Hi-Tech

«В будущем мы сможем глотать не таблетки, а сенсоры, наноинструменты и роботов»

Карин Мёллинг, фото: moelling.ch

Синтетическая биология — кошки или собаки из пробирки

Он успешно провёл полный синтез генома полиовируса в лабораторных условиях и опубликовал свою работу. В 2002 году имя Экарда Уиммера из Стоуни-Брук, Лонг-Айленд, к большому удивлению учёного попало на первые полосы газет. Синтетический вирус обладал инфицирующими свойствами и был способен реплицироваться.

Тем не менее общественность не рассматривала это как проявление научного прогресса, однако неспециалисты и учёные сошлись во мнении и стали во весь голос протестовать против статьи: «Подобные статьи ни за что нельзя публиковать.», «Это же руководство для биотеррористов.».

Даже последовательность полиовируса можно свободно приобрести через интернет. Все реагенты выпускаются в промышленных масштабах без лицензии или каких-либо ограничений. Любой человек может воспроизвести такой синтетический вирус и распространить его как биооружие, поэтому открытие и вызвало столько сильное беспокойство у общественности.

Но иногда даже учёные способны превратиться в биотеррористов, если их что-то не устраивает или они не могут получить грант на исследования, если они на что-то сердятся или сходят с ума. Нет, безусловно, синтез вируса — задача нетривиальная. Он был специалистом по сибирской язве, и его что-то сильно разозлило. Однажды такое случилось, когда биотеррорист отправил по почте письмо со спорами сибирской язвы.

В целях упрощения процесса Уиммер синтезировал вирусный геном как ДНК, поскольку ДНК более стабильна, а желаемая РНК потом автоматически копируется внутри клетки. Полиовирус — вирус небольшой, его длина всего 7500 нуклеотидов. Между тем был полностью синтезирован даже чрезвычайно опасный коронавирус SARS (выделенный у летучих мышей и состоящий из 29 700 нуклеотидов).

Теперь такой изолят может передаваться от человека к человеку, что всегда опасно. Впоследствии его «гуманизировали» путём мутаций. А как быть с реконструированным синтетическим ретровирусом Phoenix, которому 35 млн лет? Полиовирус сравнительно безвреден.

Вирусы гриппа тоже можно получать синтетическим способом, и процесс этот протекает даже быстрее, чем в культуре клеток или при выращивании вируса внутри яиц, однако, несмотря на то, что ставится цель в будущем использовать синтетический вирус гриппа в качестве вакцины, вирусы могут мутировать в более опасные изоляты.

Наиболее эффективные вакцины от полиомиелита, спасающие жизни пациентов, являются носителями только одной мутации. В целях получения вакцины предпринимаются попытки «деоптимизировать кодоны» вирусных последовательностей и вставить мутации (27 мутаций), чтобы замедлить репликацию вируса и снизить риски. Возможна обратная мутация, в результате которой полиовирус вновь становится опасным диким вирусом.

Сейчас надлежащие регуляторные органы ни за что не одобрили бы её использование, и до сих пор предпочтение отдаётся менее эффективным, но более безопасным инактивированным вакцинам. И хотя человечество практически избавилось от полиовирусной инфекции, в соответствии с современными стандартами эта вакцина считается слишком опасной.

Вакцины на основе синтетических вирусов, подвергшихся искусственной мутации, применяют не только против полиовируса, но и против вируса гриппа и других вирусов. Билл и Мелинда Гейтс поддерживают новую программу искоренения полиовируса. Этот метод называется инжинирингом с использованием синтетических аттенуированных (ослабленных) вирусов (SAVE).

Синтез настоящей живой клетки, самой мелкой мини-клетки — важнейший приоритет для учёного-провидца Крейга Вентера, который всегда немного опережает современников. Синтетическая биология — молодая отрасль науки. Из 482 генов он смог избавиться от сотни, и осталось всего 382 гена. Он начал с мельчайшей бактерии Mycoplasma (M) genitalium и шаг за шагом сокращал общее число генов, чтобы определить минимально необходимый набор незаменимых генов.

Они регулируют репликацию и выживание. Функции трети генов редуцированного генома неизвестны, примерно 206 генов родственны разным видам. Синтетическую ДНК пришлось вставить в «выпотрошенную» (опустошённую) бактерию-хозяина. Вентер и его коллеги синтезировали ДНК in vitro, однако живая бактерия из неё не выросла. А что плавало внутри бактерии? Это же обман.

На самом деле, всё это неправда. Журналисты дошли до того, что заявили о создании искусственной или синтетической жизни и даже назвали это «игрой в Бога». Это явление получило название «трансплантация генома». Сам же Вентер более реалистично оценивал свою работу и описал свои усилия как «трансформацию», то есть попытку сделать из собаки кошку. Однако ни у кого не было сомнений в том, что это возможно. Просто он вернул к жизни опустошённую бактерию, только и всего.

Вентеру пришлось изыскать способы инактивации защитных механизмов клетокреципиентов, рестрикционных эндонуклеаз, которые разрушают инородную ДНК. И всё же ДНК бактерий примерно в сто раз крупнее ДНК полиовируса, в связи с чем это была не просто техническая задача. И вот в 2016 году появился первый действительно живой синтезированный организм. Вентер назвал полученные им существа «первыми существами, чьим родителем является компьютер».

Эта клетка выглядит ужасно — она представляет собой лишённое симметрии и самоорганизации скопление шаров разного размера. Вентеру удалось получить первую минимальную бактериальную клетку из синтетического генома, состоящего из 531 тысячи базовых пар и 473 генов (438 белок-кодирующих и 35 РНК-генов), которая выращивается в лабораторных условиях. Авторы назвали её «полиморфичной».

Эта клетка реплицируется три часа, немного медленнее, чем исходный организм, то есть упущено что-то важное. Однако функции 149 генов непонятны. Авторы подчёркивают, что в реальности не существует «минимальной клетки», поскольку это зависит от окружения. Команда исследователей использовала новое понятие «транспозонный мутагенез», что в будущем приведёт к получению новых результатов. Чем богаче питательная среда, тем проще клетка.

Что такое жизнь? Как только функциональная синтетическая клетка получена, можно проводить исследование и изучать пути производства полезных продуктов, в частности лекарств или промышленных химических соединений, которые могут иметь различные сферы применения. Химический аспект жизни в скором времени станет понятен, но много вопросов до сих пор остаётся без ответа.

Между прочим, первому автору этой новой эпохальной статьи Крейга Вентера Клайду Хатчисону 77 лет, в связи с чем у меня возникает вопрос: обязательно ли нужно было отправлять меня в отставку в 65 лет?

В ходе семилетнего исследования они соединяли небольшие ДНК-фрагменты синтетической ДНК до 1000 пар оснований, пока не получится. В 2014 году группа из 60 студентов программы бакалавриата была включена в работу по проекту «Создание генома» под руководством Джефа Боке из Нью-Йоркского университета. Вместо бактериальной клетки с синтетической ДНК они использовали дрожжевую клетку и вставляли новые синтетические гены.

Клетка обладает способностью к росту; это свидетельствует о том, что пока учёные не ошибаются. Дрожжи — это эукариоты, и по существующей классификации они ближе к клеткам человека и гораздо сложнее, чем бактерии; они содержат ядро с 16 хромосомами, лишь одна из которых получена искусственным путём для замены хромосомы естественного происхождения. Только 3% ДНК дрожжей имели синтетическую природу.

Во-первых, сначала эта модель была разработана на компьютере, а затем проведён синтез — это десять лет тяжёлой работы. Кроме того, было включено около 500 мутаций, и 50 тысяч нуклеотидов из 317 тысяч были удалены в качестве меры безопасности на случай, если некоторые клетки дрожжей непреднамеренно высвободятся в окружение.

Мне это кажется удивительным. Дрожжи «гуманизировали», так как гены человека не идентичны генам дрожжей, но у них достаточно много общего, чтобы встраиваться в метаболические и сигнальные пути. В будущем это окажется полезным при скрининге препаратов, предназначенных для лечения заболеваний человека. Это прорыв для будущих исследований, касающихся замены клеток человека. На этот счёт есть много точек зрения.

Это краеугольный камень технологии производства электроэнергии из бактерий. Кроме того, Вентер намеревается использовать бактерии, разработанные по спецзаказу для метаболических исследований, скрининга лекарств и производства биогаза. А ещё для производства продуктов питания. Помимо этого, Вентер предполагает использовать их для получения вакцин и лекарственных средств и разложения мусора.

Новая вселяющая надежды область применения — «редактирование» генетических модификаций и лечение дефектных генов путём использования системы фагового происхождения CRISPR или Cas9. Некоторые футуристические представления предусматривают использование искусственных клеток не только для выявления, но и для производства новых соединений, в частности артемизина против малярии.

Генетические изменения эмбриональных клеток человека уже начались. Это могло бы способствовать борьбе с мультирезистентными бактериями, но может привести к началу разработки методики получения «искусственных детей». Вместе с тем до сих пор действуют строгие ограничения, в соответствии с которыми запрещены манипуляции с зародышевыми клетками и механизмами наследственности.

В будущем мы сможем глотать не таблетки в готовом виде, а сенсоры, которые будут определять потребность, равно как и «продуцировать» лекарства, то есть осуществлять терапию по запросу в зависимости от потребности пациента. Уже существуют довольно причудливые биологические переключатели, способные включать и выключать реакции в зависимости от раздражителей, например света, и этот вопрос не так уж футуристичен.

Инженерам, врачам и исследователям эволюции нужно объединить усилия, поскольку новая концепция носит мультидисциплинарный характер. В случае необходимости пациент может автоматически получать инсулин в нужном объёме. И самое главное — результаты их усилий должны быть сопоставимы с тем, что реально создаёт природа.

В настоящее время разрабатывается новое патентное законодательство, предусматривающее «патентную чистоту» биологических строительных блоков, но не методов их построения. За несколько миллиардов лет она разработала механизм равновесия и будет противодействовать неизвестным или непонятным факторам влияния. Суть этого законодательства заключается в том, что гены естественного происхождения не подлежат патентованию, а искусственные могут быть запатентованы.

Они обитают на больничном оборудовании — от катетеров до водопроводных труб. Тимоти Лу из Массачусетского технологического института (MIT) создаёт вирусы или фаги с генами, своего рода биологические машины, предназначенные для разрушения бактериальных слоёв, биопленок, которые демонстрируют в 500 раз более высокую устойчивость к терапии, чем свободно перемещающиеся микроорганизмы.

Возможно, однажды отпадёт необходимость в гиподермических иглах для инъекций инсулина и препарат будет подаваться автоматически. Он также намерен переносить фаги в бактерии или клетки для получения соответствующих веществ. Он использует бактерии в качестве «жёстких дисков» (так их назвали журналисты) — носителей информации. Кроме того, Тим Лу начал модулировать в кишечнике бактериоды, чтобы они могли чувствовать стимулы и реагировать на них.

Настанет ли день, когда будет разработан сигнал «прекратить есть»? Стимулы обусловливают мутации, которые сохраняются до 12 дней, затем считываются и определяются количественно. Тим Лу разрабатывает «самовоспроизводящийся живой материал» — практически биологический 3D-принтер. Возможно, это окажется довольно простой задачей. Он нацелен на бактерии, обладающие множественной лекарственной резистентностью, что является насущной необходимостью.

