Přinášíme přehled letošních laureátů Nobelovy ceny za přínos na poli vědy: za oblast fyziologie a lékařství, fyziky a chemie. Biologie Jak přežít bez kyslíku Letošní Nobelovu cenu za fyziologii a lékařství obdrželi Američané William Kaelin a Gregg Semenza a Brit Peter Ratcliffe za objev molekulárních mechanismů, jejichž prostřednictvím buňky vnímají dostupnou hladinu kyslíku a přizpůsobují se tomu. Všichni víme, že bez kyslíku nedokáže naše tělo fungovat. Ale buňky do jisté míry ano. Paradox je to jen zdánlivý, hladina kyslíku v těle totiž značně kolísá například podle naší aktivity. Typickým příkladem může být cvičení, ale také stres. Buňky v lidském těle musejí mít nějaký mechanismus, jak na tyto změny reagovat. Je to jeden ze základních, zcela nezbytných „triků“, který rozvinuté organismy musely zvládnout, aby mohly přežít. Hospodaření s kyslíkem v lidském těle se věda soustavně věnovala od svého vzniku, práce letošních nobelistů tedy vychází z objevů minulých století. Gregg Semenza ve své práci popsal, jak množství kyslíku ovlivňuje hladinu již více než 100 let známého hormonu erythropoeitinu, který vám bude povědomý spíše pod zkratkou EPO. V laboratorně pěstované jaterní tkáni identifikoval látku známou jako HIF (anglická zkratka názvu hypoxia- inducible factor, tedy transkripční faktor indukovaný hypoxií). Dokázal ji izolovat a zjistil, které geny jsou odpovědné za její výrobu. Jak se ukázalo, HIF je složen ze dvou bílkovin. Jedna z nich, HIF-1α, se ukázala být klíčem k pochopení toho, jak buňky „cítí“ (ne)přítomnost kyslíku a reagují na ni. Za běžných okolností se HIF-1α rychle rozpadá, ale pokud je kyslíku málo, „něco“ rozpadu zabrání. Nádorová stopa Co přesně to je, dokázal poněkud nečekaně William Kaelin. Ten se věnuje především výzkumu rakoviny, zejména výzkumu tkáně lidí postižených tzv. von Hippelovou-Lindauovou nemocí. Lidé s touto nemocí trpí velmi vysokým výskytem rakoviny, Kaelin ovšem ke svému překvapení zjistil, že v jejich buňkách se jinak „mizející“ HIF-1α vyskytuje v nečekaně vysokém množství. Kaelin v následném výzkumu přesvědčivě ukázal, že obě látky se mohou spojit a vzájemně se ovlivňovat. Další práce šly do větších detailů. Semezna a Ratcliffe nezávisle na sobě ve stejné době určili, kde přesně na bílkovině HIF-1α leží „vypínač“, který reaguje na nedostatek kyslíku. Díky práci oceněných se tak zásadně rozšířily naše znalosti o jednom z nejdůležitějších životních procesů našeho těla. Důležité vědecké objevy všech oceněných i jejich kolegů, na které by se nemělo zapomenout, spadají do oblasti základního výzkumu, který nemívá okamžité dopady v každodenním životě. Ale jejich potenciál je velký; ukázalo se totiž, že poruchy nakládání s kyslíkem hrají roli v celé řadě onemocnění. Jedním z prvních využití v klinické praxi je úprava „výroby“ bílkoviny HIF pro účely léčby anémie. Dalším dnes velmi slibným směrem je možnost regulace množství této bílkoviny v rakovinových nádorech. Jak asi víte, nádory pro svůj růst potřebují velké množství energie a živin. Snížit množství kyslíku, které mohou nádory zpracovat, se proto zdá být zajímavým směrem útoku na rakovinu. Fyzika Chybějící hmota a nalezená planeta Stejně jako několikrát v minulosti, i v roce 2019 se Nobelova cena za fyziku dělí na první pohled nesmyslně: napůl mezi tři vědce. Jednu polovinu si odnáší teoretický fyzik James Peebles, druhou pak dva švýcarští vědci Michel Mayor a Didier Queloz, kteří naše (nejen Peeblesovy) teoretické poznatky o vesmíru dokázali přetavit v objev první planety podobné Zemi u jiného Slunce. Chyba v inventuře Poslední desetiletí je označováno za zlatý věk kosmologie. James Peebles, nositel poloviny Nobelovy ceny za fyziku pro letošní rok, byl jedním z velkých hybatelů tohoto velkého pokroku v našem poznání vesmíru. Výrazně přispěl k rozvoji teorie velkého třesku. Věda dlouho neměla žádnou možnost, jak alespoň částečně nahlédnout do dob těsně po velkém třesku. Změnu přinesl rok 1964, kdy dvojice amerických astronomů (a nobelistů z roku 1978) Arno Penzias a Robert Wilson dokázala zachytit „šum“, který ve vesmíru zbyl z doby těsně po velkém třesku, tzv. reliktní záření. To vzniklo asi 380 tisíc let po vzniku vesmíru, ale nese v sobě i informace o jeho ranějším vývoji, a je dnes neuvěřitelně