Gaz życia

"To odkrycie było prawdziwą sensacją" - stwierdzono w uzasadnieniu decyzji o przyznaniu Nagrody Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii trzem amerykańskim farmakologom. Ich badania dowiodły, że tlenek azotu jest wybitnym aktorem na scenie życia. Ta prosta molekuła złożona z azotu i tlenu ochrania serce, stymuluje pracę mózgu, zabija bakterie, wspiera męską potencję.

"Było to tym bardziej zdumiewające, że tlenek azotu jest zupełnie niepodobny do jakiejkolwiek innej molekuły sygnalnej w organizmie i tak nietrwały, że rozkłada się w niecałe 10 sekund" - wyjaśniają dalej eksperci przyznający najbardziej prestiżową spośród naukowych nagród. Za odkrycie nieoczekiwanej funkcji tlenku azotu w procesach fizjologicznych nagrodzeni zostali Robert Furchgott, 82-letni emerytowany profesor Uniwersytetu Stanowego w Nowym Jorku, 57-letni Louis Ignarro z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles i 62-letni Ferid Murad z Uniwersytetu Teksańskiego w Houston.
Badania nad tą cząsteczką rozpoczęły się w latach 70., kiedy Robert Furchgott sprawdzał wpływ niektórych leków na pracę serca i układ krwionośny. Zastanowiło go, że stosując te same leki, często uzyskiwał sprzeczne rezultaty: raz powodowały skurcz, a kiedy indziej - rozszerzenie naczyń krwionośnych. W 1980 r. Furchgott pokazał w pomysłowym eksperymencie, że podawana jako lek acetylocholina rozszerza naczynia krwionośne tylko wówczas, gdy wyściełająca je od wewnątrz cienka warstwa komórek nie jest uszkodzona. Doszedł wówczas do wniosku, że warstwa ta (nazwana endothelium) musi wytwarzać jakąś nieznaną molekułę, która przekazuje mięśniom gładkim sygnał do rozszerzenia naczyń krwionośnych. Nie wiedział jednak, jaką postać chemiczną może mieć ta cząsteczka.
Tymczasem inny lekarz i farmakolog Ferid Murad próbował zrozumieć, jak działa nitrogliceryna i w jaki sposób ona lub któryś z jej składników powoduje rozszerzenie naczyń krwionośnych. W 1977 r. odkrył, że z substancji tej uwalnia się tlenek azotu działający rozkurczowo na komórki mięśni gładkich. Zafascynowała go myśl, że prosta cząsteczka gazu mogłaby regulować ważne funkcje życiowe, a nawet pośredniczyć w oddziaływaniu hormonów na organizm. 20 lat temu nie dysponowano jednak możliwościami eksperymentalnego sprawdzenia tej hipotezy. W roku 1986 Louis Ignarro przeprowadził serię znakomicie pomyślanych analiz chemicznych i stwierdził - niezależnie od Roberta Furchgotta - że molekuła (której istnienie Furchgott zakładał) pełniąca funkcję sygnalizatora w komórkach naczyń krwionośnych jest identyczna z tlenkiem azotu. Udało się też wyjaśnić działanie nitrogliceryny - wydziela się z niej tlenek azotu informujący komórki mięśni gładkich, że należy rozszerzyć naczynia krwionośne.
Nitrogliceryna w podwójny sposób wiąże się z osobą Alfreda Nobla, fundatora nagrody, którą przyznano za rozszyfrowanie roli tlenku azotu. Nobel zbił, jak wiadomo, fortunę na wynalezieniu dynamitu. Jednym ze składników tego materiału wybuchowego jest właśnie nitrogliceryna. Gdy wynalazca chorował na serce, lekarz zalecił mu przyjmowanie nitrogliceryny jako leku przeciw bólom w klatce piersiowej. Nobel odmówił, przekonany, że substancja ta ma wprawdzie właściwości wybuchowe, ale nie może działać leczniczo. Pisał: "To wygląda na ironię losu, żeby właśnie mnie lekarz kazał jeść nitroglicerynę".
Opublikowanie w 1986 r. wyników badań Furchgotta i Ignarro spowodowało lawinę dalszych prac, które wkrótce potwierdziły, że NO jest cząsteczką o istotnym znaczeniu dla układu krążenia - jest bronią przeciw infekcjom, decyduje o dystrybucji krwi do poszczególnych narządów i reguluje ciśnienie. Tlenek azotu jest wytwarzany przez wiele rodzajów komórek. Produkowany w komórkach nerwowych rozprzestrzenia się gwałtownie, przenosząc sygnały do sąsiednich neuronów i stymulując wytwarzanie hormonów mózgowych. Ta sama molekuła, powstająca w białych komórkach krwi - makrofagach, w dużej ilości staje się trucizną dla bakterii i pasożytów. Komórki układu immunologicznego używają tlenku azotu do włączania "programu śmierci samobójczej nowotworu". NO może także zapoczątkować erekcję, powodując rozszerzenie odpowiednich naczyń krwionośnych. Jak powiedział agencji Reutera Sten Orrenius, profesor toksykologii w Karolinska Institute w Sztokholmie, Louis Ignarro odkrył podstawową zasadę działania tlenku azotu, która pozwoliła opracować viagrę - lek przeciw impotencji.
Francuzi, zawsze krytyczni wobec osiągnięć konkurentów zza Atlantyku, wyliczyli, że Amerykanie dostali już 79 Nagród Nobla w dziedzinie medycyny. Od 1933 r., gdy po raz pierwszy uhonorowano za dokonania w medycynie obywatela Stanów Zjednoczonych, niemal dwie na trzy Nagrody Nobla przypadają właśnie Amerykanom. Dziennik "Le Figaro" nazywa to zgryźliwie "dominacją wuja Sama".
Europejskim ośrodkom naukowym nie powiodło się również w innych dyscyplinach. Nagrody przyznane przez Królewską Szwedzką Akademię Nauk w dziedzinie fizyki i chemii powędrowały również na uniwersytety amerykańskie - Stanford, Princeton, Columbia University, University of California i North- western University. Wśród pięciu laureatów są tym razem trzej Amerykanie (w tym jeden pochodzenia chińskiego, drugi austriackiego), Niemiec i Brytyjczyk. Wszyscy pracują w USA. To jeszcze jeden przykład na to, jak państwo o największych możliwościach badawczych ściąga z innych krajów najbardziej utalentowanych ludzi.
Tegoroczne nagrody zarówno dla fizyków, jak i chemików przyznano za badania - obcego naszej wyobraźni i sprzecznego z powszechną intuicją - świata kwantów. Einstein nie zgadzał się z założeniami mechaniki kwantowej, opisującej świat najmniejszych cząstek, w którym zamiast solidnych reguł rządzą niepewność i prawdopodobieństwo. Ale w laboratoriach fizyków i chemików to właśnie mechanika kwantowa jest gwiazdą końca wieku. I dowodzi, że w pewnych warunkach elektrony - uważane za najmniejsze, niepodzielne składniki materii - mogą tworzyć ciecz kwantową, dającą początek cząstkom wirtualnym, "mniejszym od najmniejszych" i nierealnym (jeden z artykułów na ten temat w prasie francuskiej nosi tytuł "W świecie cząstek, które nie istnieją"). Nobla w dziedzinie fizyki dostali badacze tego dziwnego świata - Amerykanie Robert Laughlin i Daniel Tsui, a także Niemiec Horst Stoermer - za "odkrycie nowej formy cieczy kwantowej, w której tworzące ją niby-cząstki mają ładunki elektryczne równe tylko części ładunku elektronów". Dotychczas sądzono, że elektron jest najmniejszym ładunkiem elektrycznym występującym w przyrodzie. Za badania cieczy kwantowych kilkunastu fizy- ków otrzymało już Nagrodę Nobla. Świat kwantów ujawnia jednak coraz więcej nowych, zdumiewających zjawisk, które niemal natychmiast po ich odkryciu wykorzystuje się przy projektowaniu najbardziej nowoczesnych urządzeń - komputerów, telewizorów itp.
Elektrony są wrażliwe na działanie pola magnetycznego. 120 lat temu zauważył to młody amerykański student Edward Hall. Dostrzeżone przez niego zjawisko nazwano efektem Halla. Niemiecki fizyk Klaus von Klizing w oddziaływaniu pola magnetycznego na elektrony dostrzegł coś w rodzaju progów. Zwiększanie mocy pola magnetycznego początkowo nie daje widocznych efektów. Nagle, jakby została przekroczona jakaś bariera, następuje zmiana w przepływie prądu elektrycznego. Elektrony w intensywnym polu reagują w sposób skokowy, kaskadowy, wszystkie razem. Von Klizing za odkrycie tego zjawiska i znalezienie formuły matematycznej, która pozwala je przewidzieć, otrzymał Nagrodę Nobla w 1985 r. Tegoroczni laureaci zaobserwowali, że w jeszcze silniejszych polach magnetycznych elektrony zachowują się tak, jakby pojawiły się wśród nich cząstki jeszcze mniejsze od nich, o cząstkowych ładunkach (równych np. jednej piątej lub jednej dziewiątej części normalnego ładunku elektronu). Tworzy się wówczas coś w rodzaju kwantowej cieczy elektronów obracających się pod wpływem intensywnego pola magnetycznego wokół jakiegoś centralnego punktu. W środku powstaje bańka, pęcherz czy niby-cząstka o właściwościach zmieniających się wraz z gęstością tej kwantowej cieczy. Według wyjaśnienia Roberta Laughlina, "elektrony wiążą się z polem magnetycznym, tworząc podobny do cieczy konglomerat lub niby-cząstki o różnych ładunkach ułamkowych". Komitet Nagród Nobla uznał to odkrycie za "przełom w naszym rozumieniu fizyki kwantowej", który pozwolił "ustalić zasady opisujące wzajemne oddziaływanie na siebie materii i energii".
Walter Kohn z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara i John Pople, Brytyjczyk pracujący na Uniwersytecie Northwestern, otrzymali Nagrodę Nobla za opracowanie metod matematycznych i programów komputerowych do opisu procesów chemicznych na poziomie kwantowym. Obaj są pionierami chemii matematycznej. Badacze od dawna próbowali zrozumieć, w jaki sposób wiązania pomiędzy atomami wpływają na funkcje powstających z tych atomów cząsteczek. Rozwój mechaniki kwantowej dał podstawy do tych poszukiwań. W 1929 r. Paul Dirac, jeden z twórców mechaniki kwantowej, wyjaśniał: "Podstawowe prawa potrzebne do matematycznego opisania części fizyki i całej chemii są już w pełni znane. Trudność polega tylko na tym, że zastosowanie tych praw prowadzi do równań tak złożonych, że nie potrafimy ich rozwiązać". W latach 60., kiedy komputery rozszerzyły niepomiernie możliwości obliczeniowe, John Pople i Walter Kohn stali się liderami poszukiwań na tym polu. Tradycyjny opis własności molekuł opierał się na obliczeniach ruchów poszczególnych elektrod. Opisujące je równania matematyczne były jednak zbyt skomplikowane. Prace teoretyczne Waltera Kohna dały podstawę do znacznego ich uproszczenia. John Pople w r. 1970 stworzył program komputerowy Gaussian-70, który umożliwił m.in. zrozumienie skomplikowanych reakcji zachodzących w organizmie, działania leków, zjawisk chemicznych spowodowanych zmianami klimatu i wielu innych. "Ich prace umożliwiły stosowanie nowych terapii medycznych i wynalezienie nowych materiałów ťwysokiej technikiŤ" - cytuje wypowiedź Johna Shieldsa, prezydenta Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego, dziennik "International Herald Tribune".