У берегов американского Самао в Тихом океане живет прекрасный коралловый риф, который вы называете домом. Вы полип с мягким телом, клон всех полипов поблизости, и вы заняты выделением кальциевой оболочки для создания защитного экзоскелета. Из твоей головы торчит кольцо резиновых щупалец. Пока ваши щупальца ярко светятся зеленым оттенком лайма, как кулак, вы хватаете любую еду, которая плавает поблизости. Вы чувствуете вдалеке королевскую пурпурно-красноватую каплю и думаете, что она направляется к вам, и через минуту она безошибочно появляется, покрывая 14 дюймов земли, в то время как вы не можете пошевилиться.
Капля тоже не одинока, она одна из нескольких тысяч терновых венцов. Почти касаясь вас, он простирает демонстрирует страшную досягаемость двумя своими ядовитыми шипастыми руками, цепляясь за участок коралла, где вы живете. Морская звезда поднимается над вашим холмиком, вонзаясь в ваши мягкие части, в то время как волнистый слой липкой мембраны медленно опускается над вашей головой. Это только вопрос времени, когда морская звезда полностью задушит вас своей слизистой оболочкой желудка, разжижая ваши ткани пищеварительными ферментами только для того, чтобы поглотить оставшуюся кашицу.
Это один из многих фронтов продолжающегося сражения популяции коралловых рифов за выживание. На другом, более известном поле битвы, потепление вод медленно, но верно сокращает радугу цветов Большого Барьерного рифа Австралии. В совокупности все эти боевые действия безошибочно указывают на надвигающееся исчезновение этого ценного вида. Если ничего с этим не делать, будет потеряна одна из самых биологически разнообразных экосистем на планете, которая также являлась спасательным кругом для более чем полумиллиарда человек, живущих в прибрежных общинах. К счастью, что-то действительно дает о себе знать. В последние годы ученые, вдохновленные биотехнологиями, разработали новые многообещающие подходы к преодолению кризиса с помощью синтетической биологии. Они ставят важнейший вопрос: поставив себя и наши экосистемы в тяжелое положение, можем ли мы снова найти выход из него? И желательно ли вообще такое вмешательство?
Что делать?
Нехватка времени значительна. Межправительственная группа экспертов по изменению климата предупреждает, что практически все коралловые рифы будут потеряны при потеплении на 2 градуса Цельсия, в то время как мы сможем ограничить их потерю только до 70-90% существующих рифов, если нам удастся ограничить наше потепление на 1,5 градуса. Любой из этих исходов катастрофичен. Хоть и рифы занимают менее 0,1% мирового океана, они являются домом для 25% морских видов и жизненно важны для благополучия прибрежных сообществ. В плохую погоду они защищают береговые линии от штормовых нагонов и волновой эрозии. Помимо привлечения туристов своими яркими красками, они являются нерестилищем и местом размножения многих видов рыб. В настоящее время полмиллиарда человек питаются рифовой рыбой, а средства к существованию еще тридцати миллионов человек неразрывно связаны с их здоровьем. Что мы можем сделать, чтобы защитить их?
Некоторые из самых смелых решений этой катастрофы нашлись благодаря растущему сотрудничеству между сообществами синтетической биологии и природоохранной биологии. В условиях нашего нынешнего экологического кризиса, когда экзистенциальные угрозы становятся все более явными, а наши биотехнологические инструменты более изощренными, чем когда-либо, сочетание этих дисциплин породило множество новых идей о том, как мы должны пытаться вмешиваться в природу.
Хотя эти подходы synbio к сохранению далеко не бесспорны, однажды они могут предложить решения для смягчения этого кризиса: синтетические альтернативы продуктам дикой природы, увеличение биоразнообразия в бедных популяциях, облегченная адаптация видов к изменению климата, воссозданные представители вымерших ключевых видов для выполнения освободившихся ролей в экосистемах, устойчивость к болезням и борьба с местными или инвазивными вредителями. Мы находимся на заре новой эры, и для того, чтобы какое-либо из этих приложений в конечном итоге заработало, необходимо будет принять взвешенные риски.
Успокаивая кораллы.
Изменение климата угрожает кораллам по целому ряду причин. Когда температура воды становится слишком высокой, высвобождаются красочные фотосинтетические организмы, которые живут в тканях кораллов (и обеспечивают их пищей). Это лишает кораллы их очаровательных пигментов, а также их основного источника питательных веществ, оставляя их голодать в виде костлявых белых скелетов. Две трети Большого Барьерного рифа уже “отбелены” таким образом.
Между тем, по мере того как океаны поглощают все больше углекислого газа из нашей нагревающейся атмосферы, он вступает в реакцию с H2O с образованием углекислоты, которая еще больше подкисляет воду. Кораллы очень чувствительны к рН, и подкисляющие воды затрудняют их рост и выделение своих каменных экзоскелетов. В свете этих угроз защитники природы отчаянно нуждаются в чем-либо, что могло бы помочь, поэтому некоторые из них сейчас ищут решения в биотехнологиях, которые в прошлом казались бы слишком рискованными.
Ученые, изучающие кораллы, Стив Палумби из Стэнфордского университета и Дэн Баршис из Университета Олд Доминион охотятся за святым граалем сохранения кораллов — генами, которые определяют чувствительность кораллов к обесцвечиванию. Эти гены предсказывают, “взволнуется” ли коралл в более теплых водах. Обнаружение этих генетических маркеров могло бы помочь ученым разработать меры по улучшению сохранения рифов.
Несколько лет назад этот дуэт из ученых работал с кораллами из лагуны на заднем рифе в Американском Самоа, где вода сильно нагревается во время отливов, достигая 35 градусов Цельсия (достаточно, чтобы убить большинство кораллов), прежде чем остыть, когда прилив возвращается. Подобно мышце, которая интенсивно тренируется, за которой следуют периоды расслабления, исследователи обнаружили, что интервалы высоких температур повышают устойчивость кораллов к этим тепловым волнам.
При моделировании обесцвечивания в лаборатории, сотни генов по-разному экспрессируются термочувствительными и эластичными кораллами, но в нормальных условиях эластичные кораллы имеют более высокую экспрессию примерно в шестидесяти своих генах. Эти шестьдесят генов производят полезные соединения в термостойких кораллах, такие как белки теплового шока, антиоксидантные ферменты и различные иммунные реакции. Во время теплового стресса у них уже есть полезные генные продукты под рукой. Это дает им преимущество: им не нужно работать так усердно, как чувствительные кораллы, чтобы производить новые жизненно важные белки. Ученые изучают молекулярную основу этой устойчивости, чтобы они могли размножаться, обнажать и, возможно, в конечном итоге генетически создавать кораллы, у которых больше шансов на выживание в условиях продолжающегося изменения климата.
Инженерная морская звезда.
Вспышки размножения терновых венцов, разрушающие коралловые рифы, являются еще одним побочным эффектом изменения климата. Хотя этот процесс до конца не изучен, ученые полагают, что морские звезды размножаются метеоритно там, где вода становится теплее и наблюдается высокий уровень загрязнения питательными веществами. Одна морская звезда может нанести кораллу ущерб размером с обеденную тарелку за один день. Было обнаружено, что во время вспышек эти местные хищники индо-тихоокеанских вод вызывают потерю до сорока двух процентов кораллового покрова Большого Барьерного рифа. Вспышки происходят, когда десятки тысяч морских звезд рождаются из сравнительно небольшого числа за короткое время, что делает их невероятно трудными для борьбы с вредителями.
В качестве примера можно привести нынешний метод профилактики. В попытке защитить кораллы водолазов отправляют убивать морских звезд вручную, впрыскивая около двадцати миллилитров уксуса в область их “плеча”, снимая их одного за другим. Иногда дайверам удается таким образом убить тысячи морских звезд за неделю, но этот метод недостаточно эффективен, чтобы обеспечить безопасность рифов.
Надеясь более систематически справляться с этими вспышками, ученые начали искать новые идеи в биотехнологиях. Одно из предлагаемых решений называется “подавляемый летальный исход”. Это включает в себя разработку генома морской звезды для экспрессии обычно подавляемого токсичного гена. Когда эти искусственные морские звезды созревают и спариваются с дикими морскими звездами, их потомство умирает. Выполненный в достаточно широком масштабе, этот подход мог бы более значительно сократить количество вспышек, в сравнении с нынешним ручным методом инъекций уксуса.
Вмешательство в природу.
Критики этого подхода предупреждают, что изменение природных систем — это скользкий путь. Некоторые говорят, что разработка кораллов для таких характеристик, как устойчивость к нагреванию или подкислению, может привести к эффекту бутылочного горлышка, которое делает их все более уязвимыми для одного события, которое может уничтожить их всех. Даже Дэн Баршис, который ищет геномные триггеры их обесцвечивания, говорит: “Мы выбрасываем на ветер множество предостерегающих историй об этих системах”. Он беспокоится, что генетически модифицированные кораллы, устойчивые к изменению климата, могут аукнутся в будущем в виде новых инвазивных видов. Он хотел бы, чтобы мы лучше поняли различные водоросли, грибы, вирусы и другие микробы, которые живут в коралловых рифах, прежде чем мы продолжим эти устремления.
Поставив себя и наши экосистемы в тяжелое положение, можем ли мы снова найти выход из него?
Но Том Мэлони, директор по охране биоразнообразия некоммерческой организации Revive & Restore, не считает, что риски обязательно перевешивают возможные выгоды. Мэлони говорит, что кораллы занимают концептуальное пространство, где ученые наиболее готовы попробовать вмешательство синтетической биологии. “Основываясь на разговорах, которые мы вели со многими учеными, изучающими кораллы, во время сканирования горизонта океанской геномики, сообщество ученых считает, что масштабы, серьезность и частота событий обесцвечивания ускоряются с немыслимыми темпами, что кораллом всё сложнее адаптироваться на месте….Это подводит нас к изучению возможностей для инженерии».
Выбор.
В нашу эпоху кризиса биоразнообразия природа меняется с огромной скоростью, принимая совершенно новое состояние. Когда угроза краха экосистемы настолько серьезна, чрезмерная забота о том, как мы стараемся помочь, может дорого обойтись. Реальность такова, что кораллы могут исчезнуть в ближайшие десятилетия, целый волшебный подводный мир просто исчезнет. В ответ нам необходимо расширить наше представление о природе и нашей роли в ней, научиться видеть себя пастухами и садовниками сокращающейся нечеловеческой жизни. Наша способность наслаждаться цветущим ощущением природы может зависеть от того, правильно ли мы это сделаем.
Новые технологии дают нам прекрасное представление о том, как меняется природа, и предлагают нам способы попытаться сдвинуть стрелку часов назад. Это возможность культивировать другой вид природы с помощью конкретных вмешательств, а также путем развития нового мышления, соответствующего времени. Мы должны понимать, с какими трудными решениями нам приходится сталкиваться. В некоторых случаях, как в случае с кораллами, мы приближаемся к краю пропасти, и нам нужно начать действовать соответственно. Что бы вы предпочли: обширную, свободную подводную архитектуру в оттенках серого, где раньше были разноцветные пейзажи, изобилующие жизнью, или сохраненная культура, где мы принимаем некоторые хорошо обоснованные риски и смотрим, что произойдет на этом пути?
