Erwin Neher, biofizik in nobelovec

Ko je nemški biofizik Ervin Neher spregovoril o svojih raziskovalnih začetkih, je zvenel skoraj nostalgično. Podrobno je pojasnjeval, kako sta morala v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja s kolegom Bertom Sakmannom dolga leta razvijati metode in orodja, s katerimi sta počasi spoznavala delovanje živčnih celic.

Veselo se je spominjal, kolikokrat sta obupala in se oprijemala drugih projektov, preden jima je po skoraj šestnajstih letih uspelo potrditi teorijo o ionskih kanalih, kar jima je leta 1991 prineslo Nobelovo nagrado za medicino. Nato pa je zamišljeno dodal, da ta nagrada sicer pomeni vrhunec znanstvene kariere, vendar lahko znanstvenika tudi oddalji od raziskovalnega dela, saj se mora kot nobelovec precej več ukvarjati s svetom zunaj laboratorijev – etičnimi dilemami, znanstveno politiko in vprašanji, ki jih odpirata vse ostrejša znanstvena tekma in boj za raziskovalni denar.

Prva objava: Sobotna priloga Dela, 24. julija 2010, foto Jure Eržen

Vsi problemi, s katerimi se ukvarjam, se mi zdijo rešljivi

Neher se je strinjal, da so vsa ta vprašanja sicer pomembna, vendar je dodal, da se zaradi njih izgublja del tistega raziskovalnega navdušenja, zaradi katerega se ljudje odločajo za naravoslovje. »Nova znanstvena spoznanja so bila vedno vsaj malo strašljiva, saj so zamajala stare predstave o tem, kaj je normalno, kaj naravno in kaj človeško. To razumem. Prav tako vem, da je mogoče vsako novo znanje uporabiti v slabe namene, česar se moramo znanstveniki zelo dobro zavedati. Vendar se težko sprijaznim z negativnim odnosom do znanja in znanstvenega napredka, ki postaja v zadnjih letih vse močnejši, saj še nisem spoznal nobenega znanstvenega kolega, ki bi hotel načrtno razviti nekaj slabega,« je sklenil Neher.

V kakšni vlogi vas pogosteje povabijo na znanstvene konference in simpozije – kot strokovnjaka ali kot nobelovca?

Iskreno upam, da me prireditelji vabijo kot strokovnjaka, saj najraje govorim o področjih, na katera se zares spoznam (smeh).

Kot nobelovec pa bi morali govoriti …?

Po Nobelovi nagradi postane znanstvenik javna oseba. Njegovi nastopi niso več omejeni le na njegovo raziskovalno področje ali debate z znanstvenimi kolegi, ampak ljudje pričakujejo, da bo imel mnenje skoraj o vsem. Tudi o politiki ali področjih, o katerih ve prav toliko, kot vsak malo bolj razgledan laik.

Denimo?

Sem biofizik in se ukvarjam s proučevanjem zelo specifičnih celičnih procesov, predvsem komunikacijo med živčnimi celicami. To je področje, ki ga najbolje poznam in o katerem lahko marsikaj povem. Kot nobelovca pa me sprašujejo najrazličnejša velika vprašanja, povezana s trenutno vročimi znanstvenimi temami: kdaj bomo lahko klonirali človeka in kakšne bodo posledice, katere bolezni bomo lahko pozdravili z genetskimi terapijami, kakšne nevarnosti prinašajo nova odkritja v biotehnologiji in uporaba gensko spremenjenih mehanizmov …

In kaj odgovorite?

Naučil sem se biti previden, zato odgovarjam zelo splošno in večkrat poudarim, da to niso moja področja. Včasih pa je najbolje biti kar tiho (nasmešek).

Morda javnost zanima predvsem to, ali se ugledni znanstveniki kdaj vprašate, kakšne so lahko družbene posledice vaših odkritij. Če upoštevamo, kdo vse financira znanstvene raziskave in s kakšnimi nameni – vojska, velike korporacije, avtoritarne države –, je zaskrbljenost ljudi upravičena.

Na mojem področju te dileme niso tako pogoste. Biomedicinske raziskave nam pomagajo razumeti, kako delujejo naši telesni procesi, kako celice komunicirajo med sabo in kako opravljajo svoje naloge v organizmu. Zato sem prepričan, da nam vsako novo znanje pomaga razviti boljša diagnostična orodja in oblikovati učinkovitejše terapije za zdravljenje bolezni, kar je lahko kvečjemu dobro. Seveda lahko vsako znanje tudi zlorabite, vendar nas ta strah ne sme odvrniti od novih raziskav.

Se sami niste nikoli znašli pred staro faustovsko dilemo – da bi bili pripravljeni za novo znanje prodati dušo hudiču, kar včasih preberemo v kaki znanstveni avtobiografiji?

Da bi moral zaradi svoje radovednosti prestopiti etične meje? Doslej se mi to še ni zgodilo, čeprav sem vselej sledil svoji radovednosti. Ko sem kot otrok spoznaval rastline in živali na domačem vrtu, sem si zastavljal zelo preprosto vprašanje – kako neki vse to deluje. V gimnazijskih letih sem začel pod vplivom knjig o kibernetiki v živih bitjih prepoznavati vrsto fizikalnih zakonov in bioloških procesov, zato sem se usmeril v biofiziko in se lotil proučevanja življenjskih procesov v celicah. Morda je moj pristop precej inženirski, ampak verjamem, da nam lahko prav spoznavanje najosnovnejših življenjskih procesov pomaga odgovoriti tudi na večja vprašanja, s katerimi se znanost ukvarja že od samih začetkov – kako lahko iz teh malih sestavin nastanejo tako kompleksni sistemi, kakršni so naši možgani. In kako v teh možganih nastane tisto, čemur pravimo zavest.

Ali verjamete, da je zavest mogoče razložiti kot posledico fizikalnih zakonov in bioloških procesov?

Pri raziskovanju delovanja možganov poznamo dva osnovna pristopa. Prvi je od zgoraj navzdol, kjer raziskovalci najprej opišejo višje možganske funkcije – se sprašujejo o naravi zavesti, opisujejo, kako živa bitja delujejo v družbi … Nato pa začnejo podrobneje analizirati delovanje možganov na ravni posameznih procesov: kje v možganih so predeli, ki skrbijo za določene funkcije, kako obdelujejo signale, kako se odzivajo nanje in kakšne so razlike med delovanjem posameznih centrov – za vid, govor ali logično sklepanje. Jaz sem ubral nasprotno pot, od spodaj navzgor. Začel sem s celičnimi procesi in začel spoznavati načine, kako se ti najmanjši gradniki povezujejo v večje sisteme, ki že znajo opravljati določene kompleksnejše naloge.

Sta se oba pristopa že srečala? Navsezadnje poskušata odgovoriti na zelo podobna vprašanja.

Biofizika, ki deluje od spodaj, in nevroznanost, ki deluje od zgoraj, sta se doslej srečali pri raziskavah posameznih možganskih središč. Nevroznanstveniki so, denimo, ugotovili, kakšne živčne strukture tvorijo nevroni, ki jih najdemo v možganskem predelu, odgovornem za prepoznavanje vzorcev in oblik. Biofiziki pa smo pojasnili, kako se nevroni povezujejo in komunicirajo med sabo. Ta spoznanja so že uporabili računalniški strokovnjaki, po »možganskih načrtih« izdelali preprosta elektronska vezja in ugotovili, da so ustvarili umetne sisteme, ki znajo presenetljivo natančno prepoznavati oblike in vzorce. To kaže, da je mogoče s poznavanjem delovanja živčnih celic in strukture nevronskih mrež že ustvariti umetne sisteme, ki znajo opravljati kar nekaj možganskih nalog.

Zametki umetne inteligence?

Tega ne upam trditi. V zadnjih štiridesetih letih smo se naučili veliko novega o delovanju živih organizmov, saj nam nova orodja in raziskovalne metode omogočajo zelo natančen vpogled v prej neznane celične procese in obnašanje posameznih molekul. Prav tako smo izdelali precej natančen zemljevid možganov – ugotovili, kje so posamezna središča, kako opravljajo svoje naloge in kako so povezani nevroni – ter se naučili marsikaj o delovanju spomina. Danes imamo že kar dobro predstavo o tem, kako možgani obdelujejo signale, ki jih pošiljajo čutila. Znamo zapisati, kako dražljaji očesnega živca postopno postanejo podoba, ki jo razumsko prepoznamo. Še vedno pa ne moremo reči, da v resnici razumemo, kako delujejo možgani kot celota. Zelo malo vemo o procesih in mehanizmih, ki ločijo čustveno delovanje od racionalnega. Prav tako ne vemo dosti o nadzorovanju čustev, o argumentativnem razmišljanju, dojemanju umetnosti in lepote, občutku grdega, kako se naši možgani obnašajo v procesu učenja … Za resnično razumevanje teh procesov bo treba združiti še veliko raziskovalnega dela, ne samo na področju biofizike in nevroznanosti.

V zadnjih letih je postalo priljubljeno združevanje nevroznanosti in družboslovnih ved, saj so analize velikih družbenih in računalniških omrežij pokazale precej podobnosti med povezovanjem živčnih celic v možganih in povezovanjem posameznikov na svetovnem spletu. So take podobnosti zavajajoče ali nam lahko nevronske povezave v resnici pomagajo bolje razumeti delovanje človeških družb?

Raziskovalci omrežij so ugotovili, da imajo mrežne strukture nekatere presenetljive skupne lastnosti, zato res lahko domnevamo, da se živčne celice povezujejo po podobnih načelih kot uporabniki elektronskih družabnih omrežij, kakršno je facebook. V vsakem omrežju je nekaj močnih vozlišč – nevronov ali posameznikov –, ki imajo neprimerno več povezav od preostalih vozlišč. Skozi ta močna vozlišča poteka zelo velik del komunikacije med posameznimi deli omrežja, zato imajo pomembno povezovalno vlogo. Razmerje med močnimi in šibkejšimi vozlišči je v vseh omrežjih skoraj konstantno. Močnih vozlišč je, denimo, stotisočkrat manj kot manjših, ti pa so razdeljeni na podobno število še manjših podvozlišč. Načrtovalci računalniških omrežij so ugotovili, da je taka struktura omrežja zelo robustna. Če bi bilo omrežje čisto brez močnih povezovalnih vozlišč, bi bilo preveč ohlapno in nepovezano, zato ne bi bilo učinkovito. Če bi bilo bolj centralizirano, pa bi se težje prilagajalo na spremembe v okolju, saj vloge glavnega vozlišča ne bi znala prevzeti druga vozlišča.

Kaj nam to pove?

To pa je že čisto drugo vprašanje (nasmešek). Evolucionisti bi verjetno sklepali, da je taka struktura omrežij pomenila evolucijsko prednost, zato se je obdržala in postopno prevladala, vendar so to le hipoteze, s katerimi se nisem prav dosti ukvarjal. Zanimajo me bolj oprijemljivi problemi.

Vaš nobelovski kolega Bert Sakmann je pred kratkim povedal, da želi raziskati, kako na celični ravni poteka učenje – kako se nevroni učijo iz izkušenj in kako se te izkušnje kažejo na njihovih povezavah. Vaju še vedno družijo podobni raziskovalni cilji?

Do neke mere, saj se ukvarjam s proučevanjem zanimivega pojava – sinaptične plastičnosti –, za katerega verjamem, da nam lahko pomaga razumeti delovanje spomina in procesa učenja. Z razvojem zelo občutljivih novih orodij, ki omogočajo natančno merjenje električnih signalov v celicah, smo ugotovili, da se posamezne živčne celice zelo različno odzivajo na dražljaje. Če prvi nevron vzdražimo desetkrat, se najmočneje odzove na prvi dražljaj, na vse prihodnje dražljaje pa vse manj. Pri drugem nevronu je lahko ravno obratno – na prvi dražljaj se skoraj ne bo odzval, na prihodnje pa vse močneje. Poleg tega so raziskovalci ugotovili, da lahko določeni dražljaji povzročijo bolj ali manj trajne spremembe v strukturi živčnega omrežja.

Te spremembe pa so povezane s kratkoročnim in dolgoročnim spominom?

To je ena od hipotez. Sam verjamem, da je različno odzivanje nevronov na dražljaje zelo pomembno za razumevanje, kako možgani obdelujejo informacije, ki jih pošiljajo čutila. Najpreprostejši primer je bolečina. Prvi odziv živčne celice mora biti močan, ker opozori možgane na nevarnost. Potem se mora odziv na bolečino počasi zmanjšati, ker bi verjetno znoreli, če bi nas ves čas enako bolelo. Podobno izbirčni morajo biti možgani tudi pri izbiri, katere informacije si je vredno trajno zapomniti, katere so uporabne le nekaj časa in katere je bolje čim prej pozabiti. Prav to selektivno in vzporedno obdelovanje neznanske količine različnih informacij je ena najbolj neverjetnih lastnosti možganov, ki se ji trenutno ne zna približati še noben računalnik.

Katera področja se najbolj zanimajo za vaše raziskave? Informatika?

Niti ne. Naša spoznanja so sicer res lahko uporabna za načrtovalce novih računalniških sistemov, vendar ima posnemanje možganov pri izdelavi novih generacij računalnikov še veliko omejitev, prav tako je še zelo oddaljeno tudi morebitno programiranje možganov z načrtnim draženjem določenih možganskih središč. Raziskave možganov, s katerimi se ukvarjam, so zato najbolj neposredno zanimive za protetiko in razvoj zdravil. S proučevanjem komunikacije med nevroni poskušam med drugim ugotoviti, kako bi bilo mogoče povezati računalnike neposredno z živčnimi celicami …

… in upravljati robotsko roko?

To je ena od možnosti. Precej bolj obetavne rezultate dosegamo pri izdelavi sodobnih očesnih ali slušnih protez, saj je mogoče s sodobnimi protetičnimi napravami dovolj učinkovito dražiti ušesne ali očesne živce, da lahko bolniku vrnemo vsaj del izgubljenega čutila. Še večji napredek obljublja povezovanje biotehnologije in molekularne genetike, saj so raziskovalci v čutila že nekajkrat uspešno vstavili posebne prilagojene molekule, ki so uspešno prevzele nekatere vloge okvarjenih ali odmrlih celic. Zato utegnejo biti nekatere oblike slepote že kmalu ozdravljive.

Ionske kanale ste proučevali v časih, ko praktična uporaba vašega raziskovalnega dela še ni bila tako očitna. Bi tudi danes lahko porabili toliko let za raziskavo, ki ne bi imela jasnega poslovnega načrta – izdelka, patenta ali terapije?

Težko vprašanje. V našem inštitutu bi bilo to še vedno mogoče, saj je inštitut Maxa Plancka ena redkih ustanov, ki se ukvarja skoraj izključno z bazičnimi raziskavami in odkrivanjem novih znanj. Podobno raziskovalno usmeritev zagovarjajo tudi nekatere nemške univerze, v Veliki Britaniji pa so razmere že precej drugačne, saj morajo univerze pridobiti večino denarja od zasebnega sektorja, ki financira predvsem uporabne raziskovalne projekte. Zelo podobno je v ZDA, saj lahko raziskovalci pridobijo denar za bazične raziskave samo, če jih znajo dobro skriti med uporabne cilje. Recimo: razviti želimo neko novo terapijo ali napreden material, nujno zlo na poti do tega cilja pa bo tudi nekaj bazičnih raziskav. To za razvoj znanosti ni najbolje. Reševanje preskrbe z električno energijo, izboljšanje učinkovitosti sončnih celic, zdravilo za nižanje holesterola v krvi … Vsi ti praktični cilji pomenijo tudi velike znanstvene izzive. Vendar je treba še vedno ohraniti občutek, katera vprašanja so pomembna za znanost, kakšne raziskave pa od znanosti v nekem trenutku zahteva družba.

Če beremo evropske in nacionalne strategije, lahko dobimo vtis, da je znanost za politiko pomembna predvsem kot sredstvo za doseganje kratkoročnih gospodarskih učinkov.

To je slabo, vendar se moramo za razumevanje delovanja Evropske unije in njenih organov vedno opomniti, da je EU nastala predvsem z enim ciljem – ustvariti skupen evropski notranji trg. Zato vse evropske politike temeljijo na potrebah gospodarstva. Tudi generalni direktorat za raziskave se je doslej ukvarjal predvsem z vprašanjem, kako z vlaganjem v znanost in raziskave izboljšati konkurenčnost evropskega gospodarstva, prednostni pa so bili projekti, ki so obljubljali razvoj novih izdelkov in delovna mesta. V devetdesetih letih je to doktrino povzela lizbonska strategija, po kateri naj bi Evropa postala najbolj konkurenčna in na znanju temelječa družba na svetu. Vendar se ljudje v Bruslju dolgo niso vprašali, kako bodo ustvarili družbo znanja brez vlaganja v znanje, saj znanje ni le nekakšna naravna dobrina, iz katere se bo napajala inovativna ekonomija, ampak ga je treba najprej ustvariti. Zares nova znanja pa prinašajo bazične raziskave.

Ali ni EU ustanovila evropskega raziskovalnega sveta prav z namenom, da bi spodbujala bazične raziskave?

Ustanovitev raziskovalnega sveta je bil korak v pravo smer, vendar so se evropski uradniki lotili spodbujanja bazičnih raziskav na stari način – po birokratsko. Znanstvenik in uradnik imata do raziskovalnega dela zelo različen odnos. Znanstvenik izhaja iz zanimive raziskovalne zamisli in se šele v drugem koraku ubada z vprašanjem, kako bo pridobil raziskovalni denar. Uradnik razmišlja drugače, saj od znanstvenika pričakuje konkretne rezultate, s katerim bo upravičil porabo raziskovalnega denarja. Zato se odloči, kaj bi bilo po njegovem mnenju treba raziskati, nato pa pripravi javne razpise, s katerimi bo namensko razdelil raziskovalni denar. Ta pristop, pri katerem je znanstveni raziskovalni projekt podoben gradnji mostu čez Donavo, ni kaj prida, saj ima dve veliki pomanjkljivosti. Kot pri vseh javnih razpisih je tudi v znanosti izbran najcenejši ponudnik, hkrati pa uradniki ponavadi nimajo pregleda, kaj se v nekem trenutku dogaja v znanstvenem svetu, katera področja so pomembna in katera obljubljajo največ pomembnih odkritij.

Ali niso uradniki in politiki prisiljeni vse svoje cilje predstaviti kot nekakšne gradnje mostov čez Donavo? Boj proti raku je lažje zapisati v razvojno strategijo kot proučevanje ionskih kanalov.

Vsekakor (smeh). Vendar je treba vedeti, da se proti raku ni mogoče bojevati z eno veliko uporabno raziskavo. Dosedanje izkušnje so pokazale, da so nekatera najpomembnejša spoznanja o naravi te kompleksne bolezni prispevale bazične raziskave na znanstvenih področjih, ki niso neposredno povezana z medicino, kaj šele zdravljenjem raka. Lep primer je proučevanje programirane smrti celice, apoptoze, ki so jo odkrili raziskovalci rastlin in so jo pozneje opazili tudi razvojni biologi. Ti so med proučevanjem zarodkov ugotovili, da je treba nekatera tkiva v določeni razvojni fazi »ubiti« – denimo plavalno kožico, ki je ob rojstvu ni več. Če bi znali apoptozo sprožiti tudi v podivjanih celicah, ki z nenadzorovanim razmnoževanjem povzročajo raka, bi dobili zelo močno orožje v boju proti tej bolezni. Drugi primer so raziskave, ki so proučevale celično delitev. Danes vemo, da je nenadzorovana delitev celic v našem telesu zelo pogosta, ampak jo v veliki večini primerov pravočasno zaznajo in preprečijo številni nadzorni mehanizmi. Včasih pa ti mehanizmi zatajijo – ponavadi zaradi mutacije –, zato se celica čezmerno razmnoži.

So te mutacije glavni razlog, zakaj lahko za pljučnim rakom zboli tudi nekadilec?

Zelo verjetno. Nekatere najnovejše raziskave kažejo, da razlogi za nastanek raka niso tako preprosti, kot smo mislili prej – niti pri domnevno najbolj očitnih oblikah raka. Pljučni rak zato ne nastane zgolj zaradi kajenja, rak na jetrih pa ne zgolj zaradi popivanja, čeprav omenjeni razvadi precej povečata verjetnost, da bomo zboleli. Razvoj bolezni je zelo odvisen od tega, kako celice obidejo nadzorne mehanizme, to pa je spet povezano z raziskavami genoma in pravilnim branjem genskega zapisa, ki lahko nakaže, kakšne mutacije so bolj verjetne v vašem telesu in katere vrste raka se utegnejo razviti. Prepričan sem, da bomo nekoč znali predvideti večino oblik raka, vendar je nemogoče napovedati, s katerih znanstvenih področij bodo prišla prihodnja pomembna odkritja. Znanstvenega napredka pač ni mogoče predvideti vnaprej in načrtno podpreti le tiste uporabne raziskave, ki bodo prispevale k čim hitrejšemu odkritju zdravila proti raku. Zato so velike strategije boja proti raku, kakršno so že pred štiridesetimi leti napovedali Američani, praviloma neuspešne.

Če bi vas nemški znanstveni strategi vprašali, katera področja naj podprejo, ker za bazične raziskave na vseh področjih znanosti preprosto ni dovolj denarja – kaj bi odgovorili?

Naj najprej pogledajo, kako je v Nemčiji sploh porazdeljen raziskovalni denar. Nikoli nisem razumel, od kod se je v javnosti in pri politikih udomačilo prepričanje, da preveč vlagamo v bazične raziskave. Celoten proračun državne agencije, ki financira bazične raziskave na univerzah in inštitutih, ne doseže niti pet odstotkov vseh vlaganj, ki jih Nemčija – z zasebnim sektorjem vred – porabi za raziskave in vlaganja v znanost. Iz teh petih odstotkov denarja pa se napaja 95 odstotkov uporabnega raziskovanja v zasebnih podjetjih, ki imajo lastne razvojne oddelke. Vprašanje, ali naj država vlaga v bazične ali uporabne raziskave, je zato zgrešeno. Podpirati mora oboje, razmerje pa bi moralo biti drugačno od današnjega.

Evropske države zagovarjajo vlaganje v uporabne raziskave tudi zato, ker se bojijo azijskih tekmecev. Je azijska grožnja res tako velika, kot jo slikajo politiki?

Znanost ima že od nekdaj tudi sestavine tekme. Najprej so med seboj tekmovale evropske države, nato se je po drugi svetovni vojni začel vzpon ZDA, danes pa se vse bolj krepijo azijske države, ki utegnejo po množičnosti in vlaganjih že v nekaj letih prehiteti tako Evropo kot ZDA. Ta množičnost bo postopoma prinesla tudi kakovost, saj se v Aziji že pojavljajo prvi kakovostni raziskovalni laboratoriji. Znanstvena tekma bo zato postala na neki način podobna nogometu – vse več bo novih reprezentanc. To ne pomeni, da smo danes evropski raziskovalci slabši kot v preteklosti, le konkurenca je vse hujša. Za razvoj znanosti to verjetno ni slabo (nasmešek).

Ameriški avantgardni umetnik John Brockman je na spletni strani neprofitne fondacije Edge pred kratkim vprašal številne ugledne znanstvenike, ali verjamejo v kako resnico, ki pa je ne morejo dokazati. Ste kot raziskovalec že srečali svojo nedokazljivo resnico?

Hm, o tem nisem še nikoli razmišljal (daljši premislek) … Pri svojem raziskovalnem delu sem srečal nekatere zanimive fenomene, ki jih še dolgo ne bomo razumeli. Opazili smo, da je mogoče na celične procese in komunikacijo med celicami vplivati že s tem, da jih osvetlimo med opazovanjem, zato ne moremo vedeti, ali se celica enako obnaša tudi takrat, kadar je ne gledamo. Prav tako vemo, da je komunikacija med celicami odvisna od neštetih dejavnikov, ki jih še ne poznamo, vsak nevron pa ima svojo »osebnost« – kako hitro se odzove, s kako močno reakcijo –, ki vpliva na celične procese. Kljub temu se mi zdijo vsi problemi, s katerimi se ukvarjam, rešljivi. Meni bo verjetno zmanjkalo časa, skoraj gotovo pa jih bodo nekoč razrešili moji znanstveni nasledniki.

***

Nemški biofizik Erwin Neher je direktor oddelka za biofizično kemijo na nemškem inštitutu Maxa Plancka in predstojnik oddelka za biofiziko membran. Predava na univerzi v Göttingenu, kjer tudi (so)predseduje centru za računalniško nevroznanost. V Mariboru je prejšnji teden predaval na mednarodnem srečanju Spregovorimo o fiziologiji, ki ga je organiziral inštitut za fiziologijo mariborske medicinske fakultete.