V prvním říjnovém týdnu se jako tradičn ě udělovaly Nobelovy ceny. Přinášíme krátký přehled laureátů a jejich práce ve třech přírodovědných oborech.
Fyzika: Jak dopadne chaos
Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2021 získali tři vědci zabývající se popisem složitých fyzikálních systémů, mimo jiné i základním výzkumem, který vedl k vytvoření průkopnických matematických modelů zemského klimatu a vzniku předpovědi, podle které zvyšující se množství oxidu uhličitého v zemské atmosféře povede ke zvýšení globální teploty. Syukuro Manabe a Klaus Hasselmann si za toto modelování rozdělí polovinu finanční prémie. Druhou polovinu získává teoretický fyzik Giorgio Parisi z římské univerzity Sapienza za svůj příspěvek k teorii komplexních systémů. Jeho práce ovlivnila mnoho oblastí, od neurověd až po způsob balení sypkých materiálů, uvedl Nobelův výbor ve svém oznámení 5. října. „Jsou to dvě různé ceny, které ovšem mají společné téma s řádem, s výskytem fluktuací, jež dají vzniknout něčemu, čemu můžeme rozumět a co můžeme předvídat,“ řekl při oznámení cen Thors Hans Hansson, předseda Nobelova výboru pro fyziku. Díky práci těchto vědců je například možné z chaosu počasí vyvodit předpovědi o tom, jak se bude vyvíjet klima v budoucnosti (samozřejmě, přesné jen do určité míry). Manabe, který nyní působí na Princetonské univerzitě v New Jersey, v 60. letech 20. století ukázal, jak zvýšené množství oxidu uhličitého v zemské atmosféře vede ke zvýšení teploty na povrchu, a vypracoval první matematické modely klimatu planety. Zhruba o 10 let později Hasselmann z Ústavu Maxe Plancka pro meteorologii v německém Hamburku navázal na tuto práci a vytvořil model propojující počasí a klima. „Manabe nám ukázal, jak a proč vede zvyšování CO2 ke globálnímu oteplování. Hasselmann prokázal, že k tomu dochází,“ komentoval cenu pro vědecký časopis Nature klimatolog Bjorn Stevens, rovněž z Ústavu Maxe Plancka pro meteorologii. Dodává, že ústav je nadšen, že dvojice získala „první Nobelovu cenu za vědu, která je základem našeho chápání klimatických změn“. Hlavním přínosem Hasselmannovy práce bylo zavedení „prvního koncepčního modelu“ zemského klimatu v 70. letech 20. století. Jde o jednoduchý soubor rovnic zachycující globální jevy pomocí pouhých několika proměnných. Tento přístup poskytl poznatky doplňující dosavadní znalosti globálních cirkulačních modelů, což jsou geograficky přesně kalkulace spoléhající na hrubou výpočetní sílu. Mimochodem, Klaus Hasselmann ve svých 89 letech údajně nadále aktivně sleduje vývoj v této oblasti. A pokud může, povzbuzuje vědce, aby se nebáli vyzkoušet netradiční přístupy. John Wettlaufer, vědec zabývající se Zemí a planetami na Yaleově univerzitě v New Havenu ve státě Connecticut a člen fyzikálního Nobelova výboru, pro Nature uvedl, že Manabe byl „ohromen“, když se o získání ceny dozvěděl. „Řekl: ‚Ale já jsem jen klimatolog.‘“
Skrytý řád Giorgio Parisi, čerstvý držitel druhé poloviny ceny, začal svou vědeckou kariéru v teoretické fyzice. Koncem 70. let se zaměřil na teorii komplexních systémů, kde objevil skrytý a neintuitivní typ řádu ve vzájemném působení mnoha objektů. V některých systémech, například v magnetických materiálech, mají atomy tendenci řadit se rovnoběžně se svými sousedy, ale složité systémy jsou méně předvídatelné. Přesto Parisi zjistil, že splňují určitý druh symetrie, který je patrný pouze při porovnání uspořádání jednotlivých atomů v různých měřítkách. Jeho práce tak pomohla najít cestu k interpretaci složitých jevů. Ukázalo se, že teorie je užitečná i pro systémy, které se na první pohled zdají být zcela náhodné, jako je například struktura skla. Spojitost mezi jeho prací a prací Manabeho a Hasselmanna spočívá v rozeznání významu změn v systému, tedy fluktuací. Všichni ukázali, že k pochopení některých vlastností složitějších systémů je zapotřebí zkoumat jejich vlastnosti na vícero různých úrovních.
