Следующие 500 лет: Как подготовить человека к жизни на других планетах - Кристофер Мэйсон

Фитолюди размером с пару теннисных кортов

А могли бы люди последовать примеру E. chlorotica, этих вороватых созданий, и заняться фотосинтезом вместо потребления традиционной пищи? Если мы хотим, чтобы хлоропласты функционировали в человеческом организме, то нужно выполнить ряд серьезных условий. Прежде всего хлоропласты должны находиться в клетках кожи. Для этого наш иммунитет не должен отторгать их, а меланин (пигмент, придающий коже цвет) не должен мешать работе хлоропластов. Кроме того, сами хлоропласты должны выжить и остаться функциональными, что, как показывает E. chlorotica, вполне возможно.

Далее хлоропласты должны эффективно захватывать фотоны, обосновавшись в новом хозяине (человеке). Ни одна химическая реакция не протекает со 100 %-ной отдачей в силу второго закона термодинамики, биофизических пределов эффективности и прочих огрехов. Итак, какой же процент солнечной энергии смогут усваивать новые «растительные люди»? Согласно имеющимся оценкам, у растений эффективность этого процесса составляет примерно 5 %. Поэтому можно предположить, что новые «хлорокожные» клетки будут действовать аналогично.

Следующий вопрос: сколько энергии можно получить от такой «хлорокожи»? В среднем площадь кожи у человека составляет 1,7 м2, но даже если полностью обнажиться, подставить солнцу удастся максимум половину этой площади (например, лежа на животе). В ясный день уровень солнечной энергии достигает 300 Вт/м2 – этого достаточно, чтобы запитать обычную электрическую лампочку примерно на три часа. По консервативной оценке, фотосинтез в хлоропласте протекает с 75 %-ной эффективностью. При таких входных данных хлорокожа будет генерировать всего 34 кДж/ч. Человеку средней комплекции для выживания требуется примерно 10 млн джоулей энергии ежедневно.

Следовательно, для нормального функционирования организма человеку потребовалось бы провести 290 часов под ярким полуденным солнцем, чтобы получить достаточно энергии для существования в течение суток. Однако процесс можно ускорить, увеличив поверхность кожи. Если увеличить площадь эпидермиса в 300 раз (1,7 м2 × 300), примерно до пары теннисных кортов, то тогда растительному человеку хватит всего лишь часа для полной подзарядки. Он сможет в обеденный перерыв раскинуть свою кожу где-нибудь на пустом поле, вздремнуть часок и подзарядиться, а потом свернуть кожу и отправиться по делам.

Мобильные гены и полугены

Если в животном мире существуют любители похищать даже хлоропласты, то что уж говорить о более мелких и подвижных молекулах. В 2010 г. Ален Робишон обнаружил повышенные уровни каротиноидов у тлей. Само по себе это не странно, учитывая, что каротиноиды обеспечивают у животных различные клеточные функции, в частности зрение, пигментацию и переработку витаминов. Любопытный момент заключается в более ранних исследованиях Нэнси Моран и Тайлера Джарвика, показавших, что в рационе тлей каротиноиды отсутствуют. Считалось, что оранжевые и красные органические пигменты, придающие характерную осеннюю гамму тыквам и помидорам, синтезируются только высшими растениями, водорослями, бактериями и грибами. И вдруг появляется насекомое, которое, похоже, способно производить их самостоятельно.

Робишон с коллегами решил выяснить, для чего маленькие тли накапливают столь высокие уровни каротиноидов, синтезированных или украденных. Они заметили, что клетки с высоким содержанием каротиноидов также характеризуются повышенным уровнем аденозинтрифосфата (АТФ) – в сущности, клеточного топлива. Затем было установлено, что уровень АТФ меняется в зависимости от того, как долго насекомое пробудет на свету. Если посадить тлей в хорошо освещенное место, то уровень АТФ пойдет вверх, а в темноте уровень АТФ снижается. Решив тщательнее исследовать реакцию тлей на свет, команда разделила насекомых на две группы: с высоким и с низким уровнем каротиноидов. Как и ожидалось, группа с более высоким содержанием каротиноидов оказалась способна поглощать больше света. В дальнейшем исследователи показали, что каротиноиды расположены близко к поверхности тли (на глубине 0–40 нм). Именно так и должно быть, если эти молекулы используются для улавливания солнечного света.

