Вы здесь

Звездная пыль

понедельник, 1. июня 2015 - 12:29

Все мы сделаны из звездной пыли, как сказал когда-то американский астроном Саган. Но иногда этой пыли ученым недостает.

Недавно группа немецких, израильских и австралийских ученых под руководством д-ра Валльнера сообщила в журнале Nature Communications, что ей недостает изотопа плутония-244 на дне земного океана и что это грозит серьезными последствиями для науки. Это несколько удивительно. Что делает плутоний на дне океана и как его может там недоставать?

Объясняю. Хотя науке сейчас известно уже 117 элементов, отнюдь не все они возникли в ходе образования вселенной. 23 сверхтяжелых, последних в таблице Менделеева после плутония, были созданы людьми искусственно в их ускорителях. Но даже первые 94 возникли далеко не сразу. Сначала температура расширявшейся вселенной должна была упасть ниже двух миллиардов градусов (считают, что это произошло через 3 минуты после Биг Бэнга), и только тогда могли образоваться простейшие устойчивые ядра – в основном водорода и гелия, поменьше лития и бериллия и чуть-чуть бора.

По расчетам ученых, этот процесс «нуклеосинтеза» завершился через 20 минут после Биг Бэнга, потому что температура упала еще ниже, водород перестал превращаться в гелий и плотность гелия осталась ниже той, при которой могли бы образоваться ядра углерода и более тяжелых элементов. Этим пришлось ждать еще 500 млн лет, до образования первых звезд. В термоядерных реакциях внутри этих звезд стали возникать ядра более тяжелых элементов вплоть до железа, и когда эти звезды распадались или сбрасывали оболочки, превращаясь в белые карлики, эти элементы рассеивались в пространстве и создавали те облака космической пыли и газа, из которых возникли звезды следующих поколений – в том числе и наше Солнце с его планетами. Вот почему мы – звездная пыль. Бывшая звездная пыль, разумеется.

Несколько менее ясна история элементов, тяжелее железа. Теория нуклеосинтеза говорит, что образование таких тяжелых атомных ядер из более легких требует быстрого притока большого количества нейтронов; в этом случае легкое ядро почти мгновенно превратится в относительно устойчивое (т.е. с большим периодом полураспада) тяжелое ядро, и так могут возникнуть все тяжелые элементы, вплоть до тория, урана и даже плутония. Такой механизм называется в науке R-процессом (от слова rapid, т.е. быстрый) и на данный момент известны две возможных ситуации, в которых такой процесс (требующий фантастических температур и давлений) может происходить – это взрывы т.н. сверхновых звезд, а также столкновения нейтронных звезд друг с другом или с черной дырой. В обоих случаях эти тяжелые элементы тоже выбрасываются в пространство и могут войти затем в состав новых звезд и их планет.

И действительно, наша Земля при ее образовании, т.е. 4.52 млрд лет тому назад, получила такие элементы, в том числе и их радиоактивные изотопы. Три таких изотопа – уран-238, торий-232 и калий-40, - до сих пор входят в состав наружного слоя земного ядра (внутри это ядро железно-никелевое). Они имеют такие огромные периоды полураспада (4.5, 14.3 и 1.5 млрд лет соответственно), что их превращение в более легкие элементы приводит к непрерывному выделению тепла и радиоактивных изотопов, которое вот уже миллиарды лет согревает нашу планету изнутри. (К этому добавляется также распад более легких радиоактивных изотопов, происходящий уже в земной мантии). Именно за счет этого тепла на поверхности Земли происходит постоянное движение континентальных плит, без которого, как сегодня считают ученые, жизнь на Земле могла бы и не возникнуть.

