Текст книги "Наука воскрешения видов. Как клонировать мамонта"

Текущая работа по сохранению исчезающих видов показывает, что некоторые виды выживают и как будто неплохо чувствуют себя в неволе, но им не удается успешно размножиться, как в дикой природе. Причины этого различаются у разных видов. Некоторые животные, выращенные в неволе, в дикой природе становятся более легкой добычей для хищников, поскольку их никогда не учили чувствовать опасность и убегать. Иногда в дикой природе им недостает социальной структуры, необходимой для успешного выживания. А порой они просто не умеют находить себе еду. Во всех этих случаях они смогут выжить в дикой природе, только если она на самом деле будет не дикой, если ее будут активно контролировать люди. Организация такого постоянного управления может оказаться довольно дорогой и, вероятно, отнимет ресурсы у других программ по сохранению исчезающих видов и защите природы, так что затраты должны быть сопоставлены с потенциальной выгодой.

Мамонта-то я и не приметил

В начале этой главы я подняла вопрос: кто будет принимать решение о том, какие виды должны стать первыми целями проектов по возрождению. Когда я спросила об этом студентов на моем занятии по восстановлению вымерших видов, мне ответили полным молчанием. Наконец, прозвучало единственное решение, показавшееся приемлемым калифорнийским студентам: это должна решать группа людей. Но что это будет за группа? Кроме того, даже в группе должен быть лидер, кто-то, кто примет окончательное решение.

Правда заключается в том, что по крайней мере на ранних этапах исследований по восстановлению вымерших видов, решения о том, какие виды возвращать к жизни, будут принимать люди, заинтересованные и обладающие деньгами и профессиональной компетенцией в этом вопросе. Вероятность того, что европейская группа, работавшая над возрождением букардо, переключится на восстановление сумчатого волка, так же мала, как вероятность того, что австралийская команда, работавшая над «Лазарем», займется возрождением китайского речного дельфина. К сожалению, наиболее важным фактором, определяющим, сдвинется ли с места проект по восстановлению вымершего вида, вероятно, являются деньги. После смерти новорожденной букардо в 2003 году проект по их восстановлению был приостановлен из-за недостатка средств. В 2013 году, после конференции TEDx в Вашингтоне, привлекшей к проекту новую волну внимания, Федерация охотников провинции Арагон выделила дополнительные средства на этот проект, и научная группа возобновила работу по клонированию. Именно деньги, а не любые соображения, рассмотренные нами выше, могут также стать решающим фактором при выборе видов, которые будут возрождаться. В своей кампании по привлечению новых источников средств на восстановление вымерших видов Райан Фелан и Стюарт Бранд из организации Revive & Restore сделали ставку на потенциальных спонсоров – жителей Мартас-Винъярда, богатого анклава в штате Массачусетс, к югу от полуострова Кейп-Код. Они задали местным жителям вопрос, хотелось бы им снова увидеть на своем острове вересковых тетеревов, обитавших на нем в начале XX века.

Кроме того, есть мамонты. Не исключено, что у нас имеются веские экологические причины вернуть их к жизни, позже я к этим причинам вернусь. Также в случае возрождения мамонтов мы, вероятно, столкнемся с меньшим количеством технических трудностей, чем при работе с другими видами. Мамонты жили в холодной местности, и мы можем найти множество хорошо сохранившихся костей и использовать их для анализа ДНК. Ближайший живущий родственник мамонтов – индийский слон, с которым они разошлись около 5–8 миллионов лет назад. Слонихи, вероятно, подойдут в качестве суррогатных матерей для детенышей. У нас даже есть место, куда мы сможем поместить возрожденных мамонтов: Плейстоценовый парк должен стать для них подходящей средой обитания, несмотря на то что тундростепей, преобладавших во времена царствования этих гигантов, больше не существует. Это не означает, что при возрождении мамонта мы не столкнемся с трудностями. Слоны достигают половой зрелости в возрасте 10–18 лет, а период беременности у них длится 2 года, и это означает, что эксперименты по генной инженерии будут длиться долгие, долгие годы. К тому же слоны – очень социальные животные, и у нас нет причин предполагать, что мамонты отличались от них в этом отношении. Восстановление социального контекста, в который можно будет поместить мамонтов, станет ключом к их выживанию и дополнительной трудностью, которую нам предстоит преодолеть.

