fbpx
ОСТАННІЙ ПОДКАСТ

Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

Читати

Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

Повідомлення успішно надіслано

Для пошуку
введіть назву запису
Біологія — 15.10.20
ТЕКСТ: Маркіян Прохасько
Ілюстрації: Каталіна Маєвська
Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
Ctrl+Enter.
Текст землі: навіщо біологи читають минуле планети

Це чергова розмова із українськими науковцями, які працюють на станції «Академік Вернадський». Вона відбулася у 2019 році, коли журналіст Маркіян Прохасько поїхав на єдину українську станцію в Антарктиді, щоб дізнатися більше про «кухню науки» на континенті.

Співрозмовник – Андрій Утєвський – український зоолог, кандидат біологічних наук, доцент кафедри зоології та екології тварин Харківського національного університету імені Каразіна. Він вивчає еволюцію безхребетних Антарктики, зокрема риб’ячих п’явок – паразитів антарктичних риб. Андрій описав 10 невідомих науці видів цих тварин. До його наукових інтересів також належить формування бентосних угрупувань безхребетних та глибоководної фауни Антарктики. Андрій Утєвський – учасних Українських антарктичних експедицій, в яких здійснив більше ніж 200 занурень під воду на глибини понад 60 метрів.

Цьому інтерв’ю передувала розмова, яка і задала напрямок тексту. У ній йшлося про аналіз ДНК і можливість з’ясувати походження видів, які існують в антарктичних водах. Тобто про можливість співставити ДНК досліджуваного виду із ДНК інших видів і з’ясувати, який виник раніше, а який – пізніше, та як види еволюційно пов’язані між собою.

 

Маючи мапу підводного рельєфу та вивчивши течії, можна з’ясувати як види розподіляються підводними ландшафтами, шукати глибоководні або мілководні види і з’ясовувати, хто від кого походить. І так аж до так званого предкового виду. Коли такий знайдеться, тоді можна робити дослідження «вглиб часу». Так можна визначити приблизний час виникнення того чи того виду.

 

Паралельно можна визначати, який вік має геологічне утворення. Часто трапляється, що у якомусь конкретному місці дослідникам доводиться знайти скам’янілі рештки організму або його відбитки. Тоді потрібно з’ясувати, що це за організм, визначити, до якої групи тварин він належить, чи існують сучасні види, що належать до цієї групи. Після цього – зробити прив’язку біологічного зразка «А» до часу, визначеного геологічними дослідженнями локації. Цю інформацію беруть як певну точку відліку. Необхідно далі шукати інші зразки знайденого організму. Знаходячи їх, робити дослідження того, які організми були предками, а які – похідними. Відповідно, так можна визначати вік цих наступних знахідок «Б», «В» тощо. Адже перша знахідка «А» – датована, а вік інших вчені визначають, відштовхуючись від того, наскільки старша чи молодша кожна наступна знахідка від першої датованої.

 

Також можна вивчати поширення організмів: де вони були, де їх не було, чому так, які були умови ландшафту, течії тощо. Наприклад, рух тектонічних плит міг дозволити або не дати можливості певним організмам поширитись у певному напрямку чи у певних акваторіях. Атлантика, Південний океан та Північний Льодовитий океан історично пов’язані (йдеться про історію Землі).

Усмішка морського леопарда. Фото Андрія Утєвського

Зафіксувавши наведені тези, Маркіян запропонував пану Андрію продовжити розмову вже на диктофон. Науковець детальніше пояснив, як знайти материнський, або предковий, вид, і визначити, коли він виник.

 

На підставі аналізу генетичних послідовностей будується філогенетичне дерево, що показує, який вид має якого спільного предка з іншим видом, а також коли саме відбулося розгалуження на два види. Але треба вирахувати час. Це можливо завдяки молекулярно-генетичним методам, які звуться молекулярним годинником: якщо ми знаємо частоту мутацій обраних генів видів, які ми використовуємо для генетичного аналізу, то можемо розрахувати відносний або абсолютний час виникнення того чи того виду.

 

Філогенетичне дерево риб'ячих п'явок. З матеріалів Андрія Утєвського

Для цього треба вибрати один із генів з геному істоти?

 

Краще кілька генів.

 

І знати частоту мутацій кожного з них?

 

Так. У кожного гена може бути власний часовий крок мутації.

 

Що більше генів, то точніший результат?

 

Не зовсім. Треба також знати, які гени обирати для дослідження. Є фізіологічно активні гени, їх недобре брати. Адже вони швидко змінюються, краше брати більш стабільні гени, які мутують майже з постійною швидкістю.

 

У людини є такі гени?

