«Вернув мамонта, мы остановим глобальное потепление»: биоинформатик о возрождении животных прошлого

«Нигде не могу найти, что думают грамотные специалисты по поводу клонирования мамонтов», — такие реплики мы часто видим в комментариях к статьям о возможном возвращении шерстистых родственников слонов. Что ж, специально для вас мы нашли отличного эксперта — биоинформатика Анну Иванову, которая подробно рассказала, как именно учёные планируют возродить мамонта, зачем и кому это нужно, почему исследователи любят, когда животные прошлого умирали мгновенно, а их туши быстро замерзали, и что полезного могут делать в тундре гигантские биороботы.

XX2 ВЕК. По вашему совету я прочитала книгу «Наука воскрешения видов», автор которой считает, что вымершие животные ушли от нас навсегда, — но, тем не менее, важно восстановить отдельные черты вымерших животных и тем самым вернуть к жизни уязвимые экосистемы. Вы можете на примере возрождения мамонтов пояснить эту мысль?

Анна Иванова. Я попробую. В принципе, стабильные экосистемы, которые могут существовать на протяжении долгого времени, не просто так стабильны. Они стабильны за счёт всех компонентов, которые в них входят, а это и микробиологические составляющие, и мелкие животные, и крупные животные. Всё это между собой очень плотно взаимодействует. Когда исчезает один вид, он «тянет» за собой и другие. Например, вымерли крупные животные тундровой зоны. Причём приблизительно в одно и то же время. Исчезли мамонты, шерстистые носороги, не стало больших животных, которые бы утаптывали почву, разрывали её, выколупывали оттуда остатки травы, когда снег выпал, как-то взаимодействовали бы с замёрзшей почвой… Такое вымирание не могло не отразиться на экосистеме. Согласно исследованиям, экосистема тундры стала гораздо менее продуктивна после того, как из неё исчезли крупные животные. Учёные считают, что, если в тундру снова заселить животных, которые там прижились бы и начали размножаться, то биосистема улучшится. Есть даже гипотеза, согласно которой в этом случае мы сможем немного отодвинуть глобальное потепление. Вернув мамонта, мы остановим глобальное потепление — звучит желтовато, но так оно, вероятно, и есть.

XX2 ВЕК. А я слышала, что, вернув мамонтов в тундру, мы поможем исчезающим сегодня видам…

А. И. И это тоже. Когда я опрашиваю людей, кого бы из вымерших видов им хотелось вернуть, я обычно слышу красивые названия вроде «шерстистого мамонта», «странствующего голубя», «морской коровы», «динозавра». Но на самом деле мы забываем о мелких животных и растениях, которые вокруг крупных млекопитающих всегда были и являлись неотъемлемой частью биосистем. Журналисты никогда не пишут о том, что вымер какой-то мох или мышка. Хотя эта самая мышка могла быть очень важной в своей экосистеме.

С вымиранием мамонтов мы потеряли много растений — почву им подготавливали крупные животные.

XX2 ВЕК. Кого ещё будет «выгодно» восстановить с точки зрения экологии?

А. И. Это очень интересный и одновременно сложный вопрос. Мы должны понимать, существует ли та биосистема или её остатки, в которую мы хотим кого-то вернуть. Например, есть такая проблема в Китае — в стране исчезли речные дельфины. Река стала слишком загрязнённой — и дельфины вымерли. Это произошло совсем недавно, однако, если мы захотим дельфинов вернуть, нам будет некуда их определить.

Нужно понимать, существует ли ещё биосистема, в которую можно кого-то вернуть, чтобы эту биосистему возродить. Или мы говорим о том, что биосистема уже уничтожена и надо решить, возрождать её или нет? Есть третий вариант — биосистема была уничтожена и заменена другой, которая тоже функционирует достаточно продуктивно. Хороший пример — когда в Йеллоустонский парк и некоторые двугие районы США был в своё время реинтродуцирован волк. Волков выпускали из мест искусственного разведения в неволе, завозили из Канады, «помогали» им на первых порах с размножением, охраняли их… И биосистема в этой области возродилась до того состояния, в котором она существовала ранее. Конечно, мы не говорим о том, что вымершие виды возродились, но численность видов, которые регулировались крупными хищниками, пришла к балансу.

А что там с мамонтами? С одной стороны, тундровая экосистема вымерла — поскольку вместе с мамонтами мы потеряли и шерстистых носорогов, и других больших ребят. Тундровая биосистема не была восстановлена — у нас осталась мёртвая тундра на тех местах, где раньше была очень продуктивная биосистема. И мы можем подумать о том, как нам её восстановить. Для этого необязательно, кстати, виды возрождать. Иногда достаточно поместить похожие виды, которые могут выполнять те же функции. Если у нас есть носорог, который способен жить на холоде, то нам не важно, это вымерший шерстистый носорог или модифицированный носорог, привезённый из Африки. Для нас главное — чтобы мы поместили в тундру крупное животное, которое будет питаться тем же, чем питались вымершие виды, — и вести себя примерно так же.

Нам не важно возродить именно мамонта. И не важно, чтобы животное было генетически идентично вымершему мамонту. Нам важнее, чтобы в тундре появился кто-то, идентичный мамонту по поведению — чтобы животные перемещались стадами, а не по одиночке, чтобы выживали при тех же температурах и примерно тем же питались. Если бы мы могли создавать биороботов, которые походили бы по поведению на мамонтов, то и биороботы с этой ролью справились бы. И никого возрождать не пришлось бы.

XX2 ВЕК. А вообще возможно воссоздать мамонтов, генетически идентичных тем, что вымерли?

А. И. Давайте немного заглянем в историю попыток воссоздания мамонтов?

XX2 ВЕК. Давайте!

А. И. Начнём с того, что в 1990-х гг. появилась технология криоконсервации, которой мы сейчас успешно пользуемся. Многие слышали, что нам сейчас рекомендуют до определённого возраста сдать яйцеклетки или сперматозоиды, чтобы дальше вести какой угодно разгульный образ жизни, а когда детей захочется — взять молоденькие и свеженькие биоматериалы и создать в пробирке здоровый эмбрион. В этих исследованиях участвовали японские учёные Акира Эритани и Казуфуми Гото. Исследования натолкнули их на мысль: «Окей, раз мы можем такое дело провернуть с замороженным биоматериалом, то почему бы нам в природе не поискать такую же заморозку, но только естественную?» И они задумали возродить мамонта. Японцы хотели организовать несколько экспедиций в те места, где проживали мамонты — ещё не так давно, по историческим меркам. Вообще мамонты-то не так давно вымерли! Последние исчезли около 4 тысяч лет назад, ну о чём это?

XX2 ВЕК. Ага, тогда египтяне уже свои пирамиды вовсю строили.

А. И. Да вообще недавно мамонты вымерли. Буквально с моим прадедушкой под ручку ещё ходили. Вернее, под бивень.

Ну так вот, учёные задумали организовать несколько экспедиций и попробовать найти тушу мамонта, которая очень быстро «заморозилась» после его гибели. Специалисты, конечно, мечтали о мамонте-мальчике, чтобы выделить у него сперматозоиды, отобрать из них только те, внутри которых есть Х-хромосома. Я напомню, что мы от мамы и от папы получаем по гаплоидному набору хромосом — и у нас все хромосомы почти идентичны, но есть небольшое различие: у мамы половая хромосома всегда Х, а у папы — X или Y. Если от папы мы получим Y-хромосому, то у нас родится мальчик, а если от папы мы получим X-хромосому, то на свет появится девочка. Идея была такая: найти мамонта-мальчика, взять у него сперматозоиды, выделить только те, внутри которых есть Х-хромосома, скрестить сперматозоид с яйцеклеткой азиатского слона и получить эмбрион — как при ЭКО — и родится детёныш, который будет на 50% слоном, а на 50 — мамонтом. И этот детёныш будет девочкой. Получится полумамонт-девочка.

Дальше яйцеклетку этой повзрослевшей девочки учёные хотели скрестить с теми же самыми сперматозоидами папы, который замёрз много тысяч лет назад. Получится животное, которое окажется уже на 75% мамонтом. Согласно прогнозам специалистов, уже через 50 лет мы могли бы иметь некое существо, которое на 88% являлось бы мамонтом. Но этот план не увенчался успехом: найти настолько хорошо сохранившуюся тушу мамонта не удалось. Несколько экспедиций не достигли поставленных целей, а потом закончилось финансирование.

Сейчас вот мы понимаем, что, скорее всего, у тех учёных всё равно ничего не получилось бы: межвидовое скрещивание имеет малый успех, мы видим это на примерах того, как сложно получить, например лигров. А во-вторых, шансы найти качественные сперматозоиды с неповреждённым ядром очень малы.

И вот тут мы переходим ко второму подходу в воскрешении. В 2010 году нашли останки маленького мамонтёнка, которого назвали Юка. Этот мамонтёнок был примечателен чем? Ведь мамонтов и до этого в огромном количестве находили! Я вот сейчас разговариваю с вами, а в 50 метрах от меня находится наш кемеровский музей, в котором стоит целый скелет мамонта. У нас в Кемерово вообще постоянно мамонтов находят. В начале этого года очередные кости мамонта нашли при прокладке водопровода возле моего старого офиса. Для нас это вполне обыденная история — что где-то снова нашли кости мамонта. Здесь везде копают, для привлечения студентов прямо посреди улицы выставляют витрины с мамонтовыми костями. В общем, город мамонтов у нас.

Ну так вот. В принципе, и до 2010 года палеонтологи находили много костей мамонтов. Проблема была найти такие останки, в которых ядерная ДНК хорошо сохранилась. То есть для нас идеальны были бы останки такого мамонта, который шёл себе, шёл, грыз вкусную травку, а потом его внезапно бы завалило глыбой или бы он куда-то провалился, а сверху бы случился обвал. Нужно, чтобы смерть животного была мгновенной, а замерзание произошло быстро — чтобы до его туши не успели добраться микроорганизмы и начать свою коварную работу по уничтожению клеток и ДНК. Таких хороших останков долгое время не было, однако в 2010 году нашли малышку Юку, которая очень «хорошо» замёрзла. И, помимо того, что её кости оказались в отличном состоянии, у неё нашли ещё несколько граммов мышечной ткани. И оттуда смогли выделить целых несколько десятков клеток! В 88 из которых оказалось вполне себе целое клеточное ядро. А у нас в клеточном ядре и лежит ДНК. То есть мы смогли получить максимально целую ДНК из всего, что находили ранее.

Мы и ранее выделяли из останков фрагменты ядерного генома и смогли сложить из них довольно точно геном мамонта. А тут практически живые — разморозь и пользуйся — ядра! И, казалось, вот он, шанс на клонирование мамонта. Учёные провели такой эксперимент: взяли ядра у Юки и поместили их в опустошённые яйцеклетки мышек. А дальше попробовали понять: начнут мышиные яйцеклетки с мамонтовым ядром делиться — или нет. Этот процесс надо было как-то контролировать. Для контроля использовали ядра, полученные из клеток слонихи, за несколько лет до этого умершей в японском зоопарке. То есть не просто живой слонихи! Нам важно, что её клетки тоже были в заморозке.

Итак, клетки слонихи взяли, выделили из них ядра и поместили их в клетки от мышки. И постарались запустить процесс деления клеток. Те клетки, в которые мы поместили ядра от слонихи, начали успешно делиться. А мамонтовые клетки деления не показали. Но! Некоторые процессы в них всё-таки запустились — в клетках начало образовываться веретено деления, белки заработали. И это давало надежду на то, что, если мы продолжим и дальше искать хорошо сохранившихся мамонтов, то у нас есть шанс найти более целые ядра, с которыми мы сможем провернуть эту процедуру клонирования. Но, по сути, тут во многом зависит от удачи — найдём мы такого мамонта или нет.

Нам мало просто знать геном мамонта. Да, он у нас есть, мы его прочитали. Хотя древняя ДНК имеет свои отличия от современной — если мы возьмём ДНК современного пациента и ДНК древнего человека, то в последней будут свои особенности. Не потому, что мы сейчас другие и мутировавшие…

XX2 ВЕК. А почему?

А. И. За то время, пока ДНК лежала, в ней проходили некие химические модификации в самих молекулах. Мы умеем эти модификации определять и умеем делать пометочки, что вот здесь должна стоять другая буковка, и так далее. По идее, мы знаем, как выглядел бы геном мамонта без упомянутых химических изменений.

Но знать геном для нас мало. Мы ещё не находимся на том уровне технологий, когда можем этот геном прямо с нуля воссоздать. Были, конечно, исследования лаборатории Крейга Вентера — того самого громкого товарища, который в своё время помогал с проектом «Геном человека» и благодаря которому этот проект был завершен раньше запланированного срока. Его лаборатория ставила такой эксперимент: учёные хотели создать одноклеточный искусственный организм, хотя бы минимально способный к жизни. То есть такие организмы мы ещё, может, и в состоянии создать — хотя это дико сложно. Но вот воссоздать огромного мамонта по его геному мы пока не умеем. У нас технологии не того уровня.

Соответственно, воссоздать мамонта, использовав азиатского слона как суррогатную маму, мы пока не можем. Не из чего нам взять хорошее ядро к тому же. Клонировать мамонта не получится. Помните знаменитый фильм «Парк Юрского периода», в котором динозавра клонировали благодаря биологическому материалу, найденному в комаре?

XX2 ВЕК. Смотрела, помню!

А. И. Что дальше? У проекта Revive & Restore, за успехами которого я внимательно слежу, появился новый спонсор. Их заявление звучит так: «Мы можем получить живого мамонтёнка уже спустя шесть лет». Звучит круто, но здесь нужно понимать, насколько это будет мамонтёнок.

Чего хотят авторы проекта? Они хотят получить мамонтёнка, модифицировав слона. Наверное, все слышали про технологию CRISPR/Cas, которую мы всего-то 10 лет назад открыли на примере того, как это работает у бактерий. По сути, CRISPR/Cas — это система иммунитета бактерий, которая позволяет им успешно бороться с теми, кто на них нападает. В общем, эта система позволяет нам вносить изменения в геном. В чистом виде, в котором она существует у бактерий, она работает с большим количеством ошибок и неточно. Но за прошедшие годы мы смогли создать несколько новых вариантов этой системы, которые дают достаточно высокую точность редактирования, в связи с чем уже появились первые геномные скандалы — все, наверное, помнят шумиху с редактированием двух девочек-близняшек в Китае…

Так вот, что предложили учёные? Они решили, что, раз мы пока не можем клонировать мамонта, мы можем перепрограммировать слона, который не такой уж и далёкий родственник мамонта. Есть, кстати, такое заблуждение, что слон — потомок мамонта. Но это не так: слон — это совсем другая ветвь. И мы с современными обезьянами тоже лишь родственники — просто у нас был общий предок.

В общем, мамонты, современные слоны и мастодонты — это родственники, произошедшие от общего предка. Достаточно близкие родственники. Вполне вероятно, что, если бы мамонты не вымерли, они бы могли с современными слонами скрещиваться…

XX2 ВЕК. Как сейчас скрещиваются бурые и белые медведи?

А. И. Ну да. Поэтому, по идее, мы можем взять слона и отредактировать его до такого состояния, чтобы он смог стать похожим на мамонта. Как мы уже говорили, если мы вернём в тундру животных, которые по своим функциям похожи на крупных млекопитающих прошлого, то мы получим желаемый результат. Иными словами, не обязательно возвращать именно мамонта. Так почему бы не заселить тундру слонами, которые не прочь пожить на холоде и умеют добывать пищу из-под снега?

Учёные начали думать в эту сторону и сравнили, насколько слоны и мамонты вообще похожи. Оказалось, не совсем — у них около трёх миллионов различий в геномах. И тогда специалисты задумались о том, чем слоны принципиально отличаются от мамонтов. Ну вот чем? Шерсть у мамонтов была, а у слонов нет. Потом, у мамонтов было больше бурой жировой ткани, которая позволяет лучше бороться с холодом. Ещё у мамонтов иначе работала кровеносная система, которая иначе реагировала на температурные изменения. И учёные решили сосредоточиться на таких конкретных изменениях, которые нужно сделать в слонах, чтобы те могли выполнять функции своих вымерших родственников.

В частности, исследователи решили поменять ген ThermoTRP, который регулирует выработку белка кератина — этот белок влияет на то, какие у нас будут волосы. То есть, если учёные отрегулируют этот ген у слона, то смогут получить в итоге шерстистое животное. И слон сможет — теоретически — жить в Якутии! И вот ещё интересный ген — LEPR. Схожая вариация этого гена была, кстати, у денисовцев и неандертальцев.

XX2 ВЕК. А за что этот ген отвечает?

А. И. У нас есть бурый жир, которого много у новорождённых и мало у взрослых. Бурый жир позволяет человеку лучше производить терморегуляцию. А у коренных народов Сибири есть модификация этого гена, которая помогает им лучше переносить холода. Вариация ещё одного гена, схожая у мамонтов и коренных сибиряков (но отличная у других современных людей), позволяет их кровеносной системе более верно вести себя в очень холодных условиях.

В общем, в геном слонов нам нужно внести не три миллиарда изменений, а только те, которые связаны с ключевыми особенностями мамонтов. Но проблема в том, что чаще всего нет конкретных генов, которые отвечают за какую-то одну функцию. Как правило история такая: функция зависит не от одного гена, а диктуется их набором. Бывает, что один ген влияет сразу на десятки функций. А бывает, что на группу каких-то функций сложно и запутанно влияет группа генов. Всё очень непросто, в общем. И в случае с мамонтами нам надо не просто отредактировать аллель ThermoTRP, чтобы иначе волосы росли. Скорее всего, этого будет недостаточно.

Слона-мамонта мы будем «выращивать» в несколько этапов: на первом получим слона с более густой шерстью, потом с его яйцеклеткой начнут производить манипуляции, которые изменят выработку бурого жира, и так далее. Мы можем повысить вероятность успеха тем, что будем вносить изменения постепенно.

XX2 ВЕК. Кому генетически ближе будет «возрождённое» животное — последним мамонтам с острова Врангеля или более ранним особям?

А. И. Ни тем, ни тем. Я очень не люблю фразу «Каждый из нас на 50% банан, потому что геномы-то совпадают». Это очень кривая логика, по которой я могу сказать, что каждый мужчина гораздо ближе к самцу обезьяны, чем к женщине — ведь у мальчика-шимпанзе есть Y-хромосома!

Важно, какие именно различия и сходства мы рассматриваем. Мы можем считать различия в некодирующих частях генома — и их будет много, но они нам не так важны. Можно считать различия по конкретным генам, но это достаточно сложно. И поэтому нельзя сказать, на кого больше будет генетически походить наш будущий мамонт. Но, скорее всего, он будет больше всего похож на азиатского слона — потому что из азиатского слона его будут «вылепливать».

XX2 ВЕК. Современные реконструкции мамонтов правдивы или нет?

А. И. Мамонты отличались друг от друга. Например, мамонты с острова Врангеля были малипусечками. Их рост был около 2—3 метров — видимо, в конце мамонтов осталось совсем мало, они друг с другом активно скрещивались, в итоге у потомства появлялись разные генетические заболевания… Ведь когда мама и папа из разных концов Земли, то это классно: генетическое разнообразие, все дела. А тут бедные мамонты оказались заперты на одном острове, все поперескрещивались между собой… И считается, в результате последние мамонты ослабли и вымерли.

Так вот, близки ли реконструкции мамонтов к тем мамонтам, что ходили по Земле?.. Мамонты же друг на друга не были похожи. Одни были высокие, другие — нет. Но вообще про мамонтов мы знаем очень много: у нас есть их сохранившаяся мышечная ткань, бивни, волосы… Юка на вид как живая — словно сейчас вот проснётся и побежит. Поэтому реконструкции мамонтов довольно точные. Мамонты — это не денисовцы, от которых у нас осталась одна фаланга пальца. От мамонтов у нас осталось больше, чем от тех же неандертальцев — хотя от неандертальцев у нас остались целые черепа. Мамонты жили в холодных краях и очень «удачно» для нас помирали.

А вообще, когда мы говорим о тех же неандертальцах, нам важно, какого цвета у них были глаза, например. Это же люди, как и мы! А вот с мамонтами нам цвет глаз и прочие признаки не так важны. Любой собачник меня поймёт: даже два щенка из одного помёта будут для него разными. Собачник скажет: «Да моя собака совсем другая, у неё морда лица отличается, как можно её с кем-то спутать!» Наверное, если бы у нас появился живой мамонт и мы бы спросили его: «Слушай, а это твой соплеменник?», он бы ответил: «Нет, ну вы что! В моём племени таких не водилось». А вот для нас все мамонты — на одно лицо.

XX2 ВЕК. Учёные несколько раз пытались возродить исчезнувшие виды — например, заботливых лягушек, однако клонированные особи оказывались нежизнеспособны. А есть удачные примеры клонирования вымерших видов?

А. И. Вымерших — нет. Вымирающих — есть. Например, мы столкнулись с такой проблемой: носороги стали плохо размножаться. Мы и так потеряли много видов носорогов, а у оставшихся такие вот трудности. И для учёных было важно получать носорожат в пробирке, чтобы эмбрионы вынашивали суррогатные мамы. На мой взгляд, история с вымершими северными белыми носорогами и их близкими родственниками — вымирающими южными белыми носорогами — это история небольшого, но важного успеха учёных. На нашей планете уже бегают два прекрасных носорожонка — они южные белые, но они были получены методом, который всё лучше и лучше отрабатывается для возрождения северных носорогов. Надеюсь, в ближайшем будущем учёные займутся ещё и гепардами, у которых очень низкое генетическое разнообразие.

А ещё пример успеха — лошади Пржевальского. Их в начале XX века почти полностью истребили. На планете оставалось 11 особей. И лошади Пржевальского, которые бегают по планете сейчас — даже те, которых выпустили в дикие стада — потомки тех 11 особей, выживших после очень холодной зимы, пришедшейся к тому же на начало войны, когда достреляли всех лошадей, что были. Они — потомки 11 лошадей и одной обычной кобылы. Их низкое генетическое разнообразие не даёт им возможности для манёвра. Генетическое разнообразие — залог выживаемости вида. И, по идее, если бы всё оставалось так, как есть, то лошади Пржевальского однажды вымерли бы — они не смогли бы выйти за рамки своего ареала обитания, если этого потребовали бы изменившиеся условия среды.

Кстати, это ещё один успех проекта Revive & Restore, который занимается носорогами, странствующими голубями и мамонтами. У учёных оставались качественные замороженные образцы генетического материала от лошадей, умерших в зоопарках во второй половине 20 века. Так генетическим папой недавно рождённого жеребёнка стал умерший в зоопарке еще в 1998 году жеребец, генетической мамой одна из современных лошадей Пржевальского, а выносила малыша обычная домашняя лошадь. Когда он подрастёт, он будет введён в стадо, и это позволит увеличить генетическое разнообразие современных лошадей Пржевальского. А повышая — хотя бы немного — генетическое разнообразие, мы повышаем шансы выживаемости популяции.

На мой взгляд, история с лошадью Пржевальского показывает, что мы можем успешно работать в сторону возрождения видов.

С нетерпением жду, что еще будет происходить в этом направлении. А там в ближайшие годы точно будет много всего интересного!