Понаоткрывали

Синее и светится

Нобелевская премия по физике: Исаму Акасаки, Сюдзи Накамура и Хироси Амано.

Классическая лампочка с вольфрамовой спиралью больше греет, чем светит: до 95% энергии превращается в бесполезное тепло, и только пять тратится по назначению. Светодиоды эффективней на порядок - прежде всего потому, что никакую из часть не нужно нагревать до белого каления. Делаем бутерброд из нескольких слоёв полупроводников, и там, где электроны воссоединяются с дырками, рождается фотон. Феномен старый и известный: такое свечение впервые заметили сто с лишним лет назад. Но штамповать из диодов лампы для кухонь и ванных начали совсем недавно.

Проблема заключалась в цвете. Красный, зелёный и синий, если их смешать в нужной пропорции, дают все цвета радуги. Но если одного компонента нет, из оставшихся двух, как ни комбинируй, не составишь даже белый. Светодиоды, которые горят красным и зелёным, запатентованы больше 50 лет назад, а вот с синим физики зашли в тупик - прорыв случился только в конце 1980-х.

Было понятно, из чего делать синие диоды: цвет, который может дать тот или иной полупроводник, легко предсказать теоретически. GaN, нитрид галлия, подходил по всем параметрам. Оставалось получить идеально чистые кристаллы, потому что в полупроводнике всё меняют уже миллионные доли примесей - тот случай, когда цистерну портит даже не ложка, а капля дёгтя.

Молекулы со вспышкой.

Нобелевская премия по химии: Эрик Бетциг, Штефан Хелль, Уильям И. Мёрнер.

Всё самое интересное в современной биологии - от вирусов до микротрубочек, которые растаскивают ДНК по разным углам клетки во время деления, - слишком мелкое, чтобы разглядеть под микроскопом. Сколько бы линз в нём ни было, мешает дифракционный предел Аббе - физический запрет, связанный с длинами волн видимого света. А эти длины волн в десятки и сотни раз больше, чем размеры биомолекул и самых важных структур клетки. 

Часто положение спасает зондовый микроскоп. Это с его помощью получают рельефные чёрно-белые снимки, где водяной медведь в одну десятую миллиметра грозит инопланетным раструбом вместо рта, а на глазу у дрозофилы видны волоски, растущие из фасеток. Одна проблема: сначала фотомодель надо убить, а потом, например, пустить через неё туннельный ток. А как быть, если хочется всё-таки увидеть живую клетку?

Хитроумный обходной маневр называется флуоресцентной микроскопией. Для начала объект надо подсветить изнутри. На роль встроенных ламп отлично подходят молекулы вроде GFP, зелёного флуоресцентного белка, за открытие которого дали Нобелевскую премию по химии в 2008 году. Чтобы молекулы начали светиться, их возбуждают лазером. Но тут и кроется главное препятствие. Лазер не способен прицелиться в одну крошечную молекулу. Штефан Хелль решил так: подсветим сразу много, а потом погасим всё, кроме центрального пятнышка. Так, пятнышко за пятнышком, можно отсканировать весь образец. Метод, который родился из этого рассуждения в 2000 году, называется STED.

Другой метод: гель или биологическую мембрану засевают флуоресцентными молекулами, как грядку семенами, и следят, чтобы интервал между соседними молекулами оставался больше дифракционного предела. При таком раскладе каждую "лампу" можно по отдельности включить или выклчить лазером - эту технику еще в 1990-е разработал Мёрнер. Бетциг придумал располагать бок о бок флуоресцентные молекулы разного цвета, а после комбинировать изображения, полученные с разными наборами зажжённых "ламп". В 2005 году он довёл свои идеи десятилетней давности до практического воплощения - на свет появились PALM-микроскопы.

Что успели разглядеть учёные, применив новые подходы? Как по мембране нервной клетки перемещаются ионные каналы, обеспечивая передачу сигнала через синапс соседу, - это важно для понимания молекулярных механизмов памяти и борьбы с болезнями вроде Альцгеймера или Паркинсона. Как деформируется оболочка вируса СПИДа перед нападением на Т-лимфоцит - это поможет найти слабые места у вирусной частицы. Как работает митохондрия. И сотни других явлений.

