- Tehnikamaailm - https://www.tehnikamaailm.ee -

Nobeli preemiad 2016: pöörane teadus

 

Iga aasta oktoobris määratakse teadlastele ja kirjanikele, kelle töö „eelnenud aastal on toonud inimkonnale suuremat tee on eelnenud aasta klauslist tavaliselt osavalt kõrvale hiilinud, põhjendades oma tegevust väitega, et preemia saavad need, kelle toodud tulu on selgunud eelmisel aastal. Kirjanduspreemia soovis Nobel määrata kirjanikule, kelle teostes on parimini realiseeritud „idealistlikud suundumused”.

 

Kirjanduslauliku teadus

2016.aasta kirjanduspreemia laureaat on Nobeli preemiate saanute seas erakordne. Kõigepealt saab tõepoolest öelda, et tema poeesiale on omased idealistlikud suundumused, teisalt on ta ise oma luulet esitades muutunud omamoodi tulevikukuulutajaks juba noorusest, 1960. aastatest peale. 1941. aastal Minnesotas sündinud Robert Allen Zimmerman ilmus New Yorki juba veidi tuntud folklaulja Bob Dylanina. Tema looming mõjutas tulevast intelligentsi, sealhulgas teadlasi, kel on reeglina muusikaga loovad suhted. Dylan on üle poole sajandi laulnud ajast, mis on erutanud ka kosmolooge.

Tema piibellik, samas evolutsionistlik 1964. aasta ballaad „The Times They Are A-Changin’ ’’ kuulutas:

For the loser now will be later to win

For the times they are a-changin’

It soon shake your windows and rattle the Walls

For the times they are a-changing

(Luuser hakkab hiljem võitma/ sest ajad on muutumas/ varsti raputab see teie aknaid ja kolistab seinu/ sest ajad on muutumas)

 

See on aktuaalne tänaseni. Maailma muutumisega tegeles Dylan ka edaspidi, kirjutades 2000. aastal laulu „Things Have Changed“, plaadilt „Time Out of Mind“:

 

People are crazy and times are strange

I’m locked in tight, I’m out of rage

I used to scare, but things have hanged

(Inimesed on hullud ja ajad on imelikud/ olen lukustatud kindlalt ja moest väljas/ olen pabistanud, kuid ajad on muutunud)

 

Otseselt teadusest laulis Dylan 2001. aastal oma plaadil „Modern Times“ laulus „Nettie Moore“:

The world of research has gone berserk

Too much paperwork

Albert’s in the graveyard, Frankie’s rasin hell

I’m beginning to believe what scriptures tell

(Teadusmaailm on läinud pööraseks/liiga palju paberitööd/Albert on hauas, Frankie põrgusse saadetud/hakkan uskuma mida pühakirjad pajatavad)

Selgituseks: Albert ja Frankie on ameerika traditsioonilise folklaulu kangelased, kuid võrdlus Einsteiniga pole kohatu.

Dylani tekstid vaid näivad lihtsad, kuid need kubisevad vihjetest kreeka klassikutele, pühakirjale, Ameerika folklauludele. Nõnda nagu ei ole võimalik ilma tausta uurimata mõista pöördelist teadustööd, pole võimlik mõista ka Dylanit. Kas 2016. aasta nobelistide teadus on läinud oma pabereid täites peast segi? Omamoodi küll. Keemikutest on saanud insenerid, kes ehitavad masinaid, arstiteadlased uurivad inimsöömist ja füüsikutel tuleb aine uusi olekuid otsida matemaatikast.

 

Keemikud muutuvad insenerideks
2016. aasta Nobeli keemiapreemia väärisid Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddard ja Bernard L. Feringa selle eest, et nad disainisid ja tootsid molekulaarseid masinaid. Nad tekitasid molekule, mille liikumisi saab kontrollida ja mis suudavad energia lisamisel sooritada kindlaid ülesandeid.

Patsiendi poolt allaneelatavate tillukeste ravimitransportijate või koguni kirurgide ajastu näib tõepoolest kätte jõudvat. Seni uusi molekule olemasolevatest kokku pannud keemikutest on saanud tillukeste masinate insenerid, kes panevad neid kokku alt üles, aatomite kaupa. Pariisis 1944. aastal sündinud Strasbourgi ülikooli emeriitprofessor Jean-Pierre Sauvage hakkas molekulaarsete masinate ehitamise võimalust uurima 1983. aastal, mil tal õnnestus siduda kaks rõngakujulist molekuli ahelaks, mida kutsutakse katenaaniks. Tavaliselt on molekulid seotud tugevate kovalentsete sidemete abil nõnda, et aatomid jagavad elektrone. Ahelas on molekulid seotud vabama mehaanilise sideme abil. Need osad võivad üksteise suhtes liikuda.

