo. Je to hlavne vďaka veľkorysosti Martina J. Evansa, ktorý výsledok svojej viacročnej a v mnohom prelomovej práce ochotne poskytol ďalším dvom. Išlo jednak o kultúry embryonálnych kmeňových buniek myší, a jednak o metódu, ako pomocou týchto kultúr produkovať živé myši nesúce cudzí genetický materiál (DNA retrovírusov).
Capecchi a Smithies už predtým ukázali (nezávisle od seba) na iných bunkových kultúrach, že gény môžu byť cielene modifikované, pomocou takzvanej homologickej rekombinácie. Ich prínos bol nielen v objavení metódy cieleného vypínania génov, ale aj v jej zdokonalení a zefektívnení do tej miery, že sa stála mocným a v súčasnosti veľmi rozšíreným nástrojom pre štúdium funkcie jednotlivých génov. Embryonálne kmeňové bunky a Evansova metóda im umožnili dosiahnuť takúto cielenú modifikáciu u živých myšacích embryí, z ktorých sa potom vyvinuli dospelé jedince, ktoré preniesli pozmenené konkrétne gény (najčastejšie inaktivované – vypnuté) na svoje potomstvo. Prvé takéto myši sa narodili v roku 1989.
Význam metódy spájajúcej objavy všetkých troch laureátov je pre fyziológiu a medicínu naozaj obrovský. Genetický a fyziologický výskum sa dá rozdeliť na éru pred a po jej objavení. Táto metóda umožňuje vedcom skúmať fyziologickú funkciu jednotlivých génov, konkrétne čo sa deje s organizmom (myšou), keď je ten-ktorý gén nefunkčný. A nielen to, umožňuje zistiť, ako sa tomu dá pomocou génovej terapie pomôcť pri mnohých ochoreniach. V súčasnosti je vytvorených kolo 500 rôznych myších modelov pre konkrétne ľudské ochorenia počnúc cystickou fibrózou, cukrovkou, hypertenziou, kardiovaskulárnymi a neurodegeneratívnymi ochoreniami končiac. Mnohým z nás možno v celkom blízkej budúcnosti významne pomôžu liečebné postupy založené na práci malého špinavého talianskeho žobráčika.
V skutočnosti je tých spoločných čŕt vlastne viac. Piati zo šiestich tohtoročných laureátov sú v podstate rovesníci, majú od 65 do 70 rokov. Ten šiesty je o voľačo starší, má 82 rokov a jeho obľúbenou kratochvíľou je pilotovanie lietadla. Ďalšou spoločnou črtou je štúdium fyziky. Fyziku študovali nielen čerství nositelia Nobelovej ceny za fyziku, ale aj laureát ceny za chémiu a jeden z nositeľov ceny za fyziológiu a medicínu. Ale to, čo ich spája najviac, sú asi predsa len tie aplikácie. A skutočnosť, že ide o výsledky základného, a nie aplikovaného výskumu.
.takmer rodák
Peter Grünberg sa narodil v Plzni v roku 1939, dva mesiace po rozdelení Československa. Jeho otec pracoval ako inžinier na konštrukcii nových lokomotív pre plzenskú škodovku a malý Peter bol zrejme po ňom – jeho najobľúbenejšou hračkou bola stavebnica Merkur. Po roku 1945 sa k novým častiam tejto stavebnice už asi nedostal. V povojnovom Nemecku, do ktorého bola rodina vysídlená na základe Benešových dekrétov, sa asi zháňali iné veci než stavebnice.
Gigantickú magnetorezistenciu objavil Grünberg v roku 1988, necelých päť rokov pred rozdelením Československa. Škoda, mohli sme mať rodáka s Nobelovou cenou. Takto ho majú len Česi, nám ostal len vrúcny vzťah k tým dekrétom.
Mimochodom, ktovie, ako by to bolo s tou Nobelovou cenou, nebyť vysídlenia. V Československu by tak Grünberg možno získal štátnu cenu Klementa Gotwalda za vynikajúce výsledky v rámci nejakého rezortného výskumu. O gigantickú magnetorezistenciu by sme však neprišli. V roku 1988 ju totiž nezávisle od Grünberga objavil aj francúzsky fyzik Albert Fert.
A čo je to vlastne tá magnetorezistencia? Je to na prvý pohľad nepríliš zaujímavá skutočnosť, že magnetické pole ovplyvňuje elektrický odpor niektorých materiálov. Tento fakt, ktorý objavil lord Kelvin pred 150 rokmi, nemal až donedávna nijaké prevratné technické uplatnenie. To sa však dramaticky zmenilo nástupom počítačov a v nich harddiskov ako pamäťového média.
