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

nobelova cena za fyziku

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

Nobelova cena za fyziku pro rok 2013 byla udělena společně Françoisi Englertovi a  Pe­ teru Higgsovi za teoretický objev mechanismu, který přispěl k našemu pochopení původu hmot‑ nosti subatomárních částic a  který byl nedávno potvrzen objevem předpověděné fundamentální částice v experimentech ATLAS a CMS na urych‑ lovači Large Hadron Collider v CERN. Higgsův boson byl posledním chybějí­ cím článkem ve standardním modelu části­ cové fyziky, který popisuje základní staveb­ ní kameny nám známé hmoty a  síly mezi nimi působící.1 Udělení Nobelovy ceny za (trochu zjednodušeně řečeno) jeho předpo­ věď je symbolickým zakončením jedné etapy vývoje našeho poznání zákonů mikrosvěta. Higgsův boson je velmi populární a ve snaze jeho důležitost ještě zvýraznit jsou často uvá­ děna tvrzení, která zatemňují skutečný zá­ sadní význam teoretické předpovědi Brouta, Englerta a  Higgse a  experimentálního obje­ vu v experimentech ATLAS a CMS.2 Napří­ klad v tiskové zprávě Nobelovy nadace se dá­ le mimo jiné praví: Standardní model spočívá na existenci spe‑ ciální částice: Higgsova bosonu. Tato částice po‑ chází z  neviditelného pole, které naplňuje celý prostor. I  když se vesmír zdá prázdný, toto pole v  něm je přítomno. Bez něj bychom neexistova‑ li, protože částice nabývají hmotnost při kontak‑ tu 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 pro­ tože existujeme my, Higgsův boson existo­ vat musí. A to není pravda. Teoretický rámec, v  němž vystupuje Higgsův boson a  Higgso­ vo pole, byla odvážná hypotéza, která nemu­ sela být realizována v  přírodě. Higgsův bo­ son nemusel existovat a  jeho experimentální objev byl skutečně objev, ne jen potvrzení něče­ ho, co existovat muselo. Smyslem tohoto článku je ukázat, jaký je skutečný význam Higgsova bosonu v našich současných představách o  struktuře mikro­ IVB

36

Vesmír 93, leden 2014 | http://www.vesmir.cz 8 gluonů

světa a  silách v  něm působících, a  připome­ nout klikatou cestu, která k němu vedla.3 Standardní model a jeho dřívější neduhy

Již sto let víme, že my sami, naše Země i veš­ kerá viditelná hmota ve vesmíru jsou složené z atomů, ty pak z atomových jader a elektronů a atomová jádra z protonů a neutronů. Výsled­ kem 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 důleži­ tou společnou vlastnost: spin 1/2. Kromě této čtveřice tzv. fundamentálních fermionů existu­ jí i  dvě další, které pro „běžnou“ hmotu ko­ lem nás nepotřebujeme, ale které přesto hrají v  přírodních zákonech důležitou roli, nicmé­ ně pro účely tohoto článku na ně můžeme za­ pomenout (viz obr. na protější straně). Mezi kvarky a leptony působí čtyři druhy sil: l gravitační, l elektromagnetické, l slabé, l silné. Kromě těch prvních patří tři ostatní do tří­ dy tzv. kalibračních teorií pole, jež poskytují zá­ kladní rámec pro popis sil v mikrosvětě. Mají společnou charakteristiku: lze je popsat pomo­ cí „výměny“ zprostředkujících částic tzv. nosi­ čů 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 analo­ gie plyne i důležitý závěr: čím je nosič síly těžší, tím s ním dohodíme na menší vzdálenost a tím bude odpovídající síla působit na kratší vzdále­ nost. Nosičem elektromagnetických sil je foton, jenž má hmotnost nula, a s nímž proto dohodí­ me v jistém smyslu do nekonečna. Protože fo­ tony si mohou „přehazovat“ jen elektricky na­ bité částice, dva fotony tímto mechanismem na sebe působit nemohou. Nosiče silných sil jsou gluony, ale ty v tom­ to textu necháme na pokoji. Nosiče slabých sil jsou tři, dva elektricky nabité a označova­ né W+ a W– a třetí, označovaný Z, je elektric­ ky neutrální. Na rozdíl od fotonu jsou těž­ ké, zhruba 90krát těžší než proton, a kvarky a leptony s nimi „dohodí“ jen do vzdálenosti asi tisíciny poloměru protonu, tj. asi miliard­ tiny miliardtiny metru.

