Крысиный GPS, революция в освещении и супермикроскоп

Нобелевские естественнонаучные премии 2014 года будут вручены за вполне прикладные достижения либо открытия, имеющие очевидный практический выход

Иллюстрация: Константин Батынков

Шведская королевская академия наук при выборе нобелевских лауреатов 2014 года попыталась в максимальной степени приблизиться к духу и букве завещания Альфреда Нобеля. Тот, как известно, настойчиво рекомендовал награждать премией тех исследователей, чьи изобретения обладают значительной практической направленностью.

Показателен в данной связи комментарий одного из крупнейших физиков-теоретиков мира, нобелевского лауреата 2004 года американца Дэвида Гросса. Он признал, что испытывает большое удовлетворение от того, что «в последние годы Нобелевский комитет наконец достиг грамотного баланса между присуждением премий за фундаментальные научные открытия и чисто прикладные исследования. С завидной регулярностью, примерно каждые пять-шесть лет, наградами отмечаются изобретения, принесшие большую практическую пользу человечеству».

 

Картографы мозга

Нобелевскую премию по физиологии и медицине присудили троим ученым — Джону О’Кифу из Университетского колледжа Лондона и Мей-Бритт и Эдварду Мозер из норвежского Университета науки и технологий в Тронхейме. Их открытия связаны с механизмами ориентации живых существ в пространстве.

В телефонном интервью сразу после объявления Нобелевской премии по физиологии и медицине Джон О’Киф на шутливую реплику, что в изучении мозга нужно быть достаточно терпеливым, ведь с момента открытия прошло 43 года, ответил: «О да, у меня репутация очень терпеливого человека». В 1971 году, когда ученый только высказал свое предположение, что в мозге млекопитающих существуют специальные «клетки места», отвечающие за положение в конкретной точке пространства, к этой идее отнеслись довольно скептически. Но ученый был настойчив.

Лауреаты по физиологии и медицине: Джон О’Киф 52.jpg
Лауреаты по физиологии и медицине: Джон О’Киф

Откуда мы знаем, где находимся? Как мы находим путь из одного места в другое? Как мы запоминаем эту информацию, чтобы быстро восстановить знакомый маршрут? Задавая эти вопросы, ученые спрашивают и себя, какие механизмы отвечают за это в нашем мозге, как это происходит на клеточном уровне. Попробуйте разобраться в этом, зная, что мозг содержит почти 200 млрд нейронов, каждый из которых обладает 10 тыс. синапсов, связывающих его с другими нейронами.

Впервые о когнитивной карте в мозге заговорил в середине прошлого века известный канадский нейробиолог Эдвард Толмен из Калифорнийского университета в Беркли: «В процессе обучения в мозге крысы образуется нечто подобное карте окружающей среды. Поступающие стимулы перерабатываются в центральной диспетчерской в предполагаемую когнитивную карту... Эта карта, указывая маршруты, пути и взаимосвязь элементов окружающей среды, окончательно определяет, какими будут ответные реакции...» Ученый проводил много экспериментов с крысами, но на тот момент у него не было убедительных доказательств, как это происходит в мозге на клеточном уровне.

Джон О’Киф стал развивать идею Толмена о когнитивной карте. И предположил, что «карта» находится в гиппокампе. Его эксперименты показывали, что определенные нейроны в гиппокампе активизировались, когда крыса находилась в определенном месте. Когда она перемещалась в другое место, активизировались другие нейроны. «Представьте себе, что из многих тысяч нейронов в гиппокампе активизируется, скажем, сто нейронов, из них десять — с максимально возможной частотой, 50 — со средней и так далее, — объясняет директор Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН Павел Балабан. — А когда крыса перемещается в другое место, из тех же ста нейронов сильнее всего заявляет о себе такой же максимальной частотой другой десяток нейронов. Понятно, что в самом начале этих исследований было немало возражений: мол, эти нейроны могут сигнализировать о чем угодно — о преграде, цвете, запахе и так далее». Дотошно записывая данные, полученные от клеток гиппокампа крыс, передвигавшихся в различных местах, О’Киф доказал, что нейроны места не просто реагируют на определенное место, создавая некую картину пространства, но и формируют такую карту внутри себя в виде ансамбля активностей. Этот ансамбль активируется, когда крыса попадает в уже знакомое ей место. Один из экспериментов показал, что 28 нейронов «откликались» на появление животного в одном определенном месте пространства, 12 нейронов реагировали на появление крысы в трех разных местах. Каждый нейрон входил в соответствующий ансамбль, являющийся своеобразной картинкой положения животного в конкретном месте, которая должна где-то «складироваться» в его памяти. О’Киф назвал эти нейроны клетками места.

