Новая лодка принадлежала человеку по имени Филиппи, которого Хоффман считал "хорошим парнем". "Они мгновенно перенесли все наше снаряжение, припасы и личные вещи на одну из своих лодок", - пишет Хоффман. Затем команда подготовилась к оставшейся части путешествия вниз по реке, в то время как Куадрос отправила первые замороженные образцы в свой институт для секвенирования".
Ученые продолжали брать пробы, несмотря на то, что двое мужчин были вынуждены спать на матрасах на палубе, потому что их кондиционированная комната была заполнена парами топлива. Их атаковали насекомые, а жара и влажность означали жалкие ночи со скудным сном. Когда комната Куадроса, где был кондиционер, оказалась кишащей тараканами, пауками и другими насекомыми, они нашли другую лодку - более новую, с кондиционером, но без горячей воды для душа. Тем не менее, они продержались и закончили сбор образцов в реке и в устье Амазонки.
Во время последней пробы, в многокилометровом устье, где река впадает в море, их ждал еще один сюрприз: новое судно, на котором они плыли, было поднято на борт бразильскими военно-морскими силами. К сожалению, капитан оставил свои права в одном из городов вверх по реке. Бразильские моряки заставили судно причалить к военно-морской станции в Манаусе и приказали Хоффману и ученым покинуть судно со всем их снаряжением. Это создало дилемму: у них не было сухого льда, чтобы охладить образцы, а компания, которая должна была это организовать, не появилась. Когда Хоффман связался с ними, они заявили, что ничего не знают о льде. Куадрос попросил менеджера отеля в Макапе, городе недалеко от устья Амазонки, хранить образцы в холодильнике отеля, пока не будет найден альтернативный источник льда. Сухой лед был доставлен через два дня, поскольку в городе начался праздник Карнавала. "Все это ради науки, - сказал Хоффман.
Ученые покинули Макапу 25 февраля. Гильерме Оливьера и Сара Куадрос вернулись в свой институт в Белу-Оризонти, взяв с собой замороженные образцы, как и было оговорено в разрешении, выданном бразильским правительством.
Хоффман отправился обратно в Сан-Диего. В Белу-Оризонти он уже провел время, обучая Оливеру, управляющего секвенирующим комплексом института, точному процессу, который JCVI использовал для извлечения и дробного секвенирования ДНК, чтобы методы совпадали с другими образцами, взятыми в Саргассовом море в 2003 году. После того как в Бразилии все пошло не так, бразильские ученые проделали потрясающую работу и отправили цифровые последовательности в JCVI, а две команды работали над анализом вместе.
ДО и ПОСЛЕ "Амазонки" экспедиции JCVI по изучению микробиома планеты продолжались, в основном на борту Sorcerer II, но не всегда. В их число вошли две дополнительные экспедиции в Антарктиду в 2012 и 2015 годах.18 Еще одна экспедиция JCVI в 2016 году исследовала горячие глубоководные источники в Тихом океане, а также ученые совершили множество небольших путешествий у западного побережья Северной Америки, в Карибском бассейне, а также вверх и вниз к восточному побережью Северной Америки.
Проект Sorcerer II прочесывал планету в поисках микробов вплоть до 2018 года, когда корабль был окончательно выведен из состава экспедиций по сбору образцов. В общей сложности с 2003 по 2018 год великое судно преодолело более 65 тысяч морских миль в поисках новой жизни, исследуя Тихий, Индийский и Атлантический океаны, Балтийское, Средиземное, Эгейское и Черное моря, добывая образцы из морей и водных путей примерно тридцати трех стран и территорий. Ученые собрали в общей сложности 477 образцов с борта корабля, включая 147, взятых во время кругосветного путешествия, и еще 218 образцов с борта судна - сокровищницу мельчайших живых организмов Земли, которые до сих пор лишь частично вскрыты, секвенированы и вновь собраны. Миллионы микробов остаются замороженными в огромных металлических морозильных камерах в JCVI в Ла-Джолле, ожидая секвенирования, ана-лиза и раскрытия своих секретов.
Сбор и секвенирование образцов были лишь началом процесса. Далее предстояло проанализировать, чем на самом деле занимаются эти микробы - как они живут и умирают, как вписываются в экониши и микробные сообщества и какова их роль в планетарных циклах жизни и смерти.
Мы уже рассказывали о результатах экспедиции 2003 года в море Сар-Гассо, с которой все началось. А теперь давайте вернемся в тот знойный день в море Кортеса в марте 2007 года, когда "Сор-Серер II" проплывал вблизи крошечной рыбацкой деревушки Лорето, Мексика. Именно тогда экипаж получил известие о том, что первый пакет документов о глобальной экспедиции выходит в свет в виде специальной коллекции PLoS Biology. Над этим трудилась большая команда ученых в JCVI и за ее пределами с тех пор, как первые сорок один образец был выловлен из океанов от Галифакса и Саргассо до Галапагосских островов.
И что же они обнаружили?
Часть 3. Итоги
Глава 7. Взгляд в бесконечность
Известное ограничено, неизвестное - бесконечно.
-Томас Генри Хаксли, о прочтении книги «Происхождение видов»
В ЯНВАРЕ 2007 года на побережье Панамы Даг Раш почувствовал тошноту. Задиристый ученый-вычислитель с худым лицом и короткими каштановыми волосами, Раш был первым автором главного исследования о глобальной экспедиции, которое должно было быть опубликовано в журнале PLoS Biology. Крейг пригласил его присоединиться к экипажу "Колдуна II" на несколько дней.
В течение нескольких дней он хотел увидеть, каково это - быть в открытом море, собирая образцы, которые он помогал анализировать на компьютере в JCVI на протяжении почти двух последних лет.
В эту пасмурную ночь по пути в Сан-Диего рядом с Рашем стоял Аарон Халперн, другой специалист по вычислительной биоло-гии в JCVI и соавтор статьи в PLoS Biology. Халперн возился с фильтрами, пытаясь прочесть инструкции о том, как проводить отбор проб, а также испытывая легкую тошноту, когда лодка кренилась и покачивалась. Как и Раш, Халперн не занимался сбором образцов океанического микробиома, да еще и на лодках. Оба ученых только что прошли краткий курс обучения тому, как доставлять и фильтровать морскую воду, и с азартом взялись за дело в тот вечер, когда Джеффа Хоффмана и других опытных ученых, занимающихся отбором проб, не было на борту.
В носовой части Sorcerer II капитан Чарли Ховард работал дроссельной заслонкой двигателей, чтобы удержать судно на месте, пока Раш и Халперн с некоторым трудом продолжали разворачивать насос и приборы внутри судна. "Мы находились в неспокойной воде со всеми этими дизельными парами", - вспоминал Раш. "Мы как бы висели вверх ногами, пытаясь маневрировать оборудованием. Мы собирали воду с левого борта лодки, а с правого нас тошнило. В конце концов мы закончили фильтрацию где-то около 4:00 утра".
"Я подумал, что эти ребята должны сами увидеть и понять, откуда взялись образцы, с которыми они работали на своих компьютерах", - с усмешкой говорил Крейг позже.
Когда 13 марта была выпущена "Коллекция метагеномики океана", Раш и Халперн благополучно вернулись домой в Мэриленд. Их статья "Глобальная экспедиция по отбору проб океана Sorcerer II: Северо-западная Атлантика - восточная часть тропической зоны Тихого океана".2 На обложке номера, где крупным планом была изображена палуба "Колдуна II" среди набегающих сине-серых волн, были опубликованы еще девять статей, исследований, комментариев и эссе (одно добавилось в 2008 году), в которых оценивался первый сорок один образец, взятый от Саргассова моря и Галифакса до Галапагосских островов. В общей сложности из этих образцов было получено 7,7 миллиона генетических последовательностей, содержащих 6,3 миллиарда пар оснований, а также 6,12 миллиона белков и около семнадцати сотен совершенно уникальных семейств крупных белков. В ходе уникального метапоиска ви-русов ученые JCVI также выявили 154 662 вирусные пептидные последовательности и вирусные подмостки.
Специальный выпуск начался с нескольких вводных статей, в которых рассказывается о том, как и почему была организована экспедиция, и немного о проблемах - научных, логистических и политических. Среди них - статья научного писателя Генри Николса под названием "Сор-серер II: Поиск микробного разнообразия будоражит воды", в котором описывается видение Крейгом этого путешествия, а также противоречия и политика, окружающие экспедицию, такие как биоразнообразие и разрешения. Николс упомянул, например, о проблемах в таких странах, как Бермудские острова и Эквадор на Галапагосах, где критики с подозрением отнеслись к мотивам Крейга, взявшего образцы микробов в пределах их границ. "Подобные исследования заходят на неизвестную биологическую, юридическую и этическую территорию", - пишет он. И в этой обстановке обвинения в биопиратстве практически неизбежны". Однако это вряд ли остановит такого человека, как Вентер. Если это биопиратство в дарвиновской школе, то прекрасно", - говорит он".
Еще одна вступительная статья, "Экологическое дробовое се-квенирование.
Бывший научный сотрудник JCVI, а ныне профессор эволюции и экологии Калифорнийского университета в Дэвисе, Айзен написал статью, в которой описал и одобрил се-квенирование дробовика как технологию, которая сделала возможным глобальное исследование океана. Айзен сравнил ее с изобретением Интернета - "глобальным порталом, позволяющим наблюдать за тем, что происходит в ранее скрытом мире". Как и в случае с Интернетом, пишет он, "с ESS [Environmental Shotgun Sequencing], безусловно, связана некоторая шумиха, которая придает относительно тривиальным результатам больше внимания, чем они того заслуживают". Однако для Айзена это перевешивается "революционным потенциалом" технологии.
После этих коротких материалов вышла статья Дага Раша, Аарона Халперна и тридцати шести соавторов, включая Крейга в качестве второго автора, - большой обзор того, что экспедиция обнаружила в первых сорока одном образце. Это было непросто, в том числе потому, что объем собранных данных был беспрецедентным. "Мы начали с тонны информации", - говорит Халперн. "Но что все это значило? Никто толком не знал. Когда мы начинали, мы даже не были уверены, какие вопросы хотим задать".
"Это было чудовище, которое нужно было собрать воедино", - говорит Раш, отчасти потому, что длинные строки генетического кода, созданные в процессе селекции и сборки дробовика, не были собраны для проверки определенной гипотезы или ответа на конкретные вопросы. "Все, что у нас было, - это весь этот код, который был в природе, и который нам нужно было попытаться осмыслить, чтобы попытаться задать вопросы об экологии и эволюции из разных мест".
С этой проблемой они столкнулись и при работе с данными по Саргассо, но теперь она стала еще более серьезной: "поразительное разнообразие видов, содержащихся в образцах". Действительно, это было разнообразие, разнообразие, разнообразие. Это главное, что всегда всплывало при работе с этими данными".
Все это разнообразие затрудняло сборку полных генов и геномов, а также сборку всех мелких случайных фрагментов, которые получались в результате "взрыва" геномов и последующего использования известных последовательностей из библиотек ДНК и других алгоритмических инструментов для их повторной сборки. Эта задача усложняется тем, что микробы изменяют гены не в процессе размножения, а путем горизонтального переноса генов. "В природе микробы ведут борьбу за ресурсы в различных и меняющихся условиях, - говорит Йосеф, - а это значит, что они постоянно мутируют и вносят тонкие изменения в свой код, чтобы лучше приспособиться, поэтому еще сложнее понять, как их собрать".
Некоторые подсказки для сборки ДНК из дробовика были получены из мест, которые Крейг и сотрудничающие с ним ученые выбрали для взятия образцов. "Различные популяции микробов были связаны с различными параметрами окружающей среды, - говорит Раш, - будь то температура, соленость или расстояние от побережья. Уровень питательных веществ в воде также был важным фактором".
"Один из важных выводов, - добавил Халперн, - состоял в том, что, хотя многие образцы содержали одинаковые или похожие организмы, они различались между собой по тонким признакам: подтипы внутри подтипов специй указывали на функциональные различия даже ниже уровня подтипов". Это позволило предположить наличие почти бесконечного числа крошечных эволюционных флуктуаций. "Мы смогли использовать метагеномику для поиска намеков на субразнообразие, разработав множество способов взглянуть на почти совершенно новый тип данных, большая часть которых была не тривиальна и не очевидна. Но мы только поцарапали поверхность, и раздел обсуждения статьи полон предположений, а не окончательных выводов".
Ученые увидели такое разнообразие в исследованных ими мирах микроорганизмов, что стандартная таксономия царств, филумов и видов не смогла отразить этого богатства. "Разговор о подтипах был попыткой объяснить, что существует разнообразие ниже видового уровня", - говорит Халперн. "Оно было структурировано, но правила, управляющие этой структурой, было трудно определить".
"Подтипы показывают, что существует стабильное разнообразие, которое находится ниже уровня слияния и расщепления, которое обычно происходит, - говорит Раш, - но мы не знали, насколько разнообразны большинство этих подтипов, или же каждая отдельная клетка представляет собой буквально мо-заику Франкенштейна из разных частей, или что-то среднее между ними".
Мы обсуждали, являются ли виды "облаком" организмов, но это, вероятно, не лучшая аналогия", - добавил Халперн. "Например, у дерева жизни есть большие ветви, которые видны издалека, и они разветвляются на множество веточек. А на концах веток - большие пушистые хохолки, как на иве весной, каждый хохолок пушистый, с множеством волосков". Множество "волосков" в образе Хэлп-Эрна означало все разнообразие внутри подтипов.
"В этой аналогии подтип - это хохолок", - продолжил он. "Мы показали, что даже внутри подтипа существует огромное разнообразие в плане различий между последовательностями любого гена. С другой стороны, мы обнаружили, что, несмотря на это разнообразие, подтипы относительно стабильны в плане содержания генов. Возможно, от 80 до 90 процентов генов были общими для всех подтипов. А для тех генов, которые они разделяли, количество, на которое они различались на уровне последовательности, коррелировало".
"Это означает, что по большей части подтипы эволюционно различались, - говорит Халперн, - и они не обменивались кусочками друг с другом. Но те десять-двенадцать процентов генов, которые не были общими для всех подтипов, как правило, были гипервариабельны и демонстрировали признаки горизонтального переноса генов", в результате чего Раш назвал ветви эволюционного древа "бесконечной широтой мелких вариаций".
В качестве примера Раш и Халперн привели фотосинтезирующий вид бактерий Prochlorococcus marinus. "У нас его было очень много, и в каждом конкретном ведре было почти бесконечное разнообразие микроорганизмов", - говорит Халперн. "Мы смогли показать, что это справедливо для каждого гена в геноме Prochlorococcus. До этого были намеки на такое микроразнообразие, но я думаю, что мы действительно установили его". Раш сравнил различные виды Prochlorococcus с различиями между разными приматами - апельсинами, шимпанзе, людьми - за исключением того, что вы должны представить себе приматов с почти бесконечным разнообразием мелких различий между подвидами. "Мы практически никогда не встречали одно и то же дважды, - говорит Раш.
"Для нас это вызвало вопросы: почему так много различий?" - вспоминает Халперн. "Потому ли, что у каждого из них есть свой момент под солнцем? Их маленькая эволюционная ниша, которая защищает их от других? Или это просто большой суп, в котором так много отдельных бактерий любого вида или подтипа, с кажущимся бесконечным разнообразием, которые могут эволюционировать и сосуществовать?"
Эволюционная теория предполагает, что все особи в популяции, принадлежащие к одному "виду", могут быть отнесены к общему предку", - говорит он, - "и независимо от того, обусловлено ли это выживанием. В результате того, что генетический дрейф называется генетическим дрейфом, любое генетическое разнообразие в популяции должно было возникнуть после общего предка. Чем больше популяция, тем дольше жил самый последний общий предок, и тем больше генетического разнообразия можно ожидать". Другими словами, за более длительный период времени возникает больше мутаций.
Учитывая эту классическую теорию, - продолжает Халперн, - один из способов объяснить наши наблюдения - сказать, что размеры популяций многочисленных морских микробов настолько велики, что их общий предок жил очень давно. Однако есть и другие возможности. Одна из них - географическая изоляция: если вид разделен между двумя физически изолированными друг от друга местами, то отдельные популяции могут сохраняться как генетически различные линии, что приводит к более высокому разнообразию между популяциями, чем если бы популяции были полностью смешанными". В этот момент Крейг добавил: "Это то, что описал Дарвин с уникальными видами, которые он нашел на Галапагосах". Но, подчеркнул он, "есть и другая возможность - что на самом деле существовало несколько "общих предков", имевших уникальное происхождение".
"Примечательно, что мы наблюдали высокую степень разнообразия в пределах одной и той же выборки, - говорит Халперн, - что указывает на то, что это разнообразие не может быть обусловлено исключительно географическим разделением". Другая возможность заключается в том, что то, что выглядит как одна популяция, на самом деле представляет собой две или более популяций схожих, но функционально различных особей. Поскольку они функционально различны, они не конкурируют друг с другом, по крайней мере напрямую, и могут сосуществовать, что позволяет возникнуть большему количеству генетических различий, чем можно было бы ожидать в одной гомогенной популяции. Например, две бактерии могут отличаться по температуре, при которой они растут оптимально, из-за небольших различий в их белках".
Как и ожидалось, самое поразительное разнообразие было продемонстрировано находками в экстремальных условиях, например в гиперсоленом водоеме на острове Флореана на Галапагосах. Это был образец 33, взятый в начале февраля 2004 года в жаркий день, когда Хоффман и его команда перетащили оборудование вглубь острова к этому небольшому водоему, расположенному в вулканическом кратере. Раш отметил, что между образцом, взятым на Флореане, и образцом, взятым, скажем, в пресноводном озере Гатун в Панаме, существует глубокая разница в солености, поддерживающая совершенно разные наборы видов с различными "волосками" на хохолкоподобных профилях подтипов.
Другой экстремальный образец, 32, был взят в прибрежной манной роще 11 февраля 2004 года на Галапагосах, когда Крейг выпрыгнул из "Зодиака" и погрузился в грязь по колено. "Толстый слой органических отложений на глубине менее метра - вот вероятная причина того, что найденные нами гены и организмы не похожи ни на один другой образец, который мы изучали", - говорит Раш, - "разнообразие практически зашкаливает".
Для следующей статьи в PLoS Biology Крейг хотел выйти за рамки ДНК и изучить белки в первых сорока одном образце. В результате появилась статья "Глобальная экспедиция по отбору проб океана Sorcerer II: Expanding the Universe of Protein Families" ("Расширяя вселенную семейств белков").4 Вычислительный биолог Шибу Йоосеф был первым автором, а Крейг - старшим. Среди соавторов были Раш и Халперн, а также Шеннон Уильямсон, Джонатан Айзен, Карла Хайдельберг и другие. В то время, да и сейчас, это было новаторское исследование с точки зрения объема белков, обнаруженных в океане, и географической широты выборки, охватившей полмира.
"Даг Раш возглавил работу по изучению выборки с точки зрения генетики, начиная с Северной Атлантики и заканчивая Гала-Пагосами", - говорит Йоозеф. "Мы использовали тот же набор данных в нашем исследовании, чтобы взглянуть на вещи с точки зрения белков" - белки представляют собой молекулы, которые создаются в соответствии с инструкциями генов и выполняют важнейшие функции в организме. "У нас были все эти данные о последовательностях, что позволило нам определить гены, кодирующие белки, а затем задать несколько фундаментальных вопросов о том, сколько семейств белков существует и какие новые семейства появляются".
"Мы обнаружили порядка двадцати пяти сотен новых белковых семейств", - говорит Йоозеф, - семейств, которые демонстрируют значительные различия в разных местах в зависимости от местоположения, солености и так далее. Исследователи также обнаружили 3 995 кластеров белков, которые могли бы быть семействами, из которых 1 700 не имели обнаруживаемой гомологии, связывающей их с семействами в существующих базах данных. Это опровергло мнение многих ученых о том, что все белковые семейства уже открыты.
Когда Йозеф и его команда столкнулись с миллионами неизвестных белков, одной из главных задач было попытаться определить, как они вписываются в то, что было известно и не известно ранее об океанических белках и их действиях. Им удалось идентифицировать лишь около 25 процентов всех белковых последовательностей, с которыми они работали, а остальные так и остались загадками. "Что, я думаю, довольно неплохо, - сказал он, - учитывая все то, чего мы не знали, когда начинали".
Любопытно, что бактерии на поверхности океана, как правило, имеют меньшие геномы, чем те, что живут глубже в море. "Эти ребята на поверхности были действительно успешно приспосабливаются к условиям открытого океана", - говорит Йоозеф. "Они просто занимаются своими делами. У них нет с собой большого багажа". Эти бактерии также занимаются фотосинтезом и производят кислород; они находятся в самом низу пищевой цепи, которая поддерживает эко-систему, поддерживающую нас. Поэтому, если вы уничтожите некоторых из них, это может привести к самым разным непредвиденным последствиям".
По его словам, это контрастирует с организмами, которые встречаются в малом количестве: "такие, как ваши вибрионы", то есть различные бактерии из рода, включающего возбудителя холеры в форме запятой. У них, как правило, гораздо больше дополнительных генов, которые помогают им выжить, когда условия не являются оптимальными". Эта разница в количестве генов потенциально может иметь последствия для пищевой цепи, изменения климата и всего остального, потому что, хотя бактерии хорошо приспособились к жизни в океанах, они не обладают большой метаболической гибкостью. Они делают то, что делают, очень хорошо, но если условия изменятся, если океаны внезапно станут кислыми, это потенциально может оказать негативное влияние на эти микробы".
Среди различных микробов, населяющих невидимое царство земных океанов, часто больше всего внимания привлекают бациллы. На другом конце спектра внимания находится класс микробов, которых в основном игнорируют или очерняют. Они также являются наиболее распространенными генетическими элементами на Земле. Это вирусы, крошечные пучки ДНК или РНК, которые могут быть живыми, а могут и не быть. Им была посвящена еще одна крупная статья в специальном сборнике PLoS Biology, в которой сообщалось об исследовании, которое на тот момент было практически уникальным, поскольку представляло собой крупномасштабное изучение вирусов, существующих в океанах. Их количество исчисляется квадриллионами (1015), в более широком контексте, когда на Земле существует около десяти немиллионов вирусов (1031).
Большинство людей думают: "Фу, вирусы, они плохие", - говорит бывший вирусолог JCVI и морской биолог Шеннон Уильямсон, первый автор книги "The Sorcerer II Global Ocean Sampling Expedi-tion: Metagenomic Characterization of Viruses within Aquatic Microbial Samples". "Но на самом деле они очень полезны во многих отношениях".
Пожалуй, наиболее важны те вирусы, которые играют решающую роль в контроле популяций видов-хозяев. К таким хозяевам относятся бактерии, которые размножаются так быстро, что без специальных вирусов, называемых бактериофагами, их численность быстро нарушила бы равновесие, позволяющее существовать экосистеме, которая нас поддерживает. Бактериофаги также играют важнейшую роль в рециклинге углерода и круговороте питательных веществ в океане: заражая и убивая бактерии, они запускают процесс распада, в ходе которого из тел клеток бактерий-хозяев выделяются химические вещества. Они становятся питательными веществами, которые служат пищей для живых бактерий, водорослей и других организмов. Для нас, людей, и почти всех других ор-ганизмов вирусы стали важным элементом эволюции, поскольку ДНК древних вирусов за долгие века слилась с нашей клеточной ДНК. ДНК, изначально полученная от вирусов, составляет около восьми процентов ДНК Homo sapiens.7
"Когда вышла наша статья в PLoS, прошло не так много времени с тех пор, как мы узнали, что вирусы являются важными компонентами морской экосистемы", - говорит Уильямсон. "Это была одна из тех вещей, которые привлекли меня к изучению вирусов еще в аспирантуре. Но проект Sorcererproject, безусловно, стал моим первым опытом использования геномики и метагеномики для изучения популяций вирусов со всего мира".
"Метагеномика то и дело использовалась в других исследованиях в небольших сообществах или в небольших океанических сообществах, - говорит она, - но не в таком объеме, как в рамках проекта Sorcerer II. Одним из интересных открытий, но в то же время и разочаровывающим, стало то, что мы обнаружили 99-процентную полную генетическую новизну. То есть, когда мы сравнивали данные, полученные из воды, с известными вирусами, которые были секвенированы и помещены в генетическую базу данных, а именно так проводился анализ, мы искали сходства и практически не находили". Почти все, что обнаружили Уильямсон и ее команда, было новым для науки.
Вирусы - исключительно эффективные машины для убийства в океанах, уничтожающие до сорока процентов всей микробной биомассы в морях каждый день.8 Вирусы также атакуют и убивают водоросли, бушующие в неконтролируемых цветениях. Вирусы поражают все живые существа во всех известных экосистемах.
С тех пор как в 1892 году российский ботаник Дмитрий Ивановский впервые обнаружил вирус, поражающий растения табака, было описано около девяти тысяч видов вирусов, и это число стремительно растет. Технически вирусы становятся вирусами только тогда, когда попадают в клетку. До этого они представляют собой вирионы - органические частицы, которые описываются как почти живые, но не совсем, поскольку в них отсутствуют определенные клеточные структуры и способность к самостоятельной репликации, которую биологи связывают с жизнью.
Вирусы гораздо меньше бактерий: их диаметр составляет от двадцати до трехсот нанометров. Они также различаются по форме. (Недавно один из вирусов стал печально известен своей сферической формой и поверхностными шипами: это вирус под названием SARS-CoV-2). Вирусы быстро производят тысячи копий самих себя, что является очень простым и разрушительно эффективным процессом. Многие вирусы заставляют клетки разрываться и выпускать новые копии для заражения других клеток.
Ученые не знают, когда вирусы впервые появились на Земле, но некоторые предполагают, что они могли развиться из бактерий или из плазмид - фрагментов ДНК, которые могут перемещаться между клетками, - или могли развиться из сложных молекул и нуклеиновых кислот, существовавших примерно в то время, когда клетки впервые появились на свет, около четырех миллиардов лет назад. Слово происходит от латинского virul-entus, означающего "ядовитый". Прилагательное "вирусный" впервые было использовано в 1948 году (а "вирусное распространение" на TikTok или Twitter появилось несколько позже). Бактерии вряд ли сидят сложа руки в ответ на эту свирепую бактерицидную атаку. За миллиарды лет эти вечно ресурсные ор-ганизмы разработали сложные "иммуноподобные" системы, которые агрессивно пытаются отбиться от своих крошечных обидчиков. Часть бактериальной защитной сети привела к открытию CRISPR, инструмента редактирования генов, основанного на способности бактерий использовать специальные ферменты для разрезания ДНК, чтобы редактировать потенциально опасные вирусы. "У вас постоянно идет небольшая битва, - говорит Уильямсон, - когда хозяин вносит изменения, чтобы избежать заражения, а вирусы пытаются найти способ обойти его. Потому что они очень быстро мутируют, и все это происходит методом проб и ошибок. Некоторые вещи делают их более эффективными, а некоторые - менее эффективными".
Уильямсон рассказал, как команда на "Колдуне II" собирала и готовила образцы вирусов. Все началось с того, что вирусы в основном улавливались самым маленьким размером фильтра - 0,1 микрона. "Но собирать вирусные данные было гораздо сложнее, чем бактерии, - сказала она, - потому что все они были настолько разнообразны.
Вирусы являются самым распространенным компонентом морской воды - на каждую бактериальную клетку в океане приходится десять вирусов. Они настолько генетически разнообразны, что у нас никогда не было достаточного количества какого-либо конкретного вида вирусов, чтобы создать из него полный геном. Из-за этого сопоставление с известными геномами в базе данных было очень сложным. Мы собирали все, что могли, чтобы получить контекст для некоторых функций, а также для того, чтобы немного упростить формирование филогении - определить, кто с кем связан и насколько они далеки друг от друга".
"С тех пор мы прошли долгий путь, - продолжила она, рассказывая о прогрессе в этой области с 2008 года, - все больше и больше се-квенирования вириопланктона из океанов. Кроме того, появилось больше данных, с которыми можно сравнивать".
Новизна того, чем занимались Уильямсон и ее команда в 2008 году, побудила ученых из JCVI создать новый инструмент, который они назвали геномикой одиночных вирусов. "Этот инструмент позволил нам вычленять отдельные вирусы из образцов окружающей среды, - говорит Вил-лиамсон, - чтобы мы могли проследить весь их геном с помощью ам-плификации и затем увеличить библиотеку эталонных геномов. Именно исследование Sorcerer вдохновило нас на эту разработку, потому что анализ был настолько сложным и порой разочаровывающим".
Первым и самым очевидным открытием команды Уильямсон стало огромное количество вирусов в образцах. "Уже в самом начале стало ясно, что вирусы - это действительно самые разнообразные и самые распространенные биологические существа на планете", - сказала она, подтвердив "то, на что намекали другие исследования".9 Подавляющее большинство вирусов были бактериофагами. "Мы увидели гораздо меньше вирусов, которые могли бы заразить более крупные макроорганизмы, такие как рыбы и люди".
Неожиданное открытие произошло после того, как генетический анализ вирусов позволил предположить, что образцы могли быть случайно загрязнены бактериями или другими организмами - в этом случае некоторые последовательности, помеченные как вирусные геномы, могли на самом деле включать гены бактерий, не связанных с вирусами. "Но это было не так", - говорит Уильямсон. "На самом деле эта ДНК была частью вирусов, которые они захватили у бак-терий". Это была ДНК, которую бактерии использовали для производства энергии и выполнения других важных функций, а вирусы взяли на себя.
"В то время традиционное представление о вирусах в окружающей среде, в частности в морской, заключалось в том, что они несут в себе гены, необходимые для репликации инфекции, - продолжает Уильямсон, - и не несут в себе много дополнительной ДНК или другого генетического материала. Но мы начали видеть гены, которые обычно встречаются у более крупных организмов, участвующих в различных видах метаболизма, таких как азотный метаболизм и фотосинтез. Мы поняли, что вирусы заселяют бактерии и передают бактериоподобные гены своему хозяину. Они использовали эти гены для поддержания жизнедеятельности хозяина в течение длительного периода времени, повышая уровень поглощения энергии и эффективность репликации". Другими словами, этот коварный захват генов помогал вирусам дольше поддерживать жизнь своих жертв, давая им больше времени для репликации.
"Оказывается, вирусы прекрасно умеют переносить гены", - добавила она. "Они могут заразить хозяина, взять несколько его генов - например, для метаболизма азота - и затем реплицироваться, вырваться из клетки, заразить другого хозяина, и у них есть возможность сбросить эти гены. Таким образом, они похожи на маленьких водителей UPS в поисках гена азота, который, в конечном счете, мог бы сделать эти бактерии более успешными". Очевидно, что если вирус уничтожит клетку-хозяина, он больше не сможет существовать. Это постоянное балансирование между сохранением жизни хозяев, чтобы вирусы могли реплицироваться и контролировать популяции бактерий.
Для вирусов, как оказалось, время - это все, то есть точный момент, когда они сталкиваются с хозяином, и какие условия складываются в этот волшебный момент. "Это не минута спустя или две минуты, - говорит Уильямсон, - но бактерии, на которые нападают вирусы, постоянно меняются, поэтому то, какие вирусы где появляются, зависит от жизненного цикла хозяина. Такие факторы, как время, необходимое конкретному хозяину, чтобы удвоить свою популяцию, скорость его роста". Очень тонкие изменения температуры, солености и прочего также приводят в движение сложный, обширный и потенциально смертельно опасный танец между вирусами и хозяевами, который может меняться каждую секунду, что делает безумно сложным для ученых отслеживание или понимание широких закономерностей, как эти крошечные кластеры ДНК и РНК заражают клетки, мутируют и повторно заражают другие клетки.
Некоторые критиковали усилия "Колдуна" за то, что он брал случайные образцы по всему миру, а не повторял пробы на одном и том же участке в течение определенного периода времени. Последний подход облегчает выявление закономерностей, позволяя с большей вероятностью предсказать, какие бактерии и какие вирусы когда появятся. "Но эти случайные пробы дали нам представление о том, сколько всего существует в мире, о чем мы не знали", - говорит Уильямсон. "Это была отправная точка". Она считает, что работа Sorcerer вдохновила людей на проведение более масштабных исследований с использованием метагеномики, которыми стало легче управлять по мере совершенствования технологии и удешевления se-квантования. Помогает и то, что сейчас "так много сегодня существует больше метагеномных наборов данных по вирусам", поэтому "сравнение с другими исследованиями сейчас очень полезно".
Едва PLoS Biology выпустил сборник "Метагеномика океана 2007", Крейг и его команда в JCVI занялись очередной колоссальной загрузкой необработанных геномных данных, использованных для анализа, в общедоступные базы данных. Это включало передачу в цифровом виде 7,7 миллиона генов, которые команды JCVI обнаружили в бактериальных образцах, а также тысячи вирусных пептидных se-последовательностей и вирусных скаффолдов и почти шесть миллионов белков, охарактеризованных группой Шибу Йоосефа.
Но Крейг и компания выложили в открытый доступ не только все эти молекулярные данные. Они также загрузили атомные данные (включая измерения температуры и солености, место, где был собран каждый образец, и многое другое) в совершенно новую базу данных и аналитический инструмент под названием Cyberinfra-structure for Advanced Marine Microbial Research and Analysis (CAMERA). Эта уникальная база данных была разработана JCVI в сотрудничестве с новым компьютерным и IT-центром UCSD под названием Calit2, который получил грант на эти цели от Фонда Мура.
CAMERA стала темой заключительной статьи в специальном сборнике PLoS Bi-ology, автором которой является специалист по вычислительной биологии из JCVI Реха Сешадри. В ней она описывается как "современный вычислительный ресурс с программными инструментами для расшифровки генетического кода сообществ микроорганизмов в мировом океане". Сешадри и ее соавторы рассказали, как этот новый ресурс "поможет ученым понять, как микробы функционируют в своих естественных экосистемах, позволит изучать влияние человек оказывает влияние на окружающую среду, а также позволяет заглянуть в эволюцию жизни на Земле".
"Метагеномика способна пролить свет на генетический контроль этих процессов, изучая ключевых игроков, их роли и состав сообществ, который может меняться в зависимости от времени, климата, питательных веществ, углекислого газа и антропогенных факторов", - говорится в статье. "Можно представить себе будущее, в котором метаданные со спутников и метеостанций, а также другие физико-химические данные будут использоваться для интерпретации и информирования ученых о том, как эти факторы влияют на микробные процессы и состав сообществ".
Технология CAMERA была построена с использованием новой вычислительной технологии, разработанной в Calit2 и нескольких других университетах и институтах, под названием "OptiPuter". В то время в рамках этого проекта создавался прототип глобальной версии сквозной киберинфраструктуры, способной генерировать "кластер визуализации высокого разрешения" из изображений и данных, полученных в лаборатории исследователя, и передавать их по выделенному оптическому волокну со скоростью 1 или 10 гигабит в секунду на удаленные серверы данных и компьютеров в любом месте. В начале 2000-х годов это была новая и радикальная концепция.
Руководителем проекта CAMERA был основатель и первый директор центра UCSD Ларри Смарр.2 Будучи астрофизиком, который помог разработать технологию OptiPuter, Смарр несколькими годами ранее переключился с физики на компьютеры и помог создать сеть суперкомпьютеров в 1980-х годах, которая стала ранней предшественницей Интернета.
Смарр начал сотрудничать с CAMERA в 2005 году, когда ему неожиданно позвонили. "Я шел по кампусу Калифорнийского университета в Сан-Диего, когда мне позвонил Крейг", - вспоминал он позже. "Я не был с ним знаком, но он сказал мне, что нужно было где-то хранить и предоставлять подробную информацию обо всех данных, поступающих из экспедиции "Колдуна". Он решил, что Calit2 - самое подходящее место для этого. Он оказался прав".
Ларри Смарр - высокий, похожий на медведя мужчина, который с детским восторгом относится к проектам и идеям, которыми увлечен. У него нет формального образования в области микробиологии. Но он выбрал эту область благодаря Крейгу - и благодаря озарению, которое пришло к нему, когда он поставил астрофизику рядом с микробиологией. На первый взгляд, эти две дисциплины настолько далеки друг от друга, насколько можно себе представить: непостижимая грандиозность изучения Вселенной и непостижимая малость изучения микробиома. Но, по словам Смарра, когда он вник в проект CAMERA и узнал, чем занимаются Крейг и другие, он сделал следующее наблюдение: "Во Вселенной, возможно, 1012 галактик и сто миллиардов или около того звезд, то есть 1022 звезды. А потом я узнал, что на Земле, этой маленькой мухобойке посреди пустыни, в глуши Вселенной, существует 1030 бактерий. То есть бактерий в сто миллионов раз больше, чем звезд во Вселенной. И это просто умопомрачительно, верно? И тогда я понял, что конечными данными, которые изменят все в науке, будет биология микробов. Поэтому с тех пор я работаю в этой области".
Вскоре после звонка Крейга Ларри Смарр буквально вложил в дело свое нутро, начав многолетний проект по измерению и отслеживанию изменений в своем собственном микробиоме. Для этого он собирал образец кала каждый день и поручил JCVI и другим специалистам провести последовательность микробов. Он отслеживал данные и изменения, используя огромные вычислительные мощности, к которым он имеет доступ в Calit2. В какой-то момент самодиагностика Смарра выявила тревожные изменения в его микробиоме - раннее начало болезни Крона.
Болезнь, от которой он избавился, тщательно скорректировав свой рацион и образ жизни, и при этом использовал всю мощь имеющихся в его распоряжении передовых технологий для отслеживания своего прогресса. В каком-то смысле это был космический парень, обративший свой телескоп вовнутрь, чтобы не только изучить собственное созвездие триллионов бактерий, но и изменить его в свою пользу.
"В итоге у нас было более шести тысяч пользователей инфраструктуры из семидесяти с лишним стран", - говорит Смарр о проекте CAMERA. Он стал общей "водопойной ямой", доступной для всех желающих". К сожалению, в 2014 году финансирование CAMERA закончилось, и он был закрыт. "Отчасти это произошло потому, что проект был слишком успешным", - говорит Дэвид Кингсбери из Фонда Мура. "Спрос оказался больше, чем мы предполагали, - сказал он, - и мы не смогли удовлетворить его так, как этого хотели люди. У нас просто не было ресурсов для этого. Когда вы получаете грант, вы всегда беспокоитесь о том, что вы будете делать, если он провалится. А вот что мы редко делаем, так это планируем, что мы будем делать, если это действительно сработает?" К счастью, как отметил Смарр, другие создали базы данных и инструменты, подобные CAMERA: "Теперь это делают все".
Когда в 2007 году вышел сборник PLoS Biology, Крейг и Кен-Нет Нилсон написали обобщающую статью о нем в журнале ISME, в которой подчеркнули, как много еще не учтено. Глобальный обзор океана, отметили они, сосредоточен на "приповерхностной морской планктонной нише" и едва ли отражает огромную микробную жизнь во всем остальном море, не говоря уже о почве и воздухе. В него также не вошли очень мелкие животные и более крупные фитопланктон (эукариоты) и другие крупные микробы, а также многоклеточные бактерии. "Во многих случаях, - пишут они, - эти бактерии имеют четко определенные ниши... и нет никаких сомнений в том, что они играют определенную роль в морских экосистемах".
"Каждый из нас должен сесть за стол с данными и привнести в их анализ свои собственные интересы и знания", - заключили они. "Сейчас главное - воспользоваться моментом и двигаться вперед".
Именно это и произошло с 2007 года, когда микробиоло-ги и океанографы по всему миру стали использовать миллионы микробов, собранных и секвенированных учеными JCVI, что намного больше, чем те первые сорок один образец, взятый от Саргассовых до Галапагосских островов. В главе 8 мы расскажем о том, как много данных и анализов было собрано с момента начала проекта Sorcerer II в 2003 году, что привело к появлению тысяч статей и экспериментов, которые, безусловно, продвинули вперед науку об экологической микробиологии. В ней также будут высказаны некоторые мысли о том, как этот взрыв открытий помог нам лучше понять, как человек вписывается в планету, на которой доминируют микробы.
Это включает в себя растущее осознание того, что исторически и биологически мы не настолько контролируем нашу планету, как нам казалось, и что люди - всего лишь еще один организм, глубоко связанный и зависимый от планеты микробов, которым нет дела до нашего вида, кроме как в качестве одной из многих ниш, где мы можем обитать и работать с ресурсами - иногда симбиотически, а иногда нет. Это вновь обретенное смирение приходит даже тогда, когда мы узнаем о значительном влиянии человеческой деятельности на окружающую среду в глобальном масштабе. Оба осознания заставляют нас перестать притворяться, что микробиом не имеет значения.
Глава 8. Микробов больше, чем звезд
Он тянется бесконечно - и, о Боже! Он весь усеян звездами!
-Артур К. Кларк, 2001 год: космическая одиссея
ПОСЛЕДНИМ осенним днем 2018 года недалеко от Ла-Джоллы, штат Калифорния, микробиолог JCVI Крис Дюпон стоял на пляже у Океанографического института Скриппса, готовясь войти в холодные воды Тихого океана. Шагая в волны, разбивающиеся о песок, он нес длинную доску для серфинга и сумку с предварительно очищенной двухлитровой бутылкой с образцом. Вскочив на доску, тридцатилетний Дюпон, компактный мужчина с легкой улыбкой, отправился на веслах в заданное место на берегу, чтобы взять пробу океанской воды, наполненной микробами. Этим он занимается на этом пляже уже много лет, сочетая, как и Крейг, два своих увлечения: серфинг и изучение океанских микробов.
Дюпон проводил один из десятков тысяч тщательно продуманных и детально проработанных экспериментов, которые исследователи проводят со времен кругосветного плавания Sorcerer II, делая открытия и выводы, которые помогли осветить научный смысл того, что мы узнаем об океанском микробиоме. "Это было небольшое исследование", - сказал Дюпон, как и десятки других, в которых он принимал участие с момента присоединения к JCVI в 2009 году и ранее в своей карьере. "Но мы надеемся, что оно хоть немного помогло более широкой работе".
Дюпон собирал морскую воду для проекта, над которым он работал вместе с Полом Карини, микробиологом из Университета Ари-зоны. Оба ученых собирали образцы из океана здесь, в Южной Калифорнии, чтобы добавить их к образцам почвы, взятым недалеко от Тусона в горах Санта-Каталина в Аризоне. Их целью было попытаться лучше понять, почему некоторые микробы в этих двух средах - почве и океане - легче культивировать в лабораторных условиях, чем другие, что включало в себя секвенирование дробовика для проверки ДНК изучаемых микробов.
"Я вышел на хороший глисс, - вспоминал Дюпон, - открыл бутылку, ополоснул ее морской водой, затем наполнил. Я укупорил ее и положил обратно в сумку". Затем он подплыл к месту, где плескались волны, и, поймав одну особенно сладкую, вернулся на пляж, где положил образец в кулер и поехал обратно в свою лабораторию. "Я отфильтровал половину для секвенирования в JCVI, а остальное отправил в лабораторию моего сотрудника в Аризоне", - говорит Дюпон.
"Они делали то же самое с образцами почвы, которые собирали, отправляя половину мне, а половину оставляя себе". В начале 2020 года команда опубликовала исследование, посвященное почвенной части проекта. "Мы все еще работаем над публикацией океанической части", - говорит Дюпон.
Работа Дюпона, как и многих других микробиологов за последние полтора десятилетия, была направлена на извлечение информации из образцов, взятых на Sorcerer II и учеными, работающими над другими большими и малыми проектами по сбору микробов, включая несколько проектов на досках для серфинга. Среди небольших работ Дюпона, часто выполненных в сотрудничестве с Крейгом и другими учеными JCVI, - опубликованная в 2011 году статья о колебаниях фитопланктона в море у побережья Сан-Диего. В другой статье, опубликованной в 2015 году, исследуется, как геномы и экспрессия генов различались в зависимости от уровня солнечного света и доступности питательных веществ на разных глубинах в восточной субтропической части Тихого океана. В 2017 году компания Du-pont опубликовала анализ разнообразия вирусов, обнаруженных в Балтийском море, - исследование, соавтором которого выступила Каролина Ининбергс, шведский микробиолог, сопровождавшая экспедицию Sorcerer II в 2009-2010 годах в Балтийском и Средиземном морях.
Отдельные работы, подобные этой, стали исчисляться сотнями в год. В настоящее время исследователи пополняют анализ того, что формирует разнообразие микробов в различных средах. Они выясняют, как конкретные микробы взаимодействуют друг с другом и с другими видами, включая человека. Они определяют функции различных генов и белков. Они отслеживают влияние изменений окружающей среды на крупные глобальные системы, такие как морская микробная экосистема, которая питает и поддерживает фитопланктон, производящий более сорока процентов кислорода в атмосфере.
Многие из этих исследований были бы невозможны, если бы с 2003 года не произошло еще одно важное научное событие - Крейг понял, что с помощью метагеномных методов можно обнаружить значительное большинство микробов, которые ранее не поддавались идентификации и классификации, и что эти микробы можно собирать и секвенировать в больших, глобальных масштабах. Такой подход помог вдохновить другие многолетние глобальные экспедиции по сбору проб.
Мыслить масштабно также побудили масштабные общественные усилия по систематическому изучению микробиома Земли. Одним из них стал консорциум Earth Microbiome Project, созданный в 2010 году под руководством микробиологов Роба Найта и Джека Гилберта из Калифорнийского университета в Сан-Диего. В 2017 году этот консорциум опубликовал в журнале Nature масштабное исследование, целью которого была стандартизация критериев классификации таксонов микробиома и решение других насущных проблем, связанных с определением характеристик микробов, а также наведение порядка в развивающейся области экологической микробиологии. В исследовании приняли участие более пятисот ученых, а 27 751 образец был получен из сорока трех стран. "Эти образцы представляют собой множество типов образцов и охватывают широкий спектр биотических и абиотических факторов, географических мест и физико-химических свойств", - пишут Найт и Гилберт в редакционной статье, опубликованной в 2018 году в журнале mSystems.
Исследование, по словам Найта и Гилберта, дало ученым возможность "проверить фундаментальные гипотезы биогеографии, в том числе выявить закономерности, которые ранее были возможны только для "макробиологической" экологии. Кроме того, экологические тенденции продемонстрировали ключевые принципы организации, согласно которым экосистемы с меньшим разнообразием сохраняют таксоны, которые встречаются в образцах с большим разнообразием". Полученные данные также позволили исследователям "изучить факторы, лежащие в основе глобальных тенденций разнообразия", и, используя информатику.
Благодаря этому они смогли "выявить местную адаптацию и, следовательно, экологическую специфику подвидов". Это стало продолжением анализа генетического и протеомного разнообразия первых сорока одного образца, взятого из Sorcerer II, о чем сообщалось в работах JCVI в специальном выпуске PLoS Biology 2007 года.
В рамках проекта "Микробиом Земли", добавляют Найт и Гилберт, не удалось изучить функции генов или пролить свет на другие молекулярные процессы, например, на то, какие белки экспрессируются этими генами и какова роль метаболитов в этих организмах. Изучение таких явлений известно как мультиомика, поскольку она объединяет несколько "омических" методов, таких как геномика, протеомика, микробиомика и метаболомика. В последние годы мультиомика стала модным направлением в молекулярной биологии, хотя одновременный учет стольких динамических процессов остается фантастически сложной задачей.
"Чтобы оценить, как микробы распределены по средам в глобальном масштабе - и следует ли динамика микробных сообществ фундаментальным экологическим "законам" в планетарном масштабе, - требуется либо масштабное монолитное исследование всех сред, либо практическая методология координации многих независимых исследований", - пишут Найт и Гилберт. Они также отметили, что, даже когда образцы и исследования накапливаются, вопрос о том, что все это значит, остается нерешенным. Ученые просто переполнены данными - любопытное дополнение к скудости данных, которая преобладала до 2003 года.
ОДИН из способов представить себе микробные экосистемы на Земле и их влияние на человека - это вообразить нечто сродни русской матрешке. Это матрешка внутри матрешки, а внешний слой - это экосистема, которую мы видим из космоса, сферическая, окрашенная в синий, зеленый и белый цвета. Эта огромная экосистема, поддерживающая жизнь, какой мы ее знаем, содержит все остальные экосистемы внутри экосистем, вплоть до микроэкосистем в море, в глубинах Земли, на пестике розы или внутри вас.
Микробная экосистема человека - всего лишь одна из почти бесконечного числа субматрешек на Земле. Но поскольку человеческий микробиом довольно важен для большинства организмов, читающих эту книгу, мы будем использовать его в качестве примера. В книге о микробиоме моря и Земли мы уделим немного времени описанию того, как проект Sorcerer II и экологическая микробиология за последние двадцать лет способствовали нашему пониманию триллионов крошечных организмов - эукариот, архей, бактерий, вирусов и грибков, - которые живут внутри и на теле Homo sapiens.
По последним оценкам, средняя популяция микроорганизмов внутри нас составляет около тридцати девяти триллионов. Количество бактериальных клеток примерно равно количеству гораздо более крупных человеческих клеток. Микробы несут в себе в пятьсот - тысячу раз больше генов, чем человеческие клетки, но на их долю приходится менее одного фунта от общего веса среднего человека.
Микробы поддерживают жизнедеятельность нашего организма, выполняя свои обычные задачи: выделяют химические вещества, разрушают отмирающие клетки, перерабатывают основные химические вещества, такие как углерод, азот и кислород, и многое другое. Сотни миллионов микробов в кишечнике помогают нам переваривать и перерабатывать пищу. При правильном балансе они защищают нас от болезней и выполняют множество функций, которые поддерживают наше здоровье. Микробы, доставшиеся нам от матери, частично приобретенные из потребляемой пищи и из других внешних экосистем, влияют на наше развитие еще до рождения. Они расщепляют нашу пищу, извлекая из нее питательные вещества, необходимые нам для выживания. Они учат нашу иммунную систему распознавать опасных захватчиков и вырабатывают противовоспалительные соединения, которые борются с микробами, вызывающими заболевания.
Все больше исследований показывают, что изменения в составе наших микробиомов коррелируют с многочисленными заболеваниями, что дает возможность использовать манипуляции с этими сообществами для лечения болезней, над чем работают несколько фармацевтических и биотехнологических компаний, разрабатывая новые лекарства и другие методы лечения.
Частью этих исследований является изучение того, что происходит, когда мы балуемся диетами с высоким содержанием сахара и жиров, плохо спим или пьем слишком много джин-тоника. Все это может привести к размножению "плохих" бактерий в нашем кишечнике за счет "хороших", что делает нас больными и даже влияет на наше настроение. Например, в исследовании 2018 года, опубликованном в European Journal of Nutrition, изучался тонкий баланс между потреблением углеводов и уровнем бактерий в кишечнике, которые расщепляют углеводы до метаболитов. Исследователи обнаружили, что когда человек слишком сильно сокращает потребление углеводов, бактерии, которые их потребляют, переходят на другие источники пищи в кишечнике. Это заставляет бактерии, любящие углеводы, выделять менее полезные метаболиты. Еще одно исследование, опубликованное в журнале Nature Microbiology в 2019 году, показало, что распространенность определенных микробов в кишечнике коррелирует с депрессией.
Однако до недавнего времени выявление и изучение больших систем микробов, хороших и плохих, в организме человека было ограничено досадным упрямством большинства бактерий, которые не поддавались культивированию в лаборатории. Именно здесь экосистема микробиома человека входит в нашу историю, историю о том, как методы, разработанные для секвенирования микробов в окружающей среде в конце 1990-х и начале 2000-х годов, были использованы позже для лучшего понимания микробиома человека.
"Я думаю, что изучение микробиомов окружающей среды заложило основу для работы над человеком", - говорит микробиолог Карен Нельсон, бывший президент JCVI и один из первых сторонников использования метагеномики для изучения микробиома человека. "Первая серия исследований, в которых использовалась метагеномика, определенно проводилась с образцами окружающей среды, водой и почвой, отчасти потому, что так было проще проникнуть внутрь и посмотреть, что там находится. Затем мы использовали те же методы на людях".
Истоки работы Нельсона с человеческими микроорганизмами восходят к последним двум годам работы Крейга в Celera, с 2000 по 2002 год. "Вы должны понимать, что у Крейга в Celera и TIGR была, возможно, самая высокопроизводительная операция по секвенированию на планете", - говорит Нельсон. "И пока все были сосредоточены на секвенировании человеческой ДНК, мы и другие начали задавать вопросы о других животных, таких как куры и коровы, а также о том, что происходит в их желудочно-кишечном тракте с точки зрения микробов, задаваясь вопросом, что мы найдем, если попробуем секвенировать дробовик". В то время большинство генетических работ в микробиологии, человеческой или иной, были связаны с 16S рРНК. "Моя лаборатория была занята фундаментальными исследованиями 16S рРНК в образцах бактерий из полости рта людей вместе с мик-робиологом Дэвидом Релманом из Стэнфорда", - говорит Нельсон. "А до этого мы получили финансирование на изучение бактерий, в том числе гингивита, в полости рта".
По словам Нельсона, идея использовать секвенирование дробовика в кишечнике человека впервые возникла в рамках проекта, который Крейг и Хэм Смит подумал, что они могли бы продолжить работу в Celera. "Они хотели составить последовательность микробов в человеческих какашках", - говорит Нельсон, и назвали проект "HuPoo". Однако материнская компания Celera решила, что ее коммерческий бизнес - не место для фундаментальных исследований. Поэтому Крейг перевел проект в TIGR. Однажды я пришел к Крейгу и спросил: "Могу ли я взять это на себя?" Я хотел провести полногеномное дробное секвенирование микробиома кишечника, которое он проводил в океанах. Он согласился, и мы так и поступили".
В 2006 году Нельсон возглавил группу, опубликовавшую в журнале Science первую крупную работу, в которой использовалась метагеномика для анализа эн-тиретичности микробов, обнаруженных в фекалиях человека, - отличного источника сырья (так сказать) для изучения микробиома кишечника. "В этой работе мы быстро смогли сделать для человека леверидж того, что происходит в мире окружающей среды, - говорит Нельсон. Для начала они опробовали свою идею на фекалиях всего двух человек - N=2, что сегодня не прокатило бы, поскольку для того, чтобы результаты оказались интересными для ученых и врачей, необходимо было бы протестировать тысячи людей. Но в то время идея уничтожения кишечных бактерий была в новинку.
"Мы были очень удивлены разнообразием флоры в фекалиях этих двух людей, - говорит Нельсон, - сообщество было ошеломлено. Никто не ожидал этого, так же как никто не ожидал разнообразия, которое Крейг обнаружил в Саргассовом море. Мы не знали, что с этим делать, - так много всего было. Ведь вы должны понимать, что тогда все культивировали по одному или по два организма за раз. А теперь у нас были тысячи, и большинство из них - организмы, которых вы никогда раньше не видели".
"Затем, со временем, мы начали рассматривать разных людей, - добавила она, - с разными профилями: "здоровые против больных, принимающих антибиотики и все остальное. Мы также увидели так называемый "дисбиоз" - дисбаланс в микробиоме, который может вызвать заболевание. Сначала мы просто не понимали, что происходит. Что стало причиной этого? Диета? Что-то еще? И по сей день трудно установить причину и следствие, но во многих случаях вы четко видите корреляцию между дисбалансом определенных бактерий и болезнями".
Нельсон приводит современный пример того, как микробиологи копаются в фекалиях и вскрывают геномы микроорганизмов, чтобы выяснить влияние специфического дисбактериоза в кишечнике человека - в данном случае того, который, как оказалось, связан с неалкогольной жировой болезнью печени. Это заболевание, являющееся наиболее распространенной формой хронического заболевания печени в США, поражает от восьмидесяти до ста миллионов американцев и убивает двадцать тысяч человек в год. До семи тысяч пациентов в результате этого заболевания получают трансплантацию печени. В 2017 году гастроэнтеролог Рохит Лумба из Калифорнийского университета в Сан-Диего в соавторстве с Карен Нельсон провел клиническое исследование, в котором приняли участие восемьдесят шесть пациентов с заболеваниями печени. Они взяли образцы кала и обнаружили несколько вероятных индикаторов прогрессирующего заболевания печени, в первую очередь кишечную палочку и другую бактерию под названием Bacteroides vulgatus.
Обе эти бактерии в изобилии присутствуют в кишечнике человека, и обе они могут быть полезными или вредными в зависимости от их количества и от других факторов, таких как рацион питания. Bacte-roides vulgatus относится к семейству бактерий, называемых бактериодами, которые составляют самую многочисленную часть микробиоты человека: в нашем кишечнике насчитывается до 1011 маленьких бактерий Bacteroides. Они играют важнейшую роль в расщеплении сложных молекул в пище, которую мы едим, и особенно активно размножаются, когда человек потребляет много белка и животных жиров и не употребляет углеводов.
Авторы исследования обнаружили, что избыток обеих этих бактерий связан с прогрессирующим заболеванием печени, и предложили теорию о том, как избыток бактерий мог стимулировать выработку токсичных для печени метаболитов. Летом 2021 года Лумба планировал расширить свое исследование до пятисот диабетиков, поскольку диабет - это заболевание, которое подвергает пациентов высокому риску развития неалкогольной жировой болезни печени.
"Мы работаем над созданием панели бактерий, которые можно было бы использовать для тестирования и диагностики заболеваний печени, - говорит Лумба. Это позволит избежать необходимости проведения диагностической биопсии. "Эта идея может быть использована для диагностики других заболеваний, когда определенные бактерии ведут себя определенным образом, что способствует развитию болезни. Мы также можем использовать эти тесты, чтобы узнать, помогло ли лечение, проверив, как оно повлияло на микрофлору".
Подобные небольшие, но значимые открытия о ми-кробиоме человека за последние пятнадцать лет распространились почти так же стремительно, как и исследования микробиома окружающей среды, а возможно, и больше. NIH запустил и профинансировал крупный научный проект - проект "Микробиом человека" стоимостью 170 миллионов долларов, который осуществлялся с 2007 по 2016 год, а JCVI был его соавтором. Эта инициатива имела отголоски проекта "Геном человека", хотя и с гораздо меньшим финансированием.
В первую очередь проект "Микробиом человека" был нацелен на выявление микробов в организме человека и понимание того, как они влияют на здоровье и болезни. В рамках проекта были предприняты большие усилия по созданию инфраструктуры и стандартизации, что также происходило в экологической микробиологии в рамках проекта "Микробиом Земли". Когда проект "Микробиом человека" завершился, в числе его достижений значилась идентификация около десяти тысяч видов микроорганизмов, населяющих экосистему человека. Все они были включены в каталог эталонных метагеномов, полученных из различных участков организма - в основном с помощью 16S рРНК, но в некоторых случаях и с помощью секвенирования всего генома. Также была проведена соответствующая работа по юридическим и этическим вопросам, связанным с конфиденциальностью, тем, что следует сообщать пациентам, и коммерциализацией.
В рамках конкретных проектов ученые изучали такие вопросы, как микробиом влагалища перед родами, вирусная нагрузка в микробиоме детей с необъяснимой лихорадкой и роль микробиома в заболеваниях кожи, пищеварительной системы и репродуктивных органов. Одно исследование установило связь между определенными микробами и атеросклерозом. Было проведено еще много других. В 2012 году в журналах Nature, PLoS Biology и других было опубликовано несколько исследований, проведенных в рамках проекта "Микробиом человека". Ученых ждало несколько сюрпризов, в том числе и то, что микробы вносят свой вклад в гены, помогающие человеку выжить. Было также замечено, что микрофлора человека меняется со временем в ответ на болезни и изменения в окружающей среде, что вполне логично, учитывая, что микробиом человека - это всего лишь одна из бесчисленных экосистем, вложенных в большую и хитроумно связанную экосистему "матрешка" планеты Микроб. Однако большинство изученных микробиомов кишечника, как правило, возвращались к состоянию гомеостатического равновесия после борьбы с болезнью или нарушения баланса микрофлоры, иногда устанавливая иной баланс микробов, чем до нарушения.
Учитывая недавнюю тотальную борьбу с глобальной пандемией, следует также упомянуть, что исследование SARS-CoV-2 продвинуло науку о микробиоме человека для коронавирусов и других патогенных вирусов - и в некоторой степени для вирусов в целом.
Мы приложили все усилия, чтобы понять новый коронавирус (который теперь уже не такой уж и новый) и то, как он взаимодействует со своими носителями-людьми. В результате мы теперь знаем больше о роли генетики человека в том, почему одни люди испытывают тяжелые симптомы и умирают, а другие не испытывают никаких симптомов. И мы лучше оснащены для создания новых и лучших вакцин, чтобы остановить не только SARS-CoV-2, но и действительно новые вирусы, которые, несомненно, появятся в будущем.
Глава 9.
Микробная «неудобная правда»
Лишь в течение момента времени, представленного нынешним веком, один вид - человек - приобрел значительную власть над природой мира.
-Рашель Карсон, «Безмолвная весна»
МИКРОБИОЛОГ КРИС ДЮПОНТ ПОМНИТ, как впервые увидел, как морской лев впал в зомби-безумие недалеко от Ла-Джоллы, штат Калифорния. "Его глаза закатились, и он яростно нападал на все, что находилось в пределах досягаемости", - говорит Дюпон. Он объяснил поведение животного мощным нейротоксином под названием "домоевая кислота", который вырабатывается микробом псевдо-ницшея, водоросль, которая может превращаться из доброкачественной в ядовитую. "Она очень ядовита для морских львов, которые ее едят, - сказал он, - и для людей".
Вероятным фактором, способствующим тому, что псевдоницшия стала домоевой, является потепление океана у берегов Калифорнии, поскольку парниковые газы повышают температуру нашей планеты. Вблизи Ла-Джоллы температура воды с 1970-х годов повышалась на 0,6 градуса в десятилетие. В последние годы это повышение коррелирует со скачками сезонных концентраций домоевой кислоты в океане, которые "сопоставимы с некоторыми из самых высоких значений, зафиксированных в литературе", согласно данным Калифорнийского управления по оценке опасностей для здоровья окружающей среды. "Зоопланктон и мелкая рыба поедают псевдоницшию, - говорит Дюпон, - и она перемещается по пищевой цепочке к морским львам".
Океанограф JCVI Эндрю Аллен потратил годы на изучение псевдоницшии, которая относится к роду водорослей, известных как диатомовые, - одного из крупнейших фитопланктонов в океанах. Он объясняет, что потепление - не единственный фактор, из-за которого псевдоницшия становится токсичной. Процесс еще не до конца изучен, но, похоже, превращение происходит, когда эти микоробы наедаются большим количеством питательных веществ в более прохладной воде у побережья Калифорнии, а затем, как он говорит, "попадают в более теплую воду у побережья" - воду, температура которой повышается в результате изменения климата.
Если это звучит сложно, то так оно и есть. Огромные глобальные системы течений, ветров, солености, питательных веществ и температуры находятся в работе, и они объединяются в постоянно меняющуюся хореографию взаимодействий, оказывающих влияние, среди прочего, на отдельные ми-кробы, такие как Pseudo-nitzschia. Изменение климата дополняет этот танец и влияет на то, что в конечном итоге происходит с этими длинными, цилиндрическими, ми-кроскопическими водорослями, а также с морскими львами и другими бесчисленными организмами, восемь миллиардов человек оказывают свое влияние на огромное и невидимое множество бактерий, вирусов, грибков и водорослей в море. По оценкам, в океанах обитает 1029 микроорганизмов, которые помогают сделать хрупкую планетарную экосистему такой, в которой мы, люди, можем существовать, а не такой, в которой нас нет.
Люди гораздо лучше осведомлены о том, как изменение климата и загрязнение окружающей среды влияют на макрожизнь. Они слышат о резком сокращении численности всех видов - от белых медведей до бабочек-монархов. Они узнают об ущербе, наносимом природе, - от редких орхидей в бассейне Амазонки до трехцветных дроздов в Северной Америке. Однако влияние на невидимые микробы, такие как Pseudo-nitzschia, также может быть очень глубоким. Правда, следует сделать оговорку: в отличие от бабочек, птиц и людей, которые исчезают навсегда, если вымирают, недолговечные микробы вроде Pseudo-nitzschia постоянно мутируют и эволюционируют. В ответ на колебания окружающей среды они с гораздо большей вероятностью будут реагировать, адаптироваться и меняться, чем полностью исчезнут.
"Человеческая деятельность вызывает огромный дисбаланс в глобальном микробиоме", - говорит Крейг. "Проедьте пятнадцать миль к югу отсюда после дождя, и все человеческие отходы из Тихуаны стекают по реке Тихуана в океан. Это влияет на все пляжи не только в Мексике, но и в Южной Калифорнии, загрязняя воду кишечной палочкой и другими инфекциями, и люди заболевают. Мы также наблюдаем повышение уровня кислотности океана примерно на 0,1 pH с доиндустриальных времен. Так что да, мы влияем на окружающую среду".
"С таянием всех льдов уровень воды будет выше, и океаны потеплеют", - добавил он. "При потеплении океана всего на один градус вы получаете реакции, подобные той, что происходит с коралловыми рифами, где ключевая бактерия, которая отвечает за поддержание здоровья рифов, в некоторых местах умирает, а вместе с ним и сами кораллы".
В 1962 году морской биолог и писательница Рэйчел Карсон в своем бестселлере "Безмолвная весна" выступила с аналогичным посланием об угрозах, которые несет человеческая деятельность для макрожизни. Эта красноречивая ода красоте и хрупкости естественной жизни стала одним из первых широко читаемых предупреждений о вреде загрязнения Земли человеком. Книга Карсон в значительной степени способствовала популяризации экологического движения, которое стало основным в 1960-х годах и привело, в частности, к созданию Агентства по охране окружающей среды США в 1970 году и национальному запрету на использование ДДТ в 1972 году.
"Для каждого из нас, как и для малиновки в Мичигане или лосося в Мирамичи, это проблема экологии, - писал Карсон, - взаимосвязи, взаимозависимости. Мы травим мух-каддисов в ручье, и лосось сокращается и умирает. Мы травим мошек в озере, и яд переходит из звена в звено пищевой цепи, и вскоре его жертвами становятся птицы, обитающие на озерных окраинах. . . . Все это фиксируемые, наблюдаемые факты, часть видимого мира вокруг нас. Они отражают паутину жизни или смерти, которую ученые называют экологией ".
"Будучи таким же грубым оружием, как дубинка пещерного человека, химический шквал был направлен против ткани жизни, - пишет она, - ткани, с одной стороны, нежной и разрушительной, с другой - чудесным образом прочной и устойчивой, способной нанести неожиданный ответный удар. Эти необыкновенные способности жизни были проигнорированы специалистами по химическому контролю, которые не привнесли в свою задачу ни "возвышенной ориентации", ни смирения перед огромными силами, с которыми они взаимодействуют".
Карсон мог бы рассказать и о воздействии человека на микромир - о том, как он существует в виде сложной ткани жизни, которая одновременно хрупка и устойчива перед лицом натиска одних и тех же загрязнителей, как вызванные человеком стрессовые факторы меняют то, какие микробы где живут, и как они взаимодействуют с окружающей средой, что может быть нездоровым для планетарной экосистемы, поддерживающей человека и макроорганизмы, которые поддерживают нас.
Учитывая эту медленную, но ускоряющуюся резню макрожизни, легко прочитать описание Карсон о том, что происходит на суше и в реках, с птицами и рыбами, когда "яд переходит из звена в звено пищевой цепи", и экстраполировать его на то, что происходит, когда деятельность человека вызывает сдвиги в популяциях микроорганизмов. Последствия могут быть одинаково опасны для малиновки в Мичигане и лосося в Мирамичи, а также для наших детей.
Еще одна аналогия с "Безмолвной весной", которую мы должны рассмотреть в 2020-х годах, заключается в том, что, хотя некоторые ученые во времена Карсон прекрасно понимали опасность, которую представляет собой неконтролируемое использование химических веществ, большинство людей не понимали этого - до тех пор, пока "Безмолвная весна" и другие призывы не привлекли их внимание. Точно так же и современные угрозы, создаваемые человеком для микробиома океана, остаются малоизвестными за пределами кругов микробиологов и океанографов. "Трудно привлечь внимание людей к этому вопросу", - говорит микробиолог из Скриппса Джек Гилберт. "Не похоже, чтобы люди много думали о микробиоме Земли".
Гилберт упомянул фильм Netflix 2021 года "Не смотри вверх" как иллюстрацию того, как человеческое общество может быть настолько поглощено собой, что не предпринимает никаких действий, даже когда опасность находится прямо в небе - ас-тероид, готовый врезаться в Землю.
В главной роли Леонардо Ди Каприо и Дженнифер Лоуренс - ученые, пытающиеся объяснить миру, одержимому мемами, лайками, сплетнями и тем, что Стивен Колберт однажды назвал "правдивостью", что они не воспринимают всерьез событие уровня вымирания, которое каждый мог бы предвидеть, если бы... ну, просто посмотрел вверх. И неважно, что невидимая угроза - надвигающаяся катастрофа, которая может убить всех нас, - исходит из мира, о существовании которого большинство людей лишь смутно догадывается.
"Трудно привлечь внимание политиков и других людей к происходящему, - говорит Дюпон. Но ученые пытаются. К примеру, в 2019 году группа из тридцати четырех микробиологов опубликовала в журнале Nature Reviews Microbiology работу под названием "Предупреждение ученых человечеству: Микроорганизмы и изменение климата". Авторы написали:
В антропоцене*, в котором мы сейчас живем, изменение климата влияет на большинство видов жизни на Земле. Микроорганизмы поддерживают существование всех высших трофических форм жизни. Чтобы понять, как люди и другие формы жизни на Земле (включая те, которые нам еще предстоит открыть) могут противостоять антропогенному изменению климата, крайне важно использовать знания о микробном "невидимом большинстве".
Мы должны узнать не только о том, как микроорганизмы влияют на изменение климата (включая производство и потребление парниковых газов), но и о том, как на них повлияет изменение климата и другая деятельность человека.
* Библиотека онлайн-ресурсов National Geographic дает следующее определение этому термину: "Эпоха антропоцена - это неофициальная единица геологического времени, используемая для описания самого последнего периода в истории Земли, когда деятельность человека начала оказывать значительное влияние на климат и экосистемы планеты". Данное Заявление о консенсусе документально подтверждает центральную роль и глобальное значение микроорганизмов в биологии изменения климата. Оно также ставит человечество в известность о том, что последствия изменения климата будут в значительной степени зависеть от реакции микроорганизмов, которая необходима для достижения экологически устойчивого будущего.
Еще один способ задуматься об этом - добавить влияние человеческой деятельности на микробиом планеты к концепции бывшего вице-президента США Эла Гора "Неудобная правда" - название документального фильма 2006 года об опасностях глобального потепления, снятого режиссером Дэвидом Гуггенхаймом, и книги Гора 2007 года (которую можно рассматривать как версию "Безмолвной весны" для XXI века). В фильме и книге рассказывается о повышении содержания углекислого газа в атмосфере и "неудобной правде" о том, что сжигание ископаемого топлива для питания нашей цивилизации и образа жизни приводит к изменению климата, которые будут ухудшаться, если люди не примут меры по сокращению выбросов CO2 . Как и Карсон, Гор обращается в основном к макрожизни и изменениям в погодные условия и другие свидетельства, которые мы можем увидеть своими глазами. Микромир мало обсуждается, хотя после выхода этого фильма и книги такие ученые, как Крейг, Крис Дюпон, Эндрю Аллен и Джек Гилберт (среди многих других), упорно работают над тем, чтобы работают над выявлением влияния накопления CO2 и загрязнения окружающей среды на мельчайшие организмы Земли. Они развивают усилия, начатые десятилетия назад, что ускорилось с внедрением таких технологий, как секвенирование дробовика и метагеномика на рубеже XXI века, а также с призывами таких людей, как Крейг, думать о микробах в глобальном масштабе.
Другие проекты планетарного масштаба, последовавшие за Sorcerer II, такие как Earth Microbiome Project, продолжили усилия, которые теперь мы начинаем понимать не только то, как микробиом океана естественным образом взаимодействует с ветром, температурой и другими огромными планетарными системами, но и то, как деятельность человека влияет на эти природные процессы. Тем не менее, задача постичь нечто столь большое и сложное остается огромной проблемой, и многое остается неизвестным, о чем заявили тридцать четыре ученых, ставших авторами "предупреждения человечеству" 2019 года в своем консенсусном заявлении:
Для надежного прогнозирования того, как микробные функции и механизмы обратной связи отреагируют на изменение климата, необходимы долгосрочные данные, однако таких наборов существует очень мало (например, Гавайские временные серии океана и Бермудское исследование атлантических временных серий). В этом контексте Глобальная экспедиция по отбору проб океана, трансекты Южного океана и Консорциум океанов Тары предоставляют метагеномные данные, которые являются ценной базовой информацией о морских микроорганизмах.
"Большинство из нас смотрят на мир с точки зрения человека, - говорит Крейг, - как будто Земля создана для нас, и она будет поддерживать нас, что бы мы ни бросали в окружающую среду. Это не очень умно с нашей стороны. Мы не можем жить при pH 11, мы не можем жить при pH 1, мы не можем жить в метановой атмосфере, мы не можем жить при слишком
много CO2 . Но большинство людей и политиков не задумываются об этом. Даже некоторые биологи склонны фокусироваться на окружающую среду, которая поддерживает человека, как будто она застыла в камне или является золотым стандартом жизни, что катастрофически неверно".
"На все более обширных территориях Соединенных Штатов, - писала Рейчел Карсон в 1962 году, - весна теперь наступает без предвестников.
Возвращение птиц, и ранние утра странно молчаливы там, где когда-то они были наполнены красотой птичьих песен". Печально, что теперь мы можем добавить к этому страшному, хотя и поэтическому прогнозу, что деятельность человека также заставляет планету Микроб меняться странным образом - увеличивая вероятность того, что твиты, жужжание, рев, мурлыканье, кваканье, ойканье и лай, которые мы любим и которые питают нас, затихнут навсегда.
Одна из важнейших систем планеты, от которой в конечном итоге зависит, будут ли петь птицы и бегать лососи - или нет, - это так называемый океанический углеродный биологический насос, или просто биологический насос. Это система в океанах, которая отвечает за поглощение и удаление двадцати пяти - тридцати процентов CO2 , выбрасываемого в атмосферу, и секвестрирует его на дне моря. Насос также поддерживает роль океана и производит около пятидесяти процентов кислорода в атмосфере. Биологический насос работает благодаря фитопланктону.
Это крошечные организмы, которые ученые Sorcerer II собирали по всему миру, - микробы, обитающие на кусочке океана у его поверхности, где они преобразуют солнечный свет в энергию посредством фотосинтеза и, подобно растениям, поглощают углекислый газ и выделяют кислород. "Биологический насос работает, потому что фитопланктон занимается фотосинтезом, - говорит Аллен, - а когда они умирают, некоторые из них тонут и забирают с собой углерод, который они содержат, где он оседает в иле и остается там, возможно, на миллионы лет". "Нам повезло, что у нас есть океаны.
в атмосферу так много CO2 , - говорит Дюпон. "Если бы насос, приводящий это в действие, когда-нибудь перестал работать, у нас были бы большие проблемы".
Не менее важную роль в поддержании работы биологического насоса играют поднимающиеся со дна океана волны, которые доставляют фитопланктону важнейшие питательные вещества. Это нитраты, фосфаты, сера, кальций, железо и магний, которые поступают из разлагающихся тел мертвого фитопланктона и других источников и под действием ветра, течений и изменений температуры поднимаются к поверхности, где живет фитопланктон.
Один из способов понять, как человеческая деятельность может повлиять на биологический насос, - наблюдать за океанами из космоса с помощью спутников, что и сделал экипаж корабля Sorcerer II в 2009 году в таких местах, как западное побережье Мексики. Они использовали изображения цветения фитопланктона, полученные со спутника OrbView-2, который в то время находился на орбите Земли с прибором под названием SeaWIFS - сокращение от Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor. SeaWIFS улавливал хлорофилл в фитопланктоне и следил за тем, как он разрастается вокруг таких городов, как Пуэрто-Вальярта и Акапулько, питаясь и перекармливаясь человеческими отходами, азотом и фосфором из удобрений и другими загрязняющими веществами.
Однако в 2009 году было известно еще меньше подробностей о том, как именно загрязняющие вещества влияют на фитопланктон, какие силы действуют при изменении температуры, потоков питательных веществ, солености и так далее. В те дни основной задачей было собрать образцы и использовать метагеномику и другие инструменты, чтобы увидеть, что там есть и какие популяции микробов живут в той или иной среде. Это было продолжением работы, проделанной в Саргассовом море и во время экспедиции по сбору проб глобального океана (GOS). "Многие из наших настоящих вех и прорывов произошли после GOS и действительно функциональных исследований.
Геномика, которая выросла из этого", - говорит Аллен. "Я бы не сказал, что это обязательно проекты GOS, но я думаю, что геномика, метаге-номика и метатранскриптомика" - последняя представляет собой изучение экспрессии генов микробов в естественной среде - "дали нам инструменты, обладающие необходимой чувствительностью, чтобы начать проводить наблюдения, которые важны для более детального понимания этих процессов".
Одним из примеров является исследование Аллена, направленное на изучение хитросплетений домоевой кислоты. Он и другие исследователи пытаются понять, почему этот нейротоксин распространяется у западного побережья США. Этот вопрос стал актуальным для индустрии моллюсков, потому что домоевая кислота не только сводит с ума морских львов-зомби, но и попадает в крабов и других моллюсков, которых едят люди. Попадание большой дозы домоевой кислоты в организм человека может вызвать судороги и кратковременную потерю памяти.
"В 2015 году на западном побережье наблюдалось массовое цветение домоевой кислоты", - говорит Аллен. "Оно нанесло ущерб в сотни миллионов долларов коммерческому рыболовству, если объединить Вашингтон, Орегон и Калифорнию. Пострадали крабы Дангенес, другие виды моллюсков и морские млекопитающие. Теперь вспышки, похоже, происходят все чаще, и нам нужно лучше это понять". В данном случае воздействие на промышленность и здоровье людей привело к финансированию со стороны Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA), которое помогает ускорить работу таких ученых, как Аллен, пытающихся лучше понять клеточные и океанографические механизмы, которые приводят к выработке домоевой кислоты.
"Потепление, похоже, является одним из факторов, - говорит Аллен о том, что им удалось узнать на данный момент, - хотя это гораздо сложнее, чем это. Мы обнаружили, что если диатомовые водоросли [такие как Pseudo-nitzschia] благополучно растут и цветут в море, а затем внезапно попадают в теплые воды у берега, где существует некое ограничение нутриентов - например, слишком мало кремния, - то они начинают вырабатывать домоевую кислоту". Он считает, что такие условия могут активировать генетическую реакцию или, в некоторых случаях, вызвать увеличение численности определенных видов Pseudo-nitzschia, склонных к производству домоевой кислоты. "Не все Pseudo-nitzschia делают это, - сказал он, - но мы начинаем понимать некоторые механизмы, которые вызывают это явление, и можем надежно стимулировать его в лаборатории".
Аллен добавляет, что существует голливудский угол зрения на домоевую кислоту, которая имеет дьявольски звучащее название, словно взятое из фильма ужасов. Многие люди верят, что фильм Альфреда Хичкока "Птицы" был снят по мотивам реального случая, когда обезумевшие птицы врезались в окна, наевшись анчоусов, в которых была домоевая кислота", - говорит он, ссылаясь на реальный случай, произошедший в городе Капитола, штат Калифорния, недалеко от Санта-Круз, в 1960-х годах. Вот рассказ об этой атаке зомби-берсерков на птиц, опубликованный в 2016 году в газете Mercury News:
В августе 1961 года жители Капитолы проснулись от картины, которая казалась прямо из фильма ужасов. Полчища морских птиц пикировали на их дома, врезались в машины и извергали полупереваренные анчоусы на газоны.
Известный кинорежиссер Альфред Хичкок даже использовал это происшествие в качестве исследовательского материала для своего тогдашнего фильма "Птицы", в котором стаи обезумевших птиц необъяснимым образом нападают на прибрежный город.
Как необъяснимые нападения птиц в фильме "Птицы" пугали киноманов более полувека, так и ажиотаж 1961 года озадачивал ученых на протяжении десятилетий. Теперь они считают, что виной тому была домоевая кислота - тот же нейротоксин, из-за которого в этом году в Калифорнии задерживается сезон крабов Дангенесс.
В другой серии исследований, подробно описывающих тонкости процветания или отсутствия ми-кробов, основное внимание уделяется железу - важнейшему питательному веществу для фитопланктона, способному поглощать из океана такие питательные вещества, как азот. (Эти исследования относятся к экспедициям JCVI в Антарктиду с 2006 по 2015 год, а также к расследованию того, как повышение уровня углерода в атмосфере и закисление океанов могут подорвать деликатный механизм в фитопланктоне, который контролирует поглощение железа. Аллен и другие ученые выяснили, что естественный запас железа в Южном океане ограничен, а значит, там живет меньше фитопланктона. Однако исследователи также обнаружили, что все более теплая вода в Южном океане, похоже, заменяет железо в некоторых видах фитопланктона и способствует недавнему увеличению их популяции.
По словам Аллена, этот скачок численности фитопланктона может иметь последствия для таких удаленных от Антарктиды регионов, как южная часть Тихого океана. В прошлом тот факт, что лишенный железа фитопланктон на юге не потреблял все доступные питательные вещества, такие как азот, приводил к переизбытку азота в Южном океане. Традиционно океанические течения несли этот избыток на север, что обеспечивало пищу для фитопланктона - пищу, которой не было, если антарктический фитопланктон размножался и потреблял больше азота, прежде чем он мог попасть в южную часть Тихого океана.
"Когда вы начинаете вмешиваться в биохимию Южного океана, это будет иметь глобальный характер", - говорит Аллен, хотя хорошо это или плохо, пока неизвестно. "Это огромная проблема - просто попытаться расшифровать естественные колебания всего этого", - говорит Аллен. "А понять влияние антропогенных колебаний еще сложнее".
Все эти планетарные колебания также изменяют количество фитопланктона в океанах. Что именно происходит, пока неясно: одни исследования и модели говорят о сокращении популяции, другие - о ее увеличении. По данным НАСА, пищевая база для фитопланктона находится под давлением и сокращается, поскольку парниковые газы задерживают солнечный свет и повышают температуру атмосферы и океана. Как говорится на сайте НАСА, "ожидается снижение продуктивности, поскольку по мере потепления поверхностных вод водная толща становится все более стратифицированной". Другими словами, поднявшиеся волны не будут течь так легко.
Фитопланктон может как увеличиваться, так и уменьшаться: падение популяций крупных фитопланктонов, таких как диатомовые водоросли, может происходить одновременно с увеличением численности более мелких видов, например цианобактерий. Такое изменение баланса между большим и малым может иметь последствия для поглощения углерода на планете. Размер имеет значение, поскольку крупный фитопланктон поглощает около сорока процентов углекислого газа, который оказывается на дне океана.
Аллен предположил, что тенденция может заключаться в увеличении количества фитопланктона в целом, причем большая часть прироста приходится на маленьких существ. "Это может привести к тому, что океан не будет обеспечивать столько чистого производства кислорода, - сказал он. В этом случае он будет поглощать меньше углекислого газа, "потому что изменится размерная структура и состав сообщества".
Это не очень хорошая тенденция для видов, которые нуждаются в кислороде и хотели бы видеть сокращение выбросов CO2 в атмосферу.
Предположим, вы летите с полуострова Баха в Бостон. Сидя в кресле у окна в ясный день, пролетая над северной частью Мексиканского залива, вы видите внизу коричнево-зеленое побережье Луизианы, а к югу от него - бескрайние просторы сапфирово-синего моря. С воздуха сверкающая вода поражает воображение. Затем вы приближаетесь к устью реки Миссисипи и замечаете, как голубой цвет меняется на тусклый, светло-оливково-зеленый, который тянется вдоль побережья и уходит в залив.
То, что вы видите, - еще одно серьезное воздействие человеческой деятельности на океаны: массовое цветение водорослей, отмечающее одну из самых больших "мертвых зон" в мировом океане. Эта зона размером с Нью-Джерси (почти семь тысяч квадратных миль) и продолжает расти. Эти огромные участки океана, называемые также зонами кислородного минимума (ЗКС), разрослись за последние полвека, а их цветению способствуют химические вещества - азот и фосфор, которые сбрасываются в море великими реками мира. В основном эти химикаты образуются из удобрений, используемых на фермах и газонах, которые попадают в ручьи и реки, иногда на тысячи миль выше по течению, и оказываются в океане, вызывая бурный рост водорослей и других микроорганизмов, питающихся азотом и фосфором. Они также потребляют кислород и мешают подводным растениям получать солнечный свет. Когда водоросли погибают, все больше кислорода в воде потребляется бактериями, оставляя очень мало для рыб и других макроживых организмов.
"Мертвая зона у побережья Луизианы - самая большая за всю историю", - говорит Дюпон. "Ее видно из космоса. Она простирается от Техаса до восточной части Луизианы. У NOAA есть живой корм". Но Залив вряд ли одинок. Мертвые зоны распространились от устьев рек по всей планете, от побережья Мексики, где экипаж "Колдуна II" наблюдал цветение воды, до Янцзы в Китае, Нила в Египте и пресноводных водоемов в глубине страны, таких как озеро Эри.
Дюпон сравнил происходящее с мертвыми зонами с тем, о чем писала Рейчел Карсон, когда химикаты попадали в экосистемы и поражали птиц и рыб далеко от места происхождения поллютантов. "Когда фермеры неправильно используют удобрения и используют их слишком много, они отправляют химикаты в места, находящиеся в пятистах милях от них", - сказал он. "Поэтому возникают ситуации, когда фермеры, использующие удобрения, или заводы, использующие металлы на Среднем Западе, становятся проблемой для Луизианы". Если этого недостаточно, бактерии в мертвых зонах также производят оксид азота, который поднимается в атмосферу и способствует глобальному потеплению.
Не то чтобы в мертвых зонах не было жизни. "Определенные микробы процветают", - объясняет он. "Они получают все необходимое, но так получилось, что они пожирают весь кислород". Некоторые бактерии в мертвых зонах являются анаэробными и не нуждаются в кислороде. Они "дышат" такими веществами, как нитрат, аммоний, марганец, железо и сульфат. "В самом худшем случае, - говорит Дюпон, они будут использовать CO2 и превращать его в метан - парниковый газ, который еще больше связан с изменением климата, чем углерод.
Еще одно явление, влияющее на уровень кислорода, - увеличение количества "ги-поксических", кислородно-недостаточных, карманов в открытом море, число которых растет на протяжении последних пятидесяти лет. Эндрю Аллен рассказал об экстремальном гипоксическом кармане, возникшем с 2014 по 2016 год у побережья Калифорнии и названном морской тепловой волной: "Мы получили огромную линзу теплой воды, которая просто сидела там, не двигаясь".
Мертвые зоны и гипоксические зоны открытого океана вместе взятые сейчас занимают более двенадцати миллионов квадратных миль океана и простираются на двести метров ниже уровня моря, что в совокупности составляет площадь, превышающую площадь Северной Америки и Африки. В целом, исследования показывают, что в период с 1960 по 2017 год средний уровень кислорода в морской воде по всему миру снизился примерно на два процента. Этот уровень снизился как в открытом море, так и в прибрежных водах.28
Здесь стоит упомянуть еще об одном карсоновском перекосе в паутине жизни - о том, который затрагивает коралловые рифы по всему миру, включая некоторые впечатляющие, которые посетил Колдун II. Эта история начинается с крошечных водорослей, называемых зооксантеллами, и бактерий, которые живут в тканях кораллов, обеспечивая своих хозяев важными питательными веществами, помогая удалять отходы и выполняя важнейшие иммунологические задачи, помогающие противостоять патогенам. Некоторые из этих микробов также ответственны за ослепительные цвета кораллов. Проблемы возникают, когда повышение температуры, загрязняющие вещества и другие природные и антропогенные стрессы заставляют кораллы выбрасывать зооксантеллы и другие симбиотические микробы. Это вносит хаос в сложную систему микро- и макрожизни на рифах и приводит к тому, что кораллы белеют, становясь более восприимчивыми к болезням и смерти.
Еще один загрязнитель океанов и окружающей среды, который только начал становиться проблемой еще во времена Рейчел Карсон, - это пластик. Экипаж судна Sorcerer II видел пластик повсюду, особенно в огромных пространствах плавающих пластиковых тапочек, картонных коробок, стаканчиков для слюны, упаковочных ящиков и многого другого, что собралось в гиры в открытом море. По оценкам, пять триллионов кусочков пластика сегодня засоряют верхние двести метров океанских вод.
По оценкам, в океаны попадает от двенадцати до двадцати одного миллиона тонн пластика только трех основных типов: полиэтилена, полипропилена и полистирола. Истинный объем пластика в океанах, включая микрогранулы размером менее пяти миллиметров, которые регулярно распадаются на более крупные части, неизвестен. Известно лишь, что микрогранулы, проглоченные рыбой, ракообразными и другими морскими животными, вредны, а иногда и смертельно опасны. Они оказываются внутри людей, которые тоже едят рыбу, хотя обычно в ничтожных количествах. Они могут быть токсичны для некоторых видов фитопланктона.
Поскольку пластик в основном не поддается биологическому разложению, бактерии и другие микроорганизмы не могут его разложить. Вот почему они плавают в море, иногда в виде полузатонувших пластиковых островов размером с континент, которые Крейг и команда "Колдуна II" видели в начале 2000-х годов и которые с тех пор стали гораздо больше. "Пластик - это новая экосистема в океане, - говорит Дюпон, - в которой обитают бактерии, фитопланктон и даже более крупные организмы, пришедшие с суши или из прибрежных районов, которые обычно не встречаются в открытом океане". Он имел в виду процесс, называемый "сплавом". Многое еще неизвестно о взаимодействии ми-кробов и пластика в океанах, подчеркнул он: "Мы все еще
пытаясь понять, что именно происходит".
Мертвые зоны, падение уровня кислорода, случайные диатомы-убийцы, микрогранулы пластика, скрывающиеся в рыбном филе... Как бы удручающе все это ни звучало, ситуация не обязательно должна быть беспредельно мрачной. В недавней истории Соединенных Штатов и других частей света было время, когда люди объединились, чтобы очистить часть окружающей среды, которую мы захламили. К 1960-м годам Лос-Анджелес, в Нью-Йорке и других городах было слишком много смога, чтобы жители могли дышать, а многие озера и реки были настолько токсичны, что люди, заходившие в них, могли получить химические ожоги. Под влиянием этих неоспоримых фактов и благодаря активности Рейчел Карсон и экологического движения конгресс принял закон о борьбе с кризисом.
Начав действовать в 1963 году и дополняясь в 1970-х и последующих годах, Закон о чистом воздухе сумел очистить воздух от самых вредных загрязняющих веществ. По данным Агентства по охране окружающей среды США, благодаря этому закону выбросы основных загрязняющих веществ сократились на пятьдесят процентов с 1990 года. Тем не менее, согласно недавнему отчету "Состояние воздуха", опубликованному Американской ассоциацией легких, около 150 миллионов американцев дышат загрязненным воздухом.
В 1972 году Конгресс принял Закон о чистой воде, который способствовал очистке многих американских водоемов, хотя и по сей день более половины американских ручьев и рек, около 70 процентов озер и прудов и около 90 процентов прибрежной зоны океана нарушают установленные законом стандарты качества воды.38 Говоря о том, что предстоит еще многое сделать, мы не игнорируем уже достигнутый прогресс: те из нас, кто был рядом в токсичные 1970-е и 1980-е годы, могут подтвердить, что в 1990-е годы мы могли купаться и ловить рыбу в озерах и ручьях, куда раньше не решались окунуться даже пальцем.
В 2006 году Дэвид написал статью для National Geographic под названием "Химикаты внутри нас". Статья началась с того, что его проверили на уровень содержания внутри него химических веществ (в основном в крови), включая пестициды, тяжелые металлы, диоксины и другие токсины, которым он подвергался на протяжении многих лет. Действительно, почти все люди сегодня носят их в себе в следовых долях на миллиард и части на триллион. В рамках этой истории Дэвид выяснил, где он мог подвергнуться воздействию определенных химических веществ, которые обнаружились в его крови, изучив места, где он жил с самого рождения. Он сделал неожиданный вывод, что свалка отходов, в которой он вырос, находилась всего в миле от него и, вероятно, позволяла токсинам просачиваться в местную питьевую воду. В 1980-х годах свалку объявили крупным объектом суперфонда EPA, включив ее в национальный приоритетный список опасных мест, которые необходимо очистить. "Я вырос на северо-востоке Канзаса, в нескольких милях от Канзас-Сити", - пишет Дэвид. "Там я проводил бесчисленное количество жарких, душных летних дней, играя на свалке у реки Канзас. Расположенная на высоком известняковом обрыве над быстрой коричневой водой, заросшей топольником и железнодорожными путями, свалка была настоящим кладезем старых бутылок, сломанных машин, рулей и других предметов, которые в полной мере могут оценить только дети. Мы и не подозревали, что на протяжении многих лет компании и частные лица также выбрасывали тысячи фунтов токсичных веществ.
химикатов на нашей свалке-площадке". Статья продолжала:
Он был создан как свалка еще до того, как появились какие-либо правила и нормы, регулирующие работу свалок", - говорит Дениз Джордан-Изагирре, региональный представитель федерального Агентства по регистрации токсичных веществ и болезней. "Туда сбрасывали металлические хвосты и тяжелые металлы. Она была не огорожена и не ограничена, так что дети имели к ней доступ".
Теперь свалка, названная Doepke-Holliday Site, закрыта, опечатана и находится под пристальным наблюдением, а также в полумиле (0,8 км) вверх по реке от окружного водозабора, который снабжал питьевой водой мою семью и сорок пять тысяч других семей. "Насколько мы можем судить, в реку попадали загрязняющие вещества, - говорит Шелли.
Броуди, руководитель проекта EPA по устранению последствий аварии в Доэпке. В 1960-х годах округ очищал воду из реки, но не от всех загрязняющих веществ. Питьевая вода также поступала из 21 скважины, которые проникали в водоносный слой вблизи Доэпке.
"Сегодня воздух чист, - сообщил Дэвид, - а река свободна от сточных вод". Это место стало наглядным свидетельством успешного очищения окружающей среды в США, подстегнутого законами о чистом воздухе и чистой воде 1970-х годов. Свалка Доэпке, на которой он играл, очищена, токсины удалены или запечатаны под землей, хотя за ней требуется постоянный контроль, чтобы убедиться, что захороненные там химические вещества не просочились в окружающую среду.
И все же вопрос остается открытым: Можем ли мы, люди, предпринять что-то еще более сложное и масштабное, чем то, что было заложено в Законы о чистом воздухе и чистой воде, - усилия, которые должны кардинально изменить поведение человека в планетарном масштабе? В последние годы Межправительственная группа экспертов ООН по изменению климата и другие группы представили подробные и все более тревожные исследования и отчеты, в которых подробно описывается, почему это необходимо сделать. На конференциях по изменению климата в таких городах, как Париж, Мадрид, Марракеш и Глазго, большинство стран пытаются сократить выбросы CO2 в попытке удержать глобальное потепление на уровне ниже 1,5 градусов.
Тем не менее, чтобы это произошло, предстоит тяжелая работа, связанная с политикой и требованиями экономического развития, а также с сопротивлением со стороны некоторых отраслей промышленности, отрицателей климата и в целом цивилизации, все еще зависящей от ископаемого топлива во всем - от газа, который мы сжигаем в наших автомобилях, до пластиковых солнцезащитных очков, которые мы надеваем на пляж. Спустя шесть десятилетий после того, как Рейчел Карсон опубликовала книгу "Безмолвная весна", мы должны спросить: неужели мы, люди, должны серьезно относится к "ткани жизни", которая, с одной стороны, "нежная и разрушительная, а с другой - чудесным образом прочная и устойчивая, способная нанести неожиданный ответный удар?" Проявляют ли люди хоть какое-то чувство "смирения перед огромными силами, с которыми они взаимодействуют?"
В конце 2018 года в гавани Нантакета, штат Массачусетс, на борту Sorcerer II была взята последняя проба, образец 47. Последние двести литров океанской воды были собраны в прохладный туманный день Джеффом Хоффманом, Чарли Ховард управлял большим судном, а Крейг, как обычно, осуществлял контроль.
В общей сложности Sorcerer II в качестве исследовательского судна прошел шестьдесят пять тысяч миль за пятнадцать лет, с 2003 по 2018 год, собрав миллионы микробов и секвенировав десятки миллионов генов - число которых будет расти по мере того, как несколько последних образцов фильтра, все еще замороженных при температуре минус 80 градусов Цельсия в большом серебристом металлическом морозильнике JCVI в Ла-Джолле, будут постепенно размораживаться и секвенироваться.
Посетители JCVI до сих пор могут видеть стеллажи с квадратными пластиковыми контейнерами, наполненными замороженными микроорганизмами, в большом помещении рядом с инструментальным цехом и комнатами секвенирования. Откройте тяжелые металлические двери морозильных камер и, подождав, пока облако конденсированного водяного пара согреется и рассеется, вы увидите их, появляющихся из тумана, словно из научно-фантастического фильма. Их содержимое может быть из ледников Антарктиды, вод Новой Каледонии, озер за полярным кругом в Швеции или многих других мест по всему миру - в любом случае это образцы, которые продолжают хранить свои секреты.
Именно в этой точке нашего повествования мы делаем паузу, чтобы задуматься, являются ли микробы чем-то большим, чем просто частью огромной глобальной системы, могут ли они также стать решением "неудобной правды", с которой мы сталкиваемся как люди. Может быть, неизвестный микроб, запрятанный в этом холодильнике, предложит новое решение проблемы глобального потепления - новый источник чистой энергии или чистую замену ключевому промышленному химикату, удобрению или пластику. А может быть, в крошечной бактерии ученые обнаружат магическую последовательность, способную изменить траекторию истории так, как никто не мог предположить.
Мысль о том, что микробы могут спасти нас, была основным тезисом для Крейга на протяжении многих лет, когда он добивался поддержки и финансирования для изучения микробной вселенной. Отчасти именно это побудило его в 1990-х гг. провести последовательность Haemophilus influenzae и ряда других бактерий, включая холеру. Годами ранее этот патоген поразил его сослуживцев во Вьетнаме и в Военно-морском медицинском центре в Бальбоа-Парк (Сан-Диего), наряду с другим, который он впоследствии проведет последовательность, - менингитом B.
В конце 1990-х годов Крейг также начал использовать синтетическую биологию для создания новых, созданных в лаборатории штаммов микробов, разрабатывая методы, которые ученые используют для улучшения способности природных организмов производить чистое топливо, новые лекарства и многое другое.
"Возможно, нас еще спасут микробы", - говорит Крейг, говоря о своей работе в области синтетической биологии, - "хотя это оказалось сложнее, чем мы думали вначале".
"Но такова природа науки", - сказал он. "Это всегда занимает больше времени, чем вы думаете".
Эпилог. Думать о малом по-крупному
Это действительно "век бактерий" - такой, каким он был в начале, есть сейчас и будет всегда.
-Стивен Джей Гулд, «Богатство жизни»
В самом начале глобальной экспедиции SORCERER II, у побережья Каролины, кинопродюсер Дэвид Коновер стоял с Крейгом на корме и убеждал его философски рассуждать об экспедиции и о том, что она может найти. Он хотел получить полную картину того, что, по мнению Крейга, может быть открыто об эволюции и роли, которую играет микробы в огромной паутине жизни Земли. На видео Крейг одет в ярко-желтую куртку для жаркой погоды, и у него еще нет привычной бороды. Море и небо за его спиной - это угрюмая смесь серых оттенков: надвигается шторм, который позже этой ночью будет бушевать над экспедицией. В льдисто-голубых глазах Крейга светятся решимость и детское волнение.
"У нас еще не было времени остановиться и поразмыслить, понять и оценить все это в перспективе", - говорит он, становясь задумчивым. "Но когда я думаю об этом, мне кажется, что то, что мы здесь делаем, помогает ускорить изучение эволюции на Земле и нашей собственной эволюции - точных событий, которые имели место".
"Оглядываясь назад, на более широкую совокупность всего, - продолжает он, - которая началась четыре миллиарда лет назад с микробов, я думаю, что к концу века мы сможем понять эти более ранние события и то, как они привели к нам и миру вокруг нас сейчас". Именно об этом нам начинают говорить некоторые эксперименты по секвенированию генома человека - о том, насколько обширен биологический континуум, в который мы вписываемся, и как мы разделяем большинство компонентов, которые развивались с течением времени. Тонкие настройки, дополнения, небольшие изменения в каждый конкретный момент времени, которые в совокупности привели к тому, что мы видим сегодня как различия между видами".
"Я полагаю, что если мы посмотрим на шесть миллиардов пар оснований в нашем генетическом коде, то у нас в основном девяносто с лишним процентов того же репертуара генов, что и у других млекопитающих. Так что различия между нами и шимпанзе могут составлять от сотни до тысячи изменений в генетическом коде". Предсказание Крейга, сделанное в 2004 году, оказалось в значительной степени верным, поскольку ученые установили, что реальная разница между ДНК шимпанзе и человека составляет около 1,2 процента. Это, конечно, унизительно для вида, который не так давно, во времена Дарвина, был вдохновлен религией и верил, что человек - центр всего. "За несколько сотен лет до этого таких людей, как Галилей, грозились сжечь на костре за то, что они просто говорили, что Земля не является центром единого мира", - говорит Крейг. "С тех пор мы прошли долгий путь. Хотя мы все еще считаем себя более важными, чем есть на самом деле - вот почему мы думаем, что это нормально - заполнять атмосферу углеродом, а океаны пластиком и другим мусором, как будто у нас есть на это какое-то право, хотя мы являемся частью кон-тинуума и равновесия, которые мы нарушаем только на свой страх и риск". Мало кто считает Крейга Вентера философом. В первую очередь он известен как человек действия, который с головой окунается в проекты, зачастую не задумываясь о том, каким будет результат, как, например, отправляясь в глобальную исследовательскую экспедицию по сбору образцов микробов, не зная, что он найдет. Но он также человек, который на протяжении сорока с лишним лет последовательно стремился разгадать на фундаментальном научном и молекулярном уровне, что такое жизнь и как пучки ДНК превращаются из простого в строку нуклеотидов, чтобы быть живым.
Как это произошло, спрашивает он, и когда это случилось в процессе эволюции жизни на Земле? Каковы пробелы в наших знаниях и как мы можем их заполнить? Какие технологии мы можем разработать, чтобы помочь нам? И какие научные ортодоксии ошибочны и мешают более правильному пониманию?
Крейг часто прямолинеен в этих вопросах и не стесняется бросать вызов другим ученым, которые, как он считает, придерживаются старых взглядов, - эта привычка снискала ему как поклонников, так и критиков. И, конечно, есть и другие люди, склонные оспаривать общепринятые взгляды.
В стороне от того, что Крейг Вентер задал несколько сложных вопросов, которые лежат в основе работы ученых - и философов - над пониманием мира и роли людей по отношению друг к другу и планете, на которой мы живем.
"Я думаю, что у меня была уникальная перспектива в биологии", - сказал Крейг съемочной группе Коновера в 2004 году. "Я был первым человеком в истории, который увидел полный геном одного вида", - имея в виду бактерию Haemophilus influenzae. "Я изучал микробиологию, изучая геномы этих микробов. Не традиционными методами выращивания их в лаборатории, а находясь здесь, буквально в дикой среде, в живой среде, где мы изучаем это огромное разнообразие".
Крейг - это также тот парень, который сказал писателю Джейми Шриву, что он хочет установить последовательность всех генов на Земле. Это была гипербола Вентера, которую даже Шрив счел почти постыдно грандиозной. Но действительно ли он говорил это буквально? Имеет ли это значение? Для Крейга это, конечно, было привлечением внимания, но также и настойчивой попыткой задать большой вопрос, который большинство ученых не осмелились бы задать, а именно: "Что есть на этой планете микробов и как это выглядит? Как его можно классифицировать, как он работает, что он делает и как он может дать нам представление об основах жизни, эволюции и о том, куда мы движемся?" Даже если Крейг не сделает этого сам, он создал инструменты и доказал их эффективность, чтобы другие могли это сделать.