Как генетическая информация морских организмов меняет биотехнологии, почему компьютерные модели не заменят экспедиции и чему учит нас международное сотрудничество в океане ПостНауке рассказал Эрик Живкопляс, междисциплинарный исследователь Стокгольмского центра устойчивости (Stockholm Resilience Centre, Stockholm University). Океан — это не просто вода. Это среда, где жизнь провела большую часть времени своего существования. По разным оценкам, первые микроорганизмы появились здесь от 3,5 до 4 миллиардов лет назад. Даже признаки, которые ныне носят организмы на суше, так или иначе были сформированы океаном и условиями, которые там присутствуют. По сути, океан — это не только хранилище генетической информации, но и архив всех наших воспоминаний о жизни. Если бы не было океана, мы бы были совсем другими: частица его есть у каждого внутри. Однако сегодня его значение не ограничивается поэтическим или эволюционным смыслом. Это ключевой ресурс для технологического прогресса, фундамент наших отношений с природой и даже фактор, влияющий на то, как мы — люди и политики — взаимодействуем друг с другом. Океан как архив жизни и генетический ресурс В последние годы интерес к океану значительно возрос, и главная причина тому — развитие технологий чтения генетического кода. Мы научились расшифровывать, как организмы используют свои гены — своеобразные инструкции для существования, — и разбирать эти инструкции на базовые элементы. Полученные данные позволяют внедрять генетические последовательности в лабораторные организмы, например в бактерии, чтобы воспроизводить полезные свойства или изучать их функции. Именно развитие биотехнологий и возможность исследовать морских обитателей в лабораторных условиях придали новый импульс океаническим экспедициям. Если предыдущий этап исследований в середине XX века был связан с изобретением акваланга, когда Жак-Ив Кусто и его команда освоили погружения с использованием сжиженного кислорода, то нынешняя волна обусловлена развитием глубоководных технологий и геномики. Однако систематическое изучение биоразнообразия океана, особенно глубоководного, находится лишь в начальной стадии. Серьезно работать с генетической информацией морских обитателей мы начали буквально 20–30 лет назад. Речь идет о глубинах более 500 метров или километра — зоне, где обитают удивительные существа. На сегодняшний день исследовано лишь 30% океанского дна, остальные 70% остаются terra incognita. Даже исходя из изученной части, мы знаем о наличии там поразительных организмов, включая достаточно крупных животных. Однако генетику многих из них не расшифровали вовсе. Мы видим их на фотоснимках с глубоководных аппаратов, но спускаться для забора образцов генетического материала дорого и технически сложно, поэтому пока охвачена лишь малая часть акватории.
Биоинформатика и пределы моделирования Зачем нужно «читать» генетическую информацию морских организмов? Прежде всего, это имеет фундаментальное теоретическое значение. Без изучения самых необычных экосистем, большая часть которых сосредоточена в океане, мы не сможем ответить на ключевые вопросы: как устроена и как произошла жизнь, каковы механизмы и направления эволюционных изменений и как климатические изменения влияют на эти процессы. В поисках ответов ученые обнаружили, что в таких условиях обитают уникальные животные с необычными белками. Сам термин «чтение генетической информации» сегодня гораздо шире, чем просто расшифровка ДНК. С помощью компьютерных программ мы анализируем комплекс молекул: белки, РНК и другие соединения, которые реализуют генетический код. Современная биоинформатика позволяет изучать их взаимодействие внутри сетевых структур, работающих подобно слаженному механизму. Главное достижение этой области — возможность предсказывать результат взаимодействия молекул еще до их физического создания. Это открывает путь к разработке продуктов с новыми свойствами. С развитием искусственного интеллекта набирает обороты синтетическая биология: молекулы проектируются напрямую в компьютерных программах. В некоторых случаях прямой физический доступ к организму-источнику становится менее критичным. Однако здесь таится опасность. Уверенность в том, что компьютерное моделирование способно ответить на все вопросы, может привести к сокращению инвестиций в реальные океанические исследования. Возможности моделей ограничены. Например, революционная программа для предсказания трехмерной структуры белков по последовательности ДНК эффективно работает лишь с небольшими молекулами, тогда как в биологии множество крупных и сложных структур остаются за пределами ее досягаемости. Поэтому важно осознавать: чтобы по-настоящему понимать жизненные процессы, необходимо продолжать изучать живые организмы, финансировать экспедиции и собирать образцы. У нас пока недостаточно данных, чтобы полностью перенести биологические процессы в виртуальное пространство. Кто владеет глубинами: право и политика Исследования космоса и океана, несмотря на кажущуюся разнонаправленность, тесно переплетены. Яркий пример связи — глубоководная бактерия с уникально плотной клеточной мембраной, позволяющей выживать при температуре выше 100°C. Это свойство вдохновило инженеров на создание термозащиты для спутников, а другая молекула из того же организма позже была использована в косметологии. Подобные открытия подчеркивают экономический потенциал глубин, что неизбежно ставит вопрос о праве собственности и регулировании доступа к ресурсам. Исторически океан был ареной соперничества сверхдержав (США и СССР), куда вкладывались значительные средства. В то же время существовала морская традиция взаимопомощи судов независимо от флага, что закладывало основы для международной кооперации. Сегодня доступ к генетическим ресурсам регулируется международными соглашениями. Ключевым из них стало соглашение об использовании биологического разнообразия районов за пределами национальной юрисдикции (BBNJ). Это первый документ, регламентирующий использование открытого океана, который составляет почти две трети всей акватории Земли. Соглашение вступило в силу недавно, однако процесс ратификации еще продолжается: такие страны, как США и Россия, пока не присоединились к нему. Основная цель документа — защита морского биоразнообразия в нейтральных водах и обеспечение устойчивого использования морских ресурсов. Механизм предполагает, что часть прибыли от продуктов, созданных на основе генетической информации морских организмов, будет направляться на охрану экосистем через создание морских охраняемых зон. Исследования подтверждают эффективность таких зон для сохранения биоразнообразия, но процесс их организации требует значительных финансовых вложений. Пока остается неясным, сможет ли новое соглашение обеспечить необходимый ресурс для реализации этих планов.
Экологические вызовы и потенциал экстремофилов Загрязнение океана — серьезная проблема, которая угрожает не столько самим исследованиям, сколько их объектам. Если не предпринимать действий, изучать будет нечего. Тем не менее жизнь демонстрирует удивительную адаптивность: уже обнаружены бактерии, способные утилизировать пластик. Хотя они пока не распространены широко, сам факт их появления значим. Однако пластик — не единственная угроза. Повышение температуры, закисление морской воды и усиление стратификации нарушают циркуляцию воды и обмен кислородом, углеродом и биогенными элементами между слоями океана. Исследования показывают, что изменения в численности, распределении и вертикальных миграциях организмов, которые переносят эти вещества между поверхностью и глубиной, могут ослаблять связь между поверхностными и глубоководными экосистемами и в перспективе вести к деградации или коллапсе отдельных морских экосистем. Все эти проблемы взаимосвязаны, поэтому нужны не точечные меры, а системные изменения — в нашем отношении к океану и в устройстве производственных цепочек. Несмотря на угрозы, океан остается кладезем биотехнологических решений. Наибольший интерес представляют экстремофилы — организмы, обитающие в условиях экстремального холода, давления и темноты. Их уникальные свойства являются прямым следствием среды обитания. Например, условия в Марианской впадине настолько суровы, что их сравнивают с марсианскими, однако жизнь существует и там. Это свойство жизни проникать повсюду поражает: бактерии находят даже на вернувшихся на Землю космических шаттлах. Для экономики это имеет практическое значение. Промышленные процессы часто требуют высоких температур и давления. Молекулы, устойчивые к таким нагрузкам, позволяют удешевить производство. Например, стиральные ферменты, созданные на основе бактерий, выживающих при высоких температурах, сохраняют активность в условиях, где обычные молекулы разрушаются. Океан и общество: уроки сотрудничества Глубоководные существа выглядят как инопланетяне, и эта красота необычных форм искренне восхищает. Но океан может рассказать нам многое не только о биологии, но и о человеке. Он помогает понять, как мы относимся к природе и друг к другу. Океан — одно из немногих пространств на Земле, которое человечество вынуждено делить между собой. Здесь формируются зоны коллективной ответственности. Любые проблемы, влияющие на отдельные государства, можно решить только через договоренности. Это не всегда просто: на международных переговорах сталкиваются интересы не только государств, но и разных групп — крупного бизнеса, прибрежных сообществ, коренных народов, экологических организаций. Тем не менее поступательное движение вперед заметно. Культура диалога и принятие необходимости слышать друг друга во многом стали возможны благодаря проблемам океана, которые невозможно решить в одиночку. Существует и проблема социальной справедливости. Открытый океан иногда напоминает «Дикий Запад», где отсутствие регуляции ведет к эксплуатации и нарушениям прав человека. Но даже в этих условиях есть «белые рыцари» — люди и организации, стремящиеся исправить ситуацию не ради экономической выгоды, а из искренней заботы о других. Знакомство с их работой возвращает веру в человечество. Изучая океан, мы учимся эмпатии. Осознание того, что необычные организмы могут исчезнуть из-за наших привычек, побуждает вести более экологичный образ жизни. В конечном счете, океан помогает нам лучше понять себя, нашу экономику, происхождение жизни и нашу способность к кооперации.