Белая гвардия, белый снег

С биологией в творчестве Джорджа Мартина ситуация принципиально иная, чем, например, с астрофизикой или экономикой. Как помнят читатели из прошлого текста, астрономам удалось придумать довольно простой и удачный механизм, который объяснял бы неожиданность смены сезонов Вестероса — он вполне может быть связан просто с высокой прецессией и нутацией планеты. Экономическая ситуация тоже довольно правдоподобна — в своих ключевых механизмах и даже слабостях она очень напоминает экономику феодальной Европы средних веков. Но вот какое объяснение может лежать в основе существования белых ходоков и их способности воскрешать мертвых?

Кажется, что ничего подобного в реальном мире существовать не может и к биологии вся эта история никакого отношения не имеет. В целом, конечно, это так. Однако в том, что происходит на экране, можно разглядеть кое-какие реальные биологические механизмы, о которых полезно знать и интересно рассказать.

Что нам известно про белых ходоков из книг и сериала? Прежде всего то, что они живут за стеной, не боятся мороза, похожи на мумий и у них голубые глаза. Еще они легко воспламеняются, рассыпаются от валирийской стали, а у некоторых, — наиболее «высокопоставленных» ходоков — на голове имеются выросты наподобие рогов. Самое же интересное их свойство — способность создавать вихтов, — зомби, перерожденных из людей и лишенных собственной воли. Попробуем разобрать все эти странные особенности ходоков по порядку.

***

Белые ходоки — это прежде всего олицетворение холода, существа, приспособленные к низкой температуре окружающей среды. Можно даже не начинать говорить о, собственно, биологии, чтобы понять, кто является их главным врагом. Это вовсе не Джон Сноу, а голландский химик Якоб Хендрик Вант-Гофф, сформулировавший в конце XIX века одноименное правило, объясняющее зависимость скорости химических реакций от температуры. Звучит оно так: «при понижении температуры на каждые 10 градусов константа скорости гомогенной элементарной химической реакции уменьшается в два-четыре раза».

Это означает, что на каком бы «железе» не работали белые ходоки (углеродная это жизнь, кремниевая, или какая-то иная), скорость их метаболизма будет сильно падать при понижении температуры. Можно посчитать, что при температуре, скажем, в -30 градусов Цельсия, она будет в 100-15000 раз меньше, чем при «человеческой» температуре в 36,6 градусов. Вообще говоря, применять правило Вант-Гоффа к ферментативным системам нельзя, т. к. в них с ростом температуры скорость может даже падать из-за разрушения самого фермента. Но нас в данном случае интересуют низкие, а не высокие температуры. И тут почти у всех ферментов бутылочным горлышком скорости является диссоциация продуктов реакции. А она зависит от скорости диффузии, которая с понижением температуры все равно падает, так что мы опять возвращаемся к Вант-Гоффу (или Аррениусу).

Мы, к сожалению, не знаем, что едят белые ходоки и что у них за метаболизм, но низкая температура будет проблемой для любой биологической системы. Чтобы существовать в таких условиях, надо либо быть теплокровным существом, либо смириться с тем, что все жизненные процессы будут происходить очень медленно, — как, например, у некоторых изолированных почвенных бактерий. Ни то, ни другое не похоже на случай ходоков. В принципе, получить необходимое количество энергии для активной жизни при экстремально низкой температуре можно в том случае, если ваш метаболизм основан не на медленном кислородном дыхании, а на каких-то очень энергетически выгодных реакциях. Условно говоря, водород будет гореть и при температуре в минус сто. Но вот сильное повышение температуры мгновенно сделает такую реакцию неконтролируемой и разрушительной. Что, кстати, позволяет объяснить легковоспламеняемость жителей севера — несмотря на то, что в сериале и книгах пока что никто не пытался поджечь белых ходоков, есть косвенные указания на их уязвимость перед огнем. Вихты же горят не хуже бумаги, это мы точно видели. 

***

Другая проблема низкой температуры, — замораживание и образование льда — для живых организмов не является такой уж проблемой. Самые разные живые организмы — от амфибий до растений — научились бороться со льдом с помощью разнообразных криопротекторов, которые затрудняют кристаллизацию воды. Все они работают за счет того, что нарушают выстраивание молекул воды в цепочки и кластеры образуя с водой собственные водородные связи.

Элементарный пример такого вещества — любой спирт, например, метанол. Если взглянуть на формулу метанола, CH₃-OH, легко увидеть, что одна его часть (гидроксильная группа) очень похожа на воду, и поэтому может нативно взаимодействовать с другими ее молекулами, а вторая часть сильно от воды отличается. Поэтому даже небольшое количество метанола вносит полный хаос в порядок цепочек молекул, выстроившихся для образования кристалла.

Простые спирты как криопротекторы в живых организмах не используются, так как они, к сожалению, денатурируют белки. Но вот вещества покрупнее, например двухатомный спирт этиленгликоль или треахтомный спирт глицерин для белков вполне безопасны. Глицерин, например, является основным криопротектором амфибий. Перед приближением зимы его концентрация в теле саламандр существенно возрастает, что позволяет им впадать в спячку и избегать образования в тканях кристаллов льда. Некоторые насекомые используют для тех же целей не глицерин, а похожие на него c химической точки зрения сахара: глюкозу, фруктозу и их полимеры. Так что с точки зрения биохимии устойчивость ходоков к низкой температуре ничего фантастического собой не представляет.

Интересно, что в живом мире существуют и механизмы, позволяющие бороться с криопротекторами. Их, например, успешно используют бактерии Pseudomonas syringae, паразитирующие на некоторых растениях. Эти бактерии синтезируют очень необычный белок impZ, который способен инициировать образование в растительных клетках кристаллов льда. Последние, разрастаясь, разрушают клеточные мембраны и обеспечивают бактерий растительным соком. Интересно, что сухие препараты этих бактерий давно используют в льдогенераторах как средство ускорения кристаллизации.

Недавно, буквально две недели назад, биологам удалось в деталях рассмотреть, как работают «белки-замораживатели». Оказалось, что их молекулы обладают упорядоченным расположением гидрофобных и гидрофильных участков на своей поверхности, что позволяет выстраивать «хаотично бегающие» молекулы воды в зародыш нового кристалла. Как только льдинка сформируется, она начинает расти самостоятельно. Подобными свойствами инициаторов кристаллизации могут обладать не только белки, но вообще любые вещества с «правильно» чередующимися гидрофильными и гидрофобными группами. И если так устроена валирийская сталь (а почему нет?), это позволяет объяснить ее смертоносное действие на ходоков, которые от контакта с ней просто рассыпаются. Очевидно, нечто подобное должно происходить в переохлажденном метастабильном растворе при контакте с инициатором кристаллизации.

***

Способность создавать вихтов — ледяную версию зомби — кажется самым далеким от науки свойством белых ходоков. Иначе как магией его, вроде бы, не объяснить. Но на самом деле зомби в биологии встречаются, причем самые разные и в большом количестве.

Естественно, что зомби в данном случае это вовсе не воскресшее к жизни мертвое тело — но и в масскульте это слово далеко не всегда употребляется в таком смысле (единичные данные о воскрешении мертвых были опубликованы чуть менее двух тысяч лет назад и с тех пор в лабораторных условиях не воспроизводились). Биологические зомби — это вполне себе живые организмы, однако управляемые извне, в интересах хозяина. И, как правило, обреченные на неминуемую гибель.

Зомбификация подразумевает очень тонкий «хак» поведенческой системы одного организма другим. А это, естественно, требует длительной коэволюции двух видов: объекта зомбификации и его хозяина. Ведь всегда гораздо проще просто убить и съесть добычу, чем научиться управлять ей. Именно поэтому зомбирование чаще встречается в среде насекомых и вообще членистоногих, которые имели сотни миллионов лет на коэволюцию и внешне мало изменились со времени своего появления.

Классическими мастерами зомбификации являются осы и наездники. Они откладывают яйца в тела своих жертв с помощью острого яйцеклада. В роли жертв обычно выступают кузнечики, сверчки или муравьи. Из отложенных яиц впоследствии вылупляются личинки, которые поедают хозяев и затем окукливаются в них.

В самом простом случае наездники просто парализуют жертву, откладывают в нее яйца и прячут в земляной норке. Однако некоторые перепончатокрылые научились не просто парализовать, а управлять поведением своих жертв. Например, изумрудная тараканья оса Ampulex compressa в качестве пропитания для своих потомков использует тараканов. Поймав будущего хозяина, она сначала жалит его в область основания ножек, а затем в голову. Сразу же после этого оса улетает искать подходящую норку и оставляет таракана одного.

Паралич проходит уже через пару минут, но таракан не спешит убегать — он стоит на месте и начинает усиленно чистить себе усики. Примерно через полчаса оса возвращается, откусывает ему эти самые усики и ведет за собой. При этом таракан покорно следует за осой и даже не пытается сопротивляться. Затем оса замуровывает его в норке и оставляет вместе с яйцом. Если таракана оттуда достать, он выглядит совершенно здоровым. Как и обычный таракан, он умеет летать, плавать и переворачиваться со спины на ноги. Все нормальные моторные навыки ужаленное насекомое сохраняет, но у него пропадает мотивация к собственным спонтанным действиям. Другим словами, он ведет себя как настоящий зомби.

Но зомби вовсе не всегда ведут себя просто пассивно и покорно. Иногда они, наоборот, чего-то безумно жаждут — как вихты жаждут убивать все, что движется. Например, паразитические виды червей волосатиков (это отдельный тип, близкий к нематодам) умеют заставлять своих жертв безумно хотеть пить, из-за чего те погибают, бросаясь в воду. Волосатики размножаются в пресноводных озерах и ручьях, но вот сверчки, их хозяева, обычно держатся от водоемов подальше. Оказывается, чтобы попасть в водоем, волосатики научились манипулировать содержанием в мозге насекомого таурина, — вещества, которое, помимо прочего, регулирует осмотический баланс тканей (содержание соли в организме). Таким образом, насекомое, зараженного волосатиком, желающим поскорее попасть «к своим», начинает чувствовать безумную жажду и ищет ближайший водоем. Сверчок бросается в воду и тонет, а волосатик выходит из его тела и начинает поиск партнера для полового размножения.

Подобное манипулирование мотивацией возникало в живом мире неоднократно у самых разных организмов. Например, ее приобрели бакуловирусы, заражающие гусениц шелкопрядов. Перед тем, как гусеница погибнет и из нее выйдут вирусные частицы, она стремится заползти на ближайшее дерево и подняться как можно выше. В норме так себя гусеницы не ведут — ведь так их проще найти. Однако вирусу необходимо увеличить область рассеяния своих частиц, поэтому он «взламывает» инстинкт шелкопряда и заставляет его жертвовать собой в пользу паразита.

Интересно, что для зомбирования насекомых оказалось достаточно всего одного гена, причем этот ген вирус «украл» у самого насекомого. Продукт этого гена, однако, полностью поменял свою функцию, неожиданно превратившись из фермента в структурный белок капсида вируса. Как именно это позволило изменить поведение шелкопряда пока не понятно, и история эта очень запутанная. Достаточно сказать, что управлять поведением шелкопрядов умеют две разные группы бакуловирусов, причем механизмы этого управления совершенно различные и возникли независимо друг от друга.

Если вернуться к вихтам и попробовать выбрать механизм зомбирования, который бы для них хорошо подошел, то я бы, пожалуй, остановился на кордицепсе. Это один из самых известных мастеров зомбификации. Кордицепс Ophiocordyceps unilateralis — это гриб, который заражает несколько видов муравьев и использует их, фактически, в роли плодового тела. Гриб вырабатывает некие химические вещества (какие именно — пока не ясно), которые заставляют насекомое покидать муравейник и заползать на верхушки кустарников или травы. Там муравей закрепляется челюстями за лист и замирает. Грибные гифы после этого проникают в мозг муравья и убивают его, а в его теле начинается созревание спор. Интересно, что поначалу гриб «заботится» о хозяине — его гифы растут в теле насекомого избегая жизненно важных органов. И только после того как муравей выполнит «обязательную программу», кордицепс начинает проникать в мозг.

Если вспомнить о белых ходоках, то становится понятно, что их белая отслаивающаяся кожа очень похожа на результат грибного заражения. В конце концов, с точки зрения паразита значительной частью кожи можно пожертвовать на пропитание гиф — недаром ее называют «самым большим органом человеческого тела». Вихты, таким образом, могут быть промежуточными хозяевами грибов, живущих в белых ходоках.

Еще более убедительной такую версию делают «голубые» глаза тех и других. Как известно, голубого пигмента у позвоночных не существует, а синеватый оттенок глаз является следствием слоистости роговицы и отсутствия в ней меланина. Таким образом, если в случае вихтов речь идет о грибном заражении, то голубые глаза могут оказаться просто побочным эффектом расслаивания роговицы под действием гиф. Нет, конечно, в реальности ни один известный микоз к «посинению глаз» не приводит, но гипотетический механизм такого процесса гораздо более понятен чем, скажем, обратная трансляция. Вот ее не может быть даже в мире Джорджа Мартина.

Александр Ершов