Доцент ETH Кара Маньябоско в поиске истоков органической жизни
Вообще-то она хотела профессионально играть в футбол. Но затем взяло верх ее природное любопытство и Кара Маньябоско (Cara Magnabosco) решила посвятить себя научным исследованиям. Сегодня она доцент швейцарской Высшей технической школы Цюриха (ETH), пытающаяся добраться до истоков органической жизни, которые находятся, как оказалось, в том числе и глубоко в земной коре.
Если спускаться с горного перевала Нуфенен (Nufenenpass) из кантона Вале в сторону кантона Тичино, то можно почти неизбежно оказаться рядом с одним очень интересным местом под названием Finestra di Bedretto — «Окно Бедретто». Оказаться — но не заметить, потому что вырубленный в скале портал выглядит весьма неприметно. А между тем история, связанная с этой достопримечательностью, достойна того, чтобы о ней узнали как можно больше людей.
Изначально эта штольня была прорублена в качестве служебного подъезда к 15-километровому базисному скоростному железнодорожному тоннелю Фурка, по которому, помимо прочего, курсируют специальные поезда, перевозящие на платформах легковые автомобили вместе с пассажирами. Сегодня, как и в прошлом, это важнейшая транспортная артерия, соединяющая Юг и Север Европы. И вот как раз там, на глубине 1 500 метров, Кара Маньябоско и намерена в буквальном смысле докопаться до истоков жизни во Вселенной. Для этого она приезжает в Тичино примерно раз в два месяца.
Ей 33 года, но внешне эта ученая-геобиолог выглядит как типичный дорожный рабочий: на ней оранжевый комбинезон со светоотражающими полосками, защитный шлем, автономный изолирующий регенеративный респиратор на тяжелом плечевом ремне. Этот автономный дыхательный аппарат с закрытым контуром позволит ей в случае возникновения экстренной ситуации эвакуироваться из тоннеля Finestra di Bedretto, в конце которого расположена BedrettoLab – подземная научная лаборатория Высшей технической школы Цюриха. В тоннеле сыро и прохладно. Внутри он не отштукатурен, стены и потолок выложены темным камнем, пол неровный. Благодаря хорошей вентиляции тут на удивление нет характерного затхлого запаха. В тот майский понедельник в тоннеле тихо, лишь где-то вдали разлетаются искры — рабочие что-то сваривают. И вот здесь должны быть истоки жизни? Пока мы видим вокруг лишь горную породу да воду.
Образцы из подземелья
Так или иначе, но тут, имея у себя над головой около полутора километров горной породы, Кара Маньябоско изучает древнейшие на нашей планете следы самых первых форм органической жизни. Научно-технический прогресс в ее лице не только «опустился на глубины», но и сидит часами в затемненной лаборатории, приникнув к микроскопу или же занимаясь систематизацией уже имеющихся образцов горной породы. Но сперва она сцеживает воду из водяного крана, вмонтированного в стенке тоннеля там, где находится древняя водяная жила.
>> Мы побывали с Карой Маньябоско глубоко под землей и в лабораториях Высшей технической школы Цюриха.
Эта вода тысячелетия подряд путешествовала по горным глубинам, ее анализ выглядит в глазах исследовательницы более чем многообещающе. Затем при помощи пластиковой пробирки она собирает с влажных стен тоннеля «Окно Бедретто» образцы микрофауны. «В одном таком образце могут находиться тысячи микроорганизмов, которые никогда еще не видели дневного света», — рассказывает К. Маньябоско. «Для ученых тут создалась невероятно перспективная биосреда, ведь такие первобытные формы жизни были тысячелетиями изолированы от всех процессов, происходивших на поверхности. Именно это и делает эту среду столь интересной как раз в плане поисков причин и истоков происхождения органической жизни во Вселенной».
Впервые с Карой Маньябоско я встретился два месяца назад в ее офисе на территории Департамента наук о земле и окружающей среде швейцарской Высшей технической школы Цюриха. Из украшенной картонной коробки она тогда со всей осторожностью достала и показала мне камень охряного цвета, привезенный с гор Омана, — награду, которую она получила еще как подающая надежды молодая ученая. «Если я помещу этот камень в воду, то мы получим все важнейшие базовые составляющие (вода и горная порода), необходимые для запуска процесса, по итогам которого мы получим возникновение жизни».
Но в какой именно момент зарождается жизнь? Тут мнения ученых расходятся. Что есть жизнь? Это вопрос дефиниции. И ответ будет зависеть от того, кого вы спросите – биологов, химиков или философов. Будучи доцентом геобиологии, Кара Маньябоско исследует границу между живой и мертвой материей. «Мы хотим понять, где и при каких условиях может появиться жизнь, а где нет», — рассказывает она, в то время как мы добираемся до ее лаборатории двумя этажами выше. Там она со своими студентами изучает образцы воды, собранные в подземной лаборатории BedrettoLab.
Наука и приключения
Для дочери тайки и американца научная стезя отнюдь не была единственным карьерным вариантом. Кара выросла в США в штате Индиана вместе со старшей сестрой. Ее мать — окулист, отец работает в финансовом секторе. В детстве Кара хотела стать профессиональной футболисткой. Однако в выпускном классе школы она записалась на курс по биотехнологии — и увлеклась технологией секвенирования (определения нуклеотидной последовательности) ДНК. Позже она будет активно использовать эти технологии как во время учебы на биофаке университета, так и в своих исследованиях.
Еще в школе она вместе со своими одноклассниками прочитала книгу известного в США популяризатора науки Ричарда Престона (Richard Preston, род. 1954) The Hot Zone: A Terrifying True Story («Горячая зона: кошмарно правдивая история»), в которой автор описывает то, как ученые обнаружили и дешифровали вирус лихорадки Эбола. Удачное сочетание научной материи с приключенческой подачей вроде бы серьезной информации оказало на Кару Маньябоско огромное влияние. Так началась ее увлеченность наукой, не ослабшая и по сей день.
В команде нового исследовательского центра
Кара Маньябоско принимала участие в различных научных проектах – на норвежско-российском архипелаге Шпицберген, в Долине Смерти в США, на термальных источниках Центральной Португалии. Будучи еще аспиранткой в Принстоне (с 2011 по 2016 год) она побывала под землей на золотых приисках в Южной Африке, где шахтеры и даже грузовики доставляются с огромной скоростью на глубину и потом обратно на поверхность гигантскими лифтами. В 2019 году Кара Маньябоско написала заявление на предоставление ей постоянной должности доцента кафедры геобиологии Высшей технологической школы Цюриха в формате Tenure Track (постоянный контракт преподавателя — разновидность договора между представителем профессорско-преподавательского состава и высшим учебным заведением, предусматривающая пожизненное занятие должности).
>> В прошлом 2021 году мы встречались с основателями проекта Center for the Origin and Prevalence of Life в Высшей технологической школе Цюриха Дидье Кело и Сашей Кванцем. Интервью с ними вы найдете здесь:
Показать больше
«Жизнь во Вселенной есть, ее не может не быть»
Ответ на заявление был положительный, тем более что ее научные интересы идеально подходили для нового Центра исследований происхождения и распространения жизни (Center for the Origin and Prevalence of Life), который в сентябре 2022 года официально будет открыт в ETH. Там К. Маньябоско будет работать вместе со швейцарским нобелевским лауреатом Дидье Кело, который и возглавит этот исследовательский центр, задумывавшийся как междисциплинарный хаб, под эгидой которого будут представлены химия, биология, науки о земле, астрофизика и другие смежные дисциплины. Сама К. Маньябоско займется микробами, которые, возможно, имеют самое прямое отношение к зарождению жизни на Земле примерно два миллиарда лет назад. «Это будет настоящее детективное расследование», — говорит она.
Под защитой земной коры
Почему же Кара Маньябоско ищет истоки жизни под землей, а не, скажем, на поверхности других экзопланет, вращающихся вокруг своих звезд в пригодных для жизни зонах? Для ответа на этот вопрос мы поднимаемся на крышу Департамента наук о земле в Цюрихе и смотрим на небо. «Мы знаем, что по крайней мере в нашей Солнечной системе поверхность большинства планет не пригодна для жизни», — поясняет ученая. Но под защитой литосферы элементарные формы жизни могут быть вполне хорошо защищены от смертельных условий, царящих на поверхности.
Существование жизни где-то еще, помимо Земли? Такой сценарий К. Маньябоско считает очень даже реальным. «Основные составляющие для того, что мы считаем жизнью, вода и горные породы, вполне могут иметь место и на других планетах». И именно поэтому она возлагает такие большие надежды на телескоп «Джеймс Уэбб», орбитальную инфракрасную обсерваторию, которая недавно была запущена в космос и в начале 2022 года успешно достигла своей гало-орбиты в точке Лагранжа L2 системы Солнце — Земля в 1,5 млн км от нашей планеты.
Одна из задач телескопа состоит в обнаружении сравнительно холодных экзопланет с температурой поверхности до 300 Кельвинов (что практически равно температуре поверхности нашей Земли) и удалённых от неё на расстояние до 15 световых лет. Правда, нам следует сразу забыть об инопланетных существах, похожих на спилберговского Инопланетянина или Чужого Ридли Скотта и Х.Р. Гигера. По словам К. Маньябоско, на других планетах если мы и найдем жизнь, то скорее всего это будут какие-то микроорганизмы, а на примере Земли мы знаем, что под землей таких организмов обитает куда больше, нежели на поверхности литосферы или в мировом океане.
Меж тем мы постепенно добрались до подземной лаборатории в тоннеле «Окно Бедретто». Это не отдельное помещение, а просто чуть более широкий участок штольни. По бокам стоят столы с измерительными приборами и компьютерами, в большую скважину с водой уходят несколько труб толщиной с кулак.
К. Маньябоско проверяет на мониторе какие-то параметры. Вообще-то почти все необходимые для исследований показатели можно контролировать и из Цюриха. «Но мы же не можем дистанционно открывать или закрывать скважины и брать оттуда пробы», – возражает ученая. Для этого раз в два месяца она и отправляется в Тичино.
Как выглядит жизнь?
Занимаясь поиском жизни в космосе и на Земле следует полностью отказаться от привычных представлений о том, как такие жизненные формы могли бы выглядеть. Например, разве возможна жизнь в кипящей воде? Но оказывается, что существуют микробы, которые способны жить и размножаться даже при еще более высоких температурах. В 1966 году знаменитый американский микробиолог Томас Дейл Брок (Thomas Brock, 1926-2021) обнаружил в горячем источнике Йеллоустонского национального парка грамотрицательную палочковидную экстремально термофильную бактерию рода Thermus, которая способна выживать при температурах даже выше точки кипения воды.
Кстати, благодаря этому открытию был разработан химический процесс, лежащий в основе ПЦР-тестирования на коронавирус. Томасом Броком К. Маньябоско восхищалась, еще будучи студенткой, он стал для нее образцом для подражания, в том числе и потому, что этот ученый охотно общался с публикой и всегда активно обменивался опытом с исследователями, работавшими в совершенно иных областях. Поэтому-то междисциплинарные методы работы и находятся сегодня в центре научной методологии самой К. Маньябоско. Саша Кванц (Sascha Quanz), немецко-швейцарский астрофизик и один из основателей Центра происхождения и распространения жизни, говорит, что он будет только рад поработать с ученой, специализирующейся на совсем иных вопросах.
Под микроскопом
После секвенирования ДНК, произведенного в автоматизированном капиллярном секвенсоре в лаборатории в Цюрихе, К. Маньябоско показывает мне небольшую пластиковую бутылочку с образцом воды из туннеля. В одном миллилитре такой воды могут находиться сотни, а то и десятки тысяч микробных клеток. Исследовательница включает насос — клетки оседают на фильтре. Когда бумага высохнет, она добавит флуоресцентный краситель, который соединится с ДНК, делая ее видимой при соответствующем освещении. Далее микробы попадают на стеклянную пластину микроскопа. На мониторе видны маленькие зеленые точки. Это бактерии и вирусы.
«Подсчитать эти точки, — казалось бы, элементарная задача, однако ее решение дает нам очень важные эмпирические данные», — поясняет К. Маньябоско, настраивая микроскоп. Благодаря этим точкам можно, к примеру, выяснить, как на протяжении миллиардов лет менялась биологическая активность на Земле, а вместе с ней и атмосфера. Ведь существуют микробы, популяции которых удваиваются каждые двадцать минут. А есть такие, которым для этого нужна тысяча или даже десять тысяч лет. Так ученые могут составлять модели, отражающие динамику развития земной органической жизни вдоль по оси времени.
Вода и камень
Каждая макромолекула ДНК хранит биологическую информацию, обеспечивающую хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Кроме того, такие молекулы способны копировать сами себя. Однако при копировании возможны ошибки. И тут мы и подходим, наверное, к самой важной для К. Маньябоско научной теме. Потому что такие ошибки как раз и позволяют живому организму развиваться, а выживают потом только такие мутации, которые в наиболее эффективной степени приспособлены к внешним неблагоприятным условиям.
Особенное внимание в связи с этим К. Маньябоско уделяет обратным связям, возникающим между живыми организмами и планетой.
В науке это называется коэволюцией. «Если мы посмотрим на историю Земли, то увидим, что развитие этой планеты и ее соседей по Солнечной системе протекало совсем по-разному. А то, как развивается планета, зависит как раз от характера обратных связей между живыми организмами и самой планетой», — поясняет Кара Маньябоско.
В качестве примера она приводит кислород. В самом начале истории Земли содержание кислорода в ее атмосфере было значительно ниже предела обнаружения, то есть его практически не было вообще. Это подтверждают анализ горной породы. Кислородная атмосфера зародилась на Земле с помощью фотосинтеза, благодаря чему в свою очередь возникли и более сложные формы жизни.
День заканчивается и мы даже слегка запыхались в тоннеле, торопясь к почтовому автобусу. Это единственный вид общественного транспорта, который связывает эту швейцарскую глубинку с внешним миром. Следующий автобус по расписанию будет только через три часа. В жилом контейнере перед входом в туннель «Окно Бедретто» К. Маньябоско снимает свой комбинезон, бросает его в пластиковый ящик для грязной одежды, потом запирает дверь контейнера. Пока мы ждем автобус, начинается дождь. И снова — вода и камень.
В соответствии со стандартами JTI
Показать больше: Сертификат по нормам JTI для портала SWI swissinfo.ch
Обзор текущих дебатов с нашими журналистами можно найти здесь. Пожалуйста, присоединяйтесь к нам!
Если вы хотите начать разговор на тему, поднятую в этой статье, или хотите сообщить о фактических ошибках, напишите нам по адресу russian@swissinfo.ch.