Dlaczego mamuty nigdy nie wrócą

W tym tygodniu pismo naukowe Current Biology opublikowało pracę opisującą sekwencję genomu mamuta włochatego [1]. Badacze ze Szwedzkiego Muzeum Historii Naturalnej oraz amerykańskiego Uniwersytetu Harvarda przeanalizowali szczątki dwóch mamutów, które dzieliło 40 tysięcy lat. Jeden z nich zmarł około 4,300 lat temu, drugo – blisko 45 tysięcy lat temu. Naukowcom udało się zrekonstruować wysokiej jakości sekwencje genomowe obu osobników.

Z sekwencji tych dowiedzieć się możemy dość sporo o życiu mamutów, a co więcej – o prawdopodobnych przyczynach ich wymarcia. U młodszego osobnika (młodszego historycznie, bo bardzo wątpię, aby dało się ustalić biologiczny wiek obu zwierząt na podstawie antycznych próbek) badacze zaobserwowali bowiem bardzo niski stopień „heterozygotyczności”. Co to znaczy?

Zwierzęta są diploidalne; oznacza to, że w każdej komórce znajdują się po dwie kopie każdego genu (z wyjątkami, którymi jednak nie zaprzątajmy sobie głowy). Jeśli kopie są identyczne, w kontekście tego genu zwierzę jest homozygotą. Jeśli różne – heterozygotą. Wysoki stopień heterozygotyczności oznacza, że większość genów posiada kopie różniące się odrobinę od siebie. I jest to zjawisko pożądane: oznacza bowiem na przykład, że nawet jeśli jedna kopia jest nieco wadliwa, że jeśli jedna kopia czyni zwierzęta bardziej podatne na jakieś choroby lub wpływa na ich dostosowanie do środowiska w jakiś inny negatywny sposób, w całej populacji zawsze istnieją inne kopie, które niwelują – w skali tejże populacji – negatywny efekt.

W populacjach, których liczebność zmniejsza się, często dochodzić jednak może do eliminacji kopii o pozytywnym efekcie. Coraz więcej osobników rodzi się na skutek chowu wsobnego, posiadając dwie identyczne kopie coraz większej liczby genów. Jeśli wpływ kopii ma korzystny efekt na populację, to jest to raczej gra o sumie zerowej. Jeśli jednak kopia ma efekt negatywny, to w bardzo krótkim okresie może daną populację doprowadzić na skraj wymarcia.

Czyli: różnorodność genetyczna jest zjawiskiem pożądanym. A wysoki stopień homozygotyczności (czyli niska różnorodność), nawet jeśli nie jest główną przyczyną zmniejszania się liczebności danej populacji – tą może być na przykład zmiana klimatu, pojawienie się drapieżnika, przed którym zwierzęta nie potrafią się bronić, obecnośc pasożyta – to z pewnością może z łatwością stać się ostatnim gwoździem do trumny.

Tyle zatem o mamutach. Sama publikacja jednak rozpala wyobraźnię nie tylko naukowców, ale przede wszystkim opinii publicznej, ponieważ pozwala nam spekulować na temat tego, czy w ogóle, i że coraz bardziej możliwe jest przywrócenie mamutów do życia. Ten fenomen po polsku nazywany jest wskrzeszeniem gatunku (osobiście bardzo tej frazy nie lubię i bardziej wolę już stosowanie kalki językowej z angielskiego i mówienie o de-ekstynkcji). I chociaż od opisania sekwencji genomu do wskrzeszenia gatunku droga jest daleka – a nie do końca wiadomo nawet czy możliwa – to jednak media już dopytują się, kiedy po Ziemi znów wędrować będą mamuty.

Washington Post ogłosił, że jesteśmy o krok bliżej do wskrzeszenia mamutów, w polskich mediach TVP Info pyta, czy mamuty wrócą na Ziemię i dodaje, że jest to coraz bardziej realne, zaś w Gazecie Wyborczej Margit Kossobudzka pisze, że uczeni chcą wskrzesić mamuta. Tutaj chciałem zatem wyjaśnić kilka spraw dotyczących potencjalnego wskrzeszania gatunków, a także wytłumaczyć, dlaczego prawdziwych mamutów tak jak nie ma, tak nigdy już nie będzie [2]. Z góry przepraszam wszystkich fanów Jurassic Park – wiem, że łamię Wam serca, ale wszystko to w imię nauki.

źródło: Flickr; Riccardo Cuppini (CC BY-NC-ND)

Zacznijmy od wyobrażenia sobie, jak mogłoby wyglądać wskrzeszenie chociaż jednego osobnika wymarłego gatunku. W końcu opisanie sekwencji genomu to jedno, ale stworzenie żywej komórki zawierającej taki genom – komórki, która w dodatku rozwinąć może się w żywy organizm – to zupełnie inna para kaloszy.

Jedynym sposobem na uzyskanie takiego zwierzęcia, w którym 100% jądrowego DNA pochodziłoby od wymarłego gatunku, jest transfer jądrowy komórki somatycznej. Jest to ta sama metoda, dzięki której stworzono owieczkę Dolly. Z komórki jajowej przybranej matki usuwa się jądro i zastępuje je jądrem komórki somatycznej. Następnie tak zmodyfikowaną komórkę transplantuje się w łonie matki surogatki.

Innej metody obecnie nie znamy. Wiąże się z nią jednak kilka problemów. Po pierwsze, zarówno komórka jajowa, której jądra podmieniamy, jak i matka surogatka, w której łonie rozwijać ma się zarodek wskrzeszanego zwierzęcia, muszą być ewolucyjnie dość blisko spokrewnione z gatunkiem wymarłym. W przypadku zwierząt, które wymarły niedawno, istnieje duża szansa, że wciąż istnieją populacje ich nieodległych kuzynów. Najbliższym jednak kuzynem mamuta jest słoń azjatycki (indyjski). Dzieli je, bagatela, blisko 10 milionów lat ewolucji (mamuta i słonia afrykańskiego dzieli niemal 20 milionów). To już na starcie może doprowadzić do sporych problemów.

Kolejnym aspektem, który warto rozważyć, jest to, jak fizycznie i fizjologicznie podobne są wskrzeszany gatunek i gatunek matki surogatki. W przypadku mamutów surogatką musiałaby być słonica azjatycka. Jeśli matka surogatka jest mniejsza niż samice mamuta, może się okazać, że ciąża będzie dla niej – oraz dla dziecka – olbrzymim zagrożeniem. Nie wiemy także, czy ciąża mamucia trwa tyle samo czasu, co ciąża słoni.

Największą przeszkodą w zastosowaniu transferu jądra komórki somatycznej jest kwestia znacznie bardziej przyziemna. Ponieważ nie potrafimy jeszcze zsyntetyzować pełnej nici jądrowego DNA (i taka technologia jest odległa o lata świetlne i dużo, bardzo dużo pieniędzy), jedyną możliwością, jaka nam pozostaje, jest wykorzystanie jądra pochodzącego z komórek uzyskanych z zamarzniętych mamucich zwłok. Tę opcję badacze testują już jednak od wielu lat i jak na razie nie wygląda na to, aby taki transfer był możliwy, jeśli jądro nie pochodzi z żywej komórki. A jeśli jest coś, czego w przypadku mamutów nie mamy, to są to właśnie żywe komórki.

Nawet gdybyśmy jednak potrafili pokonać wszystkie te przeszkody, gdyby nawet udało nam się uzyskać jedno mamuciątko, zadać musimy sobie pytanie: co dalej? Wskrzeszenie jednego zwierzęcia nie oznacza jeszcze wskrzeszenia gatunku. Nawet wskrzeszenie całego stada nie oznacza wskrzeszenia gatunku. Gdzie takie stado miałoby żyć? Czy zwierzęta znalazłyby swoje miejsce w zupełnie odmienionym ekosystemie? Przecież nawet, gdybyśmy spróbowali takie stado wprowadzić z powrotem do środowiska, w którym istniały poprzednio (to środowisko, tzw. mamucia tundra, już, nawiasem mówiąc, nie istnieje), jakież mamy gwarancje, że byłyby w stanie odtworzyć relacje z istniejącą w tym ekosystemie obecnie florą i fauną?

Wielu badaczy ma do wskrzeszania gatunków podejście jednak całkiem odmienne (Beth Shapiro należy do tej właśnie grupy). Zdają sobie bowiem sprawę, że wskrzeszenie gatunku jest nie tylko niemal niemożliwe, ale do tego jest też często całkowicie bezsensowne. Znacznie więcej sensu miałoby za to zrozumienie, które geny wymarłego gatunku odpowiadały za cechy zapewniające okreśone adaptacje do środowiska. Efektem których mamucich genów było ich długie i gęsto owłosienie? Które genu odpowiadały za ich dostosowanie do niskich temperatur.

O ile bowiem przywrócenie do życia całego zwierzęcia jest niezwykle trudne, o tyle niewielka zmiana w genach współczesnych gatunków – za pomocą wspominanych na blogu ostatnio bardzo często metod redagowania genomu – jest już znacznie łatwiejsze (co wciąż nie oznacza, że łatwe – a jedynie że w zakresie naszych nieodległych możliwości).

Jak tego zatem dokonać? Po pierwsze, potrzebne nam są sekwencje genomowe mamutów oraz ich najbliższych krewnych. Te, dzięki prace w Current Biology, ale także i kilku innym publikacjom, już mamy. Porównując te sekwencje znajdziemy różnice pomiędzy tymi gatunkami. Następnie musimy zidentyfikować te różnice, które mają znaczenie, przetestować je w liniach komórkowych, być może też w jakichś zwierzętach laboratoryjnych, zanim zaczniemy próbować stworzyć słonia ze zmodyfikowanym, „mamucim” genem. Takie badania prowadzi bardzo aktywnie na przykład grupa George’a Churcha na Harvardzie – ci badacze mają niesamowitą przewagę nad innymi naukowcami, gdyż są jednymi z pionierów, jeśli chodzi i zastosowanie technik redagowania genomu.

Kiedy możemy oczekiwać pierwszych wyników? Chociaż oficjalnie nie ma jeszcze w literaturze żadnej pracy na ten temat, na mój nos ta sytuacja nie potrwa długo. Na serwerze biologicznych preprintów (nierecenzowanych prac naukowych, które z czasem mogą zostać opublikowane) pojawiła się w tym tygodniu praca opisująca sekwencje genomowe dwóch włochatych mamutów oraz trzech słoni azjatyckich. Autorzy tej pracy odkryli różnice pomiędzy gatunkami w genie TRPV3. Gen ten koduje białko, które bierze udział w odczuwaniu temperatury, a także regulacji układu krwionośnego.

Badacze odtworzyli mamucią wersję tego genu i sprawdzili jej działanie w komórkach słonich, potwierdzając, że gen jest funkcjonalny. To potwierdzenie to pierwszy krok do wskrzeszenia tego konkretnego genu u słoni. Skutkiem może być słoń, który w skrajnie małym ułamku procenta jest mamutem. Ten maleńki ułamek może być jednak wystarczający, aby dostosować słonia do tundryjskiego klimatu. Chociaż zatem szansa na to, że po tundrze buszować będą mamuty, jest niezwykle mała, szansa na to, że kiedyś doczekamy się tam powrotu dużych ssaków, jest już znacznie większa.

Przypisy:

1. Palkopoulou, E., Mallick, S., Skoglund, P., Enk, J., Rohland, N., Li, H., Omrak, A., Vartanyan, S., Poinar, H., Götherström, A., Reich, D., & Dalén, L. (2015). Complete Genomes Reveal Signatures of Demographic and Genetic Declines in the Woolly Mammoth Current Biology DOI: 10.1016/j.cub.2015.04.007

2. Tu pragnę podkreślić, że szkieletem tego argumentu jest znakomita książka profesor Beth Shapiro „Jak sklonować mamuta”. Czy też raczej powinienem może powiedzieć, że ten wpis jest szkieletem – pełne danie znajdziecie w tejże publikacji (prosto z drukarskiej prasy, książka na półki trafiła zaledwie kilka tygodni temu).