Следующие 500 лет: Как подготовить человека к жизни на других планетах
- -
- 100%
- +
Знак информационной продукции (Федеральный закон № 436-ФЗ от 29.12.2010 г.)
Текст публикуется в авторской редакции
Переводчик: Олег Сивченко
Научные редакторы: Анастасия Волчок, Виталий Егоров
Редактор: Вячеслав Ионов
Главный редактор: Сергей Турко
Руководитель проекта: Лидия Мондонен
Художественное оформление и макет: Юрий Буга
Корректоры: Марина Угальская, Елена Аксенова
Компьютерная верстка: Максим Поташкин
Иллюстрации на обложке: gremlin / iStock / GettyImages
Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.
Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.
© 2021 Christopher E. Mason
The rights to the Russian-language edition obtained through Alexander Korzhenevski Agency (Moscow)
© Издание на русском языке, перевод, оформление.
ООО «Альпина Паблишер», 2025
* * *
Посвящается людям и другим существам, сознающим собственную уязвимость
Особая благодарность доктору Мэтью Маккею.
Доктор Мэтью Маккей не только подготовил прекрасные рисунки для этой книги, но и стал верным помощником в проработке деталей того прогноза, который здесь представлен. В ней обрисованы наши надежды и показано, что можно и что необходимо сделать ради нашего вида и всех прочих, за которые мы в ответе (в прошлом, настоящем и будущем). Мэтью безмерно помог мне как редактор, соавтор, собеседник и провидец. Хотя речь идет о будущем биотехнологии, генной инженерии и методах сохранения генетической информации, представленные идеи уходят корнями в опубликованные и пока что необнародованные работы доктора Маккея. Многие концепции для клеточной инженерии, биологических схем и проектов планетарного масштаба уже получили теоретическое обоснование в опубликованных Маккеем статьях и алгоритмах. Эта книга не появилась бы без его путеводных подсказок и научного предвидения.
Введение.
Эмбриогенез человечества
В каждый нейрон человеческого мозга вплетено наше общее наследие – генетический код предков. Он записан в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), которая успешно защищает и сохраняет всю сложность и красоту, заложенную в живых существах. Именно в ДНК содержится тот рецепт, по которому синтезируются тело и мозг человека. Того самого человека, чьи идеи и технологии позволили дотянуться до других планет и создать космический корабль, вышедший за пределы звездной системы, в которой существует человечество. Вот фундаментальная идея, которая легла в основу этой книги: естественные для человека как биологического вида способности, а именно изобретательность и креативность, позволили нам сконструировать ракеты и космические аппараты, добравшиеся до других планет. Ровно эти же способности потребуются для создания и выращивания организмов, которые могли бы постоянно проживать на других планетах.
Экспедиции к другим планетам, а также идеи глобального преобразования планет – это святая обязанность человечества, логично проистекающая из нашего уникального когнитивного и технологического потенциала. Ни один другой известный вид даже теоретически не может так эффективно извлекать пользу из осознанной неотвратимости смерти и из того, что преемственность сознания возможна только в результате передачи опыта от поколения к поколению. Насколько нам известно, только люди осознают, что наш вид может вымереть и что даже сама Земля не вечна. Следовательно, мы одни в состоянии активно оценивать риск вымирания (и купировать его) и заботиться не только о себе, но и о других живых существах. Это необычно. Большинство обязанностей в жизни можно осознанно брать на себя или не брать, но с этой все иначе. Осознание смертности вида – и необходимость не допустить его вымирания – вот единственная обязанность, превратившаяся в лейтмотив сразу же, как была осмыслена.
Просто дух захватывает от того, какую ответственность, силу и какие возможности мы приобретаем как пастыри Вселенной и охранители всего живого. Ведь наш долг перед мирозданием буквально заключается в сбережении жизни. Иначе говоря, мы должны предотвратить вымирание не только нашего вида, но и всех тех видов, от которых мы зависим, и тех, что оказались или могут оказаться на грани исчезновения. Это касается всех современных, будущих и ранее существовавших видов (нам придется научиться воскрешать их). Такой долг лежит не только на нас, но и на любом виде, который может вмешиваться в собственную биологию. Даже если наш вид не выживет, то этот долг перейдет к другим мыслящим существам, которые, несомненно, возникнут.
Независимо от того, кто будет населять Вселенную миллиарды лет спустя (мы или кто-то другой), жизнь не может ограничиваться пределами Земли, поскольку рано или поздно Солнце поглотит Землю, станет белым карликом и погибнет. Земля пока единственная известная нам планета, на которой можно жить, и если так все и останется, то она же станет нашей могилой. Следовательно, для нас жизненно важно добраться до других планет, обжить их, а далее обжить и планеты в других звездных системах, чтобы долг человечества выполнялся в будущем. Для этого необходимо задействовать всевозможные технологические, физические, фармакологические и медицинские защитные средства, которые известны сейчас и могут быть открыты в будущем. Сейчас – впервые в истории – мы можем прибегнуть к защите и на генетическом уровне. В рамках морального долга защитить и сохранить все живое мы в конечном итоге должны перейти к инженерии организмов. Пока в результате биологической эволюции жизнь существует только в пределах нашей родной планеты. Поэтому мы, равно как и все другие живые существа, нуждаемся в масштабной физической и генетической поддержке, чтобы выжить где-либо еще. Причем чтобы не только выжить, но и просто прибыть к нашему ближайшему пункту назначения.
Если отправить на другую планету любой организм, сформировавшийся на Земле, то он практически наверняка погибнет – и это прямо следует из печального общего вектора эволюции «авось выплывет». Этот путь не самый хороший, и мы не можем им ограничиваться. Сегодня мы знаем достаточно для модифицирования, подстраивания и проектирования жизни таким образом, чтобы повысить шансы на выживание или создать совершенно новые адаптивные возможности и механизмы. Наконец-то эволюция породила организм, способный направлять и проектировать биологическое развитие, причем не только собственное. Данный этап «направленной эволюции» всего живого, опирающийся на ранее существовавшие, имеющиеся и еще не сформировавшиеся генетические субстраты, – важнейший шаг для сохранения жизни как таковой.
Чтобы спасти жизнь, необходимо ее доработать. Кстати, люди уже неосознанно вмешиваются в развитие жизни и направляют эволюцию, пришло время делать это намеренно, видя в этом вектор и цель. Опираясь на уроки генетики, извлеченные из истории всех организмов, в течение миллиардов лет населявших Землю, мы разработали немало технологий, дающих такие возможности. Многие из них описаны в этой книге. Наша собственная ДНК несет в себе обрывочное наследие былой жизни и современный генетический материал, а также постоянно меняется в процессе непрерывной эволюции, ведущей в будущее.
По мере того как синтетическая биология и синтез ДНК становятся дешевле, мы начинаем мечтать даже о возрождении когда-то вымерших видов, а также представлять пути создания химерных или гибридных существ. Эти вопросы также рассматриваются в книге. Более того, изучение экстремофилов (организмов, существующих в крайне суровых экосистемах) позволяет выявлять новые способы адаптации к условиям, напоминающим инопланетные. Такие эксперименты уже ставят в лабораториях, например пытаются получать стабильные культуры клеток человека с генами тихоходок[1] и изучают их свойства. Такие технологии и новые методы должны помочь людям и другим организмам уцелеть в ранее совершенно непригодных для жизни условиях, в частности при запредельных уровнях радиации, давления или при экстремальных температурах.
Этот долг человечества – сохранить жизнь – столь же естественен, как деление клеток. В настоящий момент человечество столь же уязвимо, как одноклеточный эмбрион. Мы – эмбрион с грандиозным потенциалом, но пока находимся в самом начале развития и ограничены пределами своей родной планеты. Наш следующий шаг – переселение на одну из ближайших планет (например, на Марс) и ее освоение с целью заложить основы «запасного плана» для всего живого, включая человечество. Это станет моментом торжества, когда марсианские первопроходцы будут усталым взглядом провожать далекое солнце, садящееся за пыльный горизонт, и наблюдать голубоватые из-за дифракции света в тонкой марсианской атмосфере закатные лучи. Тогда мы наконец сможем считать своим домом не одну, а две планеты в пределах одной звездной системы.
Спустя десятилетия мы обживем многие небесные тела в пределах Солнечной системы. Технический прогресс и возможность проверять теории во множестве миров позволят нам собраться в первую межзвездную экспедицию примерно к 2500 г. Став межзвездным видом, мы фактически сможем перейти к освоению «резервной звездной системы», радикально снизив вероятность одновременного вымирания всего живого. Правда, здесь неизбежно возникают вопросы: сколько будет звезд, к которым мы отправимся? как их выбирать? насколько далеко мы готовы лететь? А будь у нас достаточно времени, хотелось бы ответить и на фундаментальные философские вопросы о бесконечном расширении или неизбежном коллапсе нашей Вселенной, ну и, конечно, предполагает ли широкое толкование нашего долга вмешательство в физическую структуру самой Вселенной. Эти вопросы также будут затронуты в данной книге.
Когда приходится решать, что лучше – искусственная жизнь или неизбежная смерть, выбор очевиден. Чтобы избежать вымирания, нам необходимо освоить инженерию в генетическом, клеточном, планетарном и межзвездном масштабе. Так мы сохраним человечество и прочие организмы, которые в следующей Вселенной могут и не возникнуть. Уникальный моральный долг нашего вида – это долг перед Вселенной и жизнью как она есть. Чтобы сберечь Вселенную, мы должны ее изменить.
Для этого необходим долгосрочный план. В этой книге мы рассмотрим первые 500 лет его реализации, поговорим, что нам известно из жизни бактерий, вирусов и целых планет, а также из опыта первых космонавтов и астронавтов, раздвигавших границы возможностей человека при освоении космоса.
1
Генетика и космонавтика: начало
340 дней к моей коже ничего не прикасалось… а сейчас любое прикосновение обжигает.
СКОТТ КЕЛЛИ,астронавтМы находились в кольце мониторов, пестрящих молекулярными и генетическими данными, а также всевозможной телеметрией, – и все как один недоумевали и волновались. Просто глазам поверить не могли.
«Вы когда-нибудь видели, чтобы показатели у человека так зашкаливали? – спросил доктор Сем Мейдан. – Как он вообще выжил?»
Дело было морозным декабрьским вечером в Нью-Йорке, заканчивался 2017 г. Мы собрались в генетической лаборатории в Медицинском колледже Вейля при Корнеллском университете. Только что был закончен интегрированный анализ всех молекулярных данных (ДНК, РНК, белки, малые молекулы), взятых у капитана Скотта Келли, вернувшегося из самой долгой космической экспедиции в истории NASA. Он провел на орбите почти целый год (340 дней кряду). Долгосрочный космический полет Келли проводился в рамках уникального эксперимента NASA под названием Twins Study, в котором участвовали два астронавта, являющихся однояйцевыми близнецами, – Марк и Скотт Келли. Эксперимент должен был показать отличия состояний человеческого организма до, во время и после годичного космического полета. Эксперимент выполнялся с участием 10 исследовательских команд со всех уголков США. Наша лаборатория занималась анализом генетических, эпигенетических, микробиологических показателей, а еще мы изучали экспрессию генов. У нас были исчерпывающие молекулярные и генетические данные по результатам того времени, что Скотт провел в космосе, и мы могли сравнивать их с аналогичными данными Марка, остававшегося на Земле. Перед нами стояли следующие задачи: 1) оценить, что произошло со Скоттом за время столь долгого полета; 2) изучить изменения, чтобы в дальнейшем ориентироваться на них при подготовке пилотируемой экспедиции к Марсу; 3) спланировать, как снизить для других астронавтов те риски, которые будут выявлены.
Было ясно, что организму Скотта пришлось несладко и он был вынужден заново привыкать к вернувшемуся тяготению. Сам Скотт описал пережитые мытарства в книге «Стойкость: Мой год в космосе»[2]. «Лодыжки у меня распухли, как баскетбольные мячи, – отмечал он в удивительно спокойной манере, – хотелось только в больничку».
Несмотря на желание поскорее попасть в интенсивную терапию, ему была понятна причина таких перемен в организме: еще бы, он ведь только вернулся из космоса! Но иммунитету от этого понимания не легче. Скотт покрылся сыпью, страдал от зуда при прикосновении. Даже обычная одежда казалась ему тяжкой ношей, давящей под действием гравитации и вызывающей раздражение кожи. Мы судили об иммунном ответе по молекулярным показателям его анализов крови. Особенно заметно изменились белки и экспрессия генов (синтез РНК). Тем не менее все в изумлении глядели на мониторы… Может быть, такая реакция – это нормальная обратная адаптация к тяготению? Не придется ли из-за этого менять планы на экспедицию к Марсу?
«Это самые высокие уровни маркеров воспаления и цитокинового стресса, какие я видел, – сказал я, – надо бы еще раз проверить эти данные».
Мы провели проверку вместе с доктором Скоттом Смитом из NASA, который руководит отделом по биохимическому анализу состояния астронавтов (как наших близнецов, так и других), и он подтвердил, что все верно. А также добавил: «Это наивысшие значения, которые я когда-либо видел». Образцы обрабатывались в двух экземплярах для верности, и наши результаты совпали с расчетными. Хотя воспаление – одна из нормальных реакций организма на стресс, в случае капитана Келли возврат в земную гравитацию спровоцировал небывалый всплеск маркеров (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Как показал эксперимент Twins Study, у братьев Келли значительно отличалась экспрессия многих цитокинов. Черным цветом показана экспрессия цитокинов у Скотта Келли, а серым – у его брата Марка, остававшегося на Земле. Пунктирными линиями отмечено, когда Скотт отправился на МКС и когда вернулся на Землю. Уровни цитокинов нормализованы по их медианной экспрессии для обоих братьев на всем протяжении полета. Таков, например, CXC-хемокин 5, играющий важную роль при ремоделировании тканей. Всплеск содержания других молекул наблюдался прежде всего по возвращении на Землю – это касается антагониста рецептора интерлейкина-1 (IL-ra1), C-реактивного белка (CRP), участвующего в воспалительных процессах, а также тиреотропного гормона (ТТГ).
В частности, после возвращения на Землю у него фиксировались запредельные уровни антагониста рецептора интерлейкина-1 (IL-ra1) – важнейшего естественного противовоспалительного белка. То же касалось других цитокинов (интерлейкина-6, интерлейкина-10) и C-реактивного белка (CRP). Зашкаливал и цитокин CCL-2 (цитокины – это белки, служащие для передачи сигналов от одних клеток к другим), подтягивающий иммунные клетки к ранам или очагам инфекции.
Мы быстро прошерстили весь массив научной литературы, и в частности медицинские журналы: хотели выяснить, наблюдались ли у кого-нибудь показатели, близкие к этим. В особенности нас интересовал IL-ra1 (у Келли > 10 000 пг/мкл). Ближайшие значения по IL-ra1, которые нам удалось отыскать, наблюдались у пациентов, только что перенесших инфаркт миокарда (статья 2004 г., Patti и др.). Пиковые значения интерлейкина-10 фиксировались у пациентов, выживших после сепсиса.
Несмотря на дискомфорт, вызванный возвращением на Землю, Скотт почти сразу же отправился в бассейн, а в течение нескольких дней вернулся к нормальной жизни. Однако у него радикально изменился не только уровень этих биомаркеров. Изменения наблюдались в разных тканях – костях, крови, а также на уровне ДНК и РНК. Нам выпал беспрецедентный шанс изучить его организм во всех деталях – от каждого нуклеотида в генетическом коде до клеточных реакций во всем теле, вылившихся в фенотипические изменения. Большинство из этих показателей были новыми и ранее не измерялись даже у астронавтов. Келли был первым из астронавтов, которому составили полный генетический профиль (секвенировали геном), а также проверили другие характеристики (рис. 1.2). По этим данным мы старались предположить, что же происходит с человеком, прожившим год в космосе.
Рис. 1.2. Платформа для мультиомиксного отслеживания здоровья астронавтов в клиническом разрезе. Выделены представители четырех когорт, бывших под наблюдением: астронавты, онкобольные, пациенты, получавшие иммунотерапию, и обычные пациенты. В каждом примере подчеркнуты свои омические данные, которые могут использоваться при регулярном мониторинге и дальнейшем отслеживании. Молекулярные взаимодействия между омическими категориями показывают, что все эти измерения необходимо интегрировать в рамках единой платформы.
Ущерб для ДНК
Первым делом мы проверили, как на Скотта повлияла радиация. Жесткое излучение может повреждать ДНК, клетки, белки, а также нарушать работу механизмов, регулирующих функционирование клетки. Галактические космические лучи рождаются в звездах, т. е. за пределами нашей Солнечной системы. Кроме того, есть высокоэнергетические частицы, испускаемые нашим Солнцем. Оба этих потока частиц пронизывали тело Скотта. Подобно микроскопическим пулям, частицы оставляют за собой разрушения. Потоки этих частиц обычно состоят из высокоэнергетических протонов, ядер гелия, а также высокоэнергетических ионов, именуемых HZE-ионами, где H означает «высокий», Z – «атомный номер», а E – «энергия». Вредоносное воздействие таких лучей на организм астронавтов впервые наблюдали в 1969 и 1970 гг., когда Нил Армстронг, слетавший на Луну и обратно, специально обертывал лодыжки фольгой с чувствительным слоем, в котором оставались следы HZE-частиц. Рисунок на этих детекторах напоминал снимки столкновения атомов в ускорителях частиц. Правда, в данном случае «ускоритель» выстреливал HZE-частицы, а мишенью, к сожалению, было человеческое тело.
Как правило, днем HZE-частицы остаются незамеченными, но, когда на МКС Скотт закрывал глаза, погружаясь в сон, он видел вспышки света, будто у него под веками проносились падающие звезды. Истинной причиной такой волшебной иллюминации были как раз HZE-частицы, бомбардировавшие сетчатку и проходившие прямо через глаза. Вместо колыбельной Скотт мог засыпать под такой прекрасный фейерверк, но расплачиваться за это приходилось сетчаткой, на которой не оставалось живого места[3].
Учитывая это, мы волновались, что же обнаружится в организме Скотта после столь долгого полета. Как оказалось, нас ждали сюрпризы. Например, мы ожидали, что его теломеры под действием излучения и стресса, сопряженного с космическим полетом, будут рваться и укорачиваться (теломеры – это концевые участки хромосом, которые, как правило, укорачиваются при старении организма). Кроме того, на длину теломер влияет рацион и уровень стресса. По мере исчезновения теломер хромосомы теряют стабильность, что, в свою очередь, активизирует старение на молекулярном уровне. Доктор Сьюзен Бейли как раз занималась этим вопросом, и мы отправили ей в лабораторию часть анализируемой нами ДНК, а также позаимствовали у нее лабораторные образцы – для контроля.
Неожиданные эффекты космического полета
Как ни странно, теломеры у Скотта за время пребывания в космосе удлинились, что полностью противоречило нашим ожиданиям. Мы перепроверили оба контрольных набора ДНК – из лаборатории Бейли и из нашей – и убедились, что теломеры действительно стали длиннее. Наиболее выраженным это явление оказалось в одном из типов иммунных клеток, так называемых T-клетках (преимущественно в T-клетках категории CD4+, также такие изменения прослеживались в клетках категории CD8+). Менее выраженное удлинение теломер наблюдалось в B-клетках (категория CD19+). Поскольку эти результаты подтвердились на множестве реплицированных образцов, вытяжек, в разных лабораториях и с применением разных методов (флуоресцентная гибридизация in situ, ПЦР, нанопоровое секвенирование), мы сочли результаты корректными.
Однако сразу же возникли вопросы «как?» и «почему?». Мы изучали другие собранные данные, пытаясь осмыслить эту аномалию. Процесс поддержания теломер обычно коррелирует с потерей веса, а Скотт за время экспедиции похудел примерно на 7 % – поскольку условия работы на МКС очень суровые. Помимо прочего, он ежедневно делал зарядку, питался продуктами с улучшенными питательными свойствами, не употреблял алкоголь. Можно сказать, что в космосе у него был более здоровый образ жизни, чем на Земле. Кроме того, с поддержанием теломер связан метаболизм фолиевой кислоты, а уровни фолиевой кислоты в крови Скотта за время полета также выросли. За время экспедиции Скотт подрос на 5 см. Кроме того, в космосе скорость его движения была ближе к скорости света, чем на Земле.
Когда мы обнародовали эти результаты, многим они показались захватывающими, и нас спрашивали: «Так что же, в космосе скрыт источник молодости? Можно ли подрасти и омолодиться, если слетать в космос?» В каком-то смысле – да.
Во-первых, требовалось изолировать все переменные и учесть, а что еще произошло со Скоттом. Взять, например, фактор приближения к скорости света: Скотт во время полета перемещался в среднем со скоростью 7,68 км/c. Это достаточно много, чтобы на человеческом организме начали сказываться эйнштейновские релятивистские эффекты и замедление времени. Чем ближе к скорости света та скорость, с которой движется объект, тем сильнее замедляется время. Для движущегося объекта время течет медленнее, чем для других объектов, находящихся в стационарной системе координат. Это явление зависит от нескольких факторов, которые можно вводить в уравнение Эйнштейна/Шварцшильда, предполагая, что:
1. dr = 0 (мы остаемся на окружности с неизменным радиусом) и df = 0 (остаемся в одной и той же орбитальной плоскости);
2. МКС движется со скоростью 7,68 км/c, а радиус орбиты МКС составляет 400 км от поверхности Земли;
3. Изменения, произошедшие с Марком Келли (dtMK), остававшимся на Земле, относительно изменений со Скоттом Келли (dtSK), находившимся на МКС.
В полном уравнении также содержатся координаты кошироты (тета), скорость света (c), а также гравитационная метрика между двумя сферами. Уравнение в целом выглядит так:
Как следует из этого уравнения, Скотт помолодел примерно на 0,1 сек. относительно всех, кто остался на Земле, в том числе стал моложе своего брата. Скотт родился через 6 мин после Марка, а проведя год в космосе, отыграл у брата еще примерно 0,1 сек. Правда, хотя в буквальном смысле он действительно стал моложе, чем если бы провел это время на Земле, этот фактор вряд ли существенно повлиял на увеличение его теломер.
Мы это знаем, так как наблюдали в его организме изменения еще по многим другим биологическим модальностям, например изменение экспрессии генов (включение или выключение генов либо снижение или увеличение их активности). У нас тысячи генов, экспрессия которых меняется каждый день, поэтому неудивительно, что мы могли наблюдать изменения в работе генов Келли, когда он отправился в космос и когда вернулся на Землю. Эти изменения коснулись, в частности, тех генов, которые отвечают за восстановление ДНК и клеточное дыхание. Иммунная система Келли работала очень активно, в том числе когда впервые в истории он получил прививку от гриппа, находясь на орбите. Кроме того, наблюдались признаки гиперкапнии – это состояние, возникающее при перенасыщении крови диоксидом углерода. При гиперкапнии ощущается головокружение и головная боль – и действительно, в своей книге Скотт упоминает об этом. Он отметил, что у него болела голова из-за того, что в крови прыгал уровень диоксида углерода. Всякий раз, когда на МКС выходили из строя установки для очистки воздуха от углекислоты, Скотт жаловался на усиление головных болей.