Пройдут годы, прежде чем NASA будет готова отправиться на Марс. Однако, если изменение климата на Земле не прекратится, возможно, технологии красной планеты сами придут к нам.

Как будет выглядеть сельское хозяйство на Марсе? Представьте: все выращивается в теплицах под землей, где огромные параболические зеркала собирают слабые солнечные лучи и направляют их по оптоволоконным кабелям. Растения дают людям не только пищу, но и влагу. Мы все станем вегетарианцами, поскольку выращивать животных в таких условиях будет слишком дорого. И, что самое важное, растения будут поставлять нам кислород. 

Таково видение Брюса Багби, исследователя из Университета штата Юта. Так он представляет свой проект, который разрабатывал, тестировал и корректировал на протяжении многих лет работы в качестве инженера в NASA. «Мы стоим на пороге рождения новой цивилизации», — утверждает он.

Отправляющиеся на Марс астронавты могут съесть все замороженные запасы пищи на корабле. Однако, если люди собираются выжить на этой планете, им понадобятся растения, которые будут производить кислород. Для этого сгодится далеко не любая культура, способная к фотосинтезу: здесь очень сложный климат, который создает множество трудностей для фермеров. Зерновые культуры должны быть в состоянии обильно расти на небольшом участке земли, сохранять содержащиеся в них питательные вещества и по-прежнему иметь приятный вкус. Теплицам для них должны быть не страшны падениям метеоритов размером с баскетбольный мяч. Технология выращивания растений на Марсе потребует огромных энергетических затрат. Кроме того, это будет нелегкая задача по переработке отходов, поскольку астронавты не смогут упаковать всю воду и еду, которые понадобятся им на протяжении космического полета продолжительностью в 2,5 года. 

Багби и его коллеги работали над всеми этими проблемами несколько десятилетий в кажущейся фантастической попытке поддержать жизнь на поверхности Марса (а параллельно и на космических шаттлах). Еще в самом начале работы исследователи из NASA исключили из числа возможных вариантов некоторые из простейших растений, которые можно выращивать в помещении, например, водоросли: по словам Багби, они не обладают достаточной устойчивостью к окружающей среде. Пришлось отказаться и от очень высоких зерновых культур, — кукурузы и тростникового сахара — поскольку они не поместились бы в теплицы. 

Чего по-настоящему хотели астронавты, так это какой-нибудь зелени. «Они считают, что текстура, вкус, цвет и запах свежей пищи — и я им верю — действительно улучшают удовольствие от еды», — отмечает физиолог растений из NASA Реймонд Уилер. 

Ученые решили присмотреться к традиционным полевым культурам: салату-латуку, помидорам и брокколи. Сейчас астронавты выращивают зелень в 400 км над поверхностью Земли на МКС в двух маленьких запечатанных теплицах. Исследователи распланировали, приспособили и замерили все — в том числе выявив, какая из разновидностей салата имеет самый приятный вкус в космосе. По словам канадского астронавта Криса Хэдфилда, из-за забитых носовых пазух астронавты «не особо способны ощущать вкус», однако ученым интересно понять, может ли космос влиять на вкусовые компоненты растения и показатели содержащихся в нем питательных веществ. Как правило, рабочие группы исследователей из расположенного в Хьюстоне Космического центра Джонсона проводят стандартизированные замеры вкуса, однако иногда им удается самим попробовать парочку листьев. 

Багби и его команда не ожидали, что технологию, созданную ими для этой грандиозной футуристичной миссии, в какой-то степени затмят люди, использующие ее для фермерства на гораздо более знакомых землях. 

В 2017 году NASA заказала разработку проекта космического фермерства, чтобы разобраться, как выращивать еду на Марсе. В то же время, они также надеялись, что благодаря исследованию будут совершены открытия, которые смогут помочь повсеместно повысить урожайность сельскохозяйственных культур. Проблемы, с которыми придется столкнуться будущим космическим фермерам, во многом схожи с затруднениями, омрачающими сельское хозяйство на Земле сегодня в условиях изменений климата, включая сокращение запасов воды и оскудение почвы. Сейчас исследователи в Юте и трех калифорнийских университетах, партнеры NASA по Центру по использованию биологической инженерии в космосе, работают над проектами, которые могут помочь поддерживать жизнь не только на Марсе, но и на Земле. 

