Генетическая инженерия подарит нам новых великих чемпионов
Автор: Стивен Хсу
Много лет я жил в городе Юджин штата Орегон, который хорошо известен под названием «трек-таун США» из-за своих традиций в лёгкой атлетике. Каждое лето соревнования высокого уровня, вроде национальных чемпионатов Соединённых штатов или отборов к Олимпийским играм, собирают участников мирового уровня на стадион имени Билла Хэйварда Университета Орегона. Было здорово столкнуться с великими атлетами в местном кафе или магазине мороженого, а может быть даже обнаружить себя занимающимся с весом или бегущим трек рядом с ними. Однажды утром я был шокирован когда меня, как стоячего, обошла женщина, тренировавшая беговые отрезки на 400 метров. Её темп был столь высок, что я мог бы повторить его только на гораздо меньшей дистанции.
Факт заключался в том, что она была, в отличие от меня, уникумом. Атлетический результат следует обычному распределению, как и многие величины в природе. Это означает, что число людей, способных на исключительные результаты падает экспоненциально по мере увеличения уровня производительности. В то время, как студент с результатом 11 секунд на стометровке может выиграть чемпионат района, чемпион штата выбегает из 11 секунд, и лишь некоторые из чемпионов различных штатов бегут близко к 10.
Карл Льюис работает опорной ногой в ходе эстафеты 4 по 100 метров на Олимпийских играх 1984 года.
Продолжайте следовать за этой кривой и вы получите фриков среди фриков — спортсменов, которые устанавливают рекорды и раздвигают границы возможного. Когда Карл Льюис доминировал в спринте в конце 80х, результат быстрее 10 секунд на 100 метрах был очень редким, и любой показатель в районе 10 секунд гарантировал высокое место, даже на Олимпиаде. Льюис был грациозным спортсменом высотой 6 футов и 2 дюйма (1 метр 89 см. – здесь и далее переводы величин прим.ред.) и считался высоким для спринтера. Рост выше чем этот воспринимался как недостаток для спринтера, который приводит к меньшему ритму и скорости – по крайней мере так считалось.
Так что никто не предполагал появление Усейна Болта. Мускулистый спортсмен высотой 6 футов 5 дюймов (около 1м.98.см.), он финишировал почти на полсекунды быстрее, чем лучшие из предыдущего поколения, и выглядел так, будто пришёл в бег из другого вида спорта. Длина его шага может достигать поразительных 9.3 футов (около 2м.83 см.), и, по словам исследования 2013 года Европейского журнала физики, позволяет ему демонстрировать скорость и ускорение, которые «не может повторить ни один другой бегун в мире».
Показатели Болта были не просто самыми высокими в мире. Этот спортсмен бежал быстрее, чем даже бегун мирового класса из предыдущего поколения, который использовал допинг. Родившийся в Ямайке канадский спринтер Бен Джонсон установил мировой рекорд с результатом 9.79 секунд на Олимпиаде 1988 года, победив Льюиса, и хвастался, что его результат был бы ещё выше не подними он руку прямо перед финишной чертой. Позднее его уличили в применении стероидов.
Потенциальные улучшения, достижимые путем допинга, относительно невелики.
Даже комбинации элитного бегуна и стероидов, однако, недостаточно, чтобы победить генетического уникума. Болт достиг результата 9.58 на стометровке во время Чемпионата мира по лёгкой атлетике в 2009 году, установив мировой рекорд и улучшив свой же результат на десятую секунды.
Подобная история есть и в НБА с Шакилом О’Нилом. Этот баскетболист был первым в лиге с ростом 7 футов (около 2.13 м.), который сохранял силу и ловкость гораздо меньшего человека. Высокий и трудолюбивый, он мог быть 200-фунтовым тяжелоатлетом, если бы его рост был 6 футов. Когда Шак получал мяч рядом с корзиной, ни один, или даже два человека не могли остановить его от результативного «данка». Вскоре после его появления в лиге пришлось усилить корзины из-за частых разрушений, которые приносили его «данки». После того, как Lakers выиграли три чемпионата подряд, НБА пришлось радикально поменять свои правила касательно зональной защиты чтобы уменьшить доминирование Шака в игре. Он был генетическим уникумом, чьё исполнение было несравнимо ни с кем в лиге, которую давно критикуют за мягкую антидопинговую политику: к примеру, она добавила текст крови на гормон роста в свою программу только в прошлом году. Был ли допинг в лиге или нет, тем не менее, этого было явно недостаточно, чтобы дотянуться до уровня Шака.
Для сравнения, потенциальные улучшения, достижимые путем допинга, относительно невелики. Профессор Университета Темпла Марк Израитель подсчитал к примеру, что в тяжёлой атлетике допинг увеличивает показатели на 5-10 процентов. Сравните это с прогрессом мировых рекордов в жиме лёжа: 361 фунт (около 164 кг.) в 1898 году, 363 (около 164 кг.) в 1916, 500 (около 227 кг.) в 1953, 600 (примерно 272 кг.) в 1967, 667 (примерно 302 кг.) в 1984, 730 (331 кг.) в 2015. Допинг может помочь выиграть соревнование, но не может обеспечить долгосрочный рост результатов, которые обусловлены генетическими уникумами. В тот момент, когда количество тяжелоатлетов увеличилось, стало появляться всё больше уникальных спортсменов, что привело к росту мировых рекордов.
Ещё один пример: Лэнс Армстронг победил при помощи допинга в Тур де Франс 1999 года с отрывом 7 минут 37 секунд от второго места Алекса Зюлле, или около 1 процента. Однако это ничто по сравнению с ростом результатов в этом соревновании за последние полвека: Эдди Меркс победил в 1971 году примерно на такой же дистанции как и в 1999 с результатом на 5 процентов хуже чем Зюлле. Конечно, некоторые из этих рекордов обусловлены лучшими методами обучения и экипировки. Но большая часть — это улучшение поиска спортсменов с исключительной природной способностью, всё дальше и дальше по кривой, насколько это возможно.
Мы идём по плоскости того, чего могут достигнуть генетические уникумы. Нормальное распределение, которое мы видим в атлетических возможностях — это совокупность множества аддитивных эффектов, независимых друг от друга. В конечном счёте, эти эффекты обусловлены генными вариантами или аллелями, с маленькими позитивными и негативными последствиями для организма вроде роста, мускулатуры и координации. Сейчас понятно, например, что большой рост обусловлен комбинацией необычно большого количества позитивных вариантов и, возможно, некоторыми очень редкими мутациями, которые имеют большое влияние на организм.
У специалиста в области геномики Джорджа Черча есть перечень некоторых из этих единичных мутаций. Он включают в себя вариант LRP5, который ведёт к экстра крепким костям, вариант MSTN, который обуславливает дополнительную мышечную массу, и вариант SCN9A, который связан с интенсивностью боли.
Черч также имел отношение к одному из величайших научных прорывов последних десятилетий: разработке высокоэффективного инструмента редактирования генов под названием CRISPR, который был одобрен для клинических испытаний и медицинского применения. Если технологии, связанные с CRISPR будут развиваться с той скоростью, что ожидается, дизайн людей будет достижим в ближайшие десятилетия. Редактирование генов легко делается вскоре после зачатия, когда эмбрион состоит только из небольшого числа клеток, но оно также возможно и у взрослых. Клинические испытания CRISPR начнутся в этом году, в их ходе учёные попытаются отредактировать существующие клетки у взрослых путём инъекции вирусного вектора. Вполне вероятно, что CRISPR, или его улучшенный вариант, станет безопасным и эффективным инструментом в ближайшем будущем.
Так как сложные показатели зависят от множества вариантов, мы знаем, что есть огромный потенциал для достижения результатов, к которым ещё не приблизился ни один человек — ни Шак, ни Болт, ни кто-либо ещё. Ни один живой человек не имеет положительных версий всех соответствующих генетических вариантов. Вся индустрия лёгкой атлетики по сути — алгоритм поиска генетических уникумов, но она запущена меньше века назад и не особенно эффективна. Её подход — пассивно ждать случайных рекомбинаций генов и надеяться, что спортивные программы найдут лучших индивидуумов.
Сейчас же мы вступаем в эру, когда сможем не только конструировать ДНК, но и сам человеческий интеллект инструментами своего же творения. Когда наше понимание признаков улучшится, генные инженеры будут иметь возможность изменять силу, размер, выносливость, быстроту, скорость и другие способности, необходимые для атлетической тренировки. Оценки числа вариантов, которые управляют ростом и когнитивными способностями — двумя самыми комплексными особенностями — находится в диапазоне 10000,5 вариантов, благоприятный вариант присутствует примерно у половины населения, а вероятность случайного зачатия «максимального» уникума составляет 2 в 10000 отрицательной степени или единицы к числу гугол (10 в степени 100), умноженного на само себя 30 раз. Конечно скорее всего невозможно иметь все 10000 положительных вариантов из-за различных побочных эффектов вроде слишком высокого роста или чересчур большого количества мышц или мощного сердца. Тем не менее, можно быть почти уверенным в том, что жизнеспособные особи будут существовать с более высоким уровнем способностей, чем когда-либо имел любой человек.
Кэти Ледецки на трассе 800 метров свободным стилем в ходе Олимпийского отбора США.
Другими словами, весьма маловероятно, что мы приблизились к максимальным показателям среди всех 100 миллиардов людей, которые когда-либо жили на планете (полностью случайный процесс поиска может потребовать создания около гугола разных индивидуумов!).
Но нам потребуется значительно ускорить этот поиск с помощью инжиниринга. В конце концов, сельскохозяйственное разведение животных, таких как куры и коровы с помощью направленной селекции, позволяет легко получить особей, которые в естественных условиях встречались бы в количестве одной единицы на миллиард. Селекция кукурузы с целью получения початков с масляными ядрами потребовала отбора 30 стандартных девиаций в течении всего 100 популяций. Этот опыт сравним с поиском максимально подходящего человеческого типа для атлетического соревнования. И прямые методы редактирования, такие как CRISPR помогут нам получить результат гораздо быстрее, а значит мы сможем создавать Болтов среди Болтов и Шаков среди Шаков.
Фримен Дайсон предположил, что люди будут использовать генетические технологии, чтобы изменить себя для исследования космоса.
Общее внедрение технологии редактирования генов придаст этому поиску попутного ветра. Индивидуальные выборы родителей скорее всего увеличат общую частоту вариантов в популяции, которые увеличивают атлетические способности. Это постепенно увеличит средние показатели популяции и крайние показатели способностей. Увеличение в среднем на одно стандартное отклонение (например, 3 дюйма в мужской высоте, или 15 баллов в IQ) делает индивидуума уникальным на 1000 человек (данные для мужчин высотой 6 футов 7 дюймов среди населения США), и такие отклонения начнут встречаться в 10 раз чаще.
Фримен Дайсон предположил, что однажды люди используют генетические технологии, чтобы измениться для исследования космоса — сделают себя более устойчивыми к радиации, вакууму и нулевой гравитации, а возможно и способными получать энергию напрямую из солнечного света. Вставка генов от совершенно разных видов, вроде генов фотосинтеза растений, даст новое значение термину ГМО: видообразование получит действительно новые возможности.
Атлетические способности человека могут развиваться по схожей траектории. Природа атлетов и спорта в целом изменится под влиянием новой геномной технологии. Мы любим поражаться исключительным, невообразимым способностям. Леброн и Кобе, Шак и Болт стимулируют интерес к своему спорту. Самым популярным видом в 2100 году могут быть бои в клетке между 8-футовыми титанами, способными на балетные удары ногами и запутанные движения в стиле джиу-джитсу. И, конечно, очень, очень быстрый 100-метровый спринт. Допинг не потребуется.
Стивен Хсу — вице-президент по исследованиям и профессор теоретической физики Мичиганского государственного университета. Он также является научным советником BGI (ранее Пекинского института Геномики) и основателем Лаборатории Познавательной Геномики.
Оригинал: Nautil.us