Нужно помнить, что вирусы чувствительны к стрессовым условиям, в частности герпесвирусы, которые «переползают» по нервным волокнам, активируя химические реакции, в том числе появление герпесных бляшек на губах. Мы будем глотать сенсоры, наноинструменты, роботов, микроманипуляторы в надежде, что они всё сделают, — вот в чём заключается концепция. Они хорошие изобретатели и учат нас подражать им. Таким образом, уже сейчас вирусы в особых случаях выполняют большинство этих функций.

Он говорил: «Я не понимаю того, что не в состоянии создать». Более 50 лет назад Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии и человек, отличавшийся весьма оригинальным мышлением, всё это предвидел. Знаменательным предвидением Фейнмана стала его фраза «Проглотите врача». Это утверждение Фейнмана заставит Крейга Вентера работать ещё в течение некоторого времени. Неужели мы этого почти добились?

Что появилось сначала — вирус или клетка

Я разговаривала со своими коллегами, многими вирусологами и учёными, которые первыми стали заниматься РНК, вопросами химической эволюции и так далее. Этот вопрос я подняла в 2013 году в Давосе (Швейцария) во время ежегодной встречи по РНК. Все они сразу же отвечали: сначала появилась клетка, поскольку вирус в ней нуждается. Они отвечали одно и то же — что написано в большинстве учебников, что говорили рецензенты всех моих статей в международных журналах и, возможно, читатели.

Рибозимы — основа рибосом, и поэтому они являются ключевыми молекулами при синтезе белка, а cirРНК и с недавнего времени piРНК — основные регуляторы генов. Я была разочарована тем, что даже ведущие исследователи РНК и рибозимов приводили эти же доводы, несмотря на то, что рибозимы являются первым активными биомолекулами, которые могут реплицироваться, эволюционировать, расщеплять и присоединять.

Тогда сначала появились вирусы, или, если несколько смягчить, они существуют практически с момента зарождения жизни на Земле и по сей день. Рибозимы — это вироиды, а вироиды относятся к вирусам. Нас окружали другие учёные и молодые студенты, которые с любопытством слушали и были весьма удивлены.

Они могут быть носителями других вирусов. Я говорила увлечённо, подчёркивала значение гигантских вирусов, многие из которых по размеру больше бактерий, так как они могут выполнять почти те же функции, что и живые клетки, — не так много, но близко к тому. Вирусы крупнее многих бактерий и вирусы в качестве хозяев вирусов, до недавнего времени об этом никто не слышал. Они даже почти «видят». Не существует чёткого разделения между вирусами и клетками.

Студенты были удивлены, они никогда ранее об этом не слышали. Так что же мы обсуждаем: вирусы или клетки? Нет ни одного живого существа без вирусов. На нашей планете существует 10³³ вирусов, это самый успешный биологический вид на Земле и самая крупная биологическая популяция на планете. Есть ли они даже в нашем геноме? Действительно ли все организмы содержат вирусы? Готова поспорить, что да.

Убедили ли слушателей или Тома Чеха мои «возбуждённые рассуждения»? Поэтому вирусы, должно быть, существуют с момента возникновения жизни на Земле, и ни один другой возбудитель инфекционных заболеваний не смог этого добиться. Не знаю, согласились ли они со мной в итоге. Первыми были вирусы?

Проведённый анализ последовательности свидетельствует о следующем: несмотря на сходство некоторых вирусных генов с клеточными, вирусных генов больше, чем клеточных. Есть и дополнительные доводы в пользу того, что «первыми появились вирусы». Одним из ведущих исследователей роли вирусов в эволюции жизни на Земле был Луис Вильярреаль из Центра по изучению вирусов в Ирвайне (Калифорния).

Последующее сопоставление последовательностей, которое провёл специалист по биоинформатике Евгений Кунин, подтвердило эту концепцию. Он называет такое доминирование вирусов на нашей планете «виросферой» и использует понятие «репликатор» применительно к прото-РНК, первой реплицирующейся РНК-содержащей биомолекуле. Сначала возник мир вирусов, точнее — РНК-содержащих вирусов, после чего появились ретроэлементы, а потом ДНК-содержащие вирусы.

И даже Феликс д’Эррель, учёный, открывший фаги, интуитивно отвёл им место у корней «древа жизни». Учёные, открывшие гигантские вирусы, поместили их у основания древа жизни, но эти вирусы слишком велики для первых форм жизни на Земле, и не все допускают рассмотрение этого вопроса.

Такую эволюцию можно охарактеризовать как «восходящее развитие» — от простого к сложному, от мелких к крупным или как «гипотезу о том, что сначала появились вирусы», согласно которой вирусы первыми заселили царство пребиотиков.

Им нужна была энергия, но тогда ещё не было синтеза белка и клеток, поскольку для их образования требуется химическая энергия. Трудность заключается в том, чтобы признать, что первые вирусы могли обходиться без клеток, живя в нишах, «маленьком тёплом пруду», по определению Дарвина, или в каких-то полостях с неорганическими компонентами, а возможно, и глиной в качестве катализатора.

Новые методы химического анализа свидетельствуют о том, что три основных строительных блока жизни — аминокислоты, нуклеотиды и липиды — можно синтезировать в первичном бульоне Дарвина при поступлении энергии из окружающей среды.

Британский химик Джон Сазерленд может осуществлять однореакторный синтез всех трёх строительных блоков жизни в одной пробирке, и при этом стартовым условием является наличие простых предшественников, в частности синильной кислоты, фосфора, сероводорода и воды, а также ультрафиолетового излучения.

Только после появления типичных клеток вирусы смогли изменить образ существования и превратиться во внутриклеточных паразитов — это хорошо известная тенденция в эволюционном развитии, определяемая средовыми условиями. Вот так и могла начаться жизнь. Возможно даже, что вирусы принесли ядро в первые эукариотические клетки. Борясь за клеточные ресурсы, они сталкивались с конкурентами и создали ранние примитивные механизмы противовирусной защиты, клеточного иммунитета.

Вместо этого я отнесла к «вирусам», или хотя бы к вирусоподобным организмам, вироиды, поли-ДНК-вирусы, плазмидные ДНК и даже прионы как «вирусы» или по крайней мере вирусоподобные структуры. Я внесла изменения в определение вируса, расширив его по сравнению с определением из классических учебников по вирусологии, в соответствии с которым вирусы относятся к паразитам и нуждаются в клетках.

Так что же такое вирус? Предположу, что в этом случае получается, что вирусы охватывают всё, начиная с только РНК-содержащих и через РНК к ДНК до ДНК-содержащих при наличии или отсутствии белков, или только белка. Его информация чаще всего «генетическая», но значение имеет даже структурная информация, поэтому я не включаю в определение понятие «генетический». Это объект, способный к репликации, развитию и взаимодействию.

Мне это представляется логичным и простым, но не все с этим согласны, а мне не хотелось бы быть категоричной. В настоящее время вирусы чаще всего являются паразитами, но изначально они таковыми не были. Такой сценарий отражает последовательность событий, имевших место в процессе эволюции.

В итоге вирусы, бактерии, археи и симбиотические комбинации привели к образованию сложных клеток млекопитающих, и, как это ни удивительно, оказалось, что всё множество наших геномов произошло из древнего мира вирусов.

Вирусы возникли из клеток, крупные структуры стали мелкими, развиваясь «по нисходящей». В другой концепции излагается иное развитие событий: сначала появились клетки, а потом вирусы. Эту концепцию учёные принимают чаще всего, и согласно ей вирусы являются «сателлитами», возникающими вследствие «разрушения клетки», и называется она «теорией побега».

Часть ДНК с несколькими генами оказалась «завёрнутой» в белок или клеточные мембраны в качестве защиты и превратилась в вирус. Являясь частью клеток, вирусы расщепляют и «крадут» клеточные гены. Некоторые современные вирусы, особенно крупные ДНК-содержащие вирусы млекопитающих, например герпесвирусы, похоже, подтверждают эту теорию.

В «гипотезе сокращения» описано это явление, вследствие которого вирусы возникают из свободных живых клеток. Опухолевые вирусы также «вербуют» свои онкогены из клетки (кроме того, они возвращают их, поэтому генетическая информация перемещается туда-обратно).

Объём информации, которой «владеют» вирусы, больше объёма информации, получаемой ими от клеток. Одна из проблем заключается в том, что генов недостаточно: пространство последовательности клеток невелико, а пространство вирусов огромно. Слишком много вирусных генов не имеют клеточных аналогов.

И всё же это не объясняет астрономическое число генов. Вирусы вариабельны и могут увеличивать сложность своих последовательностей при подверженной погрешностям репликации. Природа хранит гораздо больше информации, чем в состоянии нести все существующие вирусы и тем более клетки.

Первая и простейшая «мини-клетка», полученная Крейгом Вентером, чрезвычайно сложна, в ней содержится несколько сот генов и более 200 тысяч нуклеотидов. Возникает важный вопрос: откуда взялась первая клетка? Откуда появилась вся эта информация? Какая огромная. А вирусы могут. Защитники гипотезы «сначала появилась клетка» не смогли это объяснить.

Увеличение объёма информации, закодированной в генах, он объясняет дополнительной «беспорядочностью», что обозначается немецким словом Schlamperei. Фримен Дайсон в своей книге «Источники жизни» высказал гипотезу о двух источниках жизни на Земле, скомбинировав метаболизм и генетическую информацию, механизмы и программы, а также программное обеспечение, что ближе ко второму сценарию.

Он имеет в виду вот что: в природе нет точности. Он говорит по-немецки, предпочитая слова из детской лексики, поскольку его жена из Берлина, у него пять дочерей и сын и ему пришлось научиться жить в состоянии беспорядка. Природа пробует разные способы. То, что «почти хорошо», может становиться всё лучше и лучше. Это расширяет генетическое разнообразие.

Время от времени мы называем свою небрежность «креативным хаосом». Макс Дельбрюк также использовал понятие «небрежность»: основой для инновации являются ошибки, неточности, метод проб и ошибок. Возможно, приемлемым оказалось бы понятие «облако». Манфред Эйген называл это «квазивидами», в которых представлены многие виды одновременно — и те, что подходят, и те, что не подходят. Даже Чарлз Дарвин отмечал важность ошибок. Прогресс является следствием ошибок.

Это проявление «небрежности». А теперь я сформулирую своё кредо: подверженная ошибкам обратная транскриптаза — один из наиболее эффективных «изобретательских» методов. Показатель мутаций составляет 10 на 10 тысяч нуклеотидов из расчёта на один цикл репликации, поскольку при недостаточной точности обратной транскриптазы это приводит к появлению новой информации извне — как из газет. Данный механизм работает «с ошибками».

И всё это происходит в планктоне. Это огромный объём информации, который отмечается практически во всех биологических системах, включая бактерии, археи и дрожжи (нет — или уже нет (?) — в некоторых ДНК-содержащих вирусах или фагах). Результаты экспериментов с образцами, собранными Tara Oceans, свидетельствуют о следующем: 13,5% белков планктона представлено ОТ по сравнению с 5% в геномах человека, но и в них ОТ является самым распространённым белком.

Обилие обратной транскриптазы объясняется большим количеством ретротранспозонов. Почему же этого специфического фермента так много в одноклеточных эукариотах, обитающих в океане? Действительно ли критерием выбора являются столь существенные изменения окружающей среды? Неужели для появления инноваций и выживания необходимо наличие в океане такого большого количества ретротранспозонов?

