Proč Higgsův boson nemusel existovat a proč jsme rádi, že existuje

Transkript

1 nobelova cena za fyziku Proč Higgsův boson nemusel existovat a proč jsme rádi, že existuje Jiří Chýla IVB Nobelova cena za fyziku pro rok 2013 byla udělena společně Françoisi Englertovi a Peteru Higgsovi za teoretický objev mechanismu, který přispěl k našemu pochopení původu hmotnosti subatomárních částic a který byl nedávno potvrzen objevem předpověděné fundamentální částice v experimentech ATLAS a CMS na urychlovači Large Hadron Collider v CERN. Higgsův boson byl posledním chybějícím článkem ve standardním modelu částicové fyziky, který popisuje základní stavební kameny nám známé hmoty a síly mezi nimi působící. 1 Udělení Nobelovy ceny za (trochu zjednodušeně řečeno) jeho předpověď je symbolickým zakončením jedné etapy vývoje našeho poznání zákonů mikrosvěta. Higgsův boson je velmi populární a ve snaze jeho důležitost ještě zvýraznit jsou často uváděna tvrzení, která zatemňují skutečný zásadní význam teoretické předpovědi Brouta, Englerta a Higgse a experimentálního objevu v experimentech ATLAS a CMS. 2 Například v tiskové zprávě Nobelovy nadace se dále mimo jiné praví: Standardní model spočívá na existenci speciální částice: Higgsova bosonu. Tato částice pochází z neviditelného pole, které naplňuje celý prostor. I když se vesmír zdá prázdný, toto pole v něm je přítomno. Bez něj bychom neexistovali, protože částice nabývají hmotnost při kontaktu s tímto polem. Tvrzení v druhé a třetí větě jsou zavádějící. K tomu se dostanu na konci textu. To, co mi v souvislosti s udělením Nobelovy ceny vadí, je poslední věta, neboť ta vlastně říká, že protože existujeme my, Higgsův boson existovat musí. A to není pravda. Teoretický rámec, v němž vystupuje Higgsův boson a Higgsovo pole, byla odvážná hypotéza, která nemusela být realizována v přírodě. Higgsův boson nemusel existovat a jeho experimentální objev byl skutečně objev, ne jen potvrzení něčeho, co existovat muselo. Smyslem tohoto článku je ukázat, jaký je skutečný význam Higgsova bosonu v našich současných představách o struktuře mikrosvěta a silách v něm působících, a připomenout klikatou cestu, která k němu vedla. 3 Standardní model a jeho dřívější neduhy Již sto let víme, že my sami, naše Země i veškerá viditelná hmota ve vesmíru jsou složené z atomů, ty pak z atomových jader a elektronů a atomová jádra z protonů a neutronů. Výsledkem posledního půlstoletí bádání je poznání, že protony a neutrony jsou dále složeny ze dvou druhů kvarků poeticky zvaných vůně. Ty společně s dvěma tzv. leptony, elektronem a elektronovým neutrinem, tvoří základní stavební kameny hmoty a mají jednu důležitou společnou vlastnost: spin 1/2. Kromě této čtveřice tzv. fundamentálních fermionů existují i dvě další, které pro běžnou hmotu kolem nás nepotřebujeme, ale které přesto hrají v přírodních zákonech důležitou roli, nicméně pro účely tohoto článku na ně můžeme zapomenout (viz obr. na protější straně). Mezi kvarky a leptony působí čtyři druhy sil: gravitační, elektromagnetické, slabé, silné. Kromě těch prvních patří tři ostatní do třídy tzv. kalibračních teorií pole, jež poskytují základní rámec pro popis sil v mikrosvětě. Mají společnou charakteristiku: lze je popsat pomocí výměny zprostředkujících částic tzv. nosičů sil, v odborné terminologii intermediálních vektorových bosonů (IVB), které mají spin 1, a to zhruba ve smyslu obrázku vlevo. Dvě loďky, představující fundamentální fermiony, na sebe působí tak, že si přehazují různé míče, ony intermediální vektorové bosony. Z této analogie plyne i důležitý závěr: čím je nosič síly těžší, tím s ním dohodíme na menší vzdálenost a tím bude odpovídající síla působit na kratší vzdálenost. Nosičem elektromagnetických sil je foton, jenž má hmotnost nula, a s nímž proto dohodíme v jistém smyslu do nekonečna. Protože fotony si mohou přehazovat jen elektricky nabité částice, dva fotony tímto mechanismem na sebe působit nemohou. Nosiče silných sil jsou gluony, ale ty v tomto textu necháme na pokoji. Nosiče slabých sil jsou tři, dva elektricky nabité a označované W + a W a třetí, označovaný Z, je elektricky neutrální. Na rozdíl od fotonu jsou těžké, zhruba 90krát těžší než proton, a kvarky a leptony s nimi dohodí jen do vzdálenosti asi tisíciny poloměru protonu, tj. asi miliardtiny miliardtiny metru. 36 Vesmír 93, leden

2 Nosiče slabých sil se od fotonů liší zásad ním způsobem také tím, že i ony na sebe mo hou působit prostřednictvím výměny IVB. Například dvě loďky W+ si mohou přehazo vat loďku Z a tím na sebe působit. Koneč ná hmotnost nosičů W+ a W a Z se zdála být nepřekonatelnou překážkou při snaze kvan titativně popsat slabé síly v rámci výše zmí něných kalibračních teorií. Glashow již v ro ce 1961 formuloval teorii, v níž vystupují nosiče W+ a W a Z, ale jejich hmotnost byla do ní zavedena ručně a vědělo se, že tato teorie dává v některých případech nesmysl né výsledky. Tak například dvě loďky W+ si mohou přehazovat foton nebo intermediál ní boson Z, ale součet těchto příspěvků ve de k předpovědi, že pravděpodobnost, že se loďky tímto způsobem od sebe vzdálí, je vět ší než jedna. Léčba Higgsovým bosonem Zásadní význam prací Brouta, Englerta a Higgse spočívá v tom, že objevili princip metody, jak v rámci kalibračních teorií po pisovat síly působící mezi hmotnými nosiči sil způsobem, který dával naději, že zmíněné problémy zmizí. Klíčovou roli v této metodě přitom hraje Higgsův boson. V naší loďko vé analogii je Higgsův boson další míč, který si mohou nosiče W+ (a samozřejmě i kvarky a leptony) mezi sebou přehazovat. Přidáme -li příspěvek tohoto přehazování k příspěv kům přehazování fotonu a intermediálního vektorového bosonu Z, dostaneme konečný výsledek. Toto přehazování znamená zave dení další síly, která v původní teorii nebyla a která léčí výše zmíněné problémy. Lze tedy říci, že bez Higgsova bosonu se ve standard ním modelu nedá žít. To ale neznamená, že se nedá žít vůbec. V předchozím odstavci použitý výraz princip metody odráží skutečnost, že prá ce Higgse [6] i Brouta a Englerta [7] se ne týkaly dnešního standardního modelu, ale jednodušších modelů. Podobně slovy dával naději chci říci, že důkaz, že teorie s Higg u c t γ up charm top foton d s b g down strange bottom gluon leptony νe νµ elektronové muonové neutrino neutrino ντ Z neutrino tau Z boson e µ τ W elektron muon tau W boson I II III tři generace hmoty nositelé sil kvarky ELEMENTÁRNÍ ČÁSTICE Kalibrační teorie: invariance popisu Název kalibrační teorie odráží skutečnost, že tyto teorie jsou invariantní vůči volbě veličin, kterými pole popisujeme (volbě tzv. kalibrace ), zhruba ve stejném smyslu, jako jsou objekty v našem prostoru invariantní vůči volbě souřadnicového systému, který při jejich popisu používáme (tj. např. kartézský, polární apod.). Prototypem kalibrační teorie je teorie elektromagnetického pole, které můžeme popisovat s použitím různých čtveřic skalárního a vektorového potenciálu, jež dávají stejné hodnoty fyzikálně měřitelných intenzit elektrického a magnetického pole. Důsledkem kalibrační invariance elektromagnetických sil jsou dvě její základní vlastnosti: nulovost hmotnosti fotonů a zachování elektrického náboje. Fyzikální veličiny jsou v kalibračních teoriích z definice nezávislé na volbě kalibrace, a je tedy v principu jedno, kterou si vybereme. To platí ovšem jen tehdy, pokud umíme teorii vyřešit přesně. Pokud máme k dispozici jen přibližné metody, což je případ většiny fyzikálně relevantních teorií včetně standardního modelu, nebo hledáme odpovědi na určité otázky, jsou některé kalibrace vhodnější než jiné a je třeba pečlivě zvažovat, co je fyzikální veličinou a co je artefaktem volby kalibrace, tedy způsobu popisu. Hovoříme-li například v kalibračních teoriích o hodnotě pole v prostoru, musíme vždy specifikovat, v které kalibraci pracujeme, neboť na ní hodnoty polí závisí. Tato úvaha hraje klíčovou roli pro správnou interpretaci role Higgsova bosonu ve standardním modelu. Teoretická obliba kalibračních polí spočívá v tom, že dávají za všech okolností smysluplné předpovědi (odborně řečeno jsou renormalizovatelné). To víme od roku 1970; v době, kdy vznikaly práce Brouta, Englerta a Higgse, to byla jen nadějná domněnka. sovým bosonem je skutečně fyzikálně plně smysluplná, byl velmi netriviální a za jeho provedení získali Gerard t Hooft a Martinus Veltman v roce 1999 Nobelovu cenu. Cesta Brouta s Englertem (a p odobně v pří padě Higgse) ke konzistentní teorii hmot ných nosičů sil a ve svém důsledku i k Higg sovu bosonu je klasickou ukázkou, jak lze po cestě slepou uličkou objevit důležitou věc, která se později bude hodit někomu ji nému k vyřešení jiného problému. Nikdo z nich neřešil v létě 1964 akutní problém, jak konzistentně popsat slabé síly, přestože Gla showova teorie slabých sil, v níž vystupovaly hmotné nosiče W a Z, existovala již tři roky a vědělo se, že je nekonzistentní. A obráceně, Glashow jejich práce zřejmě nečetl. Kdyby to udělal, mohl v roce 1979 dostat Nobelovu ce nu sám a nemusel se o ni dělit právě s Wein bergem a Salamem. Brout a Englert se snažili vyřešit problém, jak v rámci kalibračních teorií popsat silné síly mezi nukleony. Tyto jsou charakterizo vané zákonem zachování nukleonového čís la: ve srážkách protonů a neutronů se cel kový počet protonů plus neutronů nemění (antiprotony a antineutrony počítáme se zá porným znaménkem). Pro tento empirický zákon, jenž má za důsledek, že proton se zdá být absolutně stabilní, se Lee a Yang pokusi li najít stejné odůvodnění jako pro zachování elektrického náboje. V roce 1955 formulova li kalibrační teorii silných sil, v níž je zacho vání nukleonového čísla spojeno se stejným typem symetrie jako zachování elektrického náboje a mělo by mít za následek existenci nehmotné částice se spinem 1, analogu foto nu. Žádná taková částice však neexistovala, a tak se oni, Schwinger a počátkem šedesá tých let i Brout a Englert snažili najít způsob, jak se existenci nehmotného nosiče silných sil vyhnout. Přestože Brout a Englert nebyli fyzikové částic, ale zabývali se teorií pevných látek, práce, za niž dostal Englert Nobelovu 1) Viz Vesmír 84, 225, 2005/4; 88, 124, 2009/2 a 79, 28, 2000/1. 2) Ve výše citovaném odůvodnění chybí u slova subatomárních důležitý přívlastek některých, neboť existují subatomární částice, například proton, jejichž hmotnost s Higgsovým bosonem vůbec nesouvisí. 3) O roli Higgsova bosonu v dnešní teorii mikrosvěta jsem podrobně psal i v článku [1] a způsob, jak se Higgsův boson hledá a jak byl nalezen, je popsán v článcích [2,3]. Prof. RNDr. Jiří Chýla, CSc., (*1948) vystudoval Matematicko-fyzikální fakultu Univerzity Karlovy. Ve Fyzikálním ústavu AV ČR se zabývá problematikou silných interakcí a strukturou hadronů. Spolupracuje s experimenty v DESY v Hamburku a v CERN v Ženevě. Je poradcem předsedy AV ČR prof. Jiřího Drahoše. Vesmír 93, leden

3 cenu, má jasnou fyzikální motivaci a začíná slovy: Je zajímavé zkoumat, zda kalibrační vektorové mesony [naše IVB, pozn. J. Ch.] mohou nabýt hmotnost v důsledku interakce Důležitost tohoto problému spočívá v možnosti, že silné síly jsou důsledkem hmotných kalibračních polí Podstatou jejich metody bylo zavést do teorie s původně nehmotnými nosiči silných sil další pole tak rafinovaným způsobem, aby celková teorie byla kalibračně invariantní, ale při pozorném zkoumání se zjistilo, že vlastně popisuje síly mezi hmotnými IVB a hmotnou skalární částicí, oním Higgsovým bosonem. Dnes víme, že to byla slepá ulička, neboť zachování nukleonového čísla nemá hlubší důvod a podle dnešních představ se proton rozpadat musí, byť mu to trvá naštěstí dlouho, nejméně let. Postup vymyšlený Broutem, Englertem a Higgsem využil tři roky poté Weinberg ve své klasické práci, v níž ho zkombinoval s Glashowovou nedokonalou teorií elektroslabých sil, a vytvořil tak dnešní standardní model. Na popisu záleží Volba kalibrace, tj. vhodných proměnných popisujících pole, je v kalibračních teoriích klíčová. Teorie Brouta a Englerta se na první pohled zdála popisovat systém interagujících nehmotných nosičů silných sil a dvou skalárních částic, které ovšem měly imaginární hmotnost (kvadrát hmotnosti byl záporný). Tato fyzikálně nepřijatelná interpretace naznačovala, že je třeba vzít jiné polní proměnné, tj. jinou kalibraci. Klíčový krok jejich práce byl v tom, že našli takovou kalibraci (kombinace původních polí), v nichž je patrné, že teorie popisuje ve skutečnosti systém interagujících hmotných nosičů silných sil a jedné hmotné skalární částice, onoho Higgsova bosonu. Tento krok se obvykle nazývá po svých autorech BEH mechanismus. Stejnou volbu vhodné kalibrace (tj. vhodných polí) učinil ve své práci Higgs, který řešil jiný, byť související problém. Na rozdíl od Brouta a Englerta, kteří pracovali v rámci kvantové teorie pole, Higgs prováděl své kroky na klasické úrovni. Higgsova práce je díky tomu v jistém smyslu velmi jednoduchá: pár vzorečků a Taylorova věta pro funkce dvou proměnných. Ale právě v té jednoduchosti je její krása a síla, neboť jasně ukazuje na jádro řešení problému. A tím je právě vhodná volba polních proměnných, a nikoliv, jak se obvykle v souvislosti s BEH mechanismem uvádí, spontánní narušení symetrie. To je patrné již ze skutečnosti, že celou proceduru zavedení Higgsova bosonu lze provést na klasické úrovni a s použitím pohybových rovnic pro klasická pole. Skutečný jev spontánního narušení nějaké globální symetrie se týká vlastností základního stavu nějakého kvantového systému, například ferromagnetu. Ve standardním modelu žádná taková symetrie narušena není. Rozdíl mezi původní formulací teorie interagujících nehmotných nosičů sil a dvou skalárních částic, která byla kalibračně invariantní, a formulací v jedné konkrétní kalibraci je dramatický, pokud jde o interpretaci, jaké částice teorie popisuje, ale v obou případech jde o stejnou teorii. V principu bychom mohli napsat její rovnice rovnou v kalibraci (která se nazývá unitární), v níž je jasné, jaké částice popisuje, ale museli bychom být zatraceně chytří. V roce 1973 však několik skupin autorů [4] ukázalo, že kompletní standardní model lze odvodit tak, že k teorii elektroslabých sil Glashowa, v níž byly hmotnosti nosičů sil W + a W a Z dosazeny surově rukou, přidáme hmotnou skalární částici (tj. Higgsův boson) a definujeme síly, kterými působí na tyto hmotné nosiče tak, aby výsledná teorie dávala vždy smysluplné předpovědi. V tomto přístupu je tedy interakce Higgsova bosonu s nosiči sil nikoliv příčinou, ale důsledkem jejich konečné hmotnosti. Podrobně je tato alternativní cesta ke standardnímu modelu popsána v [5]. S prací, za niž dostal Higgs Nobelovu cenu, je spojena poučná historka [8]. Higgs ji nejdříve poslal do Physics Letters, kde mu krátce předtím přijali jinou práci [9], která s ní úzce souvisela a na jejímž konci Higgs slíbil v další práci své tvrzení konkretizovat. K jeho překvapení mu redakce tuto slíbenou práci odmítla přijmout. Higgs ji mírně Vlevo: François Englert (*1932) se narodil v belgickém Etterbeeku. Doktorát získal v roce 1959 na Svobodné univerzitě v Bruselu, kde je nyní emeritním profesorem. Vpravo: Peter W. Higgs (*1929) se narodil v Newcastlu na řece Tyne. Doktorát získal na King s College Londýnské univerzity v roce Nyní je emeritním profesorem Edinburské univerzity. 38 Vesmír 93, leden

4 upravil a poslal do Physical Review Letters, kde předtím vyšla práce Brouta a Englerta, a tam byla přijata. Mezi doplněnými partiemi byla i věta, v níž byla výslovně zmíněna skalární částice, která nese jeho jméno: Za povšimnutí stojí fakt, že podstatným rysem teorie tohoto typu je předpověď neúplného multipletu skalárních a vektorových bosonů. Kdyby původní verzi práce přijali ve Physics Letters, tahle věta by se v tisku nikdy neobjevila a kdo ví, jak by se Higgsovu bosonu dnes říkalo. Higgsův boson: Příčina, nebo důsledek hmotností? V roce 1596 vydal Johannes Kepler knihu Mysterium Cosmographicum, v níž se pokusil vysvětlit poloměry oběžných drah tehdy známých šesti planet kolem Slunce (o tom, že dráhy nejsou kruhové, Kepler tehdy ještě nevěděl) jako důsledek pozoruhodného geometrického faktu, že existuje právě pět pravidelných Platonových mnoho stěnů: čtyřstěn, šestistěn, osmistěn, desetistěn a dva náctistěn. Pomocí postupného vnořování pravidelných mnohastěnů do koulí a naopak získal pro poloměry šesti planet konkrétní poměry. Poloměry oběžných drah kolem Slunce se v té době zdály být základními fyzikálními parametry a Keplerův model je vysvětlil. Toto vysvětlení dlouho nepřežilo a poté, co se Kepler seznámil s pozorováním Tychona Braha, ho opustil a formuloval své známé zákony, z nichž plyne, že parametry oběžných drah sice představují z hlediska naší existence důležité parametry, ale z teorie je vysvětlit nelze. Ve standardním modelu vystupuje celkem asi 25 volných parametrů, vedle hmotnosti i vazbové konstanty a další parametry, které se fyzikové již dlouhou dobu bezúspěšně snaží spočítat či vysvětlit, ale které podle mého názoru hrají podobnou roli jako parametry oběžné dráhy Země kolem Slunce. Jsou důležité pro existenci života na Zemi, ale z fyzikálních zákonů je vysvětlit nelze. Obvyklé tvrzení, obsažené i v materiálech Nobelova výboru, že nenulové hmotnosti částic standardního modelu, tedy kvarků, leptonů a nosičů sil, jsou důsledkem existence Higgsova bosonu, resp. Higgsova pole, je matoucí. Ve standardním modelu platí opak: Higgsův boson není příčina, ale důsledek skutečnosti, že tyto částice, kromě fotonu, mají nenulové hmotnosti. Problém není ve vysvětlení hmotností nosičů slabých sil, ale ve formulaci konzistence teorie popisující jejich interakce. A při tom hraje Higgsův boson roli nejjednoduššího způsobu, jak toho docílit. Částice hmotnost nezískávají A nyní zpět k tvrzení v tiskové zprávě, že Standardní model spočívá na existenci speciální částice: Higgsova bosonu. Tato částice pochází z neviditelného pole, které naplňuje celý prostor. I když se vesmír zdá prázdný, toto pole v něm je přítomno. Jak správně toto tvrzení chápat? K tomu je třeba nejdříve připomenout, co v kvantové teorii pole znamená prázdný prostor, tj. K dalšímu čtení [1] J. Chýla: K čemu vlastně potřebujeme tajemný Higgsův boson?, www. ceskapozice.cz/ magazin/scitech/ k-cemu-vlastnepotrebujemetajemny-higgsuvboson. [2] J. Chýla: Higgsův boson objeven?, Čs. čas. fyz. 62, 218, 2012/4. [3] J. Chýla: Je to opravdu on, Higgsův boson, Čs. čas. fyz. 63, 208, 2013/4. [4] J. M. Cornwall, D. N. Levin, G. Tiktopoulos, Phys. Rev. Lett. 30, 1268, 1973; C. H. Llewellyn Smith, Phys. Lett. 46B, 233, 1973; J. M. Cornwall, D. N. Levin, G. Tiktopoulos, Phys. Rev. D10, 1145, 1974; S. D. Joglekar, Ann. Phys. (NY) 83, 427, [5] J. Hořejší: Elektroslabé sjednocení a stromová unitarita, nestandardní úvod do standardního modelu, Univerzita Karlova, [6] P. Higgs: Phys. Rev. Lett. 13, 508, [7] F. Englert, R. Brout: Phys. Rev. Lett. 13, 321, [8] P. Higgs: My life as a Boson, kcl.ac.uk/nms/ depts/physics/ news/events/ MyLifeasaBoson. pdf. [9] P. Higgs: Phys. Lett. 12, 132, Vesmír 93, leden

5 Měsíčník pro popularizaci psychologie a psychoterapie rozhovory informace z výzkumu psychologie, sociální antropologie, neurovědy osobní rozvoj, sebepoznání vědecky ověřené relaxační a meditační techniky nové společenské trendy a vliv technologií na životní styl od ledna psychologický test pro zábavu a poučení v každém čísle! Roční předplatné 520 Kč, kombinovaná verze papírového a elektronického předplatného PLUS za 570 Kč. Stáhni si mě na Objednávejte na portal@send.cz, nebo vakuum. Je to energeticky nejnižší stav pole, ale i v něm dochází v každém bodě prostoru k nulovým kmitům, jež jsou analogií nulových kmitů normálního harmonického oscilátoru v kvantové mechanice. To, co v každém bodě prostoru kmitá kolem nuly, jsou polní veličiny, například v případě elek inzerce tromagnetického pole intenzity elektrického a magnetického pole. Částice příslušná danému kvantovanému poli je pak nejnižší excitace tohoto pole. Co je podstatné, je skutečnost, že v kvantové elektrodynamice, stejně jako v kvantové chromodynamice, je střední hodnota všech polí ve vakuu (tzv. vakuová střední hodnota) přesně nula. I všechna pole vystupující ve standardním modelu, včetně Higgsova pole, mají v prázdném prostoru nulovou vakuovou střední hodnotu. Obvyklé vysvětlení, jak získávají částice hmotnost, je znázorněno na obrázcích na předchozí straně. Na nich hosté představují nějaké pole přítomné ve vakuu, jímž se v prvních třech obrázcích prodírá Jára Cimrman a tím získává velkou hmotnost. Kdyby to byl třeba výběrčí daní, nikdo by si ho nevšiml a zůstal by nehmotný. V posledních dvou kresbách se šíří fáma, že Jára jde, jež představuje sám Higgsův boson, a i ten tímto způsobem získává konečnou hmotnost. Co je na předcházející citaci a na této analogiezavádějící? Předně to, že ono pole v prázdném prostoru není Higgsovo pole, ale právě ono pole odpovídající částicím s nefyzikální hmotností. O fyzikální irelevanci tohoto pole svědčí fakt, že v kalibraci, v níž vystupují jen pole spojená s fyzikálními částicemi, ve vakuu žádné pole přítomno není. Uvedená analogie odráží skutečnost, že hmotnosti fundamentálních fermionů i nosičů sil jsou úměrné vazbovým konstantám popisujícím síly mezi těmito částicemi a Higgsovým bosonem. A co by se stalo, kdyby Higgsův boson neexistoval? Nám nic, my bychom určitě existovali i tak, jen by to znamenalo, že v našich znalostech základních kamenů hmoty a sil mezi nimi působících je mezera, kterou by bylo potřeba zaplnit něčím jiným než Higgsovým bosonem. Ale to by nebyla žádná tragédie, spíš by nás to nutilo vymýšlet jiné léky. Tím, že Higgsův boson objeven byl a že se zdá, že má ty vlastnosti, které mít má, máme dobrou teorii, která je plně matematicky i fyzikálně konzistentní, a můžeme ji proto používat ve snaze pochopit fyzikální procesy na Zemi i ve vesmíru. Ö Molekulární dopravní systém u kvasinek i v mozku má stejný původ Nobelova cena za fyziologii nebo medicínu 2013 František Vyskočil Před třemi lety mě redakce Vesmíru upozornila na dva vědce, kteří dostali významnou norskou vědeckou cenu za skladování, přepravu a uvolňování hormonů a neuropřenašečů. Výkonný redaktor si myslel, že napíšu pár řádek o jejich nálezech, protože se zabýváme podobným výzkumem. Ocenění kolegové studovali výlev kvantový, my především nekvantový. Ale já se tehdy k napsání nedostal. Oba badatele jsem znal z devadesá 40 Vesmír 93, leden

6 Vpravo: 1. Výlev neuropřenašeče exocytosou synaptických váčků kvantová teorie. Shluk synaptických váčků v presynaptickém zakončení leží u tmavé (denzní) oblasti presynaptické membrány v tzv. aktivní zóně. Synaptická štěrbina, kterou překonává neuropřenašeč (zde acetylcholin), má v tomto místě tvar Y. Ramena jsou bohatá na acetylcholinové nikotinové receptory (nachr, žlutá šipky) a nožičku tvoří hluboký záhyb s mnoha sodíkovými napěťově citlivými kanály, které se otevřou při depolarizaci, vyvolané mnoha aktivovanými nachr (synaptický potenciál). Díky aktivaci vzniká na kanálu akční potenciál, impulz. Jedinečný moment fúze dvou váčků s presynaptickou membránou je vpravo. Motorický nerv byl stimulován za přítomnosti 4-aminopyridinu (4-AP), látky, která zvyšuje výlev neuropřenašeče tím, že prodlužuje akční potenciál. Tkáň (žabí nervosvalové spojení) byla vakuově nastřelena na zmraženou kovovou destičku necelou milisekundu po podráždění nervu a upravena pro elektronovou mikroskopii. Váčky zakotvené v aktivní zóně fúzovaly s presynaptickou membránou a exocytózou uvolnily kvantum acetylcholinuach) do synaptické štěrbiny (Heuser, 1977). Na postsynaptické membráně čekají Ach receptory. Dole: 2. Hlavní kroky před výlevem a při výlevu váčků během exocytózy, viz text. tých let, kdy jsme se setkávali na Conférences en Neurobiologie v Gif-sur-Yvette u Paříže u prof. Ladislava Tauce, českého zakladatele francouzské buněčné neurochemie. A letošní překvapení nobelisty za fyziologii se stali právě ti dva nositelé Kavliho ceny a ještě jeden výborný genetik. James E. Rothman, Randy W. Schekman a Thomas C. Südhof získali Nobelovu cenu za své nálezy dosud neznámých bílkovin, nutných pro činnost nitrobuněčných molekulárních strojů a mechanismů, které regulují vezikulární, váčkový (řekněme mikrokontejnerový) dopravní systém v našich buňkách, včetně nakládání a vyložení obsahu z buňky ven. Letošní nobelisté A membrána synaptického váčku synaptobrevin B1 váček měchýřek příprava váčku na zakotvení (docking) synaptobrevin Ca 2+ kanál syntaxin SNAP-25 SNAP-23 B2 SNARE komplexy připravují váčky u membrány k fúzi (priming) syntaxin membrána presynaptického nervového zakončení C B3 vstupující Ca se váže na endozom dynamin Ca 2+ pučení váčků synapsin pučení dovnitř endocytóza B4 s Ca katalyzuje splynutí membrán a výlev příprava splynutí, fúze, exocytóza klatrin NSF SNAPs SNAREs Ca 2+ kanál Vesmír 93, leden

7 SNAP-25 synaptobrevin botulinum toxiny A & E 3. Účinek klostridiových jedů. V měchýřku je spolu s hlavním neuropřenašečem či hormonem (např. Ach) několik dalších látek. Často je to ATP, které po výlevu reaguje s purinovými metabotropními receptory. Obecný jev výlevu dvou přenašečů či působků se nazývá kotransmise. Jde většinou o pomalejší modulaci účinku hlavního rychlého přenašeče. tetanus toxin botulinum toxiny B, D, F & G synaptický měchýřek botulinum toxin C1 syntaxin kanál Ca plazmatická membrána však nejsou jeho objeviteli, spíše objasniteli. Mikro kontejnery, buněčné transportní váčky, známe dlouho. Už první eletronmikroskopické snímky synaptických spojů mezi neurony, stejně jako mezi nervovým vláknem a svalovou buňkou, pořízené v polovině padesátých let, ukázaly, že rozšířená nervová zakončení v těsném kontaktu s druhou buňkou na synapsi jsou plná drobounkých, dvojitou membránou obalených váčků o průměru asi 50 nm. Geniální německý emigrant ruského původu Bernard Katz v University College v Londýně okamžitě dal do souvislosti tyto struktury s miniaturními, asi 1 mv velkými a 2 3 ms dlouhými vlnkami depolarizace, snímanými jemnou mikropipetkou blízko synapse. A vyslovil spolu se svým studentem Paulem Fattem kvantovou hypotézu synaptického přenosu (Nobelova cena r. 1970). Při exocytóze, splynutí takového měchýřku s nervovou membránou (obr. 1), se vyloučí či podle Sira Bernarda možná přímo vystříkne proti těsně přilehlé sousední buňce nebo jen tak do okolí (v případě hormonů, jako je inzulin) určité kvantum několika tisíc molekul acetylcholinu (nebo glutamátu, GABA či jiných neuropřenašečů), které reagují s receptorem. Receptory jsou buď aktivační a slabounce depolarizují svou rodnou membránu, nebo inhibiční, tj. hyperpolarizují nebo stabilizují buněčný potenciál postsynaptické membrány. To druhé je případ tlumivých přenašečů GABA a glycinu. Synchronní vylití mnoha těchto kvant při nervovém podráždění 1 vede k elektrickému a pro napěťově citlivé Na + kanály bolestivě nadprahovému sečtení těchto drobných, miniaturních synaptických potenciálů (resp. proudů) a vzniku synaptického potenciálu, který přeroste v nový impulz. Realizuje se přenos informace nervového impulzu přes chemickou synapsi. Nebo naopak dojde k její inhibici. Na obr. 1 je vidět, že váčky skutečně po podráždění nervu s membránou splývají. Katz a další z nás definovali na konci tisíciletí fyziologické podmínky pro výlev obsahu váčků. Především se ukázalo, že bez vápníku to nejde. Nervová depolarizace otevře v membráně zakončení vápníkových kanálů těsně u váčku, extracelulární ionty Ca 2+ vniknou dovnitř, vytvoří na zlomek sekundy obláček Ca 2+ a cosi způsobí, aby se obsah váčku vylil. Na to cosi se přicházelo jen pomalu a postupně. Co se děje před výlevem a během něj, už dnes víme hlavně díky letošním nobelistům. Víme, jak se váčky přesunují až do aktivní zóny výlevu (Rothman), jaké kouzelné bílkoviny musí obsahovat váček a membrána zakončení pro vytvoření kontaktu a fúzi (Rothman, Südhof) a které geny tyto bílkoviny kódují (Schekman). Na počátku devadesátých let minulého století formuloval James Rothman hypotézu SNARE 2. Samozřejmě stál na ramenou neurochemiků, kteří ho naučili, jak izolovat masu váčků a nervových terminál (synap tozomů), jako byl např. Angličan Victor P. Whittaker. Rothman ty tajemné fúzní bílkoviny objevil. Jednak na membráně váčků, kde je označil souhrnně jako proteiny v-snare, jednak na presynaptické membráně nervu a označil je t-snare proteiny 3 (obr. 2 B1 a B2). Dále navrhl a prověřil schéma interakcí těchto proteinů, jejichž bližším určením, klasifikací a úlohou se zabýval stejně intenzivně jako Südhofova laboratoř. U Rothmanů připravili umělé lipidické váčky (lipozomy, nyní už to umějí v řádu nanometrů, PMID: PMC ), vybavili je izolovanými proteiny SNARE a dokázali in vitro jejich fúzi. Samotné exocytóze, výlevu z nervového zakončení, předchází nejprve transport nových váčků od tělíčka neuronu, kde vznikají buď v endoplazmickém retikulu, nebo v Golgiho systému membrán (tam vznikají a dospívají proteiny) po kolejničkách nervových mikrotubulů a aktinu pomocí motorku kinesinu. Části měchýřků jsou recyklovány po použití v cyklu exocytóza (výlev) endocytóza (zpětné vchlípení, obr. 2 C). Sem spadají práce třetího nobelisty, Randy W. Schekmana, molekulárního genetika, který před běhl své dva kolegy a už r našel a klonoval 23 genů, jejichž Sec bíloviny 4 u kvasinek a jak se ukázalo, i v mozku nebo žlázách s vnitřní sekrecí podmiňují správné fungování této velmi starobylé via Appia našich buněk. Rozdělil je na tři skupiny a dokonce vystopoval ty, které když chybí nebo jsou poškozeny, vedou ke ztrátě schopnosti přenášet a vylučovat obsah váčků. To vede 42 Vesmír 93, leden

8 ke smrti jak kvasinek, tak knockoutovaných myšek (PMID: ). Objevil a izoloval např. Sec61 translokační komplex, CO PII komplex, který pokrývá váčky, a poprvé izoloval měchýřky, které zajišťují transport mezi organelami v eukaryotických buňkách. Sec proteiny jsou u mnoha typů buněk téměř stejné, konzervované, a účastní se nejen výlevu bílkovinných dobrůtek z kvasinek, kterých je kolem stovky (etanol se ale uvolňuje difuzně), neurotransmise na synapsích, výlevu hormonů z endokrinních buněk, ale i rovnováhy cholesterolu v organismu a několika dalších metabolických regulací. Ale zpět k nervovému zakončení na synapsi. Váček se naplní přenašečem (jako je acetylcholin, výměnou za protony), případně hormonem, nebo si sám přinese z centra buňky syntetizované bílkoviny (jako je P-substance a růstové faktory). A co dál? Rothman a koneckonců i Südhof se svými týmy předpokládali a dokázali následující tři kroky SNARE hypotézy: docking fázi, což je konečné dopravení měchýřku a jeho zakotvení v aktivní zóně, což vyžaduje energii z ATP a priming fázi, kdy je váček v těsné blízkosti membrány v aktivní zóně výlevu. Při primingu se propletou 4 vlákna a smyčky t-snare a v-snare jako vlásenky v kadeři (obr. 2 A) a váček čeká na spuštění exocytózy elektrickým podrážděním a následným vtokem Ca 2+ iontů do nervového zakončení (obr. 2, B). Situace primingu připomíná pevné uchycení komára nožičkami na chlupaté pokožce a je velmi podobná připnutí viru na povrch infikované buňky (hairpins). Je obdivuhodné, kolik bílkovin se účastní formování, údržby a výlevu i na těch nejjednodušších nervosvalových synapsích (někdy se jim říká E. coli v oblasti neurobiologie). A ještě víc je jich na synapsích v mozkových strukturách. Regulačních a strukturálních proteinů jsou desítky, možná stovky. Samozřejmě těch nejdůležitějších je jen několik a jsou vesměs spojeny se jménem Thomase Südhofa. Tak mezi v-snare patří 13 ů, z nichž 8 má dvě vazebná místa pro Ca 2+. Po navázání Ca 2+ se vytlačí z komplexu SNARE další bílkovina, komplexin, která v jedné konformaci brání a v druhé umožňuje vytvoření póru pro únik náplně váčku (obr. 2 B3 a B4). Na váčcích jsou dále synaptobreviny, které ukotvují váček do celkového SNARE komplexu a jsou cílem smrtícího tetanospasminu z Clostridium tetani. Příbuzný kmen bakterie Clostridium botulinum a jí vylučované botulotoxiny také ničí synapse a blokují kvantový výlev tím, že se zakusují do dalších důležitých vláknitých bílkovin ze společenství t-snare v nervové membráně, do SNAP-25 a do syntaxinu (obr. 3), jehož předpjatá struktura (jako ohnutá pružina, obr. 2 A) zřejmě poskytuje energii pro fúzi a tvorbu póru. Syntaxin je ovládán geneticky citlivými bílkovinami ze skupiny Munc (viz dále). V poslední době se Thomas Südhof zaměřil na vývoj a stabilitu synapsí a objevil neurexiny, přítomné na presynaptických zakončeních, a neuroliginy, které jsou na postsynaptické membráně a pevně obě membrány spojují jako malé svorky. Způsob propojení neurexiny a neuroligniny určuje různé typy synaptických kontaktů mezi neurony a zřejmě má i funkční význam. Südhof identifikoval některé mutace těchto spojovacích bílkovin, které provázejí dědičné formy autis mu. Tento muž je zajímavý i proto, že se stal známým už předtím, než se začal zajímat o buněčný transport. Pracoval na transportních bílkovinách pro krevní lipidy a z jeho studií vznikla léčiva na snížení špatného cholesterolu (LDL), známé statiny, především atorvastatin. Ukazuje se, že poruchy v intracelulárních transportních mechanismech mají často za následek nějaké onemocnění. Např. při diabetu II. typu postupně selhává správně načasovaný výlev inzulinu z beta-buněk Langerhansových ostrůvků v pankrea tu a inzulinem zprostředkovaný transport glukózy do svalu a bílých tukových buněk. Také imunitní buňky potřebují dobře fungující transportní a fúzní systém váčků, aby mohly uvolňovat důležité obranné a regulační látky včetně cytokinů a imunitních informačních molekul, které zprostředkovávají vrozené a adaptivní imunitní odpovědi při ochraně našeho zdraví a života. Například 30 % dětí trpících dědičnou familiární hemofagocytující lymfohistiocytózou (FHL) má mutace genů pro fúzní bílkoviny perforin, syntaxin 11, hmunc13-4 a Munc18-2. Přitom nejde o maličkost. Tyto děti mají porušenou cytotoxickou (tj. ochrannou) funkcí lymfocytů T a NK (přirozených zabíječů), což se projevuje během prvních měsíců po narození poruchou buněčné i protilátkové imunity a těžkými zánětlivými reakcemi. Není-li adekvátně léčena (výměnou krvetvorby), je FHL během několika měsíců bez výjimky fatální. Některé formy epilepsie, opět především dětské, mají také poškozený gen pro fúzní protein Munc18-1. Na závěr lehký povzdech. Občas se závistivě zabýváme otázkou, proč někdo dostane Nobelovu cenu v přírodních vědách (ale i ty ceny národní) a někdo ne. Rádi bychom věřili, že je v tom politika, tedy ta vědecká, a tím omluvili vlastní neúspěšnost. Někteří nobelisté to mají v rodině, jako molekulární genetici otec Arthur a syn Roger Kornbergovi v létech 1959 a Jiní studovali či pracovali u nositelů této ceny jako Bernard Katz u Archibalda V. Hilla ( ), mága svalové kontrakce a bioenergetiky. Podobně Randy W. Schekman pracoval v biochemické laboratoři s Arthurem Kornbergem (Nobelova cena 1959). Thomas Südhof má ale jinou osobní zkušenost, jak být nominován a jmenován. V odpovědi na otázku jednoho novináře, kdo byl jeho nejvlivnější učitel, říká: Byl to můj učitel na fagot. Naučil mě, že jediná cesta k úspěchu je cvičit a poslouchat, a cvičit a poslouchat, hodiny a hodiny a hodiny. Tak nevím, asi jsem měl v laboratoři víc cvičit na housle, když mě v mládí soudruzi k žádnému nobelistovi nepustili Ö 1) V našich nedávných článcích jsme ukázali, jak je časová synchronizace výlevu jednotlivých kvant řízena pomocí systému fosforylace výlevových bílkovin a jak adrenalinové a noradrenalinové receptory mohou zlepšit reakční rychlost našich svalů (PMID: ). 2) Akronym SNARE je odvozen z děsivého názvu soluble N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein attachment protein receptor. 3) V je od vesicle, později také VAMP, vesicle associated membrane proteins; t v t-snare je od nerve terminal. 4) Od secretory proteins. Vznik textu byl podpořen grantem IAA Vesmír 93, leden