 

Звісно. Найчастіше зараз для генетичного аналізу використовуються гени цитохром-оксидази. Це мітохондріальні гени, які відповідають за роботу системи утилізації кисню. Це гени дихального ланцюга: вони відповідають за синтез ферментів, що використовуються для зв’язування та метаболізму кисню, вироблення АТФ. А також кілька ядерних генів, що розташовані в хромосомах клітини. Є такий набір генів, використання яких найбільш поширене, і частоти мутацій для яких вирахувані. Тому використовують саме їх.

 

Під час нашої розмови у кабінет зайшли американські туристи. Одна жінка попросила зробити фотографію морських павуків.

Акваріум з морськими павуками. Фото Маркіяна Прохаська

А яка частота мутації?

 

Це вже біостатистика. Ці дані вираховуються і закладаються у складні програми, тож я так одразу не відповім. Але приблизно йдеться про десятки тисяч років. У різних видів ці гени можуть мутувати з різною швидкістю. Ми можемо цей час вирахувати за умовами мутації. Але цього не достатньо. Щоб прив’язка до часу була ще точніша, ми згадуємо, що континенти рухаються. Цим займаються наші геологи.

 

Пригадую, що серед континентів найшвидше рухається Австралія ‒ 2 см на рік.

 

Наші геодезисти вирахували, що наш острів Ґаліндез (на ньому розташована українська станція «Академік Вернадський» – прим. ред.) теж рухається зі швидкістю 2 см на рік. Але він стоїть на (тектонічній – прим. ред.) мікроплиті. Є своя класифікація цих плит. Найстаріші – це кратони. Вони є першого, другого, третього порядку. В Україні є свій власний найдавніший Сарматський кратон на північ від Одеси. Вік порід у кратонах становить понад чотири мільярди років.

Дмитро-Шмирьов і Андрій Утєвський після глибокого занурення. Фото з матеріалів Андрія Утєвського

Це приблизно дорівнює віку планети.

 

Так, вона почала втрачати енергію, спливли ці легкі кристалічні породи, а навколо них почали формуватися континенти. Потім почався рівномірний розподіл ваги. Спершу з’являлися кратони, навколо них нарощувалася кристалічна маса, вага та площа цих утворень зростала. У нашої планети дуже важке ядро. До його складу, як вважають, входять залізо та нікель, воно підтримувало високу температуру. Наша планета розігріта. Річ у тому, що щільність ядра Землі вища, у порівнянні з іншими планетами, і у неї більше магнітне поле. Вага і розмір ядра не корелює із розмірами орбіти. Є деяка диспропорція, тому Земля і утримує за рахунок цього Місяць.

 

Вважається, що магнітне поле планети зумовлене вихровими струмами в електропровідному розжареному ядрі планети. Земля – унікальне місце у Сонячній системі, адже Венера, наприклад, якщо і має власне магнітне поле, то воно не перевищує 1/5000 поля Землі. Питання магнітного поля Марсу – нез’ясоване. Меркурій має у рази менш потужне магнітне поле, якщо порівнювати із Землею. А в планети-гіганта Урану, який має діаметр, у чотири рази більший від земного, магнітне поле приблизно таке саме, як і в Землі.1

 

Тобто планета такого розміру…

 

… не повинна мати такого ядра і, відповідно, такого супутника. За однією з гіпотез вважається, що наша планета захопила іншу протопланету, від якої Земля отримала додаткові залізо та нікель, що потрапили у ядро і зробили його важким. Важке велике ядро дозволило утримувати воду та атмосферу навколо планети. Відтак, воно розігріте, і там відбуваються термоядерні реакції, як на Сонці. Планета розігрівається також ізсередини. Це зокрема формує наш клімат. А також призводить до того, що дуже тонка кора Землі ламається і рухається. Але про формування можуть краще розповісти геологи.

 

Мене для моїх досліджень цікавить не будова кори, а рух континентальних та океанічних плит. Якщо плити починають рухатися, то внаслідок цього перестановлення змінюється також розподіл вод. Умовно кажучи, були континенти ось тут, і навколо них були води. Континенти розійшлися – і з’явилися протоки.

 

Тобто змінюються течії, температури, флора і фауна?

 

Так, у нас кілька разів руйнувалися протоконтиненти. Останній відомий – це Пангея, яку всі знають. До цього була ще так звана Родинія, зруйнована у глобальний льодовиковий період. Те, що показують у мультфільмі «Льодовиковий період». Творці там переплутали часи для сюжету, але цілком правдоподібно показано, як вся планета була вкрита льодом. Він потім зруйнував континент.

 

Лід був настільки масивним, що зруйнував сушу?

