Итак, клонированию мамонта не суждено осуществиться. Со времен, когда последний мамонт гулял по острову Врангеля (3700 лет назад), не сохранилось ни одного неповрежденного генома этого животного. Нам не удастся найти хромосомы мамонта, поддающиеся восстановлению в достаточной мере, чтобы клетки, в которых они находятся, можно было превратить в плюрипотентные стволовые клетки. На мой взгляд, неважно, как много экспедиций в Сибирь мы проведем и сколько пробьем туннелей в вечной мерзлоте. Этого просто не случится.
Должны ли мы сдаться? Уйти, повесив голову и поджав хвост? Вернуться в общую палатку и заплакать, роняя слезы в суп, обильно приправленный комарами? Разумеется, нет! Оказывается, существуют совершенно приемлемые и достижимые способы вернуть мамонта к жизни. Ну ладно – вернуть к жизни что-то наподобие мамонта. Но давайте пока что не погружаться в спор о семантике. Первым делом наука.
В настоящее время нам доступны два способа вернуть к жизни вымерший вид. Один из них настолько прямолинеен, что большинство людей, вероятно, даже не думали о такой возможности. Другой больше похож на магию, и под «магией» я подразумеваю самые невероятные научные открытия, сделанные нами за множество лет. Но начнем с более простого подхода.
Вымерший вид можно вернуть к жизни прямо сейчас с помощью технологии, которую наш вид начал отрабатывать около 20 или 30 тысяч лет назад. Примерно этому периоду принадлежат первые генетические и археологические признаки одомашнивания – изменения хода эволюционных процессов таким образом, чтобы они служили нашим желаниям и потребностям. Этот подход не слишком сложен и требует лишь умеренных познаний в области основ эволюционной биологии. Основная суть заключается в том, чтобы извлечь преимущества из трех фактов. Во-первых, физические и поведенческие свойства живой особи (фенотип) определяются последовательностью нуклеотидов в геноме этой особи (генотипом) и взаимодействием этого генотипа с окружающей средой. Во-вторых, генотипы передаются от родителей к детям. В-третьих, естественный отбор может изменять относительную частоту появления различных фенотипов в популяции. В дикой природе фенотипы, лучше приспособленные к окружающей среде, в которой живут, будут встречаться чаще фенотипов, хуже адаптированных к ней.
Чтобы вернуть мамонта, мы можем просто использовать преимущества процессов генной инженерии, протекающих в самой природе. Все, что нам нужно, – это найти наиболее шерстистых и устойчивых к холоду слонов и скрестить их между собой. Через несколько поколений мы создадим слона, способного жить в Сибири, вообще без применения какой-либо технологии секвенирования ДНК.
Искусственное одичание
Мой друг Генри Керкдижк-Оттен живет в Голландии и любит коров. В особенности ему нравятся большие брутальные коровы, мясо которых может быть (а может и не быть) очень хорошим на вкус и которые, вероятно, не любят, чтобы их доили. Генри нравятся туры. К несчастью для Генри, туры вымерли еще в середине XVII века.
Но у Генри есть план. Он собирается вернуть своих драгоценных туров к жизни, но не с помощью хорошо сохранившихся ископаемых останков, найденных в европейских лесах, и не путем ядерного переноса, а сравнительно более простым методом селекции. Он надеется, что сможет создать тура, тщательно отбирая и скрещивая животных, имеющих физические и поведенческие черты, характерные для древних туров. Спустя множество поколений туры (или, по крайней мере, их близкое подобие) вернутся к жизни. Они смогут свободно бродить по голландским пастбищам, где им, предположительно, удастся вволю полакомиться тюльпанами.
