Немецкая премия будущего (часть 1)

Эта почётная награда вручалась уже в 10-й раз, поэтому торжество носило юбилейный характер: в зале присутствовало немало лауреатов прошлых лет, а также тогдашний президент Германии Роман Герцог (Roman Herzog), который и учредил эту премию, присуждаемую за выдающиеся достижения в области техники и инноваций. По замыслу Герцога, премия призвана способствовать развитию немецкой науки – прежде всего, тех её приоритетных направлений, которые могут обеспечить Германии ведущие в мире позиции в сфере высоких технологий. Тогда, десять лет назад, Роман Герцог сказал:

Мы сможем в будущем поддерживать высокий уровень благосостояния, финансировать нашу систему социальных гарантий и эффективно осуществлять экологические программы лишь в том случае, если в сфере научных исследований и технических разработок останемся среди мировых лидеров. Благосостояние нашей страны построено на достижениях наших учёных и инженеров. Так должно быть и впредь! Поэтому мы должны всячески поощрять наших молодых учёных и инженеров, одаривать их не только деньгами, но и вниманием и признанием.

Помимо почётного диплома и памятного знака весьма футуристического вида, лауреаты премии получают и солидное денежное вознаграждение, составляющее 250 тысяч евро. Надо также отметить, что при определении проекта-победителя предпочтение с самого начала отдавалось не фундаментальным исследованиям, какими бы выдающимися они ни были, а прикладным инновациям, разработкам, в которых смелые научные идеи либо уже нашли, либо вот-вот найдут конкретное техническое воплощение. Эту особенность Немецкой премии будущего подчеркнул и нынешний президент Германии Хорст Кёлер (Horst Köhler), открывая юбилейную церемонию:

Немецкая премия будущего задумана как стимул к созданию в Германии высококвалифицированных рабочих мест, рабочих мест будущего. Именно поэтому я придаю ей такое большое значение. Ведь не секрет, что наша страна в международном масштабе пока считается середнячком по части инновационных достижений. А эта премия призвана способствовать тому, чтобы мы выбились в лидеры. Ею награждаются проекты, в которых научные идеи внедряются в практику, совершенствуют промышленные технологии или выходят на рынок в виде изделий, облегчающих нашу жизнь. Так и создаются новые рабочие места, а это для меня – самое главное.

И следует признать, что эту функцию Немецкая премия будущего, как правило, выполняет. Достаточно сослаться на некоторые из проектов-лауреатов прошлых лет. Скажем, в 2000-м году премии были удостоены разработчики технологии, позволяющей так обрабатывать музыкальные файлы, что их объём кардинально уменьшается по сравнению с необработанным сигналом без ощутимых на слух потерь в качестве звучания. Проект был задуман и осуществлён в Институте интегральных схем имени Фраунгофера в баварском городе Эрлангене. Именно эта технология положила начало широчайшему распространению музыки в Интернете. Сегодня нет, наверное, во всём мире человека, который никогда не слышал бы о стандарте «МР3», а «МР3-плееры» превратились в сенсационно ходовой товар – только за один прошлый год их было продано по всему миру более 140 миллионов штук. То есть разработка, удостоенная Немецкой премии будущего, привела к возникновению целой отрасли и созданию десятков тысяч рабочих мест. То же самое можно сказать и проекте-лауреате 2001-го года. Профессор Вольфганг Вальстер (Wolfgang Wahlster) из Немецкого центра искусственного интеллекта в Саарбрюккене получил премию за разработку компьютерной программы, способной выполнять функции автоматизированного переводчика-синхрониста. Эта удивительная программа, именуемая «Verbmobil», открыла широкие перспективы во многих сферах, где необходимо, чтобы компьютер понимал живую человеческую речь. В ходе юбилейной церемонии профессор Вальстер не без гордости сообщил:

Сегодня у нас в Германии имеется уже 120 новых компаний в этом секторе экономики. Технология распознавания речи переживает настоящий бум, спрос на разного рода изделия, в основе которых лежит такая технология, растёт, оборот превысил 2 миллиарда евро. После присуждения Премии будущего наш Центр стремительно разросся, к нам сразу пришло много новых талантливых сотрудников, так что сегодня мы являемся крупнейшим в мире научным учреждением этого профиля, а Германия стала мировым лидером в данной области исследований.

А теперь давайте обратимся к проектам, вышедшим в финал конкурса 2006-го года. Всего на соискание премии было выдвинуто 23 работы, но до финала, как и в прошлые годы, добрались четыре. И хотя премии удостоился, естественно, лишь один, мы представим вам все четыре проекта-финалиста, потому что каждый из них является выдающейся инновацией, достойной самой высокой награды. Но поскольку рассказать о четырёх крупных проектах в рамках одной передачи нереально, то сегодня речь пойдёт только о проекте-победителе и ещё одном из финалистов. Оставшиеся два проекта мы представим вам ровно через неделю, в следующем выпуске радиожурнала «Наука и техника».

Начнём, конечно, с победителя. Решение жюри огласил, как того требует статус премии, президент Германии Хорст Кёлер:

Немецкой премией будущего за 2006-й год награждается профессор, доктор естествоведения Штефан В. Хелль...

Профессор Штефан Хелль (Stefan W. Hell) возглавляет Институт биофизической химии имени Макса Планка в Гёттингене. Престижную награду учёному принёс сконструированный им новый оптический микроскоп с поистине сенсационным увеличением. Мало того, что микроскопов с такой разрешающей способностью ранее не имелось, само их существование считалось невозможным. Более 130-ти лет назад немецкий физик-оптик Эрнст Аббе (Ernst Abbe) сформулировал закон, который установил зависимость между минимальным размером наблюдаемого объекта, то есть линейным расстоянием между двумя точками, которые удаётся ещё наблюдать раздельно, и длиной волны используемого для наблюдения света. Из этой формулы, которая приведена сегодня в любом учебнике физической оптики, следует, что оптический микроскоп не позволяет в диапазоне видимого света получать чёткое изображение структур с расстоянием между элементами менее 0,0002 миллиметра, то есть 200-т нанометров. Более высокое разрешение считалось невозможным из-за такого физического явления как дифракция света. А дифракция есть проявление волновой природы света. Казалось бы, куда ж тут денешься? Действительно тупик!

Я интуитивно чувствовал, что тут что-то не так!

– говорит профессор Хелль. Впервые он сказал это 15 лет назад, но тогда ему никто поверил. Однако учёный нашёл-таки хитроумный технический приём, который позволил ему обойти казавшийся незыблемым закон Аббе.

Если человеку доставляют удовольствие попытки понять, разобраться, какие физические явления и закономерности кроются за теми или иными барьерами, то он, возможно, научится обходить или преодолевать эти барьеры,

– считает профессор Хелль. Ему самому, во всяком случае, это удалось. Так что формула закона пополнилась ещё одним множителем в знаменателе, а сам закон впредь, видимо, будет носить два имени – Аббе и Хелля. Но главное – конечно же, не формула в учебнике, а те новые возможности, которые открылись теперь перед учёными в прикладной сфере. Профессор Хелль поясняет:

Нам удалось обойти этот закон, в частности, применительно к самой важной разновидности оптической микроскопии – люминесцентной микроскопии. Этот тип микроскопа используется сегодня в 80-ти процентах всех биомедицинских исследований, он уже давно относится, так сказать, к стандартному набору оборудования любой лаборатории соответствующего профиля. И вот теперь мы смогли увеличить разрешающую способность такого микроскопа в 10 раз.

Конечно, наблюдать чрезвычайно малые объекты исследователи могли и раньше – с помощью электронных микроскопов. Однако оптическая микроскопия имеет свои, порой решающие, преимущества, – говорит профессор Хелль:

Электронная микроскопия обеспечивает очень высокое разрешение, ещё более высокое, чем то, что удалось получить нам. Но у электронных микроскопов есть целый ряд существенных недостатков. Главный недостаток – не в том, что они очень дороги, и даже не в том, что использование их очень трудоёмко, а в том, что они не годятся для изучения живых клеток. Мы же в оптическом микроскопе используем фокусированный луч света, он не разрушает клетку и позволяет наблюдать процессы, происходящие в живой клетке. Нам не нужен ни вакуум, ни тонкие срезы, ничего такого.

Так в чём же заключается хитроумный трюк профессора Хелля? Чтобы получить изображение в люминесцентном микроскопе, учёные помечают интересующие их объекты – скажем, молекулы белка, – молекулами специального красителя. Такой краситель-люминофор обладает свойством испускать свет определённой длины волны под воздействием внешнего лазерного облучения. Проблема лишь в том, что изображение объектов с линейными размерами менее 200 нанометров получалось нечётким, размытым. Гениальная идея профессора Хелля сводилась к тому, чтобы использовать сразу два разных лазерных луча – одним возбуждать молекулы люминофора, заставляя их светиться, а другим подавлять их свечение:

Возьмём, например, для возбуждения синий лазер, это высокоэнергетический луч, а для «успокоения» люминофора выберем более низкоэнергетический луч, например, жёлтый лазер. Этот второй луч мы накладываем на первый и сводим их вместе в объективе. Трюк в том, что синий лазер мы фокусируем в обычный луч, который даёт круглое светящееся пятно, а жёлтый лазер мы фокусируем в трубчатый луч, получая тёмное пятно в форме кольца. Такой приём позволяет нам резко уменьшить площадь свечения люминофора за счёт затемнения краёв первого пятна и тем самым получить в его центре очень чёткое изображение, то есть небывало высокое разрешение. В этом и состоит инновация.

Инновация получила, как теперь принято, английское название: аббревиатура STED означает «Stimulated Emission Depletion», то есть в переводе на русский язык «индуцированное, или вынужденное, ослабление излучения». С помощью STED-микроскопа на сегодняшний день уже получены изображения внутренних структур живой клетки, линейные размеры которых составляют всего лишь 20 нанометров. И это ещё не предел. Профессор Хелль уверен, что его микроскоп позволит учёным – прежде всего, медикам, – в деталях изучить многие важные внутриклеточные процессы.

Какую заболевание ни возьми, будь то рак, или болезнь Паркинсона, или синдром Альцгеймера, да хоть грипп – причины в конечном счёте всегда следует искать внутри клетки. Если мы получим возможность лучше изучить эти причины на молекулярном уровне, мы и лечить эти заболевания сможем эффективнее.

Серийное производство нового оптического микроскопа начнётся менее чем через год. Выпускать его будет компания «Leica Microsystems». Цена прибора составит примерно 850 тысяч евро. И заказов уже немало – прежде всего, от ведущих научных учреждений Германии и США.

А теперь мы расскажем о другом проекте-финалисте, хоть и не получившем Немецкую премию будущего, но также вполне её достойном. К тому же он и тематически примыкает к проекту-победителю. Речь идёт о бесконтактном получение высокочистых микробиологических образцов для медицинской диагностики и научных исследований с помощью луча лазера. В отличие от STED-микроскопа, приборы, основанные на этой технологии, уже производятся серийно. Сегодня в лабораториях разных стран мира работает более 600 таких установок. Но сперва, в 1993-м году, всё выглядело не очень солидно, – вспоминает автор революционной идеи доктор Карин Шютце (Karin Schütze):

Мы начинали создавать фирму у себя дома. Мы – это моя семья, то есть двое детей, две кошки, мой муж и я. Подвал мы переоборудовали в мастерскую и собрали там нашу первую экспериментальную установку, в детской устроили офис, там хранилась вся документация, деловые переговоры вели за кухонным столом, а окончательный монтаж системы осуществлялся в гостиной. Порой это приводило к забавным недоразумениям. Так, моя маленькая дочь однажды гордо заявила в детском саду, что её «мама обрезает в подвале хвосты сперматозоидам». Воспитательница в ужасе позвонила нам и потребовала объяснений.

Иссекать отдельные клетки или группы клеток из проб биологических тканей исследователи научились давно – в начале 80-х годов. Для этого используется узко-фокусированный лазерный луч. Однако бывает, что:

…едва такая клетка вырезана, как она нередко теряет контакт с окружающей тканью и улетает неизвестно куда. И однажды я придумала, как упорядочить этот сугубо случайный процесс. Мой муж Раймунд, ювелир по профессии, а потому немного знакомый с микромеханикой, сконструировал высокоточное устройство, сочетающее функции лазерного ножа и лазерного пинцета. Это позволяет отправлять вырезанные клетки прямиком в предназначенный для этого сосуд, причём делать это бесконтактно.

Бесконтактно – вот ключевое слово, определяющее главное достоинство метода. Эта технология, названная опять же английской аббревиатурой «LMPC» («Laser Microdissection and Pressure Catapulting», то есть «Лазерное микроиссечение и катапультирование лазерным давлением»), обеспечивает получение биопроб безупречной чистоты. Карин Шютце говорит:

Это позволяет улучшить качество анализов, будь то исследование тканей на наличие раковых клеток, будь то судебная медицина или, скажем, исследования в области стволовых клеток. Биологи и медики просто не могут работать без высокочистых препаратов.

Это подтверждает и другой участник проекта, доктор Йилмаз Нияз (Yilmaz Niyaz):

Не проходит и недели, чтобы к нам не обращались учёные, желающие узнать и на практике проверить, годится ли наш аппарат для решения стоящих перед ними задач. Действительно, сфера применения этого оборудования охватывает практически все направления биологии и медицины без исключения.

Сегодня бывшее семейное предприятие – «P.A.L.M. Microlaser Technologies» в баварском городке Бернриде – входит в состав знаменитой компании «Carl Zeiss MicroImaging». Её сотрудник доктор Карстен Хойер (Carsten Hoyer), активный участник проекта, говорит:

С одной стороны, фирма «Карл Цейс» привносит в проект свой огромный опыт в области оптики, насчитывающий уже 150-160 лет, с другой стороны, фирма «П.А.Л.М.» обладает обширными прикладными знаниями. Это и помогает им совместно разрабатывать новые аппараты, в полной мере отвечающие потребностям исследователей.

Вот и всё на сегодня. Как я уже сказал, двум другим проектам, также вышедшим в финал конкурса на Немецкую премию будущего, мы посвятим следующий выпуск радиожурнала.