Aktuality

Nobelovy ceny 2021 pohledem našich vědců

Týden od 4. do 11. října letošního roku se ve vědeckém světě nese v duchu nejvyšších ocenění - Nobelových cen. Přinášíme komentáře odborníků spjatých s UK, jak vidí výběr vědců v jednotlivých oborech.

Nobelovu cenu za ekonomii v pondělí 11. října 2021 získali tři vědci působící ve Spojených státech. Američan kanadského původu David Card byl oceněn za svůj empirický přínos ekonomii práce. Američan Joshua Angrist a americký expert nizozemského původu Guido Imbens byli vyznamenáni za metodologický přístup k analýze kauzálních vztahů, kde prokázali, jak jsou přírodní experimenty cenným zdrojem poznání.

• Komentuje ekonom Filip Pertold z CERGE-EI, společného pracoviště Akademie věd ČR a Univerzity Karlovy.

V letošním roce byli oceněni tři vědci, kteří v ekonomii zavedli novou metodologii, jak ověřovat ekonomické hypotézy a teorie. Díky tomu došlo k takzvané „Credibility revolution“ (Revoluce důvěryhodnosti), kdy empirické výzkumy v ekonomii začaly být mnohem relevantnější pro tvorbu veřejných politik, protože prokazovaly kauzální dopady konkrétních intervencí.

Když to uvedu na příkladu: jedna ekonomická teorie říká, že zvýšení minimální mzdy vede k vyšší nezaměstnanosti. Letošní laureáti Nobelovy ceny přišli s metodologií, jakým způsobem tuto teorii potvrdit či vyvrátit. Používají k tomu takzvané přirozené experimenty, což znamená, že například sledují jinak velmi podobné části USA, kde se zvýšila minimální mzda a kde zůstala stejná, a porovnávají, zda došlo ke změnám v nezaměstnanosti. Navazující metoda spočívala v odhadu dopadu minimální mzdy na zaměstnanost ve firmách, které se liší pouze o podíl zaměstnanců placených na minimální mzdě.

Tyto metody pomáhající identifikovat kauzální dopady lze kromě ekonomie aplikovat i na mnoho dalších oblastí. Například Joshua Angrist se proslavil průlomovým článkem, kde sledoval, zda menší třídy vedou k lepším studijním výsledkům žáků či ne. K tomu mu pomohl experiment, kdy školy měli vládou nastaven maximální počet žáků na učitele, takže pokud přijali jednoho navíc, skokově se zmenšila velikost třídy.

Dnešní online přenos vyhlášení Nobelových cen za ekonomii jsem sledoval s velkým napětím. Samotné ocenění mě příliš nepřekvapilo, protože se o těchto vědcích jako o možných laureátech dlouhodobě mluvilo. O to větší mi ale udělalo radost, protože se týká vědeckého tématu, kterému se profesně věnuji, a navíc s Davidem Cardem se znám osobně. Před čtyřmi lety jsem u něho byl spolu s manželkou, také vědkyní ekonomkou, na stáži. Na Berkley a v týmu Davida Cardema panuje je velmi inspirativní, kreativní, ale zároveň konstruktivně kritická atmosféra. David Card je velmi pečlivý vědec a nebojí se upřímné-kritické zpětné vazby. Měl jsem tu čest s ním konzultovat svůj výzkum, a i když to bylo ostré, velmi mi to pomohlo a celý můj výzkum to významně posunulo kupředu.

Ve své práci Card a kolegové hodně využívají data z trhu práce, ať už ze Spojených států, ale i dalších zemí, jako například Portugalska. Typově podobná data máme i v České republice, jako vědci k nim ale bohužel nemáme přístup – neumožňuje to legislativa a chybějící infrastruktura. Moc bych si přál, aby toto ocenění pomohlo změnit přístup českých úřadů a tato česká data byla dostupná k výzkumným účelům.

Nobelovu cenu za chemii získali dne 6. října 2021 německý chemik Benjamin List a americký chemik skotského původu David W. C. MacMillanza za „přínos v oblasti vývoje asymetrické organokatalýzy“.

• Komentuje prof. RNDr. Martin Kotora, CSc. z katedry organické chemie Přírodovědecké fakulty UK, kde se zabývá organickou syntézou a katalýzou:

Asymetrická organokatalýza je poměrně nový obor chemie, který se zabývá využitím čistě organických molekul v katalýze. V tomto ohledu přejímají organické sloučeniny úlohu, která byla dříve výhradní doménou komplexních sloučenin přechodných kovů. Je vhodné zdůraznit, že organokatalýza také přispívá podstatným dílem k vývoji syntetických metod přívětivých pro životní prostředí jak z hlediska škodlivosti, tak i energetických a jiných nákladů. Udělení Nobelovy ceny tak dokládá uznání organokatalýzy jako důležité a nedílné součásti moderní syntetické chemie.

Udělení Nobelovy ceny za chemii oceňující přínos v oboru organokatalýzy není žádným překvapení a o jejím udělení se spekulovalo již delší dobu. Nezodpovězenou otázkou zůstávalo, kdo ji dostane, neboť do této oblasti přispěla svými výsledky podstatným způsobem celá řada chemiků.

Ač je koncepce asymetrické organokatalýzy stará několik desetiletí, její prudký rozvoj jakožto samostatného oboru nastal až během posledních tří dekád. Organokatalýzu je možné z obecného hlediska popsat jako novou a důmyslnou metodu vhodnou pro přípravu celé řady různých sloučenin, které mají či mohou mít využití v mnoha oblastech chemie. Hlavní těžiště jejího využití je v organické syntéze. Z mechanistického hlediska je organokatalýza druh katalýzy, kdy se rychlost reakce zvyšuje působením malých organických sloučenin obsahujících nekovové prvky. Podstatnou vlastností těchto reakcí jsou i mírné reakční podmínky. Je-li organokatalyzátor chirální dochází k tvorbě chirálních sloučenin. Jako organokatalyzátory se obyčejně používají sloučeniny, které jsou Brønstedovské či Lewisovské kyseliny a báze. Klasickým příkladem je poměrně široké využití jednoduché chirální aminokyseliny prolinu a jeho derivátů pro zprostředkování celé řady reakcí založených na aktivaci karbonylových sloučenin.

Oba laureáti Nobelovy ceny, B. List a D. MacMillan, věnovali vývoji, rozvoji a aplikaci organokatalýzy podstatnou část své vědecké činnosti.

Benjamin List je v současnosti ředitelem v Max-Planck-Institut für Kohlenforschung (Muelheim an der Ruhr, Německo). Svoji samostatnou vědeckou kariéru začal v roce 1999 na Scripps Research Institute (la Jolla, Kalifornie, USA) odkud později, v roce 2003, přešel na současné pracoviště. Kromě svého mateřského ústavu působí rovněž i na jiných institucích, např. Universität zu Köln a Hokkaido University. Za zmínku stojí, že List patří mezi skupinu chemiků, kteří se zasloužili o využití aminokyseliny prolinu v asymetrické organokatalýze. Jeho bývalá a současná vědecká činnost je však mnohem širší a týká se jak vývoje, tak využití organokatalyzátorů založených i na jiných organických sloučeninách.

David W. C. MacMillan je v současnosti profesorem na Princeton University (New Jersey, USA). Svoji samostatnou vědeckou kariéru začal na University of California, Berkeley (Kalifornie, USA) v roce 1998, poté na krátký čas přešel na Caltech (Kalifornie, USA) a od roku 2006 působí na svém současném pracovišti. Jeho výzkumná činnost zahrnuje vývoj nových způsobů katalýzy s hlavním zaměřením buď na samotnou organokatalýzu či na její kombinace s jinými druhy katalýzy. Tyto metody pak aplikuje na totální enantioselektivní syntézy přírodních látek či farmaceuticky aktivních sloučenin. Jeho výzkumná činnost byla a je převážně zaměřena na využití imidazoliniových sloučenin.

Nobelovu cenu za fyziku získali dne 5. října 2021 tři vědci. O jednu polovinu se rozdělili Syukuro Manabe a Klaus Hasselmann „za fyzikální modelování zemského klimatu, kvantifikaci jeho proměnlivosti a spolehlivou předpověď globálního oteplování“. Druhou část Nobelovy ceny získal Giorgio Parisi „za objev vzájemného působení neuspořádanosti a fluktuací ve fyzikálních systémech od atomárních po planetární měřítka“.

• Vědecký přínos amerického meteorologa Manabeho a německého oceánografa Hasselmanna komentuje klimatolog doc. RNDr. Tomáš Halenka, CSc. z katedry fyziky atmosféry Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy:

Udělení Nobelovy ceny za fyziku oceňující přínos v oboru klimatické vědy je skutečně velkým překvapením. Jedná se, pokud jsem si vědom, fakticky o první takový případ, který ale jasně dokládá uznání důležitosti a fyzikální podstaty klimatické vědy. Obě poloviny ceny za fyziku spojuje uznání přínosu ke zkoumání složitých systémů, ať již v teoretické fyzice (G. Parisi), tak i v klimatické vědě (S. Manabe, K. Hasselmann).

Popis klimatického systému je skutečně velmi obtížný. Vedle základních fyzikálních zákonů, které lze celkem dobře aplikovat na atmosféru, oceán a kryosféru, se v něm uplatňují i další faktory jako je například biosféra, atmosférická chemie a další. Navíc pro popis skutečného chování celého systému není možný laboratorní přístup, ale komplexní studium v reálných podmínkách. Není zde možný reálný experiment – tedy kromě jednorázového, který si v současné době naše civilizace ordinuje. Takže vzdor velmi starým a vpravdě historickým pozorováním a poznatkům je klimatická věda jako fyzikální disciplína velmi mladá, neboť jediným prostředkem experimentu jí může být numerický model, který ovšem vyžaduje výpočetní techniku. Ta se nám ale dostává do rukou teprve v druhé polovině minulého století, přičemž dostatečný výkon pro skutečně realistické experimenty má od přelomu tisíciletí. To právě dobře spadá do období aktivního působení obou laureátů této „klimatické“ poloviny Nobelovy ceny.

Syukuro Manabe, známý mezi přáteli či spolupracovníky spíše jako Suki Manabe, Američan japonského původu, je i u nás znám jako dynamický meteorolog, který se intenzivně věnoval modelování atmosféry a klimatickým modelům. Pokud si dobře pamatuji, měl jsem možnost se s ním jako přednášejícím potkat někdy v 90. letech na některé ze škol v International Centre for Theoretical Physics a později mi jeden z jeho amerických žáků předal jeho hezký způsob interpretace jednoho členu rovnice vorticity, který při výuce dynamické meteorologie dodnes používám.

Jeho oceněný výzkum začínal jednoduchým energetickým modelem atmosférického sloupce. Později začal Manabe využívat možnosti výpočetní techniky a přešel k 3D globálnímu cirkulačnímu modelu (1965), se kterým zkoumal vliv rostoucích koncentrací CO2 na teplotu a srážky. Celkem záhy přišel na to, že složitost klimatického systému musí být i v modelu vyjádřena vzájemnou interakcí jeho složek – přičemž nejdůležitější byla kombinace atmosféry a oceánu (1969).

Se svojí skupinou v Geophysical Fluid Dynamics Laboratory na Princetonu se dále aktivně podílel na vývoji těchto modelů a jejich aplikacích, mimo jiné i v paleoklimatickém studiu náhlých změn, spojených s přísunem sladké vody z tajících ledovců do oceánu.

Pokud jde o druhého laureáta, Němec Klaus Hasselmann se věnoval především modelování oceánu. Byl zakládajícím ředitelem Max Planck Institutu v Hamburku, který se záhy po svém založení v r. 1975 stal jedním z vedoucích center modelování klimatu, tedy v prvních fázích systému atmosféra – oceán. V dnešní době mluvíme spíše než o globálním klimatickém modelování o tzv. Earth System modelování, což zdůrazňuje právě zahrnutí plné komplexnosti klimatického systému se všemi jeho složkami. Zároveň působil i jako ředitel Deutsches Klimarechenzentrum, které rovněž sídlí v Hamburku, fakticky v těsném sousedství Max Planck Institutu. Škoda, že nějaké takové výpočetní centrum nemáme u nás.

• Práci třetího laureáta Nobelovy ceny za fyziku, italského teoretického fyzika Georgioho Parisiho, komentuje RNDr. František Slanina, CSc. z Centra pro teoretická studia (společné pracoviště UK a AV ČR). Vystudoval MFF UK, kde dnes externě vyučuje. Ve Fyzikálním ústavu AV ČR se zabývá počítačovým modelováním komplexních jevů:

Komplexní systémy se vyznačují tím, že jejich chování se nedá zredukovat na nějakou přímočarou zákonitost. Parisi ovšem jejich zákonosti objevil.

Giorgio Parisi se během své kariéry zabýval řadou různých oblastí teoretické fyziky, od teorie elementárních částic, přes turbulenci až po teorii magnetických slitin a skel. Nejdůležitější jsou ale jeho práce v oboru teorie komplexních systémů, za což právě obdržel Nobelovu cenu.

Komplexní systémy se vyskytují v nejrůznějších vědeckých odvětvích a jejich společným znakem je, že jejich chování se nedá nijak „zredukovat“ na nějakou přímočarou zákonitost. Každý detail zde hraje nezastupitelnou roli. Například v biologii víme, že jedna jediná mutace v genetickém kódu může mít nedozírné následky: DNA a na ni navázaná syntéza bílkovin tvoří komplexní systém. Otázka je, jestli existují nějaké obecné zákonitosti, jimiž se řídí všechny, nebo aspoň mnohé, komplexní systémy obecně.

Giorgio Parisi objevil některé ze zásadních zákonitostí komplexních systémů při studiu jejich matematických modelů, z nichž nejznámější a patrně nejdůležitější je model takzvaného „spinového skla“.

Hlavním rysem tohoto modelu je přítomnost frustrace, tedy nemožnosti nalézt optimální stav systému. Existují pouze suboptimální stavy, kterých je ale zase naopak velké množství. Druhým, a ještě důležitějším rysem tohoto modelu je hierarchická organizace těchto suboptimálních stavů. Později Parisi a jeho následovníci ukázali, že tyto rysy, tedy frustrace (velké množství suboptimálních stavů a hierarchické uspořádání), není jen výsadou modelu spinového skla, ale že se vyskytuje u komplexních systémů obecně.

To vedlo k celé řadě aplikací, například v umělých neuronových sítích, v oblasti kombinatorické optimalizace, v teorii samoopravných kódů. Metody vyvinuté Parisim se dnes používají ještě daleko šířeji, například při modelování ekologických sítí nebo v matematické ekonomii.

Nobelovu cenu za fyziologii a lékařství získali dne 4. října 2021 molekulární biologové David Julius a Ardem Patapoutian za objev senzorických receptorů teploty a tlaku.

• Komentuje RNDr. Viktorie Vlachová, DrSc. z Fyziologického ústavu AV ČR, oddělení buněčné neurofyziologie, mimo jiné externí vyučující na Přírodovědecké fakultě UK:

Nobelova cena za fyziologii a medicínu 2021 zamířila do Kalifornie

Schopnost rozeznávat i nepatrné změny vnějšího prostředí a reagovat na ně v případě ohrožení je jednou z nejdůležitějších podmínek pro zachování života. Jak vlastně organizmus rozpoznává, zda je určitý podnět pro něj nebezpečný, nebo zda jde pouze o neškodnou informaci o vnějším prostředí? Jakým způsobem jsou převedeny vnější signály na elektrickou aktivitu nervových buněk? Rozhoduje o obranné reakci pouze intenzita těchto signálů? Za jakých podmínek jsou podněty jinak neškodné pociťovány jako bolest?

Odpověď na všechny tyto otázky umožnil objev receptorů pro teplotní a mechanické podněty, za který získali Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu 2021 dva američtí vědci David Julius a Ardem Patapoutian. Jejich objev nejen poskytuje vysvětlení, jak všechny živé organizmy reagují na vnější podněty, které je ohrožují, včetně škodlivých chemických látek, mechanického tlaku a horkých i chladných teplot překračujících fyziologický práh. Výzkum vlastností těchto pozoruhodných bílkovinných komplexů také následně podnítil nové směry cíleného vyhledávání látek proti závažným bolestem doprovázejícím například diabetes či léčbu chemoterapeutiky, ale také například úporné svědění, které je důsledkem lupénky.

V roce 1997 se výzkumnému týmu Davida Juliuse podařilo důvtipným využitím pálivé substance kapsaicinu metodami funkční analýzy a molekulární biologie identifikovat první receptor, který je aktivován bolestivým teplem překračujícím fyziologický práh 42 °C. V membránách periferních zakončení senzorických neuronů umístěných v kůži vytváří tento receptor kanálky, jež umožňují průchod kladně nabitých iontů sodíku, vápníku a draslíku do buněk nebo ven z nich, a tím vznik akčního potenciálu, který se šíří nervovými vlákny. Analogickým způsobem, pomocí chladivé látky mentolu, byl o pět let později nalezen podobný receptor, který lze aktivovat chladem (méně než 22°C).

Objev mentolového receptoru byl publikován současně skupinami Davida Juliuse a Ardema Patapoutiana v roce 2002 a od té doby byly obě skupiny průkopníky výzkumu obdivuhodných vlastností dalších molekulárních detektorů, kterými nás příroda vybavila, abychom se vyhnuli nepříjemným senzorickým vjemům. Technická experimentální náročnost byla příčinou toho, že receptory pro hmat a tlak zůstaly skryty až do roku 2010, kdy se podařilo skupině Ardema Patapoutiana objevit dva iontové kanály, které nazval Piezo1 a Piezo2 podle řeckého slova pro „tlak“ nebo „stlačení“.

S rozvojem moderních technik molekulární biologie, elektrofyziologie a mikroskopie postupně oba vědecké týmy ukázaly, že rozpoznání intenzity a modality vnějšího podnětu je určeno expresí specializovaných typů receptorů na nervovém zakončení. Oba týmy také ukázaly, že molekulární podstata specializované funkce těchto receptorů spočívá v jejich strukturním uspořádání, které umožňuje reakci pouze při překročení určité prahové hodnoty vnějších signálů.

Významný objev obou laureátů si tak můžeme připomenout pokaždé, když pocítíme palčivý vjem vyvolaný nejen kapsaicinem, ale také řadou různých substancí vyskytujících se např. v černém pepři, cibuli, česneku, zázvoru, hřebíčku či skořici. Také jejich zásluhou dnes umíme vysvětlit, proč tyto látky byly již odpradávna využívány jako prostředky k tlumení bolesti.

Membrány periferních nervových zakončení jsou vybaveny iontovými kanály, molekulárními senzory, které kódují vnější podněty na elektrický signál. Teplotně a mechanicky aktivované iontové kanály TRP a PIEZO rodiny umožňují všem živým organismům rychle detekovat teplotní a mechanické podněty, které je ohrožují, a včas na ně reagovat. Jsou-li vnější podněty příliš horké, nebo příliš chladné, v případě tlaku příliš silné, aktivace kanálů na periferních zakončeních neuronů způsobí lokální depolarizaci buněčné membrány. Následný vznik akčních potenciálů, které jsou vedeny do centrálního nervového systému prostřednictvím napěťově aktivovaných kanálů, umožní spuštění obranných mechanismů.

Text: Marcela Uhlíková, Jitka Jiřičková, Pavla Hubálková

Foto: nobelprize.org, archiv AV ČR, Wikipedia.org

Ilustrace: Viktorie Vlachová