В этом году высшие научные премии были присуждены за открытие навигационной системы мозга, за революционные источники света и за преодоление фундаментальных ограничений на разрешающую способность оптического микроскопа.
Нобелевские премии'2014 в деталях

Физиология и медицина: навигация внутри нас

Номинация: за открытие клеток, составляющих систему позиционирования в мозге.

Открытия О’Кифа и супругов Мозер прояснили, какие структуры мозга млекопитающих ответственны за распознавание положения тела в пространстве и ориентацию во время движения. В их основу легли многолетние эксперименты на крысах и мышах, начатые О’Кифом в Лондоне еще в конце 1960-х. Тогда считали, что животные действуют под прямым влиянием сигналов от органов чувств. Но существовала и альтернативная теория, предложенная в 1948 году американским психологом Эдвардом Толманом. Толман пришел к выводу, что в мозгу животных формируются ментальные карты окружающей обстановки, которые и служат основой поведения. Однако Толман не мог сказать, какая зона мозга строит эти карты и как они работают. Подступиться к решению этой задачи удалось в конце 1950-х, когда появилась техника мониторинга активности нейронов с помощью вживленных микроэлектродов. Ее и использовал О’Киф. Эксперименты показали, что за анализ информации о пространственном местоположении отвечают некоторые клетки гиппокампа, парного участка архикортекса — старой коры головного мозга. Тогда уже было известно, что гиппокамп исполняет важнейшую роль в процессах запоминания и обучения, однако многие детали его работы были неясны. О’Киф и его коллеги обнаружили в гиппокампе пирамидальные нейроны, которые возбуждаются, лишь если животные оказываются в определенных участках пространства. О’Киф предположил, что именно они и служат основой пространственного картирования, о котором писал Толман. Их назвали клетками места, place cells.

О’Киф предположил, что эти клетки хранят информацию о «метках» пространственного окружения, которые животные воспринимают преимущественно с помощью зрения. Каждому положению животного отвечают определенные сети возбужденных клеток. При перемещении сети изменяются, формируя новые пространственные карты.

Супруги Мозер в 1996 году работали в лаборатории О’Кифа, где освоили его методику регистрации нейронной активности. В 2005 году они обнаружили, что по соседству с гиппокампом, в энторинальной коре головного мозга, имеются нейроны, которые также участвуют в картировании окружающей среды. Они получают информацию от областей мозга, связанных с сенсорными органами, и реагируют на изменения положения головы и тела животного. По‑английски их называют grid cells, по‑русски — решетчатыми нейронами и нейронами координатной сетки. Они образуют в энторинальной коре многослойные геометрические структуры с треугольной симметрией, которые складываются в правильные шестиугольники. В 1996 году их чисто теоретически предсказал американский нейрофизиолог Уильям Кэлвин, а экспериментально обнаружили супруги Мозер и их коллеги. Решетчатые нейроны обмениваются сигналами с клетками места, локализованными в гиппокампе. Позднее недалеко от энторинальной коры открыли аналоги этих нейронов, которые тоже общаются с гиппокампом. Эта система и осуществляет динамическое картирование окружающей среды, предсказанное Толманом.

Открытия новых лауреатов важны не только для фундаментальной науки. Нейрофизиологи полагают, что навигационная система мозга млекопитающих и человека похожи. Энторинальная кора повреждается на ранних стадиях болезни Альцгеймера. Изучение ее функционирования обещает дать информацию для борьбы с этим заболеванием и прочими нейродегенеративными расстройствами.

Система позиционирования в мозгу

Фото 1) Клетки места — нейроны, которые возбуждаются, когда животное находится в определенных точках пространства. Каждому положению соответствуют сети этих нейронов.

2) Нейроны координатной сетки возбуждаются, когда животное находится в углах правильных шестиугольников.

3) «Пересечение» сетей клеток места и координатной сетки дает возможность мозгу определить местонахождение в пространстве.

Физика: революция в освещении

Номинация: за изобретение эффективных голубых светоизлучающих диодов, позволившее создать яркие и экономичные источники белого света.

