وقتی کهکشانها بلعیده میشوند و نورونها کارخانه میسازند
گزارش اختصاصی «شرق» از جایزه کاولی ۲۰۲۶ در سه حوزه اخترفیزیک، نانو و علوم اعصاب
دهم ژوئن امسال، آکادمی علوم نروژ نام ۱۰ دانشمند از سه قاره و ۹ ملیت را بهعنوان برندگان جایزه کاولی ۲۰۲۶ اعلام کرد. این جایزه هر دو سال یک بار، در سه حوزه اخترفیزیک، علوم نانو و علوم اعصاب برگزار میشود و طی آن برندگان هر بخش، یک میلیون دلار جایزه نقدی، یک مدال طلا و یک لوح افتخار را میان خود تقسیم میکنند.
به گزارش گروه رسانهای شرق،
محمدحسین جهانپناه: دهم ژوئن امسال، آکادمی علوم نروژ نام ۱۰ دانشمند از سه قاره و ۹ ملیت را بهعنوان برندگان جایزه کاولی ۲۰۲۶ اعلام کرد. این جایزه هر دو سال یک بار، در سه حوزه اخترفیزیک، علوم نانو و علوم اعصاب برگزار میشود و طی آن برندگان هر بخش، یک میلیون دلار جایزه نقدی، یک مدال طلا و یک لوح افتخار را میان خود تقسیم میکنند. دراینمیان مرگ هارالد پنجم (پادشاه نروژ) در ۲۸ آگوست امسال، درست در آستانه برگزاری این رویداد، تا حدی بر فضا و جزئیات برگزاری برنامههای آن سایه افکند. هرچند که در نهایت هر 10 پژوهشگر مدالهای خود را روی سن سالن کنسرت اسلو از دست یوناس گار استوره، نخستوزیر نروژ، دریافت کردند.
جایزهای بزرگ، کوچک و پیچیده
جایزه کاولی در اصل به فرد کاولی مهندس و کارآفرین نروژی-آمریکایی بازمیگردد که حالا چیزی حدود دو دهه از آغاز برگزاری آن میگذرد. کاولی که در سال ۱۹۲۷ در روستای کوچک ارسفیورد نروژ به دنیا آمده بود، پس از تحصیل فیزیک در دانشگاه صنعتی نروژ (که امروز با نام دانشگاه علم و فناوری نروژ شناخته میشود) به آمریکا مهاجرت کرد و در سال ۱۹۵۸ شرکت کاولیکو را در لسآنجلس به راه انداخت؛ شرکتی که به یکی از بزرگترین تأمینکنندگان حسگرهای صنعتی جهان بهویژه در حوزه هوافضا بدل شد و محصولاتش حتی در پروژههایی مانند هواپیمای شناسایی بسیار سریع اسآر-۷۱ بلکبرد و همینطور شاتلهای فضایی ناسا به کار رفت. کاولی پس از فروش شرکتش در سال ۲۰۰۰، بنیاد کاولی را تأسیس کرد و از دل همین بنیاد بود که در سال ۲۰۰۵، از طریق مشارکتی میان بنیاد کاولی، آکادمی علوم نروژ و وزارت آموزش و پژوهش این کشور، جایزه کاولی متولد شد. نخستین دوره این جایزه در سال ۲۰۰۸ به هفت دانشمند از کشورهای مختلف اهدا شد. فرد کاولی این سه حوزه را به ترتیب نماد «بزرگ» (اخترفیزیک، مطالعه کیهان در بزرگترین مقیاسها)، «کوچک» (نانو، مطالعه ماده در مقیاس اتمی) و «پیچیده» (علوم اعصاب، مطالعه مغز بهعنوان پیچیدهترین ساختار شناختهشده) میدانست. برندگان هر دوره را آکادمی علوم نروژ و براساس توصیه سه کمیته بینالمللی متشکل از دانشمندان برجسته هر رشته انتخاب میکند. کاولی را از خیلی جنبهها در کنار نوبل از مهمترین جوایز علمی جهان توصیف میکنند؛ با این تفاوت که کاولی از ابتدا فقط بر سه حوزه مشخص، یعنی اخترفیزیک، علم نانو و علوم اعصاب، متمرکز بوده و هست.
راه شیری؛ بازمانده برخوردهای کیهانی
امسال جایزه بخش اخترفیزیک به وسیلی بلوکوروف از دانشگاه کمبریج بریتانیا، آمینا هلمی از دانشگاه خرونینگن هلند، و رودریگو ایباتا از مرکز ملی پژوهشهای علمی فرانسه و دانشگاه استراسبورگ رسید؛ سه پژوهشگری که نشان دادند راه شیری، برخلاف تصور دیرینهای که آن را کهکشانی آرام و پایدار میدانست، در طول میلیاردها سال حیات خود، کهکشانهای کوچکتر همسایه را بلعیده و از بقایای آنها بزرگتر شده است. نقطه شروع این پژوهشها به سال ۱۹۹۴ برمیگردد؛ زمانی که رودریگو ایباتا و همکارانش کهکشان کوتوله کروی قوس را کشف کردند. «کهکشان کوتوله» به کهکشانی کوچکتر از راه شیری گفته میشود که تعداد ستارهها و جرم بسیار کمتری دارد. این کهکشان به دلیل قرارگرفتن در پشت بخش مرکزی راه شیری تا آن زمان بهراحتی دیده نشده بود. کشف آن شاهدی بود بر اینکه راه شیری همچنان در حال جذب و ادغام کهکشانهای کوچکتر است. ایباتا در سالهای بعد با استفاده از دادههای «بررسی دیجیتال آسمان اسلون» یا SDSS، پروژهای بزرگ برای نقشهبرداری از بخش وسیعی از آسمان، ردپای این کهکشان را در قالب رشتهای عظیم از ستارگان یافت. این ستارهها بر اثر کشش گرانشی راه شیری، یعنی نیرویی که اجرام را به سوی یکدیگر میکشد، از کهکشان مادر جدا شده بودند. این رشته ستارهای بعدها «جریان کشندی قوس» نام گرفت و به یکی از شواهد مهم برای نشاندادن ادغام تدریجی کهکشانهای کوچک با راه شیری تبدیل شد. وسیلی بلوکوروف نیز با تحلیل دادههای تلسکوپ فضایی گایا و ترکیب آنها با دادههای اسلون، به شواهدی از یکی از بزرگترین ادغامهای شناختهشده در تاریخ راه شیری دست یافت. مأموریت گایا موقعیت و حرکت میلیاردها ستاره را با دقت بسیار بالا اندازهگیری کرده و به اخترشناسان اجازه داد مسیر حرکت ستارگان را درون کهکشان بازسازی کنند. الگوی خاص حرکت هزاران ستاره نشان میداد که بخشی از ستارگان هاله کهکشانی، یعنی ناحیه گسترده و تقریبا کروی اطراف قرص اصلی راه شیری، از گذشتهای متفاوت برخوردارند. این ستارگان ظاهرا زمانی بخشی از کهکشانی دیگر بودهاند که حدود ۱۰ میلیارد سال پیش با راه شیری ادغام شده است. این رویداد بعدها «گایا-انسلادوس» نام گرفت. آمینا هلمی نیز به طور مستقل با استفاده از دادههای گایا به جمعیت دیگری از ستارگان در هاله راه شیری توجه کرد که برخلاف بسیاری از ستارگان قرص کهکشان، در جهت مخالف چرخش آن حرکت میکردند، اما تنها جهت حرکت نبود که آنها را متفاوت میکرد؛ سن و ترکیب شیمیایی این ستارگان نیز نشان میداد که احتمالا در محیطی متفاوت از راه شیری شکل گرفتهاند. هلمی برای رسیدن به این نتیجه، دادههای مربوط به حرکت ستارگان را با اطلاعات شیمیایی آنها ترکیب کرد. این روش که «شیمیپویاییشناسی» خوانده میشود، درواقع به این معناست که دانشمندان همزمان به «حرکت» و «ترکیب شیمیایی» ستارهها نگاه میکنند؛ چیزی شبیه بررسی یک اثر انگشت کیهانی برای فهمیدن اینکه یک ستاره از کجا آمده است. براساس این دادهها، هلمی و همکارانش به این نتیجه رسیدند که بخش درخورتوجهی از این ستارگان احتمالا زمانی در کهکشانی دیگر شکل گرفتهاند. هلمی این کهکشان بلعیدهشده را «گایا-انسلادوس» نامید؛ نامی برگرفته از انسلادوس، یکی از غولهای اسطورهای یونانی که خود فرزند گایا، الهه زمین بود. بر پایه دادههای شیمیایی، او برآورد کرد که این برخورد حدود ۱۰ میلیارد سال پیش رخ داده و جرم کهکشان بلعیدهشده در آن زمان حدود یکچهارم جرم راه شیری بوده است. این برخورد نهتنها به شکلگیری هاله درونی راه شیری کمک کرد، بلکه قرص ضخیم کهکشان را نیز بهشدت تحت تأثیر قرار داد؛ یعنی بخش ضخیمتر و قدیمیتر از صفحهای که بیشتر ستارگان راه شیری در آن قرار گرفتهاند. مجموع این یافتهها تصویری جدید از راه شیری ارائه میدهد: کهکشانی که ساختار امروزی آن در طول میلیاردها سال، از طریق ادغام و جذب تدریجی کهکشانهای کوچکتر شکل گرفته است. کاری که مطالعه هرچه بیشتر آن به اخترشناسان این امکان را میدهد تا مانند باستانشناسان به هنگام مطالعه بقایای تمدنی ازدسترفته، بخشی از تاریخ راه شیری را از روی بقایای همین برخوردهای کیهانی بازسازی کنند.