Все эти методы микроскопии - прежде всего фотография, запечатлённый момент, пусть и ключевой. И как раз в этом году Бетциг наконец нашёл способ превратить фото в кино: через две недели после присуждения ему Нобелевской премии в Science вышла статья, как снимать живые структуры в движении.

Соты в голове

Нобелевская премия по физиологии и медицине: Джон О'Киф, Мэй-Бритт Мозер, Эдвард Мозер

Мозг расчерчивает пространство на невидимые правильные шестиугольники. КАк только мы оказываемся в центре любого из них, возбуждается одна и та же нервная клетка - нейрон координатной сетки. В височной доле, в зоне под названием энторинальфная кора, таких нейронов многие миллионы, и у каждого своя шестиугольная решётка. Но у одних решёток ячейки покрупней, у других помельче. Поэтому, где бы вы ни стояли, какая-нибудь клетка да отреагирует. Совместными усилиями нейроны координатной сетки отслеживают все ваши перемещения, даже когда вокруг кромешная тьма и никаких ориентиров.

В 2005 году нейрофизиологи Эдвард Мозер и его жена Мэй-Бритт Мозер из норвежского города Тронхейма доказали это на примере крыс. Животным вшивали под череп электроды тоньше волоса и записывали электрическую активность одиночных нейронов. Со временем такие же клетки нашли у обезьян, а к 2013-му - и у людей. Оказалось, пространственное мышление грызунов мало отличается от нашего.

Стало ясно, почему люди не летают, как птицы. Хотя мы и жвём в техмерном пространстве, решётка из шестиугольников проская, как географическая карта. Люди, как и крысы, по образу мышления существа двумерные и к выходу в третье измерение - полёту или подводному плаванию - приспособлены слабо. В 2013 году Майкл Ярцев, постдок из Принстона, получил премию Эппендорфа за исследования нейронов координатной сетки у летучих мышей: выяснилось, что для полноценного умения летать мозг должен работать принципиально иначе.

У британца Джона О'Кифа, третьего нобелевского лауреата, супруги Мозеры учились в аспирантуре. Ещё в 1970-х О'Киф обнаружил "клетки места" в гиппокампе: они проявляются активность тогда и только тогда, когда животное или человек находится в конкретной точке пространства. Другими словами, у каждого студента МГУ есть отдельный нейрон для входа в метро "Университет" и отдельный - для скамейки перед памятником Ломоносову. А также для пятачка перед стендом с расписанием и каждого пешеходного перехода по пути домой. Мозеры показали, что эти нейроны - конечный пункт сбора геоданных у нас в голове: они получают на вход сигналы от нейронов координатной сетки и "клеток поворота головы".

Это первый случай, когда удалось описать механизмы мышления на уровне отдельных нервных клеток. Самый популярный сейчас метод исследований мозга, магнитно-резонансная томография, и близко не подошёл к такому уровню точности. Он сообщает лишь, когда активна та или иная зона. Томографию сравнивают с промышленным шпионажем по-дилетантски: вы наблюдаете, как зажигаются и гаснут окна небоскрёба, и пытаетесь делать выводы о работе корпорации, разместившейся внутри. Развивая метафору, Мозеры и О'Киф смогли выяснить должностные обязанности каждого из сотрудников большого и важного отдела этой загадочной корпорации.

Наноскоп в действии

Техника, придуманная нобелевскими лауреатами этого года по химии - источник бесконечного множества картинок на рабочий стол. Одна и та же зелёно-красная гамма на разных фото не совпадение: оригинальная идея предполагала раскрашивать образец ровно двумя флуоресцентными красителями. Таким образом, на фотографиях мы видим не сами белки или вирусы, а излучение красителей. Вопрос, какого цвета белок "сам по себе", не имеет смысла именно потому, что сами эти объекты меньше длины волны света.

Самые короткие световые волны, которые различает человеческий глаз, имеют длину 380-400 нм (фиолетовый свет), а размеры белков - всего лишь десятки нанометров.