Затем гены и вирусы перемещаются горизонтально и используются для переноса генов. В соответствии с третьим сценарием вирусы отвечают за горизонтальный перенос генов (ГПГ). Это вполне соответствовало бы большому количеству параллельных линий. Нам известно о существовании горизонтального переноса генов в обоих направлениях — от вирусов к клеткам и от клеток к вирусам. Такого не могло быть на первых этапах существования жизни на Земле, но могло появиться позже.

В этом случае могло быть много источников. Строго говоря, теоретически возможен ещё один вариант развития событий: вирусы и клетки формируются по большому количеству вертикальных линий, которые развиваются параллельно.

Вирусы стали «изобретателями» ДНК в трёх доменах жизни независимо друг от друга. Патрик Фортер из Парижа предположил наличие трёх источников; рибосомы-содержащие клетки он назвал рибовироклетками, которые продуцируют белки и вирусы. А как возникли РНК-содержащие клетки?

Такой вопрос поднимался часто. Существовал ли «первичный», «примордиальный» или «протовирус» — единственный вирус-предок, от которого произошли все остальные вирусы, нечто похожее на «первичное растение» Иоганна Вольфганга Гёте? Это не был настоящий первичный вирус. Это могла быть самая примитивная РНК в форме вироида, но у вироидов нет специфической последовательности, а РНК, состоящая из 50 нуклеотидов, обеспечивает 450 (или 10³⁰) возможностей, то есть сумму всех возможных последовательностей как квазивидов.

Мы только недавно узнали, что РНК можно без труда получить в пробирке, о чём свидетельствует опыт, проведённый Сазерлендом. Пространство последовательностей, сумма всех возможных последовательностей, названное «генным пулом», до сих пор не используется всеми биологическими системами на нашей планете. Но это не РНК-содержащий пре-протовирус, имеющий всего одну последовательность.

Эта статья с вызывающим названием спровоцировала выход десяти статей в ответ. В 2009 году в статье «Десять доводов в пользу исключения вирусов из древа жизни», опубликованной в Nature Reviews Microbiology, была сформулирована крайняя точка зрения. И никто из десяти учёных не согласился с точкой зрения автора оригинальной статьи.

Все органисты знают, что у Иоганна Себастьяна Баха после прелюдии следует фуга, которая заканчивается слиянием всех голосов и полным звучанием максимального числа труб — tutti. И тут вступаю я со своим личным заключительным апофеозом вирусов. И вот я со своим tutti — резюме — применительно к вирусам.

Они перепробовали всё, что можно, и эволюционировали по линии комбинаторной репликации и «взаимодействия компонентов», создав многообразие в форме квазивидов. Вирусы с самого начала существовали повсюду как первые способные к репликации биомолекулы, такие как вироиды. Мы можем выстроить в одну линию все имеющиеся в настоящее время вирусы и определить большинство этапов их развития.

Геномы вирусов содержат в себе больше информации, чем все клетки, вместе взятые; кроме того, структура геномов вирусов более сложная, чем у всех других видов организмов, и может содержать всё — РНК или ДНК, одноцепочечные, двухцепочечные или и те и другие, линейные, кольцевые, сегментированные, структурированные, кодирующие и некодирующие. Это удивляет больше всего, поскольку практически все промежуточные виды и формы жизни вымерли.

ДНК обеспечивает стабильную консервацию наиболее эффективных продуктов, увековеченных вирусами, которые являются самыми изобретательными экспериментаторами. По сравнению с таким разнообразием геномных структур наша двухцепочечная ДНК имеет на удивление простую конфигурацию. ДНК не является стабильным «конечным продуктом», поскольку наличие транспозируемых вирусоподобных элементов гарантирует бесконечную эволюцию.

Сначала в вирусах, а позднее в клетках было обнаружено большое число механизмов — сплайсинг, обратная транскриптаза, «ножницы», сдвиг рамки считывания и так далее. Кроме того, существует многочисленные модели репликации и регуляции вирусов. Вироиды выполняют в клетках человека такое число функций, как сотни белков, например осуществляют репликацию, расщепление, присоединение, эволюционное развитие, защиту.

Размер вирусных геномов варьируется в пределах пяти порядков (примерно от 10 до 2,5 млн нуклеотидов), и при этом размер частиц колеблется в следующих пределах: от частиц размером с молекулу, если речь идёт о безоболочечных частях РНК, до гигантских вирусов размером с бактерию, а число генов колеблется от нуля до 2500.

Они были необходимы для образования белков и кода. Ноль генов у вироидов, которые «ещё» не способны кодировать белки и могут осуществлять большое количество функций без генетического кода, на основании чего можно предположить, что они существовали до появления генетического кода. Другая крайность — Pandovirus dulcis, у которого генов в пять раз больше, чем у многих бактерий.

К ним относятся редкие ретрофаги или ретровироиды, а также странные белки с «забытыми» РНК-хвостами. Упоминалось о нескольких странных химерных вирусах: некоторые из них имеют форму странных реликтов или переходных форм и являются свидетельством промежуточных стадий или стадий развития. Вирусы являются двигателем эволюции, дизайнером нашего генома и формируют наш организм.

В последние годы у нас неоднократно вызывали удивление результаты наблюдений, согласно которым различные экосистемы — от тех, что обитают в кишечнике человека, до состава микробиома океана — мирно сосуществуют. Вирусы и клетки учатся друг у друга, обмениваются генами, рекомбинируют их в обоих направлениях, то есть мы имеем дело с коэволюцией.

Его удивило мирное сосуществование компонентов, составляющих микробиом Мирового океана. Я слушала доклад Эрика Карсенти об океанической экспедиции. Меня же удивило, что 73% микробиома Мирового океана и кишечника человека, состоящего из вирусов и фагов, родственны с функциональной точки зрения и что самый распространённый белок — обратная транскриптаза.

Полученные свидетельства подтверждают, что ретроэлементы являются предшественниками ретровирусов. Подверженная ошибкам обратная транскриптаза ретровирусов или ретроэлементов является самым щедрым поставщиком новой информации. Ретроэлементы могут заполнять 75% генома кукурузы и 50% генома риса.

Обратная транскриптаза и РНКаза Н — самые распространённые белки в мире, и их структуры в ретровирусах, дрожжах, бактериях, планктоне, растениях или организме млекопитающих и человека практически ничем не отличаются. Приобретя оболочку, они становятся подвижными и могут покинуть клетку.

Вирусы создали противовирусную защиту. Лично для меня удивительно, что я стала свидетелем открытия обратной транскриптазы и что до сих пор, по прошествии более 45 лет, это открытие сохраняет свою важность, что мои исследования расщепляющего фермента РНКазы привели меня к ретровирусам и позволили проследить весь эволюционный путь, а также иммунологические защитные системы. Интегрированные ретровирусы, ДНК-содержащие провирусы как клеточные гены легкодоступны для противовирусной защиты.

Вирусные компоненты создают противовирусные эффекты, такие как РНК-интерференция, сайленсинг, интерферон и иммуноглобулины, у которых схожие механизмы расщепления по принципу действия РНКазы. И те и другие используют один и тот же инструментарий.

Вероятно, даже ядра эукариотов произошли от вирусов. Ретроэлементы являются двигателем эволюции. И наконец, скорость репликации вируса в миллионы раз быстрее, чем при прочих способах. Возможно, они сформировали эукариоты. Вирусов огромное количество, и они успешны.

Почти. Итак, относятся ли вирусы к живым организмам? Не существует чёткой границы между живыми и неживыми микроорганизмами. Скорее да, чем нет. И на этом моя сольная партия на органе заканчивается.

«Скороходы» и «тихоходы»

У растений преобладают РНК-содержащие вирусы (главным образом одноцепочечные РНК), а почти все обитатели бактериального мира фагов имеют двухцепочечную ДНК, аналогичную ДНК гигантских вирусов у водорослей или ДНК-содержащим вирусам архей. Распределение вирусов различных видов носит довольно странный характер: РНКи ДНК-содержащие вирусы распределяются неравномерно. Но нужно признать наличие некоторых исключений из этих «правил».

Почему у растений РНК-содержащие вирусы, а у фагов ДНК-содержащие вирусы? В организме человека обитает много разных видов вирусов. Мне никто не может этого объяснить, а в учебниках по вирусологии данный вопрос даже не рассматривается. Как возникают предпочтения у хозяина и у вируса? На нём изображён эллипс с сегментами для хозяев и их вирусов. Есть красочный постер, подготовленный Международным комитетом по таксономии вирусов (ICTV), показывающий таксономию вирусов.

Я позвонила производителю, чтобы узнать, чем они руководствовались, разрабатывая этот постер. Такие постеры висят на дверях почти во всех вирусологических институтах всего мира и служат хорошим украшением. «Вкус и пространство», — был ответ; вкус художника, чувство красоты, эстетические соображения и никакого научного обоснования.

Возможно, ДНК-содержащие вирусы изначально были РНК-содержащими, а затем стали ДНК-содержащими, покинув мир РНК-содержащих микроорганизмов. Возможно, вот оно, объяснение: если сначала на нашей планете появилась РНК, а потом ДНК, то ДНК-содержащих вирусов должно быть больше, чем РНК-содержащих. Подтверждается ли это? РНК-содержащие вирусы — «тихоходы», а ДНК-содержащие — «скороходы».

У бактерий и их ДНК-содержащих фагов время репликации составляет от 20 минут до нескольких часов в зависимости от нутриентов и условий роста. Возможно, да: об этом говорит скорость репликации, время удвоения у ДНК-содержащих вирусов и их хозяев. У растений же, наоборот, время удвоения может составлять до 3500 лет (как у секвойи, растущей на территории США) или ещё дольше (например, у гинкго билоба и норвежской ели, возраст которой достигает 9500 лет).

Они сохраняются в деревьях, медленно реплицируются, не покидая хозяина. Вирусы растений представлены главным образом РНК-содержащими вирусами. Рост бактерий и их вирусов имеет цифровое выражение: на нашей планете 10³⁰ бактерий и 10³³ фагов, и у большинства из них ДНК-геномы. Время удвоения у хозяина, число поколений бактерий по сравнению с растениями может быть в несколько миллионов раз выше.

Они есть даже в наших генах. В биологическом мире нет более успешных организмов, чем ДНК-содержащие вирусы и их бактерии, которые обитают в почве, океане, нашем кишечнике, экосистемах организма человека и всех экосистемах в принципе. Гигантские вирусы, инфицирующие морские водоросли, также подходят для этой модели, основанной на циклах репликации.

Поэтому ожидается, что победителями в конце концов окажутся все ДНК-содержащие вирусы в силу скорости их размножения. Водоросли относятся к растениям, поэтому следовало бы, чтобы они были представлены главным образом РНК-вирусами, но многие водоросли представляют собой одноклеточные быстрорастущие организмы, достигающие большой численности.

Таким образом, общей чертой, объясняющей доминирование РНКи ДНК-содержащих вирусов в различных видах живых организмов, похоже, является скорость репликации и число делений. Одноклеточный планктон (нанопланктон) способен к быстрому делению и, соответственно, является пристанищем для вирусов, содержащих двухцепочечную ДНК. РНК была первой, и чем больше поколений проходит, тем выше её шанс стать ДНК — прогресс в эволюции.

