نوبل فیزیک و شیمی ۲۰۲۰: سیاه‌چاله‌ها و قیچی ژنتیکی

برترین‌ها: نوبلیست‎های فیزیک امسال چه کشف مهمی داشتند و چرا ۳ تا از نوبل‌های فیزیک در ۴ سال اخیر به کیهان‎شناس‏‌ها و اخترفیزیک‎دان‎ها تعلق گرفته است؟

این روز‌ها مشغله‎های فراوان و درگیری‎های روزمره شاید مجالی برای کنجکاوی‎های قدیمی‎مان باقی نگذاشته باشد و از کنار خبر‌ها و تیتر‌های مرتبط با علم به سرعت عبور کنیم و زمانی برایش خرج نکنیم، اما به لطف فیلم‎ها و داستان‎های علمی تخیلی، ماجرای سیاهچاله‎ها و رفتار‌های مرموز و شگفت انگیزشان شاید هنوز جذابیت‎های زیادی برای خیلی‎ها داشته باشد. سرگذشت ستاره‎های سنگین وزنی که خاموش شده‏اند، ولی همچنان فعالیت‎ها و ویژگی‏های هولناکی از خود به نمایش می‎گذارند حتی برای کسانی که فیزیک را دوست ندارند هم جالب است.

از شنبه تا پنج‌شنبه‌ای که گذشت، هفته اعلام جوایز نوبل بود. سه‌شنبه (۶ اکتبر، ۱۵ مهر) جایزه نوبل فیزیک اعلام شد و اتفاق جالب این بود که فیزیک‌دان‏‌هایی که سال‎های زیادی از عمرشان را روی سیاهچاله‎های فضایی گذاشته بودند، این جایزه مهم و ارزشمند را به خانه بردند. دستاورد‌هایی که در حوزه سیاهچاله‌ها حتی فراتر از نظریات اینشتین محسوب می‌شود. در پرونده امروز زندگی سلام، نگاهی به کار‌های تحقیقاتی برندگان نوبل فیزیک امسال می‎اندازیم که تقریبا مهم‎ترین جایزه در بین دیگر رشته‎هاست و سری می‌زنیم به سیاهچاله‎ها و جاذبه باورنکردنی‎شان و در نهایت در یک مطلب کوتاه به سراغ آلفرد نوبل می‎رویم تا ببینیم چه شد که نامش بر بزرگ‎ترین و مهم‎ترین جایزه علمی دنیا ماندگار شد. با ما همراه باشید.

در سیاهچاله چه خبر است؟

«برندگان امسال اسراری را در تاریک‌ترین گوشه جهان ما کشف کرده‌اند، اما این فقط یک ماجراجویی قدیمی نیست که حالا به نتیجه پیروزمندانه خود رسیده باشد بلکه شروع جدیدی است. هرچه بیشتر به افق سیاهچاله‌ها نزدیک شویم، طبیعت ممکن است شگفتی‌های جدیدی را در چنته داشته باشد». این جملات را که حاکی از اهمیت سیاهچاله‏ها برای آینده فیزیک و کیهان‌شناسی است «اولف دانیلسن» استاد فیزیک دانشگاه اوپسالای سوئد در مراسم معرفی برندگان نوبل فیزیک ۲۰۲۰ گفته است.

سیاهچاله‌ها هر قدر هم حیرت آور و شگفت انگیز باشند، اما باید باور کنید که زمانی برای خودشان ستاره‎ای بودند. آن‎ها که کمی با دنیای نجوم آشنا باشند یا هر از گاهی پرونده‌های چاپ شده در «زندگی سلام» در همین باره را پیگیری کرده باشند، می‌دانند که ستاره‌ها هم مثل ما آدم‌ها زندگی می‌کنند، یعنی متولد می‌شوند، دوره کودکی و نوجوانی را پشت سر می‌گذارند، بیشترین سال‎های زندگی‎شان در دوره جوانی می‎گذرد و کم‎کم می‎افتند توی سرازیری عمرشان و میان سالی و پیری را تجربه می‎کنند. فقط نکته مهم این جاست که دوره‎های مختلف زندگی‎شان و این که عمرشان چقدر و چطور بگذرد به جرم‎شان بستگی دارد، اگر سنگین وزن باشند و پر جرم، سال‎های پایانی حیاتشان بسیار پر حادثه و هولناک است.

ستاره‎ها راکتور‌های همجوش عظیمی هستند که در خود می‎جوشند و به دو دلیل تمایل بسیار زیادی برای فروپاشی دارند؛ به شدت بزرگ هستند و از گاز تشکیل شده‎اند. این دو عامل کافی است تا میدان گرانشی شدیدی شکل بگیرد و ستاره را از درون منهدم کند. بار دیگر که خورشید را در آسمان دیدید، به این فکر کنید که همان لحظه در سطح خورشید میلیون‌ها اتم در حال همجوشی با یکدیگر هستند تا هسته اتم‎های سنگین‎تر را بسازند و هر چه این فعالیت ادامه می‎یابد، خورشید پیرتر و پیرتر می‎شود تا در نهایت سوختش پایان می‌یابد و به روز‌های نهایی عمرش نزدیک می‎شود.

به محض این‌که ستاره از پا در می‎آید، واکنش همجوشی هسته‎ای متوقف می‎شود چراکه سوخت مدنظر دیگر تمام شده و چیزی برای سوختن و انفجار وجود ندارد. در همین حال، نیروی انفجاری به صفر می‎رسد، اما نیروی جاذبه سر جای خود باقی می‌ماند؛ بنابراین با قدرت هر چه تمام‎تر ستاره را به درون می‎کشد. ستاره که فشرده می‎شود به تدریج داغ و منفجر می‎شود که طی آن مواد و اشعه‎ها به درون فضا پرتاب می‎شوند. آن چه باقی می‎ماند، هسته بسیار فشرده و عظیمی است که به آن سیاهچاله گفته می‌شود. گرانش هسته در این قسمت به قدری بالاست که حتی نور هم نمی‎تواند از دست آن فرار کند.

نوبلیست‎های فیزیک ۲۰۲۰ چه کشف مهمی داشتند؟

نوبل فیزیک امسال به یکی از عجیب‎ترین پدیده‏های جهان رسید. پدیده‎ای که همیشه در داستان‎ها و فیلم‏های علمی تخیلی بر سر آن بحث می‏شد، حالا مهم‏ترین جایزه علمی حوزه فیزیک را از آن خود کرده است. نیمی از این جایزه امسال فیزیک به دانشمند معروف «سِر راجر پنرُز» از دانشگاه آکسفورد انگلیس تعلق گرفت و نیمه دیگرش به «راینهارد گنزل» از موسسه فیزیک فرازمینی ماکس پلانک آلمان و دانشگاه برکلی کالیفرنیا به همراه «آندره گز» فیزیک دان موسسه فناوری کالیفرنیا رسید. مبلغ جایزه نوبل ۱۰ میلیون کرون سوئد است که معادل با ۹۳۵ هزار دلار می‌شود، اما آیا واقعا کشف برندگان نوبل امسال، این‌قدر می‌ارزد؟

اثبات وجود داشتن سیاهچاله‌ها که اینشتین به آن اعتقاد نداشت

«پنرُز» با روش‎های ریاضی نشان داد که سیاهچاله‎ها می‏توانند در دنیای واقعی وجود داشته باشند در حالی که خود اینشتین زمانی که معادلات نسبیت عام را پایه گذاری می‏کرد، به وجود سیاهچاله‏ها اعتقادی نداشت، اما پنرُز سال‎ها مشغول معادلات ریاضی شد و ۱۰ سال پس از مرگ اینشتین در نهایت نتیجه مهمی گرفت. مقاله پیشگامانه او هنوز به عنوان مهم‎ترین سهم در نظریه عمومی نسبیت از زمان اینشتین تا کنون شناخته می‎شود.

شناسایی یک جرم فوق‌العاده سنگین و نامرئی

دیگر برندگان نوبل فیزیک ۲۰۲۰ یعنی «آندره گز» و «راینهارد گنزل» هر کدام‌شان مسئولیت یکی از گروه‎های اخترشناسی را به عهده دارند و از اوایل دهه ۱۹۹۰ مطالعاتشان را بر ناحیه‏ای از مرکز کهکشان راه شیری متمرکز کردند.

آن‏ها جرم فوق العاده سنگین و نامرئی را شناسایی کردند که تاثیر گرانشی شدیدی روی حرکت ستارگان دارد و باعث شده آن‎ها با سرعت دیوانه کننده‏ای به دور مرکز کهکشان بگردند. محاسبات هر دو گروه وجود جرمی عظیم را که حدود ۴.۵ میلیون برابر جرم خورشید است در مرکز کهکشان تایید می‏کند که هم اکنون می‌دانیم، فقط یک سیاهچاله می‏تواند چنین رفتار و خواصی داشته باشد. گنزل و گز با استفاده از بزرگ‎ترین تلسکوپ‎های جهان روش‌های رصد از میان گاز‌های میان ستاره‌ای و غبار‌های مرکز کهکشان راه شیری را ابداع کردند و نقش موثری در یافتن سیاهچاله کهکشان خودمان داشتند.

«دیوید هاویلند»، رئیس کمیته فیزیک نوبل می‎گوید: «هنوز سوالات زیادی درباره این اجرام مرموز و عجیب وجود دارد که نیازمند پاسخ و تحقیقات بیشتر است نه تنها سوالاتی درباره ساختار سیاهچاله‎ها بلکه پرسش‎هایی درباره چگونگی آزمایش نظریه گرانش در نزدیکی یک سیاهچاله». هرچه هست، این کشف آن‌قدر مهم بوده که جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۰ را به خود اختصاص داده است.

کیهان‎شناسی، درو کننده نوبل‎های فیزیک در چند سال اخیر

سه تا از نوبل‌های چهار سال اخیر در حوزه فیزیک به کیهان‎شناس‏ها و اخترفیزیک‎دان‎ها تعلق گرفته است. با این که دانش فیزیک، علمی پهناور با گستره‎ای متنوع است و دانشمندان زیادی از حوزه درون اتم بگیرید تا فیزیک پزشکی، لیزر و پلاسما روی آن کار و تحقیق می‎کنند، اما به شکل معناداری جوایز نوبل به سمت حوزه کیهان‎شناسی و اخترفیزیک روانه شده است. سال ۲۰۱۷ نوبل فیزیک به کیهان‎شناس‎هایی اهدا شد که با استفاده از رصدخانه‏ای ویژه توانستند یکی از پیش‎بینی‎های فیزیک را رصد کنند و درباره‎اش اطلاعات ارزشمندی به دست بیاورند.

آن‎ها امواج گرانشی را شناسایی کردند که آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۶ از طریق نظریه نسبیت عام به طور نظری پیش‌بینی کرده بود. امواج گرانشی توسط میدان‎های گرانشی عظیمی تولید می‎شود که ستاره‎های پر جرم و سنگین در فضا ایجاد می‎کنند و کشف و رصد آن سوالات زیادی در فیزیک را توضیح می‎دهد. پس از یک وقفه یک ساله، مجدد در سال ۲۰۱۹ نوبل فیزیک به گروه کیهان‌شناسی تعلق گرفت؛ نیمی از جایزه به محققانی رسید که برای اولین بار یک سیاره فراخورشیدی را به دور ستاره‎ای شبیه خورشید خودمان پیدا کرده بودند و نیمه دیگرش به دانشمندی سالخورده اهدا شد که بیش از ۵۰ سال از عمرش را وقف بررسی داده‏های مربوط به کهکشان‎ها کرده بود تا بتواند تئوری دقیقی از زمان بیگ بنگ تا به امروز ارائه دهد و بالاخره امسال که نوبل ۲۰۲۰ در رشته فیزیک به کسانی رسید که از راز‌های تاریک سیاهچاله‏ها پرده‏برداری کردند.

این انتخاب‏ها از سوی کمیته علمی جایزه نوبل باعث شده که خیلی‎ها به فکر فرو روند، جوایزی که می‎توانست به حوزه‎های کاربردی و ملموس‏تر گرایش‎های دیگر فیزیک برسد، در فاصله چهار سال به حوزه‎ای تعلق گرفته که بیشتر به شناخت آدمی از عالم مرتبط است و سوال‎های بنیادین بشر درباره هستی، آغاز و پایانش را پاسخ می‏دهد. انگار رویکرد آکادمی نوبل این است که بیشتر به حوزه‎هایی روی خوش نشان دهد که رویکرد انسان را نسبت به کیهان تغییر می‎دهند و افق‎های تازه‎ای در برابرش می‎گشایند.

آن چه درباره

«آلفرد نوبل» و جایزه نوبل نشنیده‌اید

آلفرد نوبل از همان کودکی زندگی متمولانه ‏ای را تجربه می ‏کرد، پدرش مهندس و مخترعی بود که نیاز مالی نداشت و حتی برای آلفرد معلم خصوصی گرفت تا او به مدرسه نرود و در خانه آموزش ببیند. آلفرد کم سن و سال در خانه، شیمی و زبان‌های انگلیسی، فرانسوی، آلمانی و روسی را فرا گرفت و فقط ۱۸ ماه به مدرسه رفت.

او مدتی هم در پاریس مشغول تحصیل شد و سپس در ۱۸ سالگی برای تحصیل در رشته مورد علاقه‏ اش یعنی شیمی به آمریکا سفر کرد، اما زمانی که با خبر شد پدرش ورشکسته شده است به وطن خود برگشت و زمانش را وقف تحقیق درباره مواد منفجره کرد. احتمالا نوبل هرگز فکرش را هم نمی‎کرد که علاقه‎اش به شیمی و آزمایش او را به اختراع دینامیت برساند. او در طول عمرش ۳۵۰ اختراع را به ثبت رساند، ولی اختراع دینامیت چیزی بود که بیش از یک اختراع روی زندگی‎اش اثر گذاشت.

برادر نوبل سوداگر مرگ بود؟

در این سال‎ها او کارخانه‎های زیادی تاسیس کرد و اوضاع مالی خیلی خوبی داشت، اما دوره‎های افسردگی متعددی را تجربه کرد. هیچ‏وقت نتوانست ازدواج کند و عمرش در اندوه گذشت. سال ۱۸۸۸ وقتی برادرش فوت کرد، او به فرانسه سفر کرده بود و آگهی ترحیم برادرش را در یک روزنامه دید. این نشریه فرانسوی لودویگ را به دلیل فعالیت‌هایش در زمینه مواد منفجره متهم کرده و تیتر زده بود: «سوداگر مرگ مُرد».

آلفرد نوبل به فکر فرورفت و حس کرد که دوست ندارد پس از مرگش روزنامه‌ها بنویسند: «دکتر آلفرد نوبل که با یافتن راه‌هایی برای کشتن سریع‌تر انسان‌های بیشتر ثروتمند شد، روز گذشته بدرود حیات گفت». همین ماجرا باعث شد که در سال ۱۸۹۵ در باشگاهی سوئدی – نروژی آخرین وصیت‌نامه‌اش را امضا کند و ۹۴ درصد از میراثش (۳۱ میلیون و ۲۲۵ هزار کرون سوئد) را صرف راه‌اندازی پنج جایزه نوبل پزشکی، شیمی، ادبیات، فیزیک و صلح کند. این جایزه قرار شد هر سال با در نظر گرفتن ملاک‌های آلفرد نوبل که در وصیت‌نامه‌اش قید شده به برترین شخصیت‌های جهان بدون درنظر گرفتن ملیت آن‌ها اعطا شود. احتمالا می‎پرسید خب پس ریاضیات چه؟ چرا برای این رشته جایزه‏ای در نظر نگرفت؟

خصومت نوبل با ریاضی!

گفته می‌شود خصومتی که نوبل با یک ریاضی‌دان داشت، دلیل تخصیص داده نشدن جایزه به رشته ریاضی شد. به دلیل کامل نبودن طراحی که آلفرد نوبل در وصیت‌نامه خود ارائه داده بود، تاسیس بنیاد نوبل پنج سال طول کشید و اولین جایزه نوبل در ۱۰ دسامبر ۱۹۰۱ اعطا شد. نوبل یک سال بعد از وصیت به یادماندنی‎اش به دلیل آنژین (گلودرد) از دنیا رفت، ولی نامش بیش از آن که آدم‎ها را به یاد دینامیت بیندازد به یاد جایزه‎های سالانه‎ای می‎اندازد که به علوم پایه و صلح اهدا می‎شود.

حالا آکادمی سلطنتی علوم سوئد سال‎هاست که مسئول برگزاری مراسم جایزه نوبل است. این آکادمی سازمانی مستقل و هدف کلی آن ترویج علوم و تقویت نفوذ آن‎ها در جامعه است. این نهاد مسئولیت ویژه علوم طبیعی و ریاضیات را بر عهده دارد، اما تلاش می‎کند تا تبادل نظر بین رشته‏های مختلف را برقرار کند. طی سال‌های اخیر انتقاد‌های زیادی به آکادمی نوبل شده و برخی انتخاب‌های آن سیاسی قلمداد شده است.

چرا نوبل به «قیچی ژنتیکی» رسید؟

پس از سال‌ها ۲ دانشمند زن توانستند روشی مطمئن و کم‌هزینه برای ایجاد برش در دی‌ان‌ای ابداع کنند که می‌تواند ویروس‌ها را از کار بیندازد.

چهارشنبه هفته گذشته، ۲ دانشمند زن به نام‌های «امانوئل شارپنتیر» و «جنیفر دودنا» به‌خاطر ایجاد روش‌های ویرایش دی‌ان‌ای، جایزه نوبل شیمی سال ۲۰۲۰ را از آن خود کردند. کشف این ۲ دانشمند که درباره فناوری ویرایش ژنوم تحقیق می‌کنند، به «قیچی ژنتیکی» کریسپر-کاس۹ معروف است. اهمیت این کشف در این است که امکان ایجاد تغییرات مشخص و دقیق در دی‌ان‌ای موجود در سلول‌های زنده را فراهم می‌کند.

قیچی ژنتیکی به چه درد می‌خورد؟

سیستم کریسپر-کاس۹ از ۲ مولکول تشکیل شده است که در دی‌ان‌ای تغییراتی ایجاد می‌کند:

۱ ـ کاس ۹ آنزیمی است که به‌عنوان یک جفت قیچی مولکولی عمل می‌کند. این قیچی توانایی برش ۲ رشته دی‌ان‌ای را در یک مکان خاص در ژنوم دارد.

۲ ـ RNA راهنما (gRNA) قطعه‌ای کوتاه از توالی آران‌ای از قبل طراحی شده است که در یک چارچوب آران‌ای بلندتر قرار دارد. gRNA، کاس ۹ را به قسمت برنامه‌ریزی‌شده ژنوم هدایت می‌کند تا اطمینان حاصل شود که محل برش درست بوده است. به این ترتیب، از نظر تئوری این اطمینان وجود دارد که gRNA فقط به توالی مورد نظر متصل می‌شود و نه جایی دیگر.

آنزیم قیچی کاس ۹ به محل مورد نظر هدایت می‌شود و در میان هر دو رشته دی‌ان‌ای شکاف ایجاد می‌کند، یا به‌عبارتی آن را قیچی می‌کند. هنگامی که این اتفاق می‌افتد، مکانیسم سلولی درک می‌کند که دی‌ان‌ای آسیب دیده است و به همین‌خاطر مکانیسم ترمیم را آغاز می‌کند. حالا درست همان زمانی است که می‌توان از این فرصت برای ایجاد تغییر در طراحی ژن‌ها استفاده کرد. یکی از مهم‌ترین بخش‌های زیست‌شناسی مولکولی، درک عملکرد یک ژن خاص است.

سال‌ها، تنها راه مطالعه این بود که یک تغییر کوچک (جهش) در ژن ایجاد کنیم و ببینیم چه تأثیری روی ژنوم یا حتی کل ارگانیسم می‌گذارد. به‌عنوان مثال، یک تغییر کوچک در ژن دیستروفین، بسته به اینکه در کجا و چگونه جهش می‌کند، می‌تواند منجر به شکل خفیفی از دیستروفی به نام دیستروفی عضلانی یا نسخه کشنده‌ای به نام DMD شود. تنها راهی که زیست‌شناسان مولکولی می‌توانستند در این مورد مطالعه کنند، استفاده از مواد شیمیایی یا تابش برای ایجاد این جهش بود، اما اِشکال اصلی این روش این بود که راهی برای کنترل هدف‌گیری ژن وجود نداشت و هر خطری محتمل بود.

روش‌های خاص دیگری برای هدف‌گیری ژن وجود داشت، اما قابل اعتماد نبود و در ضمن بسیار وقت‌گیر و پرهزینه بود. اما سیستم جدید کریسپر-کاس ۹ سریع‌ترین و ارزان‌ترین روش است که توانست کاشفان آن را به جایزه ۱/۱ میلیون دلاری نوبل برساند. درواقع این سیستم مثل یک قیچی ژنتیکی عمل می‌کند و ویروس‌ها را از طریق شکافتن دی‌ان‌ای آن‌ها از کار می‌اندازد.

منبع: روزنامه‌های خراسان و همشهری