Teise sammu tegi Edinburgis 1942. aastal sündinud Sir J. Fraser Stoddart, kes praegu on USA Northwestern University professorite nõukogu liige. Tema suutis luua rotaksaani, milles molekulaarne rõngas istub molekulaarsel teljel ja võib sellel pöörelda. Selle süsteemi abil on ta ehitanud molekulaarse lifti, lihase ja molekulidel põhineva arvutikiibi.

Hollandis 1951. aastal sündinud Berhard L. Feringa, kes on Gröningeni Ülikooli orgaanilise keemia professor, oli esimene, kes leiutas molekulaarse mootori – 1999. aastal suutis ta panna rootori pidevalt samas suunas pöörlema. Oma tulemuse demonstreerimiseks pööritas ta molekulaarse mootoriga tillukest klaassilindrit, mis ometi oli 10 000 korda suurem mootorist enesest, ning disainis ka nanoauto.

Asjatundjate arvates on molekulaarne mootor praegu samas staadiumis, nagu oli elektriauto 1830. aastatel – seda täiustades jõudsid teadlased pesumasinate, köögikombainide ja ventilaatoriteni.

Tähelepanuväärne on see, et tegu on kolmes eri riigis tegutsenud teadlastega, kes omavahel vähemasti artiklites jäädvustatud koostööga ei tegelnud.

Kuidas valmistada molekulide ahelat, mis on seotud omavahel nii lõdvalt, et üksiklülid saavad üksteise suhtes liikuda – selle üle on keemikud päid ja kovalentseid sidemeid murdnud möödunud sajandi keskpaigast peale. 1980. aastate alguseks lootus kadus. Ent siis tuli tollal 40aastane prantsuse keemik Sauvage ja tegi triki ära. Inspiratsiooni sai ta hoopis fotokeemiast, milles oli vaja leiutada uusi, valgust püüdvaid molekule. Töö käigus taipas ta, et oli suutnud kaks rõngakujulist molekuli siduda vaseiooniga, nõnda et rõngad teineteise suhtes liikuda said. Jäi veel üle siduda kuusirbi taolise molekuliga kolmas molekul, eemaldada vaseioon ja kaks molekulaarset rõngast olidki mehaanilise sidemega seotud.

Tänu vaseioonile tõsteti reaktsiooni saagis 42 protsendini. Sauvage käivitas nn topoloogilise keemia, milles teadlased lukustasid molekule üha keerulisemates struktuurides, sealhulgas esteetiliselt mõjuvate molekulaarsete sõlmedena. Sauvage taipas, et tema leiutatud meetodil saab ehitada ka molekulaarseid masinaid ning selleks oli esimene samm ketanaan, milles üks rõngas teise ümber pöörelda sai.

Elektrita Šoti farmis sündinud ja kasvanud Stoddard, kes unistas molekulaarse kunstniku tulevikust, õppis ometi keemikuks, kes taipas keemia võimalusi, et luua üksteise külge seotud molekule. Kui elektronidevaene rõngas ja elektronirikas vardake lahuses kohtuvad, siis tõmbuvad nad ja tekib teljel paiknev rõngas – rotaksaan. Stoddard õppis rõnga liikumist juhtima ning sai jagu juhuslikkusest, mida keemilise lahuse molekulid ilmutavad. Nõnda ehitas ta molekulaarse lifti, mis tõusis 0,7 nanomeetri võrra, ja 20 kB suuruse mälukiibi. Lõpuks jõudis tema töörühm molekulide elastse kiuni, mis meenutab lihaskiudu.

Hollandlane Feringa valmistas esimese molekulaarse mootori, leiutades nupukaid trikke, kuidas rootorit ühes suunas pöörlema panna. Vabana hüppab rootor teljel ühes ja teises suunas võrdselt. Feringa ühendas kaks rootorikest ja kinnitas mõlema külge metüülrühma. Nõnda hakkas rootor töötama põrkrattana: nad said jõnksukaupa liikuda vaid ühes suunas, nagu põrkevedruga varustatud hammasratas kellamehhanismis. Kui molekule valgustati UV-kiirgusega, siis hüppas üks rootor 180 kraadi võrra ümber molekule ühendava keskse topeltsideme. Naasmist takistas põrkratas, ja järgmise UV-välkega liikus rootor jälle 180 kraadi võrra samas suunas.

