Нобелевские премии’2014 вдеталях

      Комментарии к записи Нобелевские премии’2014 вдеталях отключены

Нобелевские премии'2014 вдеталях

медицина и Физиология: навигация в нас

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

    Лауреаты Джон О Киф (Центр по изучению нервных поведения и путей Английского университетского колледжа) Лауреаты Мэй-Бритт Мозер (технологии и Норвежский университет науки в Тронхейме) Лауреаты Эдуард Мозер (технологии и Норвежский университет науки в Тронхейме)

Открытия О Кифа и супругов Мозер прояснили, какие конкретно структуры мозга млекопитающих важны за распознавание положения тела в пространстве и ориентацию на ходу. В их базу легли долгие опыты на мышах и крысах, начатые О Кифом в Лондоне еще в конце 1960-х. Тогда думали, что животные действуют под прямым влиянием сигналов от органов эмоций.

Но существовала и другая теория, предложенная во второй половине 40-ых годов XX века американским психологом Эдуардом Толманом. Толман заключил , что в мозгу животных формируются ментальные карты окружающей обстановки, каковые и являются основой поведения. Но Толман не имел возможности сообщить, какая территория мозга сооружает эти карты и как они трудятся.

Подступиться к ответу данной задачи удалось в конце 1950-х, в то время, когда показалась техника мониторинга активности нейронов посредством вживленных микроэлектродов. Ее и применял О Киф. Опыты продемонстрировали, что за анализ информации о пространственном расположении отвечают кое-какие клетки гиппокампа, парного участка архикортекса — ветхой коры головного мозга.

Тогда уже было как мы знаем, что гиппокамп выполняет наиболее значимую роль в процессах обучения и запоминания, но многие подробности его работы были неясны. О Киф и его сотрудники нашли в гиппокампе пирамидальные нейроны, каковые возбуждаются, только в случае если животные выясняются в определенных участках пространства. О Киф предположил, что именно они и являются основой пространственного картирования, о котором писал Толман.

Их назвали клетками места, place cells.

О Киф высказал предположение, что эти клетки хранят данные о «метках» пространственного окружения, каковые животные принимают в основном посредством зрения. Каждому положению животного отвечают определенные сети возбужденных клеток. При перемещении сети изменяются, формируя новые пространственные карты.

Жены Мозер во второй половине 90-ых годов XX века трудились в лаборатории О Кифа, где освоили его методику регистрации нейронной активности. В 2005 году они поняли, что по соседству с гиппокампом, в энторинальной коре головного мозга, имеются нейроны, каковые кроме этого участвуют в картировании внешней среды. Они приобретают данные от областей мозга, которые связаны с сенсорными органами, и реагируют на тела положения животного и изменения головы.

По-английски их именуют grid cells, по-русски — нейронами и решетчатыми нейронами координатной сетки. Они образуют в энторинальной коре многослойные геометрические структуры с треугольной симметрией, каковые складываются в верные шестиугольники. Во второй половине 90-ых годов XX века их чисто теоретически предсказал американский нейрофизиолог Уильям Кэлвин, а экспериментально нашли жены Мозер и их коллеги.

Решетчатые нейроны обмениваются сигналами с клетками места, локализованными в гиппокампе. Позднее неподалеку от энторинальной коры открыли аналоги этих нейронов, каковые также общаются с гиппокампом. Эта совокупность и осуществляет динамическое картирование внешней среды, предсказанное Толманом.

Открытия новых лауреатов серьёзны не только для фундаментальной науки. Нейрофизиологи считают, что навигационная совокупность человека и мозга млекопитающих похожи. Энторинальная кора повреждается на ранних стадиях заболевания Альцгеймера.

Изучение ее функционирования обещает дать данные для борьбы с этим заболеванием и другими нейродегенеративными расстройствами.

Совокупность позиционирования в мозгу

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

2) Нейроны координатной сетки возбуждаются, в то время, когда животное находится в углах верных шестиугольников.

3) «Пересечение» координатной клеток сетки и сетей места позволяет мозгу выяснить местонахождение в пространстве.

Физика: революция в освещении

Номинация: за изобретение действенных голубых светоизлучающих диодов, разрешившее создать броские и экономичные источники белого света.

    Лауреаты Исаму Акасаки (Нагойский университет) Лауреаты Хироси Амано (Нагойский университет) Лауреаты Сюдзи Накамура (Калифорнийский университет в Санта-Барбаре)

Светоизлучающие диоды, либо легко светодиоды — это полупроводниковые устройства, преобразующие энергию электрического тока в световое излучение. Данный эффект именуется электролюминесценцией. В 1907 году его в первый раз замечал при прохождении тока через кристалл карбида кремния изобретатель-радиотехник Генри Джозеф Раунд, помощник Гульельмо Маркони.

Спустя 16 лет его переоткрыл сотрудник Нижегородской радиолаборатории Олег Лосев, что, как на данный момент светло, близко подошел к изобретению светодиода.

В полупроводники для участков с разными типами проводимости вводят особые добавки. Так, для получения электронной проводимости нитрид галлия возможно легировать кремнием, а дырочной — магнием. Для действенных светодиодов нужно выращивать бездефектные кристаллы полупроводника, а после этого легировать их нужными добавками и в нужных пропорциях.

Для нитрида галлия это очень сложно, исходя из этого технологии производства светодиодов на его базе показались достаточно поздно. Исаму Акасаки начал работату с этим веществом в первой половине 70-ых годов XX века. К середине 1980-х годов он, Хироси Амано и их сотрудники создали недорогой метод получения кристаллов нитрида галлия с высокими оптическими качествами. Для этого они воспользовались способом осаждения вещества на подложку из парогазовой фазы, созданным в первой половине 1970-х.

Сходную методику позднее изобрел и Накамура, трудившийся тогда в японской компании Nichia Chemical Industries. К началу 1990-х годов команды Акасаки и Накамуры создали разработке получения сплавов нитрида галлия с алюминием либо индием и применили их чтобы получить «сэндвичи» из нескольких полупроводниковых слоев (так называемых гетероструктур). Именно на базе гетероструктур обе группы в первой половине 1990-х создали голубые светодиоды, каковые освоила полупроводниковая индустрия.

Устройства на голубых светодиодах взяли весьма широкое распространение. Вместе с диодами, дающими другие цвета, их применяют в полноцветных осветительных приборах и дисплеях. Голубые светодиоды помогают кроме этого базой источников освещения иного типа — они возбуждают своим излучением молекулы люминофоров, а те испускают зелёные фотоны и красные, каковые смешиваются с голубыми, что в следствии и дает белый свет.

Такие светильники снабжают световой поток до 300 люменов на ватт потребляемой электрической мощности (для ламп накаливания данный 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 цена скоро падает, а доступность растет.

Исходя из этого работы новых нобелевских лауреатов воображают не только большое научно-технологическое достижение, но и настоящий инструмент глобальной экономии энергии. на данный момент на освещение тратится 20% мировых электрических мощностей, но массовое использование светодиодов может уменьшить эту долю до 4%.

«Основная заслуга нобелевских лауреатов этого года пребывает в создании предпосылок для коммерциализации голубых диодов, — вычисляет доктор наук Ренселлерского политехнического университета Михаил Шур. — Голубое свечение нитрида галлия под действием пучка электронов в первый раз замечали в МГУ. Светодиоды на нитриде галлия были изготовлены в первой половине 70-ых годов двадцатого века сотрудниками американской корпорации RCA Laboratories. Но они давали мало света и не годились для оптоэлектронных устройств.

Несколько Акасаки смогла создать дырочную проводимость в этом веществе, что и стало прелюдией к разработке действенных светодиодов. Накамура же первым продемонстрировал, что подобные устройства способны трудиться тысячи и сотни часов, что опять-таки было нужно для их массового применения. Его же команда в первый раз взяла белый свет посредством голубых люминофоров и светодиодов».

Как отметил доктор наук Шур, и физика, и полупроводниковая индустрия прошли продолжительный и нелегкий путь к массовому производству и созданию голубых диодов. Первые красные диоды поступили в продажу еще в начале 1960-х, а скоро к ним присоединились и диоды, генерирующие зеленый свет. А вот голубых диодов было нужно ожидать еще три десятилетия. Эта задержка наглядно показывает, сколько препятствий было нужно преодолеть их создателям.

А на данный момент массовое производство светодиодных ламп открыло новую эру в истории осветительной техники. Их часть в развитых государствах еще мала (около 10%), но скоро растет, и через 2 десятилетия, как ожидается, вырастет как минимум до 30%. А к концу отечественного века, если не раньше, вторых светильников, вероятнее, по большому счету не останется.

Как трудятся светодиоды

Работа светодиодов обусловлена процессами в зоне контакта полупроводников с дырочной и электронной проводимостью (так именуемые p-n-переходы). На p-n-переходе появляется электрическое поле, которое формирует потенциальный барьер, мешающий перетеканию электронов в область с дырочной проводимостью, а дырок — в электронную.

При наложении внешнего поля со знаком «минус» на электронной области высота барьера понижается, исходя из этого дырки и электроны начинают мигрировать через переход навстречу друг другу. Через миллионные доли секунды они рекомбинируют, излучая кванты света. Светодиоды на базе арсенида галлия генерируют ИК- и красное излучение, фосфида галлия — желтое и зеленое.

Устройства на базе нитрида галлия дают голубое, светло синий и УФ-излучение.

Химия: оптические супермикроскопы

Номинация: за разработку флуоресцентной микроскопии очень высокого разрешения.

    Лауреаты Уильям Мернер (Стэнфордский университет) Лауреаты Медицинский институт (и Эрик Говарда Хьюза) Лауреаты Штефан Хелл (Университет биофизической химии Общества Макса Планка в Геттингене)

Работы новых лауреатов стали причиной появлению двух новых способов оптической микроскопии, разрешивших преодолеть так называемый дифракционный предел микроскопических наблюдений (по окончании объявления номинации среди ученых стала популярна шутка о том, что Нобелевскую премию по химии в текущем году взяли биологи, создавшие новые физические способы).

В 1870—1880-х годах германский физик Эрнст Карл Аббе продемонстрировал, что повышение микроскопа нереально наращивать до бесконечности — разрешающая свойство ограничена волновой природой света. Минимальный размер подробностей, дешёвых наблюдению в простой микроскоп, образовывает от половины до трети длины волны света (в зависимости от коэффициента преломления среды).

Потому, что человеческий глаз не принимает волны меньше 380−400 нм, возможности оптической микроскопии ограничены наблюдением объектов, размеры которых превышают 130−140 нм. Этого хватит для бактерий, клеток а также больших клеточных органелл, таких как митохондрии, но через чур мало для микроскопического изучения вирусов, не говоря уже о протеиновых молекулах.

В 1980—1990-х ученые нашли ряд возможностей улучшить разрешение оптических устройств, используемых для изучения микромира. Конфокальные и мультифотонные микроскопы разрешили снизить минимальный размер различимых объектов приблизительно в два раза, а сканирующие микроскопы ближнего поля — кроме того в десять раз. Но микроскопия ближнего поля имеет большое количество ограничений и не имеет возможности претендовать на широкую применимость.

Две технологии оптической микроскопии, отмеченные Нобелевской премией, не только снабжают сверхвысокое разрешение, но и смогут использоваться для наблюдений громадного разнообразия объектов. Благодаря им и вторым подобным способам оптическая микроскопия скоро преобразовывается в наноскопию. Обе разработки применяют опорные сети, складывающиеся из светящихся молекул.

Такие сетки создаются и трудятся по-различному, но и в том и другом случае их элементы регистрируются независимо друг от друга. Исходя из этого информация с сеток считывается не смотря на дифракционный предел, что совершает новые способы фактически универсальными.

Способ Штефана Хелла основан на так именуемом стимулированном истощении эмиссии (Stimulated Emission Depletion, STED). Исследуемый объект метят молекулярными маркерами, флуоресцирующими под действием лазерного излучения (таким объектом возможно молекула ДНК, а метками — флуоресцентные антитела). Но эти же молекулы возможно вынудить испускать с некоей задержкой и фотоны с большей длиной волны, в случае если облучить их вторым лазером с подобающим образом подобранными чертями.

Пускай первый лазер формирует на поверхности примера круглое световое пятно, а лучи второго фокусируются в кольце, накрывающем целый данный круг, не считая центра. Метки в центре будут светиться на одной длине волны, а метки в кольца — на другой, намного большей (это и имеется истощение флуоресцентной эмиссии). В случае если настроить приемную совокупность микроскопа на регистрацию только коротковолновых фотонов, участки с истощенной эмиссией как бы погаснут.

Эту совокупность возможно перевоплотить в сканирующий микроскоп, в случае если направлять лазерные лучи в различные участки объекта, регистрировать сигналы от светящихся территорий и обрабатывать на компьютере. В случае если метки хорошо покрывают поверхность объекта, то картины, полученные на протяжении для того чтобы сканирования, воспроизведут его структуру. Степень разрешения прибора определяется размерами территорий с неподавленной эмиссией, каковые в принципе смогут быть кроме того нанометровыми.

Хелл создал теорию собственного способа в 1993—1994 годах, а в 1999-м показал его на практике. Сперва разработка STED была немногим лучше конфокальных микроскопов. на данный момент на заводских устройствах она снабжает разрешение от 30 до 80 нм, а в опыте — 2,5 нм.

Второй способ именуется PALM, Photoactivated Localization Microscopy. Его главным разработчиком признан Эрик Бетциг (не смотря на то, что практически такой же вклад внес и его сотрудник по Университету Хьюза Харальд Гесс). В первый раз эта разработка была показана в 2006 году. Третий лауреат, Уильям Мернер, оптической микроскопией не занимался.

Но PALM применяет белки, каковые под действием светло синий либо ультрафиолетового света испускают броское зеленое свечение. Эти так именуемые зеленые флуоресцентные протеины (GFP) были в первый раз выделены из тканей медуз вида Aequorea victoria, а позднее отысканы и у других морских беспозвоночных (их открытие было отмечено Нобелевской премией по химии 2008 года). Мернер во второй половине 80-ых годов XX века первым в мире изыскал возможность измерить поглощение света одной-единственной молекулой, а через восемь лет открыл метод руководить флуоресценцией отдельных GFP-молекул посредством лазерного излучения.

Открытием Мернера воспользовались Бетциг с сотрудниками для разработки разработки PALM. Она основана на применении лазерного излучения с длиной волны, нужной для возбуждения зеленых флуоресцентных белков. Пример многократно облучают весьма не сильный лазерными импульсами, содержащими маленькое число фотонов. Эти фотоны заставляют светиться протеиновые молекулы — опять-таки в малом количестве.

Потому, что свет случайным образом выбирает эти молекулы на поверхности объекта большой протяженности, практически все они оказываются отделенными друг от друга расстояниями, превышающими предел Аббе. Положение каждого светящегося центра возможно зарегистрировать с громадной точностью посредством оптического микроскопа.

По отдельности такие картины не через чур информативны, но компьютерный анализ всех изображений, что делается на базе вероятностных методов, разрешает вернуть структуру исходного примера. Сейчас PALM снабжает разрешение впредь до 20 нм, и, вероятнее, это еще не предел.

Невидимая граница

В конце XIX века Эрнст Аббе выяснил предел разрешающей свойстве оптического микроскопа, который связан с волновой природой света, как половину длины волны светового излучения. Так, посредством оптического микроскопа возможно разглядеть все, что больше отдельных клеток, сами клетки, их отдельные части (органеллы). Все, что меньше приблизительно 0,2 мкм — вирусы, молекулы, — в оптический микроскоп не заметить.

Разработка STED

В простой микроскоп возможно разглядеть контуры митохондрий, но подробностей мельче 0,2 мкм заметить не удастся.

1) Кольцевой лазерный луч «истощает» люминесценцию около центрального нанометрового пятна возбуждающего лазера.

2) Пример сканируется лазерными лучами, наряду с этим фиксируется координаты и интенсивность люминесценции луча.

3) Итоговое изображение, полученное по окончании сканирования, имеет намного более высокое разрешение, не ограниченное дифракционным пределом.

Разработка PALM

1) Весьма не сильный световой импульс возбуждает малую часть молекул флуоресцентного белка, расположенных случайным образом. Свечение фиксируется посредством оптического микроскопа. Процедура повторяется неоднократно.

2) Картины обрабатываются для повышения четкости.

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

Статья «Нобелевские премии» размещена в издании «Популярная механика» (№146, декабрь 2014).

Нобелевская премия по физике 2014 года за создание синих светодиодов. Премия за белый свет


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: