20نوامبر2017

26 مهر 1396 نوشته شده توسط 

مروری بر جوایز نوبل امسال

مریم ایرانی
P50 nobel prize
ماه اکتبر هرسال، نفس عده زیادی از دانشمندان در سینهها حبس میشود تا وقتی‌که مشخص شود امسال نام چه کسانی توسط آکادمی علوم برای دریافت جایزه نوبل اعلام خواهد شد. میراثی گران‌قدر از آلفرد نوبل، مخترع نامدار سوئدی که سال‌ها است طبق وصیت او برای گسترش و پیشرفت مرزهای دانش در سراسر دنیا به دانشمندان اهدا می‌شود. دریافت این جایزه بالاترین نشان افتخاری است که هر دانشمندی آرزوی به دست آوردنش را در سر دارد. آنچه مسلم است، تمام کسانی که این میراث گران‌بها را دریافت کردند، تمام عمر خود را وقف علم کرده بودند. روزهایی که بهترین ساعاتش در تحقیقات طولانی و آزمایشگاه‌های تاریک و روشن به امید یافتن روزنه‌هایی در روشن کردن و شناسایی جاده بی‌پایان و سخت نادانی گذشته است.
نوبل شیمی
جایزه نوبل شیمی امسال به شکل مشترک به سه نفر رسید. ژاک دوبوشه از دانشگاه لوزان سوئیس، ژواخیم فرانک از دانشگاه کلمبیا در نیویورک و ریچارد اندرسون از دانشکده زیست مولکولی دانشگاه کمبریج انگلستان. دلیل جایزه امسال هم توسعه میکروسکوپ‌های کریو-الکترونی باکیفیت بالا برای تشخیص ساختار محلول‌های بیومولکولی، عنوان‌شده است. اهمیت این کار وقتی معلوم می‌شود که بدانیم هرچه را که امروز برای تشخیص ساختارهای موجودات زنده و تشخیص و درمان بیماری‌ها می‌دانیم، تصاویر این میکروسکوپ‌ها به ما می‌دهند. بدون آن‌ها، دانشمندان هرگز قادر نبودند پیشرفت‌های بزرگی در این زمینه‌ها داشته باشند.
چرا میکروسکوپ‌های الکترونی برای علم مهم هستند؟
برای سال‌های متمادی، در دهه 70 میلادی، میکروسکوپ‌های الکترونی تنها ابزاری بودند که دانشمندان با آن‌ها سلول‌های موجودات زنده را موردمطالعه قرار می‌دادند. موجودات زنده‌ای که در زندگی انسان‌ها نقش‌های پیچیده‌ای بازی می‌کنند. مثل ویروس‌ها و باکتری‌ها.
اما یک مشکل اساسی در این میان وجود داشت و آن این بود که پرتوهای الکترونی که از این میکروسکوپ‌ها برای تصویربرداری از این موجودات زنده باید به سطح آن‌ها می‌رسید، ساختارهای آن‌ها را تخریب می‌کرد. برای همین هم دانشمندان بر این باور بودند که تصویرهایی که از این میکروسکوپ‌ها می‌بینیم درواقع تصویر سلول‌های مرده هستند و با واقعیت این ساختارها خیلی متفاوت‌اند این به این معنی بود که هیچ‌گاه نمی‌شد با اطمینان درباره این ساختارها نظر داد و یا از اطلاعات آن‌ها با اطمینان استفاده کرد. این وضعیت همچنان ادامه داشت تا ریچارد اندرسون وارد معرکه شد. او برای به دست آوردن تصاویر بهتر، تمام دنیا را زیر پا گذاشت. سال‌ها با میکروسکوپ‌های مختلفی در سراسر جهان کار کرد. اندرسون، تصاویر مختلف را کنار هم گذاشت تا درنهایت توانست در سال 1990 و بعد از 15 سال زحمت بی‌وقفه برای تصویربرداری با کیفیت بالا توسط میکروسکوپ‌های الکترونی که خودش تنظیم کرده بود، یک تصویر در حد ابعاد اتمی از یک باکتری منتشر کند؛ اما همچنان مشکل اصلی که تخریب ساختارهای مولکول‌های زیست ساختار توسط امواج الکترونی تابش شده از این میکروسکوپ‌ها در دماهای معمولی آزمایشگاه بود سر جای خودش باقی‌مانده بود.
