iov75 (iov75) wrote,
iov75
iov75

Новости науки. Нобелевские премии -- 2014

Слева: здание Nobel Forum. Справа: здание Шведской королевской академии наук

Слева: здание Nobel Forum, в котором заседает Нобелевская ассамблея Каролинского института (Nobel Assembly at Karolinska Institutet) и происходит объявление лауреатов Нобелевской премии по физиологии и медицине. Справа: здание Шведской королевской академии наук, где объявляют лауреатов Нобеле вских премий по физике и химии. Фото с сайтов himetop.wikidot.com и kva.se


Три естественнонаучных премии 2014 года получили американо-британский нейрофизиолог Джон О'Киф и его коллеги из Норвегии Мэй-Бритт Мозер и Эдвард Мозер -- "за открытие клеток навигационной системы мозга", японские физики Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамура --  "за изобретение эффективных голубых светоизлучающих диодов, позволившее создать яркие и экономичные источники белого света", а также американцы Уильям Мёрнер и Эрик Бетциг и немец Штефан Хелль -- "за разработку флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения".

Как всегда, в первый понедельник октября из Стокгольма начали поступать сообщения о присуждении Нобелевских премий 2014 года. Первыми стали известны лауреаты в номинации "физиология и медицина", на следующий день -- по физике, и еще днем позже -- по химии.

Физиология и медицина: Мозг и пространство

В соответствии с завещанием Альфреда Нобеля, премии в первой номинации присуждала Нобелевская ассамблея Каролинского института (Karolinska Institutet) -- одного из крупнейших медицинских университетов Европы, основанного указом шведского короля Карла XIII в 1810 году. В ней пятьдесят профессоров, которые голосуют на основе рекомендаций Нобелевского комитета (см. Nobel Committee for Physiology or Medicine), включающего только пять ученых. 6 октябр я его секретарь Горан Ханссон (Go:ran K. Hansson) назвал имена троих нейрофизиологов, награжденных "за открытие клеток навигационной системы мозга".

Половину денежной премии в 8 миллионов крон получил 75-летний профессор лондонского Университетского колледжа Джон О'Киф (John O'Keefe), который родился в США, учился в Канаде и сделал научную карьеру в Англии. Вторую половину разделили профессора Норвежского университета науки и технологии в Тронхейме Мэй-Бритт Мозер (May-Britt Moser) и Эдвард Мозер (Edvard Ingjald Moser), которые также совместно возглавляют входящий в состав университета Институт системной неврологии Кавли (Kavli Institute for Systems Neuroscience). Они оказались четвертой супружеской парой, когда-либо удостоенной Нобелевской премии, и второй -- в своей номинации. Эти трое исследователей пополнили список из 204 ученых, отмеченных в 1901-2013 годах в ходе 105 присуждений Нобелевской премии по физиологии или медицине. Мэй-Бритт -- одиннадцатая женщина, награжденная в этой номинации.

Лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине 2014 года

Лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине 2014 года (слева направо: Джон О'Киф, Мэй-Бритт Мозер, Эдвард Мозер). Изображение с сайта nobelprize.org

Имена награжденных не оказались неожиданными. Их результаты давно признаны крупнейшим вкладом в современную нейрофизиологию. В 2013 году супругов Мозер удостоили премии Луизы Гросс Хорвиц (The Louisa Gross Horwitz Prize), с 1967 года ежегодно присуждаемой Колумбийским университетом за исследования по биологии и биохимии. Эту награду считают надежным предиктором визита в Стокгольм. На сегодняшний день почти половина ее лауреатов -- 47 человек из 95 -- впоследствии получили и Нобелевские п емии.

Открытия новых лауреатов позволили понять, какие структуры мозга млекопитающих распознают положение тела в пространстве и ориентацию во время движения. В их основу легли многолетние эксперименты на крысах и мышах, начатые О'Кифом в Лондоне в конце 1960-х годов. Тогда считали, что животные действуют под прямым влиянием сигналов, получаемых от органов чувств. Однако существовала и альтернативная теория, предложенная в 1948 году американским психологом Эдвардом Толменом (см. обзор Sheri J. Y. Mizumori, 2006. Hippocampal place fields: A neural code for episodic memory?). Толмен пришел к выводу, что в мозгу животных формируются когнитивные карты (cognitive maps) окружающей обстановки, которые и служат основой поведения. Однако Толмен не мог сказать, какая зона мозга строит эти карты и как они работают.