Harddisky si pamätajú veci tak, že ich jednotlivé časti sú rôznym spôsobom zmagnetizované. Informáciu z harddisku číta počítač tak, že prevádza informáciu o zmagnetizovaní disku na elektrický signál, pričom využíva práve jav magnetorezistencie. Čím väčšiu magnetorezistenciu materiál vykazuje, tým lepšie harddisky sa z neho dajú vyrobiť.
Grünberg a Fert v roku 1988 zistili, že magnetorezistencia nezávisí len od materiálu, ale aj od jeho usporiadania. Ak na seba nanesieme veľmi tenké vrstvy rôznych kovov, môžeme dosiahnuť magnetorezistenciu o niekoľko rádov vyššiu než v bežných prípadoch. Ak by sa dali z takýchto tenkých vrstiev vyrábať harddisky, dosiahli by sme dovtedy nevídané pamäťové kapacity.
Dá sa to? Ale áno, od konca 90. rokov sú prakticky všetky harddisky založené na gigantickej magnetorezistencii. Práve jej využitie umožnilo skok od megabajtových diskov ku gigabajtovým, miniaturizáciu diskov do mp3 prehrávačov, fotoaparátov, a tak ďalej. Ak sa v tomto momente rozhliadnete okolo seba, takmer určite zbadáte niečo, čo využíva jav gigantickej magnetorezistencie.
.takmer muzikant
Gerhard Ertl sa narodil v Stuttgarte v roku 1936. V detstve sníval o kariére klavírneho virtuóza a hre na klavír sa vo svojom voľnom čase venuje dodnes. V pracovnom čase sa venuje virtuozite. Akurát, že s inými než hudobnými nástrojmi.
A práve za tú virtuozitu získal Ertl Nobelovu cenu. V jeho prípade totiž nejde o jeden konkrétny objav, ale o celkový príspevok k jednej veľkej oblasti chémie a najmä o excelentné využívanie veľmi rôznorodých experimentálnych metód. Väčšinou išlo o fyzikálne metódy, ale to nie je nič prekvapujúce – v poslednom čase je stieranie rozdielov medzi jednotlivými vedeckými Nobelovými cenami skôr pravidlom než výnimkou.
Vzťah Ertlovej práce k aplikáciám bol a je obojsmerný. Často vychádzal z priemyselne dôležitých chemických reakcií a jeho snahou bolo tieto reakcie čo najlepšie preskúmať a pochopiť. To, že toto „pochopenie pre pochopenie“ často viedlo k novým aplikáciám, neprekvapí asi nikoho (hádam s výnimkou ministra Mikolaja).
Vo väčšine týchto reakcií hral úlohu katalyzátora povrch nejakej tuhej látky. Napríklad povrch železa pri výrobe amoniaku zo vzdušného dusíka (táto reakcia umožnila priemyselnú výrobu umelých hnojív, vďaka ktorej milióny ľudí nevedia, čo je to hlad). Alebo povrch platiny pri premene oxidu uhoľnatého na oxid uhličitý v katalyzátoroch automobilov (táto reakcia výrazne znižuje škodlivosť výfukových plynov).
Čo sa to vlastne deje pri reakciách na povrchu týchto kovov? Molekuly látok nachádzajúcich sa v plyne nad povrchom kovu doň neustále narážajú. Väčšina z nich sa pritom odrazí, ale mnohé sa neodrazia a zostanú naviazané na povrchu kovu. Niektoré molekuly sa „prilepia“ len jedným koncom, niektoré viacerými koncami a v takom prípade môže dôjsť k „roztrhnutiu“ pôvodnej molekuly, pričom obe časti zostanú naviazané na povrchu kovu. Tieto časti molekúl mávajú oveľa väčšiu chuť do chemických reakcií ako pôvodné molekuly a ak sa v ich blízkosti ocitne nejaká iná molekula, veľmi ochotne sa s ňou dajú do reči a často nezostane len pri tom. Výsledkom je vznik nových molekúl.
Tak napríklad automobilový katalyzátor funguje tak, že na povrch platiny sa naviažu jednak molekuly škodlivého oxidu uhoľnatého CO a jednak molekuly kyslíka O2. Molekuly kyslíka sa „roztrhnú“ na dva samostatné atómy kyslíka, ktoré zostávajú naviazané na povrch platiny a ak sa ocitnú pri molekule CO, rady s ňou vytvoria molekulu neškodného CO2. Tá sa potom oddelí od povrchu platiny a uvoľní tak miesto ďalšej reakcii.
Tak to vyzerá v hrubých rysoch. Ako to vyzerá v detailoch, vieme najmä vďaka Ertlovým výskumom a jeho priam muzikantskej virtuozite.
.takmer asociál
Najranejšou spomienkou Maria R. Capecchiho je odvedenie jeho matky dôstojníkmi Gestapa a SS. Predvídajúc svoje uväznenie pre protifašistické a protinacistické postoje, predala väčšinu svojho majetku a výťažok dala roľníckej rodine v Tirolsku, aby sa postarali o jej trojročného syna. Tam strávil malý Mario zhruba rok, a potom bol za nejasných okolností ponechaný sám na seba. Zvyšok vojny trávil žobrajúc v uliciach severotalianskych miest, niekedy v spoločnosti ďalších detí bez domova, niekedy v sirotincoch. Jeho trvalým spoločníkom bol hlad.
Ani po vojne pre neho nenastali lepšie časy. Takmer rok strávil, podobne ako množstvo ďalších detí, v nemocnici so stovkami postelí bez prikrývok a plachiet. Hlavnou chorobou týchto detí bola otrasná podvýživa, ale najjednoduchší liek na ňu – normálnu stravu – nedostali. Tam ho našla v horúčkach, bojujúceho o život, jeho mama, presne v deň jeho deviatych narodenín.
Pani Capecchiová sa aj s malým Máriom presťahovala do USA k svojmu bratovi, významnému fyzikovi Edwardovi Rambergovi. Tu sa z malého analfabeta a asociála stal postupne „človek“. Postupne ukončil základnú, strednú aj vysokú školu a pokračoval v postgraduálnom štúdiu na Harvarde u nositeľa Nobelovej ceny Jamesa Watsona. Dnes je nositeľom Nobelovej ceny za fyziológiu a medicínu aj Mário Cappechi, spolu s ním ju získali aj Brit Martin J. Evans a Američan Oliver Smithies.
Týchto troch mužov spája dlhoročné priateľstvo. Je to hlavne vďaka veľkorysosti Martina J. Evansa, ktorý výsledok svojej viacročnej a v mnohom prelomovej práce ochotne poskytol ďalším dvom. Išlo jednak o kultúry embryonálnych kmeňových buniek myší, a jednak o metódu, ako pomocou týchto kultúr produkovať živé myši nesúce cudzí genetický materiál (DNA retrovírusov).
Capecchi a Smithies už predtým ukázali (nezávisle od seba) na iných bunkových kultúrach, že gény môžu byť cielene modifikované, pomocou takzvanej homologickej rekombinácie. Ich prínos bol nielen v objavení metódy cieleného vypínania génov, ale aj v jej zdokonalení a zefektívnení do tej miery, že sa stála mocným a v súčasnosti veľmi rozšíreným nástrojom pre štúdium funkcie jednotlivých génov. Embryonálne kmeňové bunky a Evansova metóda im umožnili dosiahnuť takúto cielenú modifikáciu u živých myšacích embryí, z ktorých sa potom vyvinuli dospelé jedince, ktoré preniesli pozmenené konkrétne gény (najčastejšie inaktivované – vypnuté) na svoje potomstvo. Prvé takéto myši sa narodili v roku 1989.
Význam metódy spájajúcej objavy všetkých troch laureátov je pre fyziológiu a medicínu naozaj obrovský. Genetický a fyziologický výskum sa dá rozdeliť na éru pred a po jej objavení. Táto metóda umožňuje vedcom skúmať fyziologickú funkciu jednotlivých génov, konkrétne čo sa deje s organizmom (myšou), keď je ten-ktorý gén nefunkčný. A nielen to, umožňuje zistiť, ako sa tomu dá pomocou génovej terapie pomôcť pri mnohých ochoreniach. V súčasnosti je vytvorených kolo 500 rôznych myších modelov pre konkrétne ľudské ochorenia počnúc cystickou fibrózou, cukrovkou, hypertenziou, kardiovaskulárnymi a neurodegeneratívnymi ochoreniami končiac. Mnohým z nás možno v celkom blízkej budúcnosti významne pomôžu liečebné postupy založené na práci malého špinavého talianskeho žobráčika.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.