Клонирование путем переноса первичных половых клеток
Клонирование путем переноса первичных половых клеток в развивающийся эмбрион имеет одно важное преимущество по сравнению с клонированием путем ядерного переноса. Отредактированные первичные половые клетки не нужно перепрограммировать. Это замечательно . Почему же тогда все внимание сосредоточено на клонировании мамонта, если клонирование странствующих голубей или дронтов очевидно будет намного проще?
Не совсем понятно, почему клонированию птиц уделяют намного меньше внимания, чем клонированию млекопитающих. В качестве метода генетической модификации птиц перенос первичных половых клеток работает исключительно хорошо. Эта технология развивалась в основном с оглядкой на птицеводство, однако ее также используют для сохранения видов, находящихся под угрозой, и для научных исследований. Нет ни одной очевидной причины, почему ее не удастся успешно применить для восстановления вымерших видов.
Некоторые примеры переноса первичных половых клеток общепризнанно считаются необычными. Ученые из Рослинского института, учреждения, ответственного за появление на свет клонированной овцы Долли, создали с помощью этой технологии цыплят, которые светятся ярко-зеленым светом в ультрафиолетовом излучении. Для этого ученые вставили в их геномы белок, называемый зеленым флуоресцентным белком (ЗФБ), который в природе встречается у североамериканской медузы Aequorea victoria . В науке ЗФБ используется для отслеживания биологических изменений в организме. К примеру, если ткани, в клетках которых экспрессируется ЗФБ, пересадить организму, в чьих клетках он не экспрессируется, ученые смогут отследить, что происходит с пересаженными клетками, наблюдая их в лучах ультрафиолета. Ученые, желающие использовать светящихся цыплят в своих исследованиях, могут заказать их на сайте Рослинского института. Пока что это бесплатно.
Технология введения первичных половых клеток в развивающиеся эмбрионы нужна не только для того, чтобы создавать светящихся цыплят, но и для того, чтобы увеличивать популяции редких или находящихся под угрозой исчезновения пород кур. Первичные половые клетки можно получить из крови развивающегося эмбриона, не убивая его. Жизнедеятельность этих клеток можно поддерживать в лабораторных условиях, чтобы затем ввести их эмбрионам распространенных пород кур. По достижении половой зрелости полученных кур можно оплодотворить семенем (которое намного легче собирать, чем яйцеклетки), взятым от петухов редкой породы. В результате оплодотворения этой спермой яйцеклеток, развившихся из введенных в яйцо отредактированных гоноцитов, из яиц, отложенных курами распространенных пород, вылупятся чистокровные цыплята редкой породы.
Наиболее волнующее применение этого метода с точки зрения возрождения вымерших птиц – это перенос первичных половых клеток между двумя разными видами. Ученые из Центральной ветеринарной исследовательской лаборатории в Дубае перенесли первичные половые клетки кур в утиные яйца. Птенцы, вылупившиеся из этих яиц, выглядели как совершенно нормальные утки. Не забываем, что в первом поколении у птиц отличаются только половые клетки. Позднее ученые взяли у выросших селезней сперму и оплодотворили ею кур. В результате вылупились совершенно нормальные цыплята, отцом которых был селезень.
Восхитительно, что утки и куры – не единственные животные, которых ученые таким путем «убедили» произвести на свет потомство, относящееся к иному виду. Недавно профессор Гото Ёшизаки из Токийского университета океанографии перенес яйцеклетки и сперматозоиды радужной форели в половые пути взрослых сим (рыб семейства лососевых). После спаривания этих рыб между собой из части их икринок вылупились мальки радужной форели. Сима и радужная форель находятся в близком родстве друг с другом, что, вероятно, объясняет успех этого эксперимента. Однако существует надежда, что эту технику можно будет использовать и с другими видами рыб. Ёшизаки также удалось получить красноногих собак-рыб с помощью белоточечных собак-рыб (это две разновидности рыбы фугу), а еще он собирается использовать скумбрию для выращивания голубого тунца, что, в случае успеха, станет недорогим способом увеличить его производство, не забирая мальков из дикой природы.
Разумеется, технология переноса первичных половых клеток вызывает восторг, и мы найдем множество способов использовать ее на благо природы. Однако для восстановления вымерших видов эта методика не идеальна.
Во-первых, первичные половые клетки имеют гаплоидный набор хромосом – они превращаются либо в сперматозоиды, либо в яйцеклетки. Когда сперматозоид с отредактированным геномом оплодотворяет яйцеклетку с неотредактированным геномом (или наоборот), в диплоидном геноме потомства будет содержаться только одна копия отредактированного гена. Следовательно, эти правки могут не проявиться в фенотипе потомства. Чтобы получить потомство с двумя копиями отредактированного гена, мы должны отредактировать геномы как сперматозоида, так и яйцеклетки.
Во-вторых, введенные в эмбрион первичные половые клетки не единственные гоноциты, попадающие в репродуктивные органы животного. В приведенном выше примере с утками отцом цыплят выступил селезень, но его сперма была гибридной – она содержала как утиные, так и куриные сперматозоиды. Когда утиный сперматозоид оплодотворял куриную яйцеклетку, ничего не происходило. Никаких гибридных «уткокур» не получилось. Но когда его куриные сперматозоиды (образовавшиеся из куриных гоноцитов, перенесенных в яйцо, в котором он развивался, будучи эмбрионом), оплодотворяли куриные яйцеклетки, на свет появлялись цыплята. Геном этих цыплят был на 100 % куриным. Тем не менее их отцом был селезень.
В-третьих, в экспериментах, проводившихся до сих пор, вероятность, с которой перенесенные в эмбрион первичные половые клетки давали начало новому поколению, по наблюдениям ученых, была низкой. Лишь малая доля яйцеклеток и сперматозоидов, в конечном итоге образовавшихся в телах эмбрионов, брала начало от введенных извне первичных половых клеток.
У Майка Макгрю из Рослинского института есть план, как обойти эти препятствия. С помощью генной инженерии он создает цыплят, не способных вырабатывать первичные половые клетки. Яйцеклетки или сперматозоиды смогут сформироваться у этих цыплят только в том случае, если первичные половые клетки введут в их организмы извне во время соответствующей стадии их эмбрионального развития. Таким образом, Майк может создавать кур и петухов, у которых 100 % яйцеклеток и 100 % сперматозоидов соответственно будут содержать отредактированный геном. Скрестив этих кур и петухов между собой, в результате ученые получат 100 % цыплят с отредактированными геномами.
Хотя уже делаются некоторые успехи в переносе первичных половых клеток между птицами разных видов, находящихся в отдаленном родстве, я предположу, что все еще существуют пределы того, насколько далеко мы можем зайти. К примеру, курам будет тяжело отложить яйца, содержащие эмбрионы моа или эпиорниса (и, вероятно, нам не следует принуждать их к этому). Кроме того, не стоит сомневаться, что гормональный и генетический фон матери играет некоторую роль в формировании эмбриона, даже если он воздействует на него только в течение первых суток развития. Однако эта технология будоражит воображение, и определенно ей найдется место в деле сохранения биологического разнообразия птиц, как минимум среди пород кур.
Возможно также, что однажды нам удастся «убедить» курицу отложить яйцо с эмбрионом дронта внутри. Если это произойдет, остается вопрос: что она будет делать с птенцом дронта?
Глава 9. Увеличим их число
В 2004 году 12 выдающихся ученых, среди которых были специалисты по охране природы, палеоэкологи, а также специалисты по млекопитающим и по экологии сообществ, собрались на ранчо Теда Тёрнера «Лэддер Рэнч», расположенном в пустыне Чиуауа в штате Нью-Мексико, и разработали долгосрочный план восстановления биологического разнообразия Северной Америки. Они предложили реинтродуцировать небольшое количество крупных животных, многие из которых находятся под угрозой исчезновения, в те небольшие участки дикой природы, что сохранились на континенте. Это уберегло бы биологическое разнообразие Северной Америки от дальнейшего сокращения. В качестве бонуса они бы предоставили некоторым видам, находящимся под угрозой исчезновения, безопасное место для жизни и повышенные шансы на выживание.
Их предпосылка была проста: большие животные являются неотъемлемой частью любой экосистемы. Они играют ключевую роль в круговороте веществ, распространяют семена растений, переворачивают слои почвы и валят деревья. Однако в Северной Америке не осталось крупных животных, и виной тому, по большей части, чудовищные злодеяния человека. Следовательно, для того чтобы вернуть баланс природе Северной Америки, нужно восстановить на этом континенте популяции крупных животных.
Ученые подчеркнули, что усилия, направленные на восстановление природных ресурсов, как правило, сосредоточены на возрождении флоры и фауны, присутствовавших в Северной Америке, когда туда прибыли первые европейцы несколько сотен лет назад. Однако к тому времени большинство крупных животных, господствовавших в этой местности во времена ледниковых эпох плейстоцена, уже исчезли. Ученые предложили заглянуть глубже в прошлое, к моменту, который кажется им более подходящей отправной точкой. Они настаивают, что лучшей целью будет поздний плейстоцен – эпоха, предшествовавшая появлению человека и массовому вымиранию мегафауны. В период позднего плейстоцена, утверждали они, благодаря разнообразию видов крупных травоядных поддерживалось разнообразие растительных видов, при этом сами травоядные служили пищей для разнообразия видов крупных хищников. Естественно, в эпоху позднего плейстоцена континент выглядел совсем иначе, чем во времена прибытия первых европейских колонистов.
Возвращение Северной Америки к точке во времени, соответствующей позднему плейстоцену, будет сопряжено с трудностями, в частности, потому, что многие виды, преобладавшие на континенте в те времена, на сегодняшний день вымерли. Разумеется, не все они исчезли. Некоторые виды выжили, хотя их ареалы обитания значительно сократились, – к примеру, североамериканский бизон и гигантские пустынные черепахи. Эти виды можно реинтродуцировать в любые сохранившиеся участки дикой природы в пределах их областей распространения в прошлом. Исчезнувшим видам – верблюдам, лошадям и мамонтам – можно найти замену среди живых видов, способных заполнить собой опустевшие ниши. Эти виды можно интродуцировать в природные ареалы, которые когда-то населяли их вымершие эволюционные кузены.
Описываемый план восстановления дикой природы состоял в том, чтобы начать с малого, а затем поэтапно продолжать дальше. Для начала можно было бы заново расселить мексиканских гоферов (гигантских сухопутных черепах) по пустыне Чиуауа, которая тянется от Центральной Мексики на север, через Западный Техас и отдельные части Нью-Мексико и Аризоны. Мексиканский гофер – это самая крупная сухопутная рептилия Северной Америки из живущих. Хотя в эпоху плейстоцена ее можно было встретить на всем протяжении пустыни Чиуауа, сейчас ареал ее обитания ограничен крошечным, наполовину защищенным рефугиумом в северной части Центральной Мексики. К счастью, в прежней области распространения мексиканского гофера все еще встречаются участки, идеально подходящие для реинтродукции этого вида. К примеру, национальный парк «Биг-Бенд» в штате Техас в прошлом населяли мексиканские гоферы, и если их туда вернуть, они, вероятно, тут же примутся за привычные занятия – поедание кустовых злаков и рытье нор. Маловероятно, чтобы возвращение черепах существенно повлияло на существующую экосистему национального парка «Биг-Бенд», разве что они взрыхлят там почву, а это пойдет ей только на пользу. Маловероятно также, чтобы для выживания черепахам понадобилось серьезное вмешательство людей. Самым заметным эффектом реинтродукции мексиканского гофера, скорее всего, будет увеличение потока туристов, когда люди поймут, что у них появилась возможность увидеть восьмидесятилетнюю гигантскую черепаху в естественной среде обитания.
После черепахи ученые планировали интродуцировать в дикие области западной части Северной Америки лошадей, ослов и верблюдов. Речь шла не просто об одичавших домашних лошадях и ослах, но об их диких кузенах из Европы: лошадях Пржевальского и куланах. Также авторы плана хотели бы интродуцировать верблюдов – по возможности диких, но и домашние подошли бы.
Почему именно эти виды? Во времена, когда в Северной Америке обитали предки современных лошадей и верблюдов (оба этих вида появились именно там), крупные травоядные массово уничтожали древесные растения. Это открывало пространство для других видов растений, увеличивая биологическое разнообразие флоры. Большее разнообразие флоры могло обеспечивать пищей большее разнообразие травоядных, как крупных, так и мелких. Они же, в свою очередь, поддерживали большее разнообразие хищников. Крупные травоядные также эффективно распространяют по округе семена растений и питательные вещества. При ходьбе и беге их ноги переворачивают слои почвы, на своих телах они переносят семена на большие расстояния, а их экскременты служат удобрением. Отчасти благодаря этим животным и роли, которую они играли в своей экосистеме, Северная Америка времен плейстоцена представляла собой пеструю мозаику разнообразных растений, способных прокормить столь же разнообразных животных. Восстановление популяций лошадей и верблюдов помогло бы восстановить это положение.
Разумеется, ученые знали, что интродукция лошадей и верблюдов в дикую природу Северной Америки вызовет больше споров, нежели интродукция мексиканского гофера на пустынные ранчо и в американские национальные парки. Некоторые люди считают одичавших лошадей и ослов вредителями, конкурирующими с домашним скотом за пищу. Любой план реинтродукции животных должен быть сбалансирован с учетом потребностей людей, пользующихся этой землей, и потенциальной пользы для экосистемы. Нужно рассказывать людям о пользе, которую может принести экосистеме присутствие возрожденных животных поблизости, а также обучать их взаимодействию с этими животными в случае контакта или конфликта. Также понадобятся нормативные правовые акты, регулирующие работу с интродуцированными популяциями и направленные на смягчение возможных отрицательных последствий их реинтродукции. Как минимум некоторые из интродуцированных видов не будут естественными обитателями Северной Америки – к примеру, двугорбые верблюды. Следовательно, разработка этих стратегий может потребовать нового и креативного мышления со стороны экспертов в области права и рационального природопользования. Наконец, в то время как мексиканским гоферам, вероятно, не понадобится человеческое вмешательство, чтобы поддерживать размеры популяций в разумных пределах, популяции лошадей, ослов и верблюдов могут внезапно и быстро увеличиться, если оставить их без присмотра, что потенциально может иметь разрушительные последствия для экосистемы, которую их интродукция была призвана сохранить. В конце концов, во времена своего расцвета в эпоху плейстоцена популяции крупных травоядных держались в узде крупными хищниками, которые на сегодняшний день вымерли.
Что подводит нас к следующему этапу нашего плана: гепардам и львам.
А также слонам.
Африканским гепардам, африканским львам, а также индийским и африканским слонам. В Северной Америке.
Подобно двугорбым верблюдам, которыми предложили заменить вымерших североамериканских верблюдов из рода Camelops , африканские гепарды смогут занять место исчезнувших американских гепардов из рода Miracinonyx , а африканские львы – вымершего североамериканского льва, подвида Panthera leo atrox . Индийские и африканские слоны заполнят нишу, которую когда-то занимали мамонты, мастодонты и гомфотериевые.
Внесу ясность: план не состоял в том, чтобы привезти животных из Африки и Азии в Северную Америку (таково было одно из множества сердитых обвинений, посыпавшихся на ученых после открытия их плана широкой публике). Он заключался в том, чтобы определить и переместить в более реалистичные природные условия животных, уже живущих в неволе на североамериканском континенте.
Стоит ли говорить, что план возрождения дикой природы Северной Америки не остался незамеченным. Джош Донлан, ведущий автор двухстраничной статьи, напечатанной в журнале Nature , получил в ответ огромное количество отзывов. По словам Донлана, комментарии разделились примерно поровну на положительные и отрицательные и практически не выходили за рамки ожидаемого. Были, однако, и сюрпризы. Среди сторонников плана нашлось несколько фермеров, которых захватила идея использовать слонов, чтобы помешать разрастаться кустарникам, ведь слоны намного дешевле тяжелой техники, которую применяют для этого сегодня. По вполне понятным причинам фермерам намного меньше понравилась мысль о больших кошках.
Облегченная эволюция
Мотивы, которыми руководствуются участники движения за возрождение дикой природы, сходны с теми, что лежат в основе моей заинтересованности в восстановлении вымерших видов. Сторонники возрождения дикой природы стремятся восстановить биологическое разнообразие экосистем, на которое негативно повлияло вымирание животных. Они надеются, что восстановление утраченного биологического разнообразия и воссоздание недостающих взаимодействий между видами позволит процветать намного более богатому и продуктивному сообществу животных и растений. Восстановление вымерших видов может привести к тому же эффекту, но с одним важным отличием. План по возрождению дикой природы Северной Америки, предложенный Донланом и его коллегами, включал интродукцию индийских и африканских слонов. Однако ни те ни другие никогда не жили в Северной Америке и, возможно, они не особенно хорошо приспособлены к ее климату, куда более холодному, чем тот, в котором они эволюционировали. Сторонники возрождения вымерших видов также стремятся интродуцировать слонов в среду обитания, в которой современные индийские и африканские слоны могут не выжить. Но вначале они подготовят этих слонов к жизни в более прохладном климате, возродив адаптационные признаки их кузенов – мамонтов – вставив в геномы слонов гены, отвечающие за эти признаки.
Именно так – как воскрешение адаптационных признаков из прошлого в геномах организмов, живущих сегодня, – я представляю себе возрождение вымерших видов, новый мощный инструмент, который поможет нам и сохранять биологическое разнообразие, и управлять средой обитания диких и полудиких животных. Возьмем, к примеру, возрождение мамонтов. Некоторых его сторонников, возможно, не волнует экологическая роль, которую восстановленные мамонты могут сыграть в жизни сибирской тундры. Некоторых, вероятно, даже не беспокоит, будут ли мамонты обитать в сибирской тундре, – пусть живут в зоо– или еще каком-нибудь парке, где на них можно посмотреть, а то и покататься. Однако другие, в том числе я, Джордж Чёрч и Сергей Зимов, очень сильно беспокоятся о том, как возрожденные мамонты (точнее, индийские слоны с отредактированными генами) могут повлиять на тундру. На самом деле именно их потенциальная способность оживить сибирскую тундру стала мотивирующим фактором, из-за которого мы поддержали этот проект.
Что же приобретет экосистема тундры от появления в ней слонов, устойчивых к холоду? Работая в своем Плейстоценовом парке в течение последних нескольких лет, Сергей Зимов показал, как крупные травоядные: зубры, овцебыки, лошади и несколько видов оленей – могут трансформировать практически бесплодную тундру в богатые травой пастбища в течение всего нескольких сезонов (ил. 16). Проще простого. Они топчут землю и поедают траву, переворачивая слои почвы, распространяя семена и участвуя в круговороте питательных веществ. Их интенсивный выпас стимулирует рост травы, что увеличивает плотность и питательную ценность доступного животным корма. За лето им удается съесть не всю траву, и остается достаточное ее количество, чтобы поддерживать их на протяжении сибирской зимы. Когда выпадает снег, травоядные начинают регулярно возвращаться к наиболее богатым травой участкам, утаптывая снег и поедая все, что удается обнаружить под ним. Надземные части растений съедаются полностью. Корни, расположенные под землей, остаются нетронутыми. В сущности, исследование Зимова показало, что взаимодействие между травоядными животными и арктическими пастбищами само себя поддерживает. При исчезновении одного из компонентов второй также исчезает.
Зимов считает, что сибирскую тундру можно превратить в богатые пастбища, напоминающие тундростепи времен плейстоцена, просто вернув в ее экосистему крупных травоядных. Возрожденная степная тундра предоставит ресурсы и среду обитания для других видов, находящихся под угрозой исчезновения, в том числе диких лошадей, сайгаков и амурских тигров. Однако Зимов утверждает, что в его плейстоценовом пазле не хватает критически важного элемента размером со слона. Крупные и менее крупные травоядные играют в экологии своих биологических сообществ разные роли. К примеру, большие травоядные валят деревья и топчут кустарники, а также распространяют семена и питательные вещества на куда большие расстояния, чем мелкие травоядные.
Крупные травоядные, пасущиеся в сибирской тундре, принесут и другую, потенциально более значимую пользу. Хотя верхние слои почвы в Сибири замерзают и оттаивают каждый сезон, почва, лежащая ниже, сохраняет примерно одну и ту же температуру в течение всего года. Она примерно соответствует среднегодовой температуре воздуха, с одной важной оговоркой. Зимой температура воздуха в Сибири может опускаться до –50 ˚C, но снег, лежащий на поверхности вечной мерзлоты, изолирует почву от этого лютого мороза, из-за чего ее температура остается более высокой, чем могла бы быть в противном случае. До того как вымерли мамонты и другая мегафауна ледникового периода, в отдельных местах они полностью убирали этот снег, а в других притаптывали его, разрушая его теплоизолирующие свойства. Температура почвы тогда была значительно ниже, чем сейчас. Хотя количество травоядных, пасущихся в Плейстоценовом парке, слишком мало, чтобы достичь того же эффекта, в более мелком масштабе он тем не менее заметен: по оценкам Зимова, температура глубоких слоев почвы под пастбищами в его парке в зимние месяцы примерно на 15–20 ˚C ниже, чем в других местах.
По оценкам ученых, оледеневшая арктическая почва сейчас удерживает целых 1400 гигатонн углекислого газа – это почти в два раза больше, чем во всей атмосфере Земли сегодня. Из-за глобального потепления вечная мерзлота тает, и углекислый газ высвобождается из нее. Если Зимов прав, реинтродукция мамонтов в Сибирь (или, скорее, интродукция в Сибирь индийских слонов, устойчивых к холоду) на самом деле замедлит накопление в атмосфере парниковых газов, а значит, и глобальное потепление.
Важно понимать, что вышеописанный сценарий не требует воскрешения мамонта. Все, что для него нужно, – это животное, способное заменить собой мамонта: слон, чьи гены отредактировали, чтобы он смог выживать в Сибири.