Текст книги "Знание-сила, 2002 № 08 (902)"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 12 страниц)

Приведем еще один пример «молекулярной жирафы» из области медицинской генетики. Недавно была открыта группа болезней, связанных тем, что в ДНК образуются особые островки тринуклеотидных повторов, которые самопроизвольно, в силу неясных еще внутренних свойств аппарата воспроизведения ДНК увеличиваются в размерах в ряду поколений. Совсем как шея у жирафы. Только последствия такой автоматической или автогенетической экспансии повторов получаются печальные. В 1943 году была описана сцепленная с полом умственная недостаточность, поражающая в основном мужчин. В 1969 году было найдено, что у таких пациентов X-хромосома обладает повышенной ломкостью в одном определенном районе. Значительная часть мужчин, носителей мутантного гена, не заболевают. Однако, пройдя одно поколение через дочерей, хромосома с мутантным геном неизменно вызывает заболевание у мальчиков-внуков. Происходит предсказуемое автоматическое усиление действия мутации в ряду поколений. Подобные факты были замечены медиками давно, но генетики склонны были считать такое пред мутационное состояние или «упреждение» болезни предрассудком.

В 1991 году ген, приводящий к синдрому возрастающей в поколениях умственной отсталости, был клонирован. Клонирование во многом позволило понять удивительные семейные особенности наследования. Оказывается, в структуре ДНК этого гена в норме у всех людей есть островки тринуклеотидных повторов (ЦГГ или цитозин – гуанин – гуанин). Если повторов от 6 до 46 – это в пределах нормы. Если число этих же повторов составляет 52-100, то ситуация уже предмутационная, с высокой предрасположенностью к заболеванию мужских потомков. Причем, чем больше блок повторов, тем выше вероятность, что у потомков мутация умственной недостаточности проявится полностью. При числе повторов в гене 200-250 у всех мужчин, носителей такого блока, возникает умственная отсталость.

В этом случае мы имеем еще один аналог «молекулярной жирафы» Ламарка. Достаточно только представить вместо усиления умственной отсталости увеличение шеи жирафы… Так что права оказалась дочь Ламарка, пророчившая, что потомки оценят отвергнутые идеи ее великого отца.

Наследование приобретенных признаков становится правилом в тех случаях, когда видимый признак зависит от соотношения в клетке постоянных и необязательных или факультативных элементов генома. Следующий пример – наилучший для доказательства этой мысли. Французские генетики еще перед войной нашли, что некоторые линии плодовых мушек дрозофил отличаются необычной чувствительностью к углекислому газу. На обычных дрозофил углекислый газ действует, как наркоз, от которого они быстро отходят, если газ убрать. Мухи же из чувствительных линий падают замертво после нескольких секунд воздействия. Этот признак наследовался по материнской линии.

Оказалось, что при инъекции цитоплазмы этот признак можно было передать, как инфекцию, другим особям, даже из близких видов. Тогда как при совместном проживании в течение ряда поколений дрозофил из чувствительных и нечувствительных линий никакого заражения не происходит.

Неканонические наследственные изменения, сезонные с амплификоцией генов под действием отбора и цитостатинам.

Разгадка парадокса прояснилась, когда было найдено, что признак чувствительности зависит от численности и скорости размножения внутриклеточного вируса «сигма» (он напоминает по форме вирус бешенства у млекопитающих), который населяет дыхательные пути и усиленно размножается при образовании яйцеклеток. С ними он вертикально передается из поколения в поколения. Наружу, за пределы клеток-мишеней, вирус не выходит, поэтому он в обычных условиях не инфекционен.

Вот здесь – внимание. Если взять дрозофил из чувствительных линий и в самом начале их развития подействовать краткое время повышенной температурой, то размножение вируса блокируется. В результате появившиеся на свет дрозофилы из чувствительных становятся устойчивыми (вируса больше нет!), и этот новый для данной линии признак устойчивости наследуется. Теперь представим, что мы ничего не знаем о внутриклеточном вирусе-сожителе. Формально ситуация такова: внешнее воздействие в ходе раннего этапа развития привело к появлению нового признака, который наследовался. Подобное наследование, повторим, весьма вероятно в тех случаях, когда некие наследственные особенности зависят от числа и распределения по геному разных семейств мобильных элементов. А они обнаружены уже у всех организмов!

Неменделевское наследование признака, который зависит от популяции факультативных элементов генома. Признак С0г – чувствительности – вызван присутствием в цитоплазме дрозофил вируса «сигма». Наследование цитоплазматическое. После действия температурным шоком на ранних стадиях развития размножение вируса блокируется, и выросшие особи становятся устойчивыми к вирусу («наследование приобретенных признаков»).

Беременность бабушек и здоровье внуков

«Кто меня волшебной властью // Из ничтожества создал? // Душу мне наполнил страстью // Ум сомнением взволновал».

Этот вечный вопрос, мучивший Пушкина, теперь из философской и теологической сферы стал предметом острых обсуждений и даже законодательного регулирования. Не потому, что мы лучше, чем библейские мудрецы или Пушкин, понимаем, что и как из ничтожества создает Душу и Ум.

А потому, что эмбриология и генетическая инженерия приблизились к опасному манипулированию гаметами, зиготами и эмбрионами. Стали актуарными дискуссии, какой момент считать начатом развития – образование зиготы (момент слияния женской и мужской гамет), прикрепление зиготы к материнскому лону (конец 2-й недели оплодотворения) или же еще месяц спустя, когда проступают контуры будущих органов.

С эмбриолого-генетической точки зрения начало развития следует относить к еще более раннему времени, имея в виду весь период формирования женских половых клеток или яйцеклеток. Яйцеклетка начинает формироваться у будущих матерей, еще когда они были зародышами. Выдающийся эмбриолог Павел Григорьевич Светлов (друг Любишева) считал необходимым выделять особый предэмбриональный период развития. Он начинается со стадии обособления женских половых клеток и включает долгий период их формирования. В цитоплазме зрелой яйцеклетки уже имеется сложный каркас, отражаюший наиболее общие черты архитектоники будущего организма (морфологические оси, обособление участков будущих органов). Стало быть, воздействие на цитоплазму, минуя хромосомы, может оказать существенное влияние на проявление и выражение признаков у потомства.

Что значит этот вывод применительно к человеку? Обособление будущих половых клеток начинается на стадии двухмесячного эмбриона, а в случае зрелой яйцеклетки заканчивается лишь через 14-15 лет, с началом полового созревания. Стоит немного задуматься, чтобы ясно представить вытекающий отсюда парадокс: наследственные признаки детей могут зависеть от условий, в которых происходила беременность у их бабушек! Заслуга П.Г. Светлова не только в том, что он теоретически обосновал этот вывод, но, счастливо сочетая в себе глубокого эмбриолога-теоретика и экспериментатора, впервые, пожалуй, доказал его в модельных опытах на мышах. Хотя бы в двух словах обрисую контуры некоторых его опытов.

Полный период развития человека.

Начало выделения первичных половых клеток у человека восходит к зародышевой стадии материнского поколения. На схеме показаны три последовательных женских поколения половозрелого возраста: поколение Р (или «бабушка»), поколение F1 («мама») и F2 («дочь»). Женская особь поколения-2000 возникла из яйцеклетки, которая начала дифференцироваться еще на эмбриональной стадии развития ее матери, когда ею было беременно бабушка (пятидесятые годы). Таким обрезом, условия, в которых проходила беременность у бабушек, могут влиять но появление и характер выражения наследуемых признаков у внучатого поколения!

Эта девушка «образца 2000» возникла из оплодотворенной яйцеклетки, начавшей формироваться еще у бабушки в пору ее беременности в 1950-е годы.

Изучались сходные во всех отношениях две линии мышей-гибридов, носителей мутантного гена, вызывающего аномалию сетчатки глаз (микрофтальмия). Обе линии имели одинаковый генотип. Только у мышей одной гибридной линии матери были нормальные, а отцы мутантные, а у особей другой линии матери несли мутацию, а отцы были нормальные. СУг каждой из линий было получено потомство. И в том случае, где бабушки были мутантные, особи-внуки имели более сильное поражение глаз. Иными словами, наследственная аномалия матерей через цитоплазму яйцеклеток, формирующихся у зародышей, привела к усилению выражения этой мутации и степени аномальности глаз у внуков. Далее Светлов подобрал внешнее воздействие на яйцеклетки, которые улучшало у внучатого потомства «плохой» наследственный признак. Таковым оказалось кратковременное (20 мин) прогревание тела 8– дневного мышонка самки. Иными словами, была продемонстрирована передача по наследству измененных признаков, приобретенных яйцеклетками нагретых самок.

