Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Существование мини-моркови приводит нас к более широкому утверждению: наш мир пребывает далеко не в таком первозданном состоянии, как считают многие. Взять, к примеру, азот, обязательный компонент многих ключевых молекул жизни, в том числе белков и ДНК. Азота в природе много: в виде газа он составляет около 78 % атмосферы. Однако в такой форме он недоступен растениям и животным – ни один из этих организмов не способен усваивать азот из воздуха. Зато с этим справляются некоторые бактерии – особенно в симбиозе с растениями из специфических семейств: микробы создают азот-содержащие химические вещества – предшественники молекул, которые служат растению строительными материалами, а после его смерти удобряют почву, снабжая азотом другие растения и, следовательно, растительноядных животных. Процесс этот медленный, и недостаток азота часто становится причиной низкой продуктивности сельскохозяйственных угодий. В начале XX века немецкие химики Фриц Габер [72] и Карл Бош разработали искусственный процесс извлечения азота из воздуха и заложили фундамент для производства азотных удобрений. Это открытие оказало колоссальное влияние на производство продуктов питания и нашу цивилизацию в целом7. Процесс Габера – Боша стал главным независимым фактором взрывного роста численности населения Земли, и без него, по оценкам ученых, половины людей на планете просто не было бы. (Сейчас нас чуть меньше 8 миллиардов; в 1900 году землян было в районе 1,6 миллиарда.) Как ни удивительно, целых 50 % атомов азота в составе нитей ДНК, аминокислотных цепочек и других компонентов вашего тела получены благодаря процессу Габера – Боша, а не естественной бактериальной активности.
Неестественные процессы оставляют следы не только в виде набора атомов в наших телах. Около 40 % суши на нашей планете используется для ведения сельского хозяйства, и эта доля будет еще выше, если исключить из знаменателя, то есть из общей площади, бесплодные пространства вроде Сахары и Антарктики8. Атмосфера тоже изменяется: в последние 10 тысяч лет концентрация углекислого газа в ней колебалась в диапазоне от 250 до 280 частей на миллион. Теперь, благодаря интенсивному сжиганию ископаемого топлива, она превышает 400 частей на миллион. В соответствии с хорошо изученными законами теплового излучения, повышение содержания углекислого газа ведет к общему повышению температуры на Земле.
Следовательно, мы живем на планете, где человеческая деятельность не просто вносит незначительные возмущения в установленный порядок вещей, а выступает главным фактором динамики глобальных систем. Многие из нас уверены, что природу нужно сохранять и что восхитительное разнообразие видов и ландшафтов не только полезно, но и ценно само по себе. На мой взгляд, сдерживая свою «неестественную» деятельность, мы, как ни странно, служим плохую службу делу сохранения природы. Говоря откровенно, этот поезд ушел. Например, отказ от химических удобрений и пестицидов без замены их новыми технологиями приведет к тому, что для ведения сельского хозяйства нам потребуется почти в четыре раза больше земельных площадей. А их просто не существует. Численность населения Земли продолжает расти, и вместе с ней растет нагрузка на неосвоенные территории и дикую природу. Биоинженерия культур, направленная на повышение их продуктивности, могла бы сократить наш аграрный след, что вряд ли достижимо любыми другими средствами.
Инженерия экосистем
Если наращивание оборотов в манипулировании живым миром кажется вам рискованным, вы правы, так оно и есть. История снабжает нас наглядными примерами провальных вмешательств в экосистемы. Взять хотя бы знаменитых тростниковых жаб (жаб-ага). Сотню лет назад посадки сахарного тростника в Австралии атаковали жуки. В других частях света жуков и прочих вредителей поедали тростниковые жабы. Так почему бы не завезти этих прожорливых амфибий из Центральной и Южной Америки в Австралию? И вот в 1930-х жаб интродуцировали в Австралию для защиты плантаций сахарного тростника. План обернулся катастрофой. Жабы-переселенцы на радостях бросились размножаться, и теперь примерно 200 миллионов особей занимают территорию площадью почти 500 тысяч квадратных километров. К тростниковым жукам они проявили обидное равнодушие, зато по вкусу им пришлись другие местные насекомые, лягушки, яйца птиц и многое другое. Своим ядом жабы убивали многих хищников, которые могли бы контролировать их численность, а также домашних животных. В итоге тростниковые жабы, не принеся ни капли пользы, превратились в злостных вредителей, разоряющих традиционные среды обитания на континенте9. И по-прежнему неясно, что с ними делать.
 
Не все планы реализуются успешно, но есть надежда, что мы будем учиться на ошибках прошлого, разрабатывать более удачные тесты и эксперименты и искать разнообразные инструменты. В предыдущей главе мы рассматривали применение CRISPR/Cas9 для модификации клеток и отдельных организмов. Здесь в качестве последней биотехнологической иллюстрации поговорим о том, как CRISPR/Cas9 может изменять и даже уничтожать целые виды с помощью технологии генного драйва10. Применять ли ее – вопрос сложный, в чем мы скоро убедимся.
Представьте признак, задаваемый единственным геном: пусть, например, его самый распространенный вариант придает насекомым серый цвет, а особая мутация – черный. (Или, предвосхищая сценарий применения, описанный ниже, пусть мутация приводит к стерильности комаров, если затрагивает обе копии гена в их геноме.) Допустим, мутация есть лишь у одного представителя вида. Когда он спарится с обычной, немутантной по этому гену, особью, случайная рекомбинация генов приведет к тому, что мутация в составе сперматозоида или яйцеклетки передастся следующему поколению с вероятностью 50 %. Поэтому, если черный цвет не дает никаких преимуществ, эта мутация вряд ли распространится в популяции. (Я проиллюстрировал эту ситуацию для пар, которые всегда дают двух потомков, на схеме, не учитывающей случайность наследования.)
Теперь представьте, что в геном черной особи рядом с мутантным участком встроили и детерминанты системы CRISPR/Cas9, мишенью которой служит «нормальная» (серая) форма гена. Если модифицированная ДНК встречается с немодифицированным геномом – при спаривании с неотредактированным партнером, – Cas9 разрезает ген серого пигмента. Как мы знаем, клетки ремонтируют разрывы ДНК и часто используют в качестве шаблона эквивалентные участки парной хромосомы. Так участок с черной мутацией и кассетой CRISPR/Cas9 оказывается в обеих хромосомах. Все потомство в итоге будет черным и будет содержать механизм CRISPR/Cas9, который обеспечит изменение геномов у всех будущих потомков от спариваний с немодифицированными особями [73]. В итоге черные насекомые распространятся и постепенно вытеснят серых из популяции.
Но зачем так изощряться? Пожалуй, самая весомая цель – избавление от малярии. Каждый год от этой болезни умирают более 400 тысяч человек и более 200 миллионов хоть и выживают, но длительно страдают от жара, дрожи, слабости и головных болей11. Малярию вызывает эукариотический паразит, который переносится самками комаров из рода Anopheles (так называемых «малярийных комаров») и передается человеку, когда они пьют его кровь. Сами насекомые получают возбудителя из крови инфицированных людей. Комары переносят и другие тяжелые заболевания – в частности, лихорадки денге, Зика и Западного Нила. Целый ряд государственных ведомств, некоммерческих организаций и органов здравоохранения активно обсуждает возможность применить генный драйв к малярийным комарам. Таким способом их можно сделать устойчивыми к паразитам либо вообще истребить. Для реализации второго сценария можно, например, распространить мутацию, определяющую маскулинность, из-за чего популяция переполнится самцами и не сможет воспроизводиться; а можно повредить гены, связанные с откладкой яиц, и таким образом распространить стерильность.