«Думаю, причина, по которой NASA финансирует нашу работу, состоит в восхищении перспективой получить возможность выращивать собственную еду в закрытой системе, — поясняет Багби. — Например, если с атмосферой что-то случится и нам придется возвести большой купол, укрыться под ним и жить внутри него».

В 1988 году Уилер сконструировал в принадлежащем NASA Космическом центре имени Кеннеди свою первую рабочую вертикальную ферму, в которой растения росли на полках теплицы или резервуара для хранения. Ферма Уилера была почти 8 м в высоту и была оборудована гидропонной установкой для выращивания растений в воде, а также натриевыми лампами высокого давления, которые обычно используют для уличного освещения. В совокупности вся ферма занимала 20 м², что почти в 90 тысяч раз меньше, чем одна обычная ферма на территории США. Согласно вычислениям Уилера, на 50 м² можно было бы получать достаточно еды и кислорода и ликвидировать достаточно углекислого газа, чтобы обеспечить жизнь одного человека в космосе. (Впрочем, астронавты не будут пользоваться натриевыми лампами: спустя несколько лет после появления фермы Уилера другая группа финансируемых NASA исследователей запатентовала еще одну важную технологию для выращивания сельскохозяйственных культур в помещениях — светодиоды, которым требуется намного меньше электричества; теперь их используют для освещения большинства теплиц.) 

Уилер стремился оптимизировать участок внутри камеры космического шаттла NASA и казалось, что лучший вариант — это движение вверх. «Одна из вещей, о которых приходится заботиться в космосе — это эффективное использование доступного объема, — поясняет он. — Вы ограничены в высоте и пространстве». Команде исследователей пришлось выбрать более короткие культуры: пшеницу, соевые бобы, картофель, салат-латук и помидоры. 

В космосе ресурсы весьма ограничены: ученым NASA приходится извлекать и повторно использовать питательные вещества из неиспользованных растений и человеческих отходов; они собирают конденсат, скапливающийся в закрытых камерах. Здесь, на Земле, вода тоже постепенно становится все более ценной. Из-за изменений климата участятся суровые засухи, которые будут уничтожать урожаи сельскохозяйственных культур и поставят на грань исчезновения некоторые из основных культур, например, кукурузу и соевые бобы. С каждым днем Земля становится все пустыннее — и все больше начинает напоминать Марс. 

Когда Уилер начал разработку своего проекта, термин «вертикальное фермерство» еще не появился. На сегодняшний день речь идет об оцениваемой в $10 млрд индустрии, вызывающей интерес от компаний из Кремниевой долины и стартапов по всему миру. Приверженцы технологии верят, что однажды она полностью заменит традиционное сельское хозяйство, благодаря чему люди смогут выращивать злаки круглогодично в помещении, в безопасности от засух, потопов и последствий изменений климата. «Люди воображают, что мы будем выращивать все в небоскребах посреди Манхэттена, — поясняет Багби. — Это дико популярная идея». 

Соня Ло, исполнительный директор «Crop One Holdings», крупнейшей в мире компании, занимающейся разработкой проектов вертикального фермерства, считает, что оно может «обезопасить сельское хозяйство от изменений климата и географических ограничений». 

В прошлом ноябре «Crop One» анонсировала строительство самой большой в мире вертикальной фермы в Дубае. Речь идет о пятиэтажной теплице в 130 тыс. м², в которой можно было бы выращивать три тонны зелени в день. В ее просторных запечатанных помещениях круглый год растут свекла, руккола и другие культуры. «Я попросила всю команду управляющих раздавать в супермаркете образцы растений, которые мы выращиваем, в разгар бостонской зимы», — поясняет Ло. 

Вскоре попробовать их смогут люди во всех штатах. «Crop One» ведет строительство новых ферм на северо-востоке и северо-западе страны, а также в Калифорнии. Выращиваемая компанией еда будет продаваться под ее собственным брендом «FreshBox Farms».

Хотя исследователи очень быстро раскритиковали связанные с вертикальным фермерством обещания как чересчур популистские, даже наиболее активные оппоненты индустрии признают, что этот подход отражает многие трудности, которые встречаются в традиционном сельском хозяйстве. Поскольку вертикальные фермы располагаются в компактных складских помещениях, они часто находятся намного ближе к рынку, чем, допустим, «кукурузный пояс» — к городу. За счет этого производители могут сократить масштаб пищевых отходов и сэкономить на транспортных расходах, которые вносят существенный вклад в выброс парниковых газов. Салат-латук выращивают в контролируемой среде без вредителей и патогенных микроорганизмов, что означает, что фермеры могут выращивать пищу, не прибегая к пестицидам и гербицидам, причиняющим значительный вред окружающей среде и здоровью людей. Последователи вертикального фермерства также могут перерабатывать питательные вещества, как астронавты в космосе, что предотвращает слив фосфора или нитроглицерина в водные артерии Земли и наносит существенный ущерб цветению водорослей. Предназначенные для помещений системы выращивания сельскохозяйственных культур могут быть очень продуктивны: при соблюдении всех условий исследователям удалось в шесть раз превзойти рекордные показатели урожая. 