Молекулярный механизм наследования такого рода вариаций, массово индуцируемых сильнодействующими факторами среды в чувствительные периоды развития (а вовсе не всегда!), еще не установлен. Скорее всего, он связан с изменениями не в структуре генов, а с характером их взаимосвязей в сложных цепях формирования признака.

Краткие экскурсы в некоторые современные области изучения наследственной изменчивости показывают, что многое еше нам в этой сфере неизвестно, а многое, и в том числе старая проблема наследования приобретенных признаков, нуждается в ревизии. Обнаруженные аналоги «молекулярных жирафов» Ламарка показывают, что великий биолог вовсе не заслужил снисходительных насмешек, которыми по отношению к его наследию пестрят книги по эволюции. Их авторы абсолютно уверовали в достаточность данных классической генетики и во всемогущество естественного отбора. К каким курьезам ведет эта вера, проиллюстрирую на примере из широко известной книги английского зоолога Ричарда Докинза «Эгоистичный ген» («Selfish Gene»).

Докинз называет себя страстным дарвинистом. Для него нет решительно никаких преград при объяснении любых особенностей морфологии и поведения организмов любого уровня путем отбора. Так, в главе о половом отборе Докинз пытается дать ответ на вопрос, почему человек утратил приапову кость или бакулум, «ведь у многих млекопитающих в пенисе и в самом деле имеется бакулум – кость, придающая ему жесткость и помогающая удерживать эрекцию,… она есть даже у ближайших родичей человека – шимпанзе, хотя она у них очень мала». Вот селективное объяснение Докинза: «Совершенствуя под действием отбора свои диагностические способности, самки могут собирать по крупицам всевозможные данные о состоянии здоровья самца и судят о его способности справляться со стрессовыми ситуациями по напряженности и положению пениса. Однако наличие кости помешало бы этому! Не нужно бьггь особенно сильным или выносливым, чтобы иметь кость в пенисе; это доступно всякому. Таким образом, селективное давление со стороны женщин привело к утрате мужчинами бакулума потому, что только по-настоящему здоровые мужчины способны на действительно стойкую эрекцию, позволяющую женщинам без помех поставить правильный диагноз».

Огрехи подобного рода состоят в том, что гипотезы изобретаются постфактум и по всякому случаю новые, исходя из убежденной веры во всемогущество отбора и адаптивности любых различий между видами. Ведь если бы у мужчин сохранилась или бы даже увеличилась в размере приапова кость, то Докинз столь же остроумно объяснил бы нам, почему именно так действовал отбор! Не знаю, по Ламарку или же другими путями жирафы приобрели свою длинную шею. Но мне трудно согласиться с ходом доказательств дарвиниста Докинза, даже не сомневаясь в тонких диагностических способностях доисторических женщин.

ОЖИДАЕМОЕ ОТКРЫТИЕ

Александр Зайцев

Селектроны, струны и симметрия

Когда сложность и запутанность физической картины мироздания стали нетерпимыми, ученые XX века предприняли беспрецедентные попытки ее упорядочивания. Венцом их усилий стала так называемая стандартная модель, в которую была вложена вся совокупность новейших к тому времени знаний о природе материального мира. Однако в последние годы возникли серьезные сомнения в прочности этого фундамента современной физики…

…С точки зрения физиков, стандартная модель хорошо ладит с экспериментальными данными, но содержит много уязвимых мест. Она не дает ответа на целый ряд вопросов, возникающих перед учеными. Кроме того, она не отличается внутренней стройностью и симметрией, то бишь красотой, как того требует идеальная физическая теория. Так, стандартная модель содержит около двух десятков натуральных констант, в том числе значения массы частиц. Все эти константы нельзя определить с помощью теоретических расчетов; их надо измерять экспериментальным путем. Стандартная модель не отвечает на вопрос, почему большинство элементарных частиц обладает массой. Неясно также, почему в природе существует несколько фундаментальных взаимодействий, резко различающихся по образу действия и интенсивности. Кроме того, одно из этих взаимодействий – гравитационное – доставляет ученым особые хлопоты: его никак не удается включить в общую модель. Ученым приходится «искусственным путем» вводить особую частицу – гравитон, якобы передающую гравитационное взаимодействие.