 

Його товщина становила десь три кілометри. Планета була біла. Майже вся вода також була замерзла. Цьому замерзанню передували складні геохімічні процеси. Велика кількість парникових газів потрапила в атмосферу. Також викиди з вулканів. Це все розжарило атмосферу, а також поверхню планети. Вода почала випаровуватися швидше, ніж звичайно. З’явились тумани, потім – дощі. Вони почали вимивати парникові гази з атмосфери й випадати як кислотні дощі. У цей час з’явилися кислотні породи. Геологи перевіряють, кисла порода чи не кисла. І ось дощі зв’язали сірчаний газ, вуглицевий газ, тобто атмосфера очистилась і охолонула. Коли мороз, то ми бачимо дуже чисте небо. Саме це сталося й тоді. Після випаровування, після дощів очистилася атмосфера, внаслідок чого почалося замерзання. Але лід – це теплоізолятор. І десь через триста мільйонів років накопичене тепло ядра вирвалося крізь вулкани. Вони викинули попіл на білий сніг, що спричинило нагрівання і танення. Класична комбінація. Атмосфера була прозора, поверхня льоду оброблялася космічними випромінюваннями, що досліджує Олександр Колосков. Відбувається руйнація молекул води у льоді. Так накопичився вільний кисень. Коли все розтануло, то рівень кисню в атмосфері підвищився приблизно до сучасного рівня. Зараз – 21%, а тоді було десь 19%.

 

Але це несуттєва різниця?

 

Це дуже значна різниця. Концентрація кисню в океані теж збільшилася. А кисень – це дуже отруйний газ.

 

Тобто коли з’явилося більше кисню, вимерли деякі види?

 

Так, значна частина популяцій вимерла. Зокрема, значна частина анаеробних бактерій. Бактеріальна флора значно зменшилася у кількості. Залишилися лише глибоководні асоціації, які зараз дуже активно досліджують океанологи.

Так працюють під водою. Фото Андрія Утєвського

Досліджують, щоб зазирнути в минуле?

 

Так. От що шукали в озерах Антарктики?

 

Якихось форм життя?

 

У той же час з’являються нові еукаріторні форми життя (ті, що мають ядро у складі клітини). Вони реєструються приблизно 800 мільйонів років тому. Хоча зараз мікропалеонтологи кажуть, що еукаріоти з’явилися ще раніше. Можливо, мільярд двісті мільйонів років тому. Щось знайшли у Китаї у відкладеннях. Але багатоклітинні форми все одно, найімовірніше, з’являються вже після збільшення концентрації кисню. Багатоклітинність – це засіб запобігання отруєнню киснем.

 

Тобто коли більше клітин…

 

…у них відбувається розподіл функцій, виникають складні асоціації. Багатоклітинних організмів, рослин, тварин не було б, якби тоді не підвищився рівень кисню. За Дарвіном, це був один із факторів добору. Можливо, також підвищилась радіація внаслідок космічного випромінювання. Але кисень – це дуже суттєвий фактор добору. 

Кістяк синього кита. Фото Андрія Утєвського

Повертаючись до руху континентів.

 

Ми бачимо, що такі геологічні процеси впливають на формування флори, фауни, біоти в цілому. Також на різноманітні вимирання тварин, яких було багато.

 

Пангея складалася з двох частин: Гондвани і Лавразії. До Лавразії належали ті частини, де зараз розташовані Канада і США, а також Європейська, Уральська, Сибірська, Китайська плита. Вона першою почала розпадатись. Насамперед «відкрилась» північна Атлантика (умовно кажучи, між сучасними Північною Америкою та Європою і Північною Африкою). Деякі види виходять з умовної Антарктики, яка ще була частиною Гондвани, і рухаються вздовж умовного чилійського узбережжя, де були холодні води. І зараз там є холодні течії, тому у Чилі ризиковане землеробство. А також тому там є пустелі, існування яких зумовлено холодними прибережними течіями. Наприклад, Атакама, де нещодавно пройшли дощі – а там близько 500 років дощів не було. Однак це пов’язано не з підвищеною температурою, як у Сахарі, а навпаки – з пониженою температурою, внаслідок чого вода з океану не випаровується. І ось ті тварини поширювалися вздовж Чилійського узбережжя і потрапили у Льодовитий океан. Південна Атлантика була «зачинена». Коли ж почалася розпадатися Гондвана, то з’явився Панамський перешийок і не залишилося проходу між океанами. До слова, є дуже цікава ситуація: існує два дуже схожих між собою види черепах, які живуть по різних сторонах від Панамського перешийку. При тому, що ширина – лише 60 кілометрів. Тобто їх якось так випадково розділило, і дві популяції «розійшлися», хоча вони дуже схожі. 

 

Вони по-різному розвивались?

 

Генетичний аналіз показує, що це дуже пов’язані види, і різниця несуттєва, але популяції не перетинаються. Це – географічна ізоляція.

 

А потім для видів відкрилася південна Атлантика. Але навіщо туди йти через теплі води, перетинати Гольфстрім, якщо вони живуть у холодних водах? І так вийшло, що з одного боку тварини зачинені холодною Навколоантарктичною течією, яку важко перетнути. А з іншого боку вони відрізані, навпаки, теплим Гольфстрімом. Врешті, виникла ситуація, коли види розділені центральною Атлантикою, яку вони не можуть перетнути. Про визначення віку формування і розходження континентів варто запитувати геологів. Визначивши напрямки намагнічення порід, можна дізнатися, як були поєднані континенти і як вони розходилися. Об’єднавши цю інформацію, можна бачити, наприклад, еволюційну історію морських павуків або п’явок, якими я займаюсь. Там теж схожа картина. Зараз за допомогою генетичних методів ми виявили, що риб’ячі п’явки у світовій фауні, найімовірніше, походять з прадавньої Антарктики. 

 

Вони є всюди?

 

Ні, у континентальних водах залишків Гондвани немає риб’ячих п’явок, тобто тих, що паразитують на рибі: у Південній Америці немає, в Африці немає, в Австралії, найімовірніше, теж немає. Антарктида також належала до Гондвани, але поширення пішло, скоріш за все, в одному напрямку і в бік іншої частини суші. Мабуть, була якась течія або ще ймовірніше – хазяї рухалися саме у тому напрямку. Продемонстровано, що деякі види риб виходили з Антарктики, йшли вздовж Чилійського узбережжя і доходили до Аляски. 

 

А інші ділянки залишалися всередині, тобто без виходу до океанів, як сьогодні?

 

Так, і туди вони не могли потрапити. 

 

Риби з групи нототенієвих мають найбільше різноманіття лише в Антарктиці. Кілька видів живе за межами Антарктики. Це, наприклад, патагонська нототенія і патагонський іклач. Основна фауна зосереджена навколо Антарктики. Вони прив’язані до холодних умов. Тому на прикладі п’явок і павуків ми бачимо, як зміни у морфології планети, кліматичні зміни – температури води, течій – впливали на поширення тварин. Це можна реконструювати і прив’язати до генетичних маркерів.

 

У мене є брат, професор кафедри зоології та екології тварин, він займається еволюцією п’явок Північної півкулі.

 

Ви поділилися?

 

Поділили навпіл планету (усміхається)… Вони генетичними методами показали, що п’явки потрапили у Сибір, у Лавразію, дійшли аж до Європи з Тихого океану, на той час – Тетісу. Тож вони потрапили у Тетіс, а потім просувались, найімовірніше, вздовж льодовиків, де була прісноводна межа у час танення льодовиків. Європейські п’явки потрапили не з Північного Льодовитого океану, а з Сибіру. І це доведено генетичними методами.

 

Цим способом можна побачити, яка популяція від якої походить?

 

Так, це реконструюється молекулярно-генетичними дослідженнями. Можна визначити вік, коли популяція або вид відокремилися. Для деяких дуже складних розрахунків використовуються сотні комп’ютерів. Частіше треба отримувати час на європейських чи американських суперкомп’ютерах.

 

Науковець може подати такий запит?

 

Є обмежені безкоштовні сервіси, але коли потрібна розширена складна обробка, то це вже великі кошти. На ноутбуці таке не зробиш. Для цього треба сотні ядер процесорів. Алгоритм Байєсівського аналізу розроблений ще у ХІХ столітті, а реалізувати його вдалося, коли почали з’являтися суперкомп’ютери.

 

Алгоритм Байєсівського аналізу випливає із теореми, названої на честь Томаса Байєса (1701–1761). Він вперше ввів рівняння, яке можна застосовувати у широкому спектрі обчислень із залученням ймовірностей. Після смерті Байєса його ідею розвинули інші вчені. Наприклад, Гарольд Джеффріс поклав Байєсів алгоритм на аксіоматичну основу і зазначив, що ця теорема «є для теорії ймовірностей тим, чим теорема Піфагора є для геометрії». Алгоритм Байєсівського аналізу застосовують, наприклад, щоб вирахувати більш точну ймовірність того, чи має певна людина рак.
У філогенетиці Байєсівський підхід дозволяє отримати найбільш імовірне філогенетичне дерево за заданих вхідних даних. Цей підхід має високу обчислювальну ефективність і підходить для роботи зі складними моделями еволюції, коли потрібно задати кілька найбільш імовірних варіантів філогенетичного дерева.

 

Це зайняло б дуже багато часу?

