"Фоллаутовская" биология

[Серая Зона]

От школьных уроков биологии в головах большинства остается только знание о том, что живой организм состоит из клеток, в которых присутствуют гены. Не соседские алкоголики Гены, мирные в быту и буйные в пьяном виде, а микроскопические фиговинки, таинственные и могущественные, но при этом донельзя капризные. Стоит их только чуть-чуть рассердить - выпить стакан уксуса, скушать генетически модифицированной картошки или слегка облучиться инопланетными лучами, как случится непоправимое. То ли рога на макушке вырастут (разве не гены виноваты в адюльтерах?), то ли зубы с когтями на полметра вымахают, а голова, наоборот, скукожится, то ли вообще паутина из разных неприличных мест сочиться начнет, побуждая сигать по небоскребам аки мартышку наскипидаренную... Что же, давайте разбираться.

Черепашки-мутанты-ниндзя и их крыс-учитель - персонажи известного мультсериала - являются проявлением того самого страха перед "мутациями". Собственно, это воплощенный штамп, который может служить иллюстрацией к учебнику: тяпнул сто грамм какой-нибудь гадости - и вот ты уже не человек (черепашка, огурец), а нечто двуногоходящее, слизисто-бородавчатое и донельзя неприятное на вид. Возможно ли такое?

Внешний вид (фенотип) существа определяется в конечном итоге его генотипом, т.е. совокупностью полученных от родителей генов. Окружающая среда может оказать влияние на внешность только в относительно короткий период начального формирования/развития организма. При этом влияние может оказаться лишь отрицательным, в результате чего вместо нормального существа получится нелепый уродец. Любые нарушения естественного развития приводят к нарушениям внутренней гармонии организма, болезням и ранней смерти (зачастую еще до рождения). Примером тому могут служить юные профессиональные спортсмены, которые, накачиваясь стимуляторами в надежде достичь лучших результатов, еще до совершеннолетия приобретают целый букет болезней - от сердечной недостаточности до пожизненной импотенции.

Причина - в устройстве генома. Каждая клетка живет по строго заданной программе, регулируемой однозначным кодированием ДНК. Современной генетике мало что известно об этом кодировании, и вопросов в этой области не в пример больше, чем ответов. Однако ясно одно: грубое вмешательство приводит к тому, что программа начинает идти вразнос. В живом организме постоянно гибнут клетки из-за нарушения функционирования их генетического аппарата. Существуют естественные механизмы, позволяющие исправлять повреждения ДНК. Например, к таким механизмам относится зеркально-двойная природа самой цепочки, которая позволяет специальным пептидным комплексам восстанавливать одну из цепочек, если вторая осталась неповрежденной. Кроме того, имеет место избыточность кодирования в ДНК, благодаря чему даже невосстановимые повреждения отдельных ее участков не приводят к фатальным последствиям. Но эти механизмы достаточно хрупки и не в состоянии исправить логические ошибки. А ведь любое изменение генотипа, не согласующееся с общей его картиной, и есть такая ошибка. Поэтому любая случайная модификация генома почти гарантированно приведет к гибели живой клетки.

Собственно, мутация и есть повреждение генома на этапе развития. Мутации происходят постоянно под действием самых разнообразных факторов (например естественного радиационного фона Земли), но удачными оказываются лишь считанные единицы. Неудачливые клетки гибнут. Но даже если зародышевой клетке повезло - она выжила и сумела размножиться согласно новой программе, еще не факт, что включающий ее организм в целом выживет, оказавшись стабильным или просто удачливым в борьбе за существование. Таким образом естественный отбор проходит на двух этапах, и только удача на обеих стадиях приводит к закреплению мутации и передаче ее потомству.

Для того, чтобы серьезно изменить внешний вид и функциональность организма, и в особенности организма сформировавшегося, необходимо изменить миллионы клеточных программ. Причем изменения должны быть такими, чтобы сыгранный клеточный ансамбль не зазвучал диссонансом. Чтобы случайно избежавшие изменения клетки, следуя изначальной программе, не начали делиться таким образом, чтобы компенсировать недостаток нормальных соседок. Причем серьезные проблемы модифицированному организму может доставить даже одна единственная клетка. В качестве примера можно привести рак - очень часто его причиной является сбой генетической программы, в результате чего клетка начинает бесконтрольно делиться. В результате ее нормальные соседки просто погибают, задавленные массой злокачественной опухоли. Если же такие клетки, обретающие повышенную подвижность (метастазы), кровотоком переносятся в другие органы тела, это приводит к долгой и мучительной смерти.

Современная генетика не знает способов массированной генетической модификации клеток взрослого организма. Для модификации единичных геномов зародышевых клеток применяются специальные транспортные вирусы, встраивающие нужные последовательности нуклеотидов в нужные места цепочки ДНК. Однако этот способ не годится для изменения организма сформировавшегося - часть клеток останется неизмененной просто по теории вероятности, часть сумеет победить чужака, и, возможно, иммунная система организма просто уничтожит все или большую часть впрыснутых вирусов. Возможно когда-то в будущем наука сумеет создать наноботы, способные проделывать массовые операции с геномами клеток с гарантированным успехом, но до того изменить сформировавшийся организм на генетическом уровне не выйдет. И уж однозначно можно утверждать, что ни один химический состав, независимо от его сложности, равно как и поток сырой энергии, никогда не окажутся способными на такое.

Но помимо сложности с генетическим программированием есть еще и такой фактор, как иммунитет. Иммунная система организма всегда настороже и ищет подлежащих уничтожению чужаков. Иногда ее удается обмануть, но чаще всего - нет. И если даже мутация клеток в организме окажется удачной и позволит ему функционировать и дальше, немедленно последует аутоиммунный ответ. Все силы организма окажутся брошены на уничтожение воспринимающихся как "чужаков" мутантов. В результате либо модифицированная ткань будет съедена лейкоцитами, либо иммунная система истощит себя в бесплодной борьбе, в результате чего организм окажется беззащитным перед внешними инфекциями и быстро погибнет. В качестве иллюстрации можно привести пример с пересадкой тканей. Несмотря на тщательный подбор доноров (желательно близких родственников) реципиентам зачастую до конца жизни приходится сидеть на подавляющих собственную иммунную систему препаратах, не выходя из стерильных боксов и рискуя умереть от случайного насморка. Другой пример - болезнь под названием "системная красная волчанка", связанная с разладкой иммунной системы организма и приводящая к серьезному поражению внутренних органов (сердца, легких и т.д.).

Таким образом, генетическая модификация взрослого организма практически невозможна. Единственный реальный выход - это модифицировать оплодотворенную яйцеклетку или зиготу на ранних этапах развития, но и здесь успех никто не гарантирует.

(с) Злобный Ых, "Ошибки и штампы в фантастике".

Я задумался, как же должны быть устроены живые существа, чтобы соответствовать штампам фантастики шестидесятых. Т. е. чтобы радиационное или химическое воздействие могло изменить зрелый организм - причём иногда даже удачно? Надумал вот чего.

Репродуктивные клетки (примерный аналог наших стволовых) содержатся в отдельном органе, где регулярно проходят деление. Все клетки за пределами этого органа ДНК не содержат и к размножению не способны - как у нас эритроциты. Дальше идёт ветвление:

1) Репродуктивный орган производит готовые соматические клетки, которые кровотоком доставляются на место и встраиваются в организм.

2) Репродуктивный орган производит вирусоподобные "инструкции" для соматических клеток - когда и как делиться. Сразу после деления генный материал из соматических клеток стирается.

Первый вариант даёт высокую нагрузку на кровоток, второй требует очень "умного" устройства репродуктивного органа.

Как должен быть устроен иммунитет у таких тварей, я не представляю (впрочем, я не слишком представляю себе, как работает иммунитет и у людей).

При этом каждая клетка в репродуктивном органе содержит не весь геном, а лишь отдельный ген или комбинацию генов. И у каждой "геноклетки" есть лишь несколько копий.

Естественно, размножение у таких существ будет происходить не так, как у нас. Тут зачатие предшествует оплодотворению. Сперва репродуктивный орган матери делится, создавая свою уменьшенную копию, которая соскальзывает в матку. Лишь после этого происходит оплодотворение. Каждый сперматозоид несёт лишь один отцовский ген. Разумеется, при такой суматохе некоторым геноклеткам матери может не достаться "партнёра" - они удвоятся путём партеногенеза.