Чтобы дать ответы на эти вопросы, нужно прибегнуть к новым гипотезам.

Так, существование массы станет понятно, если предположить, что имеются особые частицы, «наделяющие» другие частицы массой, – хиггс-бозоньг. Поясним подробнее фон, на котором они появляются.

Существует – это всего лишь гипотеза – так называемое поле Хиггса. Оно заполняет все мироздание; ему не присуще такое понятие, как «направление». Поскольку любые элементарные частицы, движущиеся сквозь время и пространство, движутся также и сквозь поле Хиггса, они получают от него особое свойство – массу. Это поле можно обнаружить лишь благодаря частицам, возникающим из него на доли секунды, – хиггс-бозонам. По мнению некоторых ученых, имеется целых пять разновидностей хиггс-бозонов.

Отдельные физики уже сейчас почтительно именуют эти частицы «божественными». Однако до сих пор ни в одном эксперименте не удалось убедительно доказать, что они впрямь существуют. Впрочем, в некоторых опытах, возможно, были зафиксированы следы этих таинственных частиц. Это позволило даже вычислить, правда, весьма грубо, массу хиггс-бозонов. Она может быть равна примерно 115 гига-электронвольт. Данный показатель, ежели он таков, примерно в сто раз больше массы протона. В случае, если хиггс-бозоны, в самом деле, существуют, их можно будет обнаружить во время опытов на более мощных, чем сейчас, ускорителях, например на Largo Hadron Collider (LHC).

Возможно, у любой элементарной частицы есть свой двойник – суперчастица; наделенная теми же свойствами, за исключением спина

Ожидание неких революционных перемен в теоретической физике очень сильно, и некоторые результаты экспериментов, проведенных в последние годы, убеждают, что «по ту сторону» Стандартной Модели действительно лежит «новая физика», которую есть смысл поискать.

Так, недавно ученые, работавшие на нейтринном детекторе SNO (Канада, штат Онтарио), показали, что нейтрино, возникающие в ядерной топке Солнца, по пути к Земле теряют свою идентичность, или, как сказал кто-то из физиков, «ведут себя, как крохотные хамелеоны». Этот факт, как и наличие у нейтрино массы – пусть крохотной, но отличной от нуля, – наносит сильный удар по Стандартной Модели физики. Согласно ей, взаимные превращения трех разновидностей нейтрино невозможны и массы у этой частицы нет.

В феврале 2001 года сенсационная новость пришла из стен Брукхэйвенской лаборатории (США). В накопительном кольце удалось разогнать мюоны почти до световой скорости и пропустить их сквозь мощное магнитное поле, при этом ученые измерили магнитный момент мюонов с невиданной прежде точностью. Мюоны, как и более легкие их собратья – электроны, ведут себя, как крохотные стержневые магниты: при движении сквозь магнитное поле они покачиваются относительно направления поля. По частоте этого покачивания можно определить магнитный момент. Так вот, во время эксперимента в Брукхэйвене величина магнитного момента оказалась на 0,0004 процента выше, чем в уравнениях Стандартной Модели. Ученые исходят из того, что на поведение мюонов влияют некие не открытые пока элементарные частицы, отсутствующие в Стандартной Модели.

Протон-антипротонные столкновения могут привести к рождению суперсимметричных чостиц, например при соударении кварка из протона или антипротона с глюоном из другой частицы

Верхний ряд иллюстрирует процессы, описываемые Стандартной Моделью. Взаимодействие в рамках суперсимметричной теории легко получить, заменив любые две линии, входящие в вершину Стандартной Модели, на линии соответствующих суперчастиц

Впрочем, некоторые физики полагают, что это отклонение в результатах вызвано «статистическим шумом». С другой стороны, рассуждения о том, что могут существовать некие неизвестные частицы, не вписывающиеся в Стандартную Модель физики, отвечают устремлениям теоретиков. Так, согласно теории струны и М-теории, наряду с известными нам элементарными частицами существует целый «зоопарк» других частиц. Возможно, ясность будет внесена уже в ближайшее время после обработки новых результатов измерений, а также после измерения магнитного момента не только у положительно заряженных мюонов, как сейчас, но и у отрицательно заряженных мюонов. «Если расхождение в результатах опытов и теоретических выводах подтвердится, то вряд ли можно будет сомневаться в том, что дверь в царство новой физики распахнута», – говорит профессор Гюнтер Верт из Майнцского университета.

