Как подготовиться к жизни на других планетах

Мы стоим на пороге перемен, сравнимых разве что с появлением на Земле человека

— Вернор Виндж

Биоинженерия поможет людям будущего выживать на других планетах в условиях экстремальной жары, холода, радиации и отсутствия питательных веществ, считает генетик и исследователь NASA Кристофер Мейсон. В отрывке из его книги «Следующие 500 лет. Как подготовить человека к жизни на других планетах» — о том, кто такие экстремофилы и прототрофы и как преодолеть молекулярную ущербность, свойственную человеку, и развить в себе способности глубоководных рыб.

^{Кадр из фильма «Марсианин»}

Американский специалист по космической медицине, генетик и вычислительный биолог Кристофер Мейсон уверен, что, во-первых, в ближайшие 500 лет нам не избежать необходимости осваивать другие планеты, а во-вторых, сделать это можно, только генетически модифицировав человеческий вид. «Чтобы спасти жизнь, необходимо ее доработать», — пишет он.

Мейсон — один из ключевых участников нашумевшего эксперимента NASA Twins Study с участием близнецов-астронавтов Марка и Скотта Келли. По итогом этого исследования Мейсон, например, предложил использовать ДНК тихоходок, феноменальная способность которых к долгожительству объясняется устойчивостью к радиоактивному излучению, для усовершенствования генов человека.

Кристофер Мейсон разработал подробный план, что именно человечество может и должно сделать в ближайшие 500 лет, чтобы выжить в условиях любой степени экстремальности — а это, по его мнению, с высокой вероятностью потребуется.

^{Обложка книги «Следующие 500 лет. Как подготовить человека к жизни на других планетах»}

Книга Мейсона «Следующие 500 лет. Как подготовить человека к жизни на других планетах» выходит в мае в издательстве «Альпина Паблишер». Forbes публикует отрывок. 

---

Пределы жизни 

Практически все ожидаемые свойства жизни, которую мы рассчитываем встретить в Солнечной системе, основаны на наших знаниях о пределах адаптации, характерных для обитателей Земли. Но что нам известно о пределах жизни? Как далеко она может зайти и как это связано с ее способностью к адаптации и процветанию в новых экосистемах? 

Чтобы ответить на эти вопросы, обратимся к экстремофилам (организмам, выживающим в экстремальных условиях). Некоторые экстремофилы настолько приспособились к своей среде обитания, что уже не могут существовать вне ее. Другие же способны выживать в экстремальных ситуациях, но предпочитают более умеренные. Таких существ называют экстремотолерантными, в принципе, они могут навещать своих подлинно экстремальных собратьев. В идеале генная и клеточная модификация должна позволить сделать людей, и в частности, астронавтов, экстремотолерантными. Возможно, когда-нибудь мы обнаружим или создадим идеальную копию Земли (либо сами доведем какую-либо планету до такого состояния), но проживание на других планетах Солнечной системы потребует серьезной биоинженерии. Если некоторые районы Марса могут быть сопоставимы по климату с наиболее суровыми северными регионами нашей планеты, то на других, например на Венере, гораздо жарче, чем когда-либо было на Земле. Если мы планируем наделить организм человека экстремальными возможностями, то сначала должны как следует изучить экстремофилов, обитающих рядом с нами. 

Именно на это нацелены проект Extreme Microbiome, которым руководит Скотт Тиге из Вермонтского университета, и другие научные проекты. Полученные учеными результаты позволяют не только оценить условия, в которых способны выживать земные бактерии, но и выявить биохимические механизмы, сделавшие их жизнь возможной. Когда мы полностью поймем эти биологические функции и способы адаптации, можно подумать об их переносе в другие системы, например, в организм человека или других существ, которых мы отправим на другие планеты. 

Экстремофилы обитают по всей Земле в самых разных экосистемах и подвергаются воздействию множества стрессовых факторов, в частности, высоким или низким температурам (термофилы/психрофилы), высокому давлению (барофилы или пьезофилы), высокой солености (галофилы), повышенному/пониженному уровню pH (алкалифилы/ацидофилы), сильной радиации (радиофилы). Бактерии-эндолиты выживают в микроскопических полостях глубоко в земных породах. Именно в таких укрытиях, скорее всего, стоит искать жизнь на Марсе и других небесных телах. Вполне возможно, что жизнь на Земле началась с термофилов, обитавших близ гидротермальных источников на дне океана (черных курильщиков). Сегодня такие организмы встречаются в гейзерах и тех же гидротермальных источниках, в том числе глубоководных. В данном случае уместно упомянуть Pyrococcus fumaris — доказано, что эта бактерия способна размножаться при температуре 113°C близ стенок черного курильщика. В черных курильщиках в Китае обитают археи, способные выжить при температуре 400°C. Их обмен веществ основан на хемосинтезе, они выделяют сероводород. 

Психрофилы приспособились к холоду, поэтому хорошо чувствуют себя в арктическом и антарктическом климате. Как показала работа Пабуло Рампелотто, их белки богаты глицином, сохраняют повышенную гибкость, меньше взаимодействуют друг с другом и представлены более мелкими фрагментами — все это помогает избежать замерзания. В 2014 году Кристнер с коллегами описал археи, обитающие в Антарктике, которым для выживания требуются лишь ионы аммония и метан. Возможно, они на протяжении миллионов лет существовали при полном отсутствии солнечного света и ветра. Такие организмы вполне выжили бы на Титане. 

Радиофилы выдерживают высокие дозы радиации (как космических лучей, так и ядерного происхождения). Настоящий «микросупермен» — дейнококк (Deinococcus radiodurans) сохраняет жизнеспособность при дозах до 5000 Гр, а Thermococcus gammatolerans выживает даже при дозах до 30 000 Гр. Оба этих микроорганизма можно найти в охлаждающей воде атомных станций. Подобно Супермену, имеющему множество суперспособностей, эти бактерии выдерживают низкие температуры, обезвоживание, вакуум и даже высокую кислотность. Поэтому их называют полиэкстремофилами, которым нипочем любой стресс. 

К 2201 году будут практически полностью каталогизированы все варианты адаптации и потенциала земной жизни. Станет понятен генетический источник способностей экстремофилов и появится возможность наделения ими других организмов. Подобные идеи тестируются уже сейчас (например, у нас в лаборатории делаются попытки внедрять гены тихоходок в человеческие клетки для повышения их устойчивости к радиации). Эти способности можно интегрировать в клетки человека с помощью искусственных мини-хромосом. Такой подход обеспечит долговременную устойчивость к факторам среды, позволит избежать изменения защищаемого человеческого генома и даже удалять эти адаптации впоследствии. Продвинутая система генетической модификации откроет путь к узконаправленной модификации в нужный момент. Экспедиции к дальним планетам и спутникам, в частности, к Титану начнутся к 2250 году, и для этого потребуются новые способы видеть, новые источники света и энергии. 

Модифицированный свет и существование во тьме 

Биоритмы, регулирующие циклы сна и бодрствования, называются циркадными. Возможно, поддерживать циркадные ритмы окажется проще, если искусственное освещение, при котором нам придется жить, будет напоминать солнечный или лунный свет. Технология, позволяющая получать свет с нужной длиной волны с точностью до нанометра, обеспечит рост растений, контроль над микроорганизмами, а людям поможет работать. Чем дальше мы будем уходить от родной планеты, тем сложнее будет отыскать нужный свет. 

Квантовые точки — это миниатюрные нанометровые кристаллы, которые в зависимости от размера излучают свет разных оттенков. Они появились в результате технологического прорыва в полупроводниковой индустрии и теперь позволяют воспроизводить весь спектр цветов. В этой области работает, например, компания Nano-Lit Technologies под руководством Сары Морган. Сегодня квантовые точки используются в солнечных батареях, флуоресцентных биологических метках и даже в обычных лампах, устанавливаемых в больницах и офисах. Пилотные испытания квантовых точек уже проводились в нескольких модулях на МКС, чтобы улучшить быт и условия работы экипажа. Если планируется небольшая вылазка в окрестностях Земли, то для поддержания биоритмов вполне хватит имитации восходов и закатов. Но так ли необходима адаптация к стандартному земному циклу, если речь идет о суточных ритмах далекой планеты?

К счастью, на Земле много организмов, приспособившихся жить в полной темноте. Получилось у них — получится и у нас. Существа, обитающие в глубинах океана, прекрасно себя чувствуют в отсутствие солнечного света. Яркий пример — рыба-удильщик, имеющая отросток со светящейся за счет биолюминесценции приманкой перед пастью. В кромешной тьме в глубинах океана даже тусклый огонек притягателен. Как только добыча подплывает ближе, «охотник» ее заглатывает. Удильщик — всего один из десятков известных видов, существующих уже 100–130 млн лет (по данным секвенирования митохондриальной ДНК) в темных и холодных морских глубинах. Следовательно, целые экосистемы существуют в полной темноте и ледяной воде (273K) при солености 3–4% намного дольше, чем люди. 

Вероятно, под поверхностью Энцелада (спутника Сатурна) скрывается целый океан, в котором почти везде чрезвычайно холодно — примерно –173°C (100K), кроме тех зон, где из недр спутника вырываются плюмы разогретых силикатов. Там температура океана может достигать 87°C (360K), примерно как у гидротермальных источников на дне земных океанов. Согласно исследованиям Шона Сюя и его коллег, проведенным в 2015 году, плюмы из разогретых силикатов и соленой воды отлично подходят для зарождения и развития жизни. 

Выводы о таком биологическом потенциале сделаны на основе изучения адаптаций, характерных для земных экосистем вокруг черных курильщиков, которые обычно располагаются на дне океана в зонах расхождения литосферных плит. Если на Земле это результат тектонической активности, то на Энцеладе аналогичный эффект возникает под действием притяжения Сатурна. В обоих случаях такие непрерывные планетарные пертурбации должны способствовать формированию жизни. 

Вокруг гидротермальных источников на Земле в течение миллионов лет растут и развиваются целые экосистемы, благодаря которым возникают совершенно новые биоценозы и биохимические процессы. В них обитают такие организмы, как погонофоры — гигантские кольчатые черви. Температура в источниках может достигать 400 °C (673K), а вокруг них кишит жизнь: различные ракообразные, моллюски и, конечно же, микробы. Эти микробы, возможно, в течение миллиардов лет существуют без солнечного света, используя хемосинтез. Они синтезируют органические вещества, окисляя неорганику. Пищей им служит водород из гидротермальных источников, сероводород и метан. Из этих молекул они черпают жизненную энергию. 

Эти глубоководные микроорганизмы даже образуют симбиозы, как и животные, обитающие на суше. Интересно, например, питаются гигантские трубчатые черви рифтии (Riftia pachyptila), живущие у черных курильщиков. Внутри этих червей обитают гамма-протеобактерии, пользующиеся их защитой. Эти бактерии синтезируют органические соединения, благодаря чему трубчатые черви обходятся без пищеварительной системы. Поскольку сера присутствует только в перегретой воде источников, а кислород — в окружающей холодной воде, бактерии получают все необходимое для жизни, не покидая тела хозяина. Именно благодаря таким тиоавтотрофам выживают трубчатые черви, и это прекрасный пример симбиоза, который можно взять в качестве модели для экосистем Титана или других миров. 

Но достичь такой гармонии непросто. Сера спонтанно реагирует с кислородом, образуя оксиды, точно как железо спонтанно реагирует с кислородом — и в результате образуется ржавчина. Как правило, тиоавтотрофы могут существовать только на границе океана и атмосферы, то есть в такой среде, где проще бороться с окислением серы. В глубинах океана подобная пограничная среда образуется в организме трубчатых червей, делая возможным их симбиоз с гаммапротеобактериями. 

С учетом многообразия жизни в самых экзотических экосистемах Земли было бы удивительно не обнаружить ее признаков на Энцеладе или в других мирах, где есть вода в жидком состоянии. Даже если жизнь там не зародилась самостоятельно, некоторые земные экстремофилы смогли бы прижиться в новых условиях, если мы осторожно и целенаправленно принесем их туда. 

Люди-прототрофы 

По сравнению со многими экстремофилами и бактериями, способными самостоятельно обеспечивать себя всеми необходимыми метаболитами, люди во многих отношениях — жалкие потребители. В результате неуправляемой эволюции современные люди утратили способность синтезировать девять из 22 незаменимых аминокислот. Чтобы выжить, человеку приходится получать девять аминокислот (гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан и валин) с пищей. 

К сожалению, молекулярная ущербность людей на этом не заканчивается. В человеческих клетках не синтезируются некоторые витамины, жизненно необходимые организму. Это витамин А, B1 (тиамин), B2 (рибофлавин), B5 (пантотеновая кислота), B6 (пиродоксин), B7 (биотин), B9 (фолиевая кислота), B12 (кобаламин), E и K. Более того, даже те витамины, которые вырабатываются в организме человека (например, витамин B3 — ниацин и D), зачастую синтезируются в недостаточном количестве и требуют восполнения за счет пищи или кишечной микрофлоры. В результате естественного отбора и дрейфа генов человек и большинство других сложных многоклеточных организмов утратили способность синтезировать многие незаменимые аминокислоты и метаболиты. Так почему бы просто не дополнить геном человека недостающими компонентами, нужными для синтеза этих важнейших молекул? 

Задавшись такой целью, Харрис Ван и Джеф Боке в 2020 году приступили к созданию человеческих клеток с механизмами синтеза витаминов. Хотя для синтеза всего набора витаминов потребуется серьезная генно-инженерная работа, план действий уже перед нами, и, чтобы его придерживаться, нужно изучать другие, более самодостаточные виды. По всей видимости, механизм синтеза некоторых молекул (например, валина) будет несложно воссоздать у человека: этот процесс осуществим всего в четыре шага. С другими веществами все гораздо сложнее: так, процесс возобновления синтеза витамина A в человеческом организме включает 22 этапа. На возвращение триптофана потребуется примерно 16 шагов, фенилаланина — 13, и даже для возобновления производства сравнительно простого гистидина необходимо выполнить последовательность из 10 шагов. В целом для синтеза витаминов и аминокислот нужно модифицировать всего 230 генов, что вызывает значительный энтузиазм в сообществе любительского биохакинга и практического трансгуманизма.

Чтобы вновь обрести такую самодостаточность на молекулярном уровне, можно даже реактивировать давно забытые генетические реликты, сохранившиеся у нас в геноме, а не добавлять человеку новые гены. Мертвый псевдоген, отвечающий за синтез витамина C, тихонько сидит у нас в геноме, причем не только у нас, но и у других сухоносых приматов (Haplorhini), и ждет своего воскрешения. Однако у полуобезьян (Strepsirrhini), в частности, у лемуров до сих пор сохранился активный, функционирующий вариант этого гена. Известно, каким бичом мореплавателей XVI–XVII вв. была цинга, причина которой — дефицит витамина C. Эта болезнь также может всерьез осложнить жизнь астронавтов в далеком космосе. Но если методом генной инженерии возродить в человеческих клетках механизм синтеза витамина C, то проблема цинги в космических путешествиях будущего отпадет сама собой. Если этот ген удастся реактивировать, то, возможно, лимоны и апельсины станут для нас обычным лакомством (будем добавлять их в марсианские коктейли), а не незаменимым ресурсом. 

Хотя «реактивация» синтеза витамина С была продемонстрирована на мышах, у человека возвращение такой способности может привести к неожиданным и негативным последствиям. Не исключено, что ген синтеза витамина C в нашем геноме перестал работать не случайно в процессе эволюции. Одной из причин может быть просто то, что наши предки получали с пищей достаточно витамина С и, следовательно, не нуждались в его синтезе. В таком случае повторная активация этого гена не представляет опасности и избавит нас от необходимости получать витамин с пищей. Независимо от наших намерений добавление новых генов и целых биохимических путей — сложный и потенциально непредсказуемый процесс. Но в последующие годы или десятилетия мы сможем опробовать такие изменения генома и оценить их последствия в разных контекстах и в разной окружающей среде. Как и во всем в нашей жизни, в конечном итоге все сведется к вопросу: «Чем мы готовы пожертвовать ради определенной выгоды?» Располагая достаточным временем, потери можно свести к минимуму, а выигрыш максимизировать. Рано или поздно мы создадим прототрофные человеческие клетки, которые будут сами синтезировать все незаменимые аминокислоты (прототрофами называются организмы, способные самостоятельно синтезировать все, что им нужно для выживания. — Forbes). 

Занимательная генная инженерия 

Исследования, оптимизация и внедрение модификаций в геном, сформировавшийся в результате неуправляемой и ненаправленной эволюции, пойдут столь стремительными темпами, что рано или поздно эти технологии начнут все больше приобретать… занимательный характер. После того как это станет нормой, люди будут заниматься генетическими изменениями для развлечения. Правда, легкий доступ к этой технологии может спровоцировать злоупотребление ею.

Трагическим примером подобного стало злоупотребление опиоидами в США в начале 2000-х. Первоначально такие препараты разрабатывались в чисто медицинских целях, чтобы с их помощью облегчать муки пациентов, восстанавливающих силы после серьезной хирургической операции или травмы. Вместо того чтобы терпеть боль, люди могли принимать опиоиды. Но в реальности эти препараты вызывают сильное привыкание. В довершение производители скрывали степень их опасности. В результате в истории США начался период, когда — впервые за несколько десятилетий — ожидаемая продолжительность жизни снизилась, особенно у белых мужчин. Ранее показатель ожидаемой продолжительности жизни проседал из-за войн, голода или эпидемий, а на этот раз снижение было обусловлено фармакологическим фактором. 

