20
Ночная рыбалка
ШЕЛДОН: Я ПРОЧИТАЛ СТАТЬЮ ОБ УЧЕНЫХ, КОТОРЫЕ СКРЕСТИЛИ ДНК ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ МЕДУЗ С ДРУГИМИ ЖИВОТНЫМИ, И ВДРУГ ПОДУМАЛ: «РЫБКИ-НОЧНИКИ!»ЛЕОНАРД: РЫБКИ-НОЧНИКИ.ШЕЛДОН: ЗОЛОТАЯ ЖИЛА! Ш-Ш-Ш!«ЭФФЕКТ СВЕТЯЩЕЙСЯ РЫБКИ» (СЕЗОН 1, ЭПИЗОД 4)
Еще одна ни к чему не привязанная научная ссылка из «Теории Большого взрыва»? Вообще-то концепция люминесцентных рыбок основана на настоящем иследовании. В 1999 году доктор Гонг Чжиюань из Национального университета Сингапура (да, Сингапура, по крайней мере во время выхода книги он был в нескольких тысячах миль от Японии) использовал генную технологию, добавив ген, отвечающий за флуоресценцию, в эмбрионы рыбок данио. (Поскольку гены клетки ведут себя как чертежи для всех белков, которые она производит, генетическая манипуляция является одним из способов заставить организм производить молекулы, которые для него обычно нетипичны.) Подросшие рыбки оказались ярко окрашенными от головы до хвоста, особенно хорошо их цвета выглядели под светом голубоватых ламп, которые часто подвешиваются над домашними аквариумами.
Гонг выделил ген из ДНК медузы, которая использует его, чтобы производить зеленый флуоресцентный белок ЗФБ (см. главу 5). (А зачем, – подумаете вы, – медузе нужна флуоресцентная зелень? Пока на ваш вопрос может ответить только сама медуза.)
Данио (рыбка-зебра) – тропическая полосатая рыбка, часто встречающаяся в научных лабораториях и домашних аквариумах (см. главу 4).
Ученые, которые первыми выделили ген, получили за это Нобелевскую премию по химии в 2008 году. Гонг просто надеялся использовать протеин в попытке приблизиться к созданию рыбки, которая смогла бы показать сильную степень загрязнения ее среды. Смысл в том, что загрязненная вода вызвала бы реакцию в теле рыбки, которая начала бы производить большее количество ЗФБ, посылая некий рыбий эквивалет сигнальной ракеты. Но он очень быстро понял, что загрязнение загрязнением, а маленькие ярко-зеленые рыбки – отличные домашние любимцы.
Вскоре его лаборатория удачно вживила генный код других ярких флуоресцентных белков в эмбрионы данио: красный белок коралла, оранжевый, полученный из мутации гена медузы, и даже голубой и фиолетовый.
Полученная коллекция рыбной гирлянды теперь известна под именем GloFish. Это единственный широко доступный вид домашних любимцев, радующих своим ярким (хоть и несколько пугающим) видом и напоминающих группу водных подружек невесты, которых не предупредили о форме одежды.
Между предложенными люминесцентными рыбками Шелдона и настоящими флуоресцентными рыбками Гонга есть одно важное отличие. Флуоресцентные предметы, такие как желтые теннисные мячи и хорошо заметная защитная одежда, нуждаются во внешнем источнике света (см. главу 9). Люминесцентные предметы, такие как звездочки, светящиеся палочки и свечки, производят свое собственное свечение благодаря химической или ядерной реакции.
Понятно, зачем живым существам, обитающим на темном океанском дне или бодрствующим ночью, нужен встроенный фонарик (это называется биолюминесценцией). Примерами могут быть светлячки, рыбы-удильщики и люминесцентный планктон, который сопровождает Леонардо ДиКаприо в его ночном заплыве в фильме «Пляж» (в «Аполлоне-13» его еще неправильно назвали «фосфоресцирующими водорослями»). Но зачем организмам флуоресцировать, не всегда понятно. В некоторых существах флуоресценция является не более чем театральным побочным эффектом соответствующей биологической структуры. Вот зачем людям нужны ногти и зубы, ярко светящиеся под черным (ультрафиолетовым) светом? Ну, может быть, это помогало нашим человекообразным предкам лучше видеть друг друга на доисторических дискотеках, другого эволюционного преимущества мы не видим.
Биолюминесценция – способность некоторых организмов светиться.
Хрустальная медуза, или, как еще ее называют певучим именем, Aequorea Victoria, сразу и биолюминесцентная и флуоресцентная. Голубоватый свет, производимый биохимической реакцией в теле существа, заставляет его ЗФБ сиять зеленым светом. Это то самое существо, от которого и был первоначально получен ЗФБ.
А вот и я, уважаемая уголовно-исполнительная система КалифорнииУ себя дома Шелдону пришлось бы туго с продажей своей генетически модифицированной рыбы. Калифорнийские законы строжайше запрещают продажу и владение трансгенными организмами (с генами других видов); более того, это единственный штат, где вы не сможете продать, купить или держать GloFish.
В тот момент, когда вышел эпизод, было известно, что только несколько морских созданий могут флуоресцировать. Но в последние годы ученые насчитывают уже почти 200 видов с данным феноменом. Что же они узнали, чего не знаем мы? На умеренных океанских глубинах проходящий слабый солнечный свет набрасывает монохромное покрывало синего и черного. Способность сиять красным, зеленым или желтым может помочь рыбам различить друг друга или спрятаться среди кораллов или водорослей, которые тоже флуоресцируют по каким-то своим причинам.
Но они зависят от этого самого внешнего источника света. Если свет на них не попадает, GloFish и обычная данио выглядят практически одинаково: черные с черными полосами на черном фоне. Но это не то, что мы видим в ночнике Шелдона; хоть он и не раскрывает деталей, в конце эпизода мы видим сияющую рыбку в темной комнате. Существо явно выделяет свет без всякой посторонней помощи либо путем фосфоресценции (при которой медленно выпускается накопленная энергия), либо путем биолюминесценции. (Или это просто обычная золотая рыбка, освещенная очень ярким светом.) Это очень яркая рыбка, и, какой бы процесс ни освещал ее, это не может быть только одна флуоресценция.
Следующий вопрос – а не слишком ли она яркая? Основываясь на том, что мы видим в том последнем кадре, Шелдону нравится ставить свой ночник довольно близко к кровати. Он знает, что свет, как и сила притяжения, следует закону обратного квадрата; его сила резко уменьшается в квадрате расстояния. При двойном расстоянии от источника света остается только четверть его интенсивности (см. главу 6).
Мамы тоже это знают, поэтому они все говорят, что если вы будете сидеть слишком близко к телевизору, то ослепнете. (Именно поэтому Шелдон радостно сообщает профессору Протону: «Я могу подходить к вам так близко, как захочу, и мама не скажет, что я испорчу глаза» .) Но, следуя этой логике, любой источник света может вас ослепить, если вы сядете к нему поближе. Недостаточно ярко? Уменьшите расстояние вполовину – яркость увеличится в четыре раза. Все равно недостаточно ярко? Сократите и это расстояние вполовину. И так далее.
Как близко должен сесть Шелдон к телевизору, чтобы ослепнуть? И насколько близко он должен находиться от своей рыбки-ночника? Если бы он пододвинул аквариум на несколько дюймов поближе к кровати, смог бы он уснуть при таком ярком свете? (Я уже молчу о том, как страдает рыбка от своего собственного света. Со своим про́клятым даром светящейся сетчатки она, как мы полагаем, только и может видеть, что ярко-золотое сияние, в какую сторону она бы ни посмотрела.)
Представьте себе: вы на космическом корабле, настолько близко к великолепной полной Луне (она яркая, но не ослепительная), что она заполняет все ваше поле зрения. Теперь преодолейте половину оставшегося расстояния до Луны. Благодаря закону обратного квадрата теперь Луна заливает вас четырехкратным светом. Но теперь она еще и в два раза шире (и выше), чем ваше поле зрения, так что вы можете видеть только ее четверть. Значит, хоть до вас и доходит в четыре раза больше света, ваш глаз получает только четвертую часть этого количества. Вы видите то же количество света от четверти Луны, что и видели до этого от нее целиком.
Теперь пройдите еще половину пути. Вы теперь залиты в шестнадцать раз бо́льшим количеством света, чем вначале, но Луна теперь в четыре раза выше и шире вашего поля зрения, так что только одна шестнадцатая этого света попадает в ваш глаз. То есть опять остается то же самое количество света.
Если вы посмотрите на лампочку через соломинку, то получите тот же эффект. На любом расстоянии увеличение количества света и размера гасят друг друга, и в результате яркость остается той же. Зная этот принцип, вы можете рассчитать, как ярко будет на вас светить Земля, когда вы будете находиться на Луне: примерно так же, как светило бы на нас небо, полностью заполненное множеством Лун. Много света, но не ослепляющего света. И вот почему, если вы уткнетесь носом в ваш телевизор (или аквариум), пострадает только ваш нос, а не ваши глаза.
эврика! @ caltech.edu
Фестиваль биофильма
Диана Ньюман из Калтеха является молекулярным геомикробиологом (попробуйте это выговорить!): это тот, кто изучает взаимоотношения между микроорганизмами и Землей, включая то, как бактерии формируют минералы, как растворяют их и как развивающаяся планета Земля влияла на их эволюцию. Это непростые вопросы. Расшифровка содержания и истории гениальных сложнейших молекулярных поваренных книг этих крошечных созданий – это важный шаг в понимании таких вопросов, как эволюция фотосинтеза и продолжающееся взаимодействие микробов на химические элементы в коре Земли.
Бактерии строят для себя различные белки, когда меняется окружающая среда, и в определенные фазы роста, поэтому Ньюман использует генную технологию, чтобы понаблюдать, чем они занимаются в определенный момент. Она связывает гены в ДНК микробов с флуоресцентными белками. Таким образом, даже если изменения в поведении малыша небольшие, его внешность все равно значительно меняется.
В 2012 году один из аспирантов Ньюман, Нейт Глессер, руководил группой студентов, которые работали над совершенно новым применением генной технологии. В рамках ежегодного соревнования iGEM (International Genetically Engineered Machine – Международная генно-инженерная машина) студенты Калтеха и Калифорнийского института искусства (CalArts) сотрудничали над созданием процесса «бактериальной анимации». Экраном была чашка Петри с кишечной палочкой. Бактерия была так генетически модифицирована студентами, чтобы она могла воспринимть зеленый свет и производить в ответ красный флуоресцентный белок под названием «Вишенка». Еще одна генетическая модификация сделала белок саморазрушающимся, чтобы его красный цвет быстро исчезал.
В теории зеленая подвижная картинка могла бы быть спроектирована в чашку Петри, а бактериальный биофильм скопировал бы ее в ярко-красном цвете практически в реальном времени. Но это не самый удобный способ смотреть ваш любимый фильм – у этого живого экрана была бы плотность в 100 мегапикселей на квадратный дюйм, что гораздо больше существующих пленок и цифровых устройств.
А зачем нам все это? Ну как и в случае с GloFish – просто так.
Бескрайние просторы
«Наш критик [из доклада о безе] отметил, что обоснование было в порядке, но предмет оказался воздушным».
Гарольд Макги (выпускник Калтеха 1973 года) является экспертом мирового уровня в области пищи и кулинарии. Его главным предметом в Калтехе (который предлагает широкий выбор предметов, включая гуманитарные) был английский, а затем он защитил докторскую в области литературы в Йеле. Он честно собирался посвятить свою жизнь анализу произведений Джона Китса и других литературных знаменитостей, пока не наткнулся на высказывание Джулии Чайлд о том, что безе и суфле лучше взбивать в медной миске.
Нормальные люди просто отметили бы это явление и занялись другими делами, но Макги помчался за упаковкой яиц и спектрофотометром. Его анализ показал, что, когда ионы меди, отделенные от поверхности миски, соединялись с белком яйца, называемого кональбумином, полученная взбитая пена оказывалась особенно стабильной. Макги опубликовал свои изыскания в рецензируемом издании издательства Nature и при этом показал свои литературные корни, цитируя таких знаменитостей, как Джеймс Босуэлл и Платон.
Сейчас он экспериментирует, пишет и читает лекции по науке еды, одновременно с ведением ежемесячной колонки по физике и химии кулинарии «Любопытный повар» в «Нью-Йорк Таймс».
Назад: 19 Роботы
Дальше: 21 Крутится-вертится