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.

http://www.vesmir.cz | Vesmír 93, leden 2014

37

cenu, má jasnou fyzikální motivaci a začíná slovy: Je zajímavé zkoumat, zda kalibrační vektoro‑ vé mesony [naše IVB, pozn. J. Ch.] mohou nabýt hmotnost v důsledku interakce… Důležitost toho‑ to problému spočívá v možnosti, že silné síly jsou důsledkem hmotných kalibračních polí… Podstatou jejich metody bylo zavést do teo­ rie 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 dlou­ ho, nejméně 1033 let. Postup vymyšlený Brou­ tem, 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 dneš­ ní standardní model. Na popisu záleží

Volba kalibrace, tj. vhodných proměnných popisujících pole, je v  kalibračních teoriích klíčová. Teorie Brouta a  Englerta se na prv­ ní pohled zdála popisovat systém interagu­ jících nehmotných nosičů silných sil a  dvou skalárních částic, které ovšem měly imaginár­ ní hmotnost (kvadrát hmotnosti byl zápor­ ný). Tato fyzikálně nepřijatelná interpretace naznačovala, že je třeba vzít jiné polní pro­ měnné, tj. jinou kalibraci. Klíčový krok jejich práce byl v  tom, že našli takovou kalibraci (kombinace původních polí), v  nichž je patr­ né, že teorie popisuje ve skutečnosti systém in­ teragujících hmotných nosičů silných sil a jed­ né hmotné skalární částice, onoho Higgsova bosonu. Tento krok se obvykle nazývá po svých autorech BEH mechanismus. Stejnou volbu vhodné kalibrace (tj. vhod­ ných polí) učinil ve své práci Higgs, který řešil jiný, byť související problém. Na rozdíl od Brouta a Englerta, kteří pracovali v rám­ ci kvantové teorie pole, Higgs prováděl své kroky na klasické úrovni. Higgsova práce je

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 1954. Nyní je emeritním profesorem Edinburské univerzity.

38

Vesmír 93, leden 2014 | http://www.vesmir.cz

díky tomu v jistém smyslu velmi jednoduchá: pár vzorečků a  Taylorova věta pro funkce dvou proměnných. Ale právě v  té jednodu­ chosti je její krása a síla, neboť jasně ukazu­ je na jádro řešení problému. A  tím je právě vhodná volba polních proměnných, a nikoliv, jak se obvykle v souvislosti s BEH mechanis­ mem uvádí, spontánní narušení symetrie. To je patrné již ze skutečnosti, že celou proce­ duru zavedení Higgsova bosonu lze provést na klasické úrovni a s použitím pohybových rovnic pro klasická pole. Skutečný jev spon­ tánního narušení nějaké globální symetrie se týká vlastností základního stavu nějakého kvantového systému, například ferromagne­ tu. Ve standardním modelu žádná taková sy­ metrie narušena není. Rozdíl mezi původní formulací teorie in­ teragujících nehmotných nosičů sil a  dvou skalárních částic, která byla kalibračně in­ variantní, a  formulací v  jedné konkrétní ka­ libraci je dramatický, pokud jde o  interpre­ taci, jaké částice teorie popisuje, ale v obou případech jde o stejnou teorii. V principu by­ chom mohli napsat její rovnice rovnou v ka­ libraci (která se nazývá unitární), v níž je jas­ né, jaké částice popisuje, ale museli bychom být zatraceně chytří. V roce 1973 však něko­ lik skupin autorů [4] ukázalo, že kompletní standardní model lze odvodit tak, že k teorii elektroslabých sil Glashowa, v níž byly hmot­ nosti nosičů sil W+ a  W– a  Z  dosazeny suro­ vě rukou, přidáme hmotnou skalární částici (tj. Higgsův boson) a  definujeme síly, který­ mi působí na tyto hmotné nosiče tak, aby vý­ sledná teorie dávala vždy smysluplné před­ povědi. 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 ce­ nu, 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 „slíbe­ nou“ práci odmítla přijmout. Higgs ji mírně