В 2019 году были приняты меры, которые помогли немного смягчить опиоидный кризис: бесплатные клиники, поддержка пациентов, социальная инфраструктура. Телемарафоны, вызовы врача на дом, лечебно-профилактические мероприятия координировались и активно финансировались из федерального бюджета. В конце концов положение удалось выправить. 

Пусть эта история послужит предостережением для тех, кто готов пробовать генетическую модификацию ради забавы. Имея доступ к описанным выше методам эпигенетического редактирования, человек может решить: «Хочу включить эти гены на сегодняшний вечер» или «Хочу, чтобы эти гены работали у меня все лето». Это создает беспрецедентные риски. Возможно, такое вмешательство обойдется без последствий, но с тем же успехом оно может превратиться в неконтролируемый эксперимент с нарушением клеточной регуляции. 

Тем не менее есть основания для надежды. Возможно, в занимательной генетике мы увидим те же тенденции, что сегодня наблюдаются при лечении ВИЧ. Исходно диагноз ВИЧ был равносилен смертному приговору, особенно в начале 1980-х. Но ожидаемая продолжительность жизни с ВИЧ стала увеличиваться с появлением антиретровирусной терапии, нуклеозидных аналогов и иммуномодулирующих лекарств. В 2017 году был преодолен важный рубеж, о котором сообщил журнал The Lancet HIV. Впервые с момента открытия ВИЧ средняя ожидаемая продолжительность жизни у ВИЧ-положительных пациентов в США превысила среднюю ожидаемую продолжительность жизни населения в целом. Ученые и врачи по всему миру всерьез заинтересовались — почему? 

Как оказалось, такой эффект дал легкий, постоянный и надежный доступ к системе здравоохранения, позволяющей выявлять проблемы со здоровьем до того, как они станут настолько опасными, что обычными препаратами ситуацию уже не исправить. При ВИЧ легкие инфекции, если их не лечить, могут привести к сепсису, но на ранней стадии они вылечиваются дешевым антибиотиком. Абсцессы обнаруживают и диагностируют еще до того, как поражение успеет распространиться на окружающие ткани. Мелкие проблемы со здоровьем остаются незначительными, а ожидаемая продолжительность жизни растет. 

На описываемом этапе 500-летнего плана (2250 год) должна появиться постоянно населенная космическая станция на околоземной орбите, и ожидаемая продолжительность жизни ее обитателей может увеличиться просто потому, что они будут под постоянным медицинским наблюдением и смогут оперативно получать помощь. Учитывая, с каким вниманием и дотошностью будут анализироваться малейшие колебания здоровья на всех этапах космической экспедиции, будь то в ходе смены на станции или на пути к Марсу, можно надеяться, что небольшие риски так и останутся небольшими. 

Кроме того, на протяжении полета риски могут быть просто ниже, чем кажутся. Допустим, корабль окажется в совершенно чужеродной среде, но разве это значит, что экипаж будет в большей опасности, чем где-нибудь на Земле? Пожалуй, нет. Хотя в течение года, проведенного на орбите, у Скотта Келли возникало множество молекулярных изменений, по возвращении на Землю большинство показателей пришли в норму. Кроме того, многие молекулы попросту оказались устойчивее и изменились меньше, чем в случае, если бы Келли не покидал Земли. За год на орбите эпигеном и метилирование ДНК у Скотта претерпели меньше изменений, чем у Марка. Таким образом, при жизни на Земле может произойти больше эпигенетических изменений, обусловленных стрессом или просто старением, чем в жестко регулируемой и контролируемой среде МКС. Это говорит о том, что очень строгий контроль сна, приема пищи, физической нагрузки и взаимодействия с искусственной средой может способствовать более длительной и здоровой жизни. 

Остается надеяться, что ко времени завершения шестого этапа будут получены первые аутотрофные или как минимум прототрофные человеческие клетки, которые приобретут новые функции, увеличивающие продолжительность жизни и улучшающие ее качество. Ожидаемая продолжительность жизни марсианских колонистов приблизится к той, что характерна для землян. На Марсе родится первый ребенок. В завершение этого этапа начнется планирование первого пилотируемого полета к Титану.

4 дня назад