Онтогенез. От клетки до человека

Глава 1 Столкновение с чуждыми нам технологиями

В этих словах английский философ и поэт Сэмюэль Кольридж выразил поэтическим языком удивление ребенка, впервые спросившего родителей: «Как я появился на свет?» Многие взрослые полагают, что этот вопрос касается половых отношений, и начинают мучительно раздумывать о том, что и когда можно рассказать. Однако ребенка вовсе не волнуют эти психосоциальные сложности, его вопрос и проще и глубже – как может появиться новый человек?

Еще ни один ребенок не получил полного и правильного ответа, потому что никто из взрослых не знает наверняка. Во времена Кольриджа были известны отдельные факты о последовательности анатомических изменений, происходящих по мере того, как новый человек растет в матке, но то, как и почему они происходят, оставалось загадкой. Два последующих века ученые пытались понять, как же оплодотворенная яйцеклетка превращается в ребенка. За последнее десятилетие наука шагнула далеко вперед, но по мере того, как ученые расшифровывают сложнейшие механизмы и разгадывают конкретные загадки, общее чувство изумления только растет. История эмбрионального развития, пока что обсуждающаяся в основном в специализированных научных статьях, поистине поразительна. Эта история о том, что произошло с каждым из нас, и потому должна быть общим достоянием. Мне посчастливилось работать в этой области, и в этой книге я попытался собрать наиболее значимые результаты современных исследований и дать ответ на самый глубокий – и самый детский – вопрос: как я появился на свет?

Наше понимание эмбрионального развития человека сложилось не в рамках какого-то одного научного подхода, а явилось результатом обобщения огромного количества информации из разных областей знания. Эмбриология и неонатология, напрямую изучающие развитие человека, предоставили в наше распоряжение большое количество анатомической и функциональной информации. Генетика и токсикология, области более широкие, чем биология развития, имеют огромное значение для выявления причин врожденных аномалий. Это очень важно, потому что, зная эти причины, можно выявить каскады биохимических реакций (так называемые молекулярные пути), необходимые для нормального развития соответствующих частей тела. Биохимия и молекулярная биология незаменимы для выявления деталей работы молекулярных путей, вовлеченных в развитие, вплоть до уровня взаимодействия атомов биологических молекул. Клеточная биология позволяет объяснить, как за счет взаимодействия разных молекулярных путей обеспечивается контроль поведения отдельных клеток. Исследуя более высокий уровень организации, физиология, иммунология и нейробиология раскрывают способы коммуникации и координации множества клеток.

Все упомянутые дисциплины относятся к областям медицины или биологии, в которых традиционно и проводились исследования по эмбриологии человека. Однако последнее время вклад в понимание развития человека внесли также области науки, которые на первый взгляд вообще не имеют отношения к этой теме: математика, информатика и даже философия. Они не проясняли конкретные детали (что и когда делает та или иная клетка), но затрагивали фундаментальные вопросы, связанные с развитием, например: как простое может стать сложным? как механизмы развития, неустойчивые по отношению к случайным ошибкам, могут обеспечивать высокую точность воспроизведения конечного результата? и не слишком ли развитие человека сложно для того, чтобы его могли полностью понять даже интеллектуально развитые люди? Последний из этих вопросов остается открытым, и предметом спора является слово «полностью». Однако в решении первых двух вопросов удалось достичь значительного прогресса. Ответ кроется в двух смежных концепциях: «эмерджентность» и «адаптивная самоорганизация». Это фактически две стороны одного и того же явления. «Эмерджентность» – это возникновение сложных структур и вариантов поведения из простых составных частей и правил; этот термин, как правило, используют те, кто смотрит на систему «вниз» с позиции «поведения на высоком уровне». «Адаптивная самоорганизация» – это «взгляд вверх»; этот термин позволяет описать, как применение этих простых правил к компонентам системы приводит к их коллективному поведению – выполнению сложных и тонких задач большого пространственного масштаба.[1]

Именно благодаря адаптивной самоорганизации неживые молекулы могут создать живую клетку, а клетки с ограниченными индивидуальными возможностями – сформировать способный на многое многоклеточный организм. Адаптивная самоорганизация – лейтмотив моей книги, так как она лежит в основе биологии развития. Понятия «адаптивная самоорганизация» и «эмерджентность» выходят за рамки биологии, и в разделе «Дополнительная литература» я привел несколько ссылок на увлекательные книги по этой теме.