У некоторых видов оплодотворение может растянуться на несколько стадий, что порождает забавные последствия:

1) Чем больше времени отец проводит с матерью, тем больше сын на него похож

2) Отцов может быть и несколько (каждый передал часть своих генов)

Генная инженерия разумным существам в этом мире будет доступна на самых ранних стадиях развития. Химически-эмпирическая, методом тыка - ещё с каменного века. Научная - практически сразу после изобретения микроскопа.

Теоретически возможен вампиризм по "методу Преображенского-Шарикова" - старик вырезает у юноши репродуктивный орган, вживляет на место своего - и через полгода превращается в точное подобие этого самого юноши. Нужно, конечно, преодолеть проблемы иммунной совместимости, но над этим будут столетиями биться лучшие умы человечества - ведь наградой является фактическое бессмертие.

Изменено 16 Feb 2012 пользователем Серая Зона

[Prishelec]

Очень неустойчиво выглядит. Высокой нагрузки первый вариант не даст, учитывая с какой скоростью (на глаз) растёт любой организм. Но повреждение одного единственного небольшого органа в обоих случаях - гарантированная смерть всего организма. К тому же половой орган (по крайней мере на Земле) зачем-то находится снаружи организма. Не выживут.

[mihail92]

(впрочем, я не слишком представляю себе, как работает иммунитет и у людей).

В упрощённом виде так - чужеродный организм попадает в тело (или рождаеться в нём), определённые клетки (лейкоциты) опознают в них чужаков и начинают бить тревогу. К организм начинает вырабатывать другие клетки (антитела), уничтожающее чужеродное тело. После победы лишние антитела рассасываються, кроме нескольких специализированных на уничтожение именно этих чужеродных организмов (так приобретаеться иммунитет). Лейкоциты вырабатываються в костном мозге. Если гибнет костный мозг (излучение) или лейкоциты (СПИД), то имунная система не работает.

[Звёзды Светят]

1) Репродуктивный орган производит готовые соматические клетки, которые кровотоком доставляются на место и встраиваются в организм.

Первый вариант даёт высокую нагрузку на кровоток,

Клетки сами, как жгутиковые, плывут на свои места. А как пристраиваются - жгутики рассасываются.....

.

[Серая Зона]

Но повреждение одного единственного небольшого органа в обоих случаях - гарантированная смерть всего организма.

У РИ-организмов есть как минимум два органа, ранение которых даёт гарантированую смерть всего организма - сердце и мозг. Репродуктивный орган у этих - существенно меньше мозга и не крупнее сердца. Так что в него ещё попробуй попади.

К тому же половой орган (по крайней мере на Земле) зачем-то находится снаружи организма.

Репродуктивный - в данном случае совсем не равно "половой". За размножение отвечает другой орган. А этот - за рост и развитие самого организма.

В упрощённом виде так - чужеродный организм попадает в тело (или рождаеться в нём), определённые клетки (лейкоциты) опознают в них чужаков и начинают бить тревогу. К организм начинает вырабатывать другие клетки (антитела), уничтожающее чужеродное тело. После победы лишние антитела рассасываються, кроме нескольких специализированных на уничтожение именно этих чужеродных организмов (так приобретаеться иммунитет). Лейкоциты вырабатываються в костном мозге. Если гибнет костный мозг (излучение) или лейкоциты (СПИД), то имунная система не работает.

Не, ну на таком уровне я знаю.

Уточню вопрос - мне неясно, как именно лейкоциты отличают свои клетки от чужеродных, и будет ли это работать, если свои клетки лишены генома вообще...

[Prishelec]

Должно иначе организм съест любая инфекция. И причём тут геном? Лейкоциты не вскрывают своих чтобы проверить какой там геном, различают по составу оболочки.

Репродуктивный орган у этих - существенно меньше мозга и не крупнее сердца. Так что в него ещё попробуй попади.

Всё равно должна быть какая-то уязвимость по сравнению с нашим вариантом иначе это использовалось бы.

[mihail92]

Должно иначе организм съест любая инфекция. И причём тут геном? Лейкоциты не вскрывают своих чтобы проверить какой там геном, различают по составу оболочки.

Надкусывают?

1) Репродуктивный орган производит готовые соматические клетки, которые кровотоком доставляются на место и встраиваются в организм.

Первый вариант даёт высокую нагрузку на кровоток,

Клетки сами, как жгутиковые, плывут на свои места. А как пристраиваются - жгутики рассасываются.....

А старые клетки иммунитет сжигает? Как несотвествующие моменту? Этож сколько организм сожрать должен, для такой перестройки организма.

[Antabus]

[Как должен быть устроен иммунитет у таких тварей, я не представляю (впрочем, я не слишком представляю себе, как работает иммунитет и у людей).

Когда-то я пытался курить на тему иммунитета в биопанке:

http://fai.org.ru/forum/index.php/topic/16818-%d0%be%d0%b4%d0%b8%d0%bd-%d0%bc%d0%b8%d1%80-%d0%be%d0%b4%d0%bd%d0%b0-%d0%b1%d0%b8%d0%be%d1%85%d0%b8%d0%bc%d0%b8%d1%8f-%d0%be%d0%b4%d0%bd%d0%b0-%d0%b8%d0%bc%d0%bc%d1%83%d0%bd%d0%bd%d0%b0%d1%8f-%d1%81%d0%b8%d1%81%d1%82%d0%b5%d0%bc%d0%b0/

А сейчас подумал: что если пусть иммунитет будет, но на другом принципе? В нашем мире он - как бы "входной контроль", пытающийся отстреливать нарушителей сразу после проникновения. В том мире он может быть суровой "комиссией по приемке" - ждет, затем смотрит, приемлемо ли изменение, если да - пусть растёт дальше, если нет - команда "фас" на выработку антител или чего-то другого. В рамках этого варианта пришельца или старые клетки можно не уничтожать, а использовать как материал или топливо для строительства собственного организма. Конечно, это всё требует более интенсивной энергетики, чем наша.

Так что жрать организм должен много и всегда.

[Серая Зона]

Боюсь, такая продвинутая имунная система потребует интеллекта.

Есть другая идея. Иммунитет уничтожает все делящиеся клетки. Таким образом все бактерии и вирусы пока сидят тихо - его не волнуют. Как только бактерия пытается поделиться, а вирус - заставить делиться заражённую клетку организма, иммунитет получает команду фас.

Соматические клетки ведь в этом мире не делятся. А в репродуктивный орган иммунитету ход закрыт чем-то типа гематоэнцефалического барьера.

[Prishelec]

Как только бактерия пытается поделиться

А как иммунитет будет узнавать, что клетка делится? Это будет сопровождаться какими-то выделениями специфических молекул? Если нет, то как иммунитет узнает, что новая клетка поделилась на месте, а не ещё одна, пришедшая извне?

А в репродуктивный орган иммунитету ход закрыт

Очень опасно, практически смертельно.

[Серая Зона]

А как иммунитет будет узнавать, что клетка делится? Это будет сопровождаться какими-то выделениями специфических молекул?

Полагаю да. Ведь есть бактериостатические антибиотики, которые не убивают бактерии, а мешают им размножаться. Значит, этот процесс чем-то выделяется.

Очень опасно, практически смертельно.

Ну почему вдруг? У РИ-существ мозг защищён аналогичным образом (см. "гематоэнцефалический барьер") и ничего, не помирають ведь...

[Prishelec]

Полагаю да.

Выведется штамм, который размножается без вредных выбросов эктоплазмы (да и не уверен, что РИ бактерии как-то сигнализируют именно об размножении.

а мешают им размножаться

Такие антибиотики не имеют никакого отношения к обнаружению отходов деления, они нарушают сам механизм размножения у бактерий. Это вообще никак не связано.

мозг защищён аналогичным образом

У мозга есть своя автономная иммунная система см. макрофагальная активность. А ГЭБ непроницаем не только для лейкоцитов, но и для бактерий. Так что заразить орган защищённый таким образом гораздо сложнее, чем остальной организм.

[Серая Зона]

Такие антибиотики не имеют никакого отношения к обнаружению отходов деления, они нарушают сам механизм размножения у бактерий.

Я имел в виду, что если деление связано с некой химической реакцией, на которую можно разработать специальный блокатор - то на неё же можно разработать и рецептор.

У мозга есть своя автономная иммунная система см. макрофагальная активность. А ГЭБ непроницаем не только для лейкоцитов, но и для бактерий. Так что заразить орган защищённый таким образом гораздо сложнее, чем остальной организм.

Дык... а что мешает репродуктивному органу иметь аналогичную автономную систему? И защищаться от бактерий аналогичным барьером?

[Prishelec]

на неё же можно разработать и рецептор

Для этого требуется, чтобы хим. реагенты покидали пределы делящейся клетки. А это не факт.

И защищаться от бактерий аналогичным барьером?

В этом случае мутагенным факторам будет вообще невозможно проникнуть к органу и чего-то там изменить. Он, в этом случае, защищён ещё сильнее, чем остальной организм. Вообще, таким ценным органам как мозг или этот репродуктивный центр и полагается защита выше средней.

[Серая Зона]

В этом случае мутагенным факторам будет вообще невозможно проникнуть к органу и чего-то там изменить. Он, в этом случае, защищён ещё сильнее, чем остальной организм.

Хммм... ГЭБ у организмов в РИ умеет останавливать жёсткую радиацию?

[Prishelec]

Кроме радиации, естественно.

Вообще, подумал как может какое-либо изменение в генокоде изменить (а не убить) живой организм. Возможно только если у него уже есть несколько жизнеспособных и при этом весьма разных схем устройства. Как такое может быть я не представляю (атавизм?), разве что их туда доставлять, но ГЭБ этому помешает, да и обычная иммунная система тоже, а если они уже там, то радиация могла бы повредить один маленький ген отвечающий за переключение схем и включить другую схему

[Нкоро_]

Возможно только если у него уже есть несколько жизнеспособных и при этом весьма разных схем устройства.

Достаточно очень большой химической приспособляемости. Какой-нибудь мир где текут ядовитые ручьи каждый с радикально разным pH, а тяжелые металлы валяются под ногами в виде самородков.

Тогда собранные по неверной программе соматические клетки будут выживать даже там где земные давно бы уже самоуничтожились, и выйдя из размножающего органа успешно замутируют обладателя. Конечно, не мгновенно а со скоростью его естественного обновления клеток.

И кстати, не надо никаких извращений с половыми органами. Самые обычные органы, только сырые соматические клетки при специализации в них теряют не весь геном кроме нужного им для работы, а ровно половину.

[Prishelec]

Главное, чтобы эти клетки были полусамостоятельные как у морской губки или гриба. Тогда организм выдержит любые или почти любые мутации и перестройки. К тому еж такая изменчивость может быть прописанной в генах именно из-за очень сурового и изменчивого мира. Не ясно, правда как будет развиваться цивилизация в таком мире. Зачем разводить огонь и шить одежду, если организм сам быстро приспосабливается к изменившейся обстановке?

[Нкоро_]

Главное, чтобы эти клетки были полусамостоятельные как у морской губки или гриба

Это уже Нечто получается. Нет, обычные клетки, полусамостоятельные только во время миграции из производящего органа на место работы. Просто по нашим меркам очень живучие в плане внутренних повреждений. На это как раз хорошо ложится потеря большей части или даже всего генома после специализации. Чего нет, то не сломается.

[Тунгус]

Достаточно очень большой химической приспособляемости. Какой-нибудь мир где текут ядовитые ручьи каждый с радикально разным pH, а тяжелые металлы валяются под ногами в виде самородков.

Пирр?

[Рюрик]

Главное, чтобы эти клетки были полусамостоятельные как у морской губки или гриба. Тогда организм выдержит любые или почти любые мутации и перестройки. К тому еж такая изменчивость может быть прописанной в генах именно из-за очень сурового и изменчивого мира. Не ясно, правда как будет развиваться цивилизация в таком мире. Зачем разводить огонь и шить одежду, если организм сам быстро приспосабливается к изменившейся обстановке?

это будет Нечто

[Рюрик]

так что развилка - это будет Мир Победившего Нечто (тут и без докембрия можно обойтись - Нечто благополучно вырвалось из Антарктиды и ассимилировало всю экосистему Земли)

так что развилка - это будет Мир Победившего Нечто (тут и без докембрия можно обойтись - Нечто благополучно вырвалось из Антарктиды и ассимилировало всю экосистему Земли)

(так что развилка - 30-е - 40-е, максимум 50-е годы (я сужу по рассказу, послужившем основой фильма))

[Mexanik]

Для начала отмечу, что сама система повышенной чувствительности к мутагенным факторам оказывается крайне вредной, как минимум в подобном виде. Гены отвечают за выработку определённых веществ, в основном тех, что очень нужны для поддержания жизни в самом организме. Тут любая случайная мутация легко может стать последней, особенно если её невозможно не то, что предотвратить, но даже обнаружить. Сила жизни - не только в изменчивости, но и в стабильности, причём оба эти параметра контролируемы.

Здесь мутациями проще управлять, имея не одну, а несколько цепочек ДНК, которые друг друга дублируют в общих чертах, но имеют определённые различия в определённых местах. К примеру, копия А является инструкцией по выращиванию обычного человека, инструкция Б - по существу с более длинными руками и более короткими ногами, а копия В - по выработке большего количества соляной кислоты в желудке и эритроцитов в крови. Схема, конечно, в итоге окажется намного более сложной и фрагментарной, где каждая копия ДНК отвечает за конкретный параметр или связанные параметры, но суть, я думаю, понятна. А дальше существо могло бы самостоятельно или под действием внешних факторов вроде смены температуры выбирать, по каким наборам фрагментов генетического кода строить своё тело. Главное - как подать сигнал всем клеткам, чтобы они действовали синхронно; возможно, через специальный сигнал, пущенный по нейронам, или же путём выброса в кровоток особой железой в мозгу некоего вещества. Сейчас точнее не сформулирую, но по идее может сработать именно так, как нужно.

А чтобы можно было гарантированно испортить весь организм одним воздействием... Например, можно завязать его на одну-единственную копию генетической информации, как у одноклеточного, причём это и будет одна-единственная клетка - а всё остальное тело окажется её причудливыми отростками типа гифов гриба.

P.S.: У меня, кстати, тоже была задумка "генных инженеров от природы", причём с похожими чертами, но там это решалось путём особенного выращивания организма, а также наличия трёхполой системы. Пока выкладывать это никуда не буду, надо всё как следует обдумать - слишком сырая идея, да и не совсем по теме обсуждения.

[Серая Зона]

А чтобы можно было гарантированно испортить весь организм одним воздействием...

Мне не нужно, чтобы гарантировано. Мне нужно, чтобы вероятность изменения взрослого организма была отлична от нуля. Но всё же происходила не слишком часто.

[Mexanik]

Там не "гарантированно испортить", а "гарантированно весь организм", уж слишком сложная это система. Я как раз там и предложил вариант, как это осуществить - если всем будет управлять одна молекула ДНК или любой её аналог. Чем больше одинаковых молекул нужно изменить по одной схеме, тем ниже шансы на успех - так что их надо максимум две-три. здесь важен принцип "меньше - лучше".

UPD: Памятуя о том, что в привычном существе всё регулируется в основном химическими процессами - по крайней мере расположение клеток и их работа - можно допустить появление некоего биологически активного вещества, встраивающегося в отлаженный механизм и меняющего его тем или иным образом. Что-то навроде гормонального лечения, но намного сложнее. Технически, вроде, осуществимо, но вряд ли такое возможно в естественных условиях. Разве что...

Разве что некое другое животное, скорее всего паразитическое или типа пастуха, будет его синтезировать и вводить в кровь другого существа, дабы заставить того также подстраиваться под нужды "доктора". Например, накапливать больше жира или выделять меньше вещества, вредного паразиту. Это даже будет не одно светящееся зелёным вещество, а коктейль отдельных, эм, гормонов. Если прокатит - это даст лично мне отличную возможность дать жизнь двум старым идеям, так что я это дело при случае изучу подробнее %)

Изменено 7 Jun 2012 пользователем Mexanik