Доцент ETH Кара Маньябоско в поиске истоков органической жизни

По дороге к лаборатории BedrettoLab Кара Маньябоско берет пробу воды. swissinfo.ch / Michele Andina

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».

Лаборатория BedrettoLab находится на глубине двух километров под горой Пиццо Ротондо (Pizzo Rotondo). swissinfo.ch / Michele Andina

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. 

Кара Маньябоско в Департаменте наук о земле Высшей технической школы Цюриха, который одновременно является еще и научным музеем. swissinfo.ch / Christian Raaflaub

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:

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.

Кара Маньябоско изучает бактерии под микроскопом. swissinfo.ch / Michele Andina

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.

В подземной лаборатории BedrettoLab Кара Маньябоско проверяет параметры различных скважин, из которых они со студентами регулярно забирают пробы воды и породы. swissinfo.ch / Michele Andina

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. 

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. swissinfo.ch / Michele Andina

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.

На мониторе видны маленькие зеленые точки. Это бактерии и вирусы. swissinfo.ch / Michele Andina

«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. 

Автор данного материала Кристиан Раафлауб, Кара Маньябоско и видео-оператор Микеле Андина. swissinfo.ch / Christian Raaflaub

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.