Почему наш мир таков, каков он есть. Природа. Человек. Общество (сборник)
Шрифт:
Взрывы сверхновых
И нейтронные звезды, и черные дыры рождаются при взрывах сверхновых. Есть снимки звезд перед взрывом. На снимке видно звездочку, а спустя какое-то время после взрыва все рассеялось и ничего нет. Звезда вспыхивает, становится ярче целой галактики – и исчезает. В год мы видим сотни взрывов звезд, но пока не знаем, как взрываются сверхновые.
Ожидается, что в ближайшие годы будет очень большой прогресс в изучении сверхновых. Компьютеры будут становиться мощнее, и можно будет строить более детальные модели. Наблюдения позволят нам узнать гораздо больше, чем сейчас. Мы можем надеяться увидеть очень ранний этап вспышки. Для этого нужно одновременно осматривать все небо телескопами в разных диапазонах. Сделать это очень сложно, но сейчас мы подошли к тому, что почти все небо все время под контролем. Будут также наблюдать нейтрино – замечательные частицы, очень плохо взаимодействующие с веществом. Можно сколько угодно фантазировать про частицы кваркового вещества, а нейтрино тем временем идут через нас сплошным потоком постоянно. И они нас совершенно
Нейтрино пока удалось увидеть лишь однажды, во время очень близкой, каких-то 150 тысяч световых лет, вспышки в Большом Магеллановом Облаке [21] . Вблизи нас нет звезд, которые должны взорваться в ближайшие годы. На физически опасном расстоянии нет ничего и близко похожего. Не знаю, хорошо это или плохо. На каком-то умеренно интересном расстоянии есть звезды, которые взорвутся через миллионы лет. Все наблюдаемые сверхновые находятся довольно далеко. Новые детекторы смогут видеть нейтрино на расстояниях в миллионы световых лет. Пока, к сожалению, ничего не взорвалось: не каждый день неподалеку взрывается сверхновая.
21
Большое Магелланово Облако – карликовый спутник нашей Галактики, где в феврале 1987 г. наблюдался самый близкий к Земле взрыв сверхновой – вспышка SN 1987A. Более четверти века астрономы внимательно наблюдают за тем, что происходит после взрыва. Любопытно, что до сих пор точно не известно, что именно там образовалось – нейтронная звезда или черная дыра.
Совсем недавно произошло радостное событие – впервые сверхновая взорвалась в компьютере. Люди смогли построить модель, где не надо было ничего добавлять руками для того, чтобы звезда полноценно взорвалась. До этого был необходим дополнительный толчок, чтобы звезда разлеталась. Было известно, сколько должно выделяться энергии, но получалось, что выделяется меньше, так что ее добавляли руками.
Интересно, что взрыв сверхновой очень несимметричен. Представьте себе нейтронную звезду – десятикилометровый шарик с плотностью как у атомного ядра, массой Солнца и скоростью 1000 километров в секунду. А такие скорости наблюдаются! Эту звезду надо было очень несимметрично родить – в момент рождения дать ей пинка. То, что взрывы сверхновых несимметричны, очень нетривиально и очень хорошо. Это и есть тот самый пинок. Потихоньку мы действительно начинаем понимать, как взрываются сверхновые, поскольку даже из скоростей нейтронных звезд пытаемся выудить информацию о физике взрыва. Многое сделано, но многое еще предстоит.
«Нейтронные звезды страшно интересно исследовать, и в некотором смысле это имеет народно-хозяйственное значение».
Константин Северинов. Роль случая в одном научном исследовании
Константин Северинов – Доктор биологических наук, профессор Ратгерского университета (Нью-Джерси, США) и Сколковского института науки и технологии.
Этот рассказ – о том, как делаются исследования в современной биологии. Но для начала следует ввести всех в курс дела, чтобы легче было продвигаться дальше. Начнем с главного.
Центральная догма молекулярной биологии
«Догма» – не очень удачное слово. Некоторые его пугаются, думая, что это непременно нечто косное, принципиально недоказуемое, ограничивающее свободный полет мысли. Точно так же и с теорией Дарвина: почему-то есть люди, которые считают, что раз она называется теорией, то она, скорее всего, не доказана. На самом деле центральная догма молекулярной биологии просто описывает, каким образом из информации, записанной в генах, возникает что-то типа меня, присутствующих в зале слушателей или бактерий. Другими словами, как генетическая информация выражается (ученые часто говорят «экспрессируется»), в результате чего клетки приобретают свою индивидуальность.
Часто центральную догму формулируют в виде краткого афоризма: «ДНК –> РНК [22] –> белок». Вот что это значит.
Генетическая информация хранится в ДНК – это знаменитая молекула, которая выглядит как двойная спираль. Молекула ДНК – это фактически линейная последовательность оснований; для нас важно думать про них как про буквы. Это просто генетический текст. Алфавит русского языка состоит из 33 букв, и с помощью комбинаций этих букв мы можем составлять тексты, которые имеют смысл. Генетический язык для всей жизни един – он был «изобретен» только раз, и его алфавит состоит всего из четырех букв. Они называются А, G, C и T – аденин, гуанин, цитозин и тимин. Для биологической функции ДНК очень существенно, что последовательность букв, то есть генетическая информация, содержащаяся в одной цепи, отражена в – или «комплементарна», как говорят ученые, – последовательности другой цепи. Это фактически означает, что генетический текст в двойной цепочке закодирован дважды. Можно
разделить цепи, а затем достроить на разделенных цепочках недостающие «буквы», чтобы спирали снова стали двойными. Теперь цепочек будет уже не одна, а две. Так генетическая информация дуплицируется и передается в поколениях. На очень грубом уровне мы возникаем из своих родителей именно в ходе такого процесса.22
ДНК и РНК – дезоксирибонуклеиновая кислота; рибонуклеиновая кислота. Биополимеры (полисахариды), состоящие из остатков сахаров дезоксирибозы и рибозы соответственно. К полисахаридному каркасу присоединяются азотистые основания (пурины и пиримидины), уникальная последовательность которых создает возможности для генетического кодирования.
Итак, информация хранится, дуплицируется, то есть передается потомству, но она еще должна работать: генетический текст должен что-то нам сказать, и потом что-то должно случиться, чтобы из текста вырос живой организм. Происходит это таким образом: сначала идет процесс под названием «транскрипция» [23] . При этом одна из цепей ДНК переводится в другую молекулу, очень похожую, которая называется РНК. Последовательность букв в ней идентична исходной ДНК. А затем молекула РНК транслируется: это означает, что на ней синтезируется белок. Есть специальный генетический код, в результате которого последовательность букв в молекуле РНК, а следовательно, и в ДНК, переводится в последовательность аминокислот в белке. А белки – это то, из чего мы состоим. У меня волосы вьющиеся и темные, а у вас, возможно, другие, и связано это с тем, что белки, из которых состоят волосы, разные у каждого из нас. У разных людей эти белки очень похожи, но есть и отличия – большинство «букв» те же, но кое-где написание слегка изменено.
23
Транскрипция – процесс синтеза молекулы РНК, комплементарной данному участку ДНК, с помощью фермента РНК-полимеразы. Трансляция – синтез полипептидной цепи (белка), закодированной в молекуле РНК, с помощью рибосомы. Совокупность этих процессов, приводящих к появлению в клетке белков, закодированных тем или иным геном, называют экспрессией гена.
Итак, ДНК –> РНК –> белок. Стрелки здесь показывают, в какую сторону движется информация. Очевидно, что гены при посредничестве РНК влияют на белки – то есть на фенотип, или на то, как организм выглядит и что с ним происходит в жизни. Но обратно, от фенотипа к генам, информация не передается. То, что происходит с организмом в жизни, не влияет на его гены. Приобретенные признаки не наследуются: вопреки взглядам злополучного академика Лысенко, сколько ни обрубай мышам хвосты, бесхвостые мышата у них ни в каком поколении не появятся. Центральная догма была сформулирована в начале 1960-х годов и, безусловно, является одним из величайших фундаментальных научных открытий.
История одного опыта
Фундамент центральной догмы закладывался еще в первой половине ХХ века, и один из важнейших этапов связан с именами Сальвадора Лурии и Макса Дельбрюка, позже ставших нобелевскими лауреатами.
Макс Людвиг Хеннинг Дельбрюк – 1906–1981 – Американский биофизик немецкого происхождения, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1969 г. (совместно с Алфредом Херши и Сальвадором Лурией) «за открытия, касающиеся механизма репликации и генетической структуры вирусов».
Сальвадор Эдвард Лурия – 1912–1991 – Американский микробиолог, лауреат Нобелевской премии 1969 года (совместно с Алфредом Херши и Максом Дельбрюком).
Макс Дельбрюк – физик, убежавший из гитлеровской Германии в Америку. Биологией он занялся по настоянию нашего соотечественника Тимофеева-Ресовского. Дельбрюк чувствовал, что время великих открытий в физике подходит к концу, а Тимофеев-Ресовский убедил его, что природа наследственности стоит того, чтобы ею заниматься. Вместе они сделали несколько классических работ по определению размера гена. Сальвадор Лурия, в свою очередь, бежал в Америку из фашистской Италии. По специальности он был микробиолог.
Дельбрюка и Лурию заинтересовал исключительно фундаментальный вопрос – как возникают наследуемые изменения – мутации – у бактерий. Рассмотрим, например, мутации, вызывающие у бактерий устойчивость к бактериальным вирусам (их называют бактериофагами). Возьмем бактерию под названием «кишечная палочка» – она живет в каждом из нас в огромном количестве и является излюбленным модельным объектом молекулярных биологов. Если кишечная палочка встретится с вирусом-бактериофагом, она наверняка будет им убита. Но это относится к нормальной кишечной палочке (ее еще называют бактерией дикого типа). Если мы возьмем много-много бактерий и заразим их вирусом, мы увидим, что несколько бактерий непременно выживут и образуют на чашке с питательной средой вполне здоровые и жизнеспособные колонии, как будто вирус им нипочем. Можно показать, что все клетки в этой колонии стали устойчивы к вирусу. Значит, они произошли из клетки-родителя, у которой каким-то образом появилась устойчивость к вирусу. Как могла возникнуть такая устойчивость?