Современная молекулярная охота за биоразнообразием мира
Современные открытия новых форм жизни, такие как гигантский 30 000-летний вирус из Сибири или организм Lokiarchaeota у гидротермального источника «Замок Локи», демонстрируют, как изменилось изучение биоразнообразия за 200 лет. Исследователи теперь ищут жизнь в экстремальных условиях и используют молекулярные методы, схожие с криминалистикой.
Новые рубежи поиска
Традиционные исследования с помощью сачков и биноклей уступили место изучению недоступных сред. До 1977 года мы не знали о жизни на дне океана. Аппарат Alvin, изучавший тектонику плит, обнаружил у гидротермальных источников целую экосистему, существующую за счёт химической, а не солнечной энергии. Теперь мы знаем, что жизнь есть повсюду: в концентрированных кислотах, под километрами льда Антарктиды и даже в открытом космосе.
Генетические отпечатки пальцев
Lokiarchaeota никогда не видели — всё, что о нём известно, получено с помощью метагеномики. Эта область науки извлекает фрагменты ДНК из окружающей среды (например, из осадка или фекалий), считывает их последовательность и анализирует с помощью вычислительных методов.
Процесс похож на работу криминалистов:
- Поиск интересующей ДНК в образце с помощью молекулярных зондов (праймеров).
- Многократное копирование целевой ДНК с помощью ПЦР (полимеразной цепной реакции).
- Считывание генетической информации в компьютерные базы данных.
Эти цифровые базы данных заменяют собой запылённые ящики музеев естественной истории.
Вид под угрозой исчезновения?
Молекулярные методы меняют само понимание вида. Например, анализ ДНК показал, что лесные и саванные африканские слоны генетически отличаются друг от друга так же, как люди от шимпанзе.
Бактерия Escherichia coli (E. coli) ставит под сомнение концепцию вида: более половины генов в одном штамме E. coli могут отсутствовать в другом. Некоторые изоляты бактерий Shigella генетически больше похожи на E. coli, чем друг на друга.
Теперь вопросы касаются молекулярного разнообразия: как и почему меняется набор генов? Почему у здоровых людей могут отсутствовать около 200 из ~20 000 наших генов? Почему ни один представитель домена Археи не вызывает заболеваний?
Зачем изучать биоразнообразие?
Изучение биоразнообразия имеет две взаимосвязанные цели:
Ради научного знания. Открытия следуют одно за другим. Например, недавно открытый организм Prochlorococcus производит 20% мирового кислорода (каждый пятый наш вдох). Биоразнообразие нашего кишечника не менее сложно и интересно, чем тропического леса.
Для использования этого знания. Изучение биоразнообразия исторически имело имперские и коммерческие мотивы (экспедиция Льюиса и Кларка). Молекулярная детективная работа, определившая ВИЧ как причину СПИДа, превратила смертельную болезнь в хроническое управляемое состояние. Археи имеют огромный коммерческий потенциал (например, в создании батарей или оптической компьютерной памяти).
Открытия продолжаются. У обычных вирусов (ВИЧ, грипп) около 10 генов, у гигантских вирусов, открытых в последнее десятилетие, — более 1000 (сопоставимо с Prochlorococcus). Пандоравирус содержит множество генов, не похожих ни на что известное, что заставляет задуматься о существовании четвёртого домена жизни.
Охота за биоразнообразием становится всё более техничной, и нас ждёт поток радикальных новых открытий. Как сказал Гамлет: «Есть многое на свете, друг Горацио, что и не снилось нашим мудрецам».