No šūnām līdz eksoplanētām – paziņoti Nobela zinātnes balvu ieguvēji

Vēl deviņi zinātnieki nu varēs lepoties ar Nobela balvas laureāta statusu. Dzīvo organismu šūnu darbības pētnieki, iespējams, palīdzēs izstrādāt medikamentus, kas ļaus pieveikt smagas slimības. Astrofiziķi dara visu iespējamo, lai noskaidrotu, kā ir radies Visums un vai tajā var pastāvēt kādas citas dzīvības formas. Bet ķīmiķu veikums jau ir teju katra cilvēka mājās – litija jonu baterijas, kas ievērojami paildzinājušas elektronisko ierīču dzīvi, bet nu pārceļojušas arī uz elektromobiļiem.

Šonedēļ viss aprobežojies ar laureātu izsludināšanu, un vairākus amerikāņu zinātniekus ļoti agrā rīta stundā nācies izcelt no gultas – Nobela komitejas ētika prasa viņiem uzdot jautājumu, vai izvēlētie piekrīt balvas saņemšanai. Prēmiju pasniegšanas ceremonija notiks 10. decembrī Stokholmā, un tās laikā Zviedrijas karalis Kārlis XVI Gustavs laureātiem pasniegs medaļas, diplomus un naudas čekus – katrā kategorijā prēmijas apjoms ir 9 miljoni kronu jeb aptuveni 833 000 eiro.

Šūnu pielāgošanās skābekļa daudzuma izmaiņām

Ikviena cilvēka (un arī vairuma mūsu planētas citu dzīvo būtņu) organismam vitāli svarīgs ir skābeklis. Taču, kā organisms zina, kad tā pieplūdums ir pārāk mazs vai pārāk liels, attiecīgi reaģējot? Par atbildi uz šo sarežģīto jautājumu Nobela prēmija medicīnā un fizioloģijā piešķirta amerikāņiem Viljamam Kelinam un Gregam Semenzam, kā arī britam Pīteram Retklifam. Viņi, lielākoties strādājot neatkarīgi viens no otra, spējuši atklāt un aprakstīt ļoti komplicētos molekulāros mehānismus, kas regulē gēnu aktivitāti atkarībā no tā, cik daudz skābekļa pieplūst tai vai citai šūnai. «Šā gada Nobela prēmijas laureātu fundamentālie atklājumi snieguši ieskatu vienā no pašiem nozīmīgākajiem dzīvības adaptācijas procesiem,» norādījusi Zviedrijas zinātņu akadēmija.

«Skābeklis ir vitāli svarīga sastāvdaļa jebkuras mūsu ķermeņa šūnas izdzīvošanai. Tā trūkums vai pārpilnība var novest pie nelaimes,» sarunā ar Reuters sacījis Britu Karaliskās zinātņu akadēmijas prezidents Venki Ramakrišnans. Viņš atgādinājis, ka šī izpratne cilvēkiem radusies vēl XX gadsimtā, taču līdz pat salīdzinoši nesenam laikam nav bijis skaidrs, kādā veidā mūsu organisms piemērojas saņemtā skābekļa daudzuma svārstībām – klasisks piemērs šajā ziņā ir visu mūžu gandrīz jūras līmenī nodzīvojuši ceļotāji, kuri dodas augstu kalnos, kur ir retināts gaiss, un tur ne tikai izdzīvo, bet spēj arī pilnvērtīgi darboties.

Kopš pagājušā gadsimta deviņdesmitajiem gadiem atbildi uz šo jautājumu meklējuši un arī atraduši 61 gadu vecais onkologs V. Kelins, viņa kolēģis 63 gadus vecais G. Semenza un 65 gadus vecais molekulārbiologs P. Retklifs. Lūk, ko viņi noskaidrojuši. Izrādās, ka katrā mūsu organisma šūnā ir olbaltumviela, kurai dots nosaukums HIF (Hypoxia Inducible Factor). Normālos apstākļos jeb tad, kad šūna saņem tai pietiekamu daudzumu skābekļa, šī olbaltumviela automātiski noārdās, reaģējot ar citu olbaltumvielu kompleksu. Taču tad, ja skābekļa daudzums ir nepietiekams, noārdīšanās nenotiek, un HIF dod signālu šūnā esošajiem gēniem ģenerēt pēc iespējas vairāk hormona eritropoetīna (EPO), kas savukārt noved pie tā, ka tiek radīts lielāks skaits sarkano asinsķermenīšu jeb eritrocītu un veidoti jauni asinsvadi. Šādā veidā šūna reaģē uz nepieciešamību palielināt organisma apgādi ar skābekli, vēsta Deutsche Welle, norādot, ka process, protams, ir krietni sarežģītāks un tajā iesaistītas vēl dažādas šūnu sastāvdaļas, taču kopējo ainu tas nemaina.