cenným zdroje informací pro kosmologii. Objev to byl velkolepý a Peebles byl jedním z teoretiků, díky kterým Penzias a Wilson dokázali přesně pochopit, co a proč zachytili. Další měření reliktního záření ukázala, že naše vesmírná „inventura“ se opravdu neobejde bez přítomnosti něčeho neznámého. Viditelná hmota zřejmě představuje pouze pár procent z celkového množství hmoty ve vesmíru. V reakci na nové poznatky se Peebles (ve spolupráci s jinými) postaral o oživení Einsteinovy myšlenky „kosmologické konstanty“. Tu švýcarský fyzik zavedl do svých rovnic, aby vysvětlil, proč se vesmír chová jinak, než by měl na základě obecné teorie relativity. Při tom, kolik se zdá obsahovat hmoty, by měl mít jiný tvar. Einstein „svou“ konstantu nenáviděl a zbavil se jí, ale moderním fyzikům to bez ní nešlo. V roce 1984 se tedy Einsteinova myšlenka vrátila na výsluní pod novým názvem „temná energie“, a od té doby je pevnou součástí vědeckých úvah o vesmíru. Dnes se předpokládá, že právě temná energie je zdaleka největší složkou celého vesmíru: tvoří ho zhruba ze 70 %. Peebles ani nikdo jiný nemá přesnou představu o tom, co tvoří ji; to už je na jinou Nobelovu cenu. Pohled k jinému Slunci Michel Mayor a Didier Queloz poznávali vesmír z jiného pohledu než James Peebles. Nobelova komise jim polovinu ceny udělila jmenovitě za objev planety 51 Pegasi b, která obíhá kolem své hvězdy (51 Pegasi) zhruba 50 světelných let od Země. Ta je sice zhola neobyvatelná, důležité bylo především, jak k objevu došlo. Švýcarští vědci využili metodu „měření radiální rychlosti“, při které se sledují výchylky samotných hvězd, které by mohla způsobit přitažlivá síla obíhající planety či planet. Hvězda samozřejmě neobíhá kolem planety, ale těžiště celé soustavy. Při tom se od nás (ve velmi malé míře) střídavě vzdaluje a pak se zase přibližuje a v důsledku Dopplerova efektu se tak mění vlnová délka jejího světla. Pohyb je však minimální. Například Slunce se kvůli Jupiteru pohybuje kolem těžiště Sluneční soustavy rychlostí zhruba 12 m/s (tedy něco přes 40 km/h). Země Slunce „rozhýbe“ pouze rychlostí zhruba 0,09 m/s. Michel Mayor sestavil spektrograf pro měření radiální rychlosti hvězd již v 70. letech, ale měřila hodnoty v praxi nepoužitelné: od 300 m/s výše. Mayor se nápadu nevzdal a v 90. letech pověřil svého tehdejšího doktoranda Didiera Queloze, aby přesnost měření vylepšil. V roce 1994 tak měla švýcarská skupina zařízení, které měřilo radiální rychlost zhruba od 10–15 m/s. Následný objev planety 51 Pegasi b lze považovat minimálně symbolicky za počátek nové éry v astronomii, „doby planetární“. Dnes známe více než 4 000 exoplanet a není pochyb o tom, že jich bude nadále přibývat. Během pár desítek let bychom se tak snad mohli dozvědět, kolik je v našem okolí planet vhodných pro vznik života – a třeba i něco mnohem, mnohem zajímavějšího. Chemie Nabitá cena Zdaleka nejmenší překvapení mezi odborníky vyvolalo udělení ceny za chemii. Tu si rozdělili John B. Goodenough, Stanley Whittingham (oba USA) a Akira Jošino (Japonsko). Dohromady zásadně přispěli k vývoji materiálů, které najdete v bateriích, jež pohánějí nejen všechny možné druhy elektroniky, ale také elektromobily. Udělení ceny se v posledních letech obecně očekávalo nejen kvůli významu objevu, ale také proto, že John Goodenough je ve velmi požehnaném věku (97 let), a Nobelova cena se neuděluje posmrtně. Z laického hlediska jsou současné „lithium-iontové“ baterie v principu poměrně jednoduchá zařízení. Tvoří je samozřejmě dvě elektrody oddělené membránami a tekutým elektrolytem, který představuje „dálnici“ pro nabité ionty putující od jedné elektrody ke druhé. Když se baterie nabíjí, kladná elektroda (katoda) ze slitiny lithia uvolňuje ionty. Ty se přesunují k záporné anodě, která je obvykle tvořena uhlíkem. Ionty z katody se skryjí v uhlíkových vrstvách anody, kde čekají, až bude energie v baterii zapotřebí. Pak začne celý proces probíhat opačně: ionty z anody putují na katodu, kde se setkají s elektrony přicházejícími z druhé strany sepnutého obvodu. Může se zdát nepochopitelné, proč trvalo tak dlouho, než taková baterie vznikla. Už nejméně století víme, že lithium je díky svým vlastnostem ideální surovinou pro výrobu baterii. Ale v praxi byl tento kov nepoužitelný. Po téměř celé 