Джон О’Киф в свои 75 лет активно работает. Докторскую степень он получил в канадском Университете Макгилла, где работал в свое время и его учитель Эдвард Толмен. Затем О’Киф многие годы трудился в Университетском колледже Лондона, где стал профессором когнитивной нейробиологии. Теперь он директор Центра по изучению нейронных цепей и поведения этого же колледжа.

Супруги Мозер в середине девяностых некоторое время провели в лаборатории Джона О’Кифа, изучая его методы работы. Сейчас их старший коллега отмечает, что уже в то время не сомневался в будущей «звездности» этих молодых ученых. Эдвард и Мей-Бритт познакомились, когда учились в университете Осло. Оба в 1996-м получили докторские степени в области нейрофизиологии. Оба работали в университете Эдинбурга и в Университетском колледже Лондона. В 1996 году они уехали на родину — в университет норвежского Тронхейма.

Лауреаты по физиологии и медицине: Мэй-Бритт Мозер и Эдвард Мозер 53.jpg
Лауреаты по физиологии и медицине: Мэй-Бритт Мозер и Эдвард Мозер

Мей-Бритт со смехом рассказывала, что один из руководителей исследований сказал, как важно группе в составе Эдварда и Мей-Бритт все время сверяться друг с другом. «Да мы и так все время вместе, начиная с завтрака...» — ответили те. Ученая пара сделала свое открытие в 2005 году. Они вычислили еще одну важную ключевую часть системы, отвечающей за положение тела и ориентацию в пространстве, — нейроны, которым супруги дали название grid cell (клетки решетки или сетки; их также называют координатными клетками). Они отвечают за своего рода систему навигации. В Нобелевском комитете ее назвали внутренней GPS. Мозеры нашли эти клетки не в гиппокампе, но недалеко от него — в энторинальной коре мозга.

Данные, снятые с мозга передвигающихся в свободном пространстве крыс, оказались удивительны. Если нарисовать путь грызуна по большой коробке, получатся бессмысленные детские «каляки». Но особые нейроны сильно активизировались, когда крыса пересекала некие точки, которые «разбивали» пространство на гексагоны, состоящие из треугольников. В результате оно становилось похоже на сетку или решетку. Каждый раз, когда крыса пересекала узел гексагональной сетки, grid-нейроны активизировались. «Причем разные grid-нейроны отвечают за разные расстояния, какие-то за пять сантиметров, другие за 15, 50 сантиметров и так далее, — объясняет Павел Балабан. — И получаются сетки или решетки разного “увеличения”, которые накладываются друг на друга и дают мощное и точное покрытие пространства».

Другие эксперименты и исследования выявили, что такие модульные системы ориентации в пространстве есть и у других млекопитающих, в том числе у человека. Если представить себе, что мы смотрим из окна высотки на часть города и видим улицы, дома, деревья, то наш мозг в это время конструирует сразу несколько разномасштабных карт и запоминает их. Ученые предполагают, что такие же координатные сетки не только возникают в процессе обследования пространства, но и должны примерно в таком же виде сохранятся в памяти.

«Хочу заметить, что в начале семидесятых, когда О’Киф сделал свое открытие, у нас похожими исследованиями занималась гениальный ученый Ольга Виноградова, — рассказывает Балабан. — Она изучала ту область гиппокампа, которая отвечает за сравнение, в частности, как идет опознание пространства. Ее работы очень высоко оценены в мире. И в том же Университетском колледже Лондона Виноградовой присудили степень почетного профессора. Кстати, Джон О’Киф ее работы упоминал. Но у Ольги Сергеевны в те времена, видимо, не было таких прекрасных технических возможностей, как у западных коллег, и подтвердить свои идеи она не могла».