Ядром новой физики может стать так называемая Суперсимметрия. Ее существование оправдано в глазах многих физиков по целому ряду причин. Во-первых, ее принцип подразумевает наличие хиггсбозонов, придающих элементарным частицам массу. Во-вторых, при наличии Суперсимметрии все четыре известных нам фундаментальных взаимодействия могут соединиться и образовать так называемую Сверхсилу, или Суперсилу. Произойдет это, правда, лишь при «энергии Планка» – энергии, которая в десятки миллионов миллиардов раз выше, чем максимальная энергия, достижимая в современных ускорителях.

Наконец, теория струны тоже требует, чтобы мир был суперсимметричен. Ведь, согласно этой теории, все материальные и силовые частицы суть колебания одной и той же элементарной струны, а значит, в основе основ между этими типами частиц нет разницы: материальные частицы могут превращаться в силовые и наоборот. Следовательно, делают вывод теоретики, у каждой материальной частицы есть свой суперсимметричный двойник – некая силовая частица, и, соответственно, у каждой силовой частицы есть суперсимметричный материальный двойник. Это значит, что во Вселенной должно быть, по крайней мере, вдвое больше разновидностей частиц, чем известно исследователям.

Эти суперсимметричные частицы (суперчастицы) еще предстоит открыть. Однако ученые уже давно раздают им имена. Так, в пару к электрону подобрали сэлектрон, в пару к мюону – смюон, кварки дополнили скварками, а суперсимметричный фотон назвали «фотино».

Результаты эксперимента с мюонами, проведенного в Брукхэйвене, могли бы стать первым фактом, подтверждающим, что эти таинственные частицы существуют. Именно присутствие суперсимметричных частиц объясняет, почему величина магнитного момента мюона оказалась именно такой. Возможно, что эта догалка, а также правота авторов теории струны окончательно подтвердятся в 2006 году, когда войдет в строй LHC. Тогда при столкновении фотонов будет высвобождаться достаточная энергия для того, чтобы получать суперсимметричные элементарные частицы.

Пока же теоретикам остается лишь мечтать. «Если будут открыты суперсимметричные частицы, наука совершит грандиозный скачок вперед» – говорит Херман Николаи. Профессор Джон Шварц из Калифорнийского технологического института полагает даже: «В случае, если в опытах на новом коллайдере или каком-то другом ускорителе будет доказана Суперсимметрия, то это открытие станет одним из величайших в истории человечества. По моему мнению, оно гораздо важнее, чем возможное открытие жизни на Марсе».

Впрочем, вряд ли за пределами касты физиков найдется много тех, кто относится к их работе с таким же энтузиазмом. Восторг же самих физиков легко объяснить. Согласно теории, самая легкая суперчастица должна быть стабильной. Следовательно, таинственная темная материя может состоять именно из таких частиц. Открытие Суперсимметрии придаст новый импульс поискам всемирной формулы мироздания. Вот что писали по этому поводу доктор Гудрид Моортгат-Пик из Венского университета и профессор Петер Цервас из DESY: «Если прежние косвенные свидетельства не обманывают, значит физика элементарных частиц находится на пороге важнейших открытий, которые могут сыграть решающую роль в создании единой теории материи и ее фундаментальных взаимодействий».

Адреса в Интернете:

«KworkQuark – элементарная физика для всех!» (сайт подготовлен в DESY): kworkquark.desy.de

Информация о Laige Hadron Collider на сайте CERN: lhc.web.cern.ch/lhc

Введение в физику элементарных частиц и космологию на сайте Лаборатории Ферми: www.fnal.gov/pub/inquiring/matter/inde x.html

Введение в теорию струны на сайте профессора Джона Шварца: www.theorycaltech.edu/people/jhs/ strings

Официальный сайт теоретиков струны: www.superstringtheoiycom

Сайт международной конференции «Strings 2001»: theory.theoiytifr.res.in/strings

Сайт «Суперкамиоканде»: www-sk.icn.utokyo.ac.jp/doc/sk/

Рафаил Нудельман