У нас есть как РНК-, так и ДНК-содержащие вирусы. Мы, млекопитающие, находимся где-то между этими двумя крайними позициями. Это моя гипотеза.

Они не могут легко перемещаться из клетки в клетку, поскольку ДНК слишком велика и имеет жёсткую структуру. Есть ещё одно предположение, объясняющее, почему в растениях развивались не ДНК-содержащие, а главным образом РНК-содержащие вирусы.

Такую гипотезу сформулировал Евгений Кунин — я не проверяла. Имеющаяся у растений система доставки не позволила бы осуществить такой перенос (через небольшие соединения, плазмодесмы). Тогда эта адаптация сработала. Однако, может быть, имела место некоторая адаптация и вирусы стали мельче или сосуды расширились?

У них до сих пор активны ДНК-транспозоны, перемещающиеся по способу «вырезать и вставить», которые существуют главным образом в растениях и уже не отмечаются в более высокоорганизованных организмах. Можно найти дополнительные свидетельства в пользу того, что не только вирусы растений, но и сами растения, похоже, развиваются медленно. У растений, в частности у кукурузы и риса, 85–90% генов представлено активными «прыгающими» генами.

Однако они составляют некоторое исключение в силу активной селекции, в результате чего сформировались их чрезвычайно крупные геномы, которые в десять раз больше генома человека. Это также применимо к тюльпанам. Тем не менее растения не отличаются особенно эффективной или быстрой адаптацией к новым условиям окружающей среды, помогающей соответствовать образу существования. Как это ни странно, размер генома не коррелируется с его сложностью.

В большинстве случаев они не могут образовывать частицы и не отличаются высокой мобильностью. Растениям для получения новой информации не нужно перемещаться, и, кроме того, их вирусы не очень активны. Активировать «спрятавшиеся» вирусы способен не только стресс. Чаще всего это постоянные устойчивые вирусы, не отличающиеся активной репликацией.

Ретротранспозоны приводят только к одному разрыву ДНК и преобладают в нашем геноме, но и в растениях присутствуют в большом количестве. Поэтому ДНК-транспозоны, формирующие два разрыва ДНК, могут оказаться предпочтительными для формирования новой информации. Однако такое количество ретрои ДНК-транспозонов не вполне понятно и всегда характеризуется широким спектром значений и вариабельностью.

Когда ДНК-транспозоны или ретротранспозоны приобрели способность к «прыжкам»?

Наш геном только на 3% произошёл от ДНКтранспозонов, и было это давно. У человека «прыжки» ДНК-транспозонов прекратились около 35 млн лет назад. У нас есть активные ретротранспозоны, и некоторые из них до сих пор сохраняют активность, что наблюдается преимущественно на этапе эмбриогенеза человека и может привести к развитию рака или рождению гения.

Чаще это происходит при раке или в клетках головного мозга. У 20 из 200 человек в течение жизни в зародышевых или эмбриональных клетках наблюдается одна ретротранспозиция.

Вирусы человека находятся где-то между ними. В соответствии с представленной концепцией ДНК-содержащие вирусы, находящиеся в бактериях или водорослях, в ходе эволюции проявили себя как «скороходы», а РНК-содержащие вирусы — как «тихоходы». При этом среднее время удвоения у человека составляет примерно 30 лет, что является средним показателем между двумя крайностями — бактериальными и вирусами растений.

Один цикл размножения у человека соответствует примерно 1 млн дупликаций бактерий. С начала летоисчисления от Рождества Христова сменилось приблизительно 60 поколений людей. По сравнению со «средним» вирусом человека, находящимся в диапазоне от РНК-содержащего вироидоподобного вируса гепатита дельта до крупных двухцепочечных ДНК-содержащих вирусов, таких как вирус оспы, фаги прогрессировали, попали в мир ДНК и, вероятно, покинули его.

Просто удивительно, насколько важную роль РНК до сих пор играет в элементарных процессах, происходящих в ДНК-мире, выступая, в частности, в качестве стартеров ДНК-репликации, в качестве сайта для синтеза белка или для безопасного резервного копирования применительно к генной регуляции. Принимая во внимание, что большое число молекул РНК играет важную роль в метаболизме и репликации в организме человека, мы находимся где-то между РНКи ДНК-мирами.

Сплайсинг РНК может осуществляться автономно — исключительно за счёт нкРНК, но у человека для этого требуется 100 белков. И всё же по мере увеличения числа ДНК и белков скорость развития человека увеличилась. Однако сплайсосомы человека быстрее и могут выполнять большое количество более разнообразных функций специальных функций, например в период эмбрионального развития или в процессе генной регуляции.

Регуляторные РНК состоят из рибозимов, вироидов, кольцевой РНК или piwiРНК, которые родственны с функциональной и структурной точки зрения, и их свойства в наших клетках остались неизменными с начала существования мира РНК и по сегодняшний день, что действительно удивляет.

Возможно, первичный бульон на первых этапах формирования жизни на Земле был самой опасной средой, и поэтому появился такой тип молекул — это всегда самый подходящий вариант. Они обладают устойчивой структурой.

Лауреат Нобелевской премии Сидни Альтман, который совместно с Томом Чехом открыл каталитическую РНК (рибозим), опровергает гипотезу о доминировании белков в современном мире и подчёркивает важность РНК.

ДНК является носителем наследственной информации и её хранилищем, но не следует забывать о способности ДНК «прыгать», что обусловливает развитие инноваций, и это обстоятельство стоит иметь в виду. Он характеризует наш мир как мир «РНК и белка», который определяется с помощью ДНК в меньшей степени, чем с помощью РНК и белка.

Монстры в пробирке

Почему возникли такие различия — некоторые организмы остаются маленькими, а другие становятся крупными? Вызывают удивление два диаметрально противоположных процесса развития: у бактерий и фагов жизненное кредо сводится к следующему: «быть мелкими, многочисленными, быстрыми и простыми», а у млекопитающих и человека — «быть крупными, немногочисленными, медленными и сложными».

Как и почему появились мы, люди, столь сложноорганизованные существа? Достигли ли микроорганизмы, фаги, вирусы и бактерии оптимального уровня развития и оказались ли настолько успешными, что усложнения их структуры не произошло? По этому поводу могу высказать одну гипотезу. Почему мы не остались такими же мелкими, как бактерии и фаги?

Какие факторы определяют превалирование той или иной тенденции? В процессе эволюции действует две силы: с одной стороны, налицо тенденция к усложнению, а с другой — к упрощению. Я занималась изучением этого вопроса и пришла к заключению, что определяющим фактором является окружающая среда.

При самых благоприятных условиях фаги станут меньше, избавятся от некоторого числа генов и будут всё быстрее и быстрее реплицироваться. В поддержку этого утверждения даже проводились эксперименты: если дать возможность РНК и реплицирующимся ферментам фага Qbeta размножаться в пробирке, то последующие события зависят от условий роста. Они бессистемно объединяют неправильные нуклеотиды, извлекая их из довольно большого пула, и аккумулируют ошибки. Каким образом?

Манфред Эйген назвал это «катастрофа ошибок». Некоторые гены погибают из-за частоты и количества ошибок. Число генов, безусловно, не редуцируется до нуля, но сводится к минимуму, самому незначительному необходимому для репликации числу. Qbeta «минимизируется». То, что растёт всё быстрее и быстрее, становясь при этом всё меньше и меньше, — так называемый «монстр Шпигельмана».

«Монстр» превратился в карлика. Через несколько сот циклов репликации размер генома «монстра» сократился приблизительно с 4500 нуклеотидов приблизительно до 200. У неё нет рибосом для считывания кода, в силу чего триплеты утратили способность к кодированию. Самое же невероятное заключается в том, что в ходе этого процесса РНК превратилась в некодирующую РНК. Буквально через несколько дней процесс приобрёл обратную направленность — к началу.

Это удивительно. При наличии некодирующей РНК процесс начался сначала. Манфред Эйген из Гёттингена продолжил этот эксперимент и упростил его, убрав РНК и репликазу — фермент, вызывающий репликацию, и добавив в пробирку лишь нуклеотиды. Репликацию и эволюцию фага Qbeta впервые осуществил 50 лет назад Сол Шпигельман в Нью-Йорке.

Из хаоса возникла первая РНК-молекула. Спустя некоторое время РНК, сформировавшиеся сами собой, реплицировались и эволюционировали, а нуклеотиды оказались сгруппированными и сформировали цепочку РНК. Это два оригинальных и показательных эксперимента. «Монстр Шпигельмана» возник сам собой. Увеличение и уменьшение сложности.

Уменьшение числа генов возможно только при наличии райских условий для роста. В этих экспериментах условия среды играют решающую роль. «Маленький и быстрый». По мере усиления роста число «выброшенных» генов увеличивается. Если экстраполировать эту концепцию на другую крайность — «сложный и медленный», то можно прийти к заключению, что самая сложноорганизованная система — это человек, который и представляет другую крайность.

Реакцией организма человека на сложные условия развития и среду обитания стало его усложнение. Согласно Библии, «человек был изгнан из рая». Голод вынуждает отдельно взятую особь проявлять изобретательность, приобретать новые гены, специализироваться и обеспечивать выживание: «Необходимость — мать изобретательности». «Большой и медленный».

И всё же им приходится разрабатывать новые пути, на что нужно время. Известно, что археи характеризуются высокой выживаемостью и изобретательностью и хорошо приспосабливаются к новым условиям окружающей среды. Поэтому они маленькие и медленные.

Более 40 лет назад на конференции в Колд-Спринг-Харбор Шпигельман, который, к сожалению, умер довольно рано, проводил эффектные презентации. А сейчас я возьму на себя смелость и расскажу забавную историю. Шпигельман и Вайссман — оба являлись специалистами по фагу Qbeta. Шпигельмана представил его цюрихский друг и председатель заседания Чарльз Вайссман.

Так Вайссман намекнул своему другу Шпигельману, что неплохо бы быть скромнее, а Шпигельман, будучи человеком находчивым, сразу же ответил: «И вы тоже». Вайссман начал представление с одной из своих знаменитых шуток: один варшавский раввин, представляя своего коллегу — раввина из города Лодзь, восхвалял его мудрость, образованность, щедрость, а гость, взяв его за рукав, прошептал на ухо: «Не забудьте сказать о скромности».

Вайссман был уверен, что выиграет — так оно и вышло. Целыми вечерами они соревновались в остроумии, а я наблюдала это, будучи молодой студенткой, и меня удивляло, что эти учёные соперничали друг с другом даже на встречах. Он не забыл этот случай, и по прошествии 50 лет вспомнил шутку с раввином в одном из своих электронных писем мне.

«Скромность» Шпигельмана проявилась в статье, опубликованной им в журнале PNAS, где он попытался доказать, что ретровирусы способны быть переносчиками рака при грудном вскармливании; но он немного «схитрил», приведя графики с делениями «десять импульсов в минуту» вместо общепринятого обозначения «имп/мин» (один импульс в минуту) в надежде, что никто этого не заметит.

Так или иначе, полученные им результаты были недостоверными. Таким образом, результаты оказались в десять раз больше, чем на самом деле. И на этом я закончу рассказ об этих двух выдающихся и креативных учёных.