 

Третий элемент

Нобелевская премия по физике 2014 года присуждена трем японским исследователям — Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамуре (последний с 2005 года — гражданин США) за важнейшее практическое изобретение: создание «эффективных синих светодиодов, обеспечивающих яркие и энергосберегающие источники белого света».

В пресс-релизе Шведской королевской академии наук констатируется, что новые энергоэффективные и экологичные источники света, полученные благодаря разработанной лауреатами в начале 1990-х годов революционной методике, способствовали основополагающим изменениям в осветительных технологиях: «Обычные лампы накаливания освещали весь ХХ век, а XXI век будут освещать светодиоды».

Лауреаты по физике: Исаму Акасаки 54.jpg
Лауреаты по физике: Исаму Акасаки

В свою очередь, президент британского Института физики Френсес Сондерс заявила, что научные изыскания нобелевских лауреатов «оказали колоссальное воздействие на нашу повседневную жизнь, начиная от существенной экономии электроэнергии и общего улучшения экологии и заканчивая появлением множества полезных новых функций в современных электронных устройствах».

Светоизлучающий диод (Light-emitting diode, LED) — причудливый многослойный «бутерброд» из различных полупроводниковых материалов. Первое практическое наблюдение за световым излучением полупроводника было осуществлено еще в 1907 году британским исследователем Генри Раундом, одним из сотрудников знаменитого итальянского изобретателя Гульельмо Маркони (нобелевский лауреат 1909 года). Ряд пионерских работ по изучению светового излучения в полупроводниках был выполнен талантливым советским физиком-самоучкой Олегом Лосевым.

Лауреаты по физике: Хироси Амано 55.jpg
Лауреаты по физике: Хироси Амано

Впрочем, для внятного теоретического объяснения этого нового феномена — электролюминесценции, явления излучательной рекомбинации отрицательно заряженных электронов и «дырок» (квазичастиц — носителей положительного заряда) в полупроводниках под воздействием электрического тока ученым потребовалось еще два-три десятилетия.

Как известно, первые практические полупроводниковые приборы были «гомопереходными» — так называемый электронно-дырочный переход осуществлялся внутри кристаллов одного вещества. Но почти сразу возникла идея создания гетеропроводниковых устройств, в которых такой переход образуется на стыке двух различных полупроводников — в специальном активном слое, встречаясь в котором, электроны и «дырки» рекомбинируют, преобразуясь в световые частицы, фотоны.

Лауреаты по физике: Сюдзи Накамура 56.jpg
Лауреаты по физике: Сюдзи Накамура

В 1950 году ученые из Ленинградского физтеха Нина Горюнова и Анатолий Регель установили, что для гетеропереходных устройств лучше всего подходят химические соединения группы A3-В5 (то есть состоящие из элементов III и V групп таблицы Менделеева). Но создать практические технологии производства подходящих кристаллов ученым долго не удавалось, поскольку для получения материалов с нужными свойствами необходимо было добиться почти идеального взаимного расположения ячеек кристаллических решеток двух разных веществ. Это стало возможным лишь после того, как появились новые эпитаксиальные (послойные) методики изготовления полупроводниковых структур, основывающиеся на наращивании в сверхвысоком вакууме одноатомных слоев одного вещества на поверхности другого.

Первый светодиод на гетеропроводниках в красном спектре оптического диапазона был представлен в 1962 году профессором Иллинойсского университета США Ником Холоньяком. К концу шестидесятых были созданы и зеленые светодиоды. Для того чтобы получить универсальный белый свет, требовалось добавить последнее звено: светодиоды в самом коротком волновом диапазоне — синем. Однако этот «третий элемент» оказался на удивление крепким технологическим орешком, раскусить который исследователи смогли лишь в конце 80-х годов прошлого века.

Ключевым фактором, способствовавшим этому успеху, стало использование нового полупроводникового материала из группы A3-В5 — нитрида галлия (GaN), а также растворов на его основе. Ученые достаточно быстро установили, что GaN-транзисторы обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими типами полупроводниковых материалов. Однако вырастить высококачественные кристаллы нитрида галлия на подложке, а затем еще и получить в этом материале слои «дырочного типа» многочисленным командам технологов-экспериментаторов никак не удавалось.

Самыми же упорными в этой кропотливой работе оказались нынешние нобелевские лауреаты из Японии: профессор Нагойского университета Исаму Акасаки со своим аспирантом Хироси Амано и работавший независимо от этой пары в лаборатории частной компании Nichia Corporation Сюдзи Накамура (к слову, выпускник того же университета).

В 1986 году Акасаки и Амано впервые смогли получить тонкие пленки из кристаллов GaN на сапфировых подложках при помощи специальной технологии металлорганической эпитаксии из паровой фазы. В свою очередь, Накамура чуть позднее достиг схожих результатов, используя несколько иную технологическую методику выращивания кристаллов.

Наконец, на стыке двух последних десятилетий прошлого века японским исследователям удалось решить и вторую принципиальную задачу — добиться превращения GaN в полупроводник р-типа (без этого было невозможно создать рабочий светодиод) при помощи специальной легирующей добавки из цинка.

Причем «волшебную подсказку» японцы получили от советских исследователей — сам феномен интенсивного излучения в оптическом диапазоне легированными цинком кристаллами GaN под воздействием электронного пучка был впервые экспериментально обнаружен в начале 80-х годов прошлого века сотрудниками физического факультета МГУ Г. Сапариным и М. Чуксиным. Практическая реализация этой задачи была продемонстрирована в 1990 году Акасаки и Амано, а ее теоретическое объяснение предложил Накамура.

В 1992 году Акасаки и Амано представили первый действующий образец синего светодиода, а Сюдзи Накамура год спустя существенно улучшил его технические характеристики, добившись куда более мощного ярко-синего свечения. И уже в середине 90-х годов компания Nichia Сhemical, в которой работал Накамура, начала массовые поставки на мировой рынок сверхъярких синих и зеленых светодиодов. Самому изобретателю Сюдзи Накамуре за его работу руководством компании была первоначально выплачена премия 20 тыс. иен, то есть около 200 долларов! Смертельно уязвленный Накамура, уйдя из Nichia Сhemical в 1999 году и переехав на постоянное жительство в США, в 2001 году подал иск против Nichia Сhemical на 20 млрд иен (около $193 млн долларов по тогдашнему курсу) и выиграл процесс. Однако его бывшая «контора» подала встречный иск, разбирательство затянулось еще на несколько лет, и лишь в 2005-м стороны пришли к соглашению, предусматривающему выплату Накамуре компенсации в размере 843 млн иен (порядка 8 млн долларов).

Как отметил эксперт подразделения Philips «Световые решения» Виталий Степанов, «создание высокоэффективных светодиодов произвело революцию в мире освещения, по сути не оставив шансов другим источникам света. Сегодня примерно 20 процентов энергопотребления человечества приходится на освещение, и cветодиоды позволяют, в зависимости от области применения, экономить от 50 до 80 процентов электроэнергии».

 

На стыке дисциплин

Последняя из трех естественнонаучных Нобелевских премий, химическая, досталась в этом году ученым, разработавшим новую прикладную технологию с явным биомедицинским профилем применения — флуоресцентную микроскопию высокого разрешения.

Лауреатами стали профессор Стэнфордского университета США Уильям Мёрнер, еще один американец Эрик Бетциг (Медицинский институт Говарда Хьюза) и немецкий исследователь Штефан Хелль (уроженец Румынии, ныне директор Института биофизической химии Общества Макса Планка).

Что весьма примечательно, все три новых лауреата-химика на самом деле по своему институтскому образованию физики, и разработанные ими новые технологии по сути своей чисто физические (из области квантовой оптики). Таким образом, можно в очередной раз констатировать, что химическая Нобелевка стала в последние годы присуждаться по большей части за междисциплинарные исследования.

Трио нобелевских лауреатов удостоилось высших научных наград за инновационные решения, позволившие преодолеть пресловутый запретительный барьер, так называемый дифракционный предел разрешающей способности микроскопии, выявленный еще в 1873 году немецким ученым Эрнстом Аббе, который рассчитал, что при достижении отметки примерно в половину длины световой волны, то есть 0,2 микрометра (200 нанометров), искажающее явление дифракции электромагнитных волн не позволит стандартным оптическим микроскопам получать более четкую картинку исследуемых объектов.