Туры – это дикие предки одомашненного крупного рогатого скота. Около 10 тысяч лет назад человеческие популяции Ближнего Востока и Южной Азии начали заниматься сельским хозяйством и приручать диких туров. В конечном итоге это привело к появлению двух основных разновидностей крупного рогатого домашнего скота – безгорбых быков и горбатых быков (зебу). Сегодня домашние быки широко распространены по всему миру, и названия их пород для многих звучат знакомо – голштинская, абердин-ангусская, герефордская. Зебу чаще разводят в тропиках, потому что они лучше приспособлены к жизни в очень теплом климате, чем безгорбый крупный рогатый скот. Поскольку домашние быки произошли от туров, значительная часть генетического разнообразия, которым отличались дикие туры, возможно, все еще присутствует в генах современных быков. Но она вполне может оказаться распределена среди разных пород. Чтобы заново создать тура, нам просто нужно сконцентрировать в одной новой линии все характерные для туров признаки, присутствующие у современных горбатых и безгорбых быков. Получившееся в результате животное не будет иметь геномную последовательность чистокровного тура. Однако оно будет выглядеть как тур.
Одними из первых экспериментов человека в области генной инженерии можно назвать манипуляции с генами волков. Вероятно, это были серые волки, жившие на территории Европы 30 тысяч лет назад. Именно в этом временном слое мы находим первые вероятные признаки существования домашних собак: в местах археологических раскопок обнаруживаются кости, похожие на кости серых волков, но все же отличающиеся от них. Разумеется, этот первый этап одомашнивания собаки не представлял собой подлинных экспериментов в области генной инженерии. Вместо этого волки, ставшие более терпимыми к людям, и люди, ставшие более терпимыми к волкам, начали извлекать выгоду из более близкого общения друг с другом. Совсем как мои домашние любимцы, эти первые собаки ценили доступ к объедкам с человеческого стола. А люди, жившие по соседству с первыми собаками, могли раньше узнать о надвигающейся опасности, точно так же, как я узнаю от своих собак о доставке почты. Как только между нашими видами установился симбиоз, люди запустили процесс генной инженерии. Теперь у нас есть большие и маленькие собаки, сильные собаки, мохнатые собаки, собаки с короткими ногами и с длинными ушами, охотничьи и пастушьи собаки, собаки-спасатели, ищущие людей, погребенных под лавинами, собаки-поводыри для людей с инвалидностью, а также собаки, которых можно носить в леопардовых сумочках во время походов в продуктовый магазин.
Генри и его коллеги планируют запустить среди крупного рогатого скота процесс, обратный одомашниванию. Вместо того чтобы культивировать черты, которые мы склонны ассоциировать с домашними животными, к примеру послушность и податливость, они хотят воссоздать дикого предка домашней коровы. Начав с наиболее примитивных пород, в числе которых маремманская, маронезская и две голландские породы – лимия и саягеза, – они разработали программу селекции, направленную на закрепление физических и поведенческих особенностей туров и, в итоге, создание новой породы быков. Процесс называется одичанием, и это название подчеркивает преследуемую цель: вернуть животному черты, присутствовавшие у его дикого предка и, к счастью, существующие до сих пор где-то в генофонде особей, живущих сейчас.
Работа, которую ведут в этой области современные ученые, – это не первая попытка создать тура путем искусственного отбора. В 20-х и 30-х годах XX века немецким братьям Хайнцу и Лутцу Хекам, руководившим соответственно мюнхенским зоопарком «Хеллабрунн» и Берлинским зоопарком, поручили воссоздать дикого тура. Говорят, что указание исходило от заядлого охотника Германа Геринга, который хотел восстановить фольклорное животное, на которое охотились древние римляне (хотя не очень приятно признавать, что первые эксперименты по искусственному одичанию животных проводили нацисты, нельзя игнорировать хронологию этой работы, осмысляя ее мотивы). Братья Хеки преследовали одну и ту же цель, но проводили эксперименты независимо друг от друга. Каждый из них выбрал отдельные породы крупного рогатого скота и скрещивал представителей этих пород в различных комбинациях. На тот момент не существовало научной реконструкции тура, так что братья yt очень хорошо представляли, как он на самом деле выглядел.
