Исправление ошибок и превращение нейтрино

12 октября 2015, 00:00

Названы лауреаты Нобелевских премий по химии и физике 2015 года

АР/ТАСС
Великобритания. Поттерс Бар. 7 октября 2015. Шведский ученый Томас Линдаль (слева), ставший лауреатом Нобелевской премии 2015 по химии за исследования в области восстановления поврежденной ДНК, перед пресс-конференцией.

Премию по химии присудили шведу Томасу Линдалю, работающему в британском Институте Фрэнсиса Крика; ученому из медицинского Института Говарда Хьюза и Университета Дюка Полу Модричу и профессору университета Северной Каролины Азизу Санкару, которые объяснили, с помощью каких механизмов наш геном защищается от различных повреждений. Нобелевскую премию по физике получили Артур Макдональд и Такааки Кадзита. «за открытие осцилляции нейтрино, показывающее, что у нейтрино есть масса».

Присуждая премию по химии, члены Нобелевского комитета отметили, что каждый из трех лауреатов внес свой вклад в общее понимание процесса репарации ДНК. И это может открыть дверь для применения результатов их исследований, например, при разработке новых лекарств от рака.

Известно, что наш геном упакован в 23 хромосомы и насчитывает 3 млрд пар оснований нуклеотидов. Во время деления клеток, где задействован сложный процесс репликации длинных нитей нуклеотидов, возникают ошибки. Они могут возникать также под воздействием солнечного света и радиации, различных химических веществ. Эти ошибки в генетике называются мутациями. С одной стороны, если бы мутаций не было, не было бы эволюции. С другой — некоторые мутации приводят к возникновению заболеваний. Вспомним хотя бы ошибку в геноме королевы Виктории, в результате которой ее внучка и жена Николая II Александра Федоровна родила больного гемофилией сына Алексея. По словам профессора Бостонского университета Максима Франк-Каменецкого, это послужило генетическим катализатором революции (вследствие привлечения ко двору ненавистного народу Распутина).

Если бы ошибки со временем множились, существование человечества было бы под вопросом. Поэтому природа придумала несколько механизмов защиты нашей генетической информации. Томас Линдаль еще в 1960-х, сразу после открытия структуры ДНК, озаботился вопросом стабильности генома. Он изучал деградацию РНК и задумался: ДНК тоже может разрушаться, но при этом, по логике, должны существовать механизмы, исправляющие ошибки. Считается, что своими работами Линдаль открыл двери в мир, который называется репарацией генома, или исправлением ошибок.

Азиз Санкар изучал деградацию ДНК под воздействием УФ-излучения. Ему удалось определить, выделить и охарактеризовать ферменты, которые находят повреждения в ДНК и удаляют ошибочные фрагменты. Как оказалось, в нашем организме существует несколько систем выявления и устранения ошибок. Одну из них обнаружил Пол Модрич. Механизм включается при обнаружении ошибочно спаренных нуклеотидов. Он описал весь процесс, в результате которого дефект обнаруживается, вырезается и восстанавливается новая дочерняя нить ДНК, без ошибок.

А открытие, сделанное Артуром Макдональдом, руководителем эксперимента по исследованию солнечных нейтрино в нейтринной обсерватории Садбери (SNO) в Канаде, и Такааки Кадзитой, лидером проекта «Супер-Камиоканде» и в настоящее время директором Института космических исследований (ICRR) Токийского университета, повлечет за собой пересмотр некоторых элементов так называемой Стандартной модели, то есть математической теории, описывающей электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц.

Эксперименты этих физиков подтвердили гипотезу, объясняющую одну из загадок солнечной физики, связанную с нейтрино. Нейтрино — элементарная частица, проносящаяся в космическом пространстве практически со скоростью света, но при этом почти не взаимодействующая с материей. Тысячи миллиардов нейтрино каждую секунду пролетают сквозь наше тело, но мы их не чувствуем и не видим. Гипотезу о существовании частицы с такими свойствами выдвинул в 1930 году австрийский физик Вольфганг Паули, причем даже не в статье, а в неформальном письме участникам физической конференции в Тюбингене. Название «нейтрино» предсказанная Паули частица получила в работах итальянца Энрико Ферми 1933–1934 годов.

Часть нейтрино возникли еще в момент Большого взрыва, другие постоянно рождаются в результате разнообразных процессов, происходящих в космосе и на Земле. Ядерные реакции в ядре Солнца, приводят к образованию большого количества нейтрино, поток которых постоянно измеряется с конца 1960-х годов. Измерения показали, что число регистрируемых солнечных нейтрино приблизительно в два-три раза меньше, чем предсказывает Стандартная модель, описывающая процессы в Солнце. Это рассогласование между экспериментом и теорией получило название «проблема солнечных нейтрино» и более тридцати лет физики пытались ее объяснить. Одно из объяснений, оказавшееся верным, состояло в том, что нейтрино может превращаться из одного вида в другой, предложил в 1957 году советско-итальянский физик Бруно Понтекорво. Это превращение получило название нейтринных осцилляций. В том числе и за эту работу ученый шесть лет спустя получил Ленинскую премию.

Эксперименты, подтверждающие догадку Понтекорво, проводились на двух нейтронных детекторах — Супер-Камиоканде (Япония) и нейтринной обсерватории в Садбери (Канада). На первом из них физики под руководством Кадзиты получили экспериментальное доказательство того, что два типа нейтрино, рождающиеся в атмосфере, меняются между собой некой характеристикой, получившей название «аромат». Группа ученых под руководством Макдональда показала аналогичный факт для солнечных нейтрино. Превращение разных типов нейтрино друг в друга возможно только в том случае, если они имеют массу, причем каждый вид — свою. Между тем к началу была сформулирована концепция, являющаяся частью Стандартной модели, согласно которой нейтрино — это безмассовая частица. Теперь эту концепцию физикам-теоретикам придется пересмотреть.