Šāgada Nobela prēmijas laureātu atklājumu mērogs vēl līdz galam nav aptverts, taču speciālisti prognozējuši, ka uz tā pamata būtu iespējams izstrādāt medikamentus, kas palīdzētu pret veselu virkni kaišu, ieskaitot insultu, anēmiju vai vēzi. Zviedrijas Karaliskā institūta profesors Rendals Džonsons sarunā ar Reuters norādījis, ka šis šūnu mehānisms (tāpat kā viss cilvēka organisms) gadu gaitā nolietojas un vairs nespēj adekvāti reaģēt, piemēram, uz insultu, kad strauji samazinās galvas smadzenēm piegādātā skābekļa apjoms. Ja riska zonā esošo pacientu šūnas ar medikamentu palīdzību tiktu laicīgi motivētas palielināt smadzeņu apgādi ar skābekli, daudzi cilvēki, iespējams, izdzīvotu. Diametrāli pretēja situācija ir attiecībā uz ļaundabīgajiem audzējiem. Šajā gadījumā jādara viss iespējamais, lai to šūnas ietu bojā, un jau tiek izstrādāti medikamenti, kuru mērķis ir paralizēt to darbību, nereaģējot uz skābekļa nepietiekamību. Tiesa, šādi preparāti, domājams, ir tālākas nākotnes jautājums.

Visuma evolūcija un eksoplanētas

Fizika ir pietiekami plašs jēdziens, un šogad Nobela komiteja nolēmusi piešķirt balvu kosmologam un astrofiziķiem – zinātniekiem, kuri ieskatījušies Visuma dzīlēs un parūpējušies par to, lai mūsu sapratne par tā izcelsmi un uzbūvi pieaugtu. Uz diviem pašiem svarīgākajiem jautājumiem – kā mēs (dzīvās būtnes, kas mīt uz Zemes) esam radušies un vai esam vienīgā saprātīgā (vismaz mūsu izpratnē) civilizācija kosmosā, atbilde vēl nav atrasta, taču šāgada prēmijas ieguvēji darījuši visu iespējamo, lai šim atrisinājumam pietuvinātos.

Kanādā dzimušais, bet ASV strādājošais 87 gadus vecais Dž. Pīblss, kurš saņems pusi no finansiālās prēmijas, bijis paraugs veselai virknei slavenu astrofiziķu. Pagājušā gadsimta sešdesmito gadu otrajā pusē tieši viņš līdz galam noformulēja teoriju, saskaņā ar kuru tikai 5% Visuma masas veido redzamie objekti (zvaigznes, planētas, asteroīdi, komētas utt.), savukārt 25% ir tā sauktā tumšā matērija, bet vēl 70% – tumšā enerģija. Līdz pat mūsdienām, tātad vairāk nekā 50 gadu garumā, nav izdevies īsti precizēt šo terminu nozīmi (vienkāršoti sakot, nedz tumšo matēriju, nedz tumšo enerģiju neviens nav fiksējis), taču vairums speciālistu uzskata, ka Dž. Pīblsa teorija ir pareiza.

Tāpat par Nobela prēmijas ieguvējiem pasludināti šveiciešu astrofiziķi Mišels Mažors un Didjē Kelo. 1995. gadā viņi kļuva par pirmajiem, kuriem izdevās novērot planētu, kas riņķo ap zvaigzni citā zvaigžņu sistēmā. Interneta ziņu vietne LiveScience.com atgādina, ka jau simtiem gadu garumā cilvēces pārstāvji ne reizi vien nonākuši pie domas – ja reiz Visumā ir Saulei līdzīgas zvaigznes, kādēļ gan ap tām nevarētu riņķot planētas. Taču pirmais zinātniskais apstiprinājums tam tika gūts tikai pirms 24 gadiem, kad Ženēvas universitātes pētnieki, izmantojot pašu izgatavotu īpaši jutīgu spektrometru, fiksēja, ka planēta 51 Pegasi b uz pavisam īsu brīdi aizsedz savu Saulei līdzīgo zvaigzni, kas atrodas aptuveni 50 gaismas gadu attālumā no Zemes. Vēlāki pētījumi apliecināja, ka uz šīs planētas dzīvība (vismaz mūsu izpratnē) nevar pastāvēt, jo izrādījās, ka tā ir gāzes gigants, kas atrodas ļoti tuvu zvaigznei, un tās temperatūra pārsniedz 1000 grādus pēc Celsija skalas. Taču līdz šim atklāts jau vairāk nekā 4000 eksoplanētu, un vairāki desmiti no tām atrodas tā sauktajā apdzīvotības zonā, kur ir iespējama ūdens pastāvēšana šķidrā veidā. Bet ūdens, vismaz cilvēces izpratnē, ir dzīvības rašanās pamats.

Litija jonu bateriju izgudrotāji

Plašākai sabiedrībai vismazāk skaidrojumu varētu būt nepieciešami par Nobela komitejas lēmumu prēmiju ķīmijā piešķirt Stenlijam Vitingemam, Džonam Gudenofam un Akiram Jošino, kuri katrs devuši savu artavu litija jonu akumulatoru izstrādāšanā. Zviedrijas Zinātņu akadēmijas ģenerālsekretārs Jērans Hānsons norādījis, ka šie akumulatori, ko bieži vien mēdz dēvēt vienkārši par baterijām, ir sekmējuši mobilās ēras iestāšanos, jo tie tiek izmantoti gan klēpjdatoros, gan viedtālruņos un citās ierīcēs, bet beidzamo gadu laikā aizvien biežāk arī elektriskajās automašīnās un līdzīgos transporta līdzekļos, uzsver Deutsche Welle. Ne mazāk svarīgi ir tas, ka akumulatori, kas kļūst aizvien jaudīgāki, spēj uzkrāt saules, vēja vai paisuma viļņu ražoto enerģiju, kas nozīmē vēl vienu soli uz priekšu, lai atteiktos no fosilā kurināmā un pārtrauktu piedrazot planētas atmosfēru ar globālās klimata pārmaiņas izraisošām gāzēm.

Londonas Impērijas koledžas inženierzinātnes profesors Gregorijs Ofers intervijā Reuters sacījis, ka prēmijas laureātu atklājumi noveduši pie vienas no XXI gadsimta visplašāk izmantojamo tehnoloģiju ieviešanas, bet Kembridžas universitātes materiālu mācības eksperts Pols Koksons nodēvējis litija jonu baterijas par «mobilās ēras nemanāmajiem darba zirdziņiem».

AP atgādina, ka pirmās baterijas, kas spēja uzkrāt ķīmisko enerģiju un pēc tam to pārvērst elektroenerģijā, tika izgudrotas vēl XIX gadsimtā. Tās bija tā sauktās sārmainās baterijas, kuru sastāvā bija tādi elementi kā svins, niķelis vai cinks. Šāda veida ierīcēm bija trīs nozīmīgi mīnusi – tās bija lielas un nedrošas, turklāt šīs baterijas nebija iespējams no jauna uzlādēt, un pēc resursu izstrādāšanas tās (līdz ar videi bīstamajām ķimikālijām) visbiežāk nonāca izgāztuvēs, jo par to utilizāciju tolaik neviens neaizdomājās. XX gadsimtā baterijas tika modernizētas, un tās jau vairākkārt bija iespējams uzlādēt no jauna – tā radās, piemēram, automašīnu akumulatori, kas gan vēl līdz mūsdienām ir saglabājuši vienu no galvenajām nepilnībām, būdami pārāk lieli un pārāk smagi.

Pamatus jauna tipa akumulatora izstrādāšanai lika pašlaik 77 gadus vecais britu zinātnieks S. Vitingems, kuru pagājušā gadsimta septiņdesmito gadu pirmajā pusē, kad Rietumu pasauli bija pārņēmusi naftas krīze, nolīga kompānija Exxon. Viņam ienāca prātā akumulatoros kā anodu izmantot titāna disulfīdu, bet kā katodu – mūsu planētas vieglāko metālu litiju. 1980. gadā šo tehnoloģiju uzlaboja amerikānis Dž. Gudenafs (97 gadu vecumā viņš kļūs par vēsturē vecāko Nobela prēmijas saņēmēju), kurš, aizstājot titāna disulfīdu ar kobalta oksīdu, panāca baterijas sprieguma palielināšanu no 2 līdz 4 voltiem. Tomēr arī viņam neizdevās atrisināt būtisku problēmu. Litijs ir viegli reaģējošs ķīmiskais elements, tādēļ akumulatori varēja negaidīti uzsprāgt. Nu pienāca 71 gadu vecā A. Jošino kārta dot savu ieguldījumu. Pēc ilgiem pētījumiem viņš secināja, ka pats litijs metāliskā veidā akumulatoram nav nepieciešams un pilnīgi pietiek ar šā vieglā metāla joniem. 1985. gadā A. Jošino bija līdz galam izstrādājis jaunā tipa akumulatoru, kura anoda lomu pildīja poliacetilēns, bet katoda – litija un kobalta oksīds. Pēc neskaitāmām pārbaudēm šāda veida akumulatori tika atzīti par drošiem un komerciāli izdevīgiem, bet 1991. gadā kompānija Sony uzsāka pirmo prototipu ražošanu.