Medicína: Tohle bude bolet
První udělenou cenu, za fyziologii a lékařství, obvykle známou jako „za medicínu“, získali společně David Julius a Ardem Patapoutian. Newyorský rodák Julius použil kapsaicin, štiplavou látku z chilli papriček, k identifikování senzoru v nervových zakončeních, která v pokožce reagují na teplo. Patapoutian, který se narodil v Libanonu, v buňkách citlivých na tlak objevil nový druh čidel, která reagují na mechanické stimuly v pokožce a vnitřních orgánech. Objev těchto receptorů odhalil, jak si naše tělo „překládá“ vjemy z okolí do signálů, jimž rozumí. Obecně se předpokládá, že by tyto vědomosti mohly pomoci např. při vývoji nových léků proti chronickým bolestem.
Chilli věda Do sklonku minulého století nebylo jasné, jak tělo zpracovává hmatové a další impulzy, které přijímá. V 90. letech 20. století proto Julius s kolegy systematicky procházeli geny, které se zapínají v reakci na bolest, teplo a dotek, aby zjistili, který je odpovědný za reakci na pálivou látku kapsaicin dodávající „ostrost“ chilli papričkám. Jejich hledání je dovedlo ke genu, který kóduje bílkovinu zvanou TRPV1. Tento protein tvoří jakýsi kanál zabudovaný přímo v membránách našich buněk. Aktivace kanálu umožňuje průchod iontů. Týmy obou vědců také dokázaly, že objevily obecný princip vnímání podobných podnětů. Tedy že například bílkovina TRPV1 není „specializována“ na chilli, ale má širší úlohu při přenosu bolestivých pocitů z tepla. Patapoutian a jeho spolupracovníci mezitím hledali molekuly, které se aktivují mechanickými silami. Tým identifikoval buňky, které při podráždění vydávají elektrický signál, a pátral po genech, které by mohly tuto reakci řídit. To vedlo k objevu dalších dvou iontových kanálů, pojmenovaných Piezo1 a Piezo2, jež aktivuje tlak. Julius a Patapoutian zároveň nezávisle na sobě použili mentol, aby mohli studovat reakce buněk na chlad. To vedlo k objevu dalšího iontového kanálu zvaného TRPM8, aktivovaného chladem. Identifikace dalších příbuzných proteinů vnímajících bolest pomohla vědcům pochopit molekulární podstatu bolesti, což mimo jiné otevírá možnost hledat nové způsoby tlumení bolesti. Bolest totiž zdravotní obtíže nejen doprovází, ale může jich sama i řadu vyvolávat.