Светоизлучающие диоды, или просто светодиоды — это полупроводниковые устройства, преобразующие энергию электрического тока в световое излучение. Этот эффект называется электролюминесценцией. В 1907 году его впервые наблюдал при прохождении тока через кристалл карбида кремния изобретатель-радиотехник Генри Джозеф Раунд, ассистент Гульельмо Маркони. Спустя 16 лет его переоткрыл сотрудник Нижегородской радиолаборатории Олег Лосев, который, как сейчас ясно, вплотную приблизился к изобретению светодиода.

В полупроводники для создания участков с различными типами проводимости вводят специальные добавки. Так, для получения электронной проводимости нитрид галлия можно легировать кремнием, а дырочной — магнием. Для создания эффективных светодиодов необходимо выращивать бездефектные кристаллы полупроводника, а затем легировать их нужными добавками и в нужных пропорциях. Для нитрида галлия это весьма сложно, поэтому технологии производства светодиодов на его основе появились довольно поздно. Исаму Акасаки начал работать с этим веществом в 1974 году. К середине 1980-х годов он, Хироси Амано и их коллеги разработали недорогой способ получения кристаллов нитрида галлия с высокими оптическими качествами. Для этого они воспользовались методом осаждения вещества на подложку из парогазовой фазы, созданным в первой половине 1970-х. Сходную методику позднее изобрел и Накамура, работавший тогда в японской компании Nichia Chemical Industries. К началу 1990-х годов команды Акасаки и Накамуры разработали технологии получения сплавов нитрида галлия с алюминием или индием и применили их для получения «сэндвичей» из нескольких полупроводниковых слоев (так называемых гетероструктур). Именно на базе гетероструктур обе группы в первой половине 1990-х создали голубые светодиоды, которые освоила полупроводниковая индустрия.

Устройства на голубых светодиодах получили очень широкое распространение. Вместе с диодами, дающими другие цвета, их используют в полноцветных дисплеях и осветительных приборах. Голубые светодиоды служат также основой источников освещения иного типа — они возбуждают своим излучением молекулы люминофоров, а те испускают красные и зеленые фотоны, которые смешиваются с голубыми, что в результате и дает белый свет. Такие светильники обеспечивают световой поток до 300 люменов на ватт потребляемой электрической мощности (для ламп накаливания этот показатель не превышает 17 лм/Вт), а их КПД более 50%. В производстве они дороже лампочек с вольфрамовыми нитями и компактных газосветных люминесцентных ламп, но их стоимость быстро падает, а доступность растет. Поэтому работы новых нобелевских лауреатов представляют не только крупное научно-технологическое достижение, но и реальный инструмент глобальной экономии энергии. Сейчас на освещение тратится 20% мировых электрических мощностей, однако массовое применение светодиодов может уменьшить эту долю до 4%. Фото

«Главная заслуга нобелевских лауреатов этого года состоит в создании предпосылок для коммерциализации голубых диодов, — считает профессор Ренселлерского политехнического института Михаил Шур. — Голубое свечение нитрида галлия под действием пучка электронов впервые наблюдали в МГУ. Светодиоды на нитриде галлия были изготовлены в 1971 году сотрудниками американской корпорации RCA Laboratories. Однако они давали мало света и не годились для оптоэлектронных устройств. Группа Акасаки смогла создать дырочную проводимость в этом веществе, что и стало прелюдией к разработке эффективных светодиодов. Накамура же первым показал, что подобные приборы способны работать сотни и тысячи часов, что опять-таки было необходимо для их массового применения. Его же команда впервые получила белый свет с помощью голубых светодиодов и люминофоров».

Как отметил профессор Шур, и физика, и полупроводниковая индустрия прошли долгий и нелегкий путь к созданию и массовому производству голубых диодов. Первые красные диоды поступили в продажу еще в начале 1960-х, а вскоре к ним присоединились и диоды, генерирующие зеленый свет. А вот голубых диодов пришлось ждать еще три десятилетия. Эта задержка наглядно показывает, сколько препятствий пришлось преодолеть их создателям. А сейчас массовое производство светодиодных ламп открыло новую эру в истории осветительной техники. Их доля в развитых странах еще невелика (около 10%), но быстро растет, и через 20 лет, как ожидается, вырастет как минимум до 30%. А к концу нашего века, если не раньше, других светильников, скорее всего, вообще не останется.