Богатый рацион приводит к развитию точно такого же явления — снижению сложности микроорганизмов и числа генов. Сейчас, когда я пишу о снижении сложности систем в условиях изобилия, мне на ум приходят последние по времени данные о нашем кишечном микробиоме со схожими наблюдениями, полученными по ожирению. И наоборот, недостаток пищи, ограничивающая диета обусловливает сложность микроорганизмов.

У жителей изолированного африканского племени было отмечено неожиданно выраженное разнообразие микроорганизмов, и у них же наблюдалась нехватка пищи и необходимость в разнообразном питании. В настоящее время такая сложность, а именно число генов, считается практически показателем здоровья микробиомов.

Потеря сложности регулируется вирусами. Каким образом? И что же, в океане корреляция плотности локальной популяции вирома с выраженным разнообразием, возможно, является следствием недостатка пищи? Это является следствием интеграции на фоне ожирения, когда происходит потеря репрессоров и лизис клеток.

Однако это незначительная цифра по сравнению с астрономическим числом вирусов и бактерий. Давайте вернёмся к вопросу о скорости репликации: человеческая популяция, похоже, довольно успешно реплицируется, и по состоянию на 2016 год нас уже было примерно 7,4 млрд.

В биологическом мире нет организмов более эффективных, чем вирусы и бактерии, — это история успеха вирусов. Микроорганизмы одержат победу в гонке за выживание, и когда человечество исчезнет, они по-прежнему будут существовать.

Гигантские вирусы, выращиваемые в реакционных сосудах, демонстрируют удивительно быстрое снижение численности генов, и возможно, это интересная системная модель снижения количества генов в насыщенной питательной среде. Снижение или увеличение числа генов часто достигается за счёт симбиоза.

Понятный и показательный пример этого — наши митохондрии, которые специализируются на производстве энергии для клеток, являясь своего рода электростанцией, после того как делегируют 90% своих генов клеточным ядрам. Упрощение часто приводит к специализации и достижению максимальной эффективности. Или стоит упомянуть гениальных людей, которые чрезвычайно ярко заявляют о себе в той или иной сфере деятельности, но при этом совершенно не приспособлены к обычной жизни.

Что является противоположной крайностью для самой мелкой живой клетки? До какого размера мы можем дорасти? Что касается факторов, ограничивающих размер организмов, на этот счёт высказываются только предположения. Самая крупная клетка или организм? Амёбы являются одними из крупнейших клеток.

Выделяются следующие ограничивающие факторы: расстояние, которое необходимо преодолеть сигналтрансдуцирующим молекулам, стабильность костей и их поддерживающие свойства, строение, геометрия, форма против функции и естественные враги.

Более крупным животным нужно иметь сравнительно более толстые кости. Галилео Галилей в своей знаменитой книге «Диалоги», написанной в 1638 году под домашним арестом, размышляет о том, что ограничивает форму и размер организмов, и приходит к выводу — «сила тяжести». Если бы сила тяжести была меньше, деревья были бы гораздо выше.

Увеличение массы регулируется законом куба, а высота — законом квадрата. Были бы на Марсе, где сила тяжести в три раза меньше, чем на Земле, деревья выше, а животные крупнее? Поэтому под действием силы тяжести у более крупных животных неизбежно подломились бы ноги, и они не смогли бы передвигаться.

Почему в процессе эволюции не сформировались более прочные кости? Делались ли такие расчёты для массы тела человека? Это серьёзный вопрос, но лишь один из немногих. Были ли кости динозавров более прочными?

В процессе эволюции на смену размеру пришло многоклеточное строение. Формирование полостей и отделов организма — важный элемент роста, который может помочь преодолеть некоторые из вышеупомянутых ограничений. В моём новом большом чемодане много разных отделов и кармашков; кроме того, я использую сумки для организованного хранения вещей.

Похоже, да, но в то же время, насколько нам известно, они — носители самых больших вирусов. Являются ли амёбы самыми крупными сформированными клетками? И эти гигантские вирусы в свою очередь являются хозяевами для более мелких вирусов. Очевидно ли это? Что собой представляют самые мелкие и самые крупные живые существа — бактерии, нанопланктон и динозавры?

Возможен ли обратный процесс? Когда на Сицилии вследствие повышения уровня Средиземного моря сократились пищевые ресурсы, слоны стали мельче. Он выставлен в Берлине и по размеру равен 14 крупным слонам. Если пищи больше, животные становятся крупнее, о чём свидетельствуют останки самого крупного из когда-либо обнаруженных динозавров.

Кроме того, возможно, их размер определялся генетическими факторами. Теоретически динозавры могли стать столь крупными по причине потребления большого объёма пищи. Это не только моё предположение, это подтверждается серьёзной теорией. У них была не очень тяжёлая голова, что позволяло им достигать большого роста. Жирафы ведь тоже высокие. Разве это так?

За последние несколько десятилетий рост человека увеличился на 10 см. Могут ли размеры оказаться неограниченными при наличии достаточного количества пищи? Полученные в Цюрихском университете данные позволяют предположить, что наш рост в высоту замедлился и началось формирование избыточного веса — именно об этом свидетельствуют результаты исследований с участием добровольцев. Что определяет размеры человека?

А это означает отсутствие инноваций и медленную адаптацию к условиям окружающей среды. Согласно одной из теорий, отсутствие «прыгающих» генов ограничивает рост. В целях оптимизации происходит противодействие двух сил: слишком большая точность не создаёт условия для инноваций, вместе с тем «небрежность» или слишком много ошибок приводят к нарушению функций.

Активность транспозонов с «прыгающими» генами определяется эпигенетическими и средовыми факторами и даже питанием. Существует две крайности, а между ними «золотая середина»: слишком много ошибок делают репродукцию неточной и имеют фатальные последствия, а избыточная точность приводит к слишком выраженному отсутствию гибкости, что не создаёт условий для инноваций и приводит к гибели организма в силу его неспособности к адаптации.

Это благоприятный и многообещающий прогноз, который должен избавить людей от опасений за будущее. В таких ограничивающих условиях мы можем активировать транспозоны и разработать стратегию выживания. Откуда это известно? Другие факторы, ограничивающие рост популяции, гораздо более предсказуемы: максимально возможный возраст человека — 120 лет, а максимальная численность человечества — 12 млрд человек.

Выжили только мелкие животные. Эра динозавров закончилась после падения Юкатанского метеорита, это ещё один тип катастрофы. А мы крупные живые существа. Ага, значит, быть крупным рискованно.

Пока нам везёт — но что можно сказать о конце света

Церковь? Кто занимается прогнозированием будущего? Безусловно, этим занимается NASA — Национальное управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства. Может быть, политики? Ещё в 1982 году NASA выступило в качестве инициатора и организатора конгресса, посвящённого проблемам, связанным с опасностями для Земли, которые исходят от других планет и астероидов, а также способам защиты от этих угроз.

Согласно имеющимся расчётам, вокруг Земли есть 0,5 млн астероидов, 8000 из которых находятся в опасной близости от Земли, а 70 метеоритов угрожают нам ежемесячно — это околоземные объекты (NEOs). Практически никто не обратил внимания на этот конгресс и не воспринял его всерьёз.

В 1908 году в Сибири метеорит диаметром 40 м взорвался прямо над землёй, и под действием взрывной волны возникли разрушения на площади диаметром 40 км, в том числе повалено 80 млн деревьев. Диаметр большинства астероидов составляет всего 10–100 м. В 1913 году в результате падения метеорита в Тимбукту пострадало около 120 человек.

Его диаметр составил 18 м. 15 февраля 2013 года на территории России упал астероид. В результате взрыва было выбито всего несколько окон. Он взорвался на высоте 20 км над поверхностью Земли и летел со скоростью 70 тысяч км/ч. Недавно астронавты обнаружили в Южной Африке кратер диаметром 30 км, который до этого никто не замечал.

И нам придётся спешно решать, как спасти нашу планету. У NASA вызывает беспокойство предполагаемая планета, приближающаяся к Земле, поскольку мы узнаем о её приближении незадолго до этого события — всего за десять лет до столкновения.

Мы могли бы попробовать «отбуксировать» Землю в другое место, чтобы устранить угрозы со стороны других планет. Что касается будущего, существует несколько сценариев. Имея 10¹⁵ тонн взрывчатых веществ, Земля могла бы перемещаться как космический корабль; можно было бы сдвинуть орбиту Земли на 500 тысяч км, и тогда метеорит «промахнётся».

Швейцарский астрофизик Фриц Цвикки более 50 лет назад высказал идею о смещении всей нашей Солнечной системы при помощи бомб. Возможно, у нас для этого уже достаточно атомных бомб. Фримен Дайсон разработал план создания космического кораб ля Orion, огромного, как океанический лайнер, на борту которого могут находиться несколько сот человек.

В конце концов, Дайсон делал расчёты по квантовой электродинамике (КЭД), что помогло другим учёным получить Нобелевскую премию. Насколько серьёзно можно относиться к заявлениям таких гениальных людей? В своё время президент Обама хотел построить Orion, хотя Дайсон утверждает, что проектировал другой корабль.

Астрофизик из Цюриха Бен Мур заявляет, что человечеству нужно переселиться на другую планету. А Цвикки открыл сотни неизвестных суперновых звёзд, и, согласно его расчётам, наблюдался дефицит материи, и этой материи, тёмной материи, до сих пор не хватает. Я не верю ни одному его слову, но, возможно, он уже готовится к такому «переселению», организуя Парад любви в Цюрихе.

Астероид Astrophys, имеющий в диаметре 270 м, столкнётся с Землёй в 2020 году. Бывший астронавт Эд Лу создал фонд под названием «В16» (отсылка к «Маленькому принцу» Антуана де Сент-Экзюпери) как систему раннего обнаружения астероидов.

Вымерли не все, поскольку мелкие животные выжили, и в конечном итоге от них-то мы и произошли. Недавно метеорит диаметром 15 км едва не задел Землю — последствия его падения могли бы быть гораздо более серьёзными, чем последствия падения 10-километрового юкатанского метеорита 65 млн лет назад, когда погибло не менее 75% всех живых существ.

Процесс вымирания начался примерно 540 млн лет назад и был обусловлен суперизвержением вулканов. Известно пять массовых вымираний, так называемая «Большая пятёрка». Согласно некоторым теориям, численность населения сократилась до минимума, а несколько тысяч выживших создали основу для формирования довольно однородной популяции индийцев. Самое недавнее из них произошло 71 тысяч лет назад — извержение супервулкана Тоба в Индонезии. Люди не раз едва выживали.

Одна из исследуемых моделей — озеро Грин-Лейк (совершенно саркастическое название) недалеко от Нью-Йорка. В настоящее время осуществляется исследовательский проект, цель которого — выяснить, как жизнь на Земле могла исчезнуть. В этом озере не осталось никаких проявлений жизни, в нём нет кислорода, вода в нём представляет собой токсичный зловонный бульон, и подходить к нему можно только в защитных костюмах.

Однако, как это ни странно, на возрождение этих озёр потребовалось всего пять лет. В силу отсутствия кислорода в озёрах бывшей Восточной Германии погибла рыба и с устрашающим видом плавала в воде кверху белым брюхом. Аналогичным образом возродили цюрихское озеро. Оказалось, что для возрождения озёр достаточно использовать крайне медленные аэраторы для смешения и аэрации воды.