Проектом по восстановлению мамонта движет не то, что его будет легко или трудно осуществить, и не то, что мамонты, бродящие по Плейстоценовому парку, благотворно повлияют на экологию (хотя, как мы увидим позже, последнее почти наверняка соответствует истине, и по мере прогресса исследования это становилось все более важным мотивирующим фактором). Причина, по которой Джордж Чёрч и его группа в гарвардском Институте Висса избрали мамонтов, а не кенгуровых прыгунов в качестве вида, на котором будет разрабатываться генно-инженерная технология, необходимая для восстановления вымерших видов, состоит в том, что мамонты – это мамонты, а кенгуровые прыгуны – это, ну, мелкие крысы.

Стюарт Бранд говорит, что вернуть к жизни странствующего голубя его побуждает тот факт, что эти птицы, с точки зрения культуры, несут в себе тот же символизм, что и белоголовые орланы. Он считает, что воскрешение странствующих голубей вдохновит людей узнать больше о сохранении исчезающих видов и участвовать в нем. Он выражается более поэтически: «Стаи птиц в памяти и стаи птиц в перспективе могут заставить сердце петь». Разумеется, странствующие голуби стали символом, потому что они образовывали до нелепости огромные стаи, которые может оказаться трудно восстановить и поддерживать и с которыми будет трудно ужиться.

Помимо сложностей, связанных с размером стай, на пути восстановления странствующих голубей стоят технические трудности, более серьезные, чем в случае с возрождением мамонта. Серьезной преградой будет то, что до сих пор невозможно перенести отредактированное ядро в птичье яйцо. К тому же у нас пока нет собранной геномной последовательности ни странствующего голубя, ни его ближайшего живущего родственника, полосатохвостого голубя, но мы работаем над этим (ил. 3). Мы также не знаем, насколько социальным животным был странствующий голубь. В пользу его высокой социальности говорят гигантские размеры стай, но насколько от них зависело выживание популяции, остается неизвестным. В Бронксском зоопарке, являющемся подразделением Общества охраны природы, создают среду обитания для содержания странствующих голубей в неволе, однако можно ли их будет однажды выпустить в дикую природу, не ясно. Одно из преимуществ странствующего голубя – время жизни одного поколения. Эти птицы дают потомство каждый год, так что исследования, необходимые для возвращения странствующих голубей к жизни, будут продвигаться относительно быстро.

Оба проекта – по восстановлению мамонта и по восстановлению странствующего голубя – потребуют создания новых технологий. Но насколько мы близки к тому, чтобы увидеть возвращение к жизни любого из этих видов? Каковы будут следующие этапы, теперь, когда эти два вида были отобраны для возрождения? Что нам делать дальше, узнать легко. Вначале нам нужно найти подходящие образцы и выделить из них ДНК.

Глава 3. Находим хорошо сохранившийся образец тканей

Однажды зимним утром, несколько лет назад, в темном полуподвальном помещении физического корпуса нашего университета я встретилась с Матиасом Стиллером и Тарой Фултон – постдоками, занимающимися исследовательской работой в моей лаборатории. В этом темном помещении и располагалась наша лаборатория исследования древней ДНК, специально приспособленная для выделения ДНК из плохо сохранившихся образцов. Над головой зловеще мерцали лампы. Мы сбросили верхнюю одежду, сумки и обувь и оставили их в ряду шкафчиков перед входом. В лабораторию строго запрещено вносить предметы, которые могут иметь на себе «попутчиков» в виде фрагментов ДНК из внешнего мира. Мы открыли дверь и вошли в переднюю. В воздухе стоял неприятный запах хлорной извести, которую мы обычно используем для стерилизации пола, стен и поверхностей. Мы облачились в традиционную одежду исследователей древней ДНК: защитный комбинезон, стерильная обувь, две пары стерильных перчаток, сетчатая шапочка, маска и очки. Когда мы были готовы, что значит – на нас не осталось ни одного открытого нестерильного участка одежды или волос, – мы перешли из передней в основную часть лаборатории. Тара несла дымящийся контейнер с сухим льдом, Матиас – огромный молоток (стерильный, разумеется). А я держала в руках маленький пластиковый пакетик.