Подступиться к решению этой задачи стало возможно в конце 1950-х годов, когда появилась техника мониторинга активности нейронов с помощью вживленных микроэлектродов. Ее и задействовал О'Киф. Его эксперименты показали, что за анализ информации о пространственном местоположении отвечают некоторые клетки гиппокампа -- парного участка архикортекса (старой коры головного мозга). Тогда уже было изве тно, что гиппокамп исполняет важнейшую роль в процессах запоминания и обучения. О'Киф и его коллеги обнаружили в гиппокампе пирамидальные нейроны, которые возбуждаются, лишь если подопытные животные оказываются в определенных участках окружающего пространства ("place fields''). О'Киф предположил, что именно они и служат основой пространственного картирования, о котором писал Толмен. Их назвали нейронами места (place cells).

О'Киф предположил, что эти клетки хранят информацию о тех или иных "метках" пространственного окружения, которые животные воспринимают преимущественно с помощью зрения. Каждому положению животного отвечают определенные сети возбужденных клеток, сохраняющие стабильность до тех пор, пока животное находится в данном месте. При перемещении животного эти сети изменяются, формируя новые пространственные карты. Когда крысу возвращали на прежнее место, то восстанавливалась и исходная сеть возбужденных клеток.

Следующий шаг сделали супруги Мозер. В 1996 году они 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 (см. Entorhinal cortex) головного мозга, имеются нейроны, которые также участвуют в картировании окружающей среды. Они получают информацию от участков мозга, связанных с сенсорными органами, и благодаря этому реагируют на изменения положения головы и тела животного. И х называют grid-нейронами (grid cells) и на русский еще переводят как решетчатые нейроны или нейроны координатной сетки. Это связано с тем, что grid-нейроны возбуждаются, когда животное исследует пространство вокруг себя, причем области возбуждения этих нейронов образуют близкую к правильной треугольную решетку (рис. 1). В 1996 году их чисто теоретически предсказал американский нейрофизиолог Уильям Келвин (William H. Calvin), а экспериментально обнаружили супруги Мозер и их коллеги. Эти клетки обмениваются сигналами с клетками места, находящимися в гиппокампе. Позднее недалеко от энторинальной коры открыли аналоги решетчатых нейронов, которые тоже общаются с гиппокампом. Эта система и осуществляет динамическое картирование окружающей среды, некогда предсказанное Толменом.

Рис. 1. Области возбуждения клеток места и решетчатых нейронов

Рис. 1. Области возбуждения клеток места (слева) и решетчатых нейронов (справа). Черные линии показывают траекторию крысы, которая изучала окружающее пространство; красными точками отмечены места, в которых возбуждались нейроны. Рисунок из статьи Edvard I. Moser, Emilio Kropff and May-Britt Moser, 2008. Place Cells, Grid Cells, and the Brain's Spatial Representation System

Открытия новых лауреатов важны не только для фундаментальной науки. Нейрофизиологи полагают, что навигационные системы мозга млекопитающих и человека достаточно похожи. Давно известно, что энторинальная кора повреждается на ранних стадиях болезни Альцгеймера. Изучение особенностей ее функционирования обещает дать важную информацию для борьбы с этим заболеванием и прочими нейродегенеративными расстройствами.

Физика: Вся сила в светодиодах

Нобелевская премия по физике тоже не оказалась неожиданной. В 2011-13 годах ее присуждали за чисто фундаментальные исследования в области физики и космологии. Можно было предположить, что Шведская королевская академия наук на этот раз отдаст должное исследованиям прикладного характера, что она сделала в 2007, 2009 и 2010 годах. Так и случилось. 7 октября непременный секретарь Академии Стаффан Нормарк (Staffan Normark) объявил, что премия 2014 года присуждена "за изобретение эффективных голубых светоизлучающих диодов, позволившее создать яркие и экономичные источники белого света". Премии удостоились японские физики Исаму Акасаки (Isamu Akasaki) и Хироси Амано (Hiroshi Amano) из Нагойского универ ситета, а также Сюдзи Накамура (Shuji Nakamura), который после ухода из частной фирмы не смог найти работу в японской университетской системе и вот уже 15 лет профессорствует в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. Они получили 108-ю по счету Нобелевскую премию по физике, пополнив прежний список из 196 лауреатов.