В 1932 году Хайнц Хек объявил об успехе своего эксперимента по искусственному одичанию. Родился бык, который, на его взгляд, достаточно напоминал тура, чтобы его можно было так называть. Согласно записям Хайнца (которые он перестал вести после рождения теленка), этот бык на 75 % принадлежал к корсиканской породе, на 17,5 % – к серой породе, а оставшиеся 7,5 % представляли собой смесь из хайлендской, серой подольской, ангельнской и немецкой черно-пестрой породы. Процесс селекции продолжался и после рождения этого быка, в конечном итоге дав начало породе, сегодня известной как порода Хека. В наше время насчитывается около 2 тысяч ее представителей, живущих в зоопарках и пасущихся на лугах, преимущественно в Европе.
Можно ли считать быков Хека турами? Представители этой породы определенно выглядят примитивными, в особенности для человека, который (подобно братьям Хекам) не имеет доступа к точной реконструкции настоящего живого тура. У быков Хека темная шкура и длинные изогнутые рога – эти два признака определенно были свойственны диким турам. Быки Хека также более устойчивы к холоду, чем многие другие породы домашнего скота, и способны выживать в условиях относительного недостатка еды, подобно тому, как их дикие предки, должно быть, делали это в ледниковые эпохи плейстоцена. Но на этом сходство заканчивается. Быки этой породы имеют крупные размеры для домашнего скота, однако не дотягивают до среднестатистического самца тура. Самец породы Хека имеет около 1,4 метра в холке, а весит около 600 килограммов. Самец тура, в холке достигавший около 2 метров, ростом превосходил бы среднего европейского мужчину. Кроме того, хотя цвет шерсти у быка Хека такой же, как у самца тура, коровы этой породы имеют более светлую шкуру и больше вариантов окраски, чем самки туров. Общая форма тела тоже отличается, в основном потому, что быки Хека имеют меньшие размеры и им недостает, как и всем безгорбым домашним быкам, внушительной шейной мускулатуры их диких предков. Наконец, хотя рога у быков Хека длиннее, чем у большинства домашних быков, их форма и угол изгиба не совсем такие, как у туров: изгиб расположен ближе к голове, а кончики рогов направлены наружу немного сильнее, чем нужно.
Можно с уверенностью заключить, что братья Хеки не совсем достигли своей цели. Но их неудача не ставит крест на современных проектах по искусственному одичанию домашних быков. Сегодня мы знаем намного больше о том, какие черты определяли туров как отдельный вид, чем было известно братьям Хекам в начале XX столетия. У нас есть доступ к более качественным описаниям фенотипов разнообразных пород, и мы лучше понимаем их темпераменты. У нас имеются в изобилии генетические данные, которые помогут нам определить, какие из пород крупного рогатого скота отличаются наиболее примитивными чертами. У нас даже есть данные древней ДНК настоящих туров. Пользуясь всей этой информацией, мы, без сомнения, будем делать иной, более обоснованный с научной точки зрения выбор животных для использования в проекте по искусственному одичанию, итогом которого станет рождение животных, куда более похожих на древних туров.
Разумеется, эти животные на самом деле не будут турами. Не в полной мере. Селекция – это процесс, во время которого особи, имеющие требуемый фенотип, скрещиваются между собой в попытке повторить этот фенотип в следующем поколении. Однако фенотип формируется вследствие взаимодействия генотипа и окружающей среды. С точки зрения генетики постепенная концентрация генов, кодирующих черты, свойственные турам, должна произойти случайно. Когда формируются гаметы (сперматозоиды или яйцеклетки, из которых разовьется следующее поколение), каждая из них содержит перетасованную версию генома одного из родителей. Это перетасовывание генетического материала, называемое рекомбинацией, является важным источником генетического разнообразия внутри популяций. Рекомбинация располагает в случайном порядке гены или части генов материнской хромосомы вдоль отцовской хромосомы, и наоборот. Когда формируются сперматозоиды или яйцеклетки, они содержат некоторое количество ДНК матери и некоторое количество ДНК отца. Если фенотип, который мы хотим получить методом селекции, кодируется геном, принадлежащим матери, но оплодотворенная яйцеклетка содержит отцовскую версию гена, то, несмотря на все наши усилия, в потомстве не проявится этот фенотип.
