Fale i białka

W środowisku fizyków i kosmologów po raz kolejny będzie mówiło się o falach grawitacyjnych. Dzięki Nagrodzie Nobla dla naukowców, którzy zbudowali rejestrujące je detektory. Nobla z chemii natomiast przyznano za technikę, która zrewolucjonizowała biochemię.

Fizyka: pofałdowany świat

Zaledwie kilkanaście dni temu pisałem w GN o wyjątkowym wydarzeniu, które udało się z wielką precyzją zarejestrować w kilku detektorach fal grawitacyjnych. A dzisiaj piszę o tym, że badacze, którzy te detektory budowali, zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki.

Rainer Weiss, Barry C. Barish oraz Kip S. Thorne mają ogromny wkład w analizę czegoś tak ulotnego, że sama próba wyobrażenia sobie fal grawitacyjnych to… prawdziwy kosmos. Co ciekawe, tegoroczny Nobel jest już drugim za fale grawitacyjne. W 1974 r. dwóch radioastronomów z Uniwersytetu w Princeton (Joseph Taylor i Russell Hulse), obserwując krążące wokół siebie gwiazdy (PSR1913+16), stwierdziło, że układ powoli traci swoją energię, tak jakby wysyłał… fale grawitacyjne. Mimo że samych fal nie zaobserwowano, za pośrednie potwierdzenie ich istnienia badacze dostali w 1993 r. Nagrodę Nobla. Uzasadnienie Komitetu Noblowskiego brzmiało: „za odkrycie nowego typu pulsara, odkrycie, które otwiera nowe możliwości badania grawitacji”.

Ale na scenę fizyki fale grawitacyjne wprowadził kto inny. Albert Einstein. Z napisanej przez niego ogólnej teorii względności wynika, że ruch obiektów obdarzonych masą jest źródłem rozchodzących się w przestrzeni fal grawitacyjnych. Jak to sobie wyobrazić? No właśnie tu jest problem. Bardzo niedoskonała analogia to powstające na powierzchni wody kręgi, gdy wrzuci się do niej kamień. W przypadku fal grawitacyjnych zamiast wody jest przestrzeń, a zamiast kamienia – poruszające się obiekty. Im większa masa i im szybszy ruch, tym łatwiej zmarszczki przestrzeni powinny być zauważalne. Gdy rejestrujemy największe fale grawitacyjne, to tak jakbyśmy bezpośrednio obserwowali największe kosmiczne kataklizmy: zderzenia gwiazd neutronowych, czarnych dziur czy wybuchy supernowych. Trzeba przyznać, że perspektywa kusząca, gdyby nie to… że fale grawitacyjne to niezwykle subtelne zjawiska. W książce „Zmarszczki na kosmicznym morzu” australijski fizyk prof. David Blair falę grawitacyjną porównuje do wibracji powietrza, która powstaje w wyniku pukania do drzwi oddalonych o 10 tys. kilometrów. Inni naukowcy wyliczali, że urządzenia do wykrywania fal grawitacyjnych powinny być tak czułe, by zarejestrować wstrząsy sejsmiczne wywołane przez upadek szpilki po drugiej stronie naszej planety. Czy to w ogóle jest możliwe? Tak! Choć nie jest proste.

Dużych detektorów fal grawitacyjnych jest kilka. A wśród nich LIGO – największy. Instalacja, która z lotu ptaka wygląda jak wielka litera L, to dwie rury o długości 4 km każda, stykające się końcami pod kątem prostym. W ich wnętrzu – jak w bunkrze – panuje bardzo wysoka próżnia. Z miejsca, w którym rury się stykają, „na skrzyżowaniu”, dokładnie w tym samym momencie wysyłane są wiązki lasera. Ich celem są zwierciadła umieszczone na końcu każdej z rur. Gdy jedno z ramion detektora choć nieznacznie się wydłuży, wiązki lasera odbiją się w inny sposób i od razu zostanie to zauważone. Takie chwilowe wydłużenie się jednego z ramion może mieć miejsce tylko wtedy, gdy przez Ziemię przejdzie fala grawitacyjna. Trzeba jednak zdawać sobie sprawę z tego, że nawet największe zaburzenia zmienią długość ramion o mniej niż jedną tysięczną część średnicy protonu (!).

Wszechświat jest dynamiczny, jest areną niezliczonych kataklizmów. To nic, że od tysięcy lat na naszym niebie królują te same gwiazdozbiory. W skali kosmicznej taki czas to nic nieznacząca chwila, a nawet w czasie jej trwania widoczne były wybuchy gwiazd, kolizje całych galaktyk czy wyniszczanie się czarnych dziur. Z największego bodaj kataklizmu – Wielkiego Wybuchu – „wykluło się” to, co dzisiaj nazywamy kosmosem. Obserwatoria grawitacyjne (np. takie jak LIGO) otworzą oczy na inne wielkie katastrofy, i to nie tylko te, które będą, ale także te, które były. Ocenia się, że to, co widzą „zwykłe” teleskopy (tzw. materia świecąca) to mniej niż 10 proc. całej masy Wszechświata. A gdzie pozostałe 90 proc.? Na to pytanie nie znaleziono dotychczas odpowiedzi. Tzw. ciemna materia powinna być wszędzie, a nie widać jej nigdzie. Przypisuje się jej niezwykłe właściwości, łączy się ją z nie mniej tajemniczą ciemną energią. Czy fale grawitacyjne pomogą w rozwiązaniu tej intrygującej zagadki? Nie mam bladego pojęcia. Ale byłoby błędem, więcej, byłoby zbrodnią nie spróbować...

Chemia: nagroda za mikroskop

Jacques Dubochet, Joachim Frank i Richard Henderson zostali docenieni przez Komitet Noblowski za metodę mikroskopii krioelektronowej, dzięki której można obserwować (i to w trzech wymiarach) cząsteczki, np. białek. Na czym polegała praca tych badaczy? Jak pewnie wielu przed nimi, zastanawiali się, w jaki sposób obserwować delikatne cząsteczki chemiczne, np. takie jak białka, bez ryzyka ich zniszczenia w trakcie przygotowywania preparatu. Mowa o cząsteczkach – cegiełkach – żywych komórek, które są tak małe, że nie sposób ich oglądać pod mikroskopem optycznym. Urządzenia umożliwiające obserwacje maleńkich obiektów, takich jak struktury komórkowe, czy jeszcze mniejszych, takich jak np. cząsteczki chemiczne, istniały już wcześniej. Kłopot polegał na tym, że proces przygotowywania preparatów do badania bardzo często biologiczny materiał po prostu niszczył. Trzej panowie stworzyli metodę, która skutecznie i, co najważniejsze, „w środowisku naturalnym” pozwala badać biomolekuły, np. cząsteczki białek. To istotne, że ich obserwacja nie odbywa się „na szkiełku”, nie w środowisku sztucznym, ale w naturalnym. Bo tylko złapane w akcji białko daje nam się poznać. Tylko wtedy widzimy, jak funkcjonuje cały mechanizm, w którym bierze ono udział.

Białka to cegiełki, z których zbudowane jest życie. Przy czym analogia do cegły i budynku nie jest dalece niewystarczająca. Białka nie są pasywnymi elementami naszego ciała. Białka (np. hormony) regulują czynności, a nawet modyfikują struktury tkanek (które też są zbudowane z białek). Bez poznania białek, tego, jak są zbudowane, jak funkcjonują, jak łączą się w większe kompleksy, nie ma najmniejszej szansy, żeby zrozumieć życie. Ale też nie ma szans, żeby tworzyć nowoczesne lekarstwa i terapie. Jak białko podglądnąć, by rzeczywiście zobaczyć, jak ono funkcjonuje? Zamrozić. Ale bardzo szybko, aby nie zdążył przebiec proces krystalizacji. Zamrażanie – jeżeli zostanie odpowiednio przeprowadzone – niczego nie uszkadza i niczego nie fałszuje. Mrożąc kolejne próbki, jesteśmy w stanie zrobić wideo, klatka po klatce pokazujące procesy, które przebiegają niezwykle szybko. Złożenie tych klatek w całość umożliwia nie tylko prześledzenie procesu, tak jak gdyby było się jego naocznym świadkiem, ale także przyjrzenie się poszczególnym jego aktom z różnej perspektywy. W trójwymiarze dzięki metodzie mikroskopii krioelektronowej można zobaczyć splatanie i rozplatanie długich nici białkowych. Można zobaczyć łączenie się mniejszych białek w większe kompleksy czy np. działanie receptorów białkowych. – Te metody były przełomowe w medycynie molekularnej. Dzięki nim nie tylko możemy patrzeć na narządy i komórki. Możemy zejść głębiej, możemy śledzić, jak wyglądają i działają pojedyncze cząsteczki w szczegółach, o jakich jeszcze niedawno nam się nie śniło – powiedział Joachim Frank w rozmowie telefonicznej, którą przeprowadzono w trakcie ogłaszania werdyktu. 

„Sonda 2”, niedziela 15.10, godz. 16.25.