Лауреаты Нобелевской премии по физике 2014 года

Лауреаты Нобелевской премии по физике 2014 года (слева направо: Исаму Акасаки, Хироси Амано, Сюдзи Накамура). Фотографии из сообщения о вручении премии по физике с сайта журнала Science

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 в экспериментах с прохождением тока через кристалл карбида кремния ассистент Гульельмо Маркони и сам впоследствии крупный изобретате ь-радиотехник Генри Джозеф Раунд (Henry Joseph Round), а спустя шестнадцать лет независимо переоткрыл сотрудник Нижегородской радиолаборатории Олег Лосев, который, как сейчас ясно, подошел вплотную к изобретению светодиода (см. статью N. Zheludev, 2007. The life and times of the LED -- a 100-year history).

Работа светоизлучающих диодов обусловлена процессами в зоне контакта полупроводников с дырочной и электронной проводимостью -- так называемые p-n-переходы, открытые в 1939 году американским инженером Расселом Олом (Russell Ohl). На p-n-переходе возникает электрическое поле, которое создает потенциальный барьер, препятствующий перетеканию электронов в область с дырочной проводимостью, а дырок -- в электронную. При нало жении 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 (или еще быстрее) они рекомбинируют, излучая кванты света. Спектральный состав излучения определяется типом полупроводника. Светодиоды на основе арсенида галлия генерируют инфракрасное и красное излучение, фосфида галлия -- желтое и зеленое. Приборы на базе нитрида галлия дают голубое, синее и ультрафиолетовое излучение. Первый в& nbsp;мире красный светодиод изобрел американский физик Ник Холоньяк еще в 1962 году, однако голубые светодиоды появились только спустя три десятилетия.

В полупроводники для создания участков с различными типами проводимости вводят специальные добавки. Так, для получения электронной проводимости нитрид галлия можно легировать кремнием, а для получения дырочной -- магнием. Для создания эффективных светодиодов необходимо выращивать бездефектные кристаллы базисного 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 А касаки 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 перво 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 "сандвичей" из нескольких полупроводников с разными типами проводимости (так называемых полупроводниковых гетероструктур). Именно на базе гетероструктур обе группы в первой половине 1990-х создали голубые светодио ы, которые освоила полупроводниковая индустрия.

Рис. 2. Сверхъяркие голубые светодиоды

Рис. 2. Сверхъяркие голубые светодиоды теперь используются чуть ли не повсеместно. Изображение с сайта linustechtips.com

Устройства на голубых светодиодах распространены очень широко. Их, вместе с диодами, дающими другие цвета, используют в полноцветных дисплеях и осветительных приборах (рис. 2). Голубые светодиоды служат также основой светильников иного типа -- они возбуждают своим излучением молекулы фосфорных соединений, а те испускают красные и зеленые фотоны, которые смешиваются с голубыми и дают белый свет. Такие светильники обеспечивают световой поток до 300  люменов на ватт электрической мощности (для ламп накаливания этот показатель в лучшем случае составляет 16-17 лм/Вт), а их КПД может превышать 50%. В производстве они дороже лампочек с вольфрамовыми нитями и газосветных ламп, но их стоимость быстро падает, а доступность растет. Поэтому работы новых нобелевских лауреатов представляют собой не только крупное научно-технологическое достижение, но и реальный инструмент глобальной экономии энергии. Сейчас на освещение тратится 20% мировых электрических мощностей, однако ассовое применение светодиодов может уменьшить эту долю до 4%.

Химия: Микроскопия без берегов


Далее читать на Нобелевские премии -- 2014

Tags: наука
Subscribe

promo iov75 november 5, 2013 13:14 68
Buy for 40 tokens
Печально знаменитая 58-я статья Безусловно, одной из важнейших составляющих Черного мифа репрессий в СССР является пресловутая 58-я статья УК РСФСР, по которой были осуждены подавляющее большинство «политических» (в том числе и «открыватель» темы А.Солженицын). Что же…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments