Tháng Mười và giải Nobel 2014 – Kỳ 1

Giải Nobel về Y Học & Sinh Học

Mở đầu mùa Nobel hàng năm là việc công bố giải Nobel về Y Học & Sinh Học. Năm nay, hội đồng tuyển chọn đã trao giải Nobel cho các chuyên gia nghiên cứu về não bộ, về hệ thống “định vị”, GPS, của trí não.

Con người nhận biết vị trí và biết nhìn ra hướng đi, chi tiết này không mới mẻ nhưng qua công trình nghiên cứu của ba chuyên gia, ta hiểu tại sao con người có thể làm được công việc ấy.

Tiến Sĩ John O’Keefe, cùng với Tiến Sĩ May-Britt Moser và Tiến Sĩ Edvard Moser là những người đã khám phá ra hệ thống tế bào trong não bộ làm công việc nhận biết vị trí, một hệ thống định vị hay GPS có sẵn trong não bộ. Hệ thống tế bào này giúp con người nhận biết vị trí, dẫn đường và ghi nhớ những nơi đã đi qua.

Khám phá này có thể áp dụng vào việc nghiên cứu cách chữa trị chứng Alzheimer vì một phần của hệ thống định vị bẩm sinh nằm tại thể hình sừng (the hippocampus) và phần vỏ não entorhinal

Trong chứng bệnh Alzheimer, các cấu trúc kể trên hư hoại dần khiến người bệnh lạc đường dễ dàng. Khi hiểu được cách hoạt động của hệ thống định vị bẩm sinh, con người có thể hiểu tại sao việc lạc đường, mất hướng xảy ra.

Công trình nghiên cứu kể trên cho thấy căn bản của trí tuệ con người. Dù chương trình nghiên cứu diễn ra trong chuột nhưng các khám phá khác cho thấy con người cũng có hệ thống tế bào tương tự.

Tiến Sĩ O’Keefe, một chuyên gia về khoa học não bộ, gốc Hoa Kỳ sinh sống tại Anh đã tìm ra các tế bào thần kinh trong hệ thống định vị vào năm 1971 qua một chuỗi thí nghiệm: Mỗi khi thả chuột vào một môi trường mới, các tế bào này hoạt động mạnh mẽ, và các chuyên gia đặt tên cho loại tế bào này là “tế bào nơi chốn”, “place cell.”

Ông O’Keefe sinh trưởng tại New York City, cha mẹ là người di dân từ Ái Nhĩ Lan; tốt nghiệp đại học từ the City College of New York. Năm 1967, ông O’Keefe tốt nghiệp tiến sĩ tại McGill University, Montreal, Canada; sau đó ông ta tu nghiệp tại University College London, rồi ở lại tiếp tục sự nghiệp nghiên cứu và giảng dạy tại nơi này.

Đến năm 2005, vợ chồng Tiến Sĩ Moser, người Na Uy, tìm ra loại tế bào khác trong hệ thống định vị. Loại tế bào này có nhiệm vụ phối hợp các phần trong hệ thống giúp con người nhận biết vị trí và tìm ra đường đi. Họ đặt tên loại tế bào này là ‘grid cell’.

Đôi chuyên gia này cũng khám phá ra cách phối hợp hoạt động của hai loại tế bào, “place cell” và “grid cell”; sự phối hợp này giúp con người nhận biết nơi chốn và hướng đi.

Nói giản dị là trong trí óc, “place cell” đánh dấu điểm A và B; “grid cell” giúp ta “đi” từ A đến B.

Ông Edvard Moser là người thành lập trung tâm Kavli Institute for Systems Neuroscience và cũng là người điều hành Centre for Neural Computation. Ông Moser tốt nghiệp tiến sĩ về neurophysiology, tại Đại Học Oslo năm 1995.

Bà May-Britt Moser là người đồng thành lập và điều hành hai trung tâm nghiên cứu kể trên, là đồng nghiệp và cũng là bạn đời của ông Moser. Bà Moser tốt nghiệp tiến sĩ về neurophysiology, cũng tại Đại Học Oslo năm 1995.

Đôi vợ chồng chuyên viên sinh trưởng từ đồng quê Na Uy, họ học cùng trường trung học nhưng không quen biết nhau cho đến khi vào đại học Oslo và kết hôn tại đó khi cả hai còn đi học. Cả hai Tiến Sĩ Moser đã có thời gian nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của Tiến Sĩ O’Keefe.

Giải Nobel gồm 8 triệu Swedish kronor (khoảng 1.2 triệu Mỹ kim) được chia đôi, ông O’Keefe một nửa và đôi vợ chồng Tiến Sĩ Moser chia nhau nửa còn lại. Cách “chia: giải thưởng này còn có nghĩa là hội đồng tuyển chọn nhìn nhận công trình khám phá của các chuyên gia như hai phần với giá trị tương đương.

Giải Nobel Vật Lý

Ba chuyên gia, Isamu Akasaki và Hiroshi Amano từ Nhật Bản và Shuji Nakamura tại Hoa Kỳ đoạt giải Nobel về Vật Lý qua phát minh về kỹ thuật “light emitting diodes” hay LED. Làm việc chung và riêng rẽ, các chuyên gia này đã phát minh loại ánh sáng xanh dương, gom chung với ánh sáng đỏ và xanh lục, ba nguồn ánh sáng tạo thành nguồn ánh sáng trắng ta sử dụng ngày nay.

Trong thập niên 90 của thế kỷ trước, từ chất bán dẫn, semiconductor, ba chuyên gia kể trên đã tìm ra cách tạo nguồn ánh sáng xanh dương. Trước đó nhiều năm, các nhà khoa học đã chế tạo được nguồn ánh sáng đỏ và xanh lục, nhưng thiếu nguồn ánh sáng xanh dương, ta không thể tạo ra ánh sáng trắng.

Hội Hàn Lâm Khoa Học Thụy Điển đã phát biểu rằng quý ông Akasaki, Amano và Nakamura đã thành công khi những khoa học gia khác thất bại! Phát minh này khởi đầu một ngành kỹ nghệ mới, kỹ nghệ chế tạo LED, nguồn ánh sáng của thế kỷ XXI, mới mẻ tân kỳ như việc phát minh đèn incandescent trong thế kỷ XX.

Theo Tiến Sĩ Frances Saunders, chủ tịch Viện Vật Lý (the Institute of Physics), một tổ chức khoa học có tầm mức quốc tế tại London, chế tạo được ánh sáng xanh dương là một phát minh vĩ đại; công trình nghiên cứu [về vật lý] này mang lại lợi ích cho nhân loại, bảo vệ môi sinh và mang ánh sáng đến mọi nơi, thắp sáng nhà cửa và vật dụng hàng ngày.

Tại Phi Châu, triệu triệu ngọn đèn diode thắp sáng bởi ánh nắng đã thay thế các ngọn đèn dầu gây hư hoại môi sinh.

Sử dụng cùng mức năng lượng, bóng đèn LED tạo ra gấp 4 lần mức ánh sáng so với bóng đèn fluorescent bulb và gấp 20 lần so với bóng đèn incandescent.

Bóng đèn LED có thời gian sử dụng lâu dài, dài gấp 10 lần bóng fluorescent và 100 lần so với bóng incandescent.

Light-emitting diodes, hiện diện khắp nơi từ điện thoại đến máy móc, ống kính… và sự áp dụng kỹ thuật còn mênh mông, con người chưa khám phá hết tiềm năng của nó.

Chế tạo vật thể phát ra ánh sáng là một chuỗi tiến hóa không ngừng nghỉ của con người; khởi đầu từ ông cụ Thomas Edison chế ra bóng đèn trong thế kỷ XIX. Bóng đèn incandescent dùng điện lực hơ nóng sợi thép phát ra ánh sáng, bóng đèn fluorescent dùng gas làm năng lượng.

Light-emitting diodes nhỏ cỡ hạt cát, đặt giữa hai mảnh bán dẫn, semiconducting. Khi hai cực âm dương của dòng điện gặp nhau tại các diode, tạo ra ánh sáng. Màu sắc của ánh sáng tùy thuộc vào thể loại của chất bán dẫn.

Tiến Sĩ Nick Holonyak Jr. từ University of Illinois, người đầu tiên đã tạo ra ánh sáng diode đỏ vào năm 1962, cho rằng LED là bóng đèn tân kỳ nhất!

Phát minh của ba khoa học gia kể trên xuất phát từ việc chế tạo các tinh thể gallium nitride, một loại bán dẫn tạo ra ánh sáng xanh dương. Tiến Sĩ Akasaki khởi đầu việc tìm kiếm các tinh thể thích hợp từ thập niên 60 tại Matsushita Research Institute, Tokyo.
Nhưng mãi đến năm 1986, ông cụ và người học trò, Tiến Sĩ Amano, mới tìm ra cách chế tạo một màng sapphire, tráng một lớp tinh thể gallium nitride. Hệ thống bán dẫn này khi gặp dòng điện đã tỏa sáng một màu xanh dương.

Tiến Sĩ Nakamura cũng thành công trong việc chế tạo các tinh thể gallium nitrite với hiệu năng cao hơn. Năm 2006, ông ấy đoạt giải Millennium Technology qua phát minh tia laser xanh dương đầu tiên, mở đầu việc chế tạo các vật dụng như Blu-ray players.

Tiến Sĩ Akasaki, 85 tuổi, từ Meijo University và Nagoya University; cùng Tiến Sĩ Amano, 54 tuổi, từ Nagoya University là người Nhật Bản. Tiến Sĩ Nakamura, 60 tuổi, là người Hoa Kỳ. Giải Nobel trị giá 1.2 triệu Mỹ kim được chia đồng đều cho ba nhà khoa học.

Giải Nobel Hóa Học

Ông Eric Betzig, 54 tuổi, và ông William Moerner, 61 tuổi là hai chuyên gia Hoa Kỳ, cùng ông Stefan Hell, 51 tuổi, người Đức đã đoạt giải Nobel về Hóa Học năm nay qua công trình khám phá các phân tử giúp vật thể lóe sáng, khi cần, để ta có thể nhận diện các cấu trúc trong tế bào qua kính hiển vi.

Ngay từ thủa xa xưa, năm 1873, khoa học đã tính toán ra các giới hạn của mức quan sát bằng kính hiển vi, đến đâu thì không còn nhận diện. Cho đến 15 năm trước đây, giới hạn kể trên vẫn ngăn chặn sự thẩm định của con người qua kính hiển vi.

Từ thập niên 80 của thế kỷ trước, ba chuyên gia kể trên, qua các hoạt động riêng rẽ, đã dẫn đến việc khám phá hai kỹ thuật mới mẻ vào năm 2000 và 2006.

Tiến Sĩ Betzig, tại the Howard Hughes Medical Institute, Ashburn, Virginia, và Tiến Sĩ Moerner, tại Stanford University, California, đã triển khai căn bản kỹ thuật của kính hiển vi đơn phân tử (single-molecule microscopy) giúp con người quan sát từng phân tử trong các cấu trúc của tế bào, đơn vị nhỏ nhất của sinh vật. Loại kính hiển vi này dùng tia laser chiếu đến từng phân tử, các phân tử này tỏa sáng và nhờ đó ta có thể nhận diện các chi tiết ở mức “nano”, cả ngàn lần nhỏ hơn mức “micro”.

Tiến Sĩ Hell, tại Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Göttingen, và German Cancer Research Center, Heidelberg, Đức, đã triển khai kỹ thuật chế tạo “nanoscope”, giúp các chuyên viên sinh học có thể quan sát, nhận diện các hoạt động của từng cấu trúc trong tế bào với mức độ chính xác chưa từng thấy.

Các khám phá của ba chuyên gia đã tạo  ra  loại  kính hiển vi super-resolution fluorescence microscopy, xóa nhòa biên giới giữa hóa học và sinh học. Theo Tiến Sĩ Catherine Lewis, director, phân khoa cell biology and biophysics tại the National Institute of General Medical Sciences, Bethesda, Maryland, các khám phá vĩ đại của ba chuyên gia thắng giải Nobel đã mở một cánh cửa cho ta thấy bên trong các tế bào, một việc làm vô cùng mới mẻ.

Con người có thể quan sát từng cử động của mỗi phân tử trong tế bào ngay tại chỗ, ta có thể nhận diện các phân tử di chuyển bên trong tế bào, thấy các phân tử này hoạt động phối hợp với nhau ra sao.

Qua kính hiển vi nanoscope, các chuyên gia sinh học có thể tìm hiểu các bệnh tật như Parkinson, Alzheimer và Huntington ở mức vi diệu nhất.

Nói chung, bệnh tật khởi đầu từ sự hoạt động bất thường của tế bào; để tìm kiếm nguyên nhân, ta cần hiểu rõ tế bào và hiểu rõ sự bất thường của nó.

Ông Hell dùng kỹ thuật kể trên để tìm hiểu tế bào thần kinh, ông Moerner tìm hiểu các protein gây bệnh Huntington và ông Betzig theo dõi cách sinh sản của tế bào bên trong khối phôi (embryo).

Ba nhà khoa học chia nhau giải thưởng Nobel trị giá 1.2 triệu Mỹ kim.