Od dopaminy do Internetu

Tegoroczni laureaci Nagród Nobla w naukach ścisłych i medycynie mają na koncie kilkaset patentów. W stuletniej historii nagród rzadko zdarzało się, by wszyscy uhonorowani dokonali odkryć o tak wyjątkowym znaczeniu praktycznym. 

Trzej uczeni nagrodzeni w dziedzinie fizjologii i medycyny nie tylko odsłonili część tajemnic "chemicznej maszynerii mózgu", ale wskazali też praktyczne możliwości leczenia chorób powodowanych zakłóceniem chemicznych sygnałów w tym organie - wśród nich choroby Parkinsona, schizofrenii i depresji. Szwedzki lekarz i farmakolog Arvid Carlsson z Uniwersytetu w Göteborgu swą wieloletnią karierę poświęcił badaniom dopaminy, substancji chemicznej wytwarzanej przez komórki mózgu. W latach 50., gdy rozpoczął swoje prace, dopamina nie była jeszcze uważana za jeden z najważniejszych neuroprzekaźników przenoszących informacje chemiczne pomiędzy neuronami. Sądzono, że jest zaledwie prekursorem, substancją, z której powstaje inny przekaźnik - noradrenalina. Carlsson znalazł wówczas sposób na precyzyjne zmierzenie ilości dopaminy w różnych obszarach mózgu. Okazało się, że jest jej dużo wcale nie w tych rejonach, w których występuje noradrenalina. Dopamina znajdowała się przede wszystkim w obszarach odpowiedzialnych za kontrolę ruchu. Miała więc osobną, niezależną od noradrenaliny funkcję do spełnienia. Następnie szwedzki badacz zaaplikował im L-dopę, środek, z którego w mózgu powstaje dopamina. Wówczas zaobserwował powrót prawidłowej regulacji czynności ruchowych. W wyniku tych doświadczeń Arvid Carlsson odkrył lek na chorobę Parkinsona, której symptomy - drżenie kończyn i głowy, sztywność mięśni i konwulsyjne ruchy - są podobne do objawów, jakie sztucznie wywołał u zwierząt, niszcząc w ich mózgach zapasy dopaminy. L-dopa, podawana cierpiącym na chorobę Parkinsona, uzupełnia braki dopaminy w ich mózgach, ułatwia przepływ sygnałów między neuronami i w pewnym stopniu łagodzi zaburzenia ruchu.
W końcu lat 60. wiedziano już, że dopamina, noradrenalina i serotonina są ważnymi przekaźnikami sygnałów, a od ich obecności zależy stopień pobudzenia ludzkiego układu nerwowego i nastrój. Nie było jeszcze jasne, w jaki sposób wywierają one wpływ na neurony, jaki jest mechanizm ich działania. Paul Greengard, Amerykanin pracujący przez wiele lat dla przemysłu farmaceutycznego, a obecnie szef laboratorium neurofizjologii na Uniwersytecie Rockefellera w Nowym Jorku, odkrył tzw. powolne transmisje synaptyczne, dzięki którym neuroprzekaźniki pobudzają synapsy, miejsca kontaktu neuronów, i wywołują wiele zmian chemicznych. Zmienione białka tworzą kanały jonowe w błonie otaczającej komórki nerwowe, kontrolują stan jej pobudzenia i umożliwiają wysyłanie sygnałów elektrycznych wzdłuż wypustek neuronów.

Trzeci z uhonorowanych badaczy, Eric Kandel, z pochodzenia Austriak, obecnie obywatel amerykański, profesor neurobiologii i psychiatrii na Uniwersytecie Columbia w Nowym Jorku, zajmował się procesami zapamiętywania. Odkrył, jak istotne dla tworzenia śladów pamięciowych są zmiany zachodzące w synapsach, gdzie neurony kontaktują się z sobą poprzez sygnały chemiczne. Początkowo próbował studiować procesy pamięci i uczenia się u ssaków. Na poziomie molekularnym okazało się to jednak niezwykle trudne. Wówczas do badań nad tymi mechanizmami zdecydował się użyć ślimaka morskiego o nazwie Aplysia. Mięczak ten posiada zaledwie 20 tys. neuronów (w mózgu człowieka jest 100 mld komórek nerwowych), co znacznie uprościło zadanie. Kandel odkrył, że słabe impulsy docierające do synaps dają początek pamięci krótkotrwałej - nie przekraczającej kilku godzin. Silniejsze i trwające dłużej sygnały dochodzą aż do jąder komórek nerwowych i powodują zmiany kształtu białek w synapsach. Tworzą się również zupełnie nowe białka. Te zmiany strukturalne stają się podstawą pamięci długotrwałej. Taki sam mechanizm działa u ludzi. Nasza pamięć, jak to ujął prof. Kandel, "jest ulokowana na synapsach". Dzięki jego odkryciom stało się możliwe zrozumienie, w jaki sposób skomplikowane obrazy pamięciowe są magazynowane w naszym mózgu i jakie procesy mogą prowadzić do przywołania w pamięci zapomnianych wydarzeń. Prace Kandela zwiększają również nadzieje na opracowanie nowych leków, które przyczynią się do poprawy pamięci u ludzi cierpiących na różne typy demencji. 