Лауреаты по химии: Уильям Мёрнер, Штефан Хелль и Эрик Бетциг 60.jpg
Лауреаты по химии: Уильям Мёрнер, Штефан Хелль и Эрик Бетциг

Этот запретительный уровень оказался особенно значимым для биомедицинских исследований, поскольку средние размеры той же бактерии лишь чуть больше, а, скажем, размеры различных компонентов живых клеток или отдельных белков уже существенно меньше.

И хотя первые электронные микроскопы, созданные еще в 1930-е, в дальнейшем позволили ученым заглянуть далеко за этот дифракционный предел, для биологов и медиков особого проку от его многочисленных разновидностей не было, поскольку для получения нужной картинки исследуемые образцы необходимо мелко шинковать и помещать в вакуумную среду, иными словами, предварительно умерщвлять живые организмы или клетки.

Штефан Хелль предложил один перспективный вариант решения задачи, тогда как Уильям Мёрнер и Эрик Бетциг обошли дифракционный предел при помощи принципиально иного технического подхода. Но обе инновационные методики основывались на использовании общего исходного принципа — задействования в качестве палочки-выручалочки крошечных флуоресцентных молекул-маркеров, испускающих внутри живых организмов короткие световые импульсы в ответ на облучение лазерными лучами.

Комментируя научные достижения Хелля, Бетцига и Мёрнера, заведующий отделом электронной микроскопии НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского Игорь Киреев отметил: «До некоторых пор мы не имели возможности заглянуть в живой наномир при помощи микроскопа. Да, есть электронный микроскоп, дающий суперкачественную картинку. Но для исследования биологических объектов он практически неприменим, поскольку мощность пучка в электронном микроскопе сопоставима с излучением при атомном взрыве, и биологические молекулы просто рассыпаются. Нам же хочется посмотреть на живые клетки. И самым удобным и эффективным способом, позволившим это наконец осуществить, оказалась оптическая флуоресцентная микроскопия, при помощи которой можно сделать изучаемые живые объекты светящимися. Когда они находятся в группе, отличить один от другого невозможно. Но новые методы, предложенные нынешними лауреатами, все-таки позволили их разглядеть поодиночке: в куче светящихся молекул выделять каждую по очереди и затем записывать ее положение с высокой точностью. А потом складывать из этих положений (суперпозиций) комплексную мозаику с разрешением, в десять раз более высоким, чем у обычного оптического микроскопа.

Оригинальные работы лауреатов, которые лежали в основе разработанных ими новых методик, немного отставали от наших желаний, поскольку изначально требовалось длительное время, чтобы накопить сигнал и получить картинку. Но развитие этих технологий в последнее десятилетие идет стремительными темпами, и сейчас уже получаются “живые картинки” с суперточной локализацией молекул со скоростью один кадр за полсекунды, и мы можем достаточно четко наблюдать одну и ту же молекулу движущейся».

Описанная в самых общих чертах Игорем Киреевым методика множественного наложения изображений флуоресцирующих живых молекул была впервые предложена в 1990-е Уильямом Мёрнером и доработана и улучшена уже в 2000-е Эриком Бетцигом.

В свою очередь, базовая методика Штефана Хелля, разработанная в 2000 году, STED-микроскопия (микроскопия на основе подавления спонтанного испускания), предполагала использование двух последовательных лазерных пучков, облучающих исследуемые живые образцы. Первый из них (так называемый лазер накачки), испускаясь на специально подобранной частоте, вызывал у молекул (также предварительно зафиксированных особыми флуоресцентными маркерами) ответное свечение, тогда как второй, подаваемый на другой настраиваемой частоте, избирательно подавлял все инициированное первым пучком излучение вокруг исследуемого крошечного участка размером несколько нанометров. Искусно комбинируя эти лазерные пучки, эта техника позволяла, опять-таки не нарушая дифракционный предел, при помощи финального зигзагообразного оптического сканирования исследуемого участка получать изображение его центрального региона в несколько раз более мелких размеров по сравнению с этим пределом.

Отметим также, что все три лауреата, будучи физиками по образованию, успешно «переквалифицировались» в дальнейшем в биохимиков и активно использовали свои технологические наработки для осуществления исследований в области медицины: Штефан Хелль сейчас занимается изучением работы синапсов головного мозга, Уильям Мёрнер исследует работу различных клеточных белков, а Эрик Бетциг сосредоточился на процессе деления клеток внутри эмбрионов.