В пакетике лежал кусочек янтаря, возрастом в умопомрачительные 17 миллионов лет. Это сокровище попало к нам от моего коллеги, Блэра Хеджеса, который отдал за него в точности столько денег, сколько, по нашему мнению, он стоил. Этот кусочек янтаря имел вес около 8 граммов, размеры 5×3 сантиметра и толщину в центральной части около сантиметра-двух. Внутри него были заключены сотни крошечных пчел, увязших в липкой древесной смоле миллионы лет назад и, на наш взгляд, прекрасно сохранившихся.

Мы прошли в дальний угол лаборатории и установили там стерильную каменную плиту, над которой повесили яркую белую лампу и подвижное увеличительное стекло. Мы достали кусочек янтаря из пакета и протерли его раствором хлорной извести, чтобы разрушить ДНК всех, кто мог прикоснуться к нему за прошедшие годы. Затем мы дважды ополоснули его этиловым спиртом, чтобы смыть хлорку, и оставили просушиться в течение нескольких минут. Мы молча ждали, пока кусочек янтаря высохнет.

Когда появилась уверенность в том, что прошло достаточно времени, Матиас взял кусочек янтаря стерильным пинцетом и осторожно поместил в контейнер с сухим льдом. Затем мы снова немного подождали.

Хотя янтарь – это окаменевшая древесная смола, он все-таки довольно податливый, – всякий, кто хоть раз прикасался к украшениям из янтаря, поймет, что я имею в виду. Если ударить кусок янтаря острым предметом, на поверхности может остаться щербина, однако янтарь практически невозможно разбить или расколоть. Мы же хотели очень, очень сильно охладить этот кусочек, чтобы он стал твердым и неподатливым – и хрупким.

По истечении долгих десяти минут Матиас достал наш янтарь из сухого льда пинцетом и осторожно положил его на камень. Затем я подняла молоток и стала бить маленький блестящий кусочек геологической истории снова и снова, пока он не рассыпался на сто тысяч пятьсот миллиардов крошечных, сверкающих, липких кусочков. Затем мы начали отделять янтарь от пчел с помощью увеличительного стекла (ил. 4). Этот процесс подразумевал неоднократную повторную заморозку, повторное разбивание молотком и ювелирную работу пинцетом. Через несколько часов у нас было две пробирки: одна в основном содержала янтарь, а вторая – пчел. Мы взяли пробирку с пчелами и поместили ее в морозильную камеру. На сегодня работа была окончена.

Следующим утром Матиас занялся выделением древней ДНК из останков пчел, сохранившихся в янтаре. За годы работы наши коллеги разработали протоколы выделения ДНК, обеспечивающие высокую чувствительность процесса, специально для таких ситуаций, как эта. Если ДНК и сохранилась в останках этих пчел, от нее определенно осталось немного. Матиас выбрал протокол, который позволял выделять очень старую ДНК наиболее успешно. Мы применили лучшую технологию из имевшихся у нас.

Когда мы завершили работу по выделению ДНК, настало время отправить получившиеся результаты на секвенирование, а затем подождать. Результаты секвенирования прибыли спустя три недели. У нас ничего не вышло.

Я чувствовала разочарование. Было бы просто невероятно выделить ДНК насекомых, застывших в янтаре. Причем под «невероятно» я имею в виду неправдоподобно. Притянуто за уши. Невозможно в это поверить. Матиас, думаю, ощутил облегчение. Мы оба понимали, что если бы нам удалось выделить ДНК возрастом в миллионы лет, нам осталось бы только посвятить всю жизнь дальнейшим исследованиям в этой области. Вначале нам пришлось бы потратить значительное количество времени и сил на то, чтобы самим убедиться в этом, а затем – чтобы убедить наших коллег в том, что мы нигде не допустили ошибки.

Глядя на кусочек янтаря, содержащий сохранный живой организм, нелегко понять, почему сообщество исследователей древней ДНК должно так скептически отнестись к возможности выделения ДНК этого организма. В янтаре обнаруживали застывших там насекомых, лягушек и даже ящерицу возрастом в 23 миллиона лет, все они находились в прекрасном физическом состоянии. Почему же их ДНК не может сохраниться так же хорошо?

