Fyzika: Alain Aspect, John Clauser a Anton Zeilinger
Rovnoměrně mezi tři vědce byla rozdělena letošní Nobelova cena za fyziku. Všichni tři postupně vylepšili a zdokonalili experimenty, které přesvědčivě dokazují, že kvantová fyzika skutečně vládne vesmíru kolem nás. I přes to, že se to Albertu Einsteinovi a dalším příliš nelíbilo. Hned zkraje našeho popisu letošních Nobelových cen poprosíme čtenáře o shovívavost. Naše vysvětlení ceny udělené za fyziku bude plné analogií a nepřesností. Týká se totiž tématu, jehož pochopení se náš mozek „od přírody“ brání – kvantové mechaniky. Letošní nobelisté přišli s důkazem, že tato nepřirozená teorie skutečně platí a že částice se mohou chovat způsobem, který se příčí zdravému rozumu. Všichni tři pracovali v laboratořích s jednou takovou fyzikální „monstrozitou“ – s kvantově provázanými částicemi. Takové částice jsou (to je jen přirovnání, nikoliv popis reality) „propojeny“. Einstein tomu říkal „strašidelné působení na dálku“. Když totiž jednu z těchto částic změříte, automaticky už budete znát výsledek měření druhé částice. Nepřesnou, ale pochopitelnou metaforou by se dalo říci, že druhá částice se okamžitě změní tak, aby „doplnila“ naměřený stav první částice. Stane se to úplně okamžitě, bez ohledu na to, že je fyzicky mohou dělit ohromné vzdálenosti, třeba i tisíce kilometrů. Alespoň na takové vzdálenosti to máme změřeno (do značné míry díky letošním nobelistům). Teoreticky by ovšem provázání mělo fungovat na vzdálenost neomezeně velkou. Jde jen o malou „zvláštnost“ kvantového světa založenou na jeho úplně základní vlastnosti: na faktu, že částice nemají své vlastnosti, dokud je nezměříte. Můžeme si představit „barevnou“ analogii: řekněme, že máme pytel, ve které jsou bílé a černé koule. V naší všední zkušenosti bychom řekli, že do váčku někdo nasypal černé a bílé koule v určitém poměru. V kvantovém světě by platilo, že koule by byly „šedé“ a zůstaly by takové, dokud byste je nevytáhli na světlo. Pak by se změnily na bílou či černou. Kvantová mechanika počítá s tím, že je tento proces náhodný. Koule se s určitou pravděpodobností stane bílou a s určitou černou. Albert Einstein a další velcí fyzici 20. století takovou myšlenku považovali v určitém směru za „kacířskou“ a navrhli vlastní hypotézu. Podle ní mají všechny koule někde uvnitř napsáno, jak se po vytažení na světlo mají změnit. Jinak řečeno, pravda je někde skrytě zapsána přímo v realitě, my ji jen nedokážeme přečíst. Letošní nobelisté byli oceněni za to, že tuto představu nabourali. Vycházeli přitom z práce teoretického fyzika Johna Stewarta Bella. Ten přišel s myšlenkou tzv. Bellovy nerovnosti, která říká, že vhodný experiment by mohl pomoci rozeznat, zda „skryté parametry“ (chtělo by se říci „skrytá pravda“) skutečně existují, či nikoliv. Matematika totiž říká, že dobře navržený experiment by ve světě se skrytými parametry měl poskytovat jiné výsledky než ve světě, který si obrazně řečeno neustále hází kostkami podle zákonů kvantové mechaniky. John Clauser, jeden z letošních oceněných, dokázal v roce 1972 jako první navrhnout a postavit experiment, který Bellovy podmínky splňoval. Nebyl dokonalý, výsledek měl „mezery“ a při troše dobré (či špatné) vůle se dalo tvrdit, že existence skrytých parametrů nebyly úplně vyvráceny. Ovšem další vědci, především právě Alain Aspect a Anton Zeilinger, postupně dokázali tyto mezery zaplnit, a dnes je tedy ve fyzice myšlenka, že „pravda je tam někde venku“, v podstatě mrtvá. Pro nás laiky je ještě zajímavější, že by postupně čím dál rafinovanější experimenty s kvantovým provázáním měly vést k praktickým aplikacím v kvantové komunikaci či konstrukci kvantových počítačů. Budeme si na to muset ještě nejspíše trochu počkat. A pokud/až přijdou, drtivá většina z nás se bude muset smířit s myšlenkou, že nikdy nepochopíme, jak tyto vymoženosti fungují. Historie ovšem jasně ukazuje, že nám to nebude bránit v jejich využívání.
Biologie a medicína: Svante Pääbo
Pouze jediného laureáta má letošní cena za medicínu a biologii (tentokrát spíše za tu biologii). Jejím nositelem se stal švédský specialista na čtení pravěké DNA Svante Pääbo. Švédský vědec mezi svými předky už jednu „nobelovku“ má. Je totiž „tajným“ nemanželským dítětem biochemika Suneho Bergströma, který byl v roce 1982 spoludržitelem Nobelovy ceny za objev hormonů prostaglandinů. V době, kdy si jeho otec jel do Osla pro svou cenu, jejich vztah ještě nebyl veřejně znám, ale syn už byl na cestě k ceně vlastní. Jeho první světový úspěch přišel v roce 1984 během doktorandského studia v Uppsale. Tehdy uprosil kurátory berlínského muzea, aby mu věnovali na výzkum část kosterního materiálu zhruba 2 400 let staré mumie. Šlo o „nevratnou zápůjčku“, protože se Pääbo chtěl pokusit z materiálu získat DNA, což jde udělat jen tak, že se minimálně část vzorku jednoduše řečeno rozemele na prášek. Do té doby se extrakce tak staré DNA ještě nikomu nepodařila, bylo to považováno za prakticky nemožná, a tak Pääbo na „své“ mumii pracoval tajně po nocích a víkendech. V roce 1985 publikoval jako ještě nedopečený vědec v jednom z nejlepších vědeckých časopisů světa (Nature) článek o první extrakci DNA z kosterního materiálu mumie. Výsledky analýzy nebyly tak důležité jako důkaz toho, že to jde. Po dokončení vědecké přípravy zamířil mladý Švéd na univerzitu v Mnichově, která kvůli němu zrušila podmínku, že všichni vedoucí katedry už musejí mít za sebou univerzitní praxi. Znovu se mu podařilo dostat k zajímavému materiálu: k části pažní kosti člověka neandertálského z muzea v Bonnu, kde jsou uloženy pozůstatky prvního známého jedince tohoto druhu. Z pozůstatků našich vyhynulých příbuzných se nejprve podařilo získat pouze takzvanou mitochondriální DNA. Dobře se zachovává, protože je jí v buňkách podstatně více než DNA. „Ukrývá“ se přímo v jádře („jaderná“). Dědí se ovšem pouze po matce, a poskytuje tedy o daném jedinci pouze částečné informace. I tak byla mnichovským týmem získaná DNA extrémně zajímavá. Ukázalo se například, že oba druhy člověka se geneticky významně lišily, zhruba z 10 %. Velká část médií podala závěry studie tak, že dokládá oddělený vývoj Homo sapiens a Homo neanderthalensis – tedy že se oba druhy nekřížily. Skutečnost byla o něco složitější. Částečné čtení DNA naznačilo, že mezi oběma druhy nedošlo k masivnímu přenosu DNA, ovšem křížení v menší míře taková analýza vyloučit nemohla. Další roky výzkumů, které nakonec umožnily přečíst i „jadernou“ DNA neandertálců, tento nepřesný dojem napravily. Náš druh, zejména některé populace, si s sebou nesou nepřehlédnutelné neandertálské dědictví. Zřejmě díky křížení mezi oběma druhy se Homo sapiens dokázal lépe přizpůsobit podmínkám v chladnějších zeměpisných šířkách. Po našich příbuzných máme (pro nás dnes poněkud obtížný, tehdy nepostradatelný) sklon k ukládání většího množství tuku pod kůži jako přípravu na horší časy a tepelnou izolaci, a také například některé geny pro budování imunitního systému. Pouze díky analýze staré DNA byl pak objeven třetí druh člověka, který žil současně s neandertálci a moderním člověkem, tzv. denisovan. A to i přesto, že se z něj našlo pouze pár kosterních úlomků. Pääbovi se podařilo nejen objevovat a budovat základy nového oboru. Vypracoval také klíčové postupy (třeba v řešení problému kontaminace vzorků cizorodou DNA) a postupně vychoval generaci vědkyň a vědců, kteří obor dále rozvíjejí.
Chemie: Carolyn R. Bertozziová, Morten Meldal a K. Barry Sharpless
Nobelovu cenu za chemii 2022 převzali tři vědci, kteří tuto vědu dokázali alespoň částečně zjednodušit. Přišli s metodami, díky kterým můžeme řadu chemických látek vyrábět úsporněji, levněji a rychleji. Od zrodu moderní chemie v 18. století se řada chemiků inspirovala přírodou. Spektakulární molekulární struktury vytvářené živými organismy podnítily vědce k tomu, aby se pokusili stejné či podobné molekuly postavit uměle. Tyto imitace přírody už mnohokrát prokázaly svou důležitost. Bezproblémový ovšem tento přístup není. Složité molekuly musí být vytvářeny v mnoha krocích, přičemž v každém kroku vznikají nežádoucí vedlejší produkty. Ty musí být (někdy dost složitě) odstraněny, než může proces pokračovat. Chemici tak zvládnou vyrobit leccos, ale cesta k finálnímu výrobku je často příliš složitá a drahá. Na začátku cesty k této ceně stojí nyní již dvojnásobný nobelista Barry Sharpless. Ještě v roce 2001, před tím, než získal svou první cenu, vydal v odborném tisku text, který byl v podstatě výzvou k hledání nových přístupů k chemii. Místo napodobování přírodních molekul by se vědci podle něj měli více zaměřit na hledání způsobů, jak vytvářet složité molekuly na přání kombinací jednoduchých chemických stavebních kamenů. V podstatě volal po hledání, pokud možno, univerzálních stavebních nástrojů, chcete-li „pojidel“, s jejichž pomocí by bylo možné spojovat libovolné molekuly. Sharpless nazval tuto metodu tvorby molekul „click chemistry“, protože jednotlivé díly by do sebe měly zapadat s uspokojivým cvaknutím dvou kostiček lega. Nápad zní triviálně, ale vzhledem k nedostatku prostoru nám budete muset do jisté míry věřit, že jeho realizace až tak jednoduchá nebyla. Její nástup ovšem výrazně urychlil objev dalšího oceněného, dánského chemika Mortena Meldala. Ten si všiml nezvyklé reakce v jednom ze svých experimentů, a dovedl toto náhodné pozorování až k objevu jednoho ze základních kamenů „klikací“ chemie (azid-alkynová cykloadice katalyzovaná mědí). Tato reakce dává chemikům poměrně jednoduchý nástroj, jak dva díly cílové molekuly jednoduše na přání spojit: k jednomu dílu přidají azid-alkyn, do druhé pak přidají měď a mají do značné míry hotovo. Tato reakce se stala nesmírně populární jak ve výzkumných laboratořích, tak v průmyslovém vývoji. Ani Meldal, ani Sharpless ovšem při svém výzkumu příliš nemysleli na to, jak stejný proces provádět v živých organismech. Měď je pro živé organismy toxická. Problém tak vyřešila třetí oceněná – Carolyn Bertozziová. Ta dokázala vlastními experimenty a také díky hlubokému „ponoru“ do starší chemické literatury zjistit, že azidy a alkyny mohou za určitých podmínek reagovat i bez pomoci mědi. Svůj popis „klikací“ reakce bez mědi publikovala v roce 2004, a spustila tak lavinu dalších využití tohoto revolučního přístupu k chemii. Řada výzkumníků dnes například vyvíjí „klikací“ protilátky zaměřené na různé nádory. Jakmile se protilátky na nádor navážou, vstříkne se druhá molekula, která se na protilátku nacvakne. Může se jednat například o radioizotop, který lze použít ke sledování nádorů pomocí skeneru PET nebo který může na rakovinné buňky zacílit smrtelnou dávku záření. Nevíme, zda dnes vyvíjené postupy budou fungovat, ovšem elegantní a chytrá „klikchemie“ rozhodně otevřela odborníkům tolik nových možností, že se ocenění dočkala už v roce 2022. /jj/