Siit oli loogiline püüda ehitada auto. Aastaks 2014 saavutas Feringa uurimisrühm mootori kiiruseks 12 miljonit pööret sekundis. Nad suutsid pöörlema panna 28 mikromeetri pikkuse klaassilindrikese.

Need on muidugi reklaamnäited, ent 2013. aastal ehitati kolme äsjase nobelisti ideedest lähtuvalt rotaksaanil põhinev molekulaarne robot, mis suudab kokku panna aminohappeid, valkude ehituskive. Nobelistide oluliseks panuseks peeti, et nad suutsid molekulaarsed süsteemid suunata tasakaaluolekust välja, kõrgematele energiaastmetele, nagu teeb seda meie seedimine toiduga.

Kui väikese masina suudab inimene ehitada? Vastuse andsid nobelistid: juuksekarva läbimõõdust vähemalt 1000 korda pisema.

 

Meedikud uurivad inimsöömist
2016. aasta Nobeli füsioloogia- ja meditsiinipreemia võitis erandlikult üksainus teadlane – 1945. aastal sündinud jaapanlane Ōsumi Yoshinori, Tokyo Tehnikaülikooli professor, kes teadis, et elusolendite keharakud pidevalt hävivad ja peale kasvavad uued, kuid keegi ei aimanud, milline mehhanism seisab rakkude enesesöömise ehk autofaagia taga.

Esmalt märgati 1960. aastatel, et rakud võivad omaenese osiseid hävitada, ümbritsedes need membraanidega. Sellised põiekesetaolised tombud suunati ümbertöötluskeskusesse nimega lüsosoom. Läks 30 aastat, kuni Ōsumi hakkas 1990. aastate alul küpsetuspärmi peal tegema katseid, et määrata geenid, mis autofaagiat suunavad. Seejärel näitas ta, et samalaadsed protsessid toimuvad ka meie kehas.

Nõnda saadi teada ka kohastumisest nälgimisel ning asjakohaste geenide mutatsioonide ohtlikkusest kuni vähi tekkeni välja.

Lüsosoomi avastas belgia teadlane Christian de Duve 1950. aastate keskel, mille eest pälvis 1974. aastal Nobeli preemia. Tema pakkus ka termini autofaagia, tähistamaks lüsosoomis toimuvaid rakuosiste lagundamise protsesse. Enesesööjad rakuosised said nimeks autofagosoomid. Rakust leiti ka valke lagundavad mehhanismid, mis said nimeks proteasoom, ning näidati, et valkude lagunemisel on tähtis osa globulaarsel valgul nimega ubikvitiin. Nimed nimedeks, kuid kuidas rakk laguainetest vabaneb, polnud pikka aega teada.

Ōsumi keskendus 1988. aastal valkude lagunemisele pärmi vakuoolis, millele inimorganismis vastab lüsosoom. Vakuool on tilluke ja et protsesse jälgida, näljutas Ōsumi rakke ning sai 1992. aastal tulemuseks pärmis tekkinud autofagosoomi ehk tõestas rakkude enesesöömise. Vähe sellest, ta sai teada, millised geenid seda protsessi juhivad. Selleks oli vaja selgeks õppida küllaltki keerukas kokakunst, mille tulemusena eraldas Ōsumi 15 geeni, mis juhivad raku enesesöömist.

Tuli ilmsiks, et samalaadne protsess toimub ka inimese rakkudes. Autofaagia mitte ainult ei tapa rikki läinud rakke, vaid varustab ka uusi rakke nende tekkeks vajalike materjalidega. Kui rakud end ise süüa ei suuda, tekivad Parkinsoni tõbi, teist tüüpi suhkruhaigus ja koguni teatud vähivormid.

 

Füüsikud leiutasid matemaatilise aine

Aur, vedelik ja tahke aine on tuntuimad aine füüsikalised olekud. Lisaks neile teame nüüdseks madalatel temperatuuridel esinevat ülijuhtivat olekut ja ülivoolavust. Tahad või ei taha, temperatuuri alanedes hakkab üks heeliumi isotoop mööda anuma seina üles ronima.

Topoloogia on matemaatika, mis kirjeldab astmeliselt muutuvate omadustega kehade maailma. Sangaga teetassil ja sõõrikul on sama topoloogia, sest nendes leidub üksainus auk. Neid saab pidevalt teineteiseks muundada. Kahe sangaga teetassist saab pidevalt voolida näiteks prillid.

Kuid mis puutub siia ülijuhtivus? Aga nõnda, et topoloogilisi meetodeid kasutades näitasid USA Browni ülikooli teadlane Michael Kosterlitz ja Washingtoni ülikooli teadlane David J. Thouless 1970. aastate alul, et ülijuhtivus ja ülivoolavus ei saa esineda õhukestes kihtides. Nad näitasid ka, miks ülijuhtivus kõrgematel temperatuuridel kaob. Thouless suutis luua väga õhukesi juhtivaid kihte, milles juhtivus muutus täisarvuliste sammude võrra, nii nagu muutub kehade topoloogia. Princetoni ülikooli teadlane F. Duncan M. Haldane avastas umbes samal ajal, kuidas saab topoloogilisi arusaamu kasutada samades materjalides tekkivate väikeste magnetite ahelate mõistmiseks.

Praeguseks teatakse palju topoloogilisi faase – ka kolmemõõtmelistes materjalides. On tekkinud lootus kasutada selliseid materjale elektroonika uutes põlvkondades ja kvantarvutites.

Nõnda siis uurisid Kosterlitz ja Haldane lamemaade (tasapindade) omadusi, Haldane aga omakorda nõnda õhukesi materjale, mida võib pidada ühemõõtmelisteks. Tasapindadel ilmnevad uut laadi kooperatiivsed nähtused, kuigi need koosnevad miljonitest aatomitest.

Kvantfüüsika muutub nähtavaks äärmises külmuses, –273 kraadi Celsiuse juures tekib uusi olekuid, mis käituvad ootamatul moel. Temperatuurimuutus vahetab ka tavalisi aine olekuid, nagu näiteks vesi külmub jääks või siis soojeneb auruks. Kuid vähetuntud lamemaadel leidub aine olekuid, mida on harva kasutatud. 1930. aastatel avastas Pjotr Kapitsa ülivoolavuse He-4 isotoobil –271 kraadi juures.

Pikka aega arvati, et lamedates kahemõõtmelistes maailmades lõhuvad termilised fluktuatsioonid aines kogu korrastatuse isegi absoluutse nullkraadi juures. Kuid Thouless ja Kosterlitz, kohtudes Birminghamis 1970. aastatel, asusid uurima faasiüleminekuid lamemaadel – esimene uudishimust, teine teadmatusest. Tulemusena avastati täiesti uudsed faasiüleminekud, mida peetakse üheks 20. sajandi suurimaks avastuseks materjalide füüsikas. Seda kutsutakse avastajate initsiaalide järgi KT-üleminekuks.

Juhtivat osa mängivad topoloogilistes faasiüleminekutes lamedas materjalis toimuvad pöörised. Madalatel temperatuuridel moodustavad need paare. Temperatuuri tõustes toimub faasiüleminek: pöörised liiguvad üksteisest eemale ja rändavad materjalis omapäi.
1983.aastal näitas Thouless, et senine elektrijuhtivuse teooria on ebatäielik ning tugevates magnetväljades ja kõrgetel temperatuuridel vajatakse uut, topoloogilistel mõistetel põhinevat teooriat. Samal ajal jõudis samadele järeldustele Haldane, uurides magnetilisi aatomahelaid. Tema leidis ka selgituse Halli kvantefektile, mis avastati 1980. aastal. Kahe pooljuhi vahele surutud õhuke juhtiv kiht muudab oma juhtivust eriti täpsete, täisarvuliste astmete kaupa. Täpselt samamoodi nagu sfääri saab pidevalt vormida kausiks, ent kausist saab sangaga tassi vaid astmeliselt, käituvad ka elektronid õhukeses kiles. 2014. aastal kinnitas ta teooriat ka eksperiment. Lisaks näitas Haldane, et aatomite ketid käituvalt erinevalt. Kvantfüüsikas on kaht tüüpi aatommagneteid – paaris ja paarituid. Haldane tõestas, et paarisolekus magnetite ketid on topoloogilised, paaritute magnetite ketid ei ole.

Me võime unistada autodest, mille kulunud detailid ära süüakse ja laguainetest uued ehitatakse. Pole võimatu, et autofaagia annab ideid robootikale, topoloogilised olekud aga tuleviku kvantarvutitele. Kas pole pöörased ideed? Võib-olla seetõttu palus Bob Dylan kirjanikku ja lauljat Patti Smithi enese eest Nobeli preemiate üleandmisel esineda lauluga „A Hard Rain’s A-Gonna Fall,“ mis kirjutatud 1962. aasta sõjaohus tuumasõja järgsest maailmast.