Nagrody Nobla za osiągnięcia w fizyce i chemii przyznano sześciu naukowcom - wynalazcom obwodów scalonych, ultraszybkich tranzystorów, półprzewodników o specyficznej strukturze warstwowej i polimerów przewodzących prąd elektryczny. Dzięki ich pracom elektroniczne układy scalone przetwarzają dziś informacje z szybkością 600 mld cykli na sekundę, wiązek światła laserowego używa się w kasach supermarketów i w przenośnych odtwarzaczach dysków kompaktowych, a urządzenia mikroelektroniczne stosuje z powodzeniem w dziedzinach tak różnych, jak medycyna i badania kosmiczne.
Laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, Amerykanin Jack Kilby, przez wiele lat związany z prywatną firmą Texas Instruments, ma na swoim koncie ponad 60 patentów, a wśród nich na obwód scalony, który wymyślił i skonstruował w ciągu dwóch pierwszych tygodni swojej pracy w roku 1958. "Zupełnie nie oczekiwałem Nagrody Nobla, po części z powodu natury tej pracy. Więcej w niej inżynierii niż nauki" - mówił dziennikarzom 76-letni Kilby po ogłoszeniu decyzji Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk. Wynalazek Kilby’ego, układ scalony, wiązał na jednej płytce dwa tranzystory germanowe. Taki był początek. Równocześnie na płytce krzemu zbudował układ scalony inny badacz amerykański - Robert Noyce. Dziesięć lat później założył Integrated Electronics, firmę znaną dziś jako Intel. Jest to obecnie największy światowy producent mikroprocesorów. Robert Noyce, jeden z twórców Doliny Krzemowej w Kalifornii, zmarł w 1990 r., nie doczekawszy Nobla. W 1996 r. rynkowa wartość produkcji układów scalonych na świecie oceniana była na 115 mld USD.

Czym dla elektroniki komputerowej stał się układ scalony, tym dla współczesnej telekomunikacji są ultraszybkie tranzystory i lasery półprzewodnikowe, tworzone z warstw o różnych własnościach. Półprzewodniki, czyli materiały będące czymś pośrednim między izolatorem a przewodnikiem, konstruuje się, układając precyzyjnie poszczególne atomy w cienkie, ale bardzo gęste warstwy. Półprzewodniki złożone z warstw o różnych właściwościach, zwane heterostrukturami, zaproponował po raz pierwszy w 1957 r. urodzony w Niemczech Herbert Kroemer, Amerykanin pracujący wówczas w Radio Corporation of America, jeden z trzech tegorocznych laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki. Jego chipy były sto razy szybsze niż używane poprzednio. 

Nic nie jest jednak szybsze niż światło, dlatego naukowcy od dawna próbowali wykorzystać jego impulsy do przesyłania i przetwarzania informacji. W 1963 r., zaledwie trzy lata po wynalezieniu lasera, dwaj badacze - Herbert Kroemer i Żores Iwanowicz Alfierow, rosyjski fizyk i matematyk z cenionego na świecie Instytutu Fizyki w Leningradzie, niezależnie od siebie zaprojektowali laser półprzewodnikowy, bazujący na warstwach o różnych właściwościach, czyli heterostrukturach. Rok później urządzenie tego typu mogło już działać w temperaturze pokojowej. Od tej pory stało się możliwe wysyłanie informacji światłowodami. Mało kto wie, że również czytnik dysków laserowych zawdzięczamy Alfierowowi. Z kolei Kroemer jest ojcem ultraszybkich tranzystorów, wykonujących miliardy operacji w ciągu sekundy, używanych w telefonach komórkowych, satelitach, badaniach pozaziemskich. Obaj przyczynili się do gwałtownego rozwoju Internetu i telekomunikacji.
Optoelektronika, korzystająca z materiałów nieorganicznych, nieplastycznych, wymagających utrzymania sterylnej czystości podczas produkcji, ma swoje ograniczenia. Z kolei materiały organiczne (zawierające związki węgla), występujące obficie w przyrodzie i łatwe w obróbce, są typowymi izolatorami, nie przewodzą prądu elektrycznego. Jak się jednak okazuje, nawet plastik, stosowany jako izolator przewodów elektrycznych, w pewnych warunkach może się stać przewodnikiem prądu. Odkrycia tego dokonał przypadkiem na początku lat 70. Hideki Shirakawa, Japończyk z Instytutu Technicznego w Tokio. Naukowiec prowadził eksperymenty z tworzeniem cienkich błon z poliacetylenu, popularnego polimeru organicznego. W pewnym momencie dodał przez pomyłkę tysiąc razy więcej katalizatora. Otrzymana błona miała wspaniały srebrny połysk. Po jakimś czasie, podczas przerwy na kawę w trakcie międzynarodowej konferencji w Japonii, Shirakawa rozmawiał z Alanem MacDiarmidem, Nowozelandczykiem pracującym na Uniwersytecie Pensylwanii i z Alanem Heegerem, również z tamtego uniwersytetu. Okazało się, że wszyscy trzej pracowali nad polimerami. MacDiarmid zaprosił Shirakawę do Pensylwanii, gdzie próbowali dodawać do poliacetylenu różne substancje chemiczne zmieniające jego własności. Ku swemu zdumieniu, po jednej z takich prób otrzymali materiał, którego przewodnictwo elektryczne wzrosło 10 mln razy. W dalszych próbach uzyskali również polimery półprzewodnikowe zdolne do wysyłania światła, czyli do elektroluminescencji. Dziś są one stosowane w diodach emitujących światło. Komitet Noblowski stwierdza w swym komunikacie: "Już dziś ten nadzwyczajny plastik - czyli polimery przewodzące prąd elektryczny - znalazł mnóstwo zastosowań. W najbliższych latach będą montowane w płaskich ekranach telewizorów, w sygnalizacji świetlnej na ulicach, w znakach drogowych. A skoro stała się tak prosta produkcja dużych, cienkich warstw świecącego plastiku, można sobie też wyobrazić wysyłające światło tapety w naszych domach czy inne równie spektakularne zastosowania".