Литература к главе 6

1. Urquhart F. A. Found at last: the monarch’s winter home // National eographic. – Aug. 1976.

2. Stanewsky R., Kaneko M., Emery P., Beretta B., Wager-Smith K., Kay S. A., Rosbash M. and Hall J. C. The cryb mutation identifies cryptochrome as a circadian photoreceptor in Drosophila // Cell, 1998. – Vol. 95: 5. – P. 681–692.

3. Zhu H., Sauman I., Yuan Q., Casselman A., Emery-Le M., Emery P. and Reppert S. M. Cryptochromes define a novel circadian clock mechanism in monarch butterflies that may underlie sun compass navigation // PLOS Biology, 2008. – Vol. 6: 1.

4. Reppert D. M., Gegear R. J. and Merlin C. Navigational mechanisms of migrating monarch butterflies // Trends in Neurosciences, 2010. – Vol. 33: 9. – P. 399–406.

5. Guerra P. A., Gegear R. J. and Reppert S. M. A magnetic compass aids monarch butterfly migration // Nature Communications, 2014. – Vol. 5: 4164. – P. 1–8.

6. Middendorf A. T. von. Die Isepiptesen Russlands Grundlagen zur Erforschung der Zugzeiten und Zugrichtungen der Vögel Russlands. – St Petersburg, 1853.

7. Yeagley H. L. and Whitmore F. C. A preliminary study of a physical basis of bird navigation // Journal of Applied Physics, 1947. – Vol. 18: 1035.

8. Walker M. M., Diebel C. E., Haugh C. V., Pankhurst P. M., Montgomery J. C. and Green C. R. Structure and function of the vertebrate magnetic sense // Nature, 1997. – Vol. 390: 6658. – P. 371–376.

9. Hanzlik M., Heunemann C., Holtkamp-Rotzler E., Winklhofer M., Petersen N. and Fleissner G. Superparamagnetic magnetite in the upper beak tissue of homing pigeons // Biometals, 2000. – Vol. 13: 4. – P. 325–331.

10. Mora C. V., Davison M., Wild J. M. and Walker M. M. Magnetoreception and its trigeminal mediation in the homing pigeon // Nature, 2004. – Vol. 432. – P. 508–511.

11. Treiber C., Salzer M., Riegler J., Edelman N., Sugar C., Breuss M., Pichler P., Cadiou H., Saunders M., Lythgoe M., Shaw J. and Keays D. A. Clusters of iron-rich cells in the upper beak of pigeons are macrophages not magnetosensitive neurons // Nature, 2012. – Vol. 484. – P. 367–370.

12. Emlen S. T., Wiltschko W., Demong N. J., Wiltschko R. and Bergman S. Magnetic direction finding: evidence for its use in migratory indigo buntings // Science, 1976. – Vol. 193: 4252. – P. 505–508.

13. Pollack L. That nest of wires we call the imagination: a history of some key scientists behind the bird compass sense. – May 2012. – P. 5: http://www.ks.uiuc.edu/History/magnetoreception.

14. Там же, с.6.

15. Schulten K., Staerk H., Weller A., Werner H-J. and Nickel B. Magnetic field dependence of the geminate recombination of radical ion pairs in polar solvents // Zeitschrift für Physikale Chemie, 1976. – Vol. 101. – P. 371–390.

16. Pollack L. That nest of wires we call the imagination. – P. 11.

17. Schulten K., Swenberg C. E. and Weller A. A biomagnetic sensory mechanism based on magnetic field modulated coherent electron spin motion // Zeitschrift für Physikale Chemie, 1978. – Vol. 111. – P. 1–5.

18. From Hore P. The quantum robin // Navigation News. – Oct. 2011.

19. Lambert N. Quantum biology // Nature Physics, 2013. – Vol. 9: 10. И источники, упомянутые в данном издании.

20. Leask M. J. M. A physicochemical mechanism for magnetic field detection by migratory birds and homing pigeons // Nature, 1977. – Vol. 267. – P. 144–145.

21. Ritz T., Adem S. and Schulten K. A model for photoreceptor-based magnetoreception in birds // Biophysical Journal, 2000. – Vol. 78: 2. – P. 707–718.

22. Liedvogel M., Maeda K., Henbest K., Schleicher E., Simon T., Timmel C. R., Hore P. J. and Mouritsen H. Chemical magnetoreception: bird cryptochrome 1a is excited by blue light and forms long-lived radicalpairs // PLOS One, 2007. – Vol. 2: 10.

23. Nießner C., Denzau S., Stapput K., Ahmad M., Peichl L., Wiltschko W. and Wiltschko R. Magnetoreception: activated cryptochrome 1a concurs with magnetic orientation in birds // Journal of the Royal Society Interface, 2013. – Nov. 6. – Vol. 10: 88.

24. Ritz T., Thalau P., Phillips J. B., Wiltschko R. and Wiltschko W. Resonance effects indicate a radical-pair mechanism for avian magnetic compass // Nature, 2004. – Vol. 429. – P. 177–180.

25. Engels S., Schneider N-L., Lefeldt N., Hein C. M., Zapka M., Michalik A., Elbers D., Kittel A., Hore P. J. and Mouritsen H. Anthropogenic electromagnetic noise disrupts magnetic compass orientation in a migratory bird // Nature, 2014. – Vol. 509. – P. 353–356.

26. Gauger E. M., Rieper E., Morton J. J., Benjamin S. C. and Vedral V. Sustained quantum coherence and entanglement in the avian compass // Physical Review Letters, 2011. – Vol. 106: 4.

27. Ahmad M., Galland P., Ritz T., Wiltschko R. and Wiltschko W. Magnetic intensity affects cryptochrome-dependent responses in Arabidopsis thaliana // Planta, 2007. – Vol. 225: 3. – P. 615–624.

28. Vacha M., Puzova T. and Kvicalova M. Radio frequency magnetic fields disrupt magnetoreception in American cockroach // Journal of Experimental Biology, 2009. – Vol. 212: 21. – P. 3473–3477.

7. Квантовые гены

Самое холодное место на Земле располагается не на Южном полюсе, как вы могли бы подумать, а в центре восточной части Антарктического ледяного щита, примерно в 1300 километрах от полюса. Здесь зимние температуры обычно падают на несколько десятков градусов ниже нуля по шкале Цельсия. Самая низкая температура на Земле, –89,2 °C, была зарегистрирована 21 июля 1983 года в Восточной Антарктиде. Это место получило название «Южный полюс холода». При таких низких температурах крошится сталь, а дизельное топливо замерзает так, что его можно резать цепной пилой.

При таких морозах в воздухе практически не остается влажности. Кроме того, здесь, на оледенелых равнинах, постоянно дуют сильные ветры, что превращает Восточную Антарктиду в самое суровое место на нашей планете.

Но эти места не всегда были такими враждебными. Суша Антарктического материка была частью древнего суперконтинента Гондваны и располагалась в районе экватора. Эта часть Гондваны была покрыта обильной растительностью, среди которой преобладали семенные папоротники, гинкговые деревья и саговники. В этих зарослях паслись динозавры и травоядные рептилии, например листрозавры, напоминавшие носорогов. Однако около 80 миллионов лет назад огромный материк стал распадаться на части и один из фрагментов постепенно отдалялся на юг, со временем достигнув Южного полюса. Так образовалась Антарктида. Около 65 миллионов лет назад на Землю упал астероид. В результате падения небесного тела все динозавры и гигантские рептилии вымерли, освободив экологическое пространство для теплокровных млекопитающих. Несмотря на значительную удаленность Антарктиды от места удара, ее фауна и флора подверглись серьезным изменениям: папоротники и саговники уступили место лиственным лесам, которые населяли вымершие виды сумчатых, рептилий и птиц, в том числе гигантские пингвины. Реки с быстрым течением и глубокие озера, кишащие костными рыбами и членистоногими, разливались по долинам материка.

Постепенно уровень парниковых газов в атмосфере снижался, что привело к падению средней температуры воздуха в Антарктиде. Циркулирующие вокруг материка океанические течения также становились холоднее, и около 34 миллионов лет назад поверхность рек и озер южного материка стала замерзать зимой. Примерно 15 лет назад зимний лед покрывал континент круглый год, надежно спрятав реки и озера под свой плотный покров. Постепенно планета продолжала охлаждаться, и на Антарктиду надвинулись массивные ледники, уничтожив ее обитателей – млекопитающих, рептилий и земноводных – и похоронив землю, озера и реки под гигантскими слоями льда шириной несколько километров. С тех пор Антарктида находится в ледяном и морозном плену.

Первым человеком, ступившим на континентальную Антарктиду, стал американский охотник на тюленей капитан Джон Дейвис. Это случилось в XIX веке, а в XX веке на замерзшем материке появились первые постоянные поселения: сразу несколько стран заявили о своих территориальных правах на материк и стали строить здесь исследовательские станции. Первая советская антарктическая станция «Мирный» была открыта на побережье 13 февраля 1956 года. Именно отсюда два года спустя участники экспедиции отправились в глубь материка с целью основать станцию вблизи геомагнитного полюса. Полярников преследовали снежные бури, они увязали в рыхлом снегу, переносили лютый мороз (–55 °C) и нехватку кислорода. Наконец 16 декабря 1957 года, в разгар южнополушарного лета, они достигли геомагнитного полюса и основали станцию «Восток».

С тех пор на научно-исследовательской станции «Восток» практически непрерывно работают ученые. В команду исследователей в разное время входили от 20 до 25 ученых и инженеров, производящих геомагнитные и атмосферные измерения. Одна из основных научных задач команды «Востока» – изучение по ледяному покрову под станцией изменений климата в прошлом. В 1970-е инженеры-полярники пробурили во льду несколько скважин глубиной до 952 метров и достигли слоя льда, относящегося к последнему ледниковому периоду Земли. Возраст этого слоя – десятки тысяч лет. В 1980-х годах на станцию было доставлено новое буровое оборудование, с помощью которого исследователи достигли глубины 2202 метра. К 1996 году инженерам-полярникам удалось пробурить скважину глубиной 3623 метра и достигнуть слоя возрастом 420 тысяч лет.

Однако вскоре бурение было приостановлено. Под дном скважины было обнаружено нечто странное. К слову, еще в 1974 году, за 20 лет до находки, стало известно, что глубоко под станцией «Восток» располагается что-то очень необычное: британские сейсмологи выявили аномальные показатели для области площадью десять тысяч квадратных километров под слоем льда примерно четыре километра шириной. Российский географ Андрей Петрович Капица предположил, что радиолокационная аномалия свидетельствует о существовании огромного подледного озера, находящегося в изоляции от биосферы Земли и не замерзшего благодаря огромному давлению льда и теплым геотермальным источникам. Гипотеза Капицы подтвердилась в 1996 году, когда были получены снимки со спутника: подводное озеро глубиной до 500 метров (от поверхности воды до дна), площадью, равной примерно площади озера Онтарио, действительно существовало. Команда ученых назвала этот подледный водоем озером Восток.

После обнаружения подо льдом древнего озера буровые работы на станции «Восток» приобрели новое значение: скважина, становясь все глубже, приближалась к уникальной биологической среде. Озеро Восток было изолировано от поверхности и биосферы Земли сотни тысяч (если не миллионов) лет – настоящий затерянный мир. Что произошло с животными, растениями, водорослями и микробами, населявшими озеро, пока оно не попало в ледниковый плен, обрекая живые организмы на абсолютный мрак и холод? Вымерла ли жизнь в озере, или каким-нибудь существам удалось выжить и приспособиться к условиям жизни под слоем льда шириной несколько километров? Если в озере сохранилась жизнь, то это должны быть очень стойкие организмы, столкнувшиеся с экстремальными, суровыми условиями: ужасный холод, кромешный мрак, давление на воду ледяной глыбы, более чем в 300 раз превышающее давление, которое испытывает поверхность любого другого земного озера. И все же известны удивительно разнообразные формы жизни, которые чудом приспосабливаются к другим экстремальным условиям, например на раскаленных краях вулканических кратеров, в кислотных озерах, даже в темных подводных туннелях на глубине несколько тысяч метров. Возможно, в озере Восток также сохранилась уникальная экосистема экстремофилов.

Открытие озера под толстым слоем льда приобрело еще большее значение благодаря другому открытию, совершенному в 1980 году. За полмиллиарда миль от Земли космический аппарат «Вояджер-2» сфотографировал поверхность Европы, спутника Юпитера. Снимки позволили ученым выдвинуть правдоподобную гипотезу о существовании под ледяной поверхностью Европы жидкого океана. Если жизнь могла сохраниться на протяжении сотен тысяч лет в воде под километрами антарктического льда, возможно, и на Европе в океане, накрытом льдом, существуют некие формы жизни. Поиски живых организмов в озере Восток стали репетицией еще более захватывающих поисков внеземных форм жизни.

Бурение было приостановлено в 1996 году, когда до поверхности озера оставалось около 100 метров льда: нельзя было допустить контакта древней подледной воды с пропитанной керосином буровой головкой, на которой могли находиться микроорганизмы и вещества с поверхности Земли. Тем не менее был изучен состав озерного льда, взятого из других скважин. Термальные источники влияют на озеро таким образом, что его вода под покровом ледника то замерзает, то оттаивает. Этот процесс продолжается с тех пор, как озеро навсегда покрылось льдом, так что самый нижний слой льда – это не ледниковый лед, а замерзшая озерная вода, или аккреционный лед. Слой аккреционного льда над водой озера Восток достигает нескольких десятков метров. Несколько скважин, пробуренных ранее, достигли глубины, на которой залегал аккреционный лед, и в 2013 году впервые были опубликованы результаты подробного исследования образцов замерзшей воды озера Восток [1]. Основной вывод статьи заключался в следующем: скрытое подо льдом озеро является средой обитания сложной системы организмов – как одноклеточных бактерий, грибов и простейших, так и более сложных животных – моллюсков, червей, анемонов и даже членистоногих. Ученым даже удалось определить особенности метаболизма этих существ, а также их вероятные места и условия обитания.

Однако в данной главе мы хотим подробнее поговорить не об удивительной экосистеме озера Восток, а о том, как любая экосистема может сохраниться в изоляции на протяжении тысяч и даже миллионов лет. Озеро Восток и правда представляет собой модель всей нашей планеты, которая, по сути, оказалась изолированной от внешних воздействий, за исключением солнечных фотонов, на четыре миллиарда лет и все же сохранила богатую и многообразную экосистему, несмотря на угрозы извержений крупных вулканов, столкновений с астероидами и изменений климата. Как же удается жизни – невероятно сложной и многообразной – выносить все испытания, уготованные окружающей средой, и сохраняться на протяжении тысяч и даже миллионов лет?

Ключ к пониманию этой тайны кроется в образце вещества, которое было изучено командой биологов, работающих на станции и озере Восток, – в нескольких микрограммах химического соединения, извлеченного из замерзшей озерной воды. Это вещество играет главную роль в непрерывности и многообразии жизни на нашей планете и состоит из самых необычных молекул, известных во Вселенной. Мы называем это вещество ДНК.

Образцы ДНК, полученные из замерзшей воды озера Восток, исследовали ученые из Университета Боулинг Грин, США. Для расшифровки последовательности из миллионов фрагментов молекул ДНК, извлеченных из воды озера Восток, ученые применили технологию секвенирования, которая ранее использовалась для расшифровки генома человека. Затем они сравнили ДНК из озера Восток с данными из базы, содержащей информацию о последовательности генов в геномах тысяч организмов, обитающих на нашей планете. Было обнаружено, что многие последовательности генов в образцах озера Восток идентичны или почти совпадают с генами бактерий, грибов, членистоногих и других существ, живущих и надо льдом, особенно в холодных озерах и глубоких и темных морских тоннелях, то есть в условиях, вероятно немного приближенных к среде озера Восток. Сходства генов позволили ученым выдвинуть вполне обоснованные предположения о природе и образе жизни существ, оставивших образцы ДНК глубоко подо льдом.

Однако не забывайте, что организмы, обитавшие в озере Восток, попали в ледовый плен на сотни тысяч лет. Сходства последовательностей ДНК этих организмов с последовательностями геномов существ, обитающих на поверхности Земли, объясняются наличием у них общих предков, которые населяли Антарктиду до того, как она превратилась в ледовый континент. Последовательности генов предков, таким образом, копировались организмами, обитающими подо льдом и на поверхности Земли на протяжении жизни тысяч поколений. И все же, несмотря на многочисленные случаи копирования на протяжении сотен тысяч лет, некоторые гены остались неизмененными. Каким-то удивительным образом сложная генетическая информация, которая определяет форму, отличительные признаки и функции организмов, живущих на Земле и в воде подо льдом, надежно, практически без ошибок передавалась из поколения в поколение на протяжении сотен тысяч лет.

Способность генетической информации надежно копировать себя и передаваться из поколения в поколение (эту способность мы и называем наследственностью), безусловно, играет главную роль в сохранении жизни. Гены – особые участки ДНК – кодируют белки и ферменты, которые в процессе метаболизма создают биомолекулы всех возможных живых клеток – от фотосинтетических пигментов растений и бактерий до обонятельных рецепторов животных и загадочных внутренних магнитных компасов птиц, одним словом, отвечают за любой признак живого организма. Многие биологи утверждают, что самокопирование является основной отличительной чертой жизни. Однако живые организмы не могли бы создавать копии самих себя, если бы они не были способны сперва копировать инструкции к самокопированию. Таким образом, жизнь возможна именно благодаря процессу наследственности – высококачественному копированию генетической информации. В главе 2 мы говорили о том, что тайна наследственности (то, каким образом генетическая информация может надежно передаваться из поколения в поколение) была той самой загадкой, которая убедила Эрвина Шредингера в том, что гены являются квантово-механическими сущностями. Но был ли он прав? Объясняет ли квантовая механика механизм наследственности? Поговорим об этом подробнее.