ru:about:media:2014:20142310 [Институт химической биологии и фундаментальной медицины]
ИХБФМ СО РАН » ru » Об институте » СМИ о нас » 2014 год » ru:about:media:2014:20142310



Оригинал статьи

«Ведомости Законодательного Собрания Новосибирской области

№52(1363) от 23.10.2014 г.


ОДОБРЕНО «НОБЕЛЕМ»

Учёные СО РАН о последних открытиях нобелевских лауреатов 2013 года.























Кому и за что Нобелевский комитет присудил премии по физике, химии и медицине в этом году, прокомментировали учёные Сибирского отделения Российской академии наук. Параллельно они рассказали, почему белые светодиоды всё-таки синие, как мозг крысы рисует карту местности и что делает изображение в микроскопе чётче.

Эволюция светодиода


Жёлтый, зелёный, оранжевый, красный, голубой — это не только цвета радуги, но и этапы эволюции светодиода. С годами научных экспериментов от тусклого, едва заметного свечения эти полупроводниковые приборы стали демонстрировать мощную светоотдачу. Только представьте: один современный светодиод по световой отдаче равен примерно 20 стоваттным лампам накаливания или 17 стоваттным галогеновым лампам!

За изобретение эффективных синих светодиодов, которые привели к появлению ярких энергосберегающих источников белого света, трём японским учёным: Исаму Асаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамура — в этом году была присуждена Нобелевская премия по физике.

— Мы не можем потрогать супер­струны или осознать возвышенный смысл бозона Хиггса, однако с результатами работы этих трёх учёных соприкасаемся ежедневно и ежечасно, — рассказал Владимир Гайслер, доктор физико-математических наук, ведущий сотрудник Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН. — Создание современных мониторов, дисплеев, систем освещения без их открытия немыслимо. Только за этим столом я насчитал порядка 15 устройств, в которых оно используется напрямую.

На основе материала InGaN нобелевскими лауреатами были разработаны сверхъяркие синие светодиоды. Они превосходят по своим характеристикам привычные излучатели, например, лампы накаливания и галогеновые лампы. При этом являются компактными, экономичными и долговечными: срок службы такого светодиода — 50—100 тысяч часов. В отличие от флуоресцентных ламп они не содержат ртути, а в отличие от ламп накаливания без потерь преобразуют энергию в свет, не тратя её на выделение тепла. Но, казалось бы, при чём здесь нанотехнологии?

— Когда мы говорим «нанотехнологии», имеем в виду размеры от 100 нанометров и ниже. А здесь речь идёт о ширине квантовых ям в 2,5 нанометра, а барьеров между ними в 5 нанометров. Структура светодиода исключительно сложная: он содержит большое количество слоёв, выращивать материал приходится на подложках из сапфира. Такой светодиод — вершина полупроводниковых нанотехнологий, — высоко оценивает изобретение Владимир Анатольевич.


Каким же образом синие светодиоды излучают яркий белый свет? Оказывается, для этого на их поверхность наносится плёнка люминофора. Синий свет эта плёнка поглощает, в итоге мы воспринимаем излучение как белое.

— Вопросы ценообразования — это, конечно, не вопросы физики, но несколько слов я хочу сказать и об этом, — добавил Владимир Грайслер. — Принято считать, что эти излучатели пока дорогие. Но на самом деле их светоотдача растёт, а стоимость неуклонно падает. Сам чип — тот кусочек полупроводника размером 0,2 на 0,2 миллиметра, который и даёт яркий свет, безумно сложный, содержащий сверхтонкие слои, выращенный на сапфире — в массовом производстве стоит всего один цент, если не меньше. И это заслуга в том числе и нобелевских лауреатов.






GPS в мозге крысы


Открытия Джона О’Кифа и супругов-учёных Мэй-Брит и Эдварда Мозер, удостоенные Нобелевской премии в области физиологии и медицины, в прессе прозвали встроенным GPS. Дело в том, что учёные описали систему, которая позволяет животным (в частности, крысам, на которых были выполнены эксперименты) ориентироваться в пространстве, опираясь на некую когнитивную карту — внутреннее представление о пространстве.



















— Что сделали эти учёные? Они постарались определить, за счёт чего происходит опознание места, где находится объект, чтобы предсказать, что будет при следующем движении, — объяснил Александр Ратушняк, доктор биологических наук, заведующий лабораторией медицинской информатики Конструкторско-технологического института вычислительной техники СО РАН.

А. Ратушняк
Исследования в этой области начались ещё в XX веке. Некогда американский психолог Эдвард Толман, пытаясь ответить на вопрос, как мозг ориентируется в пространстве, предположил, что местность, в которой перемещается животное, проецируется на нервные клетки. Безусловно, это предположение требовало доказательств. Собственно, Джон О’Киф и занялся исследованием этого явления. Вживляя электроды в определённые отделы мозга крыс, он регистрировал активность одной клетки из миллиардов. При этом выяснил интересную вещь: когда животное находится в одном из положений в лабиринте, активируется работа конкретного нейрона. Животное могло передвигаться дальше, но когда оно снова попадало в то же самое место, активировалась работа того же нейрона. В 1971 году учёный опубликовал статью, сообщающую о том, что в одном из отделов мозга крысы — гиппокампе — есть «нейроны места». И когда крыса следует по известному ей маршруту, эти клетки мозга загораются одна за другой, как лампочки в гирлянде.

В дальнейшем ученики О’Кифа на более совершенной технике воспроизвели это исследование и расширили его. Так, открытие супругов Мозер, сделанное в 2005 году, дополнило картину: в экторинальной коре, связанной с гиппокампом, учёные обнаружили ещё один важный компонент когнитивной карты пространства — grid-нейроны. Эти нервные клетки тоже реагировали на географическое положение крысы, но срабатывали во множестве разных точек, организованных в гексагональную структуру. Такая координатная сетка позволяет ориентироваться в пространстве без внешних стимулов.

— Позиционирование в пространстве — это необходимость любого организма — от одноклеточных до человека. Но практическую пользу от этого открытия, которое получили авторы, трудно найти, так как это настоящее фундаментальное исследование, последствия которого с ходу не предсказываются. Разговоры, что оно может быть полезно, например, для лечения болезни Альцгеймера, пока мало на чём основаны, — считает Александр Савельевич. — Насколько подобные исследования развиты в России? Они существуют, но объём работ соизмерим с объёмом финансирования этой области в нашей стране. Он не превышает суммы, которая выделяется небольшой лаборатории в каком-нибудь европейском университете.


Зоркий глаз


 Рябчикова Е.И.
— Мир мы воспринимаем глазами. Тенденция современной молекулярной биологии — визуализировать те биохимические процессы, которые происходят в клетках, — с экскурса в историю микроскопии начала рассказ о Нобелевской премии в области химии Елена Рябчикова, доктор биологических наук, руководитель группы микроскопических исследований Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН.

Первый простейший микроскоп был создан Иоанном Липперсгеем и Захарией Янсеном в 1590 году: он представлял собой трубку с двумя линзами и увеличивал изображение всего в 3—10 раз. С тех пор желание учёных разглядеть микромир росло, а оптические приборы совершенствовались.

Принцип работы современного микроскопа схож с тем, что ввёл в промышленное производство немецкий инженер Карл Цейс: у прибора есть объектив, который снимает изображение, предметный столик, куда помещается объект исследования, и система линз, подающая свет. Однако нынешние микроскопы значительно усложнились: осветитель в них спрятан, много объективов обеспечивают разное увеличение, в некоторые вмонтирована камера. Часть приборов работают от лампы накаливания. Но есть и микроскопы с системой ультрафиолетового света.

— Вот тут-то мы и подбираемся к нобелевскому открытию, — подводит к основной теме Елена Ивановна. — Такие микроскопы известны достаточно давно. Уже лет 50 в исследованиях по медицине, биологии используется ультрафиолетовый свет. В прессе идёт странная трактовка: пишут, что учёные перекрыли предел разрешения светового микроскопа. Это не совсем верно: разрешение зависит от длины волны света, которая идёт из осветителя. Чем меньше длина волны, тем меньше будет разрешение — то есть расстояние, когда две точки не сливаются. Сама природа ультрафиолетового света обеспечивает другое разрешение. Работа нобелевских лауреатов была направлена на то, чтобы увеличить чёткость изображения. Но не за счёт преодоления предела, а за счёт других ухищрений.
























Нобелевская премия по химии в этом году была дана за развитие флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения. Учёные не сделали нового прибора, но вывели научные принципы, благодаря которым микроскопия улучшилась. Когда включается ультрафиолетовый свет, бактерии и другие микроорганизмы, которые есть на стекле микроскопа, начинают светиться. Но вместе с тем возникает дифракция (размытие изображения) и так называемое паразитическое свечение: бликуют стёкла, среда, в которой находится объект. Штефан Хелль придумал, как сделать основное изображение чётче: высвечивать маленькую площадь одним лазером, а вторым — гасить флуоресценцию по периметру пятна. Другой учёный, Уильям Морнер, сумел измерить излучение одной молекулы и понять, на каком расстоянии частицы должны находиться в объекте, чтобы не слиться. Открытый им принцип требует кропотливой работы: каждая молекула фотографируется, а затем компьютер собирает исходное изображение из множества точек.

Флуоресцентная микроскопия вошла в практику сибирских учёных. В Институте цитологии и генетики действует Центр коллективного пользования микроскопического анализа биологических объектов, где проводятся исследования по этой методике — в основном наблюдают за хромосомами. А в Институте химической биологии и фундаментальной медицины с помощью этого метода изучают свойства лактаптина — белка, который считается противоопухолевым реагентом. Будем надеяться, что научные принципы, введённые нобелевскими лауреатами по химии, сделают эти исследования ещё более результативными.





© Copyright 2019. ИХБФМ СО РАН

Яндекс.Метрика