Можем ли мы создавать сверхлюдей с помощью науки
Этой осенью в России одновременно с мировым релизом вышел «Перекресток воронов» — первая за двенадцать лет новая книга Анджея Сапковского о ведьмаке. Геральт из Ривии — один из последних охотников на монстров, которому перенесенные мутации дали сверхчеловеческие способности. Искусство создания ведьмаков на момент событий книги утеряно, и точные процедуры неизвестны даже старому учителю Геральта — Весемиру. Но кое-что все-таки сохранилось. Помимо изнурительных тренировок и обучения, будущие ведьмаки должны пройти через серию тяжелых испытаний. Они дают им нечеловеческую силу и реакцию, лишают способности иметь детей и резко ускоряют обмен веществ. Мы разобрались, способна ли современная наука объяснить — а иногда даже попытаться повторить — ведьмачьи превращения.
Новая часть саги о Геральте из Ривии доступна в сервисе Яндекс Книги — в электронном и аудиоформатах. Аудиоверсию приквела озвучил Всеволод Кузнецов — голос Геральта в серии игр о ведьмаке и аудиокнигах по циклу.
В цикле про ведьмака девять книг. И если перед чтением новой части вы захотите вспомнить о предыдущих приключениях ведьмака, можно воспользоваться функцией рекапа в приложении Яндекс Книг. Она не даст потеряться в богатой героями и событиями вселенной Сапковского после паузы в чтении.
Необходимый элемент превращения обычного мальчика в ведьмака — это Испытание травами — чрезвычайно болезненная процедура, которая длится неделю и выполняет две функции.
Во-первых, так отсеивают самых слабых. Отбор чрезвычайно жесткий и даже жестокий: в ходе первых дней испытания кандидатам внутривенно вводят сложную алхимическую комбинацию из вытяжек трав и секретных мутагенов. Кто не выдержал их действия — погибает. До конца недели доживает в среднем три мальчика из десяти.
Во-вторых, эта процедура является частью подготовки организма будущих ведьмаков к их опасной работе. Под агрессивным воздействием алхимических компонентов организм меняется на уровне ДНК, что как раз в большинстве случаев и приводит к гибели кандидата. Но некоторым сопутствует удача, и они приобретают полезные мутации:
Подход, используемый при создании ведьмаков, можно сравнить с распространенным в современном сельском хозяйстве методом под названием «ненаправленный мутагенез».
Когда требуется вывести новый сорт культурного растения с заданными свойствами, можно идти путем классического менделевского отбора по желаемым признакам: в каждом поколении отбирать, например, самых быстрорастущих и высаживать семена только от них. Но этот процесс может занять очень длительное время — десятки и даже сотни поколений.
Ученые придумали, как сделать это быстрее: воздействовать на семена физическими и химическими мутагенами. Причем в реальной жизни используются приемы и вещества похуже ведьмачьего «альбумина серого сколопендроморфа». В ход идут быстрые нейтроны, ультрафиолет, гамма- и рентгеновское излучения, а также химические мутагены вроде этилметансульфоната и азида натрия.
В результате большая часть семян погибает, но генетическое разнообразие выживших сильно повышается, что дает возможность выбрать наиболее интересные варианты для дальнейшего размножения. Именно этот процесс стоит за выведением многих современных селекционных сортов риса, ячменя, хлопка и многих других культур.
Те же методы активно используются учеными на микроорганизмах для изучения эволюционных процессов в лабораториях. К счастью, на людях ненаправленный мутагенез никогда намеренно не применялся. Этот метод никак не контролирует, какие именно мутации и в каком количестве будут появляться, поэтому в реальности мы получим онкологические заболевания, а не сверхспособности.
Чтобы снизить вероятность нежелательных побочных эффектов, среди мутагенов, применяемых в Испытании травами, могли бы использоваться более тонкие и продвинутые технологии — например, специально культивированные вирусы для внесения таргетных мутаций или даже пересадки целых генов при помощи вирусных векторов.
Многие вирусы, такие как ВИЧ или герпес, умеют встраиваться в ДНК человека. Чаще всего это ведет к возникновению вредных мутаций, но иногда вирусы могут приносить с собой новые гены, полезные для хозяина. Это явление получило название горизонтального переноса генов и, по-видимому, сыграло большую роль в нашей эволюции. Например, гены, необходимые для формирования синцития мышечных волокон и человеческой плаценты, а также ряд генов в нервной системе, вероятно, имеют вирусное происхождение.
