Molecular machines, self-eating cells and flatlands physics
take Nobel prizes
Robot phân tử, tự
thực bào và bình nguyên vật lý đạt giải Nobel
The annual Nobel Prizes are awarded to scientists who have
groundbreaking researches. Many of these findings have been studied as a
foundation for the change of people and the world.
Giải thưởng Nobel hàng
năm trao cho các nhà khoa học có những công trình nghiên đột phát và nhiều
nghiên cứu trong số chúng đã làm nền tảng cho sự thay đổi con người, thay đổi
thế giới.
We will know about autophagy relating to cells in our body, it
can help us sustain our lives and understand the processes leading to different
types of illnesses. Whether we can imagine a robot that can rotate up to 12
million per second, and are composed of molecules, not metal components as we
often see it. And there are many other interesting things from these
researches.
Chúng ta sẽ biết được
cơ thể chúng ta có cơ chế tự thực bào như thế trong các tế bào để giúp chúng ta
duy trì sự sống và để hiểu hơn về quy trình dẫn đến các loại bệnh tật. Chúng ta
liệu có thể tưởng tượng có một loại robot nào đó có thể có tốc độ quay lên tới
12 triệu vòng mỗi giây và được cấu tạo từ các phân tử chứ không là các thành
phần kim loại như thường thấy. Và còn nhiều điều thú vị từ các công trình
nghiên cứu đó.
CEP introduces this article as a part of the English topic:
"Major findings for the future world" on Timeline Learning platform.
Bài viết được CEP đăng
lại như là một phần trong chủ đề tiếng Anh: "Những nghiên cứu thay đổi thế
giới" trên hệ thống Timeline
Learning.
The Nobel Prizes, which recognize exceptional work across a
range of disciplines, are being announced this month, and we now know the
winners of the prizes in three fields of science: physics, chemistry and
medicine. Here's what you need to know about the advancements in each area that
led to the award of some of the world's most prestigious prizes.
Các giải Nobel này
công nhận công trình đặc biệt qua một loạt các ngành và sẽ được công bố trong
tháng này; bây giờ chúng ta đã biết những người chiến thắng giải thưởng trong
ba lĩnh vực khoa học: vật lý, hóa học và y học. Dưới đây là những gì bạn cần biết
về sự tiến bộ trong mỗi lĩnh vực mà đã dẫn đến phần thưởng của một trong số các
giải thưởng uy tín nhất thế giới.
Physics
Vật lý
Awarded to: David J. Thouless, University of Washington; F.
Duncan M. Haldane, Princeton University; J. Michael Kosterlitz, Brown
University (United States)
Giải thưởng trao cho:
David J. Thouless, Đại học Washington; F. Duncan M. Haldane, Đại học Princeton;
J. Michael Kosterlitz, Đại học Brown (Hoa Kỳ).
The behavior of matter at the molecular level follows a set of
rules proscribed by the discipline of physics – up to a point. When said matter
is subjected to extreme conditions like very hot or cold temperatures, intense
pressure or a super-thin state, things begin to get a bit bizarre and are
better described by the mind-stretching world of quantum physics. It's exactly
these strange states of matter in which the three winners of the Nobel Prize in
Physics specialized.
Tác động của vật chất
ở cấp độ phân tử đẫn đến một danh sách các nguyên tắc không thể vượt qua trong
ngành vật lý ở một chừng mực nào đó. Khi vật chất được đề cập ở trên phải chịu
những điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp, áp lực cường độ
cao hoặc một trạng thái siêu nhỏ thì mọi thứ bắt đầu có dấu hiệu lạ thường và
được mô tả tốt hơn khi mở rộng nghiên cứu về vật lý lượng tử. Đó chính xác là
những trạng thái kỳ lạ của vật chất mà ba người chiến thắng giải Nobel chuyên
ngành Vật lý đã tập trung nghiên cứu.
In decoding what happens to matter when it's basically tortured,
all three researchers turned to topology to help them.
Trong lúc giải mã
những gì xảy ra với vật chất khi cơ bản nó phải chịu những điều kiện khắc
nghiệt như thế, cả ba nhà nghiên cứu đã chuyển sang cấu trúc hình học không
gian để giúp đỡ họ hiểu rõ hơn.
"Topology describes the properties that remain intact when
an object is stretched, twisted or deformed, but not if it is torn apart,"
said the the Royal Swedish Academy of Sciences (RSAS) in Stockholm, which
awards the prizes each year. "Topologically, a sphere and a bowl belong to
the same category, because a spherical lump of clay can be transformed into a
bowl."
"Cấu trúc hình
học không gian mô tả các thuộc tính mà vẫn còn nguyên vẹn khi một đối tượng bị
kéo dài, bị xoắn lại hoặc bị biến dạng nhưng không như thế nữa nếu nó bị đứt
ra", Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển (RSAS) tại Stockholm - nơi
trao các giải thưởng hàng năm cho biết. "Theo cấu trúc không gian, một
hình cầu và một cái bát thì nó sẽ nằm chung một loại, bởi vì một khối u hình
cầu bằng đất sét có thể được chuyển đổi thành một cái bát."
In the world of topology, the changes that would make a ball of
clay into a bowl happen along a set course, in which things proceed according
to clearly defined mathematical steps.
Trong thế giới hình học
không gian, những thay đổi sẽ làm một cục đất sét thành một cái bát khi xảy ra
cùng một quá trình đã được thiết lập, trong đó mọi thứ đều tiến hành theo các
bước toán học được xác định rõ ràng.
By applying these steps to what happens to matter when it's in a
two-dimensional state known as the flatlands, or when it is supercooled (under
a discipline known as condensed matter physics), the researchers were able to
flip previous quantum physics assumptions on their heads and open the door to
experimentation with entirely new strange states of matter.
Bằng cách áp dụng các
bước này vào những gì xảy ra với vật chất khi nó nằm trong một trạng thái hai
chiều được gọi là các bình nguyên (một vùng đất đai rộng lớn với địa hình tương
đối thấp) hoặc khi nó siêu lạnh (chuyên ngành gọi là vật lý chất rắn), các nhà
nghiên cứu đã có thể lật lại các giả định vật lý lượng tử trước đây trong suy
nghĩ của họ và bắt đầu thử nghiệm với các trạng thái hoàn toàn mới và kì lạ của
vật chất.
As one example, Thouless and Kosterlitz changed what was
believed to be happening to matter in the flatlands under temperature
fluctuations. The previous belief was that in such a state, there was no atomic
order. Without order, there could be no orderly transitions in the phases of
matter. By applying topological concepts to the problem however, the pair
realized that phase transitions were indeed possible – only not in the way
water turns to ice, by reorganizing its molecular structure. In the flatlands,
they discovered that the secret to phase change was in tiny vortices which, at
low temperatures formed tight pairs but at high temperatures spun off in the
material away from each other.
Ví dụ, Thouless và
Kosterlitz đã thay đổi những gì được cho là sẽ xảy ra với vật chất trong các
bình nguyên dưới sự dao động nhiệt độ. Niềm tin trước đó là ở trong tình trạng
như vậy, không có trật tự nguyên tử. Nếu không có trật tự, có thể sẽ không có
sự chuyển tiếp có trật tự trong các giai đoạn của vật chất. Tuy nhiên, bằng
cách áp dụng các khái niệm không gian cho vấn đề này, hai nhà nghiên cứu này đã
nhận ra rằng giai đoạn chuyển tiếp này thật sự có thể - chỉ không theo cách
nước hóa thành băng, bằng cách tổ chức lại cấu trúc phân tử của nó. Trong vùng
đất bằng phẳng, họ phát hiện ra rằng bí quyết để dần thay đổi là trong các mõm
xoáy nhỏ xíu đó, ở nhiệt độ thấp tạo thành các cặp mõm xoáy chặt chẽ nhưng ở
nhiệt độ cao thì chúng tách ra trong vật liệu cách xa nhau.
"Topological insulators, topological superconductors and
topological metals are now being talked about," said the RSAS. "These
are examples of areas which, over the last decade, have defined frontline
research in condensed matter physics, not least because of the hope that
topological materials will be useful for new generations of electronics and
superconductors, or in future quantum computers. Current research is now
revealing the secrets of matter in the exotic flatlands discovered by this
year's Nobel Laureates."
RSAS cho biết:
"Chất cách điện không gian, chất siêu dẫn không gian và kim loại không
gian đang được nói đến trong nghiên cứu. Đây là những ví dụ về các lĩnh vực
trong thập kỷ qua đã xác định nghiên cứu tiên phong trong vật lý chất rắn, nhất
là vì hy vọng rằng chất liệu không gian sẽ hữu ích cho các thế hệ điện tử và
các chất siêu dẫn mới hoặc trong các tính toán lượng tử trong tương lai. Nghiên
cứu hiện tại bây giờ mới tiết lộ những bí mật của vật chất trong các bình
nguyên kỳ lạ được phát hiện bởi người đoạt giải Nobel năm nay."
Medicine
Y học
Winner: Yoshinori Ohsumi, Tokyo Institute of Technology (Japan)
Người đoạt giải:
Yoshinori Ohsumi, Viện công nghệ Tokyo (Nhật Bản)
Human cells have a very important housekeeping function whereby
spent cellular material is broken down into substances that can be used for
energy. This process is known as autophagy, which comes from the Greek words
"auto," meaning "self," and "phagein" meaning to
eat. The waste material is disassembled in a part of our cells known as the
lysosome where it's deposited by cellular bodies known as autophagosomes.
Tế bào con người có
một chức năng tự duy trì trong cơ thể rất quan trọng nhờ đó chất liệu tế bào
khi mà chúng được chia thành những chất có thể được sử dụng cho việc duy trì
năng lượng. Quá trình này được gọi là autophagy (quá trị tự thực bào) mà xuất
phát từ tiếng Hy Lạp "auto", có nghĩa là "tự", và
"phagein" có nghĩa là ăn. Các chất thải được tách rời trong một phần
của các tế bào của chúng ta được gọi là lysosome (bào quan); ở đó, bào quan
được lắng đọng bởi các cơ quan tế bào được gọi là autophagosomes (các túi tự
thực).
In the late 1980s a biochemist named Yoshinori Ohsumi decided to
look at the way in which cellular waste was handled in yeast cells to try to
shed light on the relatively poorly understood process of autophagy. He created
mutated yeast cells that lacked the enzymes necessary to break down cellular
waste. He then activated autophagy by starving the cells. By his reasoning, the
process should have caused autophagosomes to accumulate in the cells' vacuoles,
the equivalent of human lysosomes. Sure enough, that's exactly what happened.
Trong những năm cuối
thập niên 1980, một nhà sinh học tên là Yoshinori Ohsumi quyết định xem xét
cách thức mà chất thải tế bào đã được xử lý trong các tế bào nấm men để cố gắng
làm sáng tỏ quá trình tương đối ít được biết đến của autophagy. Ông tạo ra đột
biến tế bào nấm men mà thiếu các enzyme cần thiết để phá vỡ các chất thải tế
bào. Sau đó ông kích hoạt autophagy bằng cách bỏ đói các tế bào. Theo suy luận
của ông, quá trình này đã tạo ra autophagosomes (Các túi vận chuyển vật chất
tới lysosome) tích tụ trong không bào của tế bào, tương đương với lysosome của
con người. Chắc chắn, điều này đã giải thích chính xác những gì đã xảy ra.
Further research on his part, involving the study of thousands
of yeast mutants, eventually led him to unravel the autophagy process in
greater detail, including working out which genes were essential for the
process. Moving on from there, he identified the proteins encoded by those
genes and he figured out how they affected autophagy. "The results showed
that autophagy is controlled by a cascade of proteins and protein complexes,
each regulating a distinct stage of autophagosome initiation and
formation," said the RSAS.
Nghiên cứu thêm về
phần của mình liên quan đến việc nghiên cứu hàng ngàn đột biến nấm men, cuối
cùng đã giúp ông làm sáng tỏ quá trình autophagy chi tiết hơn, bao gồm cả việc
phát triển gen rất cần thiết cho quá trình này. Tiếp tục từ đó, ông đã xác định
các protein được mã hóa bởi các gen đó và ông đã tìm ra cách chúng ảnh hưởng
đến autophagy. RSAS cho biết: "Kết quả cho thấy autophagy được điều khiển
bởi một chuỗi các protein và protein phức hợp , mỗi protein sẽ điều hòa một
giai đoạn riêng biệt của sự bắt đầu và hình thành autophagosome,".
Since then, we've discovered that autophagy is critical in
battling bacteria and viruses, that it contributes to the development and
differentiation processes in embryos and that it plays a role in aging. When
the process goes wrong, it's been linked to Parkinson's disease, type 2
diabetes and cancer.
Kể từ đó, chúng tôi đã
phát hiện ra rằng autophagy (quá trị tự thực bào) rất quan trọng để chống lại
vi khuẩn và vi rút, nó đóng góp cho quá trình phát triển và biệt hóa trong phôi
và nó đóng một vai trò trong quá trình lão hóa. Khi quá trình đi sai, nó liên
quan đến bệnh Parkinson, tiểu đường loại 2 và bệnh ung thư.
"Autophagy has been known for over 50 years but its
fundamental importance in physiology and medicine was only recognized after
Yoshinori Ohsumi's paradigm-shifting research in the 1990's," said the
RSAS. "For his discoveries, he is awarded this year's Nobel Prize in
physiology or medicine."
RSAS nói:
"Autophagy đã được biết đến trên 50 năm nhưng tầm quan trọng cơ bản của nó
trong sinh lý học và y học thì chỉ mới được công nhận sau khi nghiên cứu mô
hình chuyển dịch của Yoshinori Ohsumi trong thập niên 1990. Ông được trao giải
Nobel vào năm nay trong lĩnh vực y sinh học hay y học cho những khám phá của
mình."
Chemistry
Hóa học
Awarded to: Jean-Pierre Sauvage, University of Strasbourg
(France); Sir J. Fraser Stoddart, Northwestern University (USA); Bernard L.
Feringa, University of Groningen (Netherlands)
Trao cho: Jean-Pierre
Sauvage, Đại học Strasbourg (Pháp); Sir J. Fraser Stoddart, Đại học
Northwestern (Mỹ); Bernard L. Feringa, Đại học Groningen (Hà Lan)
In terms of
development, the molecular motor is at the same stage as the electric motor was
in the 1830s, when scientists displayed various spinning cranks and wheels,
unaware that they would lead to electric trains, washing machines, fans and
food processors. Molecular machines will most likely be used in the development
of things such as new materials, sensors and energy storage systems.
Trong các điều kiện
phát triển, động cơ phân tử ở một giai đoạn tương tự cũng giống như động cơ
điện vào thập niên 1830, khi các nhà khoa học tiết lộ tay quay và bánh quay sợ
thì họ không biết rằng chúng sẽ trở thành tàu điện, máy giặt, quạt và chế biến
thực phẩm. Các động cơ phân tử hầu hết sẽ được sử dụng trong sự phát triển của
vật như chất liệu mới, cảm biến và các hệ thống lưu trữ năng lượng.
That's what the RSAS had to say about the awarding of the Nobel
Prize in Chemistry to three researchers who've pushed the world of
micro-machinery steadily forward since the early 1980s.
Đó là những gì mà RSAS
phải công nhận về việc trao giải Nobel Hóa học dành cho ba nhà nghiên cứu,
những người đã nâng thế giới vi máy móc lên một tầm cao mới cách bền vững kể từ
đầu thập niên 1980.
The journey toward machines that are made from molecules rather
than steel began in earnest in 1983 with Jean-Pierre Sauvage. Working in the
field of photochemistry, Sauvage discovered that he had come upon two molecules
that were linked around a copper ion. Removing the copper ion kept the
molecules linked, forming the start of a chain known as a catenane. While
molecular chains are nothing new, what was important here is that the molecules
were linked mechanically – one ring around another – rather than by sharing
electrons in their outer shells, forming the covalent bonds that typically join
them together.
Cuộc hành trình về
những chiếc máy được làm từ các phân tử hơn là thép đã bắt đầu một cách nghiêm
túc vào năm 1983 với Jean-Pierre Sauvage. Làm việc trong lĩnh vực quang hoá
học, Sauvage đã phát hiện ra rằng ông đã nghiên cứu hai phân tử được liên kết
xung quanh một ion đồng. Loại bỏ các ion đồng giữ lại các phân tử liên kết,
hình thành sự khởi đầu của một chuỗi được biết đến như một catenane (một trong
hai động cơ đơn vị mang những ưu điểm hình học). Trong khi các chuỗi phân tử
thì không có gì mới, điều quan trọng ở đây là các phân tử được liên kết cơ học
- chỉ có một vòng xung quanh nữa thôi - chứ không phải là bằng cách chia sẻ các
electron ở lớp vỏ bên ngoài, tạo nên các liên kết cộng hóa trị mà chúng thường
kết nối chúng với nhau.
In 1991, Fraser Stoddart figured out how to thread a molecular
ring onto a molecular axel. He did this by creating a ring with no electrons
and a rod that was electron rich. When placed in solution, the electron-poor
ring threaded itself onto the electron-rich axle through the power of
attraction, forming what is known as a rotaxane.
Trong năm 1991, Fraser
Stoddart đã tìm ra cách để kết nối một vòng phân tử lên một trục phân tử. Ông
đã làm điều này bằng cách tạo ra một vòng tròn không có electron và một trục
giàu electron. Khi được đặt trong dung dịch, các vòng điện tử nghèo luồng chính
nó vào các trục giàu electron thông qua lực hấp dẫn, tạo thành những gì được
biết đến là một rotaxane.
Ben Feringa came along in 1999 and leaped the field of molecular
machinery forward by building the first molecular motor with molecules moving
in the same direction, rather than spinning randomly in opposite directions as
they tend to do. He did so using pulses of UV light that activated molecular
rotor blades that had chemical ratchets built in that kept them spinning in one
direction. Feringa's research group has now gotten the motor to turn at 12
million revolutions per second and even built a molecular car that uses the
motors as wheels.
Ben Feringa tham gia
nghiên cứu vào năm 1999 và đã nhảy vào nghiên cứu lĩnh vực động cơ phân tử ở
mức xa hơn bằng cách xây dựng các động cơ phân tử đầu tiên với các phân tử
chuyển động theo cùng một hướng chứ không phải là quay ngẫu nhiên trong hướng
ngược lại vì chúng có xu hướng làm như vậy. Ông cũng sử dụng các xung ánh sáng
tia cực tím kích hoạt cánh quạt phân tử có bánh cóc hóa học được xây dựng trong
đó, giữ các phân tử quay theo một hướng. Nhóm nghiên cứu Feringa bây giờ đã
nhận được động cơ để chuyển 12 triệu vòng mỗi giây và thậm chí xây dựng một
chiếc xe phân tử có sử dụng các động cơ như bánh xe.
Since these discoveries laid the groundwork for molecular
machines, other researchers have continued to advance the science of the super
small. According to the RSAS, one of the more notable breakthroughs happened
when a molecular robot that can grab and assemble amino acids was
built using a rotaxane. Stoddart has since built a molecular elevator,
molecular muscle and a molecule-based computer chip that could one day revolutionize
computing the way the internal combustion engine revolutionized transportation.
Từ khi các phát hiện
này đặt nền móng cho các máy phân tử, các nhà nghiên cứu khác đã tiếp tục tiến
về khoa học của các thứ siêu nhỏ. Theo RSAS, một trong những bước đột phá đáng
chú ý đã xảy ra khi một robot phân tử có thể lấy và lắp ráp các axit amin được
xây dựng bằng một rotaxane. Kể từ khi Stoddart xây dựng một thang phân tử, cơ
phân tử và một con chip máy tính phân tử; một ngày nào đó, điều này có thể cải
cách hoạt động của máy tính, cách mà động cơ đốt trong đã từng cải cách trong
ngành vận tải.
While these awards wrap up the Nobel Prizes in scientific
fields, there are still more to be awarded across other disciplines. The famed
Nobel Peace Prize will be bestowed on October 7, with the Nobel Memorial Prize
in Economic Science and the Nobel Prize in Literature announced on October 10
and 13 respectively. Since its launch in 1901, 874 individuals and 26
organizations have been awarded the Nobel Prize.
Trong khi các giải
thưởng này trao cho các giải Nobel trong lĩnh vực khoa học thì vẫn còn nhiều
giải thưởng khác được trao ở các lĩnh vực khác. Giải thưởng Hòa bình Nobel nổi
tiếng sẽ được trao vào ngày 7 tháng 10 với giải Nobel trong khoa học kinh tế và
giải Nobel Văn học công bố vào ngày 10 và 13 tương ứng. Kể từ khi ra mắt vào
năm 1901, 874 cá nhân và 26 tổ chức đã được trao giải Nobel.
Đăng nhận xét