گرافن؛ انقلابی با ۱.۱ درجه
در بخش نانو، جایزه کاولی به اوا آندری از دانشگاه راتگرز، پابلو خاریو-هررو از مؤسسه فناوری ماساچوست و آلن مکدونالد از دانشگاه تگزاس در آستین رسید؛ سه دانشمندی که با پژوهشهای بنیادین خود نشان دادند میتوان با تغییر بسیار کوچکی در نحوه قرارگرفتن لایههای بسیار نازک یک ماده، رفتار آن را به شکل چشمگیری تغییر داد. ماجرای این بخش در اصل از گرافن شروع میشود؛ مادهای ساختهشده از یک لایه بسیار نازک اتمهای کربن که در ساختاری ششضلعی کنار یکدیگر قرار گرفتهاند. گرافن به دلیل ویژگیهای الکتریکی و مکانیکی خاص خود از مدتها پیش مورد توجه دانشمندان بود، اما پژوهشهای این سه دانشمند نشان داد که با قراردادن دو لایه گرافن روی یکدیگر و کمی چرخاندن یکی از آنها، میتوان ویژگیهای کاملا جدیدی ایجاد کرد. ایوا آندری و همکارانش در سالهای ۲۰۰۹ و ۲۰۱۰ رفتار این ساختارهای چرخیده را بررسی کردند. مطالعات آنها نشان داد که حتی تغییر کوچکی در زاویه قرارگرفتن دو لایه گرافن میتواند ساختار الکترونی ماده را بهشدت تغییر دهد. در یکی از این زاویهها که بعدها «زاویه جادویی» نام گرفت، رفتار الکترونها به شکل غیرمعمولی تغییر میکرد و تراکم حالتهای الکترونی در انرژیهای خاص افزایش مییافت؛ پدیدهای که نشانهای مهم از امکان شکلگیری حالتهای جدید و جمعی الکترونها بود. دو سال بعد، در سال ۲۰۱۱، آلن مکدونالد و رافی بیستریتزر توضیح نظری این پدیده را ارائه کردند. آنها نشان دادند که چرخاندن دو لایه گرافن نسبت به یکدیگر میتواند الگویی بزرگتر و قابل مشاهده در مقیاس نانومتری ایجاد کند که «الگوی موآره» نام دارد؛ چیزی شبیه طرحهای موجدار و تکرارشوندهای که وقتی دو شبکه منظم کمی روی یکدیگر جابهجا یا چرخانده میشوند، ظاهر میشود. این چرخش باعث میشود برخی نوارهای انرژی الکترونها تقریبا تخت شوند. در چنین شرایطی، برهمکنش میان الکترونها اهمیت بیشتری پیدا میکند و ماده میتواند رفتارهای کوانتومی غیرمعمولی ازجمله ابررسانایی از خود نشان دهد؛ یعنی حالتی که جریان الکتریکی در آن میتواند بدون مقاومت الکتریکی معمول در ماده حرکت کند. سرانجام در سال ۲۰۱۸، پابلو خاریو-هررو و همکارانش با ساخت دو لایه گرافن با زاویهای نزدیک ۱.۱ درجه، شواهد تجربی مهمی برای ابررسانایی به دست آوردند. در آزمایش آنها، این ساختار در دمای بسیار پایین، حدود ۱.۷ درجه بالاتر از صفر مطلق، به حالت ابررسانا رسید. اهمیت این کشف فقط در خود گرافن نیست. این پژوهشها نشان دادند که میتوان با تغییر هندسه و زاویه قرارگرفتن لایههای بسیار نازک، ویژگیهای الکترونیکی یک ماده را کنترل کرد؛ بدون آنکه لازم باشد ترکیب شیمیایی آن را تغییر دهیم. همین ایده اکنون در مطالعه طیف گستردهای از مواد دوبعدی و حالتهای جدید ماده به کار میرود و میتواند در آینده به طراحی مواد و قطعات الکترونیکی با ویژگیهای قابل تنظیم کمک کند. البته بخش زیادی از این کاربردها هنوز در مرحله پژوهش قرار دارند.
نورون و کارخانهای در چند نقطه
و اما در بخش علوم اعصاب جایزه امسال میان کریستین هولت، استاد بازنشسته دانشگاه کمبریج، کلسی مارتین، معاون اجرائی بنیاد سایمونز در حوزه اوتیسم و علوم اعصاب، ارین شومن، مدیر بخش انعطافپذیری سیناپسی در مؤسسه ماکس پلانک برای پژوهش مغز در آلمان، و آزوالد استوارد، استاد دانشگاه کالیفرنیا در ایروین، تقسیم شد؛ آنها به طور مشترک این جایزه را به این خاطر بردند که نشان دادند نورونها میتوانند بخشی از پروتئینهای مورد نیاز خود را نهفقط در جسم سلولی، بلکه در نقاط مختلف و دوردست سلول نیز بسازند. نورونها سلولهایی بسیار پیچیدهاند. بعضی از زوائد آنها میتوانند بسیار طولانی باشند و در طول مسیر خود با سلولهای دیگر ارتباط برقرار کنند. این سلولها برای رشد، فعالیت و تغییر این ارتباطات به پروتئینهای مختلفی نیاز دارند. برای دههها، تصور غالب این بود که پروتئینهای مورد نیاز نورون عمدتا در جسم سلولی، یعنی بخش مرکزی سلول، ساخته میشوند و سپس به قسمتهای دیگر فرستاده میشوند. اما این توضیح نمیتوانست بهخوبی نشان دهد که یک نورون چگونه میتواند هزاران ارتباط خود را بهسرعت و به صورت جداگانه تنظیم کند. آزوالد استوارد با مطالعه روی نورونهای هیپوکامپ، بخشی از مغز که در یادگیری و حافظه نقش مهمی دارد، نشان داد که ریبوزومها یا درواقع همان مولکولهای سازنده پروتئین، در دندریتها و نزدیک محل ارتباط نورونها با یکدیگر نیز وجود دارند. این یافته به این احتمال مهم اشاره کرد که نورون میتواند بخشی از پروتئین مورد نیاز خود را همان جایی تولید کند که به آن نیاز دارد. پژوهشهای کریستین هولت، ارین شومان و کلسی مارتین این تصویر را کاملتر کرد. آنها نشان دادند که دستور ساخت برخی پروتئینها میتواند در قالب مولکولهای پیامرسان به بخشهای دور نورون منتقل شود و همانجا استفاده شود. بهاینترتیب ساخت پروتئین لزوما به جسم سلولی محدود نیست و میتواند در بخشهایی مانند آکسون، دندریت و محل ارتباط نورونها انجام شود. آنها نشان دادند که نورون را نباید سلولی تصور کرد که همه تصمیمهایش در مرکز آن، یعنی جسم سلولی، گرفته میشود. بخشهای مختلف نورون میتوانند بخشی از نیازهای خود را در همان محل برطرف کنند. این سازماندهی غیرمتمرکز به نورون اجازه میدهد سریعتر و متناسب با فعالیت هر بخش واکنش نشان دهد که این خود یکی از سازوکارهای مهم انعطافپذیری مغز را توضیح میدهد. این یافتهها در کنار اهمیتشان برای فهم رشد مغز، یادگیری و حافظه، میتوانند به شناخت بهتر اختلالاتی که در آنها ساخت و تنظیم پروتئینها در نورونها دچار مشکل میشود، نیز کمک کنند.
برای اطلاع از آخرین اخبار و تحلیلها به کانال شرق در «تلگرام» بپیوندید.