Через семь месяцев они оказались на Гавайских островах в 3500 км от места крушения судна, в Арктике на дрейфующем льду и недалеко от Восточной Европы. А океанические течения изучали с помощью одного из самых необычных экспериментов: в 1992 году в Индийском океане взорвался контейнеровоз, в результате чего в воду высыпалось 26 тысяч жёлтых игрушечных пластиковых уточек китайского производства.

Он оказался не только информативным, но и дешёвым. Такой удивительный эксперимент невозможно было себе представить. Они являются предметом интенсивных исследований, результаты которых документируются и используются для прогнозирования изменения климата — что произойдёт с климатом в Европе, если не будет Гольфстрима? Океанические течения имеют большое значение.

Подобный эксперимент недавно начался: 1500 чёрных шаров, обозначенных как «дрейфующие предметы» и снабжённых многочисленными датчиками, в рамках «Глобальной программы дрейфующих буёв» распределили по всем океанам. Может быть, игрушки помогут проследить изменения, вызванные течением Эль-Ниньо или течением Гумбольдта?

В истории планеты было примерно 20, а по оценкам некоторых специалистов, даже 50 ледниковых периодов, обусловленных физическими явлениями, прецессией перигелия или катастрофами, в частности падением метеоритов, происходящими в космосе процессами и извержением вулканов. Можно ли экстраполировать информацию из нашего прошлого и причины, приведшие к закату предшествующих цивилизаций, на современность, чтобы делать прогнозы на будущее?

У архей, к сожалению, тоже медленно формируются новые способы выживания. У человечества мало шансов на выживание, поскольку человек не может быстро адаптироваться к изменяющимся средовым условиям. Возможно ли повторное развитие форм жизни с самых её первых этапов, как это произошло 3,9 млрд лет назад, или даже ещё один Большой взрыв, вроде того, что имел место 14 млрд лет назад? Но некоторые формы жизни могут найти защиту в нишах, как это и случилось 65 млн лет назад, — и всё началось с начала. Всё сначала.

«Социальные» вирусы

Я не хочу использовать военную лексику. Нижеприведённые высказывания могут сбить с толку: вирусы демонстрируют социальное поведение. Природа не бывает ни хорошей, ни плохой. «Очеловечивание» поведения вирусов тоже представляется неправомерным. Просто она использует для обеспечения выживания и репликации механизмы приспособления, которые сопровождаются адаптацией или мутацией и эволюцией.

Тем не менее у вирусов есть особые характеристики — их называют оппортунистами, экстремистами, минималистами и, что, с моей точки зрения, самое главное, они, судя по знаменитой книге Ричарда Докинза «Эгоистичный ген», ещё корыстны и эгоистичны. Вирусы в этом смысле эксперты, реагируют быстро и непосредственно, поэтому понять их поведение не составляет никакого труда.

Мутуализм часто основывается на вкладе вируса в выживание организма-хозяина, что приводит к увеличению численности потомков вирусов. Вирусы мутуалистичны, при этом выгоду получают обе стороны и другие организмы. Все вызывающие рак вирусы дефектны, и им нужны хелперы, чтобы получить оболочку и возможность перемещаться из клетки в клетку или от одного хозяина к другому. Чаще всего в исследованиях я использую тип вирусов-хелперов.

Зачастую это является проявлением мутуализма или симбиоза. Как отмечалось выше, вирусы способны «выкармливать» потомство насекомых, способствовать выживанию своего хозяина путём устранения генетических дефектов, защищать некоторые виды растений от высыхания, то есть они действуют на пользу как другим, так и себе.

Помимо этого, действуя в собственных интересах, они могут адаптироваться к условиям окружающей среды и имеют собственное потомство, как это обычно происходит в жизни. Вирусы даже способны восстанавливать дефектные гены погибшего организма-хозяина.

Типичное поведение вирусов можно описать, используя такие характеристики молекул, как комплементация, взаимодействие, интерференция, трансдоминирование и кооперативность наряду со способностью стать частью организма-хозяина.

Оба этих диаметрально противоположных способа связаны со «стрессом» — отсутствием пищи или недостаточностью пространства, что может индуцировать лизис хронически или устойчиво инфицированных клеток и положить конец интеграции вируса. У вирусов есть два способа взаимодействия с хозяином — интеграция и лизис.

Два вируса лучше одного — например, вирус гепатита дельта и вирус гепатита В или вирус пестролепестности тюльпанов и вирус крапчатости лилий. Они кооперируются и конкурируют — это базовые механизмы жизни. Возможно, это случайность. «Лучше» значит, что они обусловливают смерть своего хозяина. В жизни всё бывает.

И всё же до того, как вирусы уничтожат всех своих хозяев, они находят новых, при этом руководствуются соображениями статистического характера и никогда не уничтожают всех хозяев, поскольку они просто не смогут найти последнего хозяина, если таковых останется слишком мало.

И что самое главное, ранее упоминалось несколько животных моделей, в которых вирусы становятся безвредными. Они могут восстанавливаться. Можно ли экстраполировать это на другие популяции или сообщества? Помните вирус иммунодефицита у обезьян, который больше не является смертельным для этих животных?

У фагов со своими бактериями или у вирусов с морскими водорослями, которые выступают в качестве хозяина, родственные жизненные циклы. Возможно, следовало бы рассмотреть вопрос о взаимодействии между вирусом и организмом-хозяином. У интервентов, вторгающихся в некоторые популяции, есть два возможных выхода: происходит либо интеграция, означающая устойчивое или хроническое сосуществование, либо лизис — разрушение клетки-хозяина и высвобождение потомства.

Это также зависит от средовых факторов, а наличие хронической инфекции может обусловить литическую реакцию, индуцированную стрессом, в частности отсутствием пищи или недостаточным пространством. Оба механизма, возможно, зависят от того, позволяет ли хозяин инфицирование, репликацию, интеграцию и лизис. Можно ли это применить к человеческому сообществу?

Если жизнь началась с РНК, тогда РНК должна обладать способностью передавать некоторую полезную информацию. «Социальное поведение» наблюдается у неживых существ, вплоть до молекул, которые могут связываться, отторгаться, стабилизировать или взаимодействовать. Действительно, РНК при борьбе за одни и те же ресурсы может уничтожить другую РНК, распознав её по парам оснований (пример действия рибозимов).

Микробиомы индивидуумов, вероятно, являются фактором, способствующим социальному взаимодействию. Как известно, притяжение и отторжение объясняются взаимодействием между атомами и молекулами. Видимо, во время поцелуя происходит уравновешивание микробиомов двух партнёров — какое разочарование.

Ранее уже говорилось о сходстве микро- и макромиров. От передачи информации до социального поведения большой скачок, но, возможно, и логическое следствие. Такие структуры, как «лист клевера», напоминают передачу тРНК или супрессор опухоли р53, у которого есть «руки» или «пальцы», что свидетельствует о мутации и даёт клетке время на восстановление.

Однажды меня спросили: «Демонстрируют ли вирусы такой тип поведения?» Да, скорее всего, демонстрируют. А что касается эффекта «камуфляжа» — экипировки, сливающейся с ландшафтом, то это обычный приём, использующийся военными, чтобы обмануть противника. Это можно назвать жульничеством. Это практически характерный признак вирусов — выдавать себя за то, чем они не являются.

ВИЧ связывается с рецептором CCR5, как будто вирус является его обычным лигандом. Для проникновения в клетку вирус часто «маскируется» под обычный клеточный «доступ для входа» или компонент. В основе практически всего взаимодействия вируса и клетки-хозяина лежит принцип камуфляжа. Для взаимодействия с клеткой-хозяином вирусы используют обычные клеточные механизмы и имитируют клеточные генные продукты.

«Оккупированные» РНК клетки не допускают проникновения в них другой родственной РНК, о чём уже упоминалось, когда речь шла о рибозимах, вироидах и вирусах как противовирусной защите. РНК по гомологии последовательностей может распознавать родственные и чужеродные РНК.

Видимо, они в принципе схожи и мы — родственники. Когда мы говорим о структурном сходстве макрои микромиров или об эффекте камуфляжа, означает ли это наше желание понять, как устроен наномир?

Фантастическая новая «генетика», обеспечиваемая половыми гормонами

Приближаясь к концу книги, я хотела бы дать читателю надежду и рассказать о некоторых удивительных, новых фантастических концепциях, отражающих состояние современных представлений и отсутствие знаний.

У полных женщин — полные внучки, а дедушки-курильщики неблагоприятно влияют на здоровье своих внуков по мужской линии.

Токсины, высокие температуры или пища способны привести к формированию РНК, которая активирует химические модификации (метилирование или ацетилирование ДНК или гистонов) и модифицирует генную экспрессию. Мы имеем представление об эпигенетике, которая обусловлена не генетическими изменениями, не мутациями, а факторами среды, влияющими на активность или экспрессию наших генов.

Обычно они «подчищаются» в процессе спаривания. Эти явления не относятся к генетике и поэтому называются эпигенетическими. Поэтом эти явления в лучшем случае сохраняются на протяжении жизни одного поколения и не передаются новому поколению. У следующего поколения всё начинается сначала.

Питание дедушек и бабушек влияет на гены их внуков и внучек. Тем не менее кое-что всё же происходит: неожиданно выяснилось, что какая-то информация передаётся от бабушек к внучкам и от дедушек к внукам. Перенос этой информации, вероятнее всего, носит ограниченный характер и происходит в определённые периоды беременности.

На протяжении трёх поколений эпигенетические изменения генов передаются от беременных матерей эмбриону и эмбриональным зародышевым клеткам, о чём свидетельствуют результаты исследования людей, родившихся после голландской «голодной зимы».

Барбара Макклинток охарактеризовала окраску кукурузных зёрен как эпигенетические изменения. В настоящее время известен двухгенерационный эффект (эффект двух поколений), наследование без мутированных генов, более устойчивая эпигенетика. И уже тогда, когда она описывала этот эпигенетический эффект, кукурузные зёрна продемонстрировали ещё одно явление, которое проявляется не только в течение жизни, но и может передаваться нескольким поколениям.

Это не было ни настоящей мутацией, ни эпигенетическими изменениями, сохраняющимися на протяжении жизни одного поколения. Это явление наблюдал канадский специалист по генетике растений Ройял Александр Бринк уже в 1956 году и назвал его «парамутация». В настоящее время мы называем это явление трансгенерационным эффектом, поскольку оно влияет на несколько поколений.

При спаривании таких мышей у потомства тоже появляются полоски, что противоречит законам наследования. Приведу пример: у мутировавших мышей на хвосте есть белые полоски. Их потомство может иметь белые хвосты — это совершенно неожиданный результат. Можно не скрещивать мышей, а пойти ещё дальше: взять РНК у мышей с белыми хвостами и внутривенно ввести её мышам с чёрными хвостами.

Такая РНК называется piРНК, а ген — kit-геном. И всё это достигается лишь при помощи кусочка РНК. Было показано, что сигнальная молекула, проходя через сперму, передаётся новому поколению. Этот ген известен исследователям онкогенов, его протоонкоген является рецептором тирозинкиназы стволовой клетки, сигнальной молекулы.

В 2006 году это продемонстрировала Мину Рассулзадеган из Ниццы, мой друг и коллега, которая пыталась и до сих пор пытается убедить скептиков в том, что полученные ею удивительные результаты корректны. Кроме того, её можно выделить из спермы. Влияет ли это главным образом на репродуктивную функцию? По её оценкам, примерно 200 из 10 тысяч мышиных генов могли бы вести себя подобным образом. Мне интересно.