20. století si tak lidstvo vystačilo s bateriemi, které z velké části vznikly ještě ve „století páry“. Například klasický olověný akumulátor byl poprvé postaven v roce 1859. Situace se začala měnit díky práci letošních laureátů od 70. let. Náhoda a peníze z ropy První krok udělal Stanley Whittingham, který vytvořil funkční baterii s jednou lithiovou elektrodou. Jak to občas ve vědě bývá, k výsledku dospěl dosti velkou náhodou: věnoval se výzkumu vhodných supravodičů (tedy látek, které vedou elektřinu zcela beze ztrát). Experimentoval se sulfidem titaničitým (TiS2) a zjistil, že to sice není materiál supravodivý, ale mohl by velmi dobře fungovat jako elektroda v baterii. V podstatě si ho lze představit jako plástev s mnoha vrstvami, mezi které se schovávají ionty lithia. Baterii tedy stále „pohání“ lithium, ale může ho obsahovat méně a v méně nebezpečné formě. Výsledek byl ovšem polovičatý: Whittingham postavil baterii s katodou ze svého nově objeveného zázračného materiálu a anodou z čistého lithia. Vznikla tak dobíjecí baterie s na svou dobu vysokou hustotou energie a vhodným rozsahem pracovních teplot. To se pozdávalo i managementu společnosti Exxon, která během tehdejší ropné krize po jediné čtvrthodinové schůzce další vývoj zafinancovala. Brzy se ovšem ukázaly nevýhody elektrody z kovového lithia. Požáry v Whittinghamově laboratoři byly údajně tak časté, že mu místní hasiči začali účtovat použití speciálních směsí nutných pro hašení lithia. Výkony baterie se i tak dařilo zlepšovat. V roce 1976 Whittingham veřejně oznámil svůj vynález a začal baterie vyrábět v malých sériích pro hodinářský průmysl. Ale rozšířit řady zákazníků se dařilo jen pomalu. Navíc na začátku 80. let klesla cena ropy, Exxon začal šetřit a financování vývoje ukončil. Budoucnost je v oxid u Whittinghamovu štafetu převzal John Goodenough. Ten jako materiálový vědec měl pocit, že jeho předchůdce plně nevyužil potenciál své baterie. Jeho znalosti mu napovídaly, že kdyby se podařilo nahradit sulfid nějakým vhodným oxidem, mohlo by se výrazně zvýšit napětí baterie. Jeho tým se nakonec setkal s velkým úspěchem. Zjistili, že při využití katody z oxidu lithia a kobaltu (tzv. oxid kobaltolithný LiCoO2) stoupne napětí baterií na dvojnásobek původní hodnoty, zhruba na 4 V. LiCoO2 je od té doby jeden z nejpoužívanějších materiálů v bateriích – a zdaleka ne jediný Goodenoughův objev. Jeho skupina například jako první přišla s další podobou lithiových akumulátorů, dnes stále rozšířenějších lithium-železo-fosfátových akumulátorů (tedy s katodou z LiFePO4). Ostatně zajímavé nápady má i ve svých více než 90 letech – stále je aktivní a věnuje se například vývoji pevných elektrolytů pro další generaci baterií. Aby to (tolik ) nevyb uchovalo Vraťme se ovšem do 80. let a k letošním nobelistům, konkrétně Akiru Jošinovi (angl. transkripcí Akira Yoshino). Jak proud financování pro nové typy baterií v západních zemích po konci ropné krize vysychal, v Japonsku výrobci elektroniky hledali nové typy „pohonu“ pro spotřební elektroniku, kterou vyváželi do celého světa. Jošino pracoval s baterií vylepšenou podle receptu obou spolunositelů letošní ceny za chemii, ale pokoušel se ji učinit ještě praktičtější a bezpečnější. Chtěl se například zbavit kovového lithia. Katodu vyrobil z Goodenoughem objeveného oxidu lithia a kobaltu a zkoušel k ní anody z různých uhlíkatých materiálů, které by sloužily jako „klec“ na lithiové ionty. Předchozí výzkumy ukázaly, že to by mohla být slibná cesta, jak zcela nahradit elektrody z klasického kovového lithia, které se ukázaly tak nebezpečné například pro Whittinghamovu laboratoř. Jošino experimentoval s různými materiály, průlomu ovšem dosáhl, když sáhl po tzv. ropném koksu. To je velmi křehký materiál, který vzniká za vysokých teplot z těžších složek ropy. Při vhodném zacházení a úpravách vznikne materiál složený téměř výhradně z čistého uhlíku s malým podílem dalších příměsí (obsah uhlíku u „vyčištěného“ ropného koksu je až 99,5 %). Jošino tak dokázal z baterie zcela odstranit čisté lithium a učinit ji výrazně méně hořlavou. Lithiové baterie tak byly po desetiletích teoretických úvah a pokusů připraveny ke každodennímu využití. Uvedení do praxe se dočkaly v roce 1991 a od té doby jejich význam jen a jen roste. /jj/