Мы можем управлять процессом концентрации специфических черт в одной линии путем селекции, но мы не можем целенаправленно выбрать, какие гаметы дадут начало новому поколению. Часть потомства будет обладать нужными генами и иметь требуемый фенотип, а часть – нет. Это не означает, что метод не сработает. Однако процесс пойдет медленно. Селекция сразу большого числа признаков одновременно будет сопряжена с особенными трудностями, так как гены, ответственные за каждый признак, должны случайным образом оказаться в одной и той же оплодотворенной яйцеклетке. Несмотря на это, селекция была и остается мощным инструментом на протяжении всей истории нашего вида, и ее эффективность подтверждается разнообразием одомашненных растений и животных, с которыми мы сталкиваемся ежедневно. Нет оснований считать, что, имея достаточно времени, ресурсов и терпения, мы не сможем восстановить хотя бы некоторые черты, характерные для диких туров.
Я предполагаю, что по мере прогресса экспериментов по искусственному одичанию животные постепенно будут становиться все более и более похожими на туров своим внешним видом и поведением. Но может оказаться, что некоторые особенности туров нельзя будет восстановить из генов современных пород крупного рогатого скота. Например, последовательность ДНК, кодировавшая конкретную особенность, может быть утеряна или какой-то признак может оказаться следствием взаимодействия генов с окружающей средой, которой более не существует. Кто-то (например, я) скажет, что это неважно и что если мы хотя бы частично заполним природную нишу, которую когда-то занимал тур, эксперимент можно будет считать успешным. Однако пуристы от науки восстановления вымерших видов никогда не удовлетворятся таким результатом, поскольку он всегда будет чем-то новым, а не чем-то старым. Тур, версия 2.0, не будет настоящим туром. Во всяком случае, не в полной мере.
Разве проще – это непременно лучше?
Одно из преимуществ искусственного одичания заключается в том, что оно практически не опирается на молекулярные биотехнологии. Нам не нужно секвенировать геномы, идентифицировать гены и сопоставлять разные версии генов со специфическими признаками особи. Постепенный переход от одной формы жизни к другой происходит без участия эмбриональных стволовых клеток и долгих часов, проведенных в лаборатории. Результаты работы оцениваются качественно: выглядит животное чуть более похожим на тура или нет?
Но простота искусственного одичания может также быть его недостатком. Такие черты, как темный окрас шкуры, длинные рога, направленные вперед, или выраженная мускулатура шеи и плечевого пояса, могут появиться в популяции через несколько поколений селективного отбора, но кодирующие их гены могут отличаться от генов, кодировавших те же признаки у представителей вымершего вида.
Имеет ли это вообще значение? Если мы хотим получить длинные рога, направленные вперед, и у быка на самом деле вырастают такие рога, действительно ли так важно, какие именно гены за это отвечают? Да, может быть важно. Гены не всегда, и даже не часто, имеют только одну функцию. Ген, отвечающий за изгиб рогов, может иметь другое, нежелательное влияние на фенотип быка. Например, слегка изменить его форму черепа или как-то повлиять на форму или структуру его копыт. Вдобавок гены действуют не изолированно, но сообща с другими генами, также экспрессированными в клетке.
Пример взаимодействия генов, который приводят во вводном курсе биологии, – то, как определяется масть у лошадей. Лошади имеют один ген, отвечающий за то, будет их шкура иметь рыжий или черный цвет. Доминантный аллель кодирует черный окрас, а рецессивный – рыжий. Если бы этот ген работал в одиночку, особи, имеющие либо две копии доминантного аллеля, либо один доминантный и один рецессивный, имели бы черную шкуру, а те, у которых присутствовало бы два рецессивных гена, имели бы рыжий окрас. Однако существует множество вариантов рыжих и рыжеватых лошадей. Это происходит благодаря действию еще одного разбавляющего гена, который модифицирует экспрессию рыжих аллелей. Лошадь, имеющая две копии рецессивного рыжего аллеля, может иметь каштановую масть, может быть пегой с белой гривой и даже белой или кремовой, в зависимости от того, сколько копий гена, разбавляющего цвет, она имеет.