Горькая правда заключается в том, что ДНК просто не живет в течение миллионов лет. Если бы нам удалось извлечь настоящую древнюю цепочку нуклеотидов из янтаря, мы бы нарушили все известные нам законы сохранения и распада ДНК.

Как? Никакого Парка юрского периода?

За миллионы лет до своего превращения в янтарь древесная смола представляла собой субстанцию, называемую копалом. За тысячи лет до того, как стать копалом, это просто древесная смола – липкая аморфная органическая субстанция, выделяемая преимущественно хвойными деревьями – соснами, кипарисами, кедрами, секвойями и т. д. Смола служит нескольким целям. Она защищает дерево от повреждений и болезнетворных микроорганизмов. Она также помогает ему залечить серьезные раны, оставшиеся, к примеру, на месте обломанных ветвей. К тому же она имеет выраженный запах, привлекающий любопытных насекомых. Когда дерево выделяет смолу, насекомые и другие мелкие животные, а также фрагменты растений попадают в ее ловушку, а иногда оказываются целиком покрытыми липкой субстанцией. За миллионы лет из смолы испаряются летучие органические вещества, оставляя образующие янтарь нелетучие соединения и всё то, что оказалось заключенным в этом янтаре.

Секрет феноменальной сохранности животных в янтаре, вероятно, заключается в скорости, с которой их поглощает древесная смола. Если живое существо обволакивается ею со всех сторон и погибает практически мгновенно, у бактерий, живущих в его кишечнике и в окружающей среде, остается совсем мало времени на то, чтобы расселиться по его организму и начать процесс разложения. Ткани животного также быстро теряют влагу, из-за чего погибают ферменты, которые иначе разрушили бы ДНК.

Именно эта мысль – о том, что янтарь может быть уникальной средой, способствующей сохранению ДНК в течение сверхдолгого периода времени, – двигала учеными в начале девяностых, когда они попробовали провести такой эксперимент в первый раз. Однако, в отличие от нас, эти ученые заявили об успехе. На самом деле они просто кричали о нем в своих отчетах, опубликованных в наиболее уважаемых научных журналах.

В начале 90-х годов XX века исследование древней ДНК только начинало наращивать обороты как серьезный научный проект. Ученые выделили цепочки ДНК из останков 170-летней квагги (вымершего родственника зебры), человеческих мумий, чей возраст насчитывает несколько тысяч лет, а также мамонтов и неандертальцев возрастом более чем в 30 тысяч лет. Исследователи только начали осознавать, какие тайны может открыть нам эта древняя ДНК.

Первое применение ученые нашли ей в таксономии: с ее помощью можно определить, какие из живущих видов были ближайшими родственниками вымерших. К примеру, теперь мы знаем, что индийские слоны состоят в более близком родстве с мамонтами, чем африканские, и что ближайший живущий родственник дронта – гривистый голубь, красивая птица с цветастым оперением. Некоторые результаты анализа древней ДНК удивили нас. В Новой Зеландии было описано три разных вида моа (Dinornis) на основе различий в размерах их костей. Но благодаря древней ДНК, выделенной из этих костей, мы узнали, что на самом деле на каждом острове обитало только по одному виду больших моа. Размер не имел никакого отношения к таксономии: более крупные кости принадлежали самкам моа, а менее крупные – самцам.

По мере того как совершенствовались технологии извлечения древней ДНК, эта научная отрасль прогрессировала: от вопросов таксономии мы перешли к более детальным вопросам эволюционной истории популяций. Исследуя последовательности ДНК, мы можем увидеть скрытые паттерны локальных вымираний и распространения видов на большие расстояния – все это мы не могли установить, изучая ископаемые остатки. К примеру, лошади – тот самый вид, который в итоге одомашнили люди, – существовали как отдельный таксон в течение по меньшей мере одного миллиона лет. Лошади впервые появились в Северной Америке и распространились в Азию по Берингову перешейку, периодически соединявшему два континента во времена ледниковых эпох плейстоцена. В течение этого периода лошади несколько раз перемещались между Северной Америкой и Азией в обоих направлениях, каждый раз образовывая новые популяции и/или гибридизируясь с уже существующими. Можно даже рассматривать возвращение лошадей в Северную Америку европейскими колонистами как последнее событие в череде локальных вымираний, распространений и восстановлений их вида на этой территории. Дикие лошади Северной Америки, в сущности, представляют собой результат непреднамеренного эксперимента по восстановлению дикой природы, увенчавшегося полным успехом.

