На протяжении десятилетий Джона Зера преследовал образ организма, о существовании которого он знал, но который не мог увидеть.
Всё началось в 90-х годах на исследовательском судне посреди океана. Зер был океанографом, изучавшим азотфиксирующие бактерии — простые микробные формы жизни, способные извлекать этот элемент прямо из воздуха, делая его биодоступным для растений и животных. В то время учёные всерьёз изучали только один вид азотфиксирующих бактерий во всём океане, но Зер хотел это изменить. Его план состоял в том, чтобы собрать и протестировать образцы морской воды в надежде обнаружить что-то, что упустили другие учёные.
И это сработало. Почти сразу же он обнаружил следы вида азотфиксирующих бактерий, ранее неизвестных науке. Изучив сами гены, он смог составить довольно хорошее представление о том, как должны выглядеть эти новые бактерии. Вероятно, это были одноклеточные цианобактерии размером около 3 микрометров, которые должны были флуоресцировать оранжевым цветом под микроскопом. Полный предвкушения, он поместил образцы морской воды под микроскоп, ожидая увидеть эти бактерии повсюду.
Вместо этого он ничего не обнаружил. В образце не было ни одного организма, соответствующего нужному описанию.
Удивлённый, Зер повторял этот процесс снова и снова. Он исследовал образцы морской воды из тропических вод Гавайев и южной части Карибского моря, вплоть до холодных вод Арктики. Снова и снова обнаруживались генетические признаки, но не видимые бактерии. Это было похоже на то, как если бы он обнаружил след без животного.
Но он не хотел прекращать поиски. Он знал, что любое новое открытие может представлять собой жизненно важное звено в хрупком азотном цикле Земли. «Я продолжал искать это открытие, потому что оно имеет глобальное значение», — сказал Зер.
Чтобы понять одержимость Джона, полезно начать с одного своеобразного биологического ограничения — жестокой шутки, как выразился один ученый, — лежащего в основе всей жизни на Земле. Дело в следующем: всем живым организмам для выживания необходим элемент азот. Он является ключевым компонентом белков, ДНК и РНК. Но хотя наша атмосфера буквально насыщена азотом, единственный фермент, способный извлекать азот из воздуха, чтобы живые организмы могли его использовать, практически разрушается в присутствии кислорода. Поэтому, несмотря на то, что растения, животные и грибы постоянно окружены азотом в воздухе, они не могут получить его самостоятельно.
Единственные организмы, способные на это, — это те, которые могут выживать без кислорода: сверхпростые бактерии и археи. Это означает, что весь природный мир зависит от относительно небольшого числа микроскопических видов, которые обеспечивают доступность азота для более сложных форм жизни.
Этот биологический дефицит оказал огромное влияние на человеческую цивилизацию. Азот является важным компонентом удобрений, поскольку растениям он необходим для роста. Обогащение почвы азотом значительно увеличивает урожайность сельскохозяйственных культур, что важно для обеспечения продовольствием растущего населения. Столетия назад удобрений было так мало, что страны воевали за острова, покрытые богатым азотом птичьим пометом. В начале XX века немецкие ученые разработали промышленный метод производства синтетических, или лабораторных, удобрений. Хотя это изобретение спасло миллиарды жизней от голода, оно также нанесло огромный ущерб окружающей среде. Производство синтетических удобрений требует огромного количества энергии , а чрезмерное использование удобрений загрязнило воду настолько, что привело к образованию огромных « мертвых зон » в океане.
Эти противоречивые проблемы — последствия избытка и недостатка азота — заставили ученых задуматься о таких инновациях, как самоопыляющиеся растения. Но, несмотря на эти мечты, исследователям не удавалось разработать форму сложной жизни, способную самостоятельно фиксировать азот. Казалось, что незыблемым правилом биологии является то, что ни один организм из сложной ветви древа жизни не может извлекать азот из воздуха.
Тем более загадочным казалось то, что конкретный тип азотфиксирующих бактерий, обнаруженный Джоном Зером, не подчинялся обычным правилам. У его исследовательской группы было много ДНК этого организма, но не было самого организма. Более того, чем больше они изучали его, тем меньше смысла в ДНК бактерий становилось. По генетическим маркерам они могли определить, что это фотосинтезирующая бактерия, но у неё, похоже, отсутствовали гены, необходимые для фотосинтеза. Фактически, она, по-видимому, потеряла около 80 процентов своего генома, включая несколько генов, которые технически необходимы для выживания. Организм больше походил не на полноценную бактерию, а на набор отсутствующих элементов. Как она вообще могла быть живой?
После многих лет изучения этой загадки Зер начал замечать закономерность: каждый образец морской воды, содержащий ДНК загадочных бактерий, также содержал ДНК одного конкретного вида водорослей. Что если причина, по которой он никогда не видел эти бактерии под микроскопом, заключалась в том, что они скрывались на виду, внутри другого организма? Это также могло бы объяснить, как бактерии могли выживать, несмотря на отсутствие всех этих генов.
Зер начал подозревать, что водоросли — это недостающий элемент, который он искал десятилетиями. Чего он не знал, так это того, что кто-то другой потратил годы, пытаясь разгадать вторую половину этой же головоломки, находясь на другом конце света.
Кёко Хагино — учёная-водорослеед из Кочи, Япония. Как и у Джона Зера, её история также началась в конце 90-х годов с микроорганизма, изменившего ход её карьеры. Она была членом палеонтологической исследовательской группы, изучавшей крошечные окаменелости водорослей на дне океана, чтобы собрать воедино информацию о прошлом климате Земли.
Среди бесчисленных микроскопических окаменелостей, которые она исследовала, одна произвела на нее неизгладимое впечатление. Это был вид водорослей под названием Braarudosphaera bigelowii . Хагино ласково называет ее просто Bigelowii.
На определенных этапах жизни Bigelowii окружает себя этой прекрасной геометрической раковиной, и Хагино обнаружила эти пятиугольные скелеты в своих образцах. «Когда я впервые увидела Bigelowii, я подумала, что у нее такая красивая форма, — сказала она. — У нее очень красивая форма, как у драгоценного камня».
Но никто толком ничего не знал о водорослях, живущих внутри. Именно это хотела изучать Хагино. Но, похоже, никто больше не разделял её увлечения.
«Когда я только начала это исследование, мой тогдашний начальник возражал против него, — сказала она. — Мне сказали, что даже если ты проведешь такое исследование, которое никто не будет читать, это не поможет тебе устроиться на работу».
В то время Хагино испытывала трудности с поиском работы в университете. Одновременно она заботилась о маленьких детях и переезжала в новый город, где её муж нашёл работу. Всё в её жизни, казалось, ясно давало понять, что ей следует бросить всё и найти себе другое занятие. Но Хагино не могла этого сделать. По какой-то причине её невероятно завораживали эти водоросли, и она хотела узнать о них всё. Даже если это означало самостоятельное изучение.
Так Хагино и её дочь начали ездить на пляж, собирая образцы морской воды в надежде найти эти неуловимые водоросли. За эти годы они совершили сотни таких поездок. Они делали это так часто, что её дочь искренне не знала, что люди ездят на пляж и по другим причинам, например, чтобы поплавать.
«„Океан — разве не там нужно собирать морскую воду?“» — пересказала Хагино слова своей дочери.
Затем Хагино часами проводила дома с микроскопом, разыскивая клетки Bigelowii и отбирая их по отдельности, когда находила. Это отнимало невероятно много времени, но это был, по сути, единственный способ их изучать. Что бы она ни делала, клетки, казалось, не хотели расти в пробирке.
В течение многих лет Хагино работала над созданием культуры, не получая никакой университетской зарплаты. Чтобы сводить концы с концами, она устроилась на подработку мытьем пробирок в лаборатории. Однажды она разговаривала с одним из ученых, и он предложил добавить в ее культуру необычный ингредиент. Это было не химическое вещество и не что-либо еще, что обычно можно найти в лаборатории. Это был токоротэн, традиционный японский вид желейной лапши, приготовленной из морских водорослей.
К удивлению Хагино, лапша оказалась именно тем, что нужно было Бигелови.
«Я видела, как плавают Бигеловии, и их численность постоянно растет, — сказала она. — Я была невероятно счастлива».
Теперь, когда у неё была культура, она наконец-то смогла вырастить достаточно клеток, чтобы ответить на некоторые из главных вопросов об этом организме. И был один большой вопрос, который больше всего волновал Хагино. За годы изучения Bigelowii она заметила нечто странное. У него были все нормальные компоненты водорослевой клетки. Но также присутствовало нечто, что она не могла объяснить — нечто, чего она никогда не видела ни в одном учебнике. Это была чёрная точка в центре водоросли.
Хагино готовилась опубликовать статью об этой загадочной точке, когда наткнулась на статью, только что вышедшую в американском журнале Science. В ней описывались поиски, казалось бы, невидимой азотфиксирующей бактерии, которая, по мнению автора, вероятно, обитает внутри одного из видов водорослей. Автором статьи был Джон Зер, и он говорил о Braarudosphaera bigelowii .
Хагино задумалась о странном объекте, который она обнаружила внутри Бигелоуи. Все детали складывались воедино. Она провела генетический тест Бигелоуи, и результат оказался положительным: она нашла азотфиксирующие бактерии, которые Зер искала так много лет.
«Я никогда не думала, что кто-то занимается исследованиями Bigelowii, — сказала она. — Я была потрясена, узнав, что меня превзошли».
Зер также был удивлен, когда Хагино связалась с ним, чтобы поделиться своим открытием — той же самой головоломкой, над которой он работал, находясь за океаном. «Никто из нас не знал, что эти две вещи связаны!» — сказал он.
Хагино и Зер посвятили свою карьеру попыткам разгадать научную загадку, даже не подозревая, что каждый из них хранит недостающий фрагмент, необходимый другому. Теперь, когда у них появилась культура, у них появился шанс разгадать тайну, которая окажется гораздо глубже, чем они могли себе представить.
Вместе они продемонстрируют такой уровень сотрудничества, который перепишет фундаментальное правило биологии.
Природа полна симбиотических отношений: два организма помогают друг другу. Рыбка-клоун из мультфильма «В поисках Немо» — хороший тому пример: она заботится о своем партнере, морской анемоне , в обмен на безопасное место для жизни. Но эти взаимовыгодные отношения могут становиться все теснее. Существуют организмы, которые живут внутри других организмов, например, кораллы , которые получают пищу от водорослей зооксантелл, обитающих в них. И даже клетки живут внутри других клеток. В определенный момент отношения становятся настолько тесными, что мы уже не можем определить, где начинается один организм и начинается другой.
Сближение двух организмов — переход от статуса отдельных сущностей к статусу части одного целого — это довольно поразительно, и эта грань была пересечена лишь несколько раз в истории жизни на Земле. Два известных примера этого — митохондрии, энергетические станции клетки, присутствующие во всех сложных формах жизни на Земле, и хлоропласты, части растительных клеток, которые используют фотосинтез для превращения солнечного света и углекислого газа в пищу. Оба этих примера начинались как независимые клетки, которые со временем настолько сблизились со своими партнерами, что стали органеллами: маленькими органами внутри других клеток.
Но что насчет Bigelowii и его внутренних бактерий? Несомненно, связь между ними была тесной. Зер и Хагино очень хотели выяснить, как именно они взаимодействуют. Поэтому они объединили усилия. Она отправила культуру в лабораторию Джона, надеясь посетить Калифорнию по мере проведения эксперимента.
Когда культура прибыла в офис Зера, он был так взволнован, что сфотографировал этот момент, чтобы запечатлеть его. Его команда обсуждала, какие эксперименты они проведут первыми.
«Мы собрались в лаборатории и решили, какие десять вещей будем делать в первую очередь, потому что не знали, как долго культура сможет оставаться жизнеспособной», — сказал он. «И через три дня начался карантин из-за COVID-19».
Пандемия внесла коррективы во все их планы. Япония ввела очень строгие ограничения на поездки, которые в итоге оставались в силе годами. После всей своей напряженной работы Хагино не смогла лично присоединиться к Зеру. Но они оба все еще жаждали получить ответы и решили, что лаборатория Зера должна продолжить исследования. Хагино, получившая финансирование благодаря гранту, которым она поделилась с Зером, будет помогать, насколько это возможно, на расстоянии.
И довольно быстро они начали находить признаки того, что взаимоотношения водорослей и бактерий не являются стандартным случаем симбиоза. Bigelowii и бактерии всегда делились одновременно. Они также росли с одинаковой скоростью и способами, которые очень напоминали митохондрии или хлоропласты.
Но наиболее убедительное доказательство предоставил Тайлер Коул, научный сотрудник лаборатории Зера. Изучая белки внутри двух организмов, он заметил нечто странное: бактерии были полны белков, для производства которых у них не было генов. Вместо этого эти белки производились из дополнительных генов, обнаруженных у Bigelowii. И на самых концах каждого из этих дополнительных генов постоянно повторялась одна и та же короткая последовательность ДНК.
Эта закономерность напомнила Коулу о более ранней загадке: азотфиксирующие бактерии каким-то образом утратили многие гены, кодирующие белки, необходимые им для выживания. Могла ли бактерия Bigelowii поставлять их вместо них? Чтобы выяснить это, он провел эксперимент, сопоставив отсутствующие гены одного организма с дополнительными генами другого. Совпадение оказалось поразительным. Почти для каждого гена, утраченного бактерией, Bigelowii приобрела дополнительную копию. И каждый из этих дополнительных генов был помечен той же последовательностью ДНК на конце — молекулярными инструкциями по доставке белка к бактерии.
Это открытие имело огромное значение, поскольку подобная система наблюдалась лишь в небольшом количестве случаев в митохондриях и хлоропластах, а теперь, в крошечной точке, которую Зер и Хагино обнаружили внутри Bigelowii, азотфиксирующие бактерии перестали быть бактериями. Они стали частью Bigelowii, независимым микроорганизмом, превратившимся в органеллу.
Зер и его команда решили назвать его Нитроплас.
А это также означало, что Bigelowii нарушили фундаментальное правило, согласно которому только простые организмы, такие как бактерии, могут извлекать азот из воздуха. Водоросли — первые известные организмы на сложной стороне древа жизни, способные извлекать азот из воздуха.
Хотя пока рано говорить о результатах, Коул говорит, что это открытие может иметь большое значение для таких отраслей, как сельское хозяйство. «Этот организм сделал то, что десятилетиями не удавалось биотехнологиям, верно? Он внедрил эту способность в эту клетку. Естественно предположить, что здесь можно извлечь уроки», — сказал он.
Зер, хотя и с осторожным оптимизмом, считает, что до появления самоопыляющихся растений еще далеко. «Самое печальное то, что очень сложно перейти от того, что мы знаем о нитропласах, к генной инженерии растений», — сказал он. «Но если вы не сделаете один шаг, вы не сделаете и ста».
Зер и Хагино с нетерпением ждут, куда их дальше приведут исследования. Но для них никогда не было целью изменить мир. Они посвятили свою карьеру изучению мельчайших кусочков головоломки, не зная, что найдут, но надеясь, что любые открытия помогут им узнать больше о том, как устроен мир природы.
И в этом отношении еще многое предстоит узнать.
«Этот опыт показал, что мы не знаем, какие исследования окажутся полезными и когда», — сказал Хагино.
«Некоторые из самых значительных достижений могут произойти благодаря неожиданным событиям, — сказал Зер. — И это может быть именно такой случай».
COMMUNITY REFLECTIONS
SHARE YOUR REFLECTION
1 PAST RESPONSES