Их исследованием занималась лауреат Нобелевской премии Кристиана Нюсляйн-Фольхард с целью изучить особенности развития. Белые полосы — характерная черта зебр, а также рыбокзебр (данио). Мутантную рыбку данио можно использовать для демонстрации вертикальных полос, повёрнутых на 90°. Эти полосы обусловлены не вирусом или средовыми факторами, а в основном двумя-тремя видами клеток, а в основе этого явления лежат генетические факторы. Даже крапчатость может быть результатом мутаций.

Кроме того, цвет выполняет важную социальную функцию: например, жители африканских племён раскрашивают кожу, чтобы показать свою принадлежность к определённому сообществу. Дарвин предположил, что окрас влияет на сексуальную привлекательность и репродуктивность.

Нам, людям, приходится краситься, носить унифицированную одежду, соблюдать дресскод и делать тому подобные вещи, поскольку у нас нет паттернов (структур), за исключением разве что меланоцитов, отвечающих за тёмную или светлую кожу, и, вероятно, ещё одного типа клеток, определяющих рыжий цвет волос.

Знаменитый английский математик Алан Тьюринг, известный своим вкладом во взлом кода Enigma, который во время Второй мировой войны использовали на немецких подводных лодках, а также Джон Мюррей из Принстонского университета в своей статье «Откуда у леопарда пятна» рассматривают вопрос о том, как образуются паттерны. Все полоски, обусловленные как генетическими, так и эпигенетическими факторами, предусматривают периодическое образование паттернов, имеющих активатор и ингибитор.

Возможно, мутации, парамутации и вирусные инфекции имеют нечто общее. Это меня заинтересовало, поскольку существует вирус пестролепестности тюльпанов, вирус кольцевой пятнистости дынного дерева и вирус кольцевой пятнистости картофеля, которые отвечают за полоски, точки, кольцевую пятнистость и крапчатость, при этом в формировании паттернов участвуют даже мелкие вироиды, такие как вироид веретеновидности клубней картофеля. Мы до сих пор недостаточно хорошо представляем себе молекулярные механизмы, включая сайленсинг

Если при выращивании помидоров и картофеля на их листья положить гусениц, то растения начинают бороться с ними, вырабатывая токсины, и в следующем поколении оба этих растения продолжают вырабатывать токсины в отсутствие опасных гусениц. Трансгенерационный эффект проявляется и у растений.

Это пример быстрой реакции и памяти, сохраняющейся несколько поколений. Даже арабидорсис — растение, имеющее небольшой геном, в течение многих поколений помнит, как справляться с избыточным количеством соли в почве или жарой. Можно ли говорить о памяти, сохраняющейся более трёх поколений? Может ли быстрая переходная коррекция предшествовать долговременной памяти?

Червей C. И в конце я хотела бы поговорить о «чудесах», о том, что мы до сих пор не понимаем, но чем всё равно интересуемся. А вот теперь начинается «чудо»: через несколько поколений потомство червей собирается на том же месте, даже когда запах феромона уже исчез. elegans привлекает капля феромона, которая служит сигналом к спариванию; происходит это в лабораторных условиях в чашке для культивирования.

Установлено, что такая память сохраняется у червей в течение 50 поколений. Им не нужны никакие сигналы. Второй эксперимент подтвердил этот результат. Это кажется невероятным. elegans любят жить во фруктовых садах, например, в таких как в Орсе под Парижем, где их и изучали. Черви C.

«Алкозависимые» черви запоминают места в чашке Петри, куда был налит спирт, и следующие 30 поколений этих животных приползают в эти места, когда алкоголя там уже не осталось. Обычно в садах черви с удовольствием питаются упавшими на землю гнилыми яблоками, в которых содержится некоторое количество алкоголя.

В связи с таким поведением возникает вопрос: найдут ли внуки бордели, которые за много лет до этого часто посещали их деды? В данном случае «подозреваемым» является небольшая РНК, которая, вероятно, вызывает изменения хроматина и хранит эту информацию. Человек — сложноорганизованное существо. Нет. Могут ли черви быть совершенным исключением или их можно использовать как модель для других организмов, для изучения алкогольной зависимости?

Только пчеломатка получает маточное молочко. Хорошо известно, что у пчёл существует чётко отлаженная социальная структура, и в настоящее время её изучают на предмет передаваемой РНК. В настоящее время составляющие маточного молочка препарируются и анализируются в поиске piРНК. Имеются данные, что маточное молочко содержит ингредиент, определяющий социальное поведение следующих поколений.

Это что, для совершенствования нашего социального поведения? В немецких супермаркетах маточное молочко можно купить за €5. Но на примере червей и растений достоверно доказано, что существует пища, приводящая к трансгенерационному эффекту или парамутации, но у человека такие изменения носят не столь долгосрочный характер. Было бы слишком просто.

Это означает, что РНК может взаимодействовать с белком PIWI, «ножницами», РНКаза Н-подобной молекулой. Содержащаяся в сперме РНК уже получила название — PIWI-взаимодействующая РНК, или piРНК. Транспозоны, «прыгающие» гены, и РНК транспозонов подвергается сайленсингу, разрезается. Что разрезают эти «ножницы»?

Это необходимо для обеспечения фертильности. piРНК немного длиннее siРНК, характерна для зародышевых клеток, отвечает за «приручение» «прыгающих» генов и является «охранником» наших геномов в зародышевых клетках. Возможно, это служит профилактикой «катастрофы ошибок», слишком большого количества ошибок.

И наконец, связано ли это с сексуальной активностью, спариванием и производством потомства? Влияет ли это на обучаемость и память (на клетки головного мозга, нейроны), а также на наследование способности к обучению, соответствующего социального поведения и долголетия? Возможно, в подобном исследовании захотят поучаствовать молодые учёные. Полагаю, что да. Если да, то нужно обращаться в Кембриджский университет (Великобритания) к Эрику Миска

Возможно, специализация piРНК — спаривание и выживание разных видов организмов. piРНК могут находиться где угодно.

Он опубликовал книгу «Философия зоологии» (1809), в которой высказывает точку зрения, противоречащую позиции Дарвина и тому, что тот пишет в книге «Происхождение видов» (1859), основываясь на адаптации путём селекции. Это нам звоночек, напоминание о наследовании приобретённых свойств — такую гипотезу выдвинул французский ботаник и зоолог Жан Батист Ламарк (1744–1829). Эти вопросы в настоящее время активно обсуждаются.

Может ли быть так, что приобретённые свойства, то есть парамутации, через несколько поколений генетически фиксируются, становясь настоящей мутацией? Возможно, разногласия между этими двумя учёными не столь серьёзны, как кажется. Этому может способствовать чудесная и вездесущая обратная транскриптаза. РНК может превратиться в ДНК, и с некоторых пор мы это знаем.

Таким образом, круг замыкается, связывая первичные преи про-РНК, РНК вироидного типа, рибозимы и кольцевую РНК, а теперь ещё и piРНК, находящуюся в сперме, все шпилько-петлеобразные структуры настолько прочно, что, как оказалось, они были способны противодействовать всем опасностям в течение примерно 3,8 млрд лет — с самого начала появления жизни на Земле и по настоящее время. Вероятно, то же самое происходит с piРНК, но возможно, это лишь мой досужий вымысел. Так мы закольцевали вопросы, рассматриваемые в этой книге.

А как работает система глобального позиционирования (GPS) в части, касающейся хранения информации у различных животных? Тем не менее остаётся немало открытых вопросов. Последует ли их потомство тем же маршрутом, чтобы в том же месте отложить яйца, если их этому не научили матери, погибшие до того, как маленькие черепашки вылупились? Черепахи 20 лет подряд в одиночку переплывают океан, преодолевая 12 тысяч км, чтобы отложить яйца на определённом пляже.

Каждую весну аисты находят свои гнёзда в небольшой деревушке Линум недалеко от Берлина. В Берлинском зоопарке смотрителям за животными пришлось на собственном опыте понять, что в вольере для черепах нельзя перемещать ни одного камня, в противном случае черепахи перестают размножаться. Бабочки-монархи погибли, когда деревья, на которых они обычно спаривались, вырубили. Прилетают они туда из Африки — сначала самцы, чуть позже самки, и находят друг друга.

С начала возникновения жизни на Земле 3,8 млрд лет назад на всё это — и главным образом на процесс репродукции и формирования потомства — могли влиять следующие факторы: состояние магнитного поля, запахи, свет и поляризация света, цвет, пища, хемотаксис, враги, равно как и все средовые факторы. Хорошо известно, что форель или лосось помнят место откладывания икры и оплодотворения её семенной жидкостью.

РНК существует с самого начала жизни на Земле, а piРНК — её вариант, и в РНК-мире информация наследуется как РНК, а затем как ДНК, но РНК всё равно сохраняется. Способна ли piРНК содействовать формированию первого этапа — оплодотворению икры семенной жидкостью в дополнение к генам в форме ДНК?

Вирусы для предсказания будущего

Инфекционные заболевания являются основной причиной смерти на нашей планете. Можем ли мы узнать что-либо от вирусов, фагов и их хозяина о продолжении жизни, будущем и конце существования человечества? От ВИЧ или СПИДа, главным образом в развивающихся странах, умерло около 37 млн человек. Во время Первой мировой войны было уничтожено и погибло от гриппа около 100 млн человек.

Новая «эпидемия» ожирения охватила примерно 300 млн человек, и, по оценкам некоторых учёных, в скором времени ожирением будет страдать треть населения планеты — при этом «инфицирующий агент» неизвестен. От инфекционных заболеваний в мире ежегодно умирает 15 млн человек, от рака — около 10 млн, из которых 1,5 млн случаев связаны с вирусами. Нет вируса, известного как причина, — а что насчёт бактерий?

По имеющимся данным, дети к подростковому возрасту получают десять курсов антибиотиков, что приводит к изменению их кишечного микробиома. В конце концов, животным дают антибиотики для увеличения массы тела. Такая возможность серьёзно обсуждается. Является ли это объяснением совершенно необъяснимо быстрого увеличения числа людей с ожирением, которое, похоже, носит характер эпидемии? Было показано, что у лиц с ожирением повышается вероятность развития рака и изменения дифференциации стволовых клеток в кишечнике.

Если на бактерии оказывается негативное воздействие, такому же неблагоприятному воздействию подвергаются вирусы и фаги, поскольку все они при стрессовых условиях лизируют бактерии. Какие последствия это может иметь для состава бактерий в экосистеме человека в долгосрочной перспективе? А что насчёт архей и дрожжей? К стрессовым условиям относят и ожирение, и микробиом кишечника. Ответа на этот вопрос не знает никто.

Однако подобные стабильные системы не могут существовать постоянно, в противном случае мы бы никогда не заболевали. Я уже отмечала, что микроорганизмы не становятся возбудителями заболеваний, если наш организм представляет собой хорошо сбалансированную экосистему. Нам даже нужно время от времени болеть для тренировки иммунной системы, если мы не хотим, чтобы этим занимались гельминты.

Возможно, бывает трудно избежать недостатка пространства, кислорода, питательных веществ из-за близкого соседства людей и животных, и всё это вызывает стресс. Происходит нарушение баланса. При стрессе вирусы могут активироваться.