В 2012 г. Моран и Джарвик провели филогенетический анализ, в ходе которого обнаружили у насекомых гены, практически аналогичные генам грибов, отвечающим за биосинтез каротиноидов. Энтомологи исследовали 34 вида тлей из разных регионов мира и заметили, что у всех них есть как минимум по одной копии этого гена (ликопенциклазы/фитоинсинтазы), а у некоторых видов – до семи. Во всех грибных геномах – по одной копии этого гена. Ближайшие живущие родичи тлей – это хермесы, и у них также прослеживается наличие такого биохимического пути. Следовательно, если время позволяет, гены могут перекочевать из одного царства живых организмов в другое и наделять их обладателей совершенно новыми функциями.

Важно, что это не единственные примеры перехода генов от одного организма к другому. Известен горизонтальный перенос генов от бактерий к грибам (Saccharomyces cerevisiae, пекарские дрожжи), от бактерий к растениям (Agrobacterium), от бактерий к насекомым (жукам и постельным клопам), из органеллы в органеллу (у паразитов раффлезиевых), между растениями (от роголистника к папоротникам), от грибов к насекомым (как в вышеописанном примере с тлей гороховой), от человека к паразиту (Plasmodium vivax, возбудителю трехдневной малярии), от вируса к растению (вирус табачной мозаики), а также, возможно, от растений к животным (вышеприведенный пример с морскими слизнями). Наиболее масштабный горизонтальный перенос генов, известный науке, происходит от бактерий к животным, а именно к мелким первичнополостным животным, обитающим в пресной воде, влажном мхе или в почве, – бделлоидным коловраткам. Примерно 8 % генов коловраток заимствованы у бактерий.

Наиболее впечатляют такие случаи горизонтального переноса генов, в которых это явление становится массовым. Согласно теории эндосимбиоза, объясняющей происхождение митохондрий и хлоропластов, когда-то эти «минибактерии» были поглощены эукариотическими клетками или поселились в них. Но там они не погибли и не распались, а вступили в союз с клетками и с тех пор живут в симбиозе. Так происходило перемещение не просто одиночных генов, но и целых сетей, мембран. Например, за синтез АТФ в человеческих клетках отвечает не «человеческий» компонент генома, а именно митохондрии.

Примечательно, что перенос генов из митохондрий в геном человека и наоборот до сих пор продолжается. Ядерные митохондриальные сегменты в ДНК (NUMT) являются результатом этого взаимодействия. Они формируются именно в тех участках ДНК, куда перекочевали митохондриальные гены. ДНК в наших клетках работает независимо от происхождения. Таким образом, наши генетические сети, прокладываемые в клетке, не зависят от ее исторического развития. Их местоположение определяется только потребностями клетки. Этот принцип, справедливый для земной жизни, вполне может действовать и во внеземной.

Учитывая такие распространенные примеры межвидового обмена ДНК, вполне естественно попробовать осуществить такие операции в человеческих клетках. Поскольку наша эволюционная линия несет в себе эволюционные уроки только за несколько последних миллионов лет, нам есть что почерпнуть из материала, наработанного за миллиарды лет общей биологической эволюции, особенно если речь идет о выживании на далеких планетах.

Клетка, которая может превратиться в любую

Какими бы увлекательными ни были возможности переноса генов от одних видов к другим, еще более удивительным является акт превращения одной клетки в любую другую. Учитывая, что в каждую клетку уже заложена информация, необходимая для ее функционирования в любой части организма, должна существовать возможность превращения одних клеток в другие при наличии подходящего генетического и эпигенетического инструментария и рычагов воздействия. Речь идет о любых клетках, от крови до эпидермиса, и даже о тотипотентном клеточном состоянии, которое может дать начало зарождению детеныша.

Существует большой массив работ, посвященных стволовым клеткам, индуцированным плюрипотентным стволовым клеткам (iPSC) и перепрограммированию клеток. iPSC, как правило, синтезируются из взрослых соматических клеток (например, клеток крови или кожи), а затем помещаются в специальную смесь из транскрипционных факторов и питательных веществ. Поскольку iPSC очень похожи на эмбриональные стволовые клетки (ESC), они вдохновили целые сообщества врачей и исследователей на смелые мечты. Калифорнийские законодатели так заинтересовались перспективами ESC, что даже в противовес федеральному запрету запустили в 2005 г. собственную программу финансирования исследований, связанных со стволовыми клетками («Программа-71»).

Правда, невозможно просто уговорить клетку сделать все, что вы от нее хотите, – для этого требуются специальные молекулярные приманки. В 2006 г. Синъя Яманака и Джон Гердон впервые продемонстрировали, что можно перевести (завершившую развитие) дифференцированную клетку в плюрипотентное состояние. Они использовали мышиные фибробласты и четыре специально подобранных фактора транскрипции – Sox2, Oct4, Klf4 и c-Myc, которые