P50-nobel-chemistry-2017
چرا میکروسکوپ‌های کریو- الکترون مستحق جایزه نوبل شناخته شدند؟
کریو، مخفف کلمه کریوژنیک به مفهوم دماهای خیلی پایین است. درواقع دماهایی زیر منفی 150 درجه سانتی‌گراد. این میکروسکوپ‌ها برای اینکه مشکل تخریب ساختارهای مولکولی توسط پرتوهای میکروسکوپی را کم کنند، نمونه‌هایی را که قرار است توسط این میکروسکوپ‌ها موردمطالعه قرار بگیرند تا این محدوده دمایی سرد می‌کنند.
ویروس معروف «زیکا» را یادتان هست؟ همان ویروسی که دو سال قبل بلای جان مردم دنیا شده بود و با حمله به بافت‌های اصلی مغز، عده زیادی را به کشتن داد؟ دانشمندان این ویروس بدجنس را توسط همین میکروسکوپ‌های کریو-الکترون، شناسایی کردند و عکس‌های این متهم ردیف اول را توانستند با کیفیت بالا به دست بیاورند و برای درمان‌های دارویی‌اش چاره‌ای بیندیشند.
پرفسور فرانک وارد می‌شود
یک سؤال اساسی دیگر در تصویربرداری سه‌بعدی از ساختارهای بیولوژیک مثل پروتئین‌ها همیشه فکر دانشمندان را خیلی به خود مشغول کرده بود. آیا می‌توان به‌صورت تصادفی از این ساختارها تصاویر با کیفیت بالا تهیه کرد؟ حتی اگر این ساختارها مدام تغییر جهت بدهند و جای خودشان را عوض کنند؟
پرفسور فرانک، درواقع در سال 1975 میلادی شروع کرد که جوابی برای این مشکل پیدا کند. او اول یک طرح تئوری ارائه کرد که بر اساس آن می‌شد با استفاده از تصاویر دوبعدی، یک منطق ریاضی برای ثبت تصاویر سه‌بعدی به دست آورد. او آن‌قدر روی این مسئله تئوری کار کرد تا سرانجام در سال 1986 یعنی تقریباً ده سال بعد، توانست اولین تصویر با وضوح‌بالا از یک مولکول سه‌بعدی را ثبت کند.
مشکل نمونه‌های آبدار
در سال 1978، پرفسور دوبوشه، از طرف آزمایشگاه بیولوژی هایدلبرگ مأموریت پیدا کرد یک مسئله اساسی در تصویربرداری‌های سه‌بعدی از ساختارهای زیستی را حل‌وفصل کند. زمانی که نمونه‌های بیولوژیک برای تصویربرداری آماده می‌شدند، باید تحت خلأ قرار می‌گرفتند، وقتی شرایط خلأ برقرار می‌شد، آب این نمونه‌ها از بین می‌رفت و خشک می‌شدند و همین باعث تخریب این ساختارها می‌شد. برای رفع این مشکل، نمونه‌ها به‌جای اینکه خشک شوند، تحت انجماد قرار می‌گرفتند و مثل یک تکه یخ می‌شدند. براثر انجماد، کریستال‌هایی از این ساختارهای مولکولی تشکیل می‌شدند که نظم ساختاری‌شان به‌هم‌خورده بود و به‌صورت تصادفی در کنار هم آرایش پیداکرده بودند. درواقع پرفسور دوبوشه کسی بود که فهمید وقتی آب این نمونه‌ها را منجمد می‌کند، دیگر وقتی تحت خلأ قرار بگیرند، خشک نمی‌شوند و ساختار اصلی آن‌ها حفظ می‌شود. او در سال 1984 میلادی توانست تصویر اولین ویروس‌هایی را که با روش ابداعی خودش تصویربرداری کرده بود، منتشر کند. آنجا بود که همه متوجه شدند تصویر واقعی ویروس‌ها با آنچه تا به آن روز شناخته بودند خیلی فرق داشته است. این همان چیزی بود که یک موفقیت بزرگ به حساب می‌آمد.
نوبل پزشکیP50-medicine-nobel-2017
سه دانشمند آمریکایی توانستند نوبل امسال را در رشته پزشکی از آن خود کنند. آنچه آن‌ها را مستحق این جایزه کرده است کوک‌کردن ساعت 24 ساعته درونی موجودات زنده شناخته‌شده است. جفری سی هال، از دانشگاه مین، میشل روسباش از دانشگاه براندیس و میشل یانگ از دانشگاه راکفلر برندگان این جایزه مهم پزشکی سال هستند چون ساعت درونی موجودات زنده را در دستانشان گرفته و توضیح دادند چطور می‌شود آن را تنظیم کرد.
