kotshred03202021

200D3

Научно-популярный журнал kot.ah

Издаётся при поддержке Минобрнауки России

#3(44) Декабрь 2020 январь 2021

КОТ ШРЁДИНГЕРА

ШРЁДИНГЕРА Атом, антибиотик

и поезд Победы

Улучшенная версия таблицы Менделеева Зачем природе нужны умные Что делают драконы на земле

Тайна гнилой картошки

17

ЯНВАРЯ 2021 года

12:00

начало

КОЛОНКА КОТА

X

Журнал «Кот Шрёдингера» #3 (44) декабрь 2020 январь 2021 г. Учредитель и издатель ООО «Дирекция Фестиваля науки» Адрес: 119992, г. Москва, ул. Ленинские горы, д. 1, стр. 77 Тел.: (495) 939-55-57 E-mail: korobkaakot.sh Сайт: www.kot.sh Свидетельство о регистрации: СМИ ПИ № ФС77-59228 от 4 сентября 2014 г. выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций. Для читателей старше 12 лет Издаётся при поддержке Минобрнауки России Главный редактор: Виталий Лейбин Шеф-редактор: Григорий Тарасевич Заместители главного редак­ тора: Андрей Константинов, Никита Лавренов Выпускающий редактор: Мария Кисовская Корректор: Ольга Готлиб Директор фотослужбы: Артём Чернов Арт-директор: Маша Норкина Дизайнеры:Ксения Малкова, Сергей Кузерин Технический редактор: Ирина Круглова Препресс: Алёна Преснякова Макет: Данила Шорох Обложка: Дмитрий Кокорин В работе над журналом принимали участие: Иосиф Лейбин, Анато­ лий Михальцов, Артём Оганов, Михаил Орлов, Жанна Резникова, Фёдор Ширшиков Дизайн котов: Евгений Ильин Отпечатано в ООО «Первый полиграфический комбинат» 143405, Московская область, г. Красногорск, п/о «Красно­ горск-5», Ильинское шоссе, 4-й км Тираж: 25 000 экз. Цена свободная Перепечатка материалов невозможна без письменного разрешения редакции. При цитировании ссылка на журнал «Кот Шрёдингера» обязательна. Подписано в печать 22 декабря 2020 г. Редакция не несёт ответствен­ ности за содержание рекламных объявлений. Мнение авторов не всегда совпадает с мнением редакции. © ООО «Дирекция Фестиваля науки», 2020

Мурр, дорогие читатели, как же я рад нашей новой встрече! Вы держите в руках номер, главной темой которого стала Жизнь. Конечно, любой кот Шрёдингера мечтает быть по-настоящему живым, без всякой неопределенности! Но если вы спросите меня, что такое жизнь, тут-то я и попаду в ситуацию полной неопределенности: загнать жизнь в рамки определений совсем не просто. Поэтому, пока редакция билась над текстом «Что такое жизнь?», я решил вспомнить, что думал об этом мой друг Эрвин Шрёдингер, когда я был ещё котёнком. Читайте мои воспоминания! Вы убедитесь, что взгляд на жизнь сквозь призму физики способен удивить и открыть совершенно новые горизонты. А ещё в номере — муравьи и драконы, чёрная ножка и мокрая гниль, ДНК-аттракционы и анекдоты про столкновения логики с жизнью. В общем, вам в руки попал «Кот», полный жизни, — смотрите, как бы не убежал! Кот Шрёдингера

СОДЕРЖАНИЕ

Тема номера: жизнь

б Вещество номера Глицин: внеземная жизнь и лекарство от усталости

Мы имеем в виду жизнь в самом широком смысле слова. Согласно официальному определению NASA, принятому в 1994 году для поисков жизни во Вселенной, жизнь — это «самоподдерживающаяся химическая система, способная к дарвиновской эволюции». Подробнее о том, что такое жизнь, читайте в номере.

8 Что такое жизнь? С точки зрения Шрёдингера и его кота

16 Три стихии жизни. Вода

30 Три стихии жизни.

Прекрасные медузы

Диктатура будущего

Почва

48 Три стихии жизни. Воздух

Голый землекоп, который не стареет

Это про всех, кто умеет летать

22 ААААААААААААААААААААААА АААААААА Повторяю ещё раз. И ещё раз. И ещё раз...

AAAAAAAAAAAGCGCGCGCAAAA ААААААААААААААААААААААА ААААААААААААААААА Из чего собрана наша ДНК

28 Молекула на все руки Нанотехнолог ии на основе ДНК

Законы природы 32 Молекулярный биолог против гнилой картошки

42

Как бактерии учились летать 46

Тварь номера: дракон

2

Как легко определять свойства элементов и их соединений

\

Ни пламени из ноздрей, ни дыма из ушей, зато рёбра складные

Улучшенная версия таблицы Менделеева от Артёма Оганова

Нет, это не про «Игру престолов». Это про вполне реальное существо.

Š lubov62 / Shutterstock, Digital Photo / Shutterstock, Designua / Shutterstock, facebook.com/artem.r.oganov, Ulrich22 / Shutterstock, kongsak sumano / Shutterstock

3

СОДЕРЖАНИЕ

© Andrey Pavlov / Shutterstock, Leigh Prather / Shutterstock, из личного архива Анастасии Ефименко, Анатолий Михальцов

Законы свободы

50 Для чего нужны умные?

•Профессор из Новоси­ бирска Жанна Резникова знаменита на весь мир своими экспери­ ментами с муравьями. Но от муравьиного интеллекта можно запросто перейти к человеческому

Эксперимент с муравьями показал, что без интеллектуальной элиты общество жить не может 66

Как наука помогла победить фашизм 5 важных практических открытий, сделанных в годы Великой Отечест­ венной войны

70 Регенерировать будете? Интервью с заведующей лабораторией Института регенеративной медицины МНОЦ МГУ, лауреатом конкурса L’Oreal — UNESCO «Для женщин в науке» Анастасией Ефименко

94 Х-парк: генетические гонки

78 ГМО своими руками Правдивая сказка о трансгенной репке

Настольная игра для истинных любителей биологии

82 Очень тонкий срез Потрясающие микрофотографии растений от биолога и педагога из Омска

96 Научный анекдот Логики в баре, роддоме, магазине и Австралии

Вопросы по номеру Ответы ищите на страницах журнала 4. Чем знамениты бактерии из рода Dickeya?

2. «Молекула-флешка, молекула-сенсор, мо леку л а-лекарство... Молекула-легенда!» Какая молекула имеется в виду?

1. «Хотите верьте, хотите нет, и я знаю, что большинство не пове­ рит, но если рассматри­ вать дело в долгосрочной перспективе, то...» Это цитата из книги Стивена Линкера, психолога и популяризатора науки. Как продолжил эту фразу автор?

A. ...люди так и не стали умнее. Б. ...уровень насилия в мире снижается.

B. ...наша жизнь всё чаще способ­ ствует неврозам. Г. ...человек не так уж далеко ушёл от обезьяны. Д. ...тиражи моих книг раскупаются всё менее охотно, и скоро мне не на что будет покупать рёбрышки для барбекю.

A. Графен. Б. Окситоцин.

B. Глицин. Г. ДНК. Д. Та молекула, что ещё не создана.

A. Они способны победить коронавирус. Б. С их помощью можно редактиро­ вать ДНК.

B. Они разлагают пластик. Г. Эти бактерии виноваты в том, что картошка гниёт. Д. Таких бактерий в природе не существует, их придумал рос­ сийский фантаст Фёдор Ширшиков в своей книге про внеземную жизнь. По сюжету они обитают на планете Ибхран и способны создать коллективный интеллект, превосходящий человеческий.

3. Из чего впервые был получен глицин (амино­ кислота, которую наши врачи любят прописывать от усталости и стресса)?

5. Какая книга вдохновила Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона, первооткрыва­ телей структуры ДНК, заняться молекулярной генетикой?

A. Из перезревшей пшеницы. Б. Из мозга дальневосточных устриц.

B. Из морской воды. Г. Из холодца. Д. В чистом виде это вещество так и не удалось получить. То, что продаётся в аптеках, — просто плацебо.

A. Чарлз Дарвин. Происхождение видов. Б. Эрвин Шрёдингер. Что такое жизнь?

B. Ричард Докинз. Эгоистичный ген. Г. Карл Маркс. Капитал. Д. Григорий Тарасевич. О науке без звериной серьёзности.

5

ВЕЩЕСТВО НОМЕРА

Глицин

Холодец, лекарство от нервов и происхождение жизни

Устал? Нервничаешь? Попринимай пару недель глицин. Так советуют некоторые врачи. Глицин — простенькая аминокислота, один из кирпичиков белка. Глицином интересуются многие науки: химия, биология, медицина, психология и даже астрофизика. Недавнее исследование й[^:ии:к)1»и)|1:мч»1чт1!1то:м:пй показало, что это органическое вещество способно образовываться в межзвёздных облаках и ему для этого не нужны ни тепло, ни свет звёзд. Если не сдерживать фантазию, можно предположить, что именно благодаря глицину где-то в космосе появилась жизнь, которая потом вместе с кометами попала на Землю и за несколько миллиардов лет эволюционировала до такой сложной системы,\как мы с вами. Но это не точно £ Материал подготовлен

при участии региональных корреспондентских пунктов «Кота Шрёдингера»

• В этом коллективе есть и россияне, в частности Глеб Федосеев, сотрудник научной лаборатории астрохимических исследований Уральского федерального университета. СКОЛЬКО ГЛИЦИНА В ЕДЕ

Продукт

Доля глицина, %

Свиные уши

4,4

Отварная куриная кожа

2,4

Жареные куриные крылышки Говядина, свинина

2,0 1,5-2,0

Десерты на основе желатина

1,9

Арахис

1,63

Лосось

1,42

Источники: National Nutrient Database for Standard Reference (USA) и dp.

-о

1820

- N - Н

- С

Год открытия глицина

Дело было во Франции: отгремела революция, рухнула империя Наполеона, к власти вернулись Бурбоны. А в это время химик, ботаник и фармацевт Анри Браконно варил холодец... Точнее — совершал то, что обычные люди делают, когда хотят приготовить холодец: долго кипятил в воде свиные сухожилия, хрящи и другие ткани. Но полученное желе он не подал на стол с хреном, а добавил туда серную кислоту. После фильтрации и выпаривания получились белые кристаллики, сладковатые на вкус. Так впервые был выделен глицин. В том, как эта аминокислота воздействует на клетки и работу мозга, учёные разобрались намного позже — во второй половине XX века. И кстати, разобрались не во всём.

6

АМИНОКИСЛОТА

Глицин — простейшая аминокислота с формулой NH2—СН2—СООН. Напомним, что из аминокислот состоят все белки. Сущность генетического кода как раз и заключается в том, что последовательность нуклеотидов в генах превращается в последовательность аминокислот в белке. Надеемся, вы поняли, что имеется в виду слово «белки» с ударением на последнем слоге. Впрочем, белки, которые животные, тоже состоят из белков, которые вещества.

© lubov62 / Shutterstock, WikiMedia, Maryna Olyak / Shutterstock

Тёмная химия в далёком космосе В каком-то смысле глицин — это граница между жизнью и не жизнью. С одной стороны, это аминокислота, которая входит в состав белков, в том числе человеческих. С другой — она достаточно проста, чтобы образовываться без участия какого-либо организма. В 2009 году на Землю поступили образцы, которые аппарат Stardust взял с кометы Wild 2. Там обнаружился глицин Это открытие усилило позиции сторонников панспермии — идеи, что «строительные блоки» для появления жизни попали на нашу планету из космоса. Позднее глицин нашли в пробах вещества с кометы Чурюмова — Герасименко и в атмосфере Венеры. Недавняя публикация в Nature Astronomy, сделанная с участием российских учёных, доказывает, что глицина в космосе может быть даже больше, чем думали раньше.

Оказывается, эта аминокислота может синтезироваться в межзвёздном пространстве, где нет ни тепла, ни света. Условия эксперимента были следующие: • темнота, • температура около -260 °С, ■ частицы пыли, покрытые тонким слоем самых распространённых льдов из воды, метана, аммиака, оксида углерода. Выяснилось, что при столкновении атомов, аналогичных тем, что случаются в межзвёздных облаках, вполне может получаться глицин. Авторы эксперимента назвали это «тёмной химией» — реакции шли без участия фотонов или каких-то ещё лучей. То есть глицин мог образовываться ещё до того, как сформировались звёзды и планеты.

ЛЕКАРСТВО ОТ ВСЕГО ИЛИ ПУСТЫШКА?

Медики до сих пор спорят, есть ли польза от глицина. Мы попытались разобраться Аргументы за

Аргументы против

Глицин играет важную роль в нашем организме. Он входит в состав многих белков и биологически активных соединений, участвует в важных реакциях. Кроме того, глициновые рецепторы имеются во многих участках головного и спинного мозга

До конца не ясно, насколько легко глицин преодолевает гематоэнцефалический барьер — специальный механизм, который позволяет посторонним веществам проникать в мозг через сосуды. Возможно, основная часть таблетки через желудок расходится по разным органам, а до главного адресата — мозга — добираются лишь малые остатки или совсем ничего

Сотни исследований показывают, что глицин может улучшать состояние человека: • при усталости, • негативных последствиях стресса, • алкоголизме, • нарушениях сна, • последствиях инсульта и травм головы, • излишней возбудимости, а также во многих других ситуациях, включая шизофрению

Сторонники жёсткой доказательной медицины уверяют, что экспериментальных данных, подтверждающих пользу глицина, пока недостаточно. Нужно больше статистики

Это вещество нетоксично. Оно и так вырабатывается в нашем организме и без труда усваивается. По крайней мере, вреда от приёма препарата в рекомендованных дозах пока не выявлено

Да, глицин вроде бы безопасен (но это не точно). Поев свиного холодца, мы получаем дозу этого вещества, эквивалентную тысячам таблеток. Вроде ничего плохого с нами не происходит. Терапевтический эффект, однако, тоже как-то неочевиден

Вывод. Если вам помогает глицин, то можете его и дальше принимать. Даже если целебное действие И пока не доказано, никто не отменяет действие плацебо. К тому же эффект «целебной пустышки» и е А плохо работает как раз в тех случаях, когда прописывают глицин — например, при стрессе или сни-| женной концентрации внимания. И ещё. Вы можете смело называть глицин космическим препаратом! © NASA/JPL/WikiMedia, NASA

7

ЖИЗНЬ

ТЕМА НОМЕРА

Что такое жизнь? С точки зрения Шрёдингера и его кота ✓

Кот Ш

/\

Эрвин Шрёдингер был не только хозяином Кота, одним из основателей современной физики, но и тем, кто внёс огромный вклад в биологию, не сделав в ней ни одного открытия. Зато в феврале 1943 года он прочитал в Дублине курс лекций, а в 1944-м опубликовал на их основе маленькую научно-популярную книжку «Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки», которая повлияла и продолжает влиять на развитие биологии и всей современной науки. Как так получилось? Что делает эту книгу такой вдохновляющей? И как бы мы сейчас, зная всё, что открыла наука с того времени, в стиле Шрёдингера отвечали бы на вопрос «Что такое жизнь?»

8

© Science Museum PERB870601 / Global Look Press, GodoiJE / Shutterstock

«Эрнест Резерфорд сказал, что все науки делятся на физику и собирание марок. Он, видимо, имел в виду, что в развитии наук есть периоды накоп­ ления фактов, их „собирательства11, и периоды, когда можно найти физический смысл явлений. Так вот, Эрвин Шрёдингер в своей книге впер­ вые показал, что науки о жизни могут быть физи­ кой, а не собиранием марок», — говорит выдаю­ щийся биофизик Алексей Финкельштейн. Первооткрыватели двойной спирали ДНК Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон пришли к мо­ лекулярной генетике (один из физики, другой из зоологии), как сами признавались, благо­ даря этой книжке. Прочитав её, они поняли, где в науке будет прорыв. И сами этот прорыв совершили: открыли структуру ДНК и способ её «размножения». **-*.„• Современный физик и математик Роджер Пенроуз, сам прекрасный популяризатор и мастер задавать вдохновляющие вопросы, считает, что эту книгу «непременно следует поставить в один ряд с самыми влиятельными научными трудами XX века». «Книжка Эрвина Шрёдингера показывает, что может сделать физик, мыслящий строго, даже если берётся за незнакомую область знаний, — сказал Коту учёный-кристаллограф и блестящий популяризатор Артём Оганов. — Удивительно, но при минимуме накопленных на тот момент знаний он почти во всём оказался прав». «Что такое жизнь?» и сейчас читают самые романтические и широко мыслящие школьники и первокурсники, да и маститые учёные, хотя Эрвин Шрёдингер даже не знал, что такое ферменты и что гены кодируются ДНК. Но вот австрийский молекулярный биолог Макс Перуц считает: «...то, что было правильным в его книге, не было оригинальным, а большая часть оригинального, как было известно ещё к мо- ] менту написания книги, не было правильным».^ Действительно, если задача — узнать точные факты о молекулярной биологии, книжка уже бесполезна. Но если вас интересуют не факты, а сам способ мыслить, то она живее всех котов.

Э. Шредингер

НАУКА КАК ИСКУССТВО ЗАДАВАТЬ ВОПРОСЫ Эрвин Шрёдингер вдохновляет уже тем, что задаёт, казалось бы, наивные, но самые главные вопросы. Ровно так, как любят задавать вопросы дети, коты и гении. И задаёт их так, что скучный человек хочет от него отмахнуться, а остро­ умный начинает отвечать со всей кошачьей серьёзностью. Что такое жизнь? — первый из таких вопросов. Авторы учебников и зануды, конечно, знают ответ. А вот мы — нет. И Эрвин Шрёдингер знал, что не знал. Потому что его интересовало не определение для заучивания, а поиск объяс­ нений. Он знал, как двигаться вперёд, и прямо так и посоветовал в предисловии:

Хороший способ развить представления наивного физика — это задать ему сначала странный, почти нелепый вопрос. Но как он задавал вопросы и какие? © Ozon.ru

9

ТЕМА НОМЕРА

ЖИЗНЬ

ПОЧЕМУ АТОМЫ ТАК МАЛЫ? Этот вопрос звучит по-детски. Скучный взрос­ лый на него ответит: «Уж какие есть, такие роди­ лись». Остроумный зануда заметит: «Маленькие в сравнении с чем? Не бывает просто малень­ кого или большого, всё познаётся в сравнении». Шрёдингер пишет:

Модель обычного периодического кристалла (лёд). Справа модель апериодического кристалла (двойная спираль ДНК)

В атомной физике за единицу длины принят так называемый ангстрем (А), равный 10~ 10 метра (м) или в десятичной записи 0,0000000001 м. Диаметр атомов лежит между 1 и 2 А. Единицы же длины, по сравнению с которыми атомы так малы, прямо связаны с размерами нашего тела. И дальше Шрёдингер рассказывает историче­ ский анекдот про английского короля Эдгара (959-975) и введение ярда — английской меры длины, которая сейчас равна 91 см, а в Средние века была меньше.

Бытует легенда, которая приписывает происхождение ярда чувству юмора одного английского короля. Когда советники спросили его, что принять за единицу длины, он вытянул руку в сторону и сказал: «Возьмите расстояние от середины моей груди до кончиков пальцев, это и будет то, что надо». Было так или нет, но этот рассказ имеет прямое отношение к нашему вопросу. Естественно, что король хотел указать длину, сравнимую с длиной его тела, так как он знал, что иначе мера будет очень неудобной. При всём своём пристрастии к ангстремам физик всё-таки предпочтёт, чтоб ему сказали, что на его новый костюм потребуется 6,5 ярда твида, а не 65 тысяч миллионов ангстремов.

10

Так вопрос уточнятся. Почему мы, люди, так велики относительно атомов? Это легко понять. Если бы мы были слишком малы, то не мог­ ли бы жить. Наши клетки разрушило бы те­ пловое движение атомов. Движение атомов не шутка — даже видимые частицы чувствуют в растворе броуновское движение, и не всякая бактерия плывёт куда хочет, даже если у неё есть хвост-жгутик. Живые организмы, пишет Шрё­ дингер, двигаются так упорядоченно, будто ими управляют строгие законы. Но в физическом мире строгость законов зависит от размера, а погрешность измерений можно оценить в ква­ дратный корень из количества частиц, составля­ ющих объект измерения. Если бы в живом теле было 1000 000 атомов, то законы его движения соблюдались бы с точностью до 1000 частиц. То есть очень плохо. Отсюда следует, что всё живое должно быть достаточно большим, чтобы не стать жертвой погрешности. Красивый вывод? Да, но он оказывается невер­ ным. Атомы вовсе не малы, если сравнивать их с геном — единицей передачи информации в организмах. Шрёдингер показывает, что стро­ гое мышление — это не поиск подтверждений своей точки зрения, а критика своего же тезиса.

© StudioMolekuul / Shutterstock

ПОЧЕМУ ГЕНЫ ВСЁ ЖЕ СУЩЕСТВУЮТ? Сейчас мы точно знаем (а Шрёдингеру при­ шлось делать оценки), что большинство генов имеет размер от единиц до двух десятков ты­ сяч пар нуклеотидов, а маленький ген, скажем, интерферона — всего 700. Для простоты счёта оценим количество атомов в одной паре нуклео­ тидов примерно как 100. То есть в одном гене может быть и меньше миллиона, и десятки мил­ лионов атомов. Если бы прошлый тезис оказался верным, то ген бы просто не существовал.

Теперь мы зноем, что такая точка зрения была бы ошибочной. Как мы сейчас увидим, невероятно маленькие группы атомов, слишком малые, чтобы проявлять точные статистические законы, играют главенствующую роль в весьма упорядоченных и закономерных процессах внутри каждого организма. На самом деле единица изменения гена, мута­ ция — это вопрос не миллиона атомов, а единиц. Эрвин Шрёдингер понял это, когда читал работы Николая Тимофеева-Ресовского о влиянии радиа­ ции на мутагенез у мушек-дрозофил. ТимофеевРесовский ещё в 1930-е годы подошёл к изуче­ нию биологических организмов с физических позиций, и его работы позволили оценить, сколько ионизированных частиц нужно на еди­ ницу пространства, чтобы вызвать мутацию.

Николай ТимофеевРесовский, «Зубр», один из основателей радиационной генетики

Мы теперь серьёзно стоим перед вопросом: как можно с точки зрения статистической физики примирить то, что генная структура, по-видимому, включает в себя только сравнительно малое число атомов (порядка 1000, а возможно, гораздо меньше) и всё же проявляет весьма регулярную и закономерную активность и такое постоянство, какое граничит с чудом.

Сложный апериодический кристалл. Элемент упаковки ДНК в хромосоме; её двойная спираль «сидит» вокруг белка гистона

Умение, как у ребёнка или кота, удивиться чуду, но при этом строго мыслить — ещё один урок книжки Шрёдингера. А как мы можем объяснить, что существует нечто, что, казалось бы, не может существовать (неплохое, кстати, определение жизни)? Эрвин Шрёдингер говорит, что в фи­ зическом мире есть примеры упорядоченного существования. Например, всё в полном по­ рядке и не разрушается движением атомов при абсолютном нуле. Но это не наш случай. Кроме того, очень упорядочены кристаллы. Но в кри­ сталле всё одинаково, в нём нельзя записать код мушки или столь совершенного существа, как кот. Как же быть? Шрёдингер отвечает:

Но чтобы примирить высокую устойчивость носителей наследственности с их малыми размерами и обойти тенденцию к неупорядоченности, нам пришлось «изобрести» молекулу — необычно большую молекулу, которая стала образцом высокодифференцированной упорядоченности... Наиболее существенную часть живой клетки — хромосомную нить — можно с полным основанием назвать апериодическим кристаллом. В физике мы до сих пор имели дело только с периодическими кристаллами.

© StudioMolekuul / Shutterstock, WikiMedia

11

ТЕМА НОМЕРА

ЖИЗНЬ

И действительно, структура двойной спирали ДНК, открытая Криком и Уотсоном в 1953 году, очень похожа на апериодический кристалл. Смотрите, цепь дезоксирибонуклеиновой кис­ лоты состоит из одинаковых частей: сахара дезоксирибозы и фосфатной группы, внутри комплементарными парами идут азотистые основания. И получается, что цепь похожа на периодический кристалл, а основания пишут апериодический текст нашего генома. Сейчас мы уже знаем, что плотная упорядочен­ ная структура характеризует не только молекулу ДНК (а также весь сложный комплекс хромосо­ мы), но и каждый белок — основной строительный и рабочий инструмент жизни.

Фрэнсис Крик

Джеймс Уотсон

КАК МОГУТ СВОРАЧИВАТЬСЯ БЕЛКИ Здесь хочется рассказать историю одного недавнего красивого научного результата, про который не мог знать Шрёдингер, но зато эта история содержит «странный и нелепый» парадокс в духе его книги. Сейчас мы многое знаем о белках и их структуре. Каждый отдельный белок — это не просто поли­ мер, болтающийся как нервный молекулярный червяк, избиваемый тепловым движением атомов. Он тоже апериодический кристалл, плотно и однозначно (почти однозначно: дви­ жение структуры позволяет многим белкам работать) упакованный объект. Формула белка записана в генах, но не его структура — она явля­ ется продуктом физического взаимодействия атомов. Биофизик Сайрус Левинталь ещё в 1968 году сформулировал парадокс, названный его име­ нем. Если бы цепочка белка перебирала все воз­ можные варианты свой структуры, прежде чем найти самую выгодную, он бы не успел свернуться за время жизни Вселенной. Но по факту белки находят свою структуру довольно быстро — в за­ висимости от длины, от миллисекунд до минут. Как у Шрёдингера —жизнь делает то, что кажется невозможным на первый взгляд физика.

12

© WikiMedia

Знаменитая «Фотогра № 51», та самая рент!енограмма кристалла ДН1^Г позволила Кр| и Уотсону рй структуру*"* молекулы ‘жи

Биолог привык, что у живых организмов строгий порядок: кошка бежит за мышкой, а не хаотично (хотя тоже не факт). Но мир молекул принци­ пиально случаен, он создан перебором всех вариантов и выбором наиболее энергетически выгодного. Белок —тоже молекула. В реально­ сти его структура может быть разной при разных температурах и свойствах раствора, например кислотности (есть разница в поведении белков — кипятите вы свежее или кислое молоко). Белки сворачиваются в правильную структуру только в очень специальных условиях, как, например, в живой клетке, и принимают другие формы, обычно неупорядоченные, в других условиях. Для короткого белка в 100 аминокислот количе­ ство вариантов структуры составило бы пример­ но Ю100, их «тупой» перебор занял бы примерно Ю80 лет, если на переход из одной структуры в другую заложить лишь 10'13 секунды. Этот парадокс разрешил Алексей Финкельштейн с коллегами в пущинском Институте белка. Оказалось, что белок сворачивается, не пере­ бирая все варианты, а исключая неподходящие по дороге. Он начинает упаковываться по ча­ стям. Например, часть цепочки сворачивается в спираль или фрагмент будущего клубка. Уже свёрнутый фрагмент клубка больше не разруша­ ется и не участвует в переборе вариантов, они оказываются очень стабильными. К ним посте­ пенно присоединяются остальные части цепи. Для белка в 100 аминокислот количество вари­ антов оценивается не в Ю100, а «всего» в io100*2/3,

что даёт наблюдаемое в экспериментах время (удивительно: небольшое изменение формулы степени кардинально меняет результат). То есть молекулы в живых системах ведут себя по законам физики, но не вполне случайно: они словно накапливают порядок, как будто «по плану».

процесс, явление, событие (назовите это как хотите) — короче говоря, всё, что происходит в Природе, означает увеличение энтропии в той части Вселенной, где это имеет место... Отрицательная энтропия — это то, чем организм питается.

ЧТО МЫ ЕДИМ, КОГДА ЕДИМ? Удивительная способность ДНК и белков стро­ ить себя, свою структуру (сейчас мы знаем, что внутри живой клетки им помогают другие белки, нуклеиновые кислоты и целые машины, состо­ ящие из них) тоже была угадана Шрёдингером в рассуждении о жизни как функции порядка. И здесь он начал с «наивного» вопроса. Все знают, что организмы живут благодаря обме­ ну веществ: нам нужно питаться, чтобы жить. Но Шрёдингер пишет:

Это самая непонятная часть книги, но, возможно, самая влиятельная. Потому что все её понимают по-своему. Энтропия — мера неупорядоченно­ сти, мера хаоса физической системы. Второй закон термодинамики гласит, что любая замкну­ тая система стремится к увеличению энтропии: порядок в комнате достигается потом и слезами, а беспорядок — легко и быстро. Живые организмы умудряются удерживать себя в порядке. Это не противоречит второму закону термодинами­ ки: живые организмы — отрытые системы. Но идея

Белки — удивительно упорядоченно и плотно упакованные апериодические кристаллы. ЗР-структура белка плазмы крови транскортина

...Представляется нелепостью, чтобы главный был именно обмен веществ. Любой атом азота, кислорода, серы и т. л. так же хорош, как любой другой атом того же элемента...

отрицательной энтропии вдохновила многих на изучение порядка из хаоса и расширила понимание природы жизни. Шрёдингер приходит к выводу:

Мы потребляем не просто вещества, их в орга­ низме полно. И даже не энергию, ведь общая энергия организма более-менее постоянна. Но он всё равно нуждается в веществах и энер­ гии. Наверное, эти вещество и энергия должны быть особенными.

Что же тогда составляет то драгоценное нечто, содержащееся в нашей пище, что предохраняет нас от смерти? На это легко ответить. Каждый

Удивительная способность организма концентрировать на себе «поток порядка», избегая таким образом перехода к атомному хаосу, — способность «пить упорядоченность» из подходящей среды, по-видимому, связана с присутствием «апериодических твёрдых тел»... Короче говоря, мы видим, что существующая упорядоченность проявляет способность поддерживать сама себя и производить упорядоченные явления.

© ibreakstock / Shutterstock

13

ТЕМА НОМЕРА

ЖИЗНЬ

В этом смысле живой организм — не просто миллиарды сосудов с химическими реакция­ ми внутри, такая аналогия работает плохо. Это скорее механизмы, механические часы, сделан­ ные из очень специальных «апериодических твёрдых тел». Эти механизмы умеют многое, но главное — строить себя, реплицироваться. Как роботы, которые работают на заводе по про­ изводству подобных себе и сами являются таким заводом. Интересно, если люди сделают такого робота, они будут считать его живым?

предсказывает, например, тот же суперком­ пьютер, что стал лучшим на планете игроком в го. Казалось бы, где го, а где белки? Но он отлично решает задачу благодаря тому, что уже накоплено очень много знаний о структурах белков и каждый новый белок чем-то похож на известные». Тем не менее в биологии до сих пор остаются удивительные наивные вопросы. Артём Оганов сформулировал два самых волнующих. КАК ПРОИЗОШЛА ЖИЗНЬ?

Мы понимаем, что жизнь, вполне вероятно, началась с молекул РНК, которые очень похо­ жи на ДНК, но любят сворачиваться не только в двойные спирали, но и в разные прихотли­ вые, при этом довольно стабильные конфи­ гурации. Некоторые из них могут помогать строить себя, то есть размножаться. Но как возникла сама РНК? Возможность её синтеза из простых веществ недавно была показана. Но в какой обстановке она возникла? Каким был первый организм? А кто такие вирусы? Это паразиты, сформировавшиеся из более сложных существ, или они подсказывают нам, как выглядели первые организмы? Вопросов множество.

РНК может образовывать удивительные и разнообразные структуры, и поэтому, видимо, с РНК жизнь и началась. Здесь представлена модель РНК-переключателя (рибосвитча)

ЧТО ТАКОЕ СОЗНАНИЕ?

НОВЫЕ ВОПРОСЫ А если бы Эрвин Шрёдингер писал такую книжку сейчас, какие бы вопросы он поставил, чтобы вдохновить ныне живущих молодых учёных? «Сейчас в такой книжке нет нужды, — говорит Алексей Финкельштейн. — Никто не спорит с тем, что живые организмы подчиняются законам физики. Шрёдингер писал книгу, когда данных было мало, и его мысль позволила сосредоточиться на поиске новых знаний при их недостатке. Сейчас же другая проблема — знаний слишком много. Задача в их анализе. Этим занимается в том числе искусственный интеллект. Например, задача предсказания структуры белков по их последовательности в целом решена. Но не так, как мы думали. Мы десятилетиями искали простые физиче­ ские принципы, которые позволили бы её решить. Сейчас структуру белков отлично

14

Как на основе живой материи могло появиться сознание? Чем отличаются организмы, кото­ рые осознают, от тех, что нет? Вот кот, понятно, обладает сознанием: воспринимает мир, раду­ ется и страдает. А растения, видимо, нет. Но где эта граница и как она была перейдена? Эти вопросы важны не только для фундаментальной науки. Они и практически важны, например, для создания «сильного искусственного интеллек­ та», если это вообще возможно. Слабый-то уже совершил революцию в жизни, ещё и помогает решать научные задачи, в том числе предска­ зывает структуру молекул, — этим занимают­ ся и Артём Оганов, и Алексей Финкельштейн. Если бы сильный искусственный интеллект сам принимал решения, какие горы могло бы свер­ нуть человечество! А может, эта задача и нерешаема вовсе, потому что свобода воли невозможна не только у искус­ ственного интеллекта, но и у нас? Может быть, все мы лишь сложные машины, а эта заметка — часть предопределённой последовательности событий и сигналов внешней среды. И книжка Шрёдингера, найденная в 1990 году в студен­ ческом бараке у поля с картошкой, была одним из них.

© StudioMolekuul / Shutterstock

Как ит кервных ^петок . возникают- разум и со^нанще — самая бсшьшэ,я тайна современной биологии

НЕНАУЧНЫЙ ВОПРОС НАПОСЛЕДОК Но Шрёдингер не сомневался в наличии свобо­ ды воли, а в последней главе, извиняясь перед читателями, позволяет себе пофилософствовать:

1. Моё тело функционирует как чистый механизм, подчиняясь всеобщим законам природы.

2. Однако из неопровержимого, непосредственного опыта я знаю, что я управляю действиями своего тела... Мне думается, что из этих двух предпосылок можно вывести только одно заключение, а именно что «я», взятое в самом широком значении этого слова — то есть каждый сознательный разум, когда-либо говоривший или чувствовавший «я», —

представляет собой не что иное, как субъект, могущий управлять «движением атомов» согласно законам природы. И дальше он говорит очень рискованную и с точки зрения науки, и с точки зрения многих религий вещь. Что же такое «я», которое умеет управлять движением атомов? Бог. И все, кто в сознании, тоже. Шрёдингер даже объясняет, что хотя для европейской философии эта мысль неочевидна, то в восточной — привычна. «Атман есть Брахман», индивидуальное сознание и мировое — одно и то же. И эта мысль позволя­ ет ему (Вторая мировая война ещё шла) выска­ зать утешительное соображение, что личное индивидуальное сознание потерять нельзя, потому что оно — то же самое, что весь мир.

Ни в каком случае здесь нет потери личного существования, которую надо оплакивать. И никогда не будет! л_л

© Digital Photo / Shutterstock

15

КАРТИНКИ МИРА

ЖИЗНЬ

Квинтэссенцией красоты и хрупкости природы считал медуз естество­ испытатель XIX века Эрнст Хекель. После внезапной и трагической смерти возлюбленной в день его тридцатилетия он долго не мог опра­ виться, писал друзьям о намерении свести счёты с жизнью. Чтобы, говоря современным языком, переключиться, он отправился в Ниццу и, сидя на берегу, часами наблюдал за жизнью медуз. Эти наблюдения вернули его к жизни, и в последующие годы он описал 600 новых видов медуз, один из которых назвал Mitrocoma Аппае в честь погибшей возлюбленной. Ну а героиня разворота — медуза Pseudorhiza haeckeli, названная в честь самого Эрнста Хекеля. Вокруг неё кипит жизнь: резвые мальки лавируют между щупальцами, опас­ ными для крупных, менее маневрен­ ных рыб-хищников, и находят близ медузы убежище. Медуза между тем мальками тоже не брезгует: стоит одному из них растеряться и попасть в щупальца, как тут же защитница от хищников его и съест. л_л

16

© Alexius Sutandio / Shutterstock

ДИКТАТУРА БУДУЩЕГО

ДЕТИ

От фиксиков до физиков

«Будущее на Нептуне». Агния Будкова, 7 лет, Симферопольский район, п. Мраморное

Кок видят школьники передовую науку и наше будущее «Кот» публикует избранные работы победителей конкурса рисунка «Мир науки глазами детей», который ежегодно проводит Фестиваль NAUKA 0+ с целью популяризации науки среди детей, развития в них любопытства и тяги к интеллектуальным развлечениям. При этом взрослые получают возможность по-новому взглянуть на жизнь, науку и учёных, заглянуть в тот мир, который будут строить дети, когда станут взрослыми. В 2020 году в конкурсе приняли участие школьники из 70 регионов России и 4 стран СНГ. Всего было прислано 2100 работ

«Антрополог». Ксения Куландина, 13 лет, Нижний Новгород

НОМИНАЦИИ-2020

«Мир в 3020 году» «Физика в комиксах» «Спектр знаний» «Профессия: учёный» «Фиксики и физика» (специальная номинация от партнёра конкурса — мультсериала «Фиксики»)

«Тайна четвёртой планеты» (специ­ альная номинация от партнёра кон­ курса — киностудии «Союзмультфильм»)

18

«Межгалактический пикник». Ксения Зенкова, 17 лет, Туапсе «Никола Тесла. Повелитель электричества». Ксения Гвозденко, 11 лет, Ростов-на-Дону

«Летающий дом-остров». Варвара Каверина, 11 лет, р.п. Новая Ляда

«Сердце галактики». Ольга Конышева, 14 лет Волгодонск

19

G

R

O

U

P

ЧИСТАЯ ЭНЕРГИЯ ЗЕЛЕНЫЙ АЛЮМИНИЙ УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ

ДИКТАТУРА БУДУЩЕГО

СЛОВО РЕДАКТОРА

Андрей Константинов

АА Свет цветов Из всех исследований этого года меня больше всего впечатлило такое: группа российских учёных создала светящийся табак. На вид обычное растение, только от листьев, стеблей, цветов и даже корней исходит зелёное свечение, довольно яркое — на фотографиях здорово полу­ чается. Но на них не видно, что свечение постоянно меняется, образуя узоры и волны на листьях, позволяя наблюдать внутренние процессы, обычно скрытые от глаз. Красиво! «Впечатлило забавной бесполезностью? В то время как другие создают вакцины от ковида и спасают мир от прочих опас­ ностей!»— возмутится воображаемый читатель. Нет-нет, совершенно не этим. Вот послушайте чем. Тут не в табаке дело, хотя наука многим ему обязана, — например, открытием вирусов. Речь о светящихся растениях вообще. В природе их не существует. А согласитесь, нам нечасто удаётся со­ здать что-то совсем новое, невиданное — во всяком случае, в нашей части Вселен­ ной. И ни одна другая роль не вдохновляет так, как роль творца. Мне кажется, быть творцами новых существ и миров — наша подлинная суть, что-то вроде предназначе­ ния, миссии, только обычно её не очень-то удаётся выполнить. Это первое, что меня впечатлило, — но не главное. Светящихся живых существ в природе немало, хотя растений среди них нет. К биолюминесценции способны не только светлячки, но и некоторые виды бакте­ рий и планктона, многие глубоководные обитатели, грибы, медузы.

Ген зелёного флуоресцентного белка, позаимствованный у медузы, в 2000 году «инсталлировали» в геном крольчихи по имени Альба по прихоти «трансгенного художника» Эдуарда Каца. Фотографии светящейся крольчихи тогда обошли все мировые СМИ. Художник, казалось, при­ открыл дверь в далёкое будущее. «Уже через несколько десятилетий появятся генетические конструкторы, работать с которыми смогут даже школь­ ники: создавать цветы, рыбок или даже домашних питомцев собственного дизайна» — при­ мерно так лет десять назад предсказывали самые смелые (или безответственные) жур­ налисты. Я тоже такое писал, но, кажется, не слишком в это верил, уже зная на опыте, как медленно меняется мир. Кажется, другие тоже не особенно верили. Так вот, первые наборы для домашней генной инженерии в этом году уже появились в магазинах — читайте об этом в нашей «Правдивой сказке о трансген­ ной репке». Не через несколько десяти­ летий, сейчас. А в школьном аквариуме в классе, где работает моя жена, плавает стайка неразлучных светящихся, гене­ тически модифицированных барбусов. И давно уже никого не удивляет. Будущее наступает незаметно, но эти незаметные перемены происходят иногда гораздо быстрее, чем кажется даже самым смелым из нас. Для меня понять это было большой радостью — очень уж хочется заглянуть в будущее! А что же светящиеся растения, какое у них будущее? Вместо гена медузы, который пересажи­ вали животным, авторы работы пере­ несли в табак генетический аппарат, обеспечивающий биолюминесценцию грибов, — и табак засиял! Светящиеся растения пытались сделать уже не раз, но медузьи гены не давали должного эффекта: свет был совсем тусклым. Нынешние, кажется, отлично подходят для подсветки помещений. Авторы исследования уже в ближайшие годы обещают нам светящиеся розы и пету­ ньи, так что самое время делать про­ гнозы, в каком году школьники впервые подарят моей жене светящийся букет. Вы бы на какой год поставили? л_л

21

ДИКТАТУРА БУДУЩЕГО

БИОТЕХ

A AAA АА АА АААА ааааааааадааа а

Повторяю ещё раз.. И ещё раз. И ещё раз... ААААААА AAAGCGCG CGCAAAAAAAAAAAAA АА ААААААААААААА ААААААААААААА А ’ Из чего собрана наща ДНК

22

Из школьного курса биологии вы наверняка помните, что ДНК — это нечто в форме спирали. В спираль закручены две нити. Если по биологии было отлично, то вспомните и сложную расшифровку аббревиатуры ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота. И независимо от оценки, при виде этой аббревиатуры на ум сразу приходит слово «ген». Но если б знали вы, из какого сора растут осмысленные гены и наши знания — о них и ДНК...

Михаил Орлов

Научная догма В1953 году Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон опубли­ ковали в журнале Nature двухстраничную статью с заголовком «Молекулярная структура дезокси­ рибонуклеиновых кислот». В статье коротенечко сообщалось, что ДНК — это двойная спираль, нити которой состоят из нуклеотидов, букв «генетиче­ ского текста», и удерживаются вместе эфемерными водородными связями. Примерно тогда же стало по­ нятно, как ДНК воспроизводит свои копии, и был сфор­ мулирован ключевой для всей биологии принцип — цен­ тральная ggggg молекулярной биологии. Эта догма гласит: ДНК являете^ средоточием генетической (наследственной) информации и может служить инструкцией — матрицей для синтеза своей\ближайшей родственницы РНК, рибонуклеи­ новой кислотыЛПоследняя содержит информацию, которая используется для\синтеза белков, а уже те самостоятельно принимаются задело, выполняя огромное разнообразие работ в клетке. Вольный пересказ центральной догмы моле­ кулярной биологии на с^м окончен. Появление этой догмы озйдменовало наступление «нового времени» в науке о живом. Но^аметьте: что догма, что откры­ тия 1950-х выхватили, словно лучом гтрежектораглюяьксг самый центральный, основополагающий сюжет с участи­ ем ДНК — кодирующие последовательности в генах. Всё остальное первооткрыватели структуры чудо-молекулы пре­ небрежительно назвали «мусорной ДНК» (англ. Junk DNA), оставив без внимания.

• Её автор, один из первооткрывателей молекулярной структуры ДНК Фрэнсис Крик, объяснял выбор этого слова желанием подобрать звучное название.

16 000 томов Толстого В последующие десятилетия некодирующей «тёмной материи» не придавали особого значения. Но время шло, не стоял на месте и научный прогресс — учёные понемногу узнавали о разнообразии процессов, происходящих внутри

23

ДИКТАТУРА БУДУЩЕГО

БИОТЕХ

ДНК и с её участием. Немало удивительного удалось узнать и о геноме в целом. Например, что весь генетический код представляет собой длинный текст, который записан 4-буквенным алфавитом Не так давно, на рубе>Кетысячелетий, чтобы получить полную версию этого сакраментально?б1<техста^^ьшхх13дан-юфХЯ^Г^ ный международный консорциум «Геном человека». На про­ тяжении более чем 10 лет исследователи из 20 научных центров США, Великобритании, Японии, Франции, Германии, Испании и Китая и нескольких частных компаний сплочённо работали и ежедневно докладывали о своих успехах. В результате огромной работы к 2003 году этот нагноённый природой и прочитанный человеком опус был наконец опу­ бликован. В последовательности из было найдено около 20-25 тысяч фрагментов — генов, •- в кото­ рых непосредственно закодирована наследственная инфор­ мация. Средняя длина гена — около 25-27 тысяч пар нуклео­ тидов. Если посчитать долю знаков всех генов от объёма общего текста, получится около 2%. Если вычесть некодиру­ ющие элементы внутри генов, и того меньше. Но если в кате­ горию «мусора» попало 98% генома, значит, этот мусор для чего-то да нужен?

Это так называемые нуклеотиды: аденин — А, тимин — Т, гуанин — G и цитозин — С.

-• Для сравнения: в 4-томном романе «Война и мир» всего-навсего около 750 тысяч знаков, включая знаки препинания и пробелы. Если разбить ДНК на отрезки, равные по числу знаков томам «Войны и мира», получится, что геном человека — это 16 000 таких томов.

КОМПОНЕНТЫ

Так из какого сора?

ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО

Что же представляет собой это «молчаливое большинство» нашего генома? Безусловно, нельзя говорить о ненужности и бессмыслен­ ности 98% генетического материала. Эту хаотичную и слабо понятную сейчас массу можно назвать не мусором, а скорее свалкой сокровищ. Некодирующие области могут выполнять разные функции или не выполнять никаких. Чтобы попасть в эту огромную ка­ тегорию, участкам ДНК достаточно не хранить в себе инфор­ мацию о структуре РНК или белка. Непосредственно внутри кодирующих областей встречаются интроны. Это такие участки ДН К, которые сидят внутри генов, но при этом ничего не кодируют. В дальнейшем интроны безжа­ лостно вырезаются и выбрасываются уже из РНК (этот процесс называется сплайсингом). Обилие подобных побочных продук­ тов производства РНК характерно для эукариот: у них для гено­ ма есть специальный контейнер, способный вместить сколь угодно много сора, — ядро. В человеческой ДН К на интроны приходится аж четверть текста. У бактерий такого контейнера нет, их геномы более компактные и рационализированные. За границами кодирующих областей встречаются два типа крайне важных последовательностей: промоторы и тер­ минаторы. Первые обозначают место, откуда надо начать считывание гена, вторые — конец. Рядом могут находиться энхансеры и сайленсеры — своеобразные тумблеры, по­ зволяющие настроить активность считывания гена. Регуля­ торные участки ДНК — важный тип некодирующих после­ довательностей, ведь такая сложная машина, как организм, должна, во-первых, правильно собирать себя в процессе развития и, во-вторых, оперативно реагировать на измене­ ния состояния — своего собственного и окружающей среды.

ГЕНОМА

24

26% Интроны

20% LINES

3.0% SINEs

8% LTRретротранспозоны

3% ДНКтранспозоны 3% Микросателлиты 2% Кодирующие области 28% Другие типы

Плодятся буквы, как лопухи и лебеда, как буквы в ворде «Ааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааааа», — повторяет Владимир Сорокин несколько страниц в своём дебютном романе «Норма», используя бессмысленный повтор как средство художественной выразительности. ТТТТТТТТТТТТТТТТТТТТТ или GCAGCAGCAGCAGCAGCAGCAGCA, — вторит ему ДНК. На такие последовательности приходится около 1,5 миллиарда знаков из 3-миллиардного текста нашего генома. Почему бессмысленные повторы занимают столько места? Или, раз это место им отведено, они что-то да значат? Учёные счита­ ют, что повторяющиеся последовательности — это горячие точки эволюции: с ними связаны быстрые и неожиданные изменения генома. Исследования показали, что не все повторы одинаковы, их можно разделить на два больших типа: прямые и диспергиро­ ванные, причём в каждом по несколько разновидностей. Диспергированные повторы, в отличие от прямых, не идут впритык друг за другом, а перемежаются с другими участками ДНК. По большей части диспергированные повторы — #ю транспозоны, последовательности-анархисты, способные ска­ кать с места на место, то есть перемещаться по геному. Свободо­ любивое поведение делает транспозоны важной движущей си­ лой эволюции: они перемешивают и прочее население генома, вмешиваясь в работу генов.

чён е сч т ют,что п вто яющ ес поел дова ел но ти — эт г рячи оч эвол )Ц и: с ним в #зан быстр еож данн е и ме ен я ген ма Некоторые транспозоны — ретротранспоз^ны — могут не только скакать по геному, но и плодиться в нём. Их название отражает не художественные пристрастия, а механизм, который эти мо­ бильные генетические элементы используют для передвижения по ДНК. Корень «ретро-» по аналогии с ретровирусами намекает на переход в форму РНК. То есть такие последовательности снача­ ла считываются, а потом из РНК-матрицы переходят снова в ДНК, встраиваясь в новое место генома. Принцип «копировать — вста­ вить». Оставшиеся малочисленные ДНК-транспозоны переходить в РНК не умеют, им остаётся вариант «вырезать — вставить». Ретротранспозоны нашего генома можно разделить на не­ сколько групп. Во-первых, это LTR-ретротранспозоны. На концах таких последовательностей присутствуют особые повторяющиеся участки. Подобные концевые повторы есть у ретровирусов и используются ими для встраивания генети­ ческого материала в геном хозяина. Это сходство названий и последовательностей не случайно: LTR-ретротранспозоны (

25

ДИКТАТУРА БУДУЩЕГО

БИОТЕХ

происходят от ретровирусов. Очередной вирусный след в человеческом геноме, притом увесистый: на LTR-повторы приходится порядка 8% генома Homo sapiens. Ретротранспозоны LINES и SINEsтаких концевых повторов лишены. Главное различие между ними в размере: от менее 500 нуклеотидов у SINEs до в среднем 7000 у LINES. Самые любопытные из них Alu-повторы. Подавляющее большинство SINEs генома Homo sapiens — это именно они. Предпола­ гают, что Alu-элементы возникли около 100 млн лет назад и с тех пор изменялись вместе с расходящимися по собствен­ ной эволюционной ветке обезьянами. Изучение Alu-повторов помогает лучше понять родословную наших родичей.

Име н п по лед вате ьн с я инис телли о в т кт вны сериалах опре е яю с одство НК с м с а рес плен я ДН одо р ва мо , а в ом н ческ — уст на л ва ро ите ьс в Ну сколько можно повторять! Тандемные повторы ДНК вплотную примыкают друг к другу,

почти как ездоки велосипеда-тандема. Отсюда их правиль­ ная структура с регулярным чередованием. Ну а свойства определяются размером повторов, по этому признаку тандем­ ные повторы делят на три типа: сателлиты, минисателлиты и микросателлиты. Самые длинные — сателлиты, или сателлитная ДНК, — могут тянуться миллионы и миллионы нуклеотидов подряд. Косми­ ческое название (англ. Satellite — спутник) связано с тем, что при ультрацентрифугировании (метод разделения веществ в результате очень быстрого раскручивания на ультрацен­ трифуге) эта часть ДНК легко отделялась от прочего генома. Сателлиты не кодируют РНК и белки и вообще складированы в «технических» областях хромосом: центромерах и теломерах. Центромеры и сателлитные повторы важны при делении клетки. Когда дело доходит до разделения удвоенных хромо­ сом, микротрубочки подходят именно к центромерам и тянут за них хромосомы в противоположном направлении. А сател­ литы в теломерах не позволяют концам хромосом слипаться (и самой хромосоме — разрушиться). Ещё они защищают нас от старения, препятствуя укорачиванию хромосом. Средненькие в семье тандемных — минисателлиты, — как заведено и у людей, следуют за старшенькими. Они обнару­ жены не в самих центромерах и теломерах, а по соседству.

26

Хромосома

Клетка

Центромера

ДНК

Теломера

Теломера

GGGATT Гуанин (G) Аденин (А) Тимин (Т) Цитозин (С)

СССТАА

Именно по последовательностям минисателлитов в детек­ тивных сериалах определяют сходство ДНК с места престу­ пления с ДНК подозреваемого, а в романтических — уста­ навливают родительство. Длина каждого отдельного минисателлита довольно специфична у каждого из нас, однако у близких родственников они схожи. Самые маленькие из тандемных повторов длиной всего 6-10 нуклеотидов — микросателлиты. Как и средненькие (и по тому же принципу), самые короткие в семействе нашли применение в криминалистике, но на этом их сходство со старшими братьями заканчивается. В отличие от них, микросателлиты находятся не в определённых участках хромосом, а распределены по всей ДНК почти равномерно. И не криминалистическое применение в них самое интерес­ ное. Микросателлиты, несмотря на малый размер, — кипу­ чие котлы эволюции. Мутации в них происходят в тысячу раз чаще, чем в каких-либо других нуклеотидах. Характер этих мутаций заключается в потере или дублировании единицповторов целиком. Притом не одной — иногда «проскальзы­ вание» копирующего ДНК белка затрагивает большие участки ДНК со следующими один за другим микросателлитами. Если такое нарастание происходит в некоторых пределах, то в целом ситуация остаётся под контролем. Если же они превышены (к этому располагает наследственность), никто и ничто уже не сможет удержать микросателлиты. Проис­ ходит так называемая экспансия: единицы микросателли­ тов повторяются сотни и тысячи раз подряд, а обладатель соответствующего генома приобретает серьёзное, обычно неизлечимое и быстро прогрессирующее заболевание. Это может быть и болезнь Хантингтона — неуклонно про­ грессирующее заболевание мозга, прославившееся вме­ сте с Тринадцатой из сериала «Доктор Хаус», и синдром хрупкой Х-хромосомы. Хрупкой оказывается как раз область микросателлитов, причём хрупкой настолько, что часть этой хромосомы может просто... отвалиться. © Designua / Shutterstock

Геном человека компактно упакован в 46 томов 23 пары хромосом

Геном Homo sapiens — это текст из 3 миллиардов букв, который очень далёк от порядка и предсказуемости. Наш геном — это разнообразие, хаос, повторы и... своеобразная эволюционная разумность. И неожиданные сюжетные повороты. Почти как в стихотворении Хармса об устройстве человека: А, впрочем, не рук пятнадцать штук, пятнадцать штук, пятнадцать штук. Хэу-ля-ля, дрюм-дрюм-ту-ту! Пятнадцать штук, да не рук.

27

ДИКТАТУРА БУДУЩЕГО

БИОТЕХ 497 нм

520 нм

Молекула на все руки Нанотехнологии на основе ДНК £ Михаил Орлов

А

Молекула-флешка, молекула-сенсор, молекула-лекарство... Молекулалегенда! Всё это про ДНК. Тщательное её изучение на протяжении более чем полувека показало, что ДНК способна не только надёжно хранить информацию о нашем устройстве, передаваясь из поколения в поколение. Она ещё может пригодиться в быту. И вот какие нанотехнологии на основе ДНК можно реализовать уже сегодня

Белкам пора на пенсию В живых клетках повелось так, что ДН К отвечает л и ш ь за наследствен­ ную информацию, а всю работу по биохимии тянут на себе белки. Весь мудрёный цикл кребса лежит на плечах белков. Расщепление всего, что мы поедаем, создание копий и ремонт ДНК — тоже их зона ответственности. Нуклеиновые кис­ лоты могут справляться с фермен­ тативной функцией белков ничуть не хуже, только в природе почему-то встречаются лишь у немногочислен­ ных видов и только РНК. Учёные же синтезировали ферменты на основе ДНК — ДНКзимы (они же дезоксирибозимы), способные катализировать химические реакции. И даже приду­ мали, как с помощью таких ДНКзимов лечить астму, некоторые виды рака и даже редактировать геном для лечения болезни Хантингтона. Многие разработки уже проходят

28

клинические испытания на людях. Ещё ДНК вполне может заменить антитела. По своей природе антите­ ла — это огромные белки У-образной формы, которые должны своей вилкой распознавать чужие мо­ лекулы-мишени и прочно с ними связываться. С этой функцией вполне справляются и синтезиро­ ванные в пробирке ДНК-аптамеры. Если антитела орудуют «вилкой», то у ДНК-аптамеров вместо неё одноцепочечное лассо. Если искус­ ственные антитела синтезировать дорого и сложно, то аптамеры — проще и дешевле. Уже сейчас испытывают лекарство от возрастной макулодистрофии (основная причина слепоты у людей старше 55 лет) на основе ДНК-апта­ меров. Другие аптамеры прочат в перспективные агенты для ранней диагностики и терапии рака. Третьи собираются использовать для нейтра­ лизации токсинов белковой природы, четвёртые — в качестве биосенсоров для адресной доставки лекарств.

Флуоресцентный краситель

Мишень

Аптамеры привередливо связываются с мишенью и посылают об этом световой сигнал

Из конструктора ДНК-оригами можно собрать хоть нанозвёздочку, хоть наносмайлик, хоть систему адресной доставки лекарств к месту действия

A=CGA

U=CTG

В=ССА

V=CCT

C=GTT

W=CCG

D=TTG

X=CTA

E=GGC

Y=AAA

F=GGT

Z=CTT

G=TTT

_=ATA

H=CGC

,=TCG

l=ATG

=GAT

J=AGT

:=GCT

K=AAG

0=ACT

L=TGC

1=ACC

M=TCC

2=TAG

N=TCT

3=GAC

0=GGA

4=GAG

P=GTG

5=AGA

Q=AAC

6=TTA

R=TCA

7=AC A

S=ACG

8=AGG

T=TTC

9=GCG

Шифр на основе ДНК. Как выглядит твоё имя на этом языке?

Органическое LEGO ДНК-оригами — необычайно остро­

умное и имеющее множество воз­ можных применений направление ДНК-нанотехнологий. Оно исполь­ зует устойчивые трёхмерные стро­ ительные блоки ДНК и основано на природном стремлении молекулы воссоединить комплементарные, то есть соответствующие друг другу цепочки. Благодаря нему такие наноразмерные конструкции «соби­ рают себя сами». Готовые структуры могут использоваться для адресной доставки лекарств к месту «работы» или даже для получения механизмов молекулярного размера. А можно и просто поскладывать из ДНК эмодзи или что посложнее.

Самая hi-tech-молекула Если в клетке ДНК кодирует инфор­ мацию, то почему бы не закоди­ ровать в ней что-либо ещё? Если в компьютерах всё кодируется нулями и единицами, то можно пе­ рейти на 4-буквенный код и сделать альтернативную биоэлектронику. И первые шаги в реализации этих идей уже сделаны. ДНК-криптография — это кодиро­ вание информации, которую необ­ ходимо защитить от постороннего доступа. С помощью ДНК. При этом самым употребляемым символам

«человеческого языка» (а именно цифрам и английским буквам) ста­ вятся в соответствие определённые последовательности ДНК. ДНК-компьютер — перспективное направление совершенно не био­ логического применения ДНК. Производительность современных компьютеров очень выросла, однако её ограничивают физические воз­ можности имеющихся микросхем на основе неорганических соедине­ ний (в их составе кремний и другие, элементы). Переход к молекулярной машине, в частности, использующей в качестве основы ДНК, позволит многократно снизить стоимость устройства и сделать его гораздо более компактным. Наноразмерные компьютеры используют принцип комплементарности (взаимного соот­ ветствия двух цепочек ДНК) и связан­ ные с нею биохимические процессы. Первые прототипы уже получены и продолжают совершенствоваться. Более того, ДНК может работать в качестве своеобразной вечной флешки — хранилища любой циф­ ровой информации. На ДНК уже записали небольшие мультфильмы, а молекула с аудиозаписью выступле­ ний Deep Purple и Майлса Дейвиса на джазовом фестивале в Монтрё включена в программу ЮНЕСКО «Па­ мять мира». Возможно, вскоре ДНК станет универсальным хранителем информации, каким сейчас является жёсткий диск или твердотельный накопитель, ведь у органической молекулы есть ряд преимуществ: её изготовление обходится дешевле, а сама она компактнее и долговечнее. Архивы с семейными фотоальбомами на ДНК можно будет передавать из по­ коления в поколение. ДНК ведь на ред­ кость долговечная молекула: благода­ ря этому её свойству учёные сейчас «читают» генетический материал возрастом миллион лет. л_л

29

КАРТИНКИ МИРА

30

ЖИЗНЬ

З е м л я Чтобы выжить в суровых подземных условиях, пусть даже африканской саванны, нужно сплотиться. Так когда-то отбор стал поддерживать социальных грызунов, избравших своей обителью твёрдые базальтовые грунты. Сплотившись, эти грызуны научились рыть длинные тоннели. В цепочке из 4-5 особей первая про­ грызает резцами грунт, а остальные по конвейеру выгребают его наружу. Те, кто отвечает в колонии за размно­ жение, не роют. Царица лишь при­ нимает подношения и спаривается попеременно с несколькими мужья­ ми, у которых в колонии тоже осо­ бый статус. Сорганизовавшись, они создают 4-5-километровые тоннели с покоями для своей царицы. За трудолюбие и героический выбор столь непригодной для жизни среды эволюция одарила голых землеко­ пов рядом суперспособностей: они никогда не пьют (воду получают из еды — подземных органов расте­ ний), не чувствуют боли и не боятся ожогов, холоднокровны, живут ми­ нимум в 15 раз дольше всех извест­ ных родственников, а умирают, как правило, не от старости и болезней, а в стычках с врагами. И эта супер­ способность к нестарению (или старению очень медленному) сде­ лала скрытных грызунов из глубоких подземелий суперзвёздами науки последних десятилетий. Л_Л © IVAN SILVA LIDON / Shutterstock

31

ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ

МИКРОБИОЛОГИЯ

Молекулярный биолог против | гнилой картошки. Как бактерии

учились летать Фёдор Ширшиков

Этот текст о том, почему болеет картошка. И ещё — как бактерии научились жить в с'имбиозё о плодовыми мушками-, чтобы, портить больше овощей и фруктов. Статью написал ддя.<<КШ». молодой учёный, молекулярный биолог Фёдор Ширшиков, поэтому из неё можно узнать не только про науку, но и про людей, работающих в этой области 2020 год был насыщен событиями... Но мало кто слышал, что 2020-й был объявлен ООН Годом защиты здоровья растений. От кого нужно охранять картофель — наш второй хлеб, — и пойдёт речь в статье. Надеемся, эта история вдохновит кого-то из читателей заняться исследованием картофельных болезней. Ну, или хотя бы послушать песню Владимира Высоцкого «Товарищи учёные». Она про науку и картофель. Довольно актуальная.

32

© Ulrich22 / Shutterstock

Автор этого текста за повседневной работой в лаборатории

| глава

\

Г Выбор темы для диссертации. — В институт приходит коллекция бактерий из гнилых овощей.

V_______________ ) Студенческие годы я провёл в стенах Казанского федерального университета, выбрав для себя кафедру микробиологии. Затем была аспиранту­ ра в Институте биоорганической химии Россий­ ской академии наук. Коротко — ИБХ РАН. Если смотреть на здание института с высоты птичьего полёта, то оно напоминает двойную спираль ДНК. Таким задумал его наш первый директор, академик Юрий Овчинников, имя которого вместе с именем его учителя Михаила Шемяки­ на носит институт. Архитекторы создали здесь неповторимую атмосферу — когда попадаешь в здание впервые, оно производит глубокое впе­ чатление. Всё в институте сделано для удобства исследователей и занятий наукой. История, о которой я хочу рассказать, началась осенью 2015 года, когда ИБХ РАН начал проект по диагностике бактериальных заболеваний картофеля. До этого я исследовал противоопухо­ левые рибонуклеазы из бактерий и занимался компьютерным моделированием свойств токси­ нов из яда скорпионов. Картошка сразу показа­ лась мне более перспективной темой. Вскоре коллеги-фитопатологи привезли в нашу лабораторию три огромные картонные коробки с чашками Петри, в которых находились штаммы бактерий, выделенные из гнилой картошки

и других растений. Наиболее ранний штамм в привезённой коллекции был датирован 1947 годом — выделили его из подгнившей капусты где-то в Подмосковье. Иногда приходи­ лось выделять штаммы прямо из испорченных клубней картофеля. Пахнет такая картошка своеобразно — чем-то селёдочным. Однако далеко не все образцы оказались так называемыми чистыми культурами. В некоторых было несколько разных видов или даже родов. А какие-то штаммы просто не выжили в процес­ се хранения и многочисленных пересевов. Наш коллектив немало потрудился, чтобы привести эту коллекцию в порядок. Я в это время зани­ мался созданием электронного каталога бакте­ рий, и первая буква моего имени легла в основу сквозной нумерации штаммов (например, первый штамм получил идентификатор F001).

© Фото предоставлено автором статьи

33

ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ

МИКРОБИОЛОГИЯ

Симптомы поражения картофеля пектолитическими бактериями: ◄ мокрая гниль и чёрная ножка ▼

глава

f

Л Чёрная ножка и мокрая гниль оказываются одной и той же болезнью. — Бактерии собираются за общим столом.

V_____________________________

J

Как и многие, я люблю картошку — жареную, варёную, запечённую в углях или духовке. Но чтобы картофель попал к нам на стол, очень важно, что­ бы им не успели подкрепиться микроорганизмы. Поэтому основной задачей по теме моей дис­ сертации стала разработка способа диагностики таких бактериальных болезней картофеля, как чёрная ножка и мокрая гниль Из-за них произво­ дители теряют до 50% урожая, а иногда и больше. Эти названия описывают два симптома одного и того же заболевания, которые проявляют­ ся в разных условиях. Когда картофель растёт в поле, то фитопатогенные бактерии могут про­ никнуть через корешки в сосудистую систему побега и поражённый стебель почернеет. В этом случае болезнь называют чёрной ножкой. Фитопатогены могут быть опасны и в хранилище, куда привозят собранный урожай. Достаточно одного-двух клубней, подгнивших или даже

34

просто заражённых в поле, чтобы несколько тонн картофеля превратились в зловонную жижу. Тогда болезнь называют уже мокрой гнилью. Картошка нравится бактериям из-за большого количества крахмала и пектиновых веществ, ко­ торые служат для них пищей. Чтобы понять, как выглядит пектин, достаточно вспомнить варенье из груш или яблок. Желеобразную консистенцию придают варенью именно пектиновые вещества. Впрочем, микробы не делают вкусных заготовок, а предпочитают перекусить быстро и на месте. За страсть к пектину этих бактерий называют пектинолитическими или пектолитическими. Попав в сосудистую систему растения, фитопато­ гены сначала должны убедиться, что они в боль­ шинстве. В этом им помогает так называемое чувство кворума. Всё почти как у людей: трапеза не начинается, пока вся семья не соберётся за столом. Если бактерий достаточно много, они выделяют в сосуды растения целый комплекс специальных белков-ферментов, предназначен­ ных для разрушения растительной клеточной стенки. Грубо говоря, микроскопические зве­ рюшки вскрывают упаковки и приступают к обеду.

© Фото предоставлено автором статьи

Amplification

5000

4000

3000

2000

1000 0 О

10

20

30

40

50

60

Cycles Melt Peak

Кривые амплификации (вверху) и плавления продуктов LAMP-реакции (внизу), полученные с помощью амплификатора в режиме реального времени. Зелёным цветом показаны сигналы с положи­ тельного контроля, а сигналы с ДНК пектолитических бактерий — красным. Когда реакция проходит специфично, то на кривых плавления виден только один пик. Отрицательный контроль сигнала амплификации не даёт

2000 1500

1000 500

0

-500 65

70

75

80

85

90

95

Temperature, Celsius

l глава

(

Л Противник проникает через границу. — Петлевая изотермическая амплификация быстро обнаруживает врага.

V_____________________ J Диагностическая тест-система, которую я разра­ батывал, позволяет определять наиболее опасные для картофеля виды бактерий из рода Dickeya. Эти микроорганизмы появились в Рос­ сии примерно в 2009 году — судя по всему, были завезены вместе с импортным семенным материалом. Патогены просто не заметили, поскольку система контроля семян и отече­ ственные ГОСТы сильно отстают от современ­ ных достижений фитопатологии и способов диагностики патогенов растений. После вторжения невидимого врага российский картофель стал больше подвержен вспышкам чёрной ножки и мокрой гнили. Если у живот­ ных и человека быстрое распространение

инфекционной болезни называется эпидемией, то в случае растений говорят об эпифитотии. Особенно страдают от таких болезней растения южных регионов России: некоторые предста­ вители рода Dickeya способны выживать при температурах до 39 °С. При такой жаре и относи­ тельно высокой влажности бактерии становятся ещё более агрессивными. Известны случаи, когда семенной картофель, выращенный в зоне с умеренным климатом и экспортированный в более тёплый российский регион, просто не доживал до осени — гнил на корню ещё в поле. Чтобы быстро выявлять угрозу, нужно иметь надёжное средство диагностики, способное обнаружить даже малое количество патоге­ нов. Для решения этой задачи был выбран метод петлевой изотермической амплифика­ ции (LAMP, от англ, loop-mediated isothermal amplification). Метод этот придумали японские учёные в 2000 году. Чем-то принцип синтеза ДНК здесь напоминает оригами. Цепочки ДНК в ходе ампли­ фикации складываются с помощью ДНК-полимеразы в определённом порядке, образуя харак­ терные одноцепочечные петли. Полимераза при этом работает при постоянной темпера­ туре 60-65 °С. Это означает, что для реакции достаточно обычного термостата, способного поддерживать такую температуру... Не буду вдаваться в технические детали. Скажу только, что по скорости, чувствительности и специфичности LAMP превосходит класси­ ческий метод ПЦР, хотя он значительно более трудоёмкий сточки зрения разработки и опти­ мизации тест-системы. Сегодня LAMP считается наиболее близким к идеалу методом мобильной генетической диагностики.

© Фото предоставлено автором статьи

35

ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ

МИКРОБИОЛОГИЯ

>Диагностикум (греч. diagnos­ tics — способный распознавать) — это набор реагентов, позволяющий определить в образце инфекционный агент или мутацию в геноме.

Хочу немного отступить от основной темы рас­ сказа. Сегодня LAMP взяли на вооружение мно­ гие диагностические лаборатории, тестирующие упюдей на коронавирус. До пандемии я участво­ вал в разных конференциях и конкурсах на полу­ чение гранта, и нигде мне не удавалось убедить экспертов, что развитие мобильной диагностики на основе метода LAMP может принести хоро­ шую прибыль. Эта тема не прижилась даже в ИБХ РАН. Сегодня про LAMP знают все специалисты в области молекулярной диагностики, а приори­ тет в разработкёщиагностикумов у нескольких коммерческих организаций. Да и я уже работаю над темой LAMP-диагностики в одном из крупных московских стартапов. Коммерческие организации в плане развития прибыльных проектов более расторопны, чем академия или университеты. Они не боятся раз­ виваться и привлекать для этого молодых. Когда я начинал работать над диагностикой фитопатогенов, ещё не существовало тестсистемы на основе LAMP, позволяющей опреде­ лять в биологических образцах бактерий рода Dickeya. Кроме нас, как мы узнали несколько позже из научных публикаций, подобную тест-систему разрабатывала ещё группа иссле­ дователей из США. Но запатентовав праймеры на полгода раньше, мы всё-таки оказались пер­ выми в этом негласном соревновании. После получения патента можно было расслабиться — сесть за диссертацию и поехать на дачу сажать картошку. Но всё оказадось не так просто. Здесь уместно вспомнить слова академика Овчинникова: «Надо браться за такую работу, которая сегодня кажется совершенно нереальной и невыполнимой. Через год это будет то, что надо».

36

Трёхмерная модель мобильного термостата, разработанная по чертежам автора статьи. Такой прибор мог бы работать от портативного аккумулятора или обычной розетки. Его легко можно взять в полевую экспедицию и развернуть там мини-лабораторию

IV

глава

О пользе систематики бактерий. — Обнаружение нового вида.

Повторюсь: исходно я решал задачу, связанную с молекулярной диагностикой фитопатогенов. Но исследование неожиданно повернуло в сто­ рону уточнения систематики бактерий. Лечение растений почти не отличается от лечения людей. Сначала пациенту-картофелю ставят диаг­ ноз, какая именно бактерия вызвала болезнь. После этого назначают лекарство. А в качестве лекарства можно использовать естественных врагов бактерий — вирусов-бактериофагов. Очень часто фаги видоспецифичны, поэтому чрезвычайно важно иметь актуальную и точную классификацию бактерий. Людей, кстати, тоже в некоторых случаях предпочтительнее лечить бактериофагами, чтобы максимально сохранить нормальную микрофлору. Достаточно сдать обра­ зец на бактериальный посев, и врач пропишет подходящий фаговый препарат. Перед тем как запатентовать наш способ диагно­ стики, нужно было убедиться, что он специфичен,

© Фото предоставлено автором статьи

Чашка Петри с колониями нового вида Pectobacterium versatile на твёрдой питательной среде. Каждая жёлтая точка — отдельная колония, выросшая от одной бактериальной клетки примерно за 48 часов

то есть выявляет только интересующие патогены. Для этого обычно ставят диагностическую реак­ цию на ДНК различных бактерий точно извест­ ных видов, включая целевой. При участии коллег из Балтийского федерального университета мы секвенировали геномы 11 штаммов из нашей коллекции. Затем был достаточно длительный этап компьютерного анализа геномов наших бактерий. Полученные результаты сначала показались мне странными. Оказалось, что пять штаммов не имеют родственников среди уже известных видов и составляют уникальную группу. Среди этих «неприкаянных» оказался тот самый штамм 1947 года, а также более поздние образцы —1993 и 2012 годов. Все эти штаммы были российскими. Перепроверив всё несколько раз с использова­ нием разных выборок геномов для сравнения, я пришёл к единственно возможному выводу: по всей видимости, у нас на руках новый биоло­ гический вид! Некоторые исследователи, которые ежедневно секвенируют бактерий из разных источников, утверждают, что новые виды попада­ ются довольно часто — достаточно зачерпнуть

воды из реки, океана или взять кусочек почвы. Но всё-таки когда для открытия нового вида можно просто разобраться с тем, что уже выделено и лежит в лаборатории, то стоит постараться и «пожужжать компьютером». Да и потом, прият­ но оставить память о себе в области исследований, которыми занимаешься, а иначе что я делаю в институте? Это нор­ мальный результат работы учёного. Тем не менее далеко не все научные сотруд­ ники готовы решиться и написать в журнал о чём-то новом. На кону их репутация. В ка­ кой-то момент учёным приходится брать на себя ответственность за появление нового таксона на древе жизни. Тогда даже ближайшее окруже­ ние не всегда оказывает поддержку. Так было и со мной. Часто приходилось спорить и стоять на своём до последнего. Новый геномовидя назвал Pectobacterium maceratum, что отражает один из симптомов мокрой гнили, при которой наблюдается размяг­ чение тканей клубня картофеля, или мацерация. Сегодня решением Международного комитета по систематике и таксономии бактерий новый вид окончательно утверждён. Он называется Pectobacterium versatile, что означает «разно­ образный». Штаммы этого вида были обнаружены в самых разных уголках планеты с помощью экспери­ ментальных методов и методов биоинформа­ тики. Риск назвать геномы новым видом был полностью оправдан. Моя статья объёмом две странички была опубликована в журнале Genome Announcements 12 апреля 2018 года. Совпадение с Днём космонавтики оказа­ лось весьма символичным, потому что к полё­ там эти бактерии всё же имеют некоторое отношение.

© Фото предоставлено автором статьи

37

МИКРОБИОЛОГИЯ

ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ

3. Рабочий стол покрыт стеклом. «Это позволяет содержать его в чистоте».

1. Компьютер главный инструмент молекулярного биолога и биоинформатика. «На первом этапе исследований за ним приходилось проводить большую часть времени».

2. Подборка «Кота Шрёдингера» за 2014-2016 годы. Редакция верит, что наши материалы тоже вдохновляли Фёдора на открытие новых бактерий и другие научные подвиги.

38

4. Компактная центрифуга-вортекс. «На ней перемешивают размороженные реактивы перед началом работы».

5. Подборка научных статей по теме исследования. «Сейчас статей уже в три раза больше». б. Книга Джеймса Уотсона «Избегайте скучных людей». «Это свод правил жизни в научной сфере с полезными советами для молодых учёных».

7. Научная литература по теме диссертации, книга с протоколами экспериментов и сборник статей академика Юрия Овчинникова.

8. Розетки. «Их вечно не хватает, ведь к ним подключают разные приборы. Например, ту же центрифугу или спектрофотометр для определения концентрации ДНК».

9. Набор для выделения ДНК. «Современные наборы реактивов очень удобны и позволяют быстро и качественно очистить нужное количество носителя генетической информации».

10.Колонки. «На выходных, когда в институте меньше людей, я слушал „Пинк Флойд“. А работать по выходным приходилось часто».

11. Различные лабораторные склянки.

© Фото предоставлено автором статьи

12. Перчатки. «Важно не загрязнить образцы. Даже на чистых руках много всего, что может испортить эксперимент или реактивы».

13. Стул советских времён фирмы «Стол»

Фотография пробирок после проведения LAMP-диагностики в дневном свете (ДС) и ультрафиолетовом спектре (УФ). Буквой N обозначен отрицательный контроль — в этой пробирке есть все компоненты реакции, кроме ДНК. При срабатывании положительного контроля (1), куда специально добавляют ДНК целевого патогена, или обнаружении фитопатогена в биологическом образце (2 и 3) цвет пробирки меняется на насыщенный голубой. Если же в образце будут бактерии других видов (4-9), цвет пробирок останется фиолетовым

V_ г

л

Новый вид бактерий и плодовые мушки могут «дружить». — Почему это может быть выгодно обеим сторонам.

V _________________________ J Мы разрабатывали способ диагностики бакте­ рий рода Dickeya и нашли в коллекции россий­ ских штаммов новый вид. Когда-нибудь учёные и на него сделают диагностикум. Чтобы это получилось, в геноме бактерии нужно найти уни­ кальный участок, характерный только для этого вида, — своего рода видовой паспорт. Иногда важно не только понять, есть ли в био­ логическом образце какой-то вид бактерии, но и определить, представляет л и он угрозу для растений, животных или человека. Обычно такие свойства тоже кодируются в геноме патогенов, как, например, гены устойчивости к антибио­ тикам или гены токсинов. Опасность нашего нового вида в том, что значительная часть его штаммов имеет особый ген evf. Впервые об этом гене сообщила в начале XXI века группа французских учёных. Им удалось выяснить, что этот ген отвечает за взаимодей­ ствие бактерий и плодовых мушек —дрозофил. Эти насекомые обычно питаются подгнившими фруктами и овощами, в том числе клубнями

картофеля. Бактерии мокрой гнили оказались способны инфицировать, но не убивать мушек на стадии личинок. Эксперименты показали, что если ген ei/fnepecaдить какой-нибудь безобидной бактерии, которая обычно благополучно переваривается в кишеч­ нике дрозофил, то такая модификация позволит бактериальной клетке выжить в пищеваритель­ ном тракте насекомого. Получается, бактерии способны оставаться в тесном взаимодействии слетающими насекомыми. Они, если можно так выразиться, научились летать. Вернее, как обыч­ но говорят биологи — приспособились. На сегодня обнаружено по крайней мере два вида, в которых есть ген evf. И тут нужно свести во­ едино два факта. Первый состоит в том, что не все штаммы нового вида обладают геном «друж­ бы» с дрозофилой. Второй — что такой ген есть не только у нового вида. Из этого следует, что ген evfbhm приобретён с помощью так называемого горизонтального переноса генов. Это особый способ передачи полезных для выживания и рас­ пространения генов между бактериями разной степени родства. Такие гены могут кодировать, опять же, гены устойчивости к антибиотикам или гены ферментов, позволяющих использовать в ка­ честве пищи какой-нибудь новый субстрат.

© Фото предоставлено автором статьи

39

ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ

МИКРОБИОЛОГИЯ

Стереоизображение структуры белка, который кодируется геном evf. Рисунок можно рассматривать с помощью специальных стереоскопических очков, однако после небольшой тренировки объёмную структуру удаётся увидеть и невооружённым глазом. Расположите рисунок на расстоянии 20-30 см от глаз, расслабьте глаза так, как будто бы вы смотрите в бесконечность. Из четырёх возникающих изображений два центральных сведите воедино — оно и будет стереоскопическим

Результатом переноса обычно становится так называемое селективное преимущество штамма: такие бактерии начинают быстрее размножаться и имеют больше шансов получить численное преимущество в своей или чужой экологической нише. Но гены не берутся из воз­ духа. Скорее всего, ген еи^есть у каких-то других бактерий, например у представителей нормаль­ ной микрофлоры кишечника насекомых или почвенных микроорганизмов. Таким образом, бактериям выгодно делиться полезными генами друг с другом — это один из важных факторов их быстрой эволюции. Но если бактерии мокрой гнили могут распро­ страняться летающими насекомыми, недо­ статочно просто изолировать гнилые клубни от остального урожая или обработать картошку бактериофагами. Бактерии научились использо­ вать мушек как средство транспорта на большие расстояния, а значит, контролировать необходи­ мо и насекомых-переносчиков. Зачем такое сожительство бактериям, болееменее понятно: им важно быстрее и дальше распространиться. Что же касается плодовых мушек, то, на мой взгляд, они подружились с бак­ териями, чтобы вместе питаться растительной

40

пищей. Я не исключаю, что бактерии, выделя­ ющие ферменты для усвоения растительных компонентов, могут делать то же самое и в ки­ шечнике дрозофилы, помогая своему крылатому хозяину-сотрапезнику разрушать растительные остатки до простых сахаров. Такие сахара усва­ иваются намного легче. В качестве ответного жеста плодовая мушка переносит часть бакте­ рий на новый клубень картофеля в соседнее овощехранилище. Мне кажется, это очень простой и эффективный механизм взаимовыгодного существования бак­ терии и насекомого. Если вдуматься, примерно также строятся отношения человека и молочно­ кислых бактерий, которые присутствуют в молоч­ ных продуктах и одновременно составляют зна­ чительную часть микрофлоры нашего кишечника. Пока это просто гипотеза. Может, когда-нибудь я всерьёз займусь её проверкой. А может, буду заниматься совсем другой темой, не менее интересной. Мне кажется очень перспективной область молекулярной диагностики на основе амплификации. Было бы здорово придумать новый метод изотермической амплификации, который был бы прост в плане разработки новых тест-систем и надёжен в применении.

© Фото предоставлено автором статьи

Заключение Я не знаю, какие исследования из тех, что я проводил, пригодятся мне в будущем. Например, когда я был студентом, то изучал белковые молекулы методом построения про­ филей гидрофобности — на том же математическом подходе основаны способы предсказания стоимости акций на фондовых биржах. Потом была стажировка в ИБХ РАН, где я освоил базовые навыки программи­ рования. Спустя несколько лет всё это пригодилось мне в аспирантуре для создания программы MorphoCatcher для поиска генов-мишеней при раз­ работке диагности кумов. Навыки могут пригодиться в любой области, и свежий взгляд на проблему очень много значит для её решения. Поэтому всем, кто хочет заниматься наукой, можно посоветовать не фоку­ сироваться всю жизнь на одном про­ екте. Полезно менять темы исследо­ ваний, иногда кардинально. В заключение хотелось бы снова процитировать Юрия Анатольевича Овчинникова. Он говорил: «Наукой движет сказанное впервые». Дей­ ствительно, делать что-то уникаль­ ное, чему пока нет аналогов, как-то по-особенному мотивирует, даёт силы думать и прорабатывать самые мелкие детали, которые на первый взгляд могут показаться неважными. Однако зачастую именно из таких деталей складывается невероятно красивый научный результат. Л_Л

Хорошая заявка на эпический боевик «Бактерии и мухи против людей и картошки»

V

© Roblan / Shutterstock

41

ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ

химия

Улучшенная версия таблицы Менделеева Как легко определять свойства элементов и их соединений

АРТЁМ ОГАНОВ

Кристаллограф-теоретик, создатель ряда новых материалов, а главное, методов, которые позволяют открывать новые материалы. Решил считавшуюся нерешаемой задачу предсказания кристаллической структуры вещества на основе его химического состава. Создал программу USPEX, способную предсказывать устойчивые химические соединения по набору исходных элементов. Один из самых цитируемых в мире учёных

Записал Виталий Лейбин

Не так уж часто удаётся написать заметку о том, что не просто войдёт в школьные учебники будущего, а станет одной из базовых картинок-иллюстраций. Химики из Сколковского института науки и технологий Артём Оганов и Захед Алахъяри придумали и рассчитали, как расположить химические элементы в порядке постепенного изменения их химических свойств. Такая последовательность удобнее, чем таблица Менделеева, для предсказания твёрдости, стабильности, намагниченности и других свойств элементов и их соединений. О том, как было сделано и что значит это открытие, «Коту» рассказал профессор Сколтеха Артём Оганов

42

© facebook.com / artem.r.oganov

Я хорошо помню, как мне пришло в голову решение этой задачи. Мы с семьёй садились в самолёт. У меня четверо детей, и все они расположились у меня на голове и прочих частях тела и к тому же продолжали непрерывно двигаться. Опытные родители знают, что со­ противляться этому бессмысленно, а беспокоиться неразумно. Поэтому мой мозг перестал метаться, анали­ зируя внешние сигналы, и застыл, сфокусировавшись в одной точке. Точка эта оказалась на спинке впередистоящего кресла. Там-то и начал проступать основной график будущей работы. Я вдруг увидел, что элементы таблицы Менделеева не размазаны равномерно в про­ странстве своих свойств, а, как звёзды в Галактике, расположены более-менее на плоскости. Эта проблема волновала меня последние 15 лет. В 1984 году бри­ танский физик Дэвид Петтифор опубликовал работу, в которой ввёл понятие менделеевских чисел, — с их помощью он сгруппировал

КАК ВЫЧИСЛЯЮТСЯ ЧИСЛА МЕНДЕЛЕЕВА

Электроотрицательность

Универсальная последовательность элементов определяется их проекцией на линию, обозначенную синим цветом.

Атомный радиус

элементы в порядке изменения их химических свойств. В таблице Менделеева свойства элементов меняются скачками. Так, после само­ го химически активного неметалла фтора идёт инертный неон, а сразу за ним — активнейший металл нат­ рий. Можно ли найти вариант, при котором рядом бы стояли похожие по свойствам элементы? Петтифор предложил решение — выстроил элементы в некоторой последовательности, приписав им некие числа Менделеева. Но как приписал, не объяснил. И тем более не объяснил, какой у них физический смысл. Эти числа не расчёт, а произ­ вол, хотя и основанный на наблюде­ ниях за свойствами бинарных соеди­ нений — веществ, состоящих из двух разных атомов. Скажем, если NaCI и KCI похожи, то и натрий с калием должны стоять рядом. Всё это время учёные модифицировали и улучша­ ли менделеевские числа, но что это такое, так никто и не объяснил. У химических элементов есть разные характеристики, которые

влияют на их свойства. Прежде всего размер атома (его радиус), валент­ ность, |поляризуемость, электро­ отрицательность Но валентность — параметркепостоянныи, у разных элементов мЪтухбыть разные_^^ валентности, а мы неоднократно открывали химические соединения, которые с точки зрения привыч­ ных представлений о валентности не могли бы существовать. Но суще­ ствуют. Поляризуемость очень сильно коррелирует с электро­ отрицательностью. Получается, что для определения фундаментальных свойств атомов можно использовать только атомный радиус и электроотрицательность. И если по оси X — радиус, а по оси Y — электроотрицательность, мы получаем плоскость, на которой сильно вытянутым облаком распо­ лагаются элементы. Внутри этого облака, воспользовавшись несложным математическим приёмом, можно провести линию, вдоль которой эле­ менты встанут в порядке максимально плавного изменения свойств.

Поляризуемость — способность атома или молекулы становиться электрически полярными во внешнем электромагнитном поле. Поляризуемость показывает, насколько легко может возникнуть заряженная частица (ион) или новая химическая связь. Электро­ отрицательность — способность атома оттягивать электроны других атомов в химических соединениях. Самая высокая степень электроотрицательности у галогенов и сильных окислителей (F, О, N, С1), низкая — у активных металлов (Li, Na, К).

43

ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ

Так мы открыли физический и хими­ ческий смысл менделеевских чисел: это наилучшее представление всех химических свойств атома одним числом. Но мы предложили не толь­ ко объяснение, но и улучшенную версию чисел Менделеева, в кото­ рой нет места субъективности — только расчеты на основе фунда­ ментальных характеристик атомов. Мы назвали это «Универсальной последовательностью элементов», по-английски Universal Sequence Of Elements, сокращённо USE. И действительно, наша последова­ тельность удобна в применении: она предсказывает свойства химиче­ ских соединений лучше, чем петтифоровские менделеевские числа и их позднейшие модификации. Если расположить элементы на осях, то на плоскости будут бинарные соединения — молекулы и кристал­ лы, состоящие из двух типов атомов. Мы обнаружили, что на этом поле — его можно назвать химическим про­ странством — возникают области соединений с близкими свойствами, например твёрдостью кристаллов, магнетизмом, энергией связи. Известно, например, что алмаз, состоящий только из углерода, — самый твёрдый из кристаллов. А как искать другие твёрдые вещества? По соседству с алмазом в его химическом пространстве. Улучшенные менделеевские числа помогут находить новые соединения с полезными свойствами и смогут прояснить некоторые вопросы, связанные с привычной таблицей Менделеева. Например, уже сейчас можно ставить точку в споре, где должен находиться водород: над литием или над фтором. Согласно менделеевским числам, водород ближе к галогенам, чем к щелочным металлам. Л_Л Ссылка: Zahed Allahyari and Artem R. Oganov, Nonempirical Definition of the Mendeleev Numbers: Organizing the Chemical Space: 0. Phys. Chem. C 2020, 124, 43, 23867-23878.

44

71

69

LuTm Lutetium 174.9668

Thulium 168.93422

© Humdan / Shutterstock

45

ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ

ТВАРЬ НОМЕРА

Ни пламени из ноздр

Никита Лавренов

ни дыма

, зато рёбра из ушей

складные

Draco Имя в миру Летающий дракон Прописка Джунгли Юго-Восточной Азии

шзз

До 20 см (от носаI до кончика хвоста!)

46

© Silmiart / Shutterstock

«Страшный змей о трёх головах, о семи хвостах, из ноздрей пламя пышет, из ушей дым валит, медные когти на лапах блестят» — так описан Змей Горыныч, что Пучай-реку в страхе держал да терзал Русь-матушку (как варяги, печенеги и половцы), в одной из былин про Добрыню Никитича. Подобные летающие змеи-террористы встречаются в мифологии разных народов: и у китайцев он был, и в христианской лите­ ратуре встречается (сюжет «Чуда Георгия о змие» запечатлён на гербе Москвы), и у древ­ них греков на посуде изображён. Последние, судя по сюжетам, где крылатый змей запря­ жён в повозку, умудрились подчинить чудище. Они-то и нарекли его бракшу. Драконом то есть.

Но драконы существуют не только в сказках, мифах да легендах с былинами. Тем же греческим словцом учёные нарекли вполне себе живущий (в азиатских джунглях) и процветающий род рептилий. Целых 43 вида, между прочим. ЛЛЛЛАЛ В отличие от Горыныча и прочей нечисти, реальные драконы безобидны. По крайней мере, для человека. Обижают только насекомых и их личинки — питаются ими, если использо­ вать более употребительные в научном дискур­ се слова. Большинство видов людей вообще избегают, хотя и не специально. Живут себе в кронах деревьев, там же охотятся, находят пару, спариваются и пересекаются разве что с нашими троюродными братьями — гиббо­ нами и другими приматами, живущими там же, в пологе джунглей. На землю грешную драконы спускаются, только чтобы яйца отложить. Инстинкты подсказывают им вырыть в почве лунку или норку, обустроить неприметное гнездо и спрятать там яйца. Кладку из 4-6 яиц они маскируют грязью, потом чутьчуть подежурят неподалёку и лезут обратно на деревья, оставляя потомство на произвол судьбы.

«И почему именно этих заурядных ящерок драконами нарекли?» — напрашивается вопрос. «Да вовсе не заурядные они!» — возмутятся учёные. Далеко не каждая ящерица летать умеет да крылья имеет. Крылья, правда, условные, похожие на таковые у летучих мышей. Но если у рукокрылых летательные перепонки натянуты не только между верхними конечностями и туло­ вищем, но ещё и между сильно удлинёнными костями пальцев, то у драконов летательная перепонка натянута между ложных рёбер. Рёбра складываются — перепонка прячется, и дракон выглядит как обычная рептилия. Настаёт время перелететь на соседнюю крону — рёбра выпячиваются в стороны, раскрывается кра­ сочная перепонка... и воспарил дракон! Плани­ ровать в воздухе он может несколько десятков метров. За способность летать, пусть и не слиш­ ком далеко, драконам и дали столь звучное имя. Другим рептилиям такое не под силу. Л_Л

© kongsak sumano / Shutterstock

47

КАРТИНКИ МИРА

ЖИЗНЬ

Воздух Давным-давно, лет так 350 мил­ лионов назад, воздушная среда на нашей планете была абсолютно безопасной. Между гигантскими древовидными папоротниками беззаботно парили подёнки. Но всё изменилось, когда появились они — стрекозы. Они стали первыми гигант­ скими воздушными хищниками. Да, гигантскими: судя по отпечаткам в породах возрастом 300 миллионов лет размах крыльев древних стрекозмеганевр составлял более двух метров. Как у современных аистов. Многие группы летающих насекомых тогда вымерли. А некоторые дожив­ шие до нас, те же подёнки, стали большую часть жизненного цикла проводить в воде. Стрекозы безнака­ занно чинили террор в воздухе до по­ явления хищников, способных съесть их самих. Это оказались динозавры. Не все виды стрекоз смогли пережить эту напасть. Немало миллионов лет прошло стех пор, а прямые потомки дино­ завров — птицы — продолжают есть стрекоз. А стрекозы — мелких летаю­ щих насекомых. И так будет ещё миллионы лет. Л_Л

48

© vitalii.otroshko / Shutterstock

49

ЗАКОНЫ СВОБОДЫ

ОБЩЕСТВО

АААА Для чего нужны умные? Эксперимент с муравьями показал, что без интеллектуальной элиты общество жить не может

50

© Andrey Pavlov / Shutterstock

Перед вами один из лучших материалов, публиковавшихся в «Коте Шрёдингера» в минувшие годы. Это история о том, как биолог Жанна Резникова изучает поведение муравьёв и узнаёт много важного не только о повадках насекомых, но и вообще об интеллекте, общении и смысле жизни. Статья вышла пять лет назад — за это время новые эксперименты лишь подтвердили изначальные гипотезы. Летом нынешнего года в международном журнале Animal Cognition вышла большая публикация Резниковой Spatial cognition in the context of foraging styles and information transfer in ants. Там, кстати, есть метафора, которая впервые была использована именно в «Коте Шрёдингера»: «Я наконец упомянула в официальной международной научной печати эксперимент с „муравьиным философским пароходом", так что он дошёл до мирового разума, если, конечно, мировой разум обратит внимание, — рассказала нам Жанна Ильинична. — А сейчас пишу в журнал Frontiers in Neuroscience статью с модным названием Does а private Ants’ Live Matter? The role of individual in the colony — как бы он, винтик, умный» о роли винтика в коллективе, если

£ Григорий Тарасевич /ч

(при поддержке корпункта «Kill» в Новосибирске)

Этот текст про муравьёв. Про то, как они орга­ низуют своё сообщество, как выбирают про­ фессию, как проявляют гениальность, смекалку, героизм. А ещё это текст о людях. Потому что всегда, когда мы говорим о животных, даже о са­ мых маленьких, то имеем в виду самих себя. Мозгу обычного лесного муравья в десятки тысяч раз меньше, чем мой. А умеет это суще­ ство очень многое. На этот счёт есть прекрасная цитата: «Муравьи так сильно похожи на нас, лю­ дей, что даже как-то неловко. Они выращивают грибы, разводят тлей в качестве дойных коров, отправляют на войну армии солдат, распыляют химикаты, чтобы напугать и сбить с толку про­ тивника, берут в плен невольников, эксплуатиру­ ют детский труд и беспрерывно обмениваются информацией. Короче, делают всё — разве что телевизор не смотрят» (Льюис Томас).

Профориентация в муравейнике Новосибирский биологЖанна Резникова — один из самых известных у нас в стране специалистов по поведению муравьёв и прочих животных. © Фото П|

Да не только в России — её книга Animal Intelligence: From Individual to Social Cognition вышла в издательстве Кембриджского универ­ ситета. Во время одного из её недавних экспериментов произошла история, которую можно рассматри­ вать как притчу о роли интеллектуалов в любом обществе, будь то человеческое или муравьиное.

— Всё началось с того, что сотрудник моей ла­ боратории Иван Яковлев готовил диссертацию, смысл которой можно свести к формулировке: «Муравей выбирает профессию или профес­ сия — муравья?» Получается, что скорее про­ фессия выбирает, — объясняет мне Жанна Рез­ никова. — Почти как у людей. Есть набор качеств: агрессивность, интеллект, предприимчивость, скорость реакций, умение взаимодействовать с окружающими. В зависимости от них муравей получает свою профессию. Например, есть специальность — охранник. Её получают те особи, которые рано проявляют агрессивность. Интеллекту них, конечно, тоже есть, но не такой развитый: солдатам не так важно рассуждать — они должны без лишних колебаний бросаться защищать общие ресурсы. Другая профессия — сборщики пади. В каком-то смысле у муравьёв есть свои домашние живот­ ные. Тли питаются соком растений и выделяют капли сладковатой жидкости, которую называют

вленоЖ. Резниковой

51

ЗАКОНЫ СВОБОДЫ

ОБЩЕСТВО

падью. Между муравьями и тлями налажено взаимовыгодное сотрудничество. Муравьи соби­ рают падь — для них это вкусная и питательная пища, основной источник углеводов. А в каче­ стве ответной услуги — защищают своих зелёных «коров» от хищников. Среди сборщиков пади тоже есть разделение труда. Можно, конечно, в одиночку получить заветную каплю сладкой жидкости и самостоя­ тельно потащить её в муравейник. Но это нера­ ционально с точки зрения логистики. Поэтому есть муравьи, которые работают пастухами (или правильнее их назвать доильщиками?): они щекочут тлей, обеспечивая высокие удои. А по­ лученную продукцию транспортируют другие. В общем, есть о чём задуматься специалистам по управлению кадрами. Вот несколько выводов из диссертации Ивана Яковлева: «Представители разных функциональных групп в семье муравьёв существенно различаются по соотношению в их поведенческом реперту­ аре реакций избегания опасности, проявлений агрессивного и исследовательского поведе­ ния, а также по способности накапливать опыт столкновения с „врагами". Муравьи с низким уровнем агрессии, способные избегать опасно­ сти, становятся сборщиками пади. Агрессивные особи, не избегающие врагов, специализируются как охотники и охранники. <...> Окончательное формирование поведения у рыжих лесных муравьёв, возможно, осущест­ вляется на основе не только физиологического созревания и накопления индивидуального опыта, но и путем социального обучения».

Примерно то же происходит у людей-подростков. Есть те, кто меньше размышляет и больше норовит работать кулаками, — эдакие бесша­ башные пацаны. После школы они отправляются в армию, идут служить в полицию или теми же самыми охранниками. Есть те, кто поосторож­ нее, действуют с оглядкой, больше думают о выгоде и способны её рассчитать. Они превра­ щаются в бизнесменов и менеджеров, стремятся больше заработать, обеспечить свою семью достатком и комфортом.

Чучело синицы помогает понять характер Для старшеклассников разработаны специаль­ ные тесты. Одни проверяют интеллект, другие профессиональные личные склонности типа «человек — человек», «человек — техника», «человек — знаковая система», «человек — художественный образ» и «человек — природа».

52

Чтобы отслеживать действия каждого муравья, учёные аккуратно метят их краской

Далеко не всегда эти тесты оказываются полез­ ными при выборе профессии (в нашем обра­ зовании с этим вообще беда), но по крайней мере у человека-подростка можно напрямую спросить: «Кем ты хочешь стать?» И иногда даже получить ответ. Муравьи-подростки менее разговорчивы. Чтобы выявить личные склонности муравьёв, в лаборатории разработали целую батарею тестов (Жанна Резникова вообще знаменита на весь мир своими уникальными исследо­ вательскими методиками). Например, чтобы проверить агрессивность, муравья-испытуемого сажали на специальную арену, а потом туда же помещали жужелицу — главного врага в есте­ ственной среде. И следили за характером и продолжительностью реакций.

— У муравья мёртвая хватка, как у бульдога. Его могут надвое разорвать, но челюсти он, если вцепился в противника, не разожмёт. Такое поведение встречается именно утех особей, ко­ торые выполняют функцию охранника, — расска­ зывает Резникова. — Муравьи-охотники близки к охранникам, у них тоже высокая агрессивность. Ноу охотников больше проявляется ещё и иссле­ довательская активность, они чаще вступают в социальные контакты. И главное, агрессия име­ ет границы, она обычно не доходит до мёртвой

© Фото предоставлено Ж. Резниковой

Мёртвая хватка. Встреча с жужелицей даёт понять, кто готов идти до конца

Муляж синицы помогает понять, кто из муравьёв настоящий воин, а кто мирный пастух

53

ЗАКОНЫ СВОБОДЫ

ОБЩЕСТВО

54

© Andrey Pavlov / Shutterstock

хватки, а значит, охотники не так склонны к риску. Для проверки способности избегать опасности использовался следующий эксперимент. Му­ равьёв помещали на небольшую арену, в кото­ рой находилась веточка с тлями. Через какое-то время сборщики пади приступали к своей ра­ боте под охраной воинов, а воины их охраняли. После этого учёные имитировали атаку синицы. Использовалось несколько вариантов стимула: чучело птицы, белый конус, чёрный конус, конус с глазами-бусинами. Оказалось, что чем бли­ же стимул к действительности, тем с большей вероятностью он вызовет реакцию муравьёв. Особенно важный признак — наличие глаз. На угрозу сразу реагировали охранники, а сбор­ щики пади, как и положено мирным жителям, полагались на своих защитников.

Когда обучает коллектив Один из самых главных вопросов психологии: в какой степени личные качества человека опре­ деляются генами, а в какой формируются под влиянием семьи, школы, общества? Животных он тоже касается. В свое время Резникова и её коллеги выдвинули гипотезу распределённого социального обуче­ ния. Учёные пытались понять, как сложный навык становится достоянием общества. Была найдена удачная природная модель: охота муравьёв на ногохвосток (коллембол). Это мелкое членистоногое прыгучее, и поймать его не так-то просто. Для эксперимента использовали «наивных» муравьёв, то есть тех, кто родился и вырос в ла­ боратории и не мог перенять технологию охоты у старших товарищей. Сначала подавляющее большинство никакого интереса к ногохвосткам не проявляло, как будто они и не еда. Но когда на экспериментальную площадку поместили побольше муравьёв и побольше ногохвосток, нашлись отдельные продвинутые муравьи, которые начали охоту.

— В этом эксперименте, который проводила моя коллега София Пантелеева, в одной из семей в сто двадцать три особи обнаружилось семь муравьёв, которые при встрече с ногохвосткой показали себя образцово-показательными охотниками: выследили, наскочили, ужалили. И мы предложили^ипотезу: чтобы какая-то слож­ ная поведенческая форма распространилась, нужно совсем немного особей — носителей це­ лостного стереотипа. Допустим, несколько му­ равьёв умеют охотиться на ногохвостку, и если вокруг много этой добычи, они обучат данной технологии всех остальных.

-эй

Было бы соблазнительно объяснить это так: мол, и у муравьёв, и у людей есть особо продвинутые особи, которые первыми осваивают какую-то новую практику (охотятся на ногохвосток, поль­ зуются интернетом, оплачивают ЖКХ через мобильный телефон). Остальные на них смотрят, видят, что это выгодно, и начинают копировать поведенческую модель. То есть получается, что у муравьёв есть культура. Но исследователи нашли объяснение, более близкое к природе.

— Тут важно ещё одно условие: остальные члены сообщества должны всё-таки обладать непол­ ными генетическими программами, запускаю­ щими эти стереотипы поведения. Наличие таких «спящих» фрагментов создаёт предрасположен­ ность к определённой последовательности дей­ ствий. То есть продвинутые особи не обучают остальных с нуля, а просто облегчают пробужде­ ние существующих программ. Чтобы объяснить полученный эффект, учёные выдвинули «гипотезу распределенного социаль­ ного обучения».

— Речь идёт о полных поведенческих программах и их фрагментах, распределённых между чле­ нами популяции, — поясняет Резникова. — Это пример разумной экономии: животным вовсе не обязательно изначально владеть сложными навыками на все случаи жизни — достаточно обла­ дать отдельными «заготовками» и способностью к социальному обучению.

Интеллект разведчика С профессиональными качествами охранников, охотников и сборщиков пади новосибирские био­ логи разобрались. Неизученной оставалась ещё одна категория муравьёв — разведчики. К иссле­ дованию их личных качеств подключилась биолог Наталья Ацаркина из Института физико-химиче­ ской биологии им. А. Н. Белозерского при МГУ. В своё время в «Евразиатском энтомологиче­ ском журнале» вышла её с Жанной Резниковой и Иваном Яковлевым статья, посвященная индивидуальным поведенческим качествам муравьёв-разведчиков. Главное качество для муравья, который ищет новые источники пищи, — это ум. Недаром же английское слово intelligence означает и развед­ ку, и интеллект. Животные должны хорошо ори­ ентироваться, помнить дорогу, уметь передавать информацию другим муравьям, которые потом пойдут эту пищу собирать. Это интеллектуальная элита муравьиного сообщества.

— Конечно, это всё с нашей точки зрения, — улы­ бается Резникова. — Неизвестно, есть ли в мура­ вьином сообществе понятие элиты, престижности

55

ЗАКОНЫ СВОБОДЫ

ОБЩЕСТВО

или чего-то ещё. Может, вообще другие муравьи считают разведчиков своими рабами. Кстати, и в человеческой цивилизации самые интеллектуальные особи далеко не всегда оказываются самыми уважаемыми, и уж точно не самыми высокооплачиваемыми. Но пока хватит параллелей. Вернёмся к методике. Для оценки способностей муравьёв-разведчиков использовалось так называемое бинарное дерево, разработанное в свое время Жанной Резниковой и специалистом по теории инфор­ мации Борисом Рябко. Это такой лабиринт, в котором муравью нужно идти по ветвящимся

Учёные фиксировали время, которое уходит на передачу информации о нужной веточке. В базовом варианте всё было примерно так, как в примитивных человеческих языках («палец, палец, палец... ракушка, ракушка, ракушка..») — чем дальше нужная веточка от входа, тем больше времени уходит на сообщение о ней. Но при изменении схемы опыта, когда на «специальную» ветку (скажем, десятую) кормушку помещали намного чаще, чем на лю­ бую другую, то оказалось, что на передачу числа «одиннадцать» времени уходит столько же, сколько на обозначение «десять» плюс ещё

«ИЗОЛЯЦИЯ РАЗВЕДЧИКОВ В НЕВОЛЬНОМ ЛАБОРАТОРНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ ЧУТЬ БЫЛО НЕ ПРИВЕЛА К ГИБЕЛИ ВСЕЙ СЕМЬИ. МЫ ЭТОГО| НЕ ХОТЕЛИ».

дорожкам-веточкам, чтобы добраться до ватки, смоченной сиропом. После этого он должен вернуться и сообщить муравьям-фуражирам, где находится пища. Допустим, для нахождения цели надо повернуть налево, направо, направо, нале­ во и ещё раз направо. Эту последовательность поворотов муравей-разведчик должен запом­ нить и передать муравьям-фуражирам (а чтобы они не использовали пахучий след, лабиринт каждый раз заменяется новым). Эксперименты с муравьями-разведчиками Резникова и Рябко проводили много лет, их ито­ говая статья опубликована в 2011 году в журнале Behaviour. Некоторые выводы можно считать сенсационными. Во-первых, муравьи умеют считать как минимум в пределах трёх десятков. Во-вторых, они ис­ пользуют некую систему исчисления, напоми­ нающую наши римские цифры. В-третьих, они умеют складывать и вычитать. В-четвёртых, они архивируют информацию. И это всё с мозгом в треть миллиграмма!

56

небольшой отрезок времени. И примерно столько же на число «девять». Это примерно то же самое, как запись чисел X, XI и IX. — Мы можем относительно уверенно говорить, что муравьи умеют складывать и вычитать, прав­ да, в довольно скромных пределах, — считает Резникова. В общем, муравьи-разведчики — существа близкие к гениальности. Процитируем статью Ацаркиной, Яковлева и Резниковой:

©Фото предоставлено Ж. Резниковой

Бинарное дерево — одна из самых интересных методик, разработанных в лаборатории Жанны Резниковой

После путешестия по бинарному дереву разведчики сообщают фуражирам, где именно находится еда

© Фото предоставлено Ж. Резниковой

57

ОБЩЕСТВО

ЗАКОНЫ СВОБОДЫ

«Выяснилось, что разведчики являются однород­ ной группой с высоким уровнем исследователь­ ской активности и способностью часто переклю­ чаться на разные виды деятельности. Специфика исследовательской активности указывает на сход­ ство разведчиков со сборщиками пади. <. > По уровню агрессивности, проявляемому в тестах „встреча с врагом", разведчики и привлечён­ ные ими фуражиры занимают промежуточное положение между мирными сборщиками пади и агрессивными охотниками и охранниками. При­ мечательными чертами разведчиков являются преобладание исследовательских реакций по от­ ношению к врагу, полное отсутствие проявления реакции „мёртвой хватки", смертельно опасной для муравьёв и характерной для охранников, а также относительно высокая частота реакции

«МУРАВЬИ-РАЗВЕДЧИКИ, СПОСОБНЫЕ УЛАВЛ ИВАТЬ ЗАКОНОМЕРНОСТИ И ИСПОЛЬЗОВАТЬ ИХ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ СООБЩЕНИЙ, СОСТАВЛЯЮТ ВСЕГО)

Резникову с её муравьями. Один из важнейших результатов её эксперимента не попал в ака­ демическую публикацию из-за недостаточно­ сти выборки. Но он вполне может обсуждаться на страницах научно-популярного журнала как метафора человеческого общества. Итак, разведчиков отселили из лабораторного гнезда на отдельную арену. Жанна Резникова сравнивает это с отплытием «философского парохода». Напомним, в 1922 году по приказу Ленина из России были высланы ведущие фило­ софы и учёные: Николай Бердяев, Сергей Булга­ ков, Семён Франк и многие другие. Хорошо, что не посадили и не расстреляли, но всё равно — страна лишилась достойных умов. Вот и в лаборатории интеллектуальная элита муравьёв покинула родину и стала объектом

Trajehlsdiifl „rreussen" aul hoher See

Sassnitz-Trelleborg

,2-0,3%

0

НАСЕЛЕНИЯ МУРАВЕЙНИКА. ЭТО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ЭЛИТА».

избегания врага, отсутствующей в репертуаре охранников и охотников. По предварительным данным, полученным в тестах „поиск выхода из лабиринта", можно полагать, что разведчики запоминают путь лучше и сохраняют память о нём дольше, чем мобилизуемые ими фуражиры».

«Философский пароход» на лабораторном столе Иногда незаконченные исследования оказыва­ ются куда более яркими, чем те, что были пол­ ностью завершены, проверены и запротоколи­ рованы. Классический пример — Стэнфордский тюремный эксперимент, который так и не был доведён до конца, но попал во все учебники. Не исключено, что подобная судьба ждёт и Жанну

58

© WikiMedia

исследовании, которые устраивает интеллекту­ альная элита людей. Один эксперимент, второй, третий...

— Мы так увлеклись экспериментом, что не обращали особого внимания на базовое гнездо, откуда взяли разведчиков. Конечно, мы их кормили, поддерживали влажность, но тщательно не следили, — признается Резникова. И вдруг выяснилось, что, оставшись без интел­ лектуалов, муравьи забаррикадировались в своём гнезде и отказываются принимать пищу. Сначала некоторые ещё выходили за едой и подкармливали остальных (в каком-то смысле |у муравьёв коллективный желудок). Но потом наступил тотальный бойкот. Насекомые начали

вымирать. Прежде чем учёные спохватились и досрочно прекратили эксперимент, погибла чуть ли не половина муравейника. При этом в контрольном гнезде, откуда не забирали интеллектуалов, всё было нормально.

— Знаете, что забавно, — размышляет Резни­ кова, — относительная численность муравьёвразведчиков сравнима с долей выпускников Новосибирского государственного универси­ тета, если рассматривать Новосибирск как муравейник...

У меня вырвалось: —...И можно сказать, что история с муравьями — это притча о роли интеллектуалов в обществе. Если их изолировать, общество ждёт беда. Так ведь?.. Но тут начинается чистая публицистика: роль интеллигенции в обществе, учёные-диссиденты советской эпохи, интеллект и власть, утечка мозгов из страны, проблема популяризация науки, внедре­ ние инновационных технологий... Но это уже исто­ рии только про людей, а не про муравьёв. Поэтому мы предлагаем подумать о них самостоятельно. Л_Л

© Andrey Pavlov / Shutterstock

59

ЗАКОНЫ СВОБОДЫ

ОБЩЕСТВО

МУРАВЬИ И ЛЮДИ .ГОРОДА ГЛУПОВА Коррупция, безработица, повышение пенсионного возраста, суицид и другие особенности жизни муравьёв

£ Жанна Резникова /ч

(впервые опубликовано на ology.sh)

Есть ли сходство между человеческим обществом и муравейником? Чем насекомые, жизнь которых полностью отделена от сексуальной сферы, напоминают людей? А вы присмотритесь к муравейнику, и найдёте в его социальном устройстве не только далёкую от нас гармонию, но и близкие нам черты города Глупова

СОЦИАЛЬНОЕ РАССЛОЕНИЕ

Смотришь на кипящий деятельностью лесной муравейник — одни с веточками туда, другие с жучками-гусеницами сюда, и всё-то в дом, и всё на благо общества. Вот где воплотилась мечта Макара Нагульнова из романа Шолохова «Под­ нятая целина». Как говорил шолоховский герой, «все будут личиками приятно-смуглявые, и все одинаковые». Именно такое впечатление мура­ вьи и производят: выражение на их смуглявых личиках одинаковое и весьма приятное. А при­ смотришься... интриги, коррупция, безработи­ ца — чуть что, суицид или полная несознанка. Коррупция в сообществе муравьёв начинается с самого высокого уровня — с вопроса, кому позволено иметь потомство. У перепончато­ крылых (муравьи, пчёлы и осы) гаплодиплоидная система формирования пола: у самцов набор хромосом гаплоидный, у самок — диплоидный. Рабочие муравьи или пчёлы — это самки, кото­ рым размножаться не позволяет феромонный контроль со стороны царицы. Оказавшись вне такого контроля, рабочие отложат неоплодо­

60

©WikiMedia

творённые яйца, из которых получатся самцы. Многие виды пчёл и ос, все виды муравьёв (их около 14 тысяч) эусоциальны — это значит, что потомство воспитывают вместе представители нескольких поколений. Но самое интересное — репродуктивные функции разделены между царицами и их насильственно бесплодными доч­ ками, которые посвящают жизнь выращиванию сестёр. В семье муравьёв, как и в улье пчёл, бывает одна царица, но может быть и несколько или даже мно­ жество. Однако суть общественного устройства не слишком зависит от количества репродуктив­ ных самок — она зависит от поведения рабочего класса. Хорошо ли живётся муравьям-трудягам, социальная жизнь которых полностью отделена от сексуальной сферы? Для нас такая жизнь — страшная сказка, в которой, однако, могут быть намёки — «добрым молодцам уроки». МУРАВЬИНАЯ ПРОФОРИЕНТАЦИЯ

Рабочие муравьи не одинаковы. У некоторых видов явно выражены касты, различающиеся

размерами и боевыми доспехами. Представители касты солдат выглядят как истинные щедрин­ ские головотяпы: гипертрофированные челюсти, непробиваемые лбы. Реагируя на запах чужого, солдаты быстро соберут свою группу с помощью феромонов тревоги: не поздоровится ни хищ­ нику, ни члену чужой семьи. Могут и свою сестру перекусить пополам, если она по какой-либо причине утратила общий запах колонии. Поведенческие и внешние различия у рабочих муравьёв определяются главным образом эпи­ генетическими эффектами: количеством и каче­ ством пищи, доставляемой личинкам рабочими особями, и некоторыми деталями ухода за ними. Экипированный солдат (а точнее, солдатка) и крошечная, в сотню раз меньше, рабочая особь могут быть генетически идентичны. Знакомые многим рыжие лесные муравьи при­ надлежат к видам без выраженных внешних раз­ личий между рабочими. Поскольку население их муравейника насчитывает около миллиона осо­ бей, то изучалось до сих пор поведение больших группировок, а не индивидуумов. В нашей лабо­ ратории мы много лет исследуем этих коллекти­ вистов на индивидуальном уровне и не устаём удивляться, какие же они разные и как во многом их поведение сходно с поведением позвоночных животных. Подобно другим «гениям» животного мира (птицам-навигаторам; видам птиц и зверей, запасающих пищу и запоминающих тысячи тай­ ников; шимпанзе и новокаледонским воронам, изготовляющим и умело использующим ору­ дия), рыжие лесные муравьи оказались гениями общения: они могут решать сложнейшие задачи в ситуациях, когда надо запомнить и эффективно передать сородичам информацию об источнике пищи. Эти насекомые используют символиче­ ский «язык», не уступающий языку танцев пчёл, могут оптимизировать свои депеши (например, вместо перечисления поворотов сообщить «право-лево», и так пять раз) и даже совершать простые арифметические действия. Однако если на островах Новой Каледонии любая ворона ге­ ниальна, то в муравейнике бремя гениальности несут только члены особой профессиональной группы — разведчики, которых в сообществе всего около 1%. Только они могут передавать информацию фуражирам, а те лишь запоминают указания и следуют им. Но и это неплохо и до­ ступно далеко не всем членам семьи. На дея­ тельности фуражиров, собственно, и держится вся муравьиная логистика. Мы разработали специальную батарею тестов, которая имитирует мир муравья и позволяет

оценивать направленность исследовательской активности по выбору разных предметов, хра­ брость и агрессивность по отношению к врагу (хищной жужелице), память и способность ори­ ентироваться. Так были составлены психологиче­ ские портреты представителей разных профес­ сий. И вот каковы оказались разведчики: очень умны, в меру храбры, но и осторожны; у них вы­ сока исследовательская активность; а ещё к ним, похоже, применимо понятие СДВГ — разведчики, в отличие от представителей других муравьиных профессиональных сообществ, постоянно и ак­ тивно переключают внимание на новые объекты. В одном из экспериментов мы устроили подобие «философского парохода», изъяв разведчиков и оставив лабораторную семью без интеллекту­ альной элиты (эта история описана в популярной статье «Для чего нужны умные?»). Последствия были трагичны: муравьи перестали выходить из гнезда за пищей, и семья вымерла, несмотря на попытки экспериментаторов её спасти. Полная противоположность разведчикам — охранники. Эти ребята с самого муравьиного детства обладают повышенной агрессивностью и способны не рассуждая броситься на такого крупного врага, как жужелица. Они продолжают атаковать жука, даже когда сами перекушены пополам. Есть наземные охранники, а есть древесные: они охраняют на деревьях колонии тлей, где трудятся пастухи — доильщики зелёных «коро­ вок», и транспортировщики, передающие сладкое «молоко» (падь) на землю, в муравей­ ник. Наши опыты показали, что если из группы, обслуживающей колонию тлей, изъять пастухов, то охранники начнут доить тлей, но так неумело, что большую часть пади растеряют. Вот ведь как разумно всё устроено у муравьёв: профориента­ ция намечается смолоду, и каждый занимается делом, к которому приспособлен. ЗНАЙ СВОЁ МЕСТО!

И всё же... пристальный взгляд выхватывает в социальном устройстве муравьёв черты города Глупова. Многие муравьи кипучую дея­ тельность лишь изображают, бегая туда-сюда в качестве резерва, который может никогда и не понадобиться. Можно пробегать так всю жизнь. Другие же — до 70% населения! — про­ сто стоят во внутренних камерах, покачиваясь в нирване. А ведь причина такого повального сна не лень вовсе, а повышение (в процессе эволюции) пенсионного возраста. Думаете, легко молодым муравьям прорваться к деятель­ ности? Старшие «авторитеты», которые уже

61

ЗАКОНЫ СВОБОДЫ

ОБЩЕСТВО

отвоевали себе право выполнять определённые функции в строго отведённых для этого точках пространства, не просто их оттесняют, а могут свернуть в «позу чемоданчика» и отнести обратно в гнездо — спи, мол, знай своё место! Наши британские коллеги, которые работают с более простыми видами, имеющими семьи всего в пару сотен особей, установили разли­ чия в эффективности работы разных индивидуу­ мов, но не выявили никакой связи между этим показателем и действительной занятостью! Как будто природа ставит эксперимент, проверяя, до каких пределов может дойти несоответствие выполняемых функций и компетентности в со­ циуме. Как-то мы провели эксперимент на муравьяхрабовладельцах (да, такое бывает не только у людей). Они совершают набеги на гнёзда дру­ гих видов и разоряют их, убивая большинство

наше удивление, когда оказалось, что рабовла­ дельцы отпихивают рабов, вырывают куколок у них из жвал и несут сами! Эргономика — ни­ что, престиж — всё. А ведь у муравьёв нет института управления, их никакой градоначальник не собирает на об­ щие собрания и не доводит до них последние решения партии и правительства славных эусоциальных насекомых. Все правила поведения муравьи, можно сказать, рисуют сами из себя — подобно тому, как они могут построить из самих себя мостик от одного дерева до другого или плот, чтобы спастись от наводнения. Изучение механизмов самоорганизации поможет понять, как действуют такие системы. И подсказка есть: у эволюции всё на живульку смётано, лишь бы

МУРАВЬИРАБОВЛАДЕЛЬЦЫ СОВЕРШАЮТ НАБЕГИ НА ГНЁЗДА ДРУГИХ ВИДОВ, РАЗОРЯЮТ ИХ И ПОХИЩАЮТ МОЛОДЬ. ЭТИ ДЕТИ РАСТУТ В ЧУЖОМ ДОМЕ И, ПОВЗРОСЛЕВ, ВЫПОЛНЯЮТ РАЗНООБРАЗНЫЕ РАБОТЫ: КОПАЮТ, НОСЯТ, ДОБЫВАЮТ ПИЩУ

взрослых особей и похищая молодь: личинки и куколки. Эти дети растут в чужом доме и, по­ взрослев, выполняют разнообразные работы: копают, носят, добывают пищу. Рабы делают всё это гораздо успешнее, чем рабовладельцы, у которых лучше всего получается убивать и грабить. Мы легко это подтвердили, измеряя скорость выполнения разных функций теми и другими. Существенные различия прояви­ лись даже в эффективности переноса куко­ лок в укрытие. Казалось бы, носить куколок рабовладельцы умеют, ведь их боевые рейды на то и направлены. Однако дома с точки зре­ ния эргономики семьи транспортировку моло­ ди стоило бы уступить рабам. Каково же было

62

хоть как-то держалось и работало. Но наш-то, наш-то... человек-то... ведь тоже что угодно сде­ лает «сам из себя» — неугодного и от общества изолирует, и работы любимой лишит, и попо­ лам перекусит, если найдёт признаки чужого. Уж сколько гениальных антиутопий и текстов «с натуры» про это написано, а всё же, пере­ фразируя писателя и поэта Юрия Благова, можно сказать: «Нам по-прежнему нужны // СалтыковыЩедрины». Уроки от муравьёв делают историю города Глупова вечно актуальной. л_л

© DWIYULIANTO / Shutterstock, Jamesbin / Shutterstock

Что ещё почитать Ю жизни Салтыков-Щедрин М. Е. История одного города Оруэлл Дж. 1984 Чуковская Я. К. Софья Петровна И многое другое... Ю когнитивном поведении животных Резникова Ж. И. Интеллект и язык животных и человека: введение в когнитивную этологию. М.: Академкнига, 2005 (последующие издания — М.: Юрайт, 2016, 2018) Резникова Ж. И., Пантелеева С. Н. Возможные эволюционные механизмы «культуры» у животных: гипотеза распределенного социального обучения // Журнал общей биологии. Т. 76 (4). 2015. С. 309-323 Zhanna Reznikova. Studying Animal Language Without Translation: An Insight From Ants. Springer International Publishing AG Switzerland, 2017 Zhanna Reznikova. Spatial cognition in the context of foraging styles and information transfer in ants. Animal Cognition, 2020 Кое-что о муравьях и их профессиях Яковлев И. А. Поведенческая специализация рабочих особей в семье рыжих лесных муравьёв: экспериментальные исследования на разных этапах имагинального онтогенеза. 2010. Ацаркина Н. В., Яковлев И. К., Резникова Ж. И. Индивидуальные поведенческие характеристики разведчиков и мобилизованных фуражиров у рыжих лесных муравьёв // Евроазиатский энтомологический журнал. Т. 13 (3). 2014. С. 209-218 Bert Holldobler, Edward Wilson. The Ants.

1990. (Это самая большая книга о муравьях — «муравьиная Библия», как шутят мирмекологи. Получила Пулицеровскую премию в 1991 году. А в 1998-м авторы издали научно-популярную версию Journey to the ants) Zhanna Reznikova. Chapter ANTS in Field and Laboratory Methods in Animal Cognition. A Comparative Guide. Cambridge University Press, 2018 Anna Dornhaus. Specialization does not predict individual efficiency in ants.

PLOS, 2008

63

Стажировки в исследовательских центрах Huawei Присоединяйся к центрам исследований и разработок Huawei Исследуй будущее вместе с нами

Al, NLP

Машинное обучение

Нейронные сети

Алгоритмы и структуры данных

Математическое моделирование

5G

ЭФ C/C++ i Java Python

Системное программирование

MATLAB к Kotlin ео Go

Москва Санкт-Петербург Дунгуань career.huawei.ru/rri

HUAWEI

ЗАКОНЫ СВОБОДЫ

Никита Лавренов

СЛОВО РЕДАКТОРА

Устают все. Люди, животные, биоло­ гические молекулы. Даже металлы. И бывает, носишься от рассвета и далеко после заката дни, недели, месяц... А потом сутки не можешь оторваться от кровати. И когда меня накрывают подобные эпизоды лени, вспоминается студенческая юность, прошедшая на биологиче­ ском факультете МГУ, и особенно — один из практикумов курса физио­ логии человека и животных.

Кажется, что и наша психика работает подобно лягушачьей лапке. После нескольких недель аврального режима обязательно наступает день (а то и не один) ничегонеделания. Этакая абсолютная рефрактерность. Спустя некоторое время начинаешь работать вполсилы, потихоньку выходя на полную мощность. Всё, что мы делаем (или не делаем), регулируется нервной системой. Баланс её тормозных и возбуждающих

Не перевозбуждайся! Мы препарировали лягушку, подсое­ диняли электроды к её седалищному нерву и подавали разряды тока. Раз­ ряд — мышцы голени лягушки сокра­ щаются, нет тока — расслабляются. Если посылать на нерв частые импуль­ сы, то через несколько сокращений лапка временно перестаёт реаги­ ровать. Период, когда лапка совсем не сокращается от разрядов по обна­ жённому нерву, называется абсолют­ ной рефрактерностью. Со временем лапка снова начинает реагировать на импульсы — сначала слабо, а по­ том с прежней амплитудой. Период, в течение которого сокращение идёт вполсилы, называется относительной рефрактерностью. Ну, то есть задол­ бали лапку. Но не так, чтоб совсем. «Задолбанность» лягушачьей конеч­ ности нам объясняли по-научному, с молекулярных основ. Сокращение мышцы начинается с изменения элек­ трического потенциала синаптиче­ ской мембраны. Напряжение скакну­ ло — в мембране открылись ионные каналы, через которые натрий хлынул внутрь. Клетка возбудилась. В случае мышцы — сократилась. Для повтор­ ного возбуждения ей надо выкачать натрий, закачать внутрь калий, а на это требуется время. Если слиш­ ком часто воздействовать на синапти­ ческую мембрану током, она просто не успевает восстановить статус-кво и дать клетке шанс возбудиться вновь.

процессов позволяет нам рабо­ тать эффективнее, а разбаланси­ ровка чревата неприятными послед­ ствиями. В случае преобладания процессов возбуждения над тор­ мозными происходит утомление центральной нервной системы. Если утомление затягивается, наступает переутомление. Сложные опыты на животных и исследования людей с синдромом хронической усталости показывают важную роль серотониновой си­ стемы в психическом утомлении. При переработках эта система нередко даёт сбои: нарушается работа транспортёров серотонина, рецепторы становятся менее вос­ приимчивы к этому гормону, возни­ кают проблемы с его выработкой или утилизацией. Такие поломки могут повлечь за собой ощущение усталости, ухудшение концентрации внимания, расстройство аппетита и бессонницу. Чтобы не расшатать серотониновую систему, специалисты рекомендуют соблюдать баланс работы и отдыха. Как и лягушачьей лапке, нашей психи­ ке после нагрузок требуется некото­ рое время на восстановление. Как бы банально это ни звучало, но лишь понимание возможностей своего организма и соблюдение режима труда и отдыха помогают не терять работоспособность. л_л

65

ЗАКОНЫ СВОБОДЫ

ПАМЯТЬ

Как наука помогла победить фашизм 5 важных практических открытий, сделанных в годы Великой Отечественной войны Необычный способ увековечения памяти придумали в Минобрнауки к 75-летию Победы в Великой Отечественной. О работе советских учёных и медиков во время войны рассказывается в тематическом вагоне «Поезд Победы» — первой в мире иммерсивной (с вовлечением зрителя) инсталляции, размещённой в движущемся составе поезда. Вдохновившись, «Кот» вспомнил ключевые научные подвиги времён войны

бб

дТ

л

£ Иосиф Лейбин

/ч

Пенициллин и бактериофаг История. В 1942 году биолог \Зинаида Ермольева прилетела в Сталинград, чтобы орган'|*зовать приём жителями осаждённого города бактериоз фага против холеры, которая подступала с за­ хваченных территорий. Ермольева была извест­ нейшим в мире специалистом по холере. Она проводила исследования с 1922 года, в научных целях даже поставила на себе опасный экспе­ римент. Препарат холерного бактериофага был создан ею же в конце 1930-х годов. Эшелон, который вёз бактериофаг из Москвы, был разбомблён. И тогда Ермольева организо­ вала его производство на месте, в осаждён­ ном городе: препарат ежедневно принимали 50 тысяч человек — другого такого случая история не знает. В Сталинграде Ермольева воочию убедилась, что большая часть раненых погибает от инфекций. Всё в том же 1942 году она выделила и позднее ©Архив Министерства образования и науки

нициллина было мало, он был не очищен и нестабилен. Для запуска в производство лекарственного препарата с принципиально новым механизмом действия (тогда про анти­ биотики не было известно практически ничего) необходимы были полноценные клинические испытания, новые штаммы плесневых грибов, новые методы выделения. Парадоксально, но именно война ускорила исследования, позво­ лившие спасти миллионы жизней. Англо-аме­ риканская и советская группы учёных добились результата независимо друг от друга. Вклад. Во время войны антибиотики позволили невероятно (на 80%) снизить смертность среди раненых, лечить эпидемии и значительно умень­ шить количество ампутаций. Их появление на­ всегда изменило медицину. Первый устойчивый к пенициллину штамм появился уже в 1945 году и ознаменовал начало ещё одной гонки воору­ жений — между людьми и бактериями.

«Поезд Победы» идёт из Волгограда

организовала производство первого антибиоти­ во Владикавказ, Новороссийск, Керчь, Севастополь и Москву ка — пенициллина. Все эти подвиги Ермольева совершала, когда её второй муж, микробиолог Алексей Захаров, был уже расстрелян (ей говорили, Размагничивание кораблей что он умер в тюрьме), а первый муж, вирусолог ^История. Вскоре после начала войны немцы Лев Зильбер, был второй раз отправлен в лагеря. заминировали Керченский пролив и подходы Вытащить его она смогла только в 1944 году. к крупнейшим черноморским портам: Одессе, СевастЪлолю, Новороссийску. Вермахт как раз Научный смысл. Пенициллин был получен начал пригонять мины с магнитными взрыва­ Александром Флемингом (нобелевским лауре­ телями. Они лежали на дне, недосягаемые для атом 1945 года) ещё в 1928 году — в общем-то, тральщиков, и\реагировали только на изменение случайно. На некоторых чашках Петри, где росли магнитного поДя, которое искажалось при про­ колонии бактерий, появилась плесень и убила хождении сверху огромной конструкции из фер­ ромагнитных материалов — стального боевого бактерии. (Сейчас мы понимаем, что пеницил­ лин препятствует синтезу пептидогликана — либо грузового корабля. Уже 9 августа 1941 года компонента клеточной стенки многих бактерий.) физики ИПЯЯЯПЗЙЯЕНЯЗ и Анатолий Александров Флеминг выделил действующее вещество, прибыли в Севастополь, чтобы установить свою но до применения в медицине было далеко: песистему защиты кораблей от мин. © Архив Министерства образования и науки / WikiMedia

67

ЗАКОНЫ СВОБОДЫ

ПАМЯТЬ

Часть экспозиции, посвящённой легендарной советской создательнице пенициллина Зинаиде Ермольевой

Научный смысл. «Система ЛФТИ» (Ленин­ градского физтеха) Курчатова и Александрова делала корабли практически невидимыми для мин с магнитными взрывателями. Суть системы в том, что для компенсации искажения магнит­ ного поля Земли на борту нужно установить электромагнит, который будет создавать ров­ но противоположное искажение. В итоге для стороннего наблюдателя магнитное поле под кораблём будет таким же, как и без корабля. Вклад. Этой системой было оборудовано боль­ шинство военных и гражданских судов, она при­ менялась при обороне Севастополя, на Волге в 1942 году, на Балтике, на Северном флоте. В мирное же время размагничивание кораблей обеспечивает более точную работу бортового компаса.

Начало атомного проекта Практический успех в решении задачи размаг­ ничивания кораблей позволил Курчатову воз­ главить атомный проект. Именно ему Лаврен­ тий Берия показал тетрадь убитого в феврале 1942 года под Таганрогом немецкого майора Ганса фон Вандервельде. Курчатов понял, что майор искал торий и что в 1942 году немцы вплотную подошли к созданию ядерной бомбы. В марте 1943-го под руководством Курчатова развернулись исследования в области обогаще­ ния урана, а в начале 1945-го был запущен ком­ бинат по производству плутония. Первое испы­ тание плутониевой бомбы состоялось 29 августа 1949 года.

68

Преодоление предела скорости История. Самолёт новейшей модели постепенно ускоряется, приближаясь к звуковому барье­ ру. По всему его корпусу начинают пробегать вибрации, сначала слабые, затем настолько ✓ ' интенсивные, что аппарат в,букваЛь"ном сйыс7 ле разваливается в в^зд^хе. Обломки падают на землю, пилот приземляется с пар^иштом, механики запихивают показания приборов. В 194^годуматамап1кам ШВВЙЕВШ и [ЗЯЯЯЯЯЙЯЯЯЯЯЕВЯ была вручена Сталинская премия. Они работали в эвакуированном в Ка­ зань Центральном аэродинамическом институ­ те — занимались расчётами вибраций самолёта. Но эти расчёты приносили победы в воздухе. Научный смысл. Это эффект флаттера — самовозбуждающиеся при некоторой критической скорости полёта колебания, приводящие к раз­ рушению самолёта. Ещё с 1930-х он накладывал жёсткие ограничения на максимальную скорость полёта. Келдыш с Гроссманом разработали мо­ дель, описывающую это явление, и предложили ряд конструктивных решений, позволивших избе­ жать флаттера и производить более скоростные летательные аппараты.

«Санитарный поезд» — часть экспозиции «Поезд Победы». Изобретение антибиотиков снизило смертность от ран на 80%

Вклад. Скорость — наиболее важная характери­ стика военного самолёта наряду с манёврен­ ностью. Тот, у кого преимущество в скорости, может легко уйти от боя или навязать его, в за­ висимости от обстоятельств. Авиаконструкторы старались разработать всё более скоростные аппараты, но при этом возникали проблемы, в частности эффект флаттера. Их решение дава­ ло одной из сторон очевидное преимущество. Советские авиаконструкторы, пользуясь уравне­ ниями, выведенными в том числе Мстиславом Келдышем, смогли создать летательные аппараты, позволившие одержать победу над вермахтом, а после отправиться туда, где эти уравнения не работают: за пределы атмосферы.

Создание ракет Начало войны будущий создатель советской кос­ мической программы Сергей Королёв встретил

Экспозиция «Поезд Победы» иммерсивная, то есть зрители — не просто зрители, а участники действия

в заключении. Он был арестован в 1938 году, а к началу войны работал под руководством Анд­ рея Туполева (тоже заключённого) в шарашке — на­ учном институте, состоящем из арестантов (ОКБ-16 при Казанском авиазаводе № 16). Вера в науку и патриотизм, неубитый даже лагерями, позво­ ляли учёным и в шарашках оставаться исследова­ телями —делать открытия и совершать прорывы. Королёв был освобождён только в 1944 году. Научный смысл. В заключении Сергей Королёв улучшал боевые качества самолётов Ту-2 и Пе-2. А в 1943 году занялся проектированием ракет­ ной техники, в частности создал реактивное оснащение для Пе-2, первый полёт которого с действующей ракетной установкой состоялся в октябре того же года. Вклад. Работа Королёва над усовершенствова­ нием военной авиации имела большое кратко­ срочное и колоссальное долгосрочное значе­ ние. Сконструированная под его руководством баллистическая ракета-носитель Р-7 вывела на орбиту первый спутник, а чуть позже достави­ ла в космос первого человека, открыв новую эру в истории. Но первые прототипы легендарной «семёрки» были созданы во время войны. Л_Л

© Архив Министерства образования и науки / WikiMedia

69

ТЕХНОЛОГИИ

Регенерировать будетТе^

Червяк планария может отрастить себе Головин!* тела, более близкие к нам ящерицы — новый хвост, аЛйнем человек хуже? Что, если попытаться помочь нашему организму запустить механизмы регенерации? Об этом «Кот Шрёдингера» побеседовал с Анастасией Ефименко, учёным и врачом, которая хочет помочь человеческому организму самому чинить поломки. А ещё — как молодая мать двоих детей сумела возглавить лабораторию репарации и регенерации тканей Института регенеративной медицины МНОЦ МГУ и победить в конкурсе L’Oreal — UNESCO «Для женщин в науке»

& Анастасия Шартогашева

А

АНАСТАСИЯ ЕФИМЕНКО

Заведующая лабораторией репарации и регенерации тканей Института регенеративной медицины МНОЦ МГУ

70

Среди учёных и врачей особенно часто встре­ чаются счастливчики, которые с детства знали, кем хотят стать. Анастасия Ефименко как раз из таких: её с детства очаровало устройство человеческого тела, поэтому с выбором профес­ сии мучиться не пришлось. И после школы она не задумываясь поступила на врача в МГУ. Сейчас Анастасия возглавляет исследователь­ скую лабораторию в Институте регенеративной медицины Медицинского центра МГУ. Если бы она была волшебницей, то искала бы заклина­ ние, которое поможет вырастить, например, новое лёгкое. Но Анастасия врач, поэтому она спасает лёгкие другим способом — стирая с них рубцы, оставленные болезнью. Для этого она вникает в тонкости взаимодействия клеток: судь­ ба одних там всегда зависит от работы других.

Кому подчиняется стволовая клетка? Поведением стволовой клетки руководит ниша — группа клеток, иногда буквально окружающая стволовую. Клетки ниши синте­ зируют молекулы, которые влияют на метаболизм стволовой клетки: тормозят или, наоборот, запускают её метаморфозы и управляют тем, какой именно клеткой она станет. В яичке, например, всю жизнь идёт процесс превращения стволовых клеток в сперматозоиды, и кон­ тролируют это действо стромальные клетки ниши, окружающие стволовые. В волосяной луковице, кишечнике, костном мозге клетки ниши тоже берут стволовую клетку в кольцо. Но так происходит не везде, поэтому говорят, что ниша — это не столько физическое окружение стволовой клетки, сколько интерфейс, который управляет ею. Если орган травмирован или затронут болезнью, клетки ниши запускают в стволовой клетке изменения, которые приводят либо к появлению новых функциональных клеток взамен утраченных, либо к образованию рубца из соединительной ткани.

Мезенхимные стромальные клетки человека в культуре, иммунофлуоресцентный анализ. Красным и зеленым помечены разные белки цитоскелета клеток, синим — ядра

дело в стволовых клетках — они ^превращаться в любые другие?

!давно учёные бы с вами согласились, ^нень долго считалось, что единица регене­ рации — та самая стволовая клетка. Но этот подход устарел. Сейчас мы называем единицей регенерации не отдельные стволовые клет­ ки, а стволовые клетки в составе специальной ниши. Ниша — это такой интерфейс, который управляет стволовой клеткой и распоряжается ЧЕЛОВЕК РЕГЕНЕРИРУЮЩИЙ её судьбой. Ниша может заставить стволовую клетку превратиться в любую специализирован­ Люди явно не чемпионы по регенерации: ящерица может отрастить себе хвост, а мы, ка­ ную: костную или жировую, нейрон или эритро­ жется, такими способностями не обладаем. цит. Управляя клетками ниши, можно управлять Наше тело, в принципе, стволовыми способно клетками, восстанавли­ а значит, и регенерацией. вать утерянные или поврежденные ткани и органы. Но до сих пор это нечасто использовали в медицине. Когда вы говорите о регенерации, вы имеете в виду органы — например, печень или лёг­ В основном мы лечим либо хирургически — удаляя всё больное, — либо препаратами, убивая больные кое, — которые вырастают на месте больных? клетки, бактерии, вмешиваясь в уже установившие­ Новые органы, выращенные из живых клеток, — ся отношения между органами и их системами. это целое направление регенеративной медици­ Регенеративная медицина — это принципиально ны, оно называется тканевой инженерией. Навер­ другая история: мы ищем способы восстанавли­ ное, когда-нибудь это станет возможным — уже вать здоровую, функциональную ткань, делать так, сейчас на ЗО-принтерах пытаются собирать орга­ чтобы место утраченных клеток занимали новые. ны из отдельных клеток. Но прежде чем создать целый орган, нужно понять механизмы, управля­ Человеческий организм на это способен, но ему нужно помогать. ющие регенерацией. Это и есть моя работа. © Eric Isselee/Shutterstock, из личного архива Анастасии Ефименко

71

ТЕХНОЛОГИИ

Сейчас я занимаюсь в основном мезенхимны­ ми стромальными клетками, МСК, — это важная часть ниши: они вырабатывают массу веществ, которые контролируют поведение стволовой клетки. Эту их способность очень удобно ис­ пользовать: можно вырастить популяцию МСК в лаборатории, собрать вещества, которые они вырабатывают, и доставить их к повреждённому органу. А можно поступить по-другому — например, нанести такие вещества на каркас и высадить потом на него живые клетки. Это уже ближе к тем самым искусственно выращенным органам, которыми все интересуются. Недавно мы с кол­ легами доказали, что часть веществ, выделя­ емых МСК, формируя Iвнеклеточный матрикс влияет на судьбу стволовых клеток — приводит их в состояние боеготовности, так что те легко откликаются на внешние сигналы и быстро диф­ ференцируются, то есть превращаются в специ­ ализированные клетки нужного типа. Мы позвали на помощь химиков и сейчас вместе с ними делаем новый материал на основе ма­ трикса мезенхимальных клеток. На таком мате­ риале популяция стволовых клеток будет быстро двигаться в нужном направлении.

Внеклеточный матрикс — субстанция, в которую погружены клетки организма. Он состоит в основном из коллагена и других белков, а также гиалуроновой кислоты. Внеклеточный матрикс составляет основу соединительной ткани, обеспечивает механи­ ческую поддержку клеток и транспорт химических веществ, объединяя разрозненные клетки в одно целое — организм.

Фиброз или регенерация? В повреждённом месте могут появиться новые функциональные клетки, а может образоваться соединительная ткань — рубец. Второй вариант по-своему тоже неплох: рубец быстро закрывает повреждённое место, прекращает воспаление и защищает окружающие клетки. Но соединительная ткань рубца не выполняет работу здоровой ткани. Возьмём, к примеру, лёгкие: в них после вирусной пневмонии и других болезней часто возникает очень много рубцов, и человеку становится тяжело дышать. Избыточное рубцевание называется фиброзом. Во время пандемии C0VID-19 проблема фиброза встала особенно остро: коронавирус оказался способен вызывать фиброз лёгких даже у тех, кто перенёс болезнь в лёгкой форме. Путь, по которому идёт заживление, зависит от поведения стволовых клеток. Они могут превратиться в новые функциональные, а могут быть замещены миофибробластами — клетками соединительной ткани. С возрастом заживление тканей всё чаще идёт по пути фиброза и реже — по пути регенерации.

С КЕМ ПОВЕДЁШЬСЯ... Выходит, всё зависит не от самих стволовых клеток, а от того, где они живут и с какими клет­ ками «общаются»?

Да, одна клетка в поле не воин, всё определя­ ется окружением. Для нас, врачей, это очень удобно: чтобы подстегнуть регенерацию, во­ все не обязательно где-то находить и вводить пациенту много стволовых клеток. Если всё дело в окружении и химических сигналах, которыми обмениваются клетки, то можно выращивать клетки в лаборатории, а людей лечить этими самыми химическими сигналами. Очень похоже на то, как сейчас делают обычные лекарства: их синтезируют генно-модифициро­ ванные дрожжи.

Да, именно так! Только вместо дрожжей у нас лекарства производят живые клетки человека, причём именно те, которые в норме участвуют в обновлении и восстановлении тканей. Этот подход выгоден ещё и тем, что можно собрать вещества, выработанные клетками здоровых молодых людей. А лечить мы будем людей в возрасте, у которых собственные стволовые клетки и клетки ниши работают уже не так хо­ рошо.

72

Плоский червь планария — один из чемпионов по регенерации, он способен отрастить себе до половины тела

© Rattiya Thongdumhyu / Shutterstock

Разве стволовые клетки портятся с возрастом? Кажется, они не стареют и не болеют. Или это неправда?

взятыми из клеток молодых доноров, это можно и нужно делать.

Это ещё одна устаревшая концепция. На самом деле возраст и хронические заболевания, осо­ бенно связанные с хроническим воспалением, влияют и на стволовые клетки, и на клетки ниши. По-другому и быть не может: ведь ниша обязана реагировать на сигналы организма, чтобы во­ время чинить сломанное. Но это не значит, что стволовые клетки нужно «беречь смолоду». Я даже не возьмусь назвать главные факторы ри­ ска — хотя бы потому, что в числе этих факторов есть само время. От него не убежишь, мы старе­ ем. Дело в другом: планируя лечение, мы должны учитывать состояние клеток пациента — возраст, хронические заболевания. И если есть возмож­ ность лечить пожилого человека веществами,

А в чём проявляется старение ниши и чем оно опасно?

Я приведу пример, особенно актуальный в этом злополучном году. У переболевших ковидом часто развивается фиброз лёгких: организм слишком активно старался залечить повреж­ дённые лёгкие и оставил на них рубцы. Совре­ менными методами фиброз не лечится, нужна трансплантация органов. Часто именно фиброз, а не спровоцировавшее его заболевание, при­ водит к смерти. Фиброз, то есть образование рубца, — один из двух вариантов заживления. Второй вариант, гораздо более привлекательный, — это восста­ новление функциональной ткани. Интересно вот

© Фото предоставлено пресс-службой РИФ

73

ТЕХНОЛОГИИ

Срезы лёгочной ткан^ мышей, которым моделировали фиброз 1Ьгких с помощью шЯ^^ния блеомицина. Г истохимическая oKpacKia^uo Массону

что: каждый раз, сталкиваясь с повреждением, организм делает выбор в пользу одного из этих вариантов — рубец или регенерация. И чем старше стволовые клетки и их ниши, тем больше вероятность, что вместо здоровой функциональ­ ной ткани образуется рубец. Но есть и хорошие новости: совсем недавно мы нашли способ направлять заживление по дру­ гому пути — и даже обращать фиброз вспять. Пока это не готовое лекарство, а только научные ре­ зультаты, но они очень обнадёживают. В том числе потому, что в этом случае не нужны собственные клетки пациента, которые могут быть старыми и склонными к запуску образования рубцов. Похоже на волшебство. Ткани ведь не превра­ щаются друг в друга — сколько спортом ни зани­

74

майся, жировая ткань не станет мышечной. А вы, получается, нашли способ прямо в организме превращать ткань рубца во что-то другое?

Давайте начнём с того, что представляет собой ру­ бец. Он состоит из соединительной ткани, которую образуют преимущественно клетки миофибробласты. Они выделяют особое вещество — матрикс, который, как цемент, скрепляет повреждённые ча­ сти. Миофибробласты образуются из клеток-предшественников, которыми управляет в основном их собственная генетическая программа. Когда она запускается, с ДНК клетки считываются моле­ кулы РНК, на основе которых клетка производит белки. Какие белки, такая и судьба у клетки. Но у со­ седок есть способ вмешаться в этот процесс. Это можно представить как интервенцию на тер­ риторию соседнего государства. Клетка-интер-

Клетки управляют клетками лллллл Информация о том, как устроены белки — строительный материал и важнейшие молекулярные машины любой клетки, — записана в длинных и компактно упакованных молекулах ДНК. Фрагменты ДНК переписываются на молекулы РНК, которые клетка использует как инструкцию для сборки белков. Но большая часть ДНК не имеет отношения к белкам — такие фрагменты называются некоди­ рующими. Многие из них тоже пере­ писываются на РНК. Некодирующие РНК выполняют в клетке множество важных функций и могут проникать в соседние клетки. Некодирующие РНК способны влиять на развитие стволовых клеток. Заключённые в пузырьки-везикулы, они проходят через мембрану родительской клетки и попадают в другие. Там они могут связываться с кодирующими РНК и мешать им строить белки.

вент вырабатывает молекулы микроРНК и упа­ ковывает их в специальные шарики-везикулы, способные проходить через мембрану. Вези­ кулы выносят микроРНК из клетки-интервента и проникают внутрь другой клетки. Там завоева­ тели наводят свои порядки: связываются с дру­ гими молекулами РНК и не дают им выполнить работу — строить белки. Это очень серьёзное вмешательство, которое может полностью изме­ нить судьбу клетки и даже отменить её превра­ щение, например, в миофибробласт. Наша работа заключалась в том, чтобы подо­ брать правильный набор микроРНК, получить их от мезенхимальных клеток и воздейство­ вать этими молекулами на миофибробласты

Научно-исследовательские лаборатории Института регенеративной медицины МНОЦ МГУ имени М.В. Ломоносова

и их клетки-предшественники. И это сработа­ ло — вначале в пробирке, а потом и на животных. Я очень надеюсь, что в конце концов мы найдём способ обращать фиброз у людей вспять. Наука и теория — это, конечно, интересно, но моя глав­ ная мечта — лечить людей.

ВРАЧ, УЧЁНЫЙ, МАТЬ То есть вы в первую очередь врач, а потом уже учёный?

Я сначала защитила диссертацию, потом уже пошла в ординатуру, но всё-таки я медик. Есть учёные, которые занимаются исключительно фундаментальными исследованиями, мне же важно знать, что моя работа ведёт к созданию препарата, что она принесёт пользу людям. При этом моя научная биография началась совсем не с медицины: первое исследование, которое я провела ещё в школе, было связано со статистической обработкой генетических данных. И первые яркие впечатления тоже были связаны с наукой: мне в школе повезло выиграть поездку на вручение Нобелевской премии. В тот год премию по физике вручали Жоресу Алфёрову.

© Фото предоставлено пресс-службой РИФ

75

ТЕХНОЛОГИИ

Я НЕ УСТАЮ ПОВТОРЯТЬ, ЧТО СЕМЬЯ ДЛЯ УЧЁНОГО — ОЧЕНЬ ВАЖНАЯ ЧАСТЬ ЖИЗНИ. ОНА ДАЁТ ТАКУЮ ПОДДЕРЖКУ, БЕЗ КОТОРОЙ НЕ ВСЯКИЙ СПРАВИТСЯ. ПОЭТОМУ ВОЗМОЖНОСТЬ ЗАНИМАТЬСЯ СЕМЕЙНЫМИ ДЕЛАМИ БЕЗ УЩЕРБА КАРЬЕРЕ ДОЛЖНА БЫТЬ ЗАЛОЖЕНА В СИСТЕМЕ

рано. Но им нравятся эксперименты! Наука — это вообще очень полезное занятие. Постоян­ ная умственная работа продлевает жизнь, это подтверждено исследованиями. Кроме того, научная карьера формирует замечательный круг общения. Учёные — люди увлечённые, мотиви­ рованные и творческие. Это хорошая среда. И очень конкурентная.

Фибробласты человека, иммунофлуоресцентный анализ

Встретиться с великими учёными — это и для взрослого человека большое событие, а для школьницы тем более. Когда вы учились в школе, там почти не занима­ лись исследовательской работой. Сейчас это обязательная часть школьной программы. Вас это радует?

Это, конечно, хорошо, но у меня есть некоторые опасения. Исследования в школе часто похожи на науку только внешне. Школьные конферен­ ции превращаются в спектакль... А детей нужно не только баловать впечатлениями, хотя это важ­ но. Нужно учить их рутинной работе исследовате­ ля — только так можно привить интерес к науке, Своих детей вам уже, наверное, удалось заинте­ ресовать?

Мои сыновья для этого, пожалуй, маловаты: пять и двенадцать лет, для настоящей науки слишком

76

Да, к сожалению, это так. Карьера в науке зависит оттого, как часто вы публикуетесь, насколько своевременно проходите определённые вехи, а ещё оттого, сколько вы успеете сделать в стату­ се «молодого учёного». Молодые — это, по опре­ делению наших грантодающих организаций, учёные до 35 лет. Им дают финансирование и по­ ощряют к участию в конкурсах, которые играют роль карьерного лифта. Я сама возглавила лабо­ раторию по итогам такого конкурса для молодых учёных: два года назад я и ещё десять коллег получили по собственной лаборатории в МГУ. Без конкурсов подобные вещи почти недостижимы. У такой системы много недостатков. Один из са­ мых серьёзных — её герметичность: если уйдёшь из науки, вернуться будет очень сложно. А ухо­ дить приходится по разным причинам — меди­ цинским, личным, семейным. Самая статистиче­ ски значимая, наверное, — это декретный отпуск и отпуск по уходу за ребёнком. От этого страдают, по крайней мере в России, в основном женщины, но и мужчинам достаётся. У меня двое детей — и два провала в истории публикаций.

КАК ДОБИТЬСЯ НЕВОЗМОЖНОГО Получается, что система требует от молодых мам почти невозможного — не выбиваться из графика публикаций, рожая и ухаживая за ма­ леньким ребёнком.

Мой личный опыт показывает, что это не совсем нереально. Мне помогали коллеги, руководство, поэтому я неплохо восстанавливалась и навёр­ стывала упущенное.

Выступление Анастасии Ефименко на церемонии награждения лауреатов конкурса L’Oreal — UNESCO «Для женщин в науке»

Даже так: большинство молодых учёных всё-таки возвращаются, часто с новыми идеями и вдох­ новением. Но система, в которой успешное возвращение зависит от доброй воли началь­ ства, несправедлива. Поэтому я рада, что у меня и моих коллег получилось её немного исправить. В прошлом году я и другие лауреатки премии L’Oreal — UNESCO «Для женщин в науке» напи­ сали коллективное письмо в МГУ, Российский научный фонд (РНФ) и Российский фонд фунда­ ментальных исследований (РФФИ). Мы описали проблему, приложили анализ политики зарубеж­ ных институтов и предложили внести измене­ ния в правила конкурсов — а ещё специальную программу, которая должна облегчить молодым специалистам возвращение в науку. И вам пошли навстречу?

Да, у нас получилось: в МГУ и РНФ приняли поправки к правилам проведения конкурсов

и ввели политику остановки часов — когда годы, проведённые в декрете и отпуске по уходу за ре­ бёнком, не идут в зачёт. Особенно меня пора­ довало, что в РНФ не только рассмотрели наши предложения — их доработали, дополнили. Жаль только, что эти изменения действуют точечно; нужно ещё много работать, чтобы политику остановки часов приняли во всех российских научных организациях. Между наукой, медици­ ной, преподаванием времени на общественную работу почти не остаётся, а жаль. Справедливость восторжествовала!

Дело не только в справедливости. Я не устаю повторять, что семья для учёного — очень важная часть жизни. Она даёт такую поддерж­ ку, без которой не всякий справится. Поэтому возможность заниматься семейными делами без ущерба карьере должна быть заложена в системе. Л_Л

© Из личного архива Анастасии Ефименко

77

СДЕЛАЙ САМ

Правдивая сказка о трансгенной репке Никита Лавренов

/ч

ГМО. Три буквы, пугающие обывателей и вдохновляющие учёных. Кто-то боится, что из-за трансгенной пищи мы станем бесплодными и вымрем, а кто-то грезит о возможности накормить весь мир и навсегда победить авитаминоз. Страхи эти большей частью необоснованны, а мечты — пока не реализованы. Но сделать первый шаг к воплощению жутких кошмаров или смелых фантазий можно уже сегодня — в продаже появились наборы для домашней генной инженерии. Самое время собирать рецепты в «Поваренную книгу юного биохакера»! Для начала опишем один сказочный рецепт использования биотехнабора, основанный на реальной истории создания трансгенной сои. Только наша история про репку трансгенную будет

78

© Slowmotiongli / Shutterstock

Зачем всё это? Стоит задавать этот вопрос перед началом любого более-менее осмысленного дела. А если дело — выведение генетически уникального организма, то и подавно. Хотите вывести розы, что сражают ядами — блокаторами дыхательной цепи каждого, кто укололся об их шипы, — да будет так. Подумываете вывести репу, без рыб рыбий жир произво­ дящую, — мы только поддержим. Поскольку редакция наша за мир во всём мире, остановимся на варианте с репкой.

Чьи гены пересаживать будем? Чтобы репка наша рыбий жир произ­ водила, можно попробовать пере­ садить ей ген лосося, что кодирует белок, что омега-3 жирные кислоты производит. Но, вполне возможно, у лососей производство полезного жира зависит от целого каскада бел­ ков и пересаживать придётся сразу десяток генов. А возможно, и белки лосося несовершенно будут рабо­ тать — слишком уж разная биохи­ мия. Для поиска идеального донора генов придётся прошерстить мири­ ады страниц научных статей. И, как часто бывает, кто ищет, тот находит. Известны науке растения такие, что омега-3 жирные кислоты произ­ водят. Есть об этом статья, а в ней пишут, что у некоторых примул (ши­ роко известных под именем перво­ цвет) в цветках встречаются два бел­ ка, ответственных за производство омега-3 жирных кислот. Известны и гены, что кодируют в примулах эти белки. И встречаются эти гены ещё у грибов рода нейроспора. Но при­ мула репке более близкая родня, оттого и донором первостепенным её выбрать стоит.

отправиться за генами в путеше­ ствие. Только не спешите паковать чемоданы — сначала посадите репку, чтобы было куда гены потом пересаживать. Посадили? Отлично, можно лететь за примулой-донором. Не забудьте вооружиться канцеляр­ ским дыроколом, маленькими сте­ рильными пробирками-эппендорi»is.iaisi и 70%-ным раствором спирта. Этот набор можно назвать «starter pack юного генного инженера». Глобальная база биоразнообразия GBIF| расскажет нам, где донор генов прячется, где и когда его в послед­ ний раз заметили, — начните поиски с этой локации. И, о чудо — удача с первой попытки! Перед вами завет­ ный первоцвет. Не теряйте само­ обладания: твёрдой рукой берите дырокол и хладнокровно дырявьте им лист. В листе осталась дырка, а в дыроколе — кружочек. Этот кру­ жочек нужно положить в ту малень­ кую пробирку, что с собой захватили, да залить всё спиртом.

►Этим длинным словосоче­ танием химики называют органические кислоты, имеющие двойную связь после третьего с конца атома углерода. Омега-3 кислоты могут иметь двойные связи и в дру­ гих позициях, тогда их называют полиненасыщенными. Эти жирные кислоты необходимы для здорового роста, развития и функциониро­ вания нашего организма. Их недостаток связывают с развитием клинической депрессии, отложением холестериновых бляшек, а регулярное потреб­ ление — с увеличением продолжительности жизни. Наши собствен­ ные клетки вырабатывать омега-3 жирные кислоты не умеют, поэтому их необходимо употреб­ лять с пищей. В большом количестве они содер­ жатся в жире морской рыбы.

• База данных, в которой зафиксировано, какой вид организмов где и когда был встречен. С помощью GBIF можно найти хоть кашалота, хоть иерихонскую розу.

Три волшебные буквы Экспедиция за генами Донор генов для репки, что веганов мира всего рыбьим жиром нерыбье­ го происхождения снабдит, обитает в предгорьях Кордильер. Придётся

Отобранный кружочек содержит не­ сколько тысяч клеток. В каждой клет­ ке — по копии заветного гена. Только как его оттуда извлечь? Для этого генетический материал отправляют

79

сделай сам

на три нашумевших буквы — lima Реакция эта позволяет сделать мириады копий любого фрагмента ДНК, нужно лишь правильно ингре­ диенты подобрать. Кидаем в котёл правильно подобранные праймеры, фермент-полимеразу да нуклеоти­ дов запас. Последний штрих — тща­ тельно измельчаем кружочек из ды­ рокола и отправляем в ПЦР-котёл. Там происходит магия: праймер ищет в геноме донора комплемен­ тарный участок и связывается с ним, образуя этакую взлётно-посадочную полосу для ДНК-полимеразы. По­ лимераза видит праймер, садится на него и начинает клепать копию вожделенного гена. На разных стадиях процесса вы то нагреваете, то охлаждаете пробирку, в которой творится эта молекулярная алхимия.

Волшебная палочка Теперь настало время достать волшебную палочку. Не бузин­ ную, а палочковидную бактерию Agrobacterium tumefaciens — глав­ ного союзника генного инженера. Строго говоря, эта бактерия тоже генный инженорГОна умеет'вотраивать в геномрастений гены из свЪей 0; что вызывает образо­ вание опухолей, клетки которых производят питательные для этих бактерий вещества. Учёные научи­ лись подсовывать агробактериям в плазмиду гены, которые сами хотят встроить в растения. С помощью набора ферментов перекраиваем плазмиду: вставляем туда нарабо­ танный из примулы ген, подшиваем ^ пару генов, обеспечивающих устой^ чивость к антибиотикам у бактерий, и ещё один — устойчивость к третьему антибиотику у растений. После моле­ кулярной кройки делаем множество копий нашей плазмиды с/помощью ЯНЯЯТшони это делают почти сами и весьма охотно). Затем подсовываем плазмиды тем клеткам Agrobacterium tumefaciens, что не успели обзавестись собствен­ ными плазмидами. Убиваем антибио­ тиками, резистентность к которым

80

Полимеразно-цепная реакция. Изобретение 1980-х, которое при­ несло своему автору Нобелевскую премию по химии. Эта реакция — один из самых быстрых и эффективных способов получить неограниченно большое количество копий нужного гена. Схема реакции доста­ точно проста. Сначала необходимо подобрать участок ДНК, начиная с которого требуется «копировать» фрагмент ДНК и синтезировать праймер — короткий одноцепочечный фраг­ мент ДНК, комплемен­ тарный (помните школь­ ную мантру А—Т, Г—Ц?) этому участку-мишени. С помощью праймера фермент ДНК-полимераза, отвечающий за копи­ рование ДНК, «пони­ мает», какой именно ген в длинной цепоч­ ке служит её целью. Для наглядности можно представить, что ДНК — большая книга, ген — небольшой параграф, праймер — закладка, а ДНК-полимераза — копировальный аппарат. Не хватает только чернил (если угодно, бумаги), которые и составят копию. Ими служат нуклеотиды — структурные единицы (те самые А, Т, Г и Ц), буквы той самой ДНК-книги, копию фраг­ мента которой нужно сделать с помощью ПЦР.

зашивали в плазмиду, бактерий, коих не удалось модифицировать. В ре­ зультате выживут только устойчи­ вые—те, которым пересадили ген рыбьего жира. Дальше можно пересаживать его в репку.

Пересадка генов У нас был донор гена — XXX. Век­ тором-посредником мы выбрали агробактерий. Теперь настала пора подготовить реципиента — репку. За время путешествий и молеку­ лярных манипуляций она успела вырасти. Но нельзя просто так взять и пересадить ген в репку. Нужно выделить из неё каллус. Так назы­ ваются стволовые клетки растений. Для этого берём стерильный скаль­ пель и надрезаем стебель. Вскоре на нём появится зеленоватая вязкая жидкость — это и есть каллус. Его надо пересадить на питательную среду. А затем подсадить к культуре каллуса ещё и агробактерий. И сде­ лать это 20 раз подряд: высадить 20 чашек каллуса, да чтобы погуще, и подсадить бактерий во все. В за­ сеянных чашках Петри рождается страсть, которой лучше не мешать.

Это небольшая молеку­ ла ДНК, обособленная от основного генети­ ческого материала, заключённого в хромо­ соме. У людей их нет, а вот у бактерий частенько встречаются.

Излюбленный питомец микробиологов, био­ технологов, генетиков и представителей дру­ гих отраслей биологии. Именуется эшерихией (лат. Escherichia) в честь Теодора Эшериха, микробио­ лога из тогда ещё Австро-Венгрии. Сам Эшерих выделил её из фекалий здоро­ вых людей и окрестил Bacterium coll, то есть кишечной палочкой в переводе с латыни. За пределами научного мира её до сих пор так частенько называют.

Выждали. Если работали не слишком стерильно, то в некоторых чашках заведётся плесень или ещё чего странное — на утилизацию. Остав­ шиеся, с виду не заросшие чашки Петри обрабатываем всеми тремя антибиотиками. В нескольких чашках Петри всё опять погибает — на ути­ лизацию. Но в паре чашек жизнь продолжает теплиться — там-то, видимо, генная модификация прошла успешно. Пересаживаем трансгенные стволовые клетки на новые и новые чашки Петри, заставляем их делиться, а после трансформироваться в пол­ ноценное растение. Для этого им в чашку нужно подмешать немного гормонов — ауксинов и цитокининов. Вот потихоньку из бесформенной клеточной массы начинает вытяги­ ваться трансгенной репы росток. Будет он большой да сильный, и ры­ бьего жира в нём станет и на дедку, чтобы сердечно-сосудистыми не бо­ лел, и на бабку, чтобы нервная сис­ тема была в порядке, и болявой внучке для иммунитета. А жучка ГМ-репу вряд ли оценит, ибо хищница. л_л

Сказки сказками, но в магазинах западных уже продают наборы для домашней генной инженерии. В них, как правило, включают и компактные центрифуги, вращающиеся с частотой 10 тысяч оборотов в минуту, и прибо­ ры для ПЦР с контролем температуры, и автоматические пипетки с набо­ ром разовых наконечников, и чашки для выращивания клеток, и культуры бактерий-векторов... И это лишь пер­ вые несколько позиций из огромного перечня оборудования, что включают эти наборы. Ценник, кстати, не слиш­ ком сказочный. Собрать домашнюю лабо­ раторию обойдётся в тысячу-другую долларов.

© Grebcha / Shutterstock, Leigh Prather / Shutterstock

81

КАРТИНКИ МИРА

ФИТОАНАТОМИЯ

Очень тонкий срез -

Омский биолог и педагог Анатолий Михальцов: «Микрофотография может показать научное открытие»

82

© Фото предоставлено f). МихальцовЫм

Если выкопаете в лесу корневище папоротникаорляка, сделаете его тончайший поперечный срез, который затем покрасите по специальной методике и посмотрите на всё это дело через флуоресцентный микроскоп, — увидите похожую картину. По полостям с яркожёлтыми стенками когда-то от корней к листьям шли токи минерального раствора, по маленьким светло-зелёным пучкам — от листьев к корням спускались растворённые сахара. А клетки вокруг защищали эту хрупкую систему

83

КАРТИНКИ МИРА

ФИТОАНАТОМИЯ

Лист ковыля на поперечном срезе, во-первых, окажется не плоским. Во-вторых, не все клетки в нём зелёные. Да, красные и синие клетки на этом снимке появились в результате окрашивания, но зелёные окрасились в зелёный. И только эта «зелёная змейка» — клетки основной паренхимы — ответственна за фотосинтез

На поперечном срезе побега ржи лист словно нежно обнимает орнаментированную сосудами соломину

«Фитоанатомия — раздел ботаники, изучающий строение тканей растений, внутреннее строе­ ние органов, закономерности их развития и происхождения...» От такого определения веет скучными схемами и бесконечными та­ блицами с терминами. Начинаешь понимать, почему самых дотошных учеников называют «ботаниками». Анатолий Михальцов сумел превратить фито­ анатомию в искусство. С помощью микроскопа он фотографирует биологические объекты так, что, глядя на эти снимки, вспоминаешь художников-абстракционистов вроде Василия Кандин­ ского. Впрочем, его главная задача не красота, а наука.

— Микрофотография — это метод научного исследования. Мы выбираем объект, опреде­ ляем, что именно хотим изучить, знакомимся с биологией, физическими свойствами объекта, а затем подбираем ряд методик для исследова­ ния. Часто выезжаем в экспедиции, где собираем материал, работаем как в полевых условиях, так и в лаборатории. Во многих областях науки

84

микрофотография является научным доказатель­ ством и даже может быть документом, показываю­ щим научное открытие! Михальцов работает в основном с тканями растений. Занятие это непростое. Сначала нужно сделать очень тонкий срез исследуемого объекта. Потом совершить множество манипуля­ ций: промыть, окрасить, обезводить, заключить в монтирующую среду, высушить. Окрашива­ ние — особо хитрый процесс, Михальцов даже создал несколько авторских методик.

— В начале 2020 года я разработал новый спо­ соб полихромной окраски тканей растений для

© Фото предоставлено А. Михальцовым

Диатомовые водоросли этакие одноклеточные интроверты. Они отращивают вокруг своих клеточек панцири из двух створок, напоминающих чашку Петри: одна створка вкладывается в другую. Панцирь защи­ щает нежные живые клеточки, но в то же время не позволяет образовывать сложные кооперативы с себе подобными

Не все диатомовые водоросли отращивают идеально круглые панцири-блюдца. Эта ископаемая водоросль из Новой Зеландии, возрастом 32 миллиона лет, отрастила себе треугольный панцирь

85

КАРТИНКИ МИРА

Эта калейдоскопная картинка — поперечный срез побега примитивного дерева казуарины хвощелистной. Розовые «стрелочки» по периметру — это мутовка листьев, отходящих от побега

Плоские листья вовсе не плоские. И очень разнообразные внутри. Это поперечный срез кажущегося плоским листа саговника. В его центре, где проходит жилка, прячутся проводящие ткани. Его поверхность покрыта эпидермисом.

1/1 только столбики под ним — зелёные фотосинтезирующие клетки

86

© Фото предоставлено А. Михальцовым

люминесцентного микроскопа. До официальной публикации статьи секрет методики не раскры­ ваю. Но могу сказать, что некоторые красители раньше никто для этих целей не использовал. Очень хотелось бы, чтобы в ультрафиолетовом свете (365 нм) ткани светились не одним цветом, а двумя-тремя. А ещё нужно подобрать качественные объективы для микроскопа, правильно настроить освеще­ ние, выбрать метод контрастирования... Всему этому Михальцов учит омских школьников: — Я создал исследовательскую лабораторию «Микрокосмос» на базе Детского эколого-био­ логического центра Омска. Там школьники бес­ платно занимаются исследованием микромира, выполняют настоящие научные работы, делают открытия. Наши ребята становятся победите­ лями научных конференций разного уровня!

К сожалению, до сих пор эту лабораторию никто не финансирует — не хватает оборудования, специальной мебели, расходных материалов, — вздыхает Михальцов. Зато на недостаток внимания Михальцов пожа­ ловаться вряд ли может. Его награды образуют длиннющий список. Тут и премия «За верность науке», учреждённая Министерством науки и высшего образования РФ, и призы на кон­ курсах научной фотографии, и всевозможные дипломы с благодарственными письмами, и на­ грудный знак «Почётный работник воспитания и просвещения Российской Федерации», и мно­ го чего ещё. Вот совсем недавно он стал победи­ телем всемирного конкурса Wikimedia Science Competition, который проводится раз в два года под эгидой Википедии. Мы надеемся, что, увидев эту публикацию, кто-то из спонсоров или чиновников придумает, как под­ держать Михальцова и его школьников деньгами. Ведь красота, наверное, спасёт мир. А уж красота с мощным микроскопом — точно спасёт. л_л

87

КАРТИНКИ МИРА

ФИТОАНАТОМИЯ

88

© Фото предоставлено А. Михальцовым

Поперечный срез хвоинки корейского кедра, который на самом деле не из рода кедр, а вообще сосна. В России встречается лишь на Дальнем Востоке. Хотя вряд ли вы его узнаете по этой фотографии

89

И снова примитивная казуарина, только уже под флуоресцентным микроскопом

Избирательная в вопросах среды водоросль Micrasterias rotata — это всего одна клетка из двух «полуклеток». Красивая...

90

©Фото предоставлено А. Михальцовым

А это родственница нашей предыдущей водоросли, только из Америки.

Micrasterias americana. И сняли её в поляризованном свете

Самая обыкновенная Pinus sylvestris — сосна обыкновенная. Поперечный срез хвоинки

91

Если глянуть на нижнюю сторону листа папоротника, можно найти на ней аккуратно расположенные чёрные или белые точки — сорусы. Под микроскопом сорусы выглядят как собрание маленьких пузыриков — спорангиев, на каждом из которых есть похожий на червячка поясок. Спорангий ровно по этому пояску может треснуть, лопнуть — и тогда из него вылетят мириады спор, каждая из которых потенциально может дать жизнь новому папоротнику

ИГРА

Х-парк: генетические гонки Х-парк — это головокружительные аттракционы, которые изменят ваш взгляд на генетику. Прокатитесь на ДНК-горках и станьте победителем гонок, ответив на хитроумные вопросы! ПРАВИЛА ИГРЫ

2U Играть могут 2-4 человека, но, кроме них, должен быть ведущий, который проверяет правильность ответа (а в случае спора принимает решение) и ведёт счёт. Щ Игроки бросают кубик. Первым ходит тот, у кого выпало наибольшее число, далее — по кругу. В начале игры каждый участник получает по 3 белка. Победит не тот, кто придёт к финишу первым, а тот, кто наберёт больше белков! ш Игрок бросает кубик и перемещается на число выпавших очков. Д Попав на квадратик, игрок отвечает на вопрос. Если на квадратике написано +1, вопрос надо брать из списка А, если +2 — из списка В, +3 — из списка С. Вопросы задаются в той очерёдности, в какой указаны. Если вдруг вопросы из какого-то списка кончились, а игра ещё нет, можно взять очередной вопрос из других списков. Д Если игрок ответил правильно, он получает столько белков, сколько написано на квадратике. А если нет — отдаёт. Д Тот, кто первый дойдёт до финиша, получает ещё 3 белка в копилку. После этого игра заканчивается, ведущий подсчитывает белки и определяет победителя.

АВТОРЫ

X

Софья Миненко, Анастасия Макарова, Софья Губаева, Ярослава Кравченко, Елизавета Петрова, корпункт «Кота Шрёдингера» в Ханты-Мансийском АО

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:

запасной копии многих генов, расположенных на X- или Y-хромосоме, у мужчин нет. 3. Потому что ДНК — одна спираль из двух нитей. Правда, встречается ещё одно цепочечная ДНК (у вирусов и в митохондриях) и трёхцепочечная (получена искусственно). 4. Да, только не во всём организме целиком. Генная терапия уже способна лечить генетические заболевания локально в тех органах, где «сломанные» гены вызывают нарушения.

94

5. Нет, большая часть мутаций носит нейтральный характер и никак не проявляется в фенотипе. 6. Все, кроме половых. 7. Об останках семьи Николая II. 8. От ВИЧ. 31 1. Розалинд Франклин. К сожалению, она умерла за 4 года до вручения Нобелевской премии за открытие структуры ДНК.

2. У женщин половые хромосомы одинаковые (XX), а у мужчин — разные (XY), поэтому неповреждённой

ОТВЕТЫ

+3 Квадратик с цифрой — клетка с заданием.

114фыИнiЦШ«М::biН - сайленсер: игрок перемещается на две клетки назад. №иы:пиИЗ«Я?!СТВ — энхансер: игрок выбирает, переместиться ему на две клетки вперёд либо остаться на месте и получить один дополнительный белок.

- стоп-кодон: место выбора пути. Проходя через него, игрок выбирает одну из двух дорог. Но если он остановился на этой клеточке, то пропускает следующий ход.

• Кружки с точкой — промоторы: игрок может взять карточку из любого списка.

V Сердечко — шанс, которым игрок может воспользоваться в любой момент: попав на квадратик с заданием, получить баллы, не зная ответа. ^ Молния — мутация: игрок отправляется на 7 полей назад.

ЗАДАНИЯ

Уровень А 1. В саду растут яблоня и груша. Как получить гибридное грушаблоко?

2. Белок выглядит как ниточка, смотанная в клубок. Как его проще всего размотать?

3. Нарушение восприятия цветов из-за поломки гена в Y хромосоме, описанное британским физиком, который сам страдал этим недугом. 4. Можно ли выявить этническую принадлежность человека по генетическому анализу? 5. Сотрудник Х-парка Ген Олег решал ребус: «А» + ’’домино + НС1. Помогите Олегу!

6. Расположите буквы в правильном порядке и отгадайте слово: СМОАРООХМ.

7. В одной из серий «Смешарики: пин-код» у героев пропал пигмент меланин. От него зависит цвет кожи, волос, радужки глаз. Какого цвета стали Смешарики?

8. Помело + мандарин = ? 9. Развитие какой из перечисленных систем организма в наименьшей степени предопределено генами: дыхательной, кровеносной, нервной, эндокринной, опорно-двигательной?

10. Репарация — это процесс восста­ новления повреждений в молекуле ДНК. К чему приводят ошибки в репарации? Уровень В 1. Название кодирующей последовательности, которая обрывает процесс транскрипции (копирования информации с ДНК на РНК), совпадающее с названием фильма про пришельца из будущего. 2. Изучая эту сельскохозяйственную культуру, будущая обладательница Нобелевской премии Барбара Макклинток открыла мигрирующие участки генома — транспозоны. 3. Госпожа Хромосома хвасталась: «Каких только нет браслетов у меня на руках и ногах! Вот браслет карих глаз, а вот голубых, вот браслет русых волос, а вот — белокурых». Как называются парные браслеты госпожи Хромосомы? 4. Однажды Александр Флеминг увидел, что плесень покрыла бактерии в одной из чашек Петри и уничтожила их. Что он открыл? 5. Правда ли, что большинство мутаций вредны? 6. Какие клетки человеческого организма делятся митозом? 7. В 1991 году российские учёные исследовали останки нескольких человек, захороненных вместе. Опознать их помогла редкая мутация в митохон­ дриальной ДНК — такая же, как у принца Филиппа, мужа Елизаветы II. О чьих останках идёт речь? 8. От какого вирусу собирался защитить девочек-близняшек китайский учёный Хэ Цзянькуй, когда впервые в истории «внёс правку» в геном человеческих эмбрионов?

Уровень C 1. Первый человек, увидевший изображение спирали ДНК — её рентгено­ грамму. 2. Почему дефекты в половых хромосомах чаще проявляются в виде заболеваний у мужчин? 3. Сотрудник Х-парка Ген Олег спросил у детей: «Что такое ДНК?» Дети ответили, что «это две спиральки». Почему дети не правы?

4. Можно ли отредактировать геном взрослого человека?

95

Ц 1. Привить веточку одного дерева другому. 2. Нагреть его (вариант ответа: обработать этиловым спиртом).

3. Дальтонизм, а открыл его Джон Дальтон. 4. Нельзя. Этническая принадлежность определяется не генами, а культурной средой и воспитанием. 5. Аминокислота, б. Хромосома. 7. Белого. 8. Апельсин. 9. Нервной.

10. К мутациям.

1. Терминатор. 2. Кукуруза.

3. Аллели. 4. Пенициллин, первый антибиотик.

са

НАУЧНЫЙ АНЕКДОТ

^'Андрей Константинов

✓ ч

Логики в баре, роддоме, магазине и Австралии

Жена логика родила ребёнка. Доктор подносит новорождённого отцу. Жена спрашивает: «Это мальчик или девочка?» Логик отвечает: «Да». И ведь верно ответил! Логик из анек­ дотов всегда предельно точен и аккуратен в высказываниях: если что сказал, значит, так и есть, а нам остаётся думать почему. Если анек­ дот сводит его с учёными других специальностей, тут же выстраива­ ется иерархия точности мышления, в которой логик на вершине.

Едут биолог, физик и логик по Австралии. Видят из окна машины чёрную овцу. Три логика заходят в бар. Бармен спрашивает: «Чай все будут?»

— Не знаю, — отвечает первый логик.

— Не знаю, — говорит второй.

— Да! — восклицает третий. Главная прелесть анекдотов про логи­ ков в том, что они логичные, хотя логи­ ческое мышление в них часто пер­ пендикулярно логике жизни, оттого и смешно. Впрочем, над такими анек­ дотами не особо смеются, зато их мож­ но разгадывать как логические задачи. Сами-то логики, может, и смеются — над нами, пока мы ломаем голову. Кстати, этот анекдот существует и в другом варианте, с вопросом бар­ мена: «Кто-нибудь чай хочет?» Ответы те же, хотя ситуация явно другая. В прошлый раз мы разбирали анек­ доты про жён математиков. Но жёнам логиков не легче!

96

Биолог: «О, тут водятся чёрные овцы!» Физик: «Точнее, тут водится как минимум одна чёрная овца». Логик: «Чёрная? Я бы сказал, как минимум одна из местных овец чёрная как минимум с одной стороны». Логик — не такая уж частая специаль­ ность, но в последние годы в роли ло­ гика нередко выступает программист. Они в анекдотах мыслят схоже, и жёны их хорошо бы поняли друг друга.

Жена программиста просит его: — Сбегай в магазин, буханку хлеба. Если яйца, возьми дюжину.

купи есть

Программист возвращается с двенадцатью буханками.

РОСАТОМ

75 ЛЕТ ЛТО/ИНОЙ ПРО/ИЫШЛЕННОСТИ ОПЕРЕЖАЯ ВРЕ/ИЯ ВСЕ ОБ ИСТОРИИ АТОМНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ НА ATOM75.RU

НАУКА

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

IS

НАУКА. ТЕРРИТОРИЯ ГЕРОЕВ

Современные ученые - истинные герои нашего времени. Они сражаются против проблем планетарного масштаба — опасных вирусов, экологических катастроф, климатических изменений и не только. Хочешь узнать больше — регистрируйся на сайте проекта наука.наииональныепроекты.рф. участвуй в конкурсе и выигрывай ценные призы! Становись героем!

ЭКСПЕДИЦИЯ

ПРИЗЫ ЖДУТ СВОИХ ГЕРОЕВ — УЧАСТВУЙ В КОНКУРСЕ! Да, наука — это увлекательно. Не веришь? Мы тебе это докажем! Скорей сканируй QR-код и регистрируйся на сайте! Начни выполнять задания уже сейчас, копи баллы и обменивай их на подарки. Помни, самые активные получат ценные призы!