Плутоний в этот список не входит, потому что его изотопы распадаются быстрее. Даже у самого долгоживущего, у плутония-244, период полураспада составляет лишь 81 млн лет, так что весь плутоний, который вошел в виде звездной пыли в состав Земли при ее образовании, давно уже «выгорел». Но поскольку взрывы сверхновых звезд и столкновения нейтронных звезд по-прежнему продолжаются, то все тяжелые элементы, включая плутоний, все время выбрасываются в космос. И хотя здесь они распадаются, но им на смену приходят новые выбросы, и потому во вселенной образуется некий квази-устойчивый уровень каждого из этих элементов. В виде звездной пыли эти вещества попадают и на Землю, и здесь оседают на почве и на дне океанов, причем на океанском дне эта пыль постепенно (2-3 мм за 1 млн лет) скапливается в виде окаменевших отложений, сохраняющих то, что оседало на Землю в течение сотен миллионов лет.

Как раз в этих отложениях упомянутая выше группа Валльнера и искала следы плутония- 244. Ее интересовал именно этот элемент, поскольку он распадается относительно быстро (наполовину меньше, чем за 100 млн лет) и потому нынешний уровень его концентрации может дать информацию о том, какие именно процессы его порождают в последние сотни млн лет. Дело в том, что взрывы сверхновых звезд, происходящие 3-4 раза в столетие, – куда более частое явление в галактике, чем столкновения нейтронных звезд друг с другом (происходящие 2-3 раза в 100 тысяч лет). И если тяжелые элементы порождаются преимущественно сверхновыми, то концентрация этих элементов во вселенной (а стало быть и в земных отложениях) должна быть много выше, чем в случае их порождения нейтронными звездами. Результаты проведенных ранее исследований океанских отложений не позволяли выбрать из этих гипотез, но вот сейчас много более точные измерения группы Валльнера, как будто бы подтвердили вторую гипотезу.

Измерения были очень тщательными: счет оставшегося в образцах плутония шел буквально на атомы и потому учтены были возможные влияния метеоритов, атмосферы, атомных бомб, радиоактивности в мантии и т.д. и т.д. и т.д. И эти измерения привели авторов к выводу, что за последние пару сот миллионов лет из космоса на Землю поступило в сотни раз меньше плутония, чем должно было бы быть по «сценарию сверхновых». Это действительно «недостача» с серьезными последствиями. Если она подтвердится, физикам придется признать, что элементы-ураниды образуются, в основном, при столкновениях нейтронных звезд, т.е. крайне редко (и сразу много). А это не только радикальный пересмотр прежних теорий. Если ураниды образуются крайне редко, то и согреваемые ими изнутри планеты тоже должны быть крайней редкостью в галактике.

А это грустно.

_____________________________________________________________________________________________________________________________

Новая панацея

Панацея, а точнее Панакея, - имя древнегреческой богини, которая способна была излечить любую болезнь, а также название соответствующего (мифологического) лекарства. Это старинное, идущее еще от алхимиков слово невольно вспоминается, когда читаешь в журнале Cell недавнюю публикацию группы биологов из лаборатории Джона Седиви (Брауновский университет, США). В ней они сообщают, что подавление некого «гена MYC» в геноме мыши приводит к таким улучшениям ее здоровья, которые кажутся совершенно фантастическими. Эти мыши живут дольше обычных, у них уменьшается остеопороз, приостанавливается характерный для старения спад иммунной активности, улучшается координация всех движений, замедляются ведущие к ожирению старческие изменения в переработке жиров, снижается уровень холестерола, уменьшается уровень инсулино-подобного гормона роста (IGF-1), и вдобавок ко всему существенно замедляется развитие раковых опухолей. Короче, «фонтан юности». Ну, если не юности и не омоложения, то, в любом случае, существенного замедления старости.

Чудеса? Не совсем. Роль этого «гена MYC» в различных жизненных процессах, в том числе и старения, известна давно и изучается интенсивно. Свидетельством тому может служить множество научных статей на ту же тему, появившихся в последние годы. Но в работе Седиви и его коллег была впервые предпринята попытка воздействовать на работу этого гена, и обнаруженные при этом последствия оказались настолько благотворны и широки, что это заставляет присмотреться: уж не открыли ли эти ученые и в самом деле секрет здорового долголетия?

Ответ требует некоторого понимания, что это вообще такое - «ген MYC». Начну издалека. С тех пор, как миллиарды лет назад возникли клетки, в которых ДНК упрятана во внутреннее ядро ( такие клетки называются эукариотными), перед ними встала проблема: как уместить свои ДНК в это крохотное ядро? В каждой клетке имеется несколько (у человека, например, 46) таких молекул, на каждой из которых находится какая-то часть ее генов, и общая длина всех этих молекул огромна: у того же человека это около 6 метров, т.е. в миллион (!) раз больше диаметра клеточного ядра. Природа решила эту проблему, придумав способ многократно изгибать молекулы ДНК с помощью специальных белков (они называются гистоны), а потом невероятно плотно паковать в виде нескольких сгустков. А для того, чтобы при этом сделать возможным доступ к генам внутри этих сгустков, та же природа создала другие молекулы (они обозначаются НАТ), которые способны расслаблять гистоновую упаковку.

Так вот, ген MYC заведует производством такого белка, который может «включать» или «выключать» эти НАТ, особенно те их них, которые расслабляют упаковку ДНК в местах, особенно богатых генами. В результате, этот ген косвенным путем регулирует работу около 15% -20% всех генов организма. Поэтому та или иная его порча (мутация) приводит к аномальной работе сразу многих генов, в частности тех, которые управляют делением и размножением клеток, что зачастую влечет за собой неудержимый рост клеток, т.е. их превращение в раковые. Но вдобавок к этому, ген MYC оказывает такое критически важное влияние на целый ряд жизненных процессов (производство белков, сохранение стволовых клеток, их специализация, выработка энергии, уничтожение испорченных клеток и т.д.), что его подавление в эмбриональной стадии развития организма приводит к гибели зародыша.

С другой стороны, слишком активная работа этого гена тоже опасна – она приводит к ряду нарушений, в частности – к преждевременному старению, потому что повышенная активность гена MYC вызывает чересчур быстрое производство энергии, а это сопровождается ростом уровня оксидантов, которые разрушают ДНК; кроме того, это ускоряет производство новых клеток в организме, что быстрее исчерпывает его запас здоровых стволовых клеток; и наконец, это вызывает повышенную склонность к воспалительным процессам. Зато снижение активности гена MYC замедляет многие из этих вредных процессов и вдобавок на целых 20% уменьшает вес мышей, как будто они находятся на низкокалорийной диете, а такая диета, как известно, способствует здоровому долголетию.

Исходя из этого, группа Седиви решила проверить, как будет влиять на долголетие мышей снижение активности их гена MYC путем полного подавления одной из его копий. Известно, что половину своих ДНК животные получают от отца, а другую от матери, т.е. каждый вид ДНК представлен в нашем организме в виде двух копий. Стало быть, у каждого из нас (и у любых других животных тоже) есть и две копии гена MYC. Путем многократных скрещиваний ученые вывели «линию» мышей, у которых ген MYC в одной копии ДНК просто отсутствовал, и стали изучать их особенности. Все они оказались на 15-20% меньше нормальных по размерам, но это уменьшение было одинаковым во всех органах и тканях. В остальном развитие и плодовитость мышей остались нормальными. Зато длительность жизни увеличилась – у самцов примерно на 10%, у самок – примерно на 20%. О других последствиях этого подавления уже говорилось выше.

Все это позволяет думать, что открыт новый важный (некоторые считают даже -главный) механизм старения и возможный путь влияния на него. Но скептики говорят, что такие выводы преждевременны, поскольку работа проведена только на мышах одной-единственной генетической линии. Может оказаться, что для других линий это не так. Могут также выявиться отрицательные последствия. Наконец, все это может оказаться верным для мышей, но не для людей.

Так что с панацеей придется пока подождать.

Рафаил Нудельман
"Окна", 21.05.2015