K dalšímu čtení

upravil a  poslal do Physical Review Letters, kde předtím vyšla práce Brouta a  Englerta, a  tam byla přijata. Mezi doplněnými partie­ mi byla i  věta, v  níž byla výslovně zmíněna skalární částice, která nese jeho jméno: Za po‑ všimnutí stojí fakt, že podstatným rysem teorie to‑ hoto typu je předpověď neúplného multipletu ska‑ lárních a vektorových bosonů. Kdyby původní verzi práce přijali ve Physics Letters, tahle vě­ ta 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 Mys‑ terium Cosmographicum, v  níž se pokusil vy­ světlit poloměry oběžných drah tehdy zná­ mých šesti planet kolem Slunce (o  tom, že dráhy nejsou kruhové, Kepler tehdy ještě ne­ věděl) jako důsledek pozoruhodného geome­ trického faktu, že existuje právě pět pravi­ delných Platonových mnoho­ stěnů: čtyřstěn, šestistěn, osmistěn, desetistěn a dva­náctistěn. Pomocí postupného vnořování pravidelných mnohastěnů do koulí a naopak získal pro po­ loměry šesti planet konkrétní poměry. Polo­ měry oběžných drah kolem Slunce se v  té době zdály být základními fyzikálními pa­ rametry a  Keplerův model je „vysvětlil“. To­ to vysvětlení dlouho nepřežilo a  poté, co se Kepler seznámil s pozorováním Tychona Bra­ ha, ho opustil a formuloval své známé zákony, z nichž plyne, že parametry oběžných drah si­ ce představují z hlediska naší existence důle­ žité 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 sna­ ží spočítat či „vysvětlit“, ale které podle mého názoru hrají podobnou roli jako parametry

oběžné dráhy Země kolem Slunce. Jsou dů­ ležité pro existenci života na Zemi, ale z  fy­ zikálních zákonů je vysvětlit nelze. Obvyklé tvrzení, obsažené i  v  materiálech Nobelova výboru, že nenulové hmotnosti částic stan­ dardního modelu, tedy kvarků, leptonů a no­ sičů sil, jsou důsledkem existence Higgsova bosonu, resp. Higgsova pole, je matoucí. Ve standardním modelu platí opak: Higgsův boson není příčina, ale důsledek skutečnos­ ti, že tyto částice, kromě fotonu, mají nenu­ lové hmotnosti. Problém není ve „vysvětlení“ hmotností nosičů slabých sil, ale ve formulaci konzistence teorie popisující jejich interakce. A při tom hraje Higgsův boson roli nejjedno­ duššího 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  kvanto­ vé teorii pole znamená „prázdný prostor“, tj.

[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, 1974. [5] J. Hořejší: Elektroslabé sjednocení a stromová unitarita, nestandardní úvod do standardního modelu, Univerzita Karlova, 1993. [6] P. Higgs: Phys. Rev. Lett. 13, 508, 1964. [7] F. Englert, R. Brout: Phys. Rev. Lett. 13, 321, 1964. [8] P. Higgs: My life as a Boson, http://www. kcl.ac.uk/nms/ depts/physics/ news/events/ MyLifeasaBoson. pdf. [9] P. Higgs: Phys. Lett. 12, 132, 1964.

http://www.vesmir.cz | Vesmír 93, leden 2014

39

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 proo zábavu a poučení v každém čísle! e! Roční předplatné 520 Kč, kombinovaná verze papírového a elektronického předplatného PLUS US za 570 Kč.

mě na Stáhni si le ro.com www.pub

Objednávejte na [email protected], nebo www.psychologiednes.eu

inzerce

!

„vakuum“. Je to energeticky nejnižší stav po­ le, ale i  v  něm dochází v  každém bodě pro­ storu k „nulovým kmitům“, jež jsou analogií nulových kmitů normálního harmonické­ ho oscilátoru v  kvantové mechanice. To, co v  každém bodě prostoru kmitá kolem nuly, jsou polní veličiny, například v případě elek­

tromagnetického pole intenzity elektrického a magnetického pole. Částice příslušná dané­ mu kvantovanému poli je pak nejnižší exci­ tace tohoto pole. Co je podstatné, je skuteč­ nost, 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 Higg‑ sova pole, mají v  „prázdném prostoru“ nulovou vakuovou střední hodnotu. Obvyklé „vysvětlení“, jak získávají části­ ce hmotnost, je znázorněno na obrázcích na předchozí straně. Na nich hosté představu­ jí nějaké pole „přítomné ve vakuu“, jímž se v prvních třech obrázcích prodírá Jára Cimr­ man a  tím „získává“ velkou hmotnost. Kdy­ by 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 tím­ to 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  nefy­ zikální hmotností. O fyzikální irelevanci to­ hoto pole svědčí fakt, že v  kalibraci, v  níž vystupují jen pole spojená s fyzikálními čás­ ticemi, ve vakuu žádné pole přítomno ne­ ní. Uvedená analogie odráží skutečnost, že hmotnosti fundamentálních fermionů i nosi­ čů sil jsou úměrné vazbovým konstantám po­ pisujícím síly mezi těmito částicemi a  Higg­ sovým bosonem. A co by se stalo, kdyby Higgsův boson ne­ existoval? Nám nic, my bychom určitě exis­ tovali 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 Higg­ sovým 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, má­ me 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

40

Před třemi lety mě redakce Vesmíru upozor­ nila na dva vědce, kteří dostali významnou norskou vědeckou cenu za skladování, pře­ pravu a  uvolňování hormonů a  neuropřena­ šečů. Výkonný redaktor si myslel, že napíšu

Vesmír 93, leden 2014 | http://www.vesmir.cz

pár řádek o jejich nálezech, protože se zabý­ váme podobným výzkumem. Ocenění ko­ legové studovali výlev kvantový, my přede­ vším nekvantový. Ale já se tehdy k  napsání nedostal. Oba badatele jsem znal z devadesá­

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 ­n AChR (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.

A

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 je­ den výborný genetik. James E. Rothman, Randy W. Schekman a  Thomas C. Südhof získali Nobelovu ce­ nu za své nálezy dosud neznámých bílko­ vin, nutných pro činnost nitrobuněčných molekulárních strojů a  mechanismů, kte­ ré regulují vezikulární, váčkový (řekněme mikrokontejnerový) dopravní systém v  na­ šich buňkách, včetně nakládání a  vylože­ ní obsahu z  buňky ven. Letošní nobelisté

membrána synaptického váčku

příprava váčku na zakotvení (docking)

B1 váček měchýřek synaptotagmin

synaptobrevin

synaptotagmin Ca2+ kanál

synaptobrevin syntaxin SNAP-23

syntaxin

SNAP-25

B2

SNARE komplexy připravují váčky u membrány k fúzi (priming)

B3

vstupující Ca se váže na synaptotagmin

membrána presynaptického nervového zakončení

C endozom dynamin

Ca2+ pučení váčků

synapsin

B4

pučení dovnitř endocytóza splynutí, fúze, exocytóza

příprava

NSF

SNAPs

SNAREs

synaptotagmin s Ca katalyzuje splynutí membrán a výlev

klatrin

Ca2+ kanál synaptotagmin

http://www.vesmir.cz | Vesmír 93, leden 2014

41

synaptický měchýřek

synaptobrevin

synaptotagmin

tetanus toxin botulinum toxiny B, D, F & G

SNAP-25

botulinum toxin C1 botulinum toxiny A&E

plazmatická membrána

kanál Ca

syntaxin 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.

42

však nejsou jeho objeviteli, spíše objasnite­ li. „Mikro­ kontejnery“, buněčné transport­ ní váčky, známe dlouho. Už první eletron­ mikroskopické snímky synaptických spojů mezi neurony, stejně jako mezi nervovým vláknem a svalovou buňkou, pořízené v po­ lovině padesátých let, ukázaly, že rozšířená nervová zakončení v těsném kontaktu s dru­ hou buňkou na synapsi jsou plná droboun­ kých, dvojitou membránou obalených váč­ ků o průměru asi 50 nm. Geniální německý emigrant ruského původu Bernard Katz v  University College v  Londýně okamžitě dal do souvislosti tyto struktury s miniatur­ ními, 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 měchýř­ ku s nervovou membránou (obr. 1), se vylou­ čí či podle Sira Bernarda možná přímo vy­ stříkne proti těsně přilehlé sousední buňce nebo jen tak do okolí (v případě hormonů, jako je inzulin) určité kvantum několika ti­ síc molekul acetylcholinu (nebo glutamátu, GABA či jiných neuropřenašečů), které rea­ gují s receptorem. Receptory jsou buď akti­ vační a slabounce depolarizují svou rodnou membránu, nebo inhibiční, tj. hyperpola­ rizují nebo stabilizují buněčný potenciál postsynaptické membrány. To druhé je pří­ pad tlumivých přenašečů GABA a  glycinu. Synchronní vylití mnoha těchto kvant při

Vesmír 93, leden 2014 | http://www.vesmir.cz

nervovém podráždění1 vede k elektrickému a  pro napěťově citlivé Na+ kanály „bolesti­ vě“ 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 po­ dráždění nervu s membránou splývají. Katz a další z nás definovali na konci tisíciletí fy­ ziologické podmínky pro výlev obsahu váč­ ků. Především se ukázalo, že bez vápníku to nejde. Nervová depolarizace otevře v  mem­ bráně zakončení vápníkových kanálů těsně u  váčku, extracelulární ionty Ca2+ vniknou dovnitř, vytvoří na zlomek sekundy „oblá­ ček“ Ca2+ a  cosi způsobí, aby se obsah váč­ ku vylil. Na to „cosi“ se přicházelo jen po­ malu a  postupně. Co se děje před výlevem a během něj, už dnes víme hlavně díky letoš­ ním nobelistům. Víme, jak se váčky přesunu­ jí až do aktivní zóny výlevu (Rothman), ja­ ké kouzelné bílkoviny musí obsahovat váček a  membrána zakončení pro vytvoření kon­ taktu a fúzi (Rothman, Südhof) a které geny tyto bílkoviny kódují (Schekman). Na počátku devadesátých let minulé­ ho století formuloval James Rothman hy­ potézu SNARE2. Samozřejmě stál na ra­ menou neurochemiků, kteří ho naučili, jak izolovat masu váčků a  nervových terminál (synap­tozomů), jako byl např. Angličan Vic­ tor P.  Whittaker. Rothman ty tajemné fúz­ ní bílkoviny objevil. Jednak na membráně váčků, kde je označil souhrnně jako protei­ ny v-SNARE, jednak na presynaptické mem­ bráně nervu a označil je ­t-SNARE proteiny3 (obr. 2 B1 a B2). Dále navrhl a prověřil sché­ ma interakcí těchto proteinů, jejichž bliž­ ším určením, klasifikací a úlohou se zabýval stejně intenzivně jako Südhofova laboratoř. U  Rothmanů připravili umělé lipidické váč­ ky (lipozomy, nyní už to umějí v  řádu na­ nometrů, PMID: PMC2840481), vybavili je izolovanými proteiny SNARE a  dokázali in vitro jejich fúzi. Samotné exocytóze, výlevu z  nervového zakončení, předchází nejprve transport no­ vých váčků od tělíčka neuronu, kde vznikají buď v endoplazmickém retikulu, nebo v Gol­ giho systému membrán (tam vznikají a  do­ spívají proteiny) po kolejničkách nervových mikrotubulů a  aktinu pomocí motorku ki­ nesinu. Části měchýřků jsou recyklovány po použití v  cyklu exocytóza (výlev) – en­ docytóza (zpětné vchlípení, obr. 2 C). Sem spadají práce třetího nobelisty, Randy W. Schekmana, molekulárního genetika, kte­ rý před­běhl své dva kolegy a  už r. 1980 na­ šel a klonoval 23 genů, jejichž Sec bíloviny4 u kvasinek – a jak se ukázalo, i v mozku nebo žlázách s  vnitřní sekrecí – podmiňují správ­ né fungování této velmi starobylé „via Appia“ našich buněk. Rozdělil je na tři skupiny a do­ konce vystopoval ty, které když chybí nebo jsou poškozeny, vedou ke ztrátě schopnosti přenášet a  vylučovat obsah váčků. To vede

ke smrti jak kvasinek, tak knockoutovaných myšek (PMID: 6996832). Objevil a  izolo­ val 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 vý­ levu bílkovinných dobrůtek z  kvasinek, kte­ rých je kolem stovky (etanol se ale uvolňuje difuzně), neurotransmise na synapsích, výle­ vu hormonů z endokrinních buněk, ale i rov­ nováhy cholesterolu v organismu a několika dalších metabolických regulací. Ale zpět k  nervovému zakončení na sy­ napsi. Váček se naplní přenašečem (jako je acetylcholin, výměnou za protony), případ­ ně hormonem, nebo si sám přinese z  cen­ tra 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 zakotve­ ní v aktivní zóně, což vyžaduje energii z ATP a priming fázi, kdy je váček v těsné blízkosti membrány v aktivní zóně výlevu. Při primin­ gu se propletou 4 vlákna a smyčky t-SNARE a v-SNARE jako vlásenky v kadeři (obr. 2 A) a váček čeká na spuštění exocytózy elektric­ kým podrážděním a následným vtokem Ca2+ iontů do nervového zakončení (obr. 2, B). Si­ tuace primingu připomíná pevné uchycení komára nožičkami na chlupaté pokožce a je velmi podobná připnutí viru na povrch in­ fikované buňky (hairpins). Je obdivuhodné, kolik bílkovin se účastní formování, údržby a výlevu i na těch nejjednodušších nervosva­ lových synapsích (někdy se jim říká E. coli v oblasti neurobiologie). A ještě víc je jich na synapsích v  mozkových strukturách. Regu­ lačních a  strukturálních proteinů jsou desít­ ky, možná stovky. Samozřejmě těch nejdůležitějších je jen ně­ kolik a  jsou vesměs spojeny se jménem Tho­ mase Südhofa. Tak mezi v-SNARE patří 13 synaptotagminů, z  nichž 8 má dvě vazebná místa pro Ca2+. Po navázání Ca2+ se vytlačí z komplexu SNARE další bílkovina, komple­ xin, která v jedné konformaci brání a v dru­ hé umožňuje vytvoření póru pro únik nápl­ ně váčku (obr. 2 B3 a  B4). Na váčcích jsou dále synaptobreviny, které ukotvují váček do celkového SNARE komplexu a  jsou cí­ lem smrtícího tetanospasminu z  Clostridium tetani. Příbuzný kmen bakterie Clostridium botulinum a  jí vylučované botulotoxiny ta­ ké ničí synapse a blokují kvantový výlev tím, že se zakusují do dalších důležitých vlákni­ tých bílkovin ze společenství t-SNARE v ner­ vové membráně, do SNAP-25 a  do syntaxi­ nu (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 neurexi­ ny, přítomné na presynaptických zakončeních,

a  neuroliginy, které jsou na postsynaptické membráně a pevně obě membrány spojují ja­ ko malé svorky. Způsob propojení neurexi­ ny a  neuroligniny určuje různé typy synap­ tických kontaktů mezi neurony a  zřejmě má i  funkční význam. Südhof identifikoval ně­ které mutace těchto spojovacích bílkovin, kte­ ré provázejí dědičné formy autis­mu. Tento muž je zajímavý i proto, že se stal známým už předtím, než se začal zajímat o buněčný trans­ port. Pracoval na transportních bílkovinách pro krevní lipidy a  z  jeho studií vznikla léči­ va na snížení „špatného“ cholesterolu (LDL), známé statiny, především atorvastatin. Ukazuje se, že poruchy v  intracelulár­ ních transportních mechanismech mají čas­ to za následek nějaké onemocnění. Např. při diabetu II. typu postupně selhává správ­ ně načasovaný výlev inzulinu z  beta-buněk Langerhansových ostrůvků v  pankrea˝tu a  inzulinem zprostředkovaný transport glu­ kózy do svalu a  bílých tukových buněk. Ta­ ké 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 fa­ miliární hemofagocytující lymfohistiocytó­ zou (FHL) má mutace genů pro fúzní bíl­ koviny perforin, syntaxin 11, hMunc13-4 a Munc18-2. Přitom nejde o maličkost. Tyto děti mají porušenou cytotoxickou (tj. ochran­ nou) funkcí lymfocytů T a NK (přirozených zabíječů), což se projevuje během prvních měsíců po narození poruchou buněčné i pro­ tilátkové imunity a  těžkými zánětlivými re­ akcemi. 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 závis­ tivě zabýváme otázkou, proč někdo dostane Nobelovu cenu v přírodních vědách (ale i ty ceny národní) a někdo ne. Rádi bychom věři­ li, že je v tom politika, tedy ta vědecká, a tím omluvili vlastní neúspěšnost. Někteří nobe­ listé to mají v  rodině, jako molekulární ge­ netici otec Arthur a syn Roger Kornbergovi v létech 1959 a 2006. Jiní studovali či praco­ vali u  nositelů této ceny jako Bernard Katz u Archibalda V. Hilla (1886–1977), mága sva­ lové kontrakce a  bioenergetiky. Podobně Randy W. Schekman pracoval v  biochemic­ ké laboratoři s  Arthurem Kornbergem (No­ belova cena 1959). Thomas Südhof má ale jinou osobní zkušenost, jak být nominován a  jmenován. V  odpovědi na otázku jedno­ ho novináře, kdo byl jeho nejvlivnější učitel, říká: „Byl to můj učitel na fagot. Naučil mě, že jediná cesta k  úspěchu je cvičit a  poslou­ chat, 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: 10358126). 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 IAA500110905.

http://www.vesmir.cz | Vesmír 93, leden 2014

43