По словам Ло, вертикальная ферма, на которой используется 100% возобновляемых источников энергии, производит десятую часть от выбросов углерода обычной фермы. Однако достичь этой цели удалось лишь немногим компаниям; большинство из них все еще на пути к комбинации возобновляемых и невозобновляемых источников энергии для освещения в своих теплицах. Чтобы сгенерировать столько солнечной энергии, нужно много земли. По оценкам Багби, чтобы обеспечить освещение 4 гектаров фермы, понадобится покрыть солнечными батареями около 20 гектаров земной поверхности. Именно поэтому многие решили использовать ископаемое топливо, таким образом отказавшись от одной из наиболее многообещающих перспектив вертикального фермерства. «На эту разновидность фермерства уходит много ископаемого топлива, так что с точки зрения воздействия на окружающую среду это настоящая катастрофа, — говорит Багби. — Эти люди воспользовались многими из принципов, которые мы разработали в NASA».

Проект, которым Багби занимается сейчас, помог бы решить все эти проблемы. В лаборатории в Университете штата Юта он экспериментирует со светодиодами и оптоволокном, чтобы выращивать растения под различными типами света с разным соотношением цветов — ультрафиолет, синий, зеленый, красный, дальний красный (недоступный человеческому зрению) — и воздействовать как на процесс фотосинтеза, так и на форму растений. Цель проекта — найти «наиболее эффективную из всех возможных систем». Сейчас технология стоит слишком много: освещение одного здания требует миллионы долларов. Однако он считает, что со временем оптоволокно сможет полностью заменить электрическое освещение. 

Однако с вертикальным фермерством связаны и другие опасения: вместо того, чтобы помогать в колонизации космоса, — как изначально было задумано — вертикальные фермы могут захватить рынок недвижимости во времена чрезвычайно высоких цен на жилье. В некоторых странах и некоторых сферах это уже произошло: последние десять лет на территории Японии успешно функционируют заводы по производству растений. Развивающаяся индустрия по выращиванию каннабиса уже начала увеличивать масштабы производства в помещении, вследствие чего ожидается дополнительный рост ее доходности. 

По словам Ло, скоро выращенная в помещении зелень будет стоить столько же, сколько и культуры с полей. «Выращенная в полях еда продолжит расти в цене, и, разумеется, продолжается изменение климата, — объясняет она. — С точки зрения стоимости вертикальное фермерство очень скоро станет конкурентоспособным». 

Другие настроены более скептически: «Смогут ли вертикальные фермы заменить традиционное земледелие с экономической точки зрения? Ответа все еще нет, поскольку им по-прежнему приходится конкурировать с традиционным сельским хозяйством, — говорит Уилер. — Сколько они платят за электричество? За труд? Устойчиво ли производство? Сейчас все это похоже на эксперимент». 

Пусть даже технология выращивания пищи в условиях климатических изменений является побочным продуктом исследований NASA, но она помогает агентству финансировать свои проекты в космосе. В ответ на критику сомневающихся, стоит ли разбираться в фермерстве на Марсе для проведения миссии, которая может и не состояться, можно упомянуть вертикальные фермы в Бостоне или Сиэтле, которые уже сейчас применяют многие из инноваций NASA. 

Однако Багби полагает, что земные инициативы могут оказаться столь же футуристичными (или ошибочными), как и проекты, предназначенные для космоса. «Люди, которые этим занимаются, говорят, что так они спасут планету… Но для этого им понадобится много ископаемого топлива, — отмечает он. — Вам будут пытаться скормить множество прекрасных сказок о нем — что оно бережет воду и помогает экономить на удобрениях». 

Багби не вполне устраивает, что разработанный им проект используют для продвижения индустрии, в которую вкладываются миллиарды долларов предпринимательского капитала. «Я занимаюсь этим не для того, чтобы сделать технологию более применимой для Земли. Нас все время просят о каких-то отступлениях от основного проекта: Не могли бы вы сделать то, не могли бы вы сделать это». 

Может, мы никогда и не попадем на Марс. До того, как NASA будет готова к миссии на Красную планету, пройдут годы, и еще больше — до того, как Багби удастся построить свои теплицы, надежно защищенные от метеоритов. Однако, если Земля продолжит двигаться тем же разрушительным курсом, Марс может сам прийти к нам. 

По материалам Pacific Standard
Автор: Эмили Мун

Переводила: Влада Ольшанская
Редактировала: Анастасия Железнякова

Ученые изучают людей с синдромом Вильямса, чтобы понять биологическую основу нашего социального поведения.

Общение — одна из тех вещей, что делает нас людьми. Наше социальное поведение определяется благодаря сложному сочетанию наследственности, эпигенетики и таких внешних факторов, как место, где прошло наше детство или то, насколько оно было счастливым.

Синдром Вильямса — это генетическое нарушение, которое приводит к отклонению от нормы социального поведения. Люди с этим синдромом обладают развитой эмпатией, чрезвычайно общительны и дружелюбны даже по отношению к незнакомцам, особенно в детском возрасте — нередко такое поведение ведет к опасным ситуациям. Синдром Вильямса встречается у одного из 20 000 новорожденных и является результатом делеции 26-28 генов. В последние годы ученые активно изучают синдром Вильямса, чтобы понять, как отсутствие определенных генов влияет на социальное поведение людей.

Чтобы выяснить, какую функцию выполняют определенные гены и как на организме сказываются их мутации, нейробиологи часто проводят генетические эксперименты на мышах. Однако в данном случае нокаут одиночных генов у мышей не дал результатов. Это во многом связано с тем, что мутации в отдельных генах не дают полного понимания всей картины генетических изменений, которые вызывают особенности поведения, присущие людям с синдромом Вильямса. Представьте себе, что Королевский филармонический оркестр исполняет Четвертую симфонию Чайковского. Если симфонию будут исполнять без струнных — вам покажется, что она звучит как-то непривычно. Если ту же самую симфонию исполнить без фортепиано и духовых — двух важнейших ее составляющих — она изменится до неузнаваемости.

Обычно я изучаю болезни, вызванные мутацией только в одном гене. Именно поэтому исследование о том, как 26-28 генов, взаимодействуя с факторами окружающей среды, влияют на социальное поведение, представляется мне намного более сложной задачей.

Сначала были выявлены первые 25 генов, вызывающих синдром Вильямса. Спустя несколько лет, в 2009 году, группа ученых провела серию экспериментов на мышах, с целью выяснить функции отдельных генов в формировании заболевания. Для этого были выведены три особи: у одной из мышей не было всех 25 генов, отвечающих за синдром Вильямса, у других отсутствовала лишь часть из них на одной из хромосом — у каждой своя.

У всех трех мышей в разной степени наблюдались повышенная общительность и другие проявления, характерные для синдрома Вильямса у людей.

Чтобы определить, как две группы генов влияют на социальную раскрепощенность, на этих мышах проводили множество тестов на социальное взаимодействие. Например, ученые ставили между клетками прозрачную пластиковую стенку с отверстиями, после чего наблюдали за поведением мышей и их уровнем интереса к новой или знакомой особи в соседней клетки. Все три мыши проводили значительно больше времени с незнакомыми особями, чем обычные мыши.

Таким образом, можно сделать предположение, что формирование такого поведения вызвано сразу несколькими из этих 25 генов. Также ученые провели еще один эксперимент, в ходе которого двух мышей помещали в узкую трубу, чтобы выяснить, какая из них более склонна к доминантному поведению — особь рангом ниже разворачивается и уступает дорогу доминантной. В данном случае мыши с полной делецией и первым вариантом частичной делеции зачастую уступали нормальным особям.

Исследования на мышах — очень полезный способ узнать, на что влияют нарушения в одном или нескольких генах. Тем не менее мыши генетически отличаются от нас, поэтому эксперименты на них не дают полного представления о генетике человека. Ситуацию усугубляет генетическое разнообразие среди людей.

Также влияние генов на социальное поведение можно изучать с помощью стволовых клеток, полученных от пациентов с шизофренией и другими сложными заболеваниями, связанными с развитием нервной системы. Клетки, полученные от пациентов, можно изучать в лабораторных условиях, вырастив с их помощью двухмерные и трехмерные клеточные структуры. Модели стволовых клеток, полученных от пациентов, позволяют ученым исследовать не похожие, как в случае с мышами, а идентичные человеческим проявления генов на клеточном уровне.

Для изучения синдрома Вильямса из стволовых клеток пациентов выращивают клетки мозга. За последние годы этой методикой воспользовались несколько научных коллективов, результаты их исследований опубликованы в журнале Nature.

Объектом изучения не раз становились функции гена GTF2I. Этот ген кодирует одноименный фактор транскрипции — белок,контролирующий перенос генетической информации с ДНК на РНК. Как выяснилось, белок GTF2I играет ключевую роль в регуляции генов, расположенных на участке, который подвержен делеции, наблюдаемой при заболевании.

Ученые проследили за тем, как стволовые клетки больных людей развиваются в специализированные клетки организма. В частности, использовались предшественницы клеток конечного мозга — центра высшей нервной деятельности, а также стволовые клетки нервного гребня, из которого формируются черепно-лицевые структуры. В этих клетках, согласно выводам ученых, белок GTF2I плохо справляется со своей задачей. Как можно догадаться, неправильное развитие вышеназванных клеток приводит к нарушениям, характерным для синдрома Вильямса.

Этим обусловлены не только социальные аспекты заболевания, но и его физиологические проявления. У носителей синдрома ярко выраженные «эльфийские» черты лица: вздернутый нос, высокие скулы, широкий рот и острый подбородок. Некоторые исследователи фольклора даже допускают, что прототипами ряда литературных персонажей (среди них эльф Пак из пьесы «Сон в летнюю ночь») могли быть люди с синдромом Вильямса.

Причины заболевания в целом ясны, осталось понять, как они помогут нам разобраться в социальном поведении людей в целом. Изучая синдром, ученые установили, какие гены отвечают за конкретные его проявления. В дальнейшем можно будет отследить влияние этих генов на поведение здорового человека.

Напомню, что различия в аналогичных участках ДНК у разных людей естественны и не всегда приводят к заболеваниям. В результате замены, удаления (делеции) и вставки (инсерции) одного или нескольких нуклеотидов — кирпичиков, из которых состоит ДНК, у генов могут появляться варианты. А разные варианты одного и того же гена могут по-разному отразиться на поведении. Здесь-то и пригодятся исследования синдрома Вильямса.

«СОЦИАЛЬНЫЕ» ГЕНЫ

Среди генов, влияющих на социальное поведение, обнаружился уже знакомый нам ген GTF2I.У него есть два распространенных варианта, которые наблюдаются у людей с пониженной тревожностью, а также у женщин, демонстрирующих высокую «сердечность» (это один из аспектов экстраверсии согласно пятифакторной модели личности). Ученые нашли этому функциональное обоснование: эти варианты гена также связаны с пониженной активностью миндалевидного тела — области мозга, которая задействуется при испуге.

Синдром Вильямса пролил свет и на социальное поведение у других видов. Как, по-вашему, почему при виде человека собака так и норовит облизать ему нос, в то время как волк чуть что — сразу кусать за бочок?

Недавняя работа, посвященная наличию у собак генетической предрасположенности к одомашниванию, заставляет по-новому взглянуть на выражение «собака — лучший друг человека». В ней говорится, что для этих братьев наших меньших характерно отсутствие того же участка ДНК, что и у людей с синдромом Вильямса. Авторы утверждают, что именно гиперобщительность — ключевая характеристика синдрома — отличает собак от волков и является необходимым условием одомашнивания.

Ученым даже удалось выявить структурные варианты генов GTF2I и GTF2IRD1, которые, по их мнению, частично отвечают за исключительную дружелюбность собак. Особо отмечается тот факт, что эти гены, а вместе с ними и особая привязанность собаки к человеку, сохранились благодаря проводимой людьми селекции.

На свете много редких заболеваний, которые остаются без должного внимания. Не понимая, откуда эти болезни берутся, очень сложно сопереживать людям, которые вынуждены с ними жить. Остается надеяться, что, вдохновившись открытиями, которые позволил сделать синдром Вильямса, мы начнем изучать другие редкие и загадочные заболевания и узнаем, что они смогут рассказать нам о нас самих.

Оригинал: Pacific Standard Magazine.
Автор: Йеванде Пирс, исследователь из LA BioMed.

Переводили: Вероника Чупрова и Александр Иванков.
Редактировал: Илья Силаев.