Как работают светодиоды

Работа светодиодов обусловлена процессами в зоне контакта полупроводников с дырочной и электронной проводимостью (так называемые p-n-переходы). На p-n-переходе возникает электрическое поле, которое создает потенциальный барьер, препятствующий перетеканию электронов в область с дырочной проводимостью, а дырок — в электронную. При наложении внешнего поля со знаком «минус» на электронной области высота барьера снижается, поэтому электроны и дырки начинают мигрировать сквозь переход навстречу друг другу. Через миллионные доли секунды они рекомбинируют, излучая кванты света. Светодиоды на основе арсенида галлия генерируют ИК- и красное излучение, фосфида галлия — желтое и зеленое. Приборы на базе нитрида галлия дают голубое, синее и УФ-излучение.

Химия: оптические супермикроскопы

Номинация: за разработку флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения.

Работы новых лауреатов привели к появлению двух новых методов оптической микроскопии, позволивших преодолеть так называемый дифракционный предел микроскопических наблюдений (после объявления номинации среди ученых стала популярна шутка о том, что Нобелевскую премию по химии в этом году получили биологи, разработавшие новые физические методы).

В 1870—1880-х годах немецкий физик Эрнст Карл Аббе показал, что увеличение микроскопа невозможно наращивать до бесконечности — разрешающая способность ограничена волновой природой света. Минимальный размер деталей, доступных наблюдению в обычный микроскоп, составляет от половины до трети длины волны света (в зависимости от коэффициента преломления среды). Поскольку человеческий глаз не воспринимает волны короче 380−400 нм, возможности оптической микроскопии ограничены наблюдением объектов, размеры которых превышают 130−140 нм. Этого достаточно для бактерий, клеток и даже крупных клеточных органелл, таких как митохондрии, но слишком мало для микроскопического исследования вирусов, не говоря уже о белковых молекулах.

В 1980—1990-х ученые нашли ряд возможностей улучшить разрешение оптических приборов, применяемых для исследования микромира. Конфокальные и мультифотонные микроскопы позволили уменьшить минимальный размер различимых объектов примерно вдвое, а сканирующие микроскопы ближнего поля — даже десятикратно. Однако микроскопия ближнего поля имеет много ограничений и не может претендовать на широкую применимость. Две технологии оптической микроскопии, отмеченные Нобелевской премией, не только обеспечивают сверхвысокое разрешение, но и могут применяться для наблюдений большого разнообразия объектов. Благодаря им и другим подобным методам оптическая микроскопия быстро превращается в наноскопию. Обе технологии используют опорные сети, состоящие из светящихся молекул. Такие сетки создаются и работают по‑разному, но в обоих случаях их элементы регистрируются независимо друг от друга. Поэтому информация с сеток считывается без оглядки на дифракционный предел, что и делает новые методы практически универсальными.

Метод Штефана Хелла основан на так называемом стимулированном истощении эмиссии (Stimulated Emission Depletion, STED). Исследуемый объект метят молекулярными маркерами, флуоресцирующими под действием лазерного излучения (таким объектом может быть молекула ДНК, а метками — флуоресцентные антитела). Однако эти же молекулы можно заставить испускать с некоторой задержкой и фотоны с большей длиной волны, если облучить их другим лазером с должным образом подобранными характеристиками. Пусть первый лазер создает на поверхности образца круглое световое пятно, а лучи второго фокусируются в кольце, накрывающем весь этот круг, кроме центра. Метки в центральной зоне будут светиться на одной длине волны, а метки внутри кольца — на другой, гораздо большей (это и есть истощение флуоресцентной эмиссии). Если настроить приемную систему микроскопа на регистрацию лишь коротковолновых фотонов, участки с истощенной эмиссией как бы погаснут.

Эту систему можно превратить в сканирующий микроскоп, если направлять лазерные лучи в разные участки объекта, регистрировать сигналы от светящихся зон и обрабатывать на компьютере. Если метки плотно покрывают поверхность объекта, то картинки, полученные в ходе такого сканирования, воспроизведут его структуру. Степень разрешения прибора определяется размерами зон с неподавленной эмиссией, которые в принципе могут быть даже нанометровыми.

Хелл разработал теорию своего метода в 1993—1994 годах, а в 1999-м продемонстрировал его на практике. Сначала технология STED была немногим лучше конфокальных микроскопов. Сейчас на заводских приборах она обеспечивает разрешение от 30 до 80 нм, а в эксперименте — 2,5 нм.

Второй метод называется PALM, Photoactivated Localization Microscopy. Его главным разработчиком признан Эрик Бетциг (хотя почти такой же вклад внес и его коллега по Институту Хьюза Харальд Гесс). Впервые эта технология была продемонстрирована в 2006 году. Третий лауреат, Уильям Мернер, оптической микроскопией не занимался. Однако PALM использует белки, которые под действием синего или ультрафиолетового света испускают яркое зеленое свечение. Эти так называемые зеленые флуоресцентные протеины (GFP) были впервые выделены из тканей медуз вида Aequorea victoria, а позднее найдены и у других морских беспозвоночных (их открытие было отмечено Нобелевской премией по химии 2008 года). Мернер в 1989 году первым в мире изыскал возможность измерить поглощение света одной-единственной молекулой, а через восемь лет открыл способ управлять флуоресценцией отдельных GFP-молекул с помощью лазерного излучения.

Открытием Мернера воспользовались Бетциг с коллегами для разработки технологии PALM. Она основана на использовании лазерного излучения с длиной волны, необходимой для возбуждения зеленых флуоресцентных белков. Образец многократно облучают очень слабыми лазерными импульсами, содержащими небольшое число фотонов. Эти фотоны заставляют светиться белковые молекулы — опять-таки в малом количестве. Поскольку свет случайным образом выбирает эти молекулы на поверхности объекта довольно большой протяженности, почти все они оказываются отделенными друг от друга расстояниями, превышающими предел Аббе. Положение каждого светящегося центра можно зарегистрировать с большой точностью с помощью оптического микроскопа. По отдельности такие картинки не слишком информативны, однако компьютерный анализ всех изображений, который делается на основе вероятностных алгоритмов, позволяет восстановить структуру исходного образца. Сегодня PALM обеспечивает разрешение вплоть до 20 нм, и, скорее всего, это еще не предел.

Невидимая граница

Фото В конце XIX века Эрнст Аббе определил предел разрешающей способности оптического микроскопа, связанный с волновой природой света, как половину длины волны светового излучения. Таким образом, с помощью оптического микроскопа можно рассмотреть все, что крупнее отдельных клеток, сами клетки, их отдельные части (органеллы). Все, что меньше примерно 0,2 мкм — вирусы, молекулы, — в оптический микроскоп не увидеть.

Технология STED

Фото В обычный микроскоп можно рассмотреть контуры митохондрий, но деталей мельче 0,2 мкм увидеть не удастся. 1) Кольцевой лазерный луч «истощает» люминесценцию вокруг центрального нанометрового пятна возбуждающего лазера.

2) Образец сканируется лазерными лучами, при этом фиксируется интенсивность люминесценции и координаты луча.

3) Итоговое изображение, полученное после сканирования, имеет значительно более высокое разрешение, не ограниченное дифракционным пределом.

Технология PALM

Фото 1) Очень слабый световой импульс возбуждает малую часть молекул флуоресцентного белка, расположенных случайным образом. Свечение фиксируется с помощью оптического микроскопа. Процедура повторяется много раз.

2) Картинки обрабатываются для увеличения четкости.

3) Изображения накладываются, давая итоговую картинку с очень высоким разрешением, значительно превышающим дифракционный предел. На итоговом изображении видны отдельные молекулы флуоресцентного белка.

Статья «Нобелевские премии» опубликована в журнале «Популярная механика» (№12, Декабрь 2014).