Хотя нам известны не все взаимодействия генов и очень малое их количество мы хорошо понимаем, это не означает, что селекция животных с определенными признаками невозможна. Спустя множество поколений селекции, с использованием различных комбинаций различных особей или различных пород, правильная комбинация генов или, по меньшей мере, комбинация, дающая нам нужные фенотипы, может быть найдена. Сколько времени на это понадобится, зависит от ряда факторов, включая то, как много признаков мы хотим получить в результате, насколько легко будут скрещиваться животные и сколько времени понадобится на переход от одного поколения к следующему.
Слишком медленно, чтобы добиться успеха?
Время жизни одного поколения крупного рогатого скота значительно меньше, чем у других видов. Самки могут начать размножаться в возрасте 1–2 лет, а срок беременности у них составляет 9 месяцев. Отобранная методом селекции особь может родиться, достичь зрелости, забеременеть и произвести на свет следующее поколение в течение 2–3 лет. Можно представить, как будет прогрессировать программа по одичанию крупного рогатого скота, – пусть и не с головокружительной скоростью, но довольно быстро.
В случае многих других кандидатов на возрождение прогресс будет происходить намного, намного медленнее. К примеру, самец слона начинает вырабатывать сперму в возрасте 10–15 лет, а самки слона в дикой природе впервые беременеют примерно в 12 лет. Срок беременности у слонов составляет от 20 до 22 месяцев. Это означает, что нам придется подождать 14 лет от момента, когда появится первое поколение, отобранное методом селекции, до момента, когда оно сможет произвести на свет следующее поколение. При такой скорости за срок человеческой жизни можно получить только пять поколений. Должен существовать лучший путь.
Разумеется, он есть. Простой способ быстрее получить нужный признак – убедиться, что им обладает каждая особь в следующем поколении. В случае скрещивания с целью получить особенности, характерные для диких животных, это не работает, поскольку потомство от двух родителей может унаследовать или не унаследовать целевой признак или признаки. Однако новые технологии (в частности, имеющие отношение к геномной инженерии), которые лежат в основе второго доступного нам (и более магического) способа возрождения вымерших видов, позволяют нам редактировать геном напрямую. Изменив последовательность ДНК внутри клетки, а затем использовав эту клетку для создания живых организмов, мы с гарантией получим целевой признак в следующем поколении. Мы можем сильно ускорить и сделать более эффективным весь процесс воскрешения исчезнувших признаков у живых видов.
К примеру, мы знаем, что гемоглобин (белок красных кровяных телец, который захватывает кислород в легких, а затем распространяет его по кровеносной системе всего остального организма) у мамонтов отличался от гемоглобина слонов в точности четырьмя мутациями. Эти четыре различия модифицируют поведение гемоглобина, заставляя мамонтовую версию при очень низкой температуре тела более эффективно доставлять кислород в ткани, чем это происходит у слонов (представьте себе ногу мамонта, погруженную в снег).
Нам не удастся найти живого слона с мамонтовой версией генов, кодирующих гемоглобин. Общий предок мамонтов и современных слонов жил в тропиках, а адаптации к жизни в холодном климате развились у мамонтов только после того, как их линия отделилась от линии индийских слонов. Поскольку все мамонты вымерли, у нас нет ни одной живой особи, обладающей этими конкретными генами. Чтобы получить слона, организм которого будет вырабатывать мамонтовый гемоглобин, нам понадобится с нуля создать мамонтовую версию этих генов, а затем каким-то образом вставить ее в клетку слона. Мы способны сделать это.