С помощью древней ДНК можно выявить гены, отвечающие за признаки, больше не встречающиеся у современных животных, к примеру гемоглобин мамонтов, благодаря которому эритроциты более эффективно разносят кислород по организму крупного животного в условиях сильных холодов. Благодаря древней ДНК мы также можем с точностью определить, какие генетические изменения определяют наши отличия от неандертальцев. В общем, древняя ДНК оказалась мощным инструментом для изучения эволюционных процессов, которые сформировали существующее разнообразие форм жизни.

Исследовательской группой, лидирующей в обнаружении древней ДНК в конце восьмидесятых и начале девяностых, была «Группа изучения ДНК вымерших видов» Алана Уилсона при Калифорнийском университете в Беркли. Под его руководством были разработаны первые протоколы извлечения фрагментов ДНК из ископаемых остатков или мертвых организмов и, что важно, отделения подлинной древней ДНК от контаминантной.

Осознание того, насколько плодотворна тема исследований древней ДНК для научной фантастики, пришло очень быстро. Майкл Крайтон признает, что именно «Группа изучения ДНК вымерших видов», в числе прочего, вдохновила его на создание «Парка юрского периода». А вскоре после выхода книги в 1990 году научная фантастика стала научным фактом: несколько групп ученых (но не группа из Калифорнийского университета в Беркли) сообщили о том, что им удалось секвенировать ДНК пчел, мелипон, термитов и разноножек возрастом в десятки миллионов лет и даже жука-долгоносика возрастом в 120 миллионов лет. Вся эта ДНК была выделена из тел насекомых, застывших в янтаре.

Это выглядело слишком хорошо, чтобы быть правдой. В 2013 году группа ученых из Манчестерского университета в Англии поставила эксперимент с целью определить, возможно ли извлечь ДНК из останков пчел, обнаруженных в копале. Напомню, что копал – это предшественник янтаря, еще не до конца окаменевший. Следовательно, он намного моложе. Ученые из манчестерской группы выделяли ДНК из двух кусочков копала, содержащих пчел. Одному из кусочков было около 10 тысяч лет, а другому – меньше 60 лет. Для выделения ДНК использовались новейшие методы подготовки образцов и экстракции ДНК. Тем не менее в результате ученые не получили ничего – так же, как и мы из своего кусочка янтаря возрастом в 17 миллионов лет. Они не получили ничего даже из образца копала, которому было меньше 60 лет.

Этот манчестерский эксперимент стал вторым, в котором ученые попытались выделить древнюю ДНК из останков пчел, застывших в копале. В 1997 году группа исследователей из Музея естествознания в Лондоне попыталась повторить – и тем самым подтвердить – фантастические результаты, полученные в начале девяностых. Эти ученые собрали разнообразные кусочки янтаря и копала из музейной коллекции и попытались выделить и секвенировать ДНК древних насекомых. Им также не удалось обнаружить каких-либо признаков аутентичной древней ДНК.

Отсутствие результатов всегда сложно интерпретировать. Возможно, что если бы поступало все больше и больше данных, в конечном итоге мог бы появиться какой-нибудь результат. Однако совокупность имеющихся данных указывает на то, что древняя ДНК не сохраняется в янтаре. Нам мало известно о том, то происходит с насекомыми, застывающими в древесной смоле. Хотя они, вероятно, быстро теряют всю воду, что способствует сохранению ДНК, другие свойства янтаря ему препятствуют. К примеру, янтарь проницаем для газов и некоторых жидкостей, и это означает, что ДНК может быть не полностью изолирована от сил, разрушающих ее со временем. Кроме того, окаменевший янтарь в течение срока своего существования может попадать в условия очень высокой температуры или давления, а оба этих фактора ужасно влияют на сохранность ДНК.

Невозможность повторить те первые эксперименты доказывает, что ДНК не сохраняется в янтаре. Что же тогда удалось секвенировать ученым в начале девяностых?