Серьезную поддержку государства получают преимущественно те области науки, где можно сделать прорывные открытия, необходимые для перехода на новый технологический уровень. Зачем исследовать биоразнообразие, как черви помогают раскрывать болезнь Альцгеймера и почему безопасность человека зависит от сохранности видов, рассказали ученый Биологического института Томского государственного университета Нина Москвитина, руководитель Центра генетических ресурсов Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН Михаил Мошкин и председатель комиссии Общественной палаты по экологической политике и охране окружающей среды Владимир Захаров, руководитель Центра устойчивого развития и здоровья среды Института биологии развития РАН.
Фото: Евгений Курсков, Коммерсантъ / купить фото
От «ненужной» бактерии к редактированию генома
Изучение биоразнообразия, в том числе искусственного, помогло человечеству сделать множество важнейших открытий. К примеру, основные представления о формировании нервных импульсов и передаче их по нервному волокну были получены более 70 лет назад лауреатом Нобелевской премии Аланом Л. Ходжкиным на кальмарах. Их нервные волокна, гигантские аксоны, имеют толщину до пяти миллиметров, что позволило физиологам изучать принципы передачи нервных импульсов задолго до создания микроэлектронной техники. Позднее эти исследования продолжили на млекопитающих, включая человека.
Михаил Мошкин, руководитель Центра генетических ресурсов ИЦиГ СО РАН:
Практика уже не раз доказывала — изучение того, что обывателю напрямую не нужно, порой оборачивается знаковыми открытиями. Так, например, одна из прорывных технологий — инструмент для геномного редактирования CRISPR/Cas9 — появилась в результате исследования бактерий. В конце 1980-х годов группа японских ученых обнаружила в геноме кишечной палочки повторяющиеся элементы, разделенные неповторяющимися последовательностями. Тогда это не вызвало особого интереса.
Спустя несколько лет испанский ученый Франсиско Мохика выявил подобные последовательности в геноме археи Haloferaxmediterranei, позже они получили название CRISPR — «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами» (англ. clustered regularly interspaced short palindromic repeats). Затем похожие повторы были найдены у многих микробов, однако функции этих комбинаций генетического материала оставались непонятными. Расшифровать их значение удалось выпускнику биологического факультета МГУ, ныне работающему в США, биоинформатику Евгению Кунину.
Ему удалось установить, что повторяющиеся участки ДНК — хранилища информации о встречах с инфекционными агентами, которые обеспечивают бактериям приобретенный иммунитет. Фрагменты вирусного ДНК или РНК встраиваются в бактерию. При следующей встрече бактерия узнает «врага» и режет его ДНК на части в том месте, где найден чужеродный фрагмент.
Михаил Мошкин
Вскоре появилась возможность изменять нуклеотидную способность генома там, где нужно. Технология вошла в мировую практику в 2013 году, сейчас она развивается семимильными шагами. Вот вам пример той самой четвертой революции, которая включает в себя и появление новых биотехнологий. Отправной точкой в данном случае послужило изучение биоразнообразия — исследование, казалось бы, «ненужной» бактерии, открытой еще в конце ХIХ века
Теперь инструмент геномного редактирования открывает огромные возможности, масштаб которых пока еще не полностью осознан. Технология CRISPR/Cas9 позволяет получать новые данные о наследственных заболеваниях, а в перспективе и избавляться от них. Например, в Центре генетических ресурсов ИЦиГ СО РАН создают новые генетические линии лабораторных животных для самых разных исследовательских целей. Одна линия имеет прямое отношение к томской науке.
Ученые томского НИИ медицинской генетики исследуют особенности наследственного заболевания, связанного с нарушением трехмерной организации генома. Его проявлением является тяжелая умственная отсталость и ряд других врожденных пороков развития. Томские генетики нашли эту «поломку», а генные инженеры нашего института воспроизвели ее в геноме лабораторных мышей. Анализ жизнедеятельности животных, получивших человеческий недуг, позволяет в процессе исследования получать новые фундаментальные данные, необходимые для понимания механизма формирования патологии и поиска путей ее предотвращения.
Еще один пример — исследование процесса запуска болезни Альцгеймера. Известно, что одним из главных факторов развития тяжелого нейродегенеративного заболевания является чрезмерное образование бета-амилоида, который накапливается в головном мозге человека. А круглые черви Caenorhabditiselegans производят такой же бета-амилоид в кишечнике. Исследование этого вида беспозвоночных помогает ученым понять принципы и особенности динамики накопления данного вещества, что важно для разработки подходов по предупреждению и лечению болезни Альцгеймера.
Планета не успевает возмещать потери
В последнее время тема биоразнообразия довольно часто появляется в СМИ — увы, в связи с исчезновением очередного представителя флоры или фауны. Заголовки типа «Умер последний самец северного белого носорога», «Умерла последняя гигантская галапагосская черепаха на планете», «Снежный барс вымирает из-за конфликта с человеком» стали привычны.
Нина Москвитина, ученый Биологического института ТГУ, заведующая лабораторией мониторинга биоразнообразия
Вымирание одних видов и появление других — процесс вполне естественный, за всю историю Земли это происходило неоднократно. Известно по меньшей мере пять массовых вымираний, но еще никогда темпы исчезновения видов не были такими колоссальными, как сейчас.
Считается, что в среднем вид живет один миллион лет. За этот отрезок времени эволюция успевает выработать ему замену, но в последнее время сокращение биоразнообразия идет настолько быстро, что планета не успевает возмещать потери. Процесс убыли видов в 200 раз быстрее их естественной замены. Организация экономического сотрудничества и безопасности (ОСЭР) включила сокращение биоразнообразия в четверку глобальных проблем, требующих безотлагательного решения, вместе с изменением климата, нехваткой пресной воды и влиянием загрязнений на здоровье человека.
Все эти проблемы в той или иной мере связаны с антропогенным воздействием, а это, в свою очередь, связано с ростом населения. Пагубно влияя на экосистемы, человек и сам оказывается под угрозой нехватки питания, воды, почвы, кислорода. К 2050 году людям нужны будут две планеты, поскольку доступная земля в расчете на одного жителя планеты к этому времени уменьшится в два раза. Население слаборазвитых стран голодает уже сегодня, по сути, к этому приближается все человечество.
Нина Москвитина
От состояния биоразнообразия напрямую зависит продовольственная безопасность страны. Исключите какое-нибудь звено биоценоза, к примеру, насекомых-опылителей, и люди лишатся значительной части пищи — многих овощей, злаков, плодово-ягодных культур. Большинство растений просто перестанут существовать: без опыления они не смогут давать семена. Если убрать насекомых, обитающих в почве, перестанут образовываться ее новые слои и не будет рекультивации, поскольку главную роль в этом играют жуки, черви, личинки, грибы, бактерии, которые постоянно живут в земле, перерабатывают органику, разрыхляют почву, помогая поступать в нее воздуху и воде.
Около 80% продовольственного снабжения человека приходится на 20 видов растений. Всего же люди используют около 40 тыс. видов флоры для еды, одежды и жилья. Стабильность биологических систем определяет и стабильность климата на планете. Всем известно, что деревья поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Но в процессе дыхания планеты участвует множество других звеньев. К примеру, здоровые почвы играют важную роль в смягчении последствий изменения климата за счет накопления (связывания) углерода и уменьшения выбросов парниковых газов в атмосферу. Неправильное использование почв приводит к прямо противоположному эффекту.
Нарушение баланса экосистемы уже спровоцировало увеличение количества природных катаклизмов на планете. Пожары в тундре, торнадо в Сибири — еще недавно это казалось невозможным, но довольно скоро может стать привычным. В марте 2018 года были опубликованы новые результаты исследований, проведенных группой, объединяющей 27 научных академий Европы: критические погодные явления за последние 36 лет значительно участились, в частности, возросло количество паводков, наводнений, лавин, селей.
Уже в конце ХХ века стало очевидно, что ситуация критическая и требует немедленных действий. Международное сообщество инициировало создание Конвенции о биологическом разнообразии, которая была подписана в 1992 году. Россия присоединилась к этому договору в 1995-м. Цель — сохранение биологического разнообразия, устойчивое использование его компонентов и совместное получение на справедливой и равной основе выгод, связанных с использованием генетических ресурсов.
Страны, которые присоединились к соглашению (их 189, США не входят), взяли на себя ряд обязательств, одно из них — разработка национальной стратегии сохранения биоразнообразия. В России такая стратегия принята в 2002 году, это документ долгосрочного планирования: развитие любой сферы в стране должно осуществляться с учетом данного документа.
Нина Москвитина
Однако зачастую мы сталкиваемся с тем, что вещи, которые декларируются в национальной стратегии сохранения биоразнообразия, и реальность сильно расходятся. Простой пример — уничтожение лесов. В Сибири массовые вырубки ведутся повсеместно, при этом нормальной деятельности по лесовосстановлению практически нет. Компании, которые занимаются заготовкой леса в РФ, обязаны возобновлять ее природные ресурсы. В идеале должно быть так: сколько вырубил — столько посадил. Но зачастую нет даже частичного восстановления. То, что есть, бывает сделано для проформы, с несоблюдением правил. Результат от этого соответствующий — нулевой.
Чем богаче генетика, тем устойчивее вид
Россия играет ключевую роль в сохранении глобального биоразнообразия и поддержании биосферных функций на Земле. Именно на территории России находится крупнейший массив природных экосистем и представлена значительная часть мирового биоразнообразия.
Нина Москвитина
Сохранение этих ресурсов невозможно без их изучения. Мониторинг биоразнообразия позволяет оценивать состояние вида, его устойчивость, способность адаптироваться в меняющихся условиях. Сейчас это особенно важно, поскольку под влиянием трансформации климата происходит перестройка структуры многих экосистем, существенно меняются ареалы видов, некоторые из них, оказываясь на одной территории, скрещиваются, в результате чего происходит их гибридизация.
В качестве примера ученый-биолог приводит ситуацию с распространением клещей в Томской области. В последнее десятилетие в регионе начали появляться очаги лугового клеща, традиционными местами обитания которого были степные и лесостепные зоны Сибири и Европы. Как правило, вместе с переносчиками болезней приходят новые виды возбудителей болезней. В случае с луговым клещом такой «находкой» стал новый вид риккетсий (внутриклеточный паразит), которых ранее в регионе не выявляли.
Более того, ученые начали обнаруживать клещей-гибридов. Такие гибриды отмечены не только в Томской области, но и в Новосибирской, Омской областях. По словам биологов, скрещивания обычно происходят, когда численность одного вида мала и он пытается нарастить ее за счет другого.
Другой пример: расширение ареала некоторых видов малярийных комаров. Они достаточно быстро продвигаются на северо-восток, отдельных особей обнаруживают даже в Якутии. В то же время происходит изменение фауны так называемых лесных комаров в пользу теплолюбивых видов, которые могут быть переносчиками нетипичных для региона опасных инфекционных и инвазионных заболеваний человека и животных.
Мониторинг видов, который проводят ученые Биологического института, позволяет всесторонне оценивать состояние популяций, в том числе получать данные об их генетическом разнообразии. К примеру, биологам удалось выяснить, что на территории Западной Сибири сохранились лоси, имеющие характерные только для них особенности строения ДНК. Предполагается, что данные генетические линии были широко распространены 30–40 тыс. лет назад, но повсеместно исчезли в последний ледниковый максимум 18–24 тыс. лет назад.
Вписать потребности человека в возможности Земли
Скорость расходования ресурсов на планете значительно опережает формирование новых природных запасов, но вымирание лишь одного дикого вида влечет за собой безвозвратную потерю от 1 тыс. до 10 тыс. генов. Осознание этого обстоятельства заставило человечество искать способы сохранения условий для дальнейшего существования. В 1992 году на Конференции ООН по окружающей среде впервые прозвучала идея стратегии устойчивого развития.
Владимир Захаров, руководитель Центра устойчивого развития и здоровья среды ИБР РАН
Устойчивое развитие — это необходимость вписать все возрастающие потребности и активности человечества в естественные возможности планеты. В 2015 году в Нью-Йорке состоялось специальное заседание Генеральной Ассамблеи ООН, на котором была принята повестка дня в области устойчивого развития на период до 2030 года. В нее, безусловно, входит и сохранение биоразнообразия, состояние которого сегодня страдает под влиянием разных факторов, одним из них является антропогенное воздействие.
Гораздо чаще человек истребляет животных и растения не целенаправленно, а нанося им косвенный вред — посредством ухудшения условий обитания вследствие строительства крупных объектов, вырубки лесов, химического загрязнения.
Владимир Захаров
Важно не только исчезновение вида, но и то, что последствия этой потери для других звеньев экосистемы непредсказуемы. В таком случае есть два варианта: тому, кто находился под прессингом этого вида, становится легче, а тем, кто был «завязан» на него (например, в пищевой цепочке),— сложнее. Опять же, если какой-то вид начинает процветать, не факт, что это будет хорошо. Попробуйте убрать из экосистемы хищников, как это иногда бывает на наших охраняемых природных территориях и в мире, и вы увидите, что произойдет.
В качестве примера Владимир Захаров приводит историю, которая имела место в США в 1960–1970 годах. В стране, где почти повсеместно, за исключением нескольких штатов, был распространен волк, его истребили. Довольно скоро начали происходить явления, природа которых была непонятна: экосистемы и ландшафты деградировали, плохо возобновлялась древесная растительность. Причина оказалась в отсутствии хищника, который регулировал численность копытных (оленей, бизонов и других), которые выедали молодые деревья и кустарники, не давая им возможности восстанавливаться.
В 1990-е годы в Йеллоустонский национальный парк (штат Вайоминг, частично штаты Айдахо и Монтана) была искусственно заселена группа волков. Через некоторое время экологи начали отмечать, что появление хищников в парке обеспечило регуляцию численности копытных и, как следствие, улучшение состояния всей экосистемы.
Изучение разнообразия видов и связей между ними важно с точки зрения предотвращения подобных ситуаций. Более того, во многих случаях исследование биоразнообразия позволяет лучше понимать, что происходит с человеком. Нередко при промышленном химическом и радиационном загрязнении на территории, окружающей источник, многообразие видов сохраняется.
Владимир Захаров
Мы же живем в Москве, подвергаясь повышенному уровню загрязнения среды. Есть примеры, когда вблизи предприятий биоразнообразие остается на том же уровне или даже выше. Нередко исследования фиксируют ту стадию, когда при определенном уровне загрязнения животные еще не умирают, но уже болеют, снижается иммунный статус, появляются морфологические и генетические отклонения.
Это интересно с двух точек зрения: во-первых, биоразнообразие еще на месте, но оно в опасности, во-вторых, то же самое происходит и с людьми. Медикам всегда сложнее: работать со связкой «здоровье человека—среда» очень непросто, лишь в единичных случаях можно доказать причинно-следственные связи между ухудшением состояния здоровья индивидуума и влиянием на него окружающей среды.
Причина в том, что человек — существо социальное, есть множество посторонних факторов, которые способны вызывать нежелательные последствия (нездоровый образ жизни и т. д.). Животные, в отличие от людей, по сути, идеальная модель, с помощью которой можно изучать, как эти условия влияют на состояние живого организма. Такие оценки по здоровью среды и биоразнообразия очень важны для человека в контексте выработки стратегии раннего предупреждения заболеваний.
Есть и третий, не менее значимый фактор — изменение климата. Его влияние на все живое, что есть на планете, стремительно нарастает. Аномальные явления сбивают нормальный ход событий. Почти повсеместно отмечается тренд к повышению температуры, происходит множество разных событий, прежде всего меняется динамика популяций. Во многом — из-за нарушения цикличности: при высоком постоянном снежном покрове и стабильном климате численность нарастала год-два-три, потом — крах, теперь популяции не успевают достигать нужной численности, природа выбивает их из цикла.
Закономерности и периодичность явлений в жизни животных и растений претерпевают заметные изменения: раньше появляется листва, раньше прилетают птицы. У многих видов наблюдается расширение ареалов, в Сибири это хорошо видно. Более южные виды появляются там, где их никогда не было, какие-то виды, наоборот, уходят с привычной территории, и никто не понимает почему. Все это накапливается, и к чему приведет, пока сказать не может никто. Изучение биоразнообразия — это ключ к разгадке, необходимый для понимания того, что происходит с планетой, окружающей средой и человеком.
Сохранением биоразнообразия занимаются те страны, которые достигли определенного уровня экономического и социального благополучия,— Швейцария, Швеция, Германия, Норвегия и ряд других. Бедному человеку, который голодает или ему нечего надеть, не до сохранения природы.
Некоторые страны, сегодня уделяющие большое внимание сохранению природы, пришли к этому вынужденно. Например, в Японии (в частности, в Токио) состояние окружающей среды было ужасным. Когда положение стало критическим, государство резко изменило политику в сторону сохранения природных ресурсов. Сейчас Россия стоит на пороге выбора: учиться на чужих ошибках или на своих — дойти до края, а потом начать восстанавливать.
По материалам Томского государственного университета.