И всё же микроорганизмы и инфекционные заболевания не приведут к исчезновению человечества. В развивающихся странах инфекционные заболевания являются одной из основных причин смертности. Хотя они могут регулировать плотность популяции. В рамках исследования, проводившегося NASA, их даже не рассматривали как одну из угроз для человечества.

Они существуют уже примерно 3,8 млрд лет и появились задолго до нас. Безусловно, микроорганизмы и вирусы переживут нас — млекопитающих и эукариотов. Выжили только те особи, которые оказались способны справляться с микроорганизмами, находящимися в окружающей среде. Мы появились гораздо позже, например австралопитек Люси жила в Африке 3,2 млн лет назад.

Это мы вторглись в мир бактерий и фагов, а не наоборот. Мы даже нуждаемся в микроорганизмах и от них зависим. Если мы перестанем существовать, жизнь на Земле сохранится в виде микроорганизмов. Они помогают нам переваривать пищу, населяют наш организм и защищают от незнакомых микробов. Бактерии и фаги существуют автономно, мы микробам не нужны, но сами нуждаемся в них.

Все они могут начать жить снова после опасной для жизни катастрофы. Наиболее изменчивыми являются вирусы, бактерии и, возможно, археи ; последние по крайней мере дают возможность понять, в каких экстремальных условиях может сохраняться жизнь.

Мы сложно организованы, слишком большие, слишком медленно эволюционируем и не можем быстро адаптироваться. Однако человеку как виду потребовалось бы слишком долго ждать, чтобы стать экстремофилом, как, например, археи, и выжить при высоких температурах, повышенном уровне соли, в ядовитой атмосфере и прочих экстремальных условиях.

Нам вполне хватит интеллекта, но мы слишком эгоистичны и не проявляем мутуализм в должной мере. Люди могут оказаться достаточно умными и изобретательными, чтобы защититься от причин, вызывающих их гибель. Результаты поведенческих исследований свидетельствуют о том, что люди не демонстрируют мутуализм в группах, превышающих 150 человек, что соответствует числу родственников, друзей и соседей.

В качестве ответа на этот вопрос приведу пример: когда в Нью-Мексико вследствие изменений окружающей среды хантавирусы более не могли полагаться на мышей как на организм-хозяин, они быстро переключились на человека. Согласно прогнозам, большую часть населения Земли ожидает жизнь в мегаполисах, и встаёт вопрос: истребят ли в этом случае человечество микроорганизмы и вирусы? И так может продолжаться до тех пор, пока они не найдут другого хозяина.

А что бы произошло, если бы не нашлось другого хозяина? Повышенная мобильность вирусов ускоряет процесс поиска нового хозяина, как это наблюдалось в случае с короновирусом атипичной пневмонии (SARS), когда он распространился от Гонконга до Ванкувера буквально за несколько часов. Они бы изменили стратегию: если бы не оказалось нового хозяина, они перестали бы использовать и уничтожать своего хозяина и вместо этого нашли способ адаптироваться к нему и сосуществовать с ним. Куда бы отправились эти микроорганизмы? Так обычно и происходит.

В качестве защиты от внешних вирусов вирусоподобные последовательности вводили в геномы эукариотов. В качестве примера можно привести обезьян, устойчивых к вирусу иммуно дефицита обезьян, и коал, резистентных к вирусу лейкоза гиббонов (GALV), которые эндогенизировали инфицирующие вирусы в свои гены, где они не только хорошо переносились, но и защищали организм хозяина от посторонних микроорганизмов.

После этого микроорганизмы уже не представляли бы смертельной опасности для человечества, они защищают нас с самого рождения. Как показано на примере реконструированного вируса Phoenix, который эндогенизировался и снова защищает нас от экзогенных вирусов, все они были экзогенными вирусами.

Может быть, это оптимальный и единственный способ выживания? Можно ли экстраполировать на человека ситуацию, когда враги становятся друзьями? Показатель смертности будет высоким, но он всегда имеет какие-то ограничения. Это хорошая новость, если мы боимся пандемий.

Одно из таких исследований, начавшееся в 2014 году, называется HANDY («Динамика развития человека и природы»). В анализе наших шансов на будущее прогнозируется, что современная цивилизация не сможет выжить.

В нём предусматривается изучение вопросов, касающихся самых неблагоприятных вариантов развития событий, например повышение плотности населения, дефицит ресурсов (воды, пищи, энергии), природные катастрофы, в том числе изменение климата, и, наконец, политическая нестабильность, сопровождаемая экономическим неравенством, разрывом между богатыми и бедными.

Гибель человечества неизбежна — таков прогноз. Считается, что эти факторы были основной причиной падения Римской империи, цивилизации майя и режима Пол Пота в Камбодже. Прогноз оказался слишком пессимистичным даже для NASA, и агентство от него отмежевалось. Для целей исследования использовали дифференциальные уравнения для прогнозирования сценариев будущего.

Их не включили в перечень угроз для жизни на Земле. Интересно отметить, что при проведении данного исследования микроорганизмы в расчёт не принимались. Первый фактор в этом списке — плотность населения — будет серьёзно влиять на инфекционные заболевания, но, возможно, это будет более выражено проявляться в локальном, а не в глобальном масштабе. Заболевания, микроорганизмы и инфекционные агенты были исключены из вышеупомянутого перечня.

Здесь тоже задействованы вирусы. А что насчёт еды? В первую очередь и главным образом это произошло благодаря Фрицу Габеру, который в 1915 году разработал метод фиксации азота в качестве удобрения, что до сих пор позволяет человечеству обеспечивать себя продуктами питания. За последние 100 лет технический прогресс помог вдвое увеличить производство продуктов питания.

Нам повезло, что у нас есть такая возможность. Нам нужны новые технологии, и, к счастью, мы вполне преуспели в разработке важных инноваций: генно-модифицированные продукты, безусловно, это один из основных способов, с помощью которых можно прокормить человечество. Но нужно научиться надлежащим образом её использовать.

А употреблять в пищу насекомых и водоросли не так уж плохо. Вероятно, нам не придётся переходить на подножный корм, о чём мы говорили с Дайсоном, снова отращивать шерсть и ограничить потребление тепла. Согласно некоторым прогнозам, максимальная численность населения Земли может составлять 12 млрд человек.

Давайте вспомним: сто лет назад говорили, что из-за навоза лошадей будет невозможно перемещаться по берлинским улицам. Подобные прогнозы составляются без учёта инноваций и поэтому ненадёжны. Автомобили, в свою очередь, дали повод для новых пугающих экстраполяций. Но потом появились автомобили, и никакой катастрофы с конским навозом не произошло.

Оно станет слишком горячим сначала для нас, а потом и для микроорганизмов. В космическом масштабе конец всему живому придёт из-за Солнца. Я, будучи физиком-ядерщиком, полагаю, что в конечном итоге Солнце взорвётся в соответствии со стадией существования звёзд (диаграмма Герцшпрунга–Рассела), но сначала оно превратится в «красного гиганта», а потом в «белого карлика».

Половина срока жизни Солнца уже прошла, поэтому осталась ещё половина, то есть вторые 4 млрд лет, и то при условии, что до этого Земля не погибнет вследствие иных космических явлений. «Красный гигант» взорвёт нашу планету.

Мир микроорганизмов тоже может вселить в нас некоторые надежды, если заняться решением этого вопроса. И всё же что на это можно возразить? Каждую осень «лужайки бактерий» и цветущие водоросли в океане уничтожаются вирусами, которые вносят свой вклад в развитие популяции и переработку питательных веществ.

На следующее лето при наличии достаточного объёма питательных веществ водоросли снова зацветут. Часть бактерий и вирусов всегда выживает, и всё начинается сначала, с небольшого количества в начале, а далее возрастает экспоненциально. Можно ли это рассматривать как некоторую надежду?

Возможно, подобные явления уже пять раз происходили в истории нашей планеты. Даже в случае гибели большого числа особей субпопуляция с характерным для неё разнообразием видов избежит нижнего порога плотности популяции, так как возможна активизация транспозонов, что будет способствовать формированию новых свойств. А в недавние время такие феномены зачастую носили локальный характер.

Аналогичным образом после аварии на Чернобыльской АЭС некоторые растения стали лучше расти на заражённой радиацией почве. Самый масштабный разлив нефти вследствие взрыва на нефтяной платформе Deepwater Horizon, к удивлению учёных, продемонстрировал рост бактерий, поглощение ими нефти, а после полного уничтожения нефти, когда пищи не осталось, их исчезновение.

Мутации происходят постоянно. Вполне возможно, впереди нас ждёт много поводов удивиться. Мы уже потеряли 6000 рецепторов, отвечавших за обоняние и вкусовые ощущения, их осталось 60, поскольку нам достаточно этого небольшого числа рецепторов, а без остальных мы вполне можем обойтись. Мы научились пить молоко, мы едим разнообразную пищу, нижние конечности могут стать короче, а длина пальцев увеличивается в связи с работой на компьютере.

Именно это произошло в мире водорослей, а явление, подобное «красному приливу», может наблюдаться и в социуме. Мир характеризуется выраженной гетерогенностью, и в нём часто можно обнаружить ниши, где могут спрятаться и сохраниться разные формы жизни.

На первом этапе формирования жизни всегда находится какая-нибудь ниша, «маленький тёплый пруд», по определению Дарвина. Избыточный рост сопровождается вирус-индуцированным разрушением, а в новом сезоне всё начинается сначала. Полностью уничтожить жизнь не так-то просто. Нечто подобное произошло на полуострове Юкатан.

Вирусы, включая мобильные элементы, отличаются инновативностью. Вирусы помогают нам выжить, обеспечивая нас новыми генами. Они и в будущем будут вносить вклад во все проявления жизни, обеспечивая адаптацию, выживание и биологическое разнообразие.

Но мы несём за это ответственность. Нам следует помнить, что мы можем влиять на вирусы, «прыжки» транспозируемых элементов с помощью факторов среды, которые усиливают или ослабляют эти «прыжки». «Прыжки» ретротранспозонов отличаются большой вариабельностью.

Существует много новых для нас генов, а высокая скорость мутации вирусов и обмена генами помогает нам выживать. Только в океане вирусы и их хозяева обмениваются 10²⁷ генов. Без вирусов мы не смогли бы добиться такого прогресса и видового разнообразия, и, по сути, нас бы не было. Вирусы, главным образом ретровирусы, а также родственные им ретроэлементы внесли свой вклад в эволюцию жизни и выживание всех видов на планете. Тем не менее благодаря вирусам мы существуем.

Такой вопрос мне задали в конце одного интервью, посвящённого вирусам, во время утреннего эфира на швейцарском телевидении. А где же тогда Бог? Мой спонтанный ответ был следующим (таким и остался): когда мы сталкиваемся с чем-то незнакомым, появляется желание поверить в Бога. Этот вопрос вызвал у меня удивление.

При этом каждый ответ влечёт за собой новые вопросы и новые чудеса. Но чудеса можно объяснить и с помощью науки. При желании непонятное явление всегда можно объяснить действием высших сил или Бога. Чудеса будут возникать всегда, независимо от того, какой объём знаний мы накопили. Я не могу в это поверить, тем же, кто верит, приходится легче, чем мне.

#библиотека #будущее

Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть