Геном ланцетника и поле Хиггса поведали об эволюционном успехе позвоночных и обретении массы фермионами третьего поколения

Геном ланцетника и поле Хиггса поведали об эволюционном успехе позвоночных и обретении массы фермионами третьего поколения
В волновом характере мироздания и новости о научных открытиях поступают волнообразно.
Новый прилив свежих сил и импульс науке наверняка придадут полученные деятелями науки в экспериментах на Большом адронном коллайдере результаты, кои слегка проясняют то, как именно составляющие основу мироздания элементарные частицы конкретно обретают массу.
Это важно для понимания того, как шла эволюция, когда еще и ничего живого на свете-то не было, и как она идет сейчас, когда эволюцией живого пройдены уже невообразимо огромные эпохи.
Поскольку элементарные частицы - первооснова всего известного на сегодняшний день сущего, в том числе – трепетной тайны зарождения и развития жизни на планете Земля.
На стезе распутывания закономерностей эволюции живого деятелям науки также удалось не то чтобы сделать несколько больших шагов вперед, а - через функциональный анализ генома европейского ланцетника – получить некоторые прояснения на предмет того, откуда и как, собственно, произошли в земных условиях «морфологическое разнообразие и эволюционный успех позвоночных».
Научные открытия – вообще поразительная штука. Большой адронный коллайдер ученые соорудили, чтобы доискаться и постичь непонятную до селе загадку так называемой темной материи, коя вообще-то преобладает, как считается, во вселенной. Но на нем пока открываются неизвестные детали существования элементарных частиц, причем – укладывающиеся в рамки так называемой Стандартной модели.
После открытия бозона Хиггса – последней частицы, предсказанной той самой Стандартной моделью – деятелям науки, к примеру, удалось через поле Хиггса объяснить «массу слабых векторных бозонов – носителей слабого ядерного взаимодействия, спин которых равен единице (W- и Z-бозоны)», напоминает в своем пересказе «Наука и жизнь».

«Дело в том, что математическая согласованность модели требует нулевой массы для носителей ядерного взаимодействия, но в то же время чрезвычайно короткое расстояние, на котором проявляется эта сила, предполагает участие массивных частиц. Механизм Хиггса разрешает это противоречие: согласно ему, массы слабых векторных бозонов - это не собственные характеристики частиц, они появляются в результате взаимодействия с вездесущим полем Хиггса. Так вот, возможно, что похожий механизм должен объяснять и массу фермионов – частиц с полуцелым спином. Для этого нужно эксперименальное наблюдать взаимодействие бозона Хиггса с фермионами.
Genom lancetnika i pole Higgsa povedali ob ehvolyucionnom uspekhe pozvonochnyh i obretenii massy fermionami tretego pokoleniya1На сегодняшний день нам известны 12 элементарных фермионов, которые разделяют на три «поколения». Первое поколение состоит из верхнего и нижнего кварков, электрона и электронного нейтрино. Эти фермионы являются базовыми ингредиентами материи: протоны и нейтроны состоят из верхнего и нижнего кварков, а электронные нейтрино испускаются при некоторых радиоактивных распадах. По причине, которая до сих пор не полностью ясна, у первого поколения фермионов существуют две более «тяжёлые» копии. Второе поколение включает в себя очарованный и странный кварки, мюон и мюонное нейтрино. Заряженные частицы второго поколения весят существенно больше. Третье поколение состоит из b- и t-кварков, тау-лептона и тау-нейтрино, и масса заряженных фермионов в этом поколении ещё больше, чем в предыдущих.
Если масса фермионов действительно появляется при их взаимодействии с полем Хиггса, то разница в массе фермионов из каждой группы должна отразиться на силе их взаимодействия с бозоном Хиггса. Изучением именно этого и занялась коллаборация экспериментов ATLAS и CMS после того, как подтвердила существование бозона Хиггса. Последние данные показывают, что бозон Хиггса распадается на два b-кварка. Это наблюдение подтверждает роль поля Хиггса в образовании массы третьего поколения фермионов.
Наблюдение распада бозона Хиггса на два b-кварка – это результат обработки данных, собранных за последние 6 лет. Оба эксперимента увидели сигнал этого распада со статистической значимостью 5.4 и 5.6 σ (σ – квадратичное отклонение, статистическая значимость 5 σ принята как условие для признания результата действительным в физике частиц). Частота, с которой наблюдается этот распад, согласуется с предсказанием Стандартной модели, хотя погрешность измерений составляет около 20%.
Бозон Хиггса образуется при столкновении высокоэнергетических частиц и практически сразу же распадается на различные частицы. Вероятность каждой разновидности распада зависит от силы взаимодействия бозона Хиггса и частиц, на которые он распадается, а эта сила в свою очередь определяется их массой. Среди элементарных частиц b-кварки – одни из самых тяжёлых, поэтому сценарий распада с их участием наиболее вероятен: он должен происходить в 58% случаев. Вполне вероятно, что b-кварки могут образоваться и при сильном ядерном взаимодействии, которое тоже возможно при протон-протонных столкновениях. Их фон маскирует распад бозона Хиггса, именно поэтому для его первого экспериментального наблюдения, объявленного в 2012 году, физики искали только распады, включающие фотоны, носители электромагнитного взаимодействия, и слабые векторные бозоны, о которых мы упоминали раньше.
Поэтому, чтобы увидеть распад на нижние кварки, исследователи обратились к более редким сценариям образования бозона Хиггса, в частности, к процессам, в которых они образуются вместе со слабыми векторными бозонами. С технической стороны для этого необходимо очень тщательно обработать данные с детектора частиц. Сложносочинённые методы обработки данных включают машинное обучение. Требуется реконструировать энергии и импульсы слабых векторных бозонов, «пометить» пучки частиц, возникших при распаде нижних кварков, и точно смоделировать фон, созданный другими распадами, чтобы выделить сигнал. К сожалению, нынешняя точность экспериментов не позволяет обнаружить отклонения от Стандартной модели,- разъясняется эволюция научного поиска на коллайдере в пересказе.

При этом все-таки подчеркивается важность полученных результатов, поскольку они «напрямую подтверждают взаимодействие бозона Хиггса с третьим поколением фермионов».
Кроме того, согласно пересказу, опубликованные недавно данные экспериментов показывают, что «бозон Хиггса распадается на тау-частицы» и он образуется «вместе с t-кварками», и «вместе эти результаты означают, что поле Хиггса действительно образует массы частиц третьего поколения фермионов».
Genom lancetnika i pole Higgsa povedali ob ehvolyucionnom uspekhe pozvonochnyh i obretenii massy fermionami tretego pokoleniya2Genom lancetnika i pole Higgsa povedali ob ehvolyucionnom uspekhe pozvonochnyh i obretenii massy fermionami tretego pokoleniya3Деятели науки надеются получить новые детали «взаимодействия бозона Хиггса с фермионами» в новой серии высокоточных измерений - после того, как будет увеличена мощность пучка Большого адронного коллайдера. Ожидается, что это позволит существенно уменьшить погрешность измерений. Ученые предполагают, что модернизация коллайдера даст им возможность наблюдать «распад бозона Хиггса на пару мюонов». Увидеть сейчас «распад на очарованные кварки при протон-протонных столкновениях» невозможно «из-за сильного фона». Чтобы его наблюдать – нужен гигантский электронно-позитронный коллайдер. Такового в наличии пока нет.
Между тем, международная команда биологов «отсеквенировала» геном европейского ланцетника и через его «всесторонний функциональный анализ» получила данные, позволяющие делать выводы о том, откуда и как, собственно, произошли в земных условиях «морфологическое разнообразие и эволюционный успех позвоночных». Об этом повествуют в своем пересказе опубликованных в Nature результатов исследований биологов «Элементы».


Ученые – при сравнении «экспрессии генов, особенно регуляторных, в ходе индивидуального развития у ланцетника и позвоночных» - обнаружили глубокое сходство.

«Genom lancetnika i pole Higgsa povedali ob ehvolyucionnom uspekhe pozvonochnyh i obretenii massy fermionami tretego pokoleniya4Genom lancetnika i pole Higgsa povedali ob ehvolyucionnom uspekhe pozvonochnyh i obretenii massy fermionami tretego pokoleniya5Оно свидетельствует об эволюционной консервативности «генетической программы развития» базового плана строения хордовых животных. Таким образом, исследование дало новые аргументы в пользу того, что ланцетник представляет собой «живую упрощенную схему» хордового животного не только по своей морфологии, но и по генетическим механизмам регуляции развития,- разъясняется в пересказе.

Главный позитив результатов исследований биологов – в том, что они позволили «лучше понять, как повлияли на эволюционную судьбу позвоночных две полногеномные дупликации, произошедшие у их далеких ланцетникоподобных предков».
Десять лет назад деятелям науки все было не так очевидно.

«Genom lancetnika i pole Higgsa povedali ob ehvolyucionnom uspekhe pozvonochnyh i obretenii massy fermionami tretego pokoleniya6Следствием порожденной дупликациями «генетической избыточности» стало радикальное усложнение системы регуляции многих генов — регуляторов развития. Дупликации создали по четыре копии («онолога») каждого предкового гена. Судьба онологов в дальнейшем складывалась по-разному. Вероятность того, что онологи поделят функции и сохранятся, а не будут утрачены за ненадобностью, была выше у генов, чьи функции связаны с регуляцией развития. Часто одни онологи сохраняли широкий спектр предковых функций, тогда как другие онологи из той же исходной четверки специализировались на отдельных аспектах старых функций или приобретали новые. Специализация сопровождалась приобретением новых регуляторных участков, то есть усложнением регуляции работы гена. В результате позвоночные приобрели широкий репертуар специализированных, сложно регулируемых генов, которые, скорее всего, во многом и отвечают за удивительное морфологическое разнообразие и эволюционный успех позвоночных,- отмечается в пересказе.

Зарубежные биологи в своей работе, в частности, подчеркивают, что «специализация онологов после полногеномных дупликаций шла в основном не путем банальной потери предковых тканеспецифичных энхансеров (то есть своего рода дегенерации), а скорее за счет комплексной перестройки всей системы регуляции гена, в ходе которой возникали новые тканеспецифичные энхансеры (то есть происходило усложнение регуляции специализированных генов)».
Именно «благодаря полногеномным дупликациям позвоночные приобрели широкий репертуар сложно регулируемых, специализированных генов», и это, видимо, «напрямую связано с усложнением морфологии и дальнейшей прогрессивной эволюцией позвоночных».
Такое выявилось у биологов на сегодня «понимание механизмов эволюции и связи генотипа и фенотипа».