 

Це зайняло б мільйони років – щоб виконати ту процедуру, яку ми розраховуємо по наших задачах. А наші задачі не такі вже й великі. Нехай візьмемо 10 видів, 2 гени. Але це зайняло б стільки часу. 

 

Це комбінаторика?

 

Це специфічна комбінаторика, коли запускаються марківські ланцюги. Математична процедура, коли ви паралельно ведете розрахунки. Ви заклали математичну гіпотезу, що мутації відбуваються з такою-то частотою, а заміни такі й такі. І ви одночасно перевіряєте достовірність даних і достовірність гіпотези. Ви проаналізували дані і співставляєте результат із гіпотезою – чи збігається гіпотеза з даними і навпаки.

 

Вони можуть не збігатися?

 

Можуть. Таких операцій може знадобитися мінімум 10 мільйонів. Може бути п’ять основних гіпотез і додаткові завдання.

 

Але «вкласти» всі ці цифри у машину також займає багато часу?

 

Ні, вкласти – небагато. Ми отримуємо послідовності ДНК. Частіше ми використовуємо два гени. Адже це впирається у гроші. Було б більше грошей – закладали б 5-6 генів, і це була б ще складніша задача. Але собівартість розшифрування одного гена за умов налагодженості процедури становить близько 35 доларів. Зараз трошки дешевше.

 

Потрібно це розшифровувати заново у кожній операції?

 

Ні. Ми збираємо зразки, відрізаємо якусь частинку тваринки, наприклад, ніжку. Потім фіксуємо у спирті. Далі виділяємо загальну ДНК, після чого проводимо PCR – Polymerase chain reaction (Полімеразну ланцюгову реакцію) – тобто процедуру синтезу ДНК. Умовно кажучи, нам треба виділити якийсь один ген, скажімо, цитохром. Тож із загального ДНК з тисячами генів, ми беремо якийсь один ген. Але його замало для аналізу. Тож потім, після виділення гену, нам треба збільшити його кількість. Ми «вирізаємо» один ген, синтезуємо цей ген у спеціальних машинах-ампліфікаторах і збільшуємо його кількість, наприклад, у 1000 разів. А потім надсилаємо пробірку з ДНК в Південну Корею, в компанію Macrogen. Там машини-секвенатори розшифровують ген на літери (A T G C) – і на виході отримуємо текст. Це схоже на матлінгвістику – там використовуються схожі методи. Адже ДНК – це текст, можна побачити гени у вигляді текстового файлу.

 

 

 

У людини 46 хромосом – два набори по 23. Кожна хромосома має у собі молекулу ДНК. ДНК – це ланцюг із умовних блоків – нуклеотидів, яких є чотири види: А, Т, Г, Ц (аденін, тимін, гуанін, цитозин). Цей ланцюг намотаний на білки-гістони. Послідовність нуклеотидів у ланцюгу кодує генетичну інформацію. ДНК схематично зображується у вигляді сплетеної спіралі, бо є два ланцюги, поєднані між собою. Якщо у першому ланцюзі – А, то навпроти у другому – Т. Якщо в одному ланцюзі – Г, то навпроти – завжди Ц. Відповідно, є комплементарність ДНК – А-Т і Г-Ц, тобто принцип, завдяки якому інформація передається точно через оцю чітку взаємодію пар нуклеотидів. Внаслідок цього, інформація ДНК може копіюватися. ДНК копіюється молекулами РНК, на яких з амінокислот синтезуються білки. З білків будується все живе.

За своєю суттю, ДНК – це інформація, записана мільйони років тому, яка постійно перезаписується на нові носії «у ширину», тобто копіюючись від клітини до клітини, а також «у довжину», передаючись далі у часі і навпіл із другим набором хромосом записуючись на новий носій. Але ДНК – це лише «інформаційний пакет», який треба розпакувати, інсталювати. За посередництва РНК-процесу задається, що будувати, з чого саме, як тощо.

Якщо вплинути на значущу ділянку ДНК, то це вплине на організм. Умовно кажучи, ДНК складається з букв, тобто із тексту. Але це водночас код. Якщо знати, що саме ми хочемо поміняти, то знаходимо це, і заміна відбувається таким чином, як у програмуванні чи тексті: отут був ланцюг із таких букв (тобто нуклеотидів), а тепер замість нього буде інший набір. Це, своєю чергою, спричинить нові властивості гена. Адже ДНК – це лише інформація, яку зчитує РНК. Це як замінити сторінку з інструкції, яку прочитає виконавець завдання. Наприклад, у першій версії завдання було вказано збудувати стіну з дірою. За допомогою редагування інструкції ми замінимо цю сторінку, і в новій версій буде вказано звести стіну без діри. Виконавець читає і виконує. Він складає із матеріалу стіну. Так само РНК «сліпо» складає із амінокислот білка те, що записано у коді ДНК. Якщо замінити інформацію про колір очей, вони будуть іншими. Просто і неосяжно водночас. А «помилки» в тексті – це і є мутації.

 

Скільки генів ви надсилаєте для дослідження?

 

Більше сотні тих, які ми самі зібрали. Але над деякими генами ми по кілька років воювали. Адже потрібно не просто взяти шматок тварини і щось там виділити.

 

А як це відбувається?

 

Різна будова матеріалу, щільність тканин, хімічне оточення.

 

Зразки з різних тварин треба збирати по-різному?

 

Так, для кожної тварини розробляється своя програма. У нас ось тут лежить мушля молюска. Щоб виділити два гени, я витратив два роки. Потрібно спробувати підібрати підхід. Потім застосувати його. А один цикл виділення гена займає дві доби. Потім знову все спочатку, якщо попередній цикл не мав результату. Крім цього, час іде не тільки на наукову роботу, але на роботу з цим проєктом, виділення коштів тощо.

 

Якби були ідеальні умови, скільки б це зайняло часу?

 

Моя аспірантка їздила на школу з антарктичної біології в Буенос-Айрес. Там вона спілкувалася з провідними фахівцями з молюсків. Вона розповіла про нашу роботу, а вони їй відповіли, що самі вони таку ідею покинули, бо не змогли виділити ДНК, адже це дуже важко. А після цього порівняйте можливості науковців Сполучених Штатів і наших. Але у нас багато проєктів. Американці інколи у шоці. Можливо, можна було б робити швидше, якби у нас завжди вчасно були кошти і більш налагоджений процес. Але швидше ніж за рік це все одно не можна було б зробити.

Рак Гліптонотус. Фото Андрія Утєвського

Що протягом цього року ви б робили? Ви приходите сюди, берете матеріал. Що далі?

 

Ми повинні проаналізувати, чому щось вийшло, щось не вийшло, поспілкуватися з колегами щодо цього. Це не «тупа» механічна процедура. До речі, можливо, ви читали про виділення ДНК неандертальця науковцем Сванте Паабо?2 Виходила науково-популярна серія «Династія», де перекладають і розповідають про найбільш відомих авторів у царині природничих наук. Отже, Сванте Паабо витратив близько десяти років (!), щоб виділити ДНК. На цей процес може впливати хімія цитоплазми, хімія ядра, будова ДНК, яка може бути якось специфічно змотана. Також білок може мати функцію фермента, котрий може запобігати реакції виділення ДНК. Треба підбирати. Може бути таке, що не відбувається синтез ДНК.

 

Успіхом у цій справі є виділення гена. А далі що?

 

Розшифровування. Це головний результат виділення гена: ви отримуєте велику матрицю послідовностей генів: всі оці букви. Далі ви вже аналізуєте отриманий результат. Використовується байєсівська процедура. Закладається гіпотеза, дані, і програма аналізує достовірність.

Фрагмент матриці. Зображення Андрія Утєвського

Тобто це перетин біології, хімії, фізики, статистики, матлінгвістики?

 

Шифрування інформації військовими, наприклад, також відбувається таким чином. Якщо вам треба зробити так, щоб розшифровка вручну тривала мільйони років. А щоб розшифрувати, потрібен суперкомп’ютер. 

 

Якщо немає коду?

 

От чому китайці, японці, американці будують суперкомп’ютери? Вперше байєсівський аналіз був використаний для моделювання ядерного вибуху, і саме для цього були побудовані перші суперкомп’ютери. Друга ціль використання цього аналізу – прогноз погоди. Третя ціль – це, власне, генетичні дослідження. Четверте – те, що не афішується, – розшифрування зашифрованих текстів.

 

Це стосується тих месенджерів, які декларують, що вони закодовані, і їх не можна розшифрувати?

 

Можна розшифрувати. Просто для цього треба мати інструменти, час, а також обслуговування таких комп’ютерів, яке вимагає окремих електростанцій. А охолоджуються вони рідким гелієм.

 

Гаразд, ядерна зброя, погода, шпіонаж. А навіщо державі генетичний аналіз? Державі, не науковцям.

 

Розвиток науки – це складова державної політики. Наукові дослідження також повинні розвиватися. Це медицина, селекція. Для редагування геному також використовувалася ця техніка. Треба аналізувати, що і де ми вирізаємо, це ж стосується живих людей. Спершу це хотіли використовувати для селекції. Простіше ж було б не постійно щось схрещувати-перехрещувати, а взяти й змінити одразу. Це, до речі, було умовно продемонстровано у фільмі «Парк Юрського періоду». Там знайшли у бурштині комара, взяли з нього кров динозавра, потім ген динозавра підсадили до жаби і виростили динозавра.

 

Фільм «Парк Юрського періоду» був дуже популярним у 90-ті роки. У ньому йдеться про відтворення динозаврів. «Божевільний геній» захопився цією ідеєю й організував науковий проєкт. Спершу шукачі знайшли бурштин – цінний камінець, який виникає внаслідок застигання деревної смоли. Інколи у смолу потрапляє і застигає у ній навіки якась комаха. Тож творці фільму придумали, що у таку смолу міг би потрапити і комар, що жив у добу динозаврів і пив їхню кров. У камінці бурштину він пролежав у землі до наших днів, аж поки його не знайшли і не доправили у лабораторію. Тут із комара добули кров динозаврів і виділили їхню ДНК.

Та поки такого «дива» не сталося, у людей немає можливості отримати ДНК динозавра, тому відтворити його неможливо. Однак ДНК виділили із залишків мамонтів. Генетик Джордж Черч намагається відтворити мамонтеня.

 

Це досить старий фільм. 

 

Над цією ідеєю досить давно працювали, вона циркулювала. А цікава вона тому, що якщо ви знаєте текст, ви хотітимете його відредагувати. Адже є генетичні захворювання, які можливо відредагувати у вже сформованої людини. Наприклад, метаболічні розлади або діабет, або онкологія.

 

Але це дорога процедура? Це не поділить людей на тих, які зможуть цим скористатися, і тих, що не зможуть?

 

Умовно дорога. Хіба зараз люди не є поділені? Хтось має доступ до коштовних медичних послуг, а хтось ні. 

 

Але це буде ще відчутніше?

 

Не впевнений. Зараз онкологічно хвора людина потрапляє до лікарні, і їй кажуть, що це коштує, наприклад, 100 тисяч доларів. Ми і так поділені, тож розмови про це – ліві нісенітниці. В когось буде 15 тисяч гривень, а у когось – два мільйони на місяць. Я не комуніст, але у будь-якому разі, ми поділені. Нещодавно група дослідників отримала Нобелівську премію за розробку технології імунної боротьби з деякими онкологічними захворюваннями (йдеться про лауреатів 2018 року з фізіології та медицини Джеймса Еллісона і Тасуку Хондзе – прим. ред.). Вартість процедури, я б сказав, приблизно до 1000 доларів, якщо оцінювати собівартість. 

 

Це не є так багато.

 

Однак скільки людині доводиться віддавати за лікування онкозахворювань? При цьому собівартість не така велика. Думаю, фармакологічні компанії на вухах стоять через такі нові віяння. От коли можна навіть у цій лабораторії провести таку процедуру. Людина має свої лімфоцити. Ми їх модифікуємо так, що вони стають більш агресивні, але не реагують на власні тканини, лише на ушкоджені. І вони у прямому сенсі слова виїдають хворі тканини. На Discovery був фільм про чоловіка, який це розробив.3 У нього померла дружина. Він був класичним лабораторним генетиком. Він підсадив до лімфоцитів ген вірусу імунодефіциту і так далі. 

 

Цікава комбінація.

 

Сама технологія – звичайна лабораторна процедура. Його лабораторія теж була таких розмірів.

 

Гаразд, у таких умовах можна взяти лімфоцити, виділити ДНК, але невже у таких доволі скромних умовах можна вкласти інший ген, застосувати технологію CRISPR?

 

Це хімічна реакція. Використовують праймери, які вирізають одне, потім відбувається так звана плазмідна реакція. Це використання маленьких шматочків ДНК для транспортування. Отже, він відредагував геном лімфоцитів.

 

У хіміотерапії йде боротьба щодо того, хто перший помре: пухлина чи людина. Частіше це людина. А от він розробив цю нову технологію, випробував на п’яти щурах, а потім на людині-добровольцю.

 

І та вижила?

 

Так. Він звернувся до міністерства охорони здоров’я Британії, і йому дали дозвіл. Адже доброволець мав десь через тиждень померти. Тож у нього взяли його лімфоцити, відредагували на такому обладнанні, як і у нас є – головне ж ідея!

 

Технологія була йому відома?

 

Так, він здогадався, які гени треба відредагувати, як застосувати цю технологію. А потім хворому ввели його ж відредаговані лімфоцити. Десь за 5 діб він втратив 10 кілограмів власної ваги. Все це були його пухлини… Зрозуміло, що він був на гемодіалізі, але його організм повністю очистився. Потім це застосували на маленькій дівчинці, якій теж казали, що шансів вже немає. 

Це результат віднайдення технології редагування. Тобто ми можемо побудувати філогенетичне дерево, а можемо відредагувати ген. Це про сучасні досягнення.

 

У цей час до лабораторії зайшли туристи і почали казати, який класний краб. Утєвський двічі повторив, що це не краб, а павук.

Морський павук Decolopoda australis. Фото Андрія Утєвського

А що це, до речі, за павуки, які так привертають увагу відвідувачів?

 

Це Decolopoda australis. Називається так, бо має 10 ніг. Хоча є різні групи цих павуків, які мають різну кількість ніг. Перше слово – це назва роду, а друге – виду. Це бінарна номенклатура, яку запропонував Карл Лінней. Назви всіх живих істот обов’язково складаються з двох слів.

 

Знову хтось зайшов і запитав, чи це краб. 

 

‒ Ні, це павуки…

 

 

Як вони тут живуть, якщо тут немає глибини?

 

Вони не прив’язані до глибини, вони мігрують.

 

А їх можна витягати на повітря?

 

Лише ненадовго, інакше вони отримують опіки від повітря. А в акваріумах проточна вода з океану. Тут ще два види риб, зірки, їжачки.

На першому фото ‒ Macroptychaster accrescens, одна із найбільших зірок в Антарктиці, вага якої сягає чотирьох кілограмів. На другому фото ‒ Odontaster validus, найбільш поширений вид морських зірок в Антарктиці. 

Як види у акваріумі зживаються?

 

Ми намагаємося, щоб не було природних ворогів. Наприклад, з цих видів зірок ніхто не їсть. Маленьких зірочок інколи їдять нототенії. Риба пересувається по дну, і їсть все, на що натрапила. Навіть водорості – коли голодна. Інколи ми риб трематомусів підгодовуємо молюсками.

 

Але коли ви дослідите їх, що ви робите?

 

Відпустимо. Інколи кладемо сюди тих, кого не встигаємо дослідити.

 

Чому їжаки окремо, і їх так багато, на відміну від інших видів?

 

Вони виділяють отруйні слизи. Зараз їх багато, бо нам потрібно їх зважити і виміряти. Але щоб по кілька разів не шукати їжаків, ми взяли за раз. Ми вже схожу модель робили. Вимірявши розміри, вагу і співвідношення, можна потім приблизно оцінити їхню масу навіть по фотографії. Ця модель опрацьована на молюсках і їжачках.

Щоб зробити таку модель, треба один раз якусь кількість зважити і виміряти. Приблизно 100-150 особин. Частина з них гине. Але потім ми вже їх не виймаємо. Але їжаків дуже багато, тож це не створює шкоди природі. 

 

Маскування морських їжаків. Фото Андрія Утєвського

А павуки, наприклад, – рідкісні?

 

Не те, щоб рідкісні, але їх менше. Ми стараємося всіх повернути у природне середовище, крім того, вони дуже естетичні. Також вони не дуже швидко розмножуються. У них паразитична личинка. Ось на коралі паразитує гідроїд. Цього гідроїда їдять павуки, а личинки цих павуків паразитують на гідроїді. Натомість, деякі ділянки дна суцільним шаром вкриті їжаками, які розмножуються значно скоріше.

 

А їх ще хтось їсть, крім ізопод?

 

Так, їхні личинки плавають, тому їх може з’їсти якась планктонна тварина. Але якщо суцільні ділянки вкриті їжаками – то навіть якщо взяти 100 штук, не буде ніякого впливу. А ось із зірками інакше. Деякі зірки є фоновими видами – тобто такими, яких найбільше у певному середовищі. Але є і такі рідкісні види, яких за декілька років можна зустріти всього два чи три екземпляри. Ми беремо із них зразки тканин для генетичного аналізу і відразу відпускаємо. У нас є ванна солоної води, де вона збирається перед тим, як пройти опріснення. Ми деякий час тримаємо тварин там, потім беремо зразок і повертаємо в океан. Це ж не фоновий вид, якого мільйони по всій Антарктиці. До речі, зараз ми спостерігаємо цікаві зміни у фауні. За останні два роки значно збільшилася кількість коралів.

 

Стала тепліша вода?

 

Важко сказати. Останніми роками ми спостерігали поверхневі теплі водні маси, а на глибинах більше 10-15 метрів ‒ холодні. А тепер на глибині вода потеплішала, а в поверхневих шарах навпаки. Це впливає на вміст кисню, отже і на розподіл тварин на дні. Деякі види зникли у цьому місці. Кількість інших же збільшується. У нас тут є дослідницький полігон, тож ми маємо можливість все це спостерігати при підводних зануреннях.

Антарктика є центральною частиною глобального океанічного конвеєру. Отже, глобальне потепління доходить і в ці райони.

ТЕКСТ: Маркіян Прохасько
Ілюстрації: Каталіна Маєвська
Статті