Новые данные биологии развития ясно говорят о том, что организм возникает совсем не так, как строятся здания или машины. Смешно, но факт: способы образования нашего собственного тела абсолютно чужды нашим представлениям о том, как это могло бы быть. Поэтому, пытаясь понять, как эмбрион строит сам себя, очень полезно сравнить – и противопоставить – развитие этой биологической системы с привычными способами строительства объектов.

У всех инженерных проектов, будь то сборка локомотива или строительство здания, есть общие черты. Прежде всего у любого проекта есть определенный план – это может быть чертеж или какая-либо иная схема, – ясно показывающий, что же мы хотим получить в итоге. План показывает ожидаемый результат, но частью этого результата он не будет. У каждого проекта есть руководитель – главный инженер или архитектор, – который дает указания подчиненным, а те, в свою очередь, рабочим, которые и выполняют укладку кирпича, резку, сварку и покраску. Детали будущей конструкции не могут соединиться вместе сами по себе. Это делают рабочие – каменщики, сборщики, сварщики, – которые сами не являются частью этой конструкции. При этом рабочие и главный инженер владеют огромным объемом «внешней» информации – по технологии сварки или камнетесному делу, – которая не присутствует в объектах, которые они создают. И наконец, большинство рукотворных сооружений вводятся в эксплуатацию только после полного завершения работ.

В биологическом конструировании мы не найдем этих привычных этапов. Это лишний раз подчеркивает разницу между живыми существами и инженерными конструкциями. В отличие от технических проектов, биологическое конструирование не подразумевает никаких чертежей и эскизов конечного результата. Безусловно, в оплодотворенной яйцеклетке содержится информация (в генах, в молекулярных структурах, в пространственном распределении концентраций химических веществ), но связь между этой информацией и тем, как в конечном итоге будет выглядеть готовый организм, далеко не проста. Известно, что эта информация контролирует дальнейшую последовательность событий (а знаем мы это, потому что изменение этой информации, например при мутации гена или изменении концентрации определенного вещества в определенном месте, меняет последовательность событий, и развитие идет по аномальному пути).

В технике, и особенно в математике, к конечному результату можно прийти при помощи пошаговых инструкций. Рассмотрим пример: посередине пшеничного поля воткните в землю кол и привяжите к нему веревку. Возьмите другой ее конец и пройдите несколько метров, чтобы веревка натянулась. Затем идите направо, сохраняя натяжение. Таким образом можно начертить простейшую окружность. Некоторые структуры гораздо легче создать по инструкциям, чем по чертежам. Если у вас есть под рукой карандаш и бумага, попробуйте по приведенным ниже инструкциям начертить геометрическую фигуру под названием «салфетка Серпинского».

1. Начертите равносторонний треугольник с горизонтальным основанием. Чем больше он будет, тем лучше. Будем считать его «исходным треугольником».

2. Внутри данного треугольника проведите три отрезка. Каждый из них должен проходить из середины каждой стороны в середину смежной. Эти отрезки образуют перевернутый треугольник, занимающий четверть площади исходного.

3. Заштрихуйте полученный треугольник.

4. Теперь вы видите три незаштрихованных треугольника внутри исходного. Проделайте с каждым из них те же операции, что и с исходным треугольников, начиная с пункта 2.

5. (Продолжайте, пока вам не надоест: если вы вооружены хорошим карандашом, это занятие может длиться вечно.)

«Салфетка Серпинского» (благодаря заштрихованным областям чертеж напоминает ажурное вязание) – пример фрактальной структуры. При любом увеличении мы получим одно и то же изображение. Еще один пример фрактала – «множество Кантора». Его удобнее всего рисовать на поверхности, с которой легко стирать. Подойдет школьная доска. Нарисуйте линию, затем сотрите ее среднюю треть, после этого сотрите средние трети