О золотых яйцах и экстравагантной науке

Но никакие самые замечательные древние басни не могут, как показывает жизнь, сравниться по поучительности с уроками современной науки, и именно об этих уроках мне хочется рассказать подробнее – как раз на примерах лауреатов «Золотого гуся».

Первое вручение этих премий состоялось в сентябре 2012 года. Лауреатами тогда стали три группы исследователей. В одну входили трое ученых – Чалфи, Симомура и Тсиен, получившие в 2008 году Нобелевскую премию за исследования флуоресценции медуз. Думается, будь нынешние критики «нелепых исследований» избраны в конгресс в 1960-е годы, они бы эти исследования наверняка осудили. К счастью, их тогда в конгрессе не было, и ученые благополучно выяснили, что некий медузий белок, получив порцию световой энергии от освещения, излучает ее в виде видимого зеленого света. Белок этот получил название GFP (green fluorescent protein, ЗФБ по-русски), а затем было показано, что его ген можно искусственно вводить в другие организмы, где этот белок тоже начнет тогда производиться, своим свечением сигнализируя о работе тех или иных ДНК. С тех пор этот метод выявления работы ДНК стал применяться так широко и в таких разных научных исследованиях, что, например, статья Чалфи об исследовании ЗФБ входит в число 20 самых цитируемых статей во всей молекулярной биологии за все времена. (Интересно, что часть еще не опубликованных в то время экспериментальных данных дала ему для этой статьи его жена, тоже участвовавшая в исследовании, в обмен на его обещание в течение месяца готовить обед и убирать в квартире.)

Второго «Золотого гуся» 2012 года получил Чарлз Таунс, который в 1964 году вместе с Басовым и Прохоровым был удостоен Нобелевской премии за создание первых лазеров. Объяснять практическое (в том числе и медицинское) значение этого открытия, думается, не нужно, но стоит упомянуть, что оно тоже начиналось как «нелепое», потому что даже крупные ученые, как вспоминал Таунс, говорили ему, что он должен бросить свои попытки. Ну и наконец, третья группа – американцы Джон Вебер, Юджин и Родни Уайт и Дельта Рой – была награждена за исследование, в котором «экстравагантный» интерес к строению морских кораллов привел к открытию нового метода операций по замене костных суставов.

Не менее поучителен список лауреатов «Золотого гуся» 2013 года. Один из них, Джон Энг, может показаться типичным растратчиком денег налогоплательщиков, какими они изображены вышеупомянутыми конгрессменами. Этот молодой биолог потратил народные денежки на собственную причуду – решил зачем-то изучать единственную в Северной Америке ядовитую ящерицу, гигантскую гилу, названную по реке Гила в Аризоне, где эта ящерица когда-то широко водилась и где о ней рассказывали жуткие легенды еще со времен золотой лихорадки. И добро бы он взялся изучать ящерицу – так нет, он решил посвятить себя (и народные деньги) исключительно изучению слюны (!) этого монстра. И доизучался-таки - открыл в этой слюне множество биологических активных веществ, включая несколько токсинов. А затем, в посрамление народных радетелей, было показано, что токсин хелодермин (в видоизмененной, разумеется, форме) подавляет рост опухолей при раке легких, токсин эксендин-4 резко усиливает память у мышей, страдающих некой формой болезни Альцгеймера, и поэтому энергично изучается сейчас на предмет применения в помощь страдающим этой же болезнью людям. Наконец, токсин эксенадин (представляющий собой синтетическую форму эксендина-4) был в 2005 году, после трехлетних испытаний, официально утвержден федеральным управлением США по контролю за лекарствами и продуктами в качестве лекарства (под названием «Биетта»), эффективно поддерживающего уровень глюкозы и снижающего лишний вес при диабете второго типа.

Закончу этот рассказ историей лауреата «Золотого гуся» 2013 года Томаса Брока, который в далеком 1968 году сделал открытие, перевернувшее все прежние представления о путях зарождения жизни на Земле. Грант, полученный из Национального фонда научных исследований, этот молодой тогда микробиолог решил потратить на изучение жизни микроорганизмов во всякого рода термических источниках, в частности в воде горячих гейзеров Йеллоустоунского национального парка. То была такая же «экстравагантная прихоть», как поступок Энга, потому что в ту пору в науке бытовало убеждение, что при температурах выше 75 градусов жизнь невозможна, и когда Брок начал изучать источник Октопус спринг с температурой 82-83 градуса, все считали, что он совершенно впустую тратит полученные на исследование деньги. Брок, однако, сумел обнаружить в водах этого источника доселе неизвестный вид бактерий, которые скапливались там в виде длинных розовых лент и преспокойно переносили эту, как считалось смертельную для них, жару.

Брок назвал эту бактерию термус акватикус, выделил из нее необычный фермент, которому она была обязана своей способностью жить в горячей воде (потому что этот фермент – он получил сокращенное название «Т.Ак» - оставался стабильным при температурах до 100 градусов), и двинулся дальше, искать другие термофильные бактерии. Многочисленные находки такого рода в конце концов привели Брока к интуитивному выводу, что живые организмы могут существовать и при температурах выше точки кипения, если только в источнике или вблизи него есть жидкая вода. Долгие десятилетия эта его мысль оставалась «еретической», пока ближе к нашим дням не стали один за другим обнаруживаться гидротермальные глубинные источники на дне океанов, где в местах вулканических трещин наружу выходит горячая вода, нагретая магмой и насыщенная минеральными веществами. Вокруг таких источников были найдены также новые, ранее неизвестные формы жизни, и сегодня уже имеет широкое хождение гипотеза, утверждающая, что жизнь на Земле зародилась именно в этих местах.

Но этого мало – через 20 лет после открытия Броком фермента «Т.Ак» этот продукт крохотной термофильной бактерии неожиданно стал подлинным героем науки. Оказалось, что этот фермент помогает искусственному, в пробирке, синтезу любой ДНК, потому что начало такого синтеза требует высокой температуры, при которой другие ферменты разлагаются и которую «Т.Ак» выдерживает хорошо. Благодаря этому стала возможной подлинная революция в генетике – разработка метода искусственного размножения молекул ДНК. Этот процесс, придуманный Мюллисом (который был удостоен за это Нобелевской премии), получил название «полимеразная цепная реакция». Он позволил ученым производить массу различных манипуляций с нуклеиновыми кислотами, например вводить в ДНК нужные для исследования мутации, сращивать отдельные фрагменты ДНК друг с другом и т. д. и т. п., и потому он получил широчайшее распространение в биологической и медицинской практике – в разных методах диагностики, в клонировании, в создании новых генов и так далее. Как пишут сейчас в учебниках, появление этого метода разделило историю биохимии и молекулярной биологии на две эпохи – до и после ПЦР. А началом всему этому было, как видите, «экстравагантное» желание Томаса Брока потратить свой грант на изучение свойств бактерий, которые существуют там, где, «как всем было известно», бактерии вообще существовать не могут.

Третья ежегодная церемония присуждения «Золотых гусей» состоится 18 сентября 2014 года в Вашингтоне, на Капитолийском холме. Уже объявлено, что на церемонии будут присутствовать главы ведущих научных учреждений США, а также члены конгресса. Но список лауреатов пока не объявлен, увы. А интересно, какие золотые яйца преподнесут ученые политикам в этом году?

Рафаил Нудельман
"Окна", 17.08.14

***************************************************

«И мы не хуже многих…»

Пел когда-то незабвенный Высоцкий: «А что же мы? И мы не хуже многих…» Он, конечно, имел в виду нас с вами, но вот сегодня оказывается, что даже растения во многом не хуже нас. По крайней мере в деле самозащиты.

У растений много врагов и никакой подвижности («одноногое» - назвал дерево Бродский), и поэтому они разработали широчайший набор средств защиты, начиная с простой мимикрии и камуфляжа и кончая самыми изощренными химическими придумками. Как вам, к примеру, понравится такой вид самообороны: когда растение атаковано большим количеством травоядных врагов (птиц или насекомых), оно испускает аномальное количество летучих химических веществ - олеохимикатов, разлетающихся в разные стороны и привлекающих хищников, для которых служат приметой пищи; хищники являются на место боя и в свою очередь атакуют птиц, тем самым выручая растения.

А вот тропическое растение макаранга. У него есть постоянный враг – некая бабочка, личинки которой питаются листьями макаранги. В борьбе с личинками дерево выращивает на себе длинные полые стебли и внутри них вырабатывает сахаристое вещество, которым лакомится определенный вид муравьев, пищей которым служит вышеупомянутая личинка. И интересно, что макаранги, в стеблях которых поселяются такие муравьи, немедленно начинают производить в десятки раз больше муравьиного лакомства, словно понимают, что нужно удержать у себя этих защитников.

От мысли, что растения многое понимают, порой трудно отделаться, и не случайно ее разделяют даже некоторые ученые. И в самом деле, как не задуматься, когда читаешь о еще одном примере изысканно сложного способа защиты от насекомых, который недавно расшифровали немецкие ученые из Геттингенского университета. Эти ученые изучали два вида барбариса – обычный европейский, или барбарис вульгарис, и недавно появившийся в Европе американский барбарис магония падуболистная (в Америке прозванная орегонским виноградом за свои кисловато-сладкие плоды). У европейского барбариса есть вековечный враг - фруктовая мушка-пестрокрылка, личинки которой питаются семенами барбариса. С появлением в Европе магонии пестрокрылка перекочевала и на нее, и когда ученые присмотрелись к заморскому гостю, оказалось, что на нем личинок пестрокрылки вдесятеро больше, нежели на вульгарисе.

Это различие невольно наводило на мысль, что «вульгарный» барбарис, давно сражающийся с этим врагом, изобрел какие-то защитные механизмы, которые еще не успел выработать американский пришелец, и ученые решили эти механизмы изучить. Изучение показало прежде всего, что муха откладывает свои яички внутрь семян барбариса. Если личинка выведется, она пожрет и это семя, и все поблизости. И тут барбарис прибегает к удивительной уловке. От природы у него есть замечательное свойство: при недостатке питания он способен приостанавливать рост своих семян, чтобы зря не тратить скудные ресурсы. И вот в случае заражения барбарис использует этот механизм. Он приостанавливает рост зараженных семян, так сказать, «абортирует» их.

Казалось бы, все просто и замечательно. Однако, присмотревшись внимательней, ученые обнаружили странное явление: барбарис далеко не всегда абортировал зараженное семя! А детальное изучение показало, что его решение - «абортировать» семя или нет - зависело от того, есть ли рядом с зараженным семенем (в той же ягоде) другое. Дело в том, что у европейского барбариса в некоторых ягодах не одно, а два семени. Так вот, оказалось, что если зараженная ягода содержала два семени, барбарис прекращал рост зараженного семени в 75% случаев. Но если зараженная ягода содержала только одно семя, «аборт» происходил только в 5% случаев.

Почему? Объяснить это можно было только «здравым расчетом». Растение словно бы «рассуждало»: «Если в той же ягоде есть второе семя, то велик риск, что личинка доберется и до него; лучше вовремя сбросить зараженное семя и тем самым сохранить здоровое, из которого сможет развиться ягода. Но если семя только одно, то, сбросив его, я наверняка лишусь ягоды, которая могла бы из него развиться. А ведь есть некая вероятность, что личинка в этом семени помрет сама собой и это семя все же даст начало ягоде. Прямая выгода немного рискнуть и оставить часть зараженных семян».

Не доверяя себе, ученые запустили свои данные в компьютер, и тот невозмутимо заверил их, что да, в данном случае объект явно руководствовался в своем поведении подсчетом возможных выигрышей и потерь. И что интересно: барбарис вульгарис явно приобрел эту способность предвосхищать будущие события в ходе своей эволюции в Европе, ведь его орегонский родственник, хотя уже почти 200 лет обживает Европу, такого механизма еще не приобрел.

Впрочем, как работает этот механизм, как именно разный стресс, испытываемый растением при разной степени заражения, накладываясь на сигналы от семян, ведет к выбору того или иного поведения и как этот выбор осуществляется биохимически, - всего этого ученые пока не знают. Но факт: и растения способны рассчитывать совсем «не хуже многих».

Михаил Вартбург
"Окна", 17.07.14

**********************************************

Новое о происхождении жизни

Профессор геологии Чаттерджи из Техаса объявил, что сделал открытие, превосходящее по значению открытие динозавров: нашел решение проблемы возникновения жизни на Земле. По его мнению, кратеры, оставленные в ранней Земле ударами огромных метеоритов, вызывали появление на поверхности планеты таких же термических скважин, которые сейчас обнаруживаются на дне океанов. И так же как там бактерии зарождаются сейчас вблизи горячей воды, насыщенной подходящими химическими веществами, так и на ранней Земле они зарождались вблизи таких вулканических трещин на поверхности.

Крупнейший в России метеоритный кратер - в Татарстане.

Вот еще один намек на то, как это могло происходить. Группа итальянских биохимиков создала смесь из 83 биомолекул, включая ДНК, необходимых и достаточных для производства ЗФБ, зеленого флуоресцентного белка, появление которого легко опознать с помощью микроскопа. Однако эта группа молекул может создать ЗФБ, только находясь в тесном соседстве. Поэтому исследователи создали в помощь им в воде подобие клеток, так называемые липозомы – воздушные пузырьки, окруженные жировой мембраной. Такие пузырьки могут сами собой появляться, если добавить в воду жировые молекулы. И - о чудо! – в пяти липозомах из каждой тысячи пузырьков обнаружились скопления сразу всех 83 нужных биомолекул, что невообразимо превышает статистическую вероятность.

Одна из ведущих теорий самозарождения жизни исходит из способности молекулы РНК (близкой родственницы ДНК) стимулировать (катализировать) процесс самоусложнения. Но как могла возникнуть первая РНК? В начале 2014 года группа ученых под руководством профессора Хада сообщила в Journal of the American Chemical Society, что нашла возможного предшественника одной из составных частей нынешней РНК, с помощью которого мог начаться первый этап образования этой длинной цепной молекулы.

Важнейшей составной частью всех нынешних нуклеиновых молекул (ДНК и РНК), на которых основана жизнь, а также тех молекул (АТФ), благодаря которым живые организмы получают энергию для жизни, является фосфор, входящий в эти молекулы в виде фосфорных групп. Однако нынешний фосфор на земле существует лишь в неактивных формах, которые не подходят для самообразования таких групп. Но вот недавно британские ученые сообщили в журнале Geochimica et Cosmochimica Acta, что нашли созданные ударом метеорита минералы, в которых фосфор находится как раз в той активной форме, которая необходима для его участия в самозарождении первых биомолекул.

В ноябре 2013 года нобелевский лауреат Джек Шостак, давно работающий над проблемой образования протоклеток - жировых пузырьков, в которых могло бы происходить самовоспроизведение молекул РНК или ДНК, показал, что такое самовоспроизведение могло происходить и без участия белков, но при наличии в протоклетке ионов магния, внесенных туда с помощью вспомогательных простых молекул, защищавших мембрану протоклетки от разрушительного действия магния. В последних экспериментах Шостаку удалось таким путем произвести самодостройку одной цепи ДНК до полной двухцепочечной молекулы.

Группа британских ученых сообщила в журнале Nature Geoscience, что аминокислоты, эти составные части любой белковой молекулы, возникают сами собой из более простых химических веществ при соударении ледяного кометного ядра со скальной поверхностью земли или, напротив, при ударе скального метеорита о ледяную поверхность на нашей планете. Ученые доказали это, обстреливая сильными ударами каменных шариков кусочки льда, сходные по химическому составу с составом ледяных кометных ядер.

Рафаил Нудельман
"Окна", 17.08.14