Chemie: Nový typ pomocníka
Benjamin List a David MacMillan získali Nobelovu cenu za chemii za rok 2021 za vývoj nového, důmyslného nástroje pro stavbu molekul — organokatalýzy. Její využití zahrnuje výzkum nových léčiv a pomohlo také snížit ekologickou zátěž mnoha chemických procesů. Na schopnosti chemiků vytvářet nové, funkční molekuly závisí celá řada činností. Jde např. o elektrolytové materiály moderních akumulátorů, nebo molekuly, z nichž lze vyrobit lehké běžecké boty či léky schopné zabránit rozvoji určité nemoci. Objev posunul lidskou schopnost vytvářet konstrukce nutné pro tvorbu molekul s určitými vlastnostmi na novou úroveň. Nejenže učinil chemii „zelenější“, ale také výrazně usnadnil výrobu takzvaných asymetrických molekul. V chemii často nastává situace, ve které mohou vzniknout dvě molekuly, jež jsou navzájem svým zrcadlovým obrazem. Můžete si je představit jako pravou a levou ruku. Hlavně v případě biologicky účinných látek, tedy řekněme léků, však velmi záleží na tom, která ruka vás léčí. Molekuly s opačnou orientací mohou mít v těle velmi odlišné účinky. Někdy může být druhá „varianta“ dokonce velmi škodlivá. Benjamin List a David MacMillan přišli s postupem, tzv. asymetrickou organokatalýzou, která umožňuje v celé řadě případů vyrábět molekuly jen o jedné orientaci. Postup, který se dnes využívá při výrobě celé řady rozšířených a úspěšných léků, je navíc relativně jednoduchý a široce použitelný.
Vylepšený trik Jak jste z názvu jistě pochopili, jde o novou disciplínu katalýzy. Ta byla ve vědě pod tímto názvem popsána v první polovině 19. století. V roce 1835 chemik Jacob Berzelius ve výroční zprávě Královské švédské akademie věd popisující nejnovější pokroky ve fyzice a chemii informoval o nové „síle“, která dokáže „vytvářet chemickou aktivitu“. Uvedl několik příkladů, kdy pouhá přítomnost látky spustila chemickou reakci, a konstatoval, že tento jev se zdá být podstatně častější, než se dříve myslelo. Domníval se, že látka má katalytickou sílu, a samotný jev nazval katalýzou. Chemici od té doby objevili množství katalyzátorů, které dokážou molekuly rozkládat, nebo je naopak spojovat. Díky nim lze nyní vytvářet tisíce různých látek, které lidstvo používá v každodenním životě — ať už léky, plasty, parfémy, nebo chutě do potravin. Odhaduje se, že až 35 % celkového světového HDP nějakým způsobem zahrnuje chemickou katalýzu. Katalyzátorů známe dnes celou řadu. Ovšem zrovna v případě výroby molekul jedné orientace (tzv. homochirálních, tedy se stejnou chiralitou) jsme až do přelomu 20. století příliš na vybranou neměli. Všechny katalyzátory použitelné v této oblasti byly buď enzymy, tedy velmi složité molekuly, které nebylo možné navrhovat dostatečně „na míru“, nebo musely obsahovat kovy. A s kovovými katalyzátory se těžko pracovalo. Často byly jedovaté, vyžadovaly specifické podmínky apod. Laureáti letošní Nobelovy ceny za chemii ovšem dokázali problém z velké části vyřešit. První, kdo velký objev na tomto poli publikoval, byl Benjamin List. Popsal nové využití aminokyseliny, tedy běžné, neškodlivé a snadno dostupné organické sloučeniny, která se nazývá prolin. Prokázal, že jde o velmi účinný katalyzátor se zajímavými vlastnostmi. Současně, ale nezávisle na něm na podobném problému pracoval i jeho vrstevník David MacMillan. Ten se zpočátku pokoušel vylepšit asymetrickou katalýzu pomocí kovů, časem si ale všiml, že kovové katalyzátory se málokdy dostávají do praxe. Jejich využití bylo příliš obtížné a drahé. Proto postupně přešel k návrhům jednoduchých organických molekul s podobným katalytickým účinkem, ale nižší cenou. Protože využíval organických molekul, nazval celý proces organokatalýzou. Často zmiňovaným příkladem toho, co změna znamenala, bývá strychnin. Výroba tohoto léku (jako jed se používá spíše jen v románech) byla složitá. Vyžadovala 29 různých chemických reakcí, přičemž strychnin tvořil jenom 0,0009 % finálního materiálu. Zbytek byl odpad. Od roku 2011 se ale strychnin vyrábí pomocí organokatalýzy, díky které je potřeba jen 12 kroků a výrobní proces je 7 000× účinnější než v minulosti. /jj/