Вирусы, специально адаптированные для переноса кусков ДНК в геном человека или других организмов, называют вирусными векторами. В них удалены элементы, ответственные за размножение вирусных частиц, то есть они не способны вызвать заболевание. Чаще всего для таких целей берутся изначально безвредные для человека вирусы (да, такие тоже есть, например аденоассоциированный вирус).
Вирусные векторы могут проникать в клетки (причем чаще всего в конкретный тип клеток человека, допустим в нервные) и, встраиваясь в ДНК, привносить гены, которые затем активируются. В случае ведьмаков это мутации глаз и улучшения метаболизма, а в реальной жизни — лечение тяжелых наследственных заболеваний, таких как спинальная мышечная атрофия или тяжелый комбинированный иммунодефицит.
Итак, сам процесс испытания травами с точки зрения современной генетики и молекулярной биологии вполне понятен и объясним, а главной фантастикой в этом испытании является число положительных исходов. Три из десяти — это очень много! В реальной науке такие методы приводят к успеху в одном случае из десяти тысяч, а иногда и реже.
Если опустить детали статистики, возникает более интересный вопрос: возможно ли появление ведьмачьих мутаций в реальной жизни? И что это за мутации? Современной науке есть что ответить.
Ведьмачьи глаза с вертикальными зрачками — самая заметная и абсолютно необходимая мутация. Она дает ведьмакам возможность видеть в темноте и обостряет зрение при свете дня.
Известно настоящее генетическое отклонение, при котором глаза человека становятся похожими на кошачьи, — синдром Шмида — Фраккаро. Это редкое генетическое заболевание, связанное с появлением небольшой дополнительной хромосомы, сформированной из материала 22-й хромосомы.
У людей с этим синдромом наблюдается колобома радужной оболочки глаза, то есть отсутствие части тканей радужной оболочки, что делает глаза похожими на кошачьи. К сожалению, вместе с изменением глаз люди получают множество отклонений: умственную отсталость, пороки сердца и почек и изменения формы ушей с формированием сосочков перед ушной раковиной.
В реальной жизни для улучшения зрения нет никакой необходимости менять форму зрачков. Наши знания о генетике человека и биотехнологии, в принципе, позволяют сделать глаза не хуже ведьмачьих.
Система доставки работающих генов в глаз уже разработана и зарегистрирована. Это медицинская технология генной терапии для восстановления зрения у пациентов с дистрофией сетчатки, связанной с нарушением работы гена RPE65.
Для доставки используется аденоассоциированный вирус, в который встроена работающая копия гена. Лекарство вводится в сетчатку путем инъекции и значительно повышает остроту зрения и способность видеть в темноте.
Подобную технологию также можно использовать для внедрения в сетчатку глаза новых светочувствительных белков — опсинов, которые будут превосходить наши. Например, различать другие цвета (а не только красный, синий и зеленый), ориентироваться в темноте или по видимому диапазону электромагнитных волн. Так, уже проводились эксперименты по встраиванию дополнительных опсинов в сетчатку приматам. В частности, при помощи L-опсина удавалось дать трехцветное зрение приматам с дихроизмом.
Способности видеть в темноте можно достичь за счет добавления инфракрасного канала зрения. И это уже опробовали на мышах, которым в сетчатку ввели специально разработанные наночастицы. Такие частицы способны к апконверсии — поглощению инфракрасного излучения и переизлучению фотонов в видимом спектре. Это позволяет видеть тепловое излучение от объектов, а не отраженный от них свет.
Модифицированные таким образом глаза будут видеть всех живых существ (и теплые объекты) в полной темноте и даже замечать травмированные и воспаленные участки тела: от них исходит больше тепла. А таких способностей не было даже у ведьмаков.
Ведьмачий слух — еще одна особенность, необходимая для победы над всем многообразием чудовищ мрачной вселенной Сапковского. Ученые владеют технологией генной терапии, позволяющей доставлять гены во внутреннее ухо. Например, OTOF-генотерапия компенсирует дефицит белка отоферлина (DFNB9) и возвращает слух пациентам с врожденной глухотой. Но для усиления слуха этот подход, вероятно, не получится использовать.
Гиперчувствительность слуха, помимо способности улавливать мельчайшие звуки, приносит огромное количество побочных эффектов. Например, у людей может развиваться гиперакузия, когда звуки оказывают раздражающий эффект, и даже мизофония — устойчивое отвращение к звукам. Так что, в отличие от зрения, сегодняшняя наука не может похвастаться сравнимыми с ведьмачьими апгрейдами слуха.
В природе животные, обладающие острым слухом, имеют целый ряд физиологических и молекулярных адаптаций. Начиная от подвижных ушных раковин (кошки, лисы), которые позволяют более эффективно собирать звуковые волны, и заканчивая тонкими изменениями структуры базилярной мембраны и волосковых клеток внутреннего уха. С их помощью животные, например летучие мыши и дельфины, могут улавливать даже ультразвук.
Ускоренные ведьмачьи рефлексы — результат совместной работы нескольких систем организма, который зависит от скорости нервных импульсов, синаптического отклика и мышечных сокращений. Для каждого из этих процессов известны реальные генетические варианты, дающие преимущество в быстроте реакции.
Скорость проведения импульсов по нервным волокнам в значительной степени связана с уровнем миелинизации отростков нейронов. В зависимости от качества миелиновой оболочки и толщины нервов скорость нервного импульса может быть от 0,5 до 120 метров в секунду, то есть различаться в 240 раз. В экспериментах на мышах усиление экспрессии гена NRG1-III, кодирующего аксональный сигнал миелинизации, позволило сделать оболочки нервов более толстыми и ускорить проведение импульсов. Дело в том, что миелиновая оболочка нервных волокон состоит из отростков, так называемых шванновских клеток. Белок NRG1-III стимулирует эти клетки к более плотному оплетению нервов.
Задержку в проведении нервного импульса в синапсах также можно оптимизировать за счет повышения чувствительности кальциевых рецепторов, которые активируют выброс нейромедиатора в синапс. Ученые описали вариант гена Syt2, обеспечивающий ускоренное выделение нейромедиатора в синаптическую щель, что может сократить синаптическую задержку на миллисекунды. А для нервной системы это очень много.
Среди элитных спортсменов значительно чаще встречаются определенные варианты генов актомиозинового комплекса. Это вещество обеспечивает сокращение мышечных клеток. Состоит из актина, миозина, тропонина, тропомиозина и еще пары минорных белков. Например, аллель ACTN3 R577X способствует большему количеству быстрых мышечных волокон и ускоренному сокращению саркомеров. В результате конечности быстрее откликаются на нервный импульс.
Все эти генетические варианты вносят относительно небольшой вклад в итоговую скорость реакции, но, если собрать их в одном человеке, суммарный эффект будет заметен.
Физическую силу ведьмаков также реально получить благодаря генетическим изменениям. Объем мышц можно увеличить за счет подавления активности гена миостатина — белка, который тормозит их рост. В природе встречаются животные и люди, у которых этот ген подавлен, — все они обладают огромной мышечной массой, не прибегая к специальным тренировкам. В медицинской литературе описан случай, когда у новорожденного мальчика наблюдалась чрезвычайно развитая мускулатура, а обе копии гена миостатина несли редкую мутацию. В возрасте четырех с половиной лет он удерживал на прямых руках гантели весом три килограмма, что значительно превышает способности обычного ребенка.
Таким образом, с точки зрения современной генетики физические возможности ведьмаков выглядят не так уж невероятно. Правда, и этим их способности не ограничиваются.
Ведьмаки основательно готовятся к битве с противником. Помимо детального изучения повадок и слабых мест монстров, они стараются максимально усилить и без того устойчивый организм, ведь права на ошибку у них нет.
Для этого существуют особые ведьмачьи эликсиры — снадобья, дающие значительные преимущества в бою. Например, «Ласточка» дает ускоренную регенерацию, «Гром» — физическую силу, а «Кошка» улучшает зрение в темноте. Всего рецептов таких зелий известно больше десятка. Каждое из них обладает уникальным составом и механизмом действия, но объединяет все зелья одно: они усиливают ведьмаков, но ядовиты или даже смертельно опасны для обычных людей. Как это возможно?
Вещества, воздействующие на нашу нервную систему или весь организм, помимо основных эффектов, дают нежелательные «побочки». И чем выше дозировка вещества, тем более ярко выражены как основные, так и побочные эффекты.
В реальной жизни ведьмачьи эликсиры могли бы быть высоко концентрированными зельями с токсичными дозировками активных веществ или содержать яды и алкалоиды, которые попали туда вместе с активными компонентами. Поэтому усваивать и получать из них пользу могут только ведьмаки благодаря выдающейся устойчивости к ядам.
С точки зрения современной науки ведьмачья сверхустойчивость к ядам — не такая уж невероятная способность. Ее можно представить как комбинацию трех физиологических адаптаций: мощной «детокс-сигнализации» в печени, легких и коже, механизмов усиленного выброса ксенобиотиков из мозга и других тканей, а также селективной невосприимчивости к ядовитым компонентам эликсиров.
Важным механизмом защиты клеток от токсинов и окислительного стресса служит молекулярная система NRF2/KEAP1. Эти два белка находятся в связанном состоянии, но при попадании токсичных веществ в клетку первым срабатывает сенсор KEAP1. Он химически модифицируется и высвобождает NRF2 — транскрипционный фактор, запускающий работу сотен генов, чтобы защитить клетку от отравления.
Ведьмаки в ходе Испытания травами, скорее всего, приобретают полезные мутации в гене Nfr2. Они приводят либо к повышенной экспрессии гена, либо к повышенной устойчивости этого белка внутри клетки. Именно это могло бы обеспечить более мощный и долгий «детокс-сигнал» при столкновении любыми отравляющими веществами. Некоторые вещества, активирующие Nrf2, прошли рандомизированные клинические испытания. Например, сульфорафан, добываемый из соцветий брокколи, способствовал более активному выведению из организма токсичных летучих соединений: бензола и акролеина.
Существуют также мутировавшие клетки, приобретающие сверхустойчивость к токсинам, — это раковые опухоли. Описаны опухоли мозга и молочных желез, где значительно повышена активность генов ABC-транспортеров. Эти молекулы активно выбрасывают токсичные вещества из клетки, предотвращая их повреждение. К несчастью, это также дает раковым клеткам устойчивость к лекарствам и затрудняет лечение. Но приобретение подобной мутации клетками гематоэнцефалического барьера, кожи и легких гипотетически могло бы обеспечить устойчивость к ядам, сравнимую с ведьмачьей.
Кроме того, известен ряд мутаций и полиморфизмов у людей, которые делают их невосприимчивыми к отдельным токсичным веществам или группам веществ. Например, варианты гена PON1 дают устойчивость к ядовитым органофосфатам — распространенным нервно-паралитическим ядам.
Сочетание всех этих защитных механизмов, интегрированное в человеческую ДНК при помощи генно-инженерных методов, потенциально могло бы обеспечить значительную устойчивость к ядовитым веществам. Хотя прием ведьмачьих эликсиров мы бы не рекомендовали в любом случае.
В реальности роль эликсиров могут выполнять ноотропы, адаптогены и стимуляторы — вещества, способные заметно повысить когнитивные и физические возможности человека.
Ноотропы — это соединения, в широком смысле улучшающие работу мозга (память, внимание, скорость мышления). Обычно они стимулируют синтез нейромедиаторов или нейротрофических факторов: например, модафинил повышает уровни дофамина, норадреналина, серотонина и орексина в префронтальной коре, подавляя сонливость. Систематический обзор показал, что он улучшает исполнительные функции нервной системы и концентрацию у здоровых людей, без серьезных побочных эффектов в краткосрочной перспективе. Однако при приеме подобных препаратов все-таки возможны нежелательные эффекты, такие как головные боли, поэтому их не рекомендуют принимать долгосрочно и без наблюдения врача.
Существуют и натуральные ноотропы, например Bacopa monnieri — ползучее травянистое растение, которое содержит физиологически активные сапонины и бакозиды. Метаанализ клинических испытаний показал, что прием экстракта бакопы способствует улучшению памяти и скорости обработки информации.
Адаптогены — это природные вещества (чаще экстракты трав), повышающие неспецифическую устойчивость организма к стрессу и нагрузкам. Механизм их действия связан с модуляцией выработки гормонов стрессовой оси (снижения избыточного выброса кортизола) и активацией синтеза стабилизирующих белков. Например, адаптогены стимулируют биосинтез белков теплового шока Hsp70, которые защищают клетки от повреждений при окислительном стрессе.
Пример исследованного адаптогена — ашваганда (Withania somnifera): метаанализ девяти клинических испытаний показал, что экстракт ашваганды статистически значимо снижает уровень хронического стресса, тревожности и концентрацию кортизола в крови по сравнению с плацебо.
Стимуляторы непосредственно повышают активность центральной нервной системы, вызывая прилив энергии, учащение пульса и ускорение реакций. Самый распространенный стимулятор — кофеин. Он блокирует аденозиновые рецепторы мозга и благодаря этому делает нейроны нечувствительными к утомлению. В контролируемых испытаниях кофеин повышает бодрость, быстроту реакции и внимание, даже в условиях недостатка сна. Более мощные психостимуляторы, например метилфенидат (риталин), усиливают выброс дофамина и норадреналина. В терапии их применяют при СДВГ, но у таких средств есть серьезные побочные эффекты, скажем привыкание и головные боли.
Разумеется, ни одно вещество не обеспечит человека по-настоящему ведьмачьими способностями: их эффект ограничен физиологией. Однако накопленные научные данные подтверждают, что правильное применение ноотропов, адаптогенов и стимуляторов способно повысить когнитивную продуктивность, сопротивляемость стрессам и уровень энергии, фактически превращая их в реалистичный аналог ведьмачьих эликсиров.
В реальном мире, насколько нам известно, таинственного Сопряжения Сфер не случилось, поэтому (пока что!) нет необходимости сражаться с сотнями разновидностей опасных чудовищ и духов. Наши главные враги — это неизлечимые заболевания: раковые опухоли, повреждения нервной системы, нарушения работы сердца и сосудов.
Поэтому основная цель людей будущего — при помощи продвинутых молекулярных технологий справиться с болезнями, которые сейчас считаются неизлечимыми, и преодолеть естественные ограничения человеческого тела. Удивительно, но таких людей уже немало.
Уже более 20 лет существует клеточная терапия раковых опухолей, использующая технологию генетического редактирования, — CAR-T. Подробнее о ней мы рассказывали в материале «Химера против рака». На основе иммунных клеток пациента создается уникальная популяция цитотоксических лимфоцитов, которые несут Т-клеточный рецептор, специфически связывающийся с клетками конкретной опухоли. Это позволяет справляться даже с неоперабельными онкологическими заболеваниями и устойчивыми солидными опухолями.
Медицинские технологии получения индуцированных плюрипотентных клеток позволяют восстанавливать травмы позвоночника и возвращать способность ходить даже полностью парализованным людям. Пересадка таких клеток пациентам с болезнью Паркинсона облегчила симптомы и помогла одному участнику эксперимента из семи вернуться к самостоятельной жизни без приема лекарств.
Ведьмачьи глаза пока остаются фантастикой, но первую успешную пересадку сетчатки, выращенной из индуцированных стволовых клеток, врачи провели более десяти лет назад, в 2014 году. А сегодня эти технологии масштабируются, чтобы стать доступными всем. В 2018 году японская компания Sumitomo Dainippon Pharma завершила строительство первого в мире завода по производству плюрипотентных клеток, а в лабораториях этим уже занимаются роборуки под контролем искусственного интеллекта. За четыре месяца такая установка может создать более 800 индивидуальных плюрипотентных клеток.
Современные технологии идут дальше зелий и мутагенов из фэнтэзи: человечество создало нейроинтерфейсы, способные передавать активность мозга в виде электрических сигналов по проводам и таким образом справляться с неизлечимыми ранее травмами нервной системы. С помощью искусственного интерфейса, который, минуя поврежденный участок, передает сигналы напрямую с моторной коры парализованного человека в нижние отделы спинного мозга, пациент с хронической тетраплегией — параличом всех четырех конечностей — снова самостоятельно встает, ходит и поднимается по лестнице. Более того, после курса нейрореабилитации у него сохранялся частичный произвольный контроль даже при выключенном интерфейсе.
Подобные технологии уже применяются для создания сверхскоростного ввода текста без участия рук, напрямую силой мысли, а также создания искусственного осязания на бионических протезах рук и ног.
В реальной жизни мы вышли за границы вселенной «Ведьмака» и уже приближаемся к «Киберпанку 2077».
Как мы выяснили, сегодняшних знаний генетики, молекулярной биологии и физиологии достаточно, чтобы воспроизвести почти все способности ведьмаков. И все-таки мы не видим подобных сверхлюдей среди военных, пожарных, спасателей или спортсменов.
Способы генетической модификации и особые, «сверхэффективные» варианты генов, о которых мы рассказали в этом материале, всегда имеют свою цену. К примеру, гены, ускоряющие нервную проводимость, могут способствовать развитию эпилептоидных состояний, а гены устойчивости к ядам — увеличивать риски развития онкологических заболеваний.
Эволюция биохимических систем — многофакторный процесс, на который мы мало можем влиять. Поэтому пока главное — сохранить важнейшую суперспособность из всех: адаптироваться к самым суровым условиям и выживать, меняя окружающую среду под себя. А еще — читать крутейшие книги.
Реклама: ООО "ЯНДЕКС МУЗЫКА", ИНН 9705121040, erid: 2W5zFGhcA7A