Нипам Патель — специалист по биологии развития, изучающий животный мир на генетическом уровне. Его исследования бабочек и ракообразных открывают новые грани понимания механизмов визуализации цвета, регенерации тканей и эволюции видов. Нипам рассказал в интервью о своей работе, целях, любимом деле и о тех проблемах, которые повлияют на всех нас в будущем.
Я считаю себя биологом развития. Меня увлекает понимание того, как членистоногие — например, насекомые, двупарноногие и губоногие, генерируют повторяющиеся сегменты своего тела. Также мне интересна окраска бабочек. Цвет на их крыльях создается за счет преломления света, а не соответствующей пигментации.
Мы пытаемся проделать то же самое с бабочками, изменяя цвета и узоры на их крыльях, чтобы в деталях понять, как работает их окраска.
Мы также работаем с прозрачными бабочками, у которых развилось антибликовое покрытие. Люди, которые носят очки, могут использовать линзы, не отражающие свет. Бабочки научились делать это с помощью своих крыльев около 50 миллионов лет назад. Мы анализируем эти открытия, чтобы понять, можно ли применить их в повседневной жизни. Например, если бы у нас были поверхности, которые отражают меньше света, могли бы получиться улучшенные солнечные батареи.
Хороший пример этой проблемы — секвенирование генома человека. Мы вложили много ресурсов в этот проект, и теперь он завершен. Мы многому научились, но поняли, что знаем еще очень мало. У нас есть полная последовательность генома человека, и теперь мы должны в ней разобраться и корректно интерпретировать данные. Это оказалось невероятно сложным занятием, и каждый наш шаг порождает больше вопросов, чем ответов.
Пожалуйста, кратко опишите ваш профессиональный профиль и области исследований.
Я директор Морской биологической лаборатории в Массачусетсе, международного центра исследований и образования в области биологии и экологии и профессор Чикагского университета.
Вы всю жизнь увлекаетесь бабочками — расскажите, пожалуйста, об этом.
Да, я начал собирать бабочек, когда мне было восемь лет. Я нашел мертвую бабочку у себя во дворе и разузнал, как закрепить ее на доске. Она до сих пор есть в моей коллекции. Затем я убедил родителей помочь мне сшить сачок и стал собирать еще. Сейчас в моей коллекции десятки тысяч экземпляров.
Коллекционирование бабочек началось как хобби, но несколько лет назад я решил проводить и научные исследования. Одна из рабочих тем — изучение того, как бабочки выращивают чешуйки для создания цвета на крыльях. Особенно интересны голубые и зеленые цвета, поскольку они появляются благодаря удивительному световому явлению на поверхности крыла. Оно называется структурной окраской.
Люди развили способность эволюционировать способами, выходящими за рамки того, что мы считаем классической биологической эволюцией.
Можете ли вы объяснить это явление более подробно и привести примеры?
Представьте себе мыльный пузырь на солнце. Мыльная пленка, из которой сделан пузырь, не имеет никакого цвета, но он переливается всеми цветами радуги. Это происходит потому, что свет, падающий на пузырь, отражается как от внешней, так и от внутренней поверхности. Пузырь невероятно тонкий, поэтому световые волны взаимодействуют друг с другом. Некоторые цвета усиливаются и становятся ярче, другие разрушаются и исчезают.
У бабочек это явление происходит очень сложным образом: крошечные наноструктуры на их крыльях создают преломление света, которое мы воспринимаем как цвет. Возможно, вы знакомы с бабочками рода Морфо с ярко-синей окраской крыльев, отливающей металлическим блеском. На самом деле никакого синего пигмента в их крыльях нет — цвет создает особое преломление света.
Пытаетесь ли вы воспроизвести это явление в лаборатории?
Мы пытаемся понять, какие гены стоят за подобными явлениями. Несколько лет назад мы начали использовать удивительную технологию — редактирование генома CRISPR-Cas9. Она позволяет внедряться в геном и манипулировать генами практически любого организма.
В лаборатории мы также работаем с членистоногими ракообразными, поскольку нас интересует, как нужная нога оказывается на нужном сегменте. Благодаря редактированию генома CRISPR-Cas9 мы можем изменить порядок расположения их ног.
Похоже, вы бросаете вызов нашему пониманию механизмов восприятия цвета?
Цвет — это действительно впечатляющее явление. В физике мы можем разложить белый свет на цвета радуги с помощью призмы, измерить длины их волн, чтобы придать цветам реальный физический смысл.
С другой стороны, цвет зависит от восприятия человеком. Мы говорим о цвете, потому что именно так наш разум обрабатывает иинформацию. Например, существует диапазон длин волн, при которых мы воспринимаем цвет как желтый, но человеческий мозг также может смешивать различные цвета, чтобы получить желтый, даже если длины волн ему не соответствуют. Все дело в том, как наши глаза воспринимают эти длины волн, и как мозг обрабатывает информацию. Меня это всегда завораживало.
Одна из самых больших проблем, с которой мы столкнемся — это способность синтезировать большие объемы данных.
Как вы связываете свою работу в лаборатории с миром за ее пределами?
Люди часто задаются вопросом, какую пользу работа ученых приносит людям. Я думаю, общество должно понять, что многие из важных открытий в области здравоохранения и медицины были сделаны на основе фундаментальной науки, которая, как ожидалось, не приведет к каким-либо великим инновациям. Ученых просто интересовали ответы на фундаментальные вопросы.
Если говорить о работе, которую мы проводим с бабочками, то явление структурной окраски интересно как способ получения цвета, который не выцветает. Например, проблема с краской заключается в том, что она со временем тускнеет под воздействием солнечного света. Но если цвет обусловлен структурой, а не пигментом, то он не будет разрушаться под воздействием света и сохранится надолго.
Что вы можете рассказать о работе, которую вы проводите в области понимания механизмов регенерации тканей?
Многие животные, включая людей, не способны отрастить заново утерянную конечность. Но есть и другие существа — например, ракообразные, которые способны отрастить конечности за относительно короткое время.
Ученые сейчас хотят раскрыть их секрет и использовать его на благо человечества. Возможно, мы не сможем вырастить целую руку, но понимание приемов, которые используют животные, может позволить людям быстрее восстанавливаться — например, после травм спинного мозга.
На крыльях бабочек есть крошечные наноструктуры, создающие преломление света, которое мы воспринимаем как цвет.
Как вы думаете, приведут ли современные технологии к ускорению эволюции человека?
Сейчас сложно сказать, как будут эволюционировать люди, потому что эволюция обычно занимает десятки тысяч или миллионы лет. Но сегодня благодаря развитию технологий у нас есть невероятная возможность контролировать состояние окружающей среды, а в перспективе — и редактировать свои гены. Люди развили способность эволюционировать способами, выходящими за рамки того, что мы считаем классической биологической эволюцией.Что вы скажете людям, у которых идея манипулирования генами вызывает опасения?
Существует много заслуживающих внимания дискуссий о том, что мы должны делать с подобными технологиями. Это как джинн в бутылке — стоит его выпустить, и вы осознаете все возможности.
Многие из этих вещей действительно будут способствовать положительному развитию человеческого общества. Например, работа в области сельского хозяйства и растениеводства приведет к повышению урожайности полевых культур. Но, конечно, ученые могут заниматься и другими вещами, которые нам автоматически кажутся не очень хорошей идеей.
Я считаю, что как ответственные исследователи мы должны привлекать общество к обсуждению этих вопросов. Я нахожу это очень важным. Пионеры разработки технологии CRISPR-Cas9 хорошо осознают это и активно взаимодействуют с обществом и специалистами по этике для осмысления того, что мы делаем. На эти вопросы нелегко ответить, но ученые, как правило, довольно осторожны и предпринимают все необходимые меры для предотвращения неблагоприятных исходов.
Одна из удивительных особенностей цвета заключается в том, что он существует как в физической реальности, так и в человеческом восприятии.
Какие проблемы вы прогнозируете в будущем и как технологии помогут решить их?
Одна из самых больших проблем, с которой мы столкнемся в будущем — это способность синтезировать большие объемы данных. Полное понимание состояния организма заключается в обработке огромного количества информации обо всех различных генах и среде, в которой существует организм. Разработка способа моделирования, манипулирования и экспериментирования в отношении всего этого будет определять некоторые направления развития биологии. Нам нужен искусственный интеллект, чтобы обработать эти данные и представить их в понятной форме.