Эволюция в космосе

Эволюция — базовое понятие биологии. Через 120 лет после формулирования ее основных принципов Чарльзом Дарвиным ее исследования добрались и в космос.

В космосе уже бывали организмы, которые прожили несколько поколений и смогли измениться. Среди них бактерии (инфузория-туфелька, палочка Коха), низшие растения (хлорелла, хламидомонада), высшие растения (крепис, арабидопсис, ячмень, салат, горох), насекомые (дрозофила, хабробракон, триболиум), амфибии (ксенопус), рыбы (гуппи, данио рерио).

Хлорелла на МКС

Правда, орбитальные полеты начались относительно недавно, и изучить смену поколений человека и соответственно эволюционные изменения пока возможности не было. Тем не менее в конце мы попробуем помечтать, как человек, возможно, будет эволюционировать в длительных космических полетах.

Эволюция стоит на трех китах — трех основных понятиях: наследственность, изменчивость и естественный отбор. Живые организмы передают свои гены, и потомки благодаря этому похожи на родителей. Иногда проявляются мутации, и дети могут иметь отличия и новые признаки. Если новый ген и признак полезен или хотя бы не вреден, он передается следующим поколениям, в противном случае особь не выживает, и плохая мутация не сохраняется. Так выживают самые приспособленные и происходит развитие и усложнение организмов.

Наследственность в космическом полете тоже работает, что выяснилось в первых исследованиях. Генетика в СССР в те года была далеко не самой популярной наукой, однако эксперименты проводились под руководством Николая Петровича Дубинина — выдающегося генетика СССР, что говорит о важности проведения этих экспериментов в космосе».

Так, вместе с Белкой и Стрелкой полетели мыши двух различных линий, мухи-дрозофилы двух линий, семена различных сортов гороха, кукурузы, лука и нигеллы, грибки-актиномицеты и побеги традесканции. Буквально через полет было запущено еще семь гибридов от мышей СБА и С57, шесть колб с высокомутабельной и семь колб с низкомутабельной линиями дрозофил, а также шесть колб с гибридами. Все объекты на Земле дали потомство в соответствии с законами наследования. Собака Стрелка тоже родила здоровых щенков.

Контейнер для исследований крыс и мышей

Тут стоит заметить важность гибридов. Согласно первому закону Менделя в первом поколении от особей чистых линий (организмов, которые на протяжении многих поколений скрещиваний друг с другом проявляют одинаковые признаки) получаются только гибриды с доминантными признаками. Например, при скрещивании гороха с зелеными и желтыми семенами все потомство будет с желтыми семенами. А во втором поколении при скрещивании гибридов будут в среднем в одном из четырех случаев появляться особи с рецессивным признаком (четверть потомства будет с зелеными семенами). Так по статистике и определяются особенности наследования, и они никак не отличаются от земных.

Другое дело — мутации. Повышенный уровень радиации увеличивает процесс повреждения ДНК.

Заряженные частицы и гамма-излучение от Солнца на орбите не блокируются магнитным полем и атмосферой. Они могут выбивать атомы из молекул, из-за чего механизмы восстановления генов могут допускать ошибки. Это и приводит к изменению генной структуры и мутациям. Однако в подавляющем большинстве это вредные мутации.

В ходе одного эксперимента клетки креписа еще до старта облучили и повредили сам механизм восстановления ДНК. После этого в полете на станции «Салют-6» возникло значительно больше мутаций, чем во всех исследованиях ранее.

Было несколько экспериментов, например, на станции «Салют-4», в которых запускались высокомутабельные дрозофилы в толстых свинцовых контейнерах, полностью блокирующих радиацию, но все равно в невесомости количество мутантных особей было больше, чем на Земле, а значит, помимо радиации есть и другие причины.

Молекула ДНК — это скрученная в клубок двойная спираль. Чтобы скопировать ДНК при делении клеток, нужно расплести, раскрутить и разделить спирали. Так получаются две последовательные цепочки. Для каждой из них нужно синтезировать недостающие половинки. После копирования молекулы нужно снова закрутить в двойную спираль.

Схема репликации ДНК

В отсутствии силы тяжести все эти процессы идут иначе, в основном из-за изменения скорости химических реакций между белками и большей вероятностью того, что молекула при сборке искривится и цепочки нуклеотидов соединятся в неправильном месте. Увеличение скорости деления усиливает этот эффект. В невесомости клетки растут и размножаются во все стороны без ограничений, а питательная среда распределяется равномерно по всей клетке. Кстати, с эти связана еще одна проблема — «первичное нерасхождение хромосом». При делении клетки в одной появлялась лишняя хромосома, а в другой этой хромосомы не доставало. Важным является положение ДНК в клетке, а оно в невесомости может быть в самых разных местах.

Несмотря на значительный объем экспериментов, точную зависимость количества мутаций от факторов невесомости выявить не удается. Результаты от полета к полету разные. Более того, на биологических спутниках «Бион» размещалась центрифуга, внутри которой на разном расстоянии от центра располагались контейнеры с дрозофилами. Те насекомые, что были в центре, испытывали невесомость, а дальше, в зависимости от расстояния до оси вращения, равномерно росла центробежная сила, что заменяла силу тяжести: 0.1 g, 0.2 g, 0.5g, 0,8g 1g (земные обычные условия), 1.5g, 2.g. Существенной разницы у дрозофил в разных контейнерах не наблюдалось. При изучении влияния длительности полета зависимость тоже не прослеживалась, и количество мутаций менялось хаотично от старта к старту.

Макет спутника «Бион» с центрифугой

Мы же перейдем к следующему фактору эволюции – естественному отбору. Тут в космосе очень много проблем. Более того, если мы говорим об открытом космосе, то там из животных могут в высушенном состоянии существовать только тихоходки, рачки Артемия, щитни и личинки комаров. Однако размножаться в таком состоянии нельзя. Семена растений лучше выдерживают перепады температуры, отсутствие воздуха и вакуум. Сейчас даже на МКС проводится активная селекционная работа по отбору самых устойчивых сортов и образцов. Внутри станции условия чуть лучше, но все равно невесомость — среда, где выживают не все. В частности, полезный признак — быть вытянутым, чтобы было больше возможностей цепляться.

Самый яркий пример эволюции можно было наблюдать на станции «Салют-7» Владимир Джанибеков выращивал хлопок сорта 108-Ф и смог получить образец с лучшими свойствами. Из растения получалась на 34% более длинная нить. Космический сорт получил обозначение С-7305 и стал активно применяться.

Владимир Джанибеков показывает сорт космического хлопка

В отсутствии конвекции возникает проблема с этиленом. Он выделяется растением и является гормоном, блокирующим цветение, но провоцирующим рост. На Земле этот газ быстро разлетается в воздухе и не мешает, а на станции вызывает проблемы. Тем не менее во время работы Максима Сураева на МКС получилось вырастить карликовую пшеницу «Апогей», которая почти не реагирует на этилен. Правда, в данном случае помогли искусственный отбор селекционеров и предшествовавшая этому эксперименту работа космонавтов на станции «Мир».

Максим Сураев с карликовой пшеницей

Бактерии в космосе быстро размножаются, быстро погибают, если в них нет полезных мутации, и, как следствие, очень активно эволюционируют. Многие из них становятся устойчивыми не только к космическим факторам, но и к антибиотикам. Как следствие, случайные патогены могут вызывать болезни в невесомости. В ответ на это растения, которые стали вырабатывать больше витамина С, например, томаты, стали и лучше выживать. А полученный сорт люди стали выращивать на Земле.

С животными примеров эволюции мало, так как чем сложнее организм, тем дольше идет процесс, но уже по имеющимся результатам видно, что отбор будет идти в первую очередь на органы равновесия. В невесомости внутреннее ухо не способно понять, где верх, а где низ, и вызывает больше проблем, чем пользы.

А теперь помечтаем, как изменится человек через несколько поколений, если полностью будет жить в невесомости. В первую очередь упростится внутреннее ухо. Ему уже не нужно будет понимать положение тела относительно Земли. Космонавт станет более вытянутым, руки удлинятся. Сейчас еда в космосе мягкая, а больные зубы будут вызывать неудобства. Вероятно, количество зубов уменьшится или они вообще пропадут. Ноги тоже в невесомости не нужны, но конечности требуются, так что стопы могут стать более похожими на руки. Может вырасти хвост или щупальца. Образ становится похож на обезьяну. Длинные волосы на голове — большая проблема, возможно будет отбор на их длину. Возможно, человек вообще облысеет. Почки станут больше, чтобы усиленный ток крови не вызывал образование камней, а вот сердце уменьшится, как и многие мышцы, которые станут не нужны. Кожа станет более темной, чтобы защититься от ультрафиолета. Также, вероятно, вновь включится фермент L-гулонолактоноксидаза, чтобы позволить организму снова научиться вырабатывать витамин С, которого будет не хватать в космической еде.

Последний абзац — это фантазия автора, и все может быть не так. А как, на ваш взгляд, будет эволюционировать человек и какие у него появятся новые признаки?