مفهوم ساعت درونی دقیقاً چه هست؟
تمامی حیوانات، گیاهان و انسان‌ها در وجودشان چیزهایی به نام ساعت خودکار دارند که به‌طور 24 ساعته با تحولات و تغییرات کره زمین هماهنگ می‌شوند. این ساعت‌ها به‌طور طبیعی با نور خورشید کوک می‌شود. ساعت‌های درونی بدن، در همه سلول‌ها و ساختارهای زنده وجود دارند. از باکتری و سلول‌های خیلی کوچک گرفته تا ریشه‌های ضخیم درختان. در بدن انسان، این ساعت‌های درونی در طول روز تنظیم می‌شوند. از وقتی‌که از خواب بیدار می‌شویم تا وقتی به خواب می‌رویم و حتی وقتی غذا می‌خوریم. این ساعت‌ها هستند که هورمون‌های بدنمان را تنظیم می‌کنند، دمای بدن را 37 درجه نگاه می‌دارند و متابولیسم را تنظیم می‌کنند. وقتی این ساعت‌ها تنظیماتشان به هم بخورد مشکلات زیادی برای ما پیش می‌آید. (یکی از این مشکلات، پدیده جت‌لگ است که در شماره‌های قبلی مجله از آن‌ها حرف زدیم.)
آغاز ماجرا
در سال‌های دهه 70، دو محقق به نام‌های برنز و کونوپوک از ژنی سخن گفتند که ناشناخته بود و لقب «پریود» داشت و ساعت درونی بدن را تنظیم می‌کرد. پرفسور هال و روسباش که باهم در دانشگاه براندیس در آن زمان همکار بودند به همراه پرفسور یانگ تصمیم ‌گرفتند که روی این ژن تمرکز کنند و اطلاعات بیشتری به دست بیاورند. تا سال 1984 آن‌ها موفق شدند این ژن را به‌تنهایی گیر بیندازند و روی آن مطالعات خیلی زیادی انجام بدهند. یکی از کشفیات جالب آن‌ها این بود که فهمیدند در این ژن عجیب‌وغریب پروتئینی وجود دارد که در طول شب باعث شکل گرفتن ساعت بدن می‌شود و در طول روز اثری از آن به‌جا نمی‌ماند. کشف مهم بعدی این بود که این ساعت‌های درونی چطور در هرزمانی و ایجاد تغییرات در بدن خودشان را تنظیم می‌کنند و یا به هم می‌خورند.
اهمیت اصلی این کشف در کجا بود؟
تحقیقات درباره ساعت درونی بدن، سال‌ها قبل از تحقیقات این سه نفر شروع‌شده بود ولی آنچه کمیته نوبل را متقاعد کرد که این جایزه مهم را به این سه نفر بدهد این بود که آن‌ها زمینه بسیار مهم و گسترده‌ای از علم را برای پیدا کردن مکانیسم‌های ساعت درونی بدن شخم زده بودند! کشفیات این سه نفر درواقع به پیشرفت سلامتی انسان در زمینه‌های مختلف کمک‌های شایان توجهی کرده است. شاخه‌ای از علم پزشکی به نام کرونولوژی مدیون زحمات این سه نفر است. در سال‌های اخیر و با کمک نتایج این تحقیقات معلوم شده است که هرکسی برای بدن خودش یک ساعت 24 ساعته منحصربه‌فردی دارد که با ویژگی‌های بدن خود او تنظیم‌شده است. همین ویژگی‌ها است که به ما توضیح می‌دهد چرا بعضی از ما مثل خروس سر ساعت از خواب بلند می‌شویم و برخی دیگر مثل جغدها تا دیروقت می‌نشینیم و کار می‌کنیم. همین دلیلی است که چرا هرکسی می‌تواند یک سبک از برنامه‌ها را انجام بدهد و باید زمان‌بندی مخصوص خودش را داشته باشد.
یکی دیگر از نتایج این تحقیق این است که بدانیم غذا خوردن در طول شب اثرات بسیار جبران‌ناپذیری بر روی سلامتی ما دارد. چون بدن قادر به کنترل گلوکزهای تولیدشده در این ساعات از شبانه‌روز نیست. ولی وقتی صبحانه می‌خوریم بدن به‌طور طبیعی می‌تواند این کار را انجام بدهد. ساعت درونی بدن یک کارکرد مهم دیگر هم دارد و آن خوردن به‌موقع و منظم داروها مثل آنتی‌بیوتیک برای گرفتن نتایج درمانی بهتر است. فکر کنم حالا شما هم متقاعد شده باشید که چرا این سه نفر باید نوبل پزشکی را می‌گرفتند.
نوبل فیزیکP50-nobel-prize-physics-2017
سوتیتر: امواج گرانشی وقتی تولید می‌شوند که اجرام عظیم با سرعت نور حرکت می‌کنند و باعث تاب برداشتن فضا-زمان می‌شوند؛ این همان چیزی است که نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی کرده بود اما تا امروز اثبات نشده بود.
رینر ویز، بری بریش و کیپ ترون، برای «زحمات بی‌وقفه در راستای ساختن و پیشرفت دادن آشکارسازهای LIGO برای کشف امواج گرانشی زمین» جایزه نوبل فیزیک را از آن خود کردند. دکتر ویس که متولد آلمان و شهروند آمریکا است، نصف این جایزه را به‌تنهایی برنده‌شده است و بقیه جایزه بین دو نفر دیگر تقسیم‌شده است.
کشف این سه نفر چه بود؟
این سه نفر امواج گرانشی را که از بکرترین پدیده‌های جهان هستی یعنی سیاهچاله‌ها ساطع می‌شوند، به دام انداختند. در سپتامبر 2015، اولین بار این امواج گرانشی توسط دستگاه ابداعی این سه نفر ثبت و منتشر شدند. بعدازاین تاریخ بازهم اصلاحاتی روی این دستگاه‌ها انجام گرفت و آخرین بار در تاریخ 28 سپتامبر 2017 این تغییرات به اطلاع همه رسید.
امواج گرانشی چه نقشی در جهان ما ایفا می‌کنند؟
امواج گرانشی را انیشتین در حدود 100 سال قبل پیش‌بینی کرده بود. بعد از 50 سال تحقیق و آزمایش، در سپتامبر 2015 این امواج بالاخره کشف شدند.
امواج گرانشی وقتی تولید می‌شوند که اجرام عظیم با سرعت نور حرکت می‌کنند و باعث تاب برداشتن فضا-زمان می‌شوند؛ بنابراین در رویداد‌های عظیم کیهانی مثل انفجار ابرنواخترها باید چنین امواجی تولید شوند. این همان چیزی است که نسبیت عام انیشتن پیش‌بینی کرده بود و تنها بخشی از این نظریه بود که با آزمایش تجربی اثبات نشده بود؛ و این یعنی ما می‌توانیم عمیق‌تر و عمیق‌تر به جهان نگاه کنیم. همچنین این امکان را فراهم می‌کند که آشکارسازها بتوانند آغاز جهان را روشن‌تر از قبل تشخیص بدهند و برای ما به تصویر بکشند.
کشف و تشخیص مکرر این امواج، (چهار بار در حال حاضر) باعث شده است که رؤیای ستاره‌شناسی با کمک امواج گرانشی بسیار واقعی‌تر از قبل باشد. ستاره‌شناسی موج گرانشی یک‌راه بسیار مهم برای ارزیابی برخی از فرآیندهای غیرقابل توضیح در جهان هستی مانند سیاهچاله‌ها یا ادغام ستاره‌های نوترونی است که نمی‌توانند با نور یا روش‌های متعارف شناسایی شوند.
برندگان جایزه نوبل فیزیک، امواج گرانشی ادغام دو سیاهچاله - یکی سی‌وپنج برابر خورشید و دیگری کمی کوچک‌تر- را رصد کرده بودند؛ زمانی که دو سیاهچاله پیش از آنکه در هم ادغام شوند به‌سرعت دور هم می‌چرخیدند. دانشمندان امواج گرانشی ناشی از چرخش دو سیاهچاله را مدت بیست هزارم ثانیه رصد کرده بودند و محاسبات آن‌ها نشان داد در ابتدای دریافت این امواج، دو سیاهچاله سی بار در ثانیه به دور یکدیگر می‌چرخیدند اما این سرعت به ۲۵۰ بار در ثانیه افزایش یافت تا اینکه دو سیاهچاله در هم ادغام شدند. پس از اعلام این یافته، تقریباً تمام صاحب‌نظران متفق‌القول بودند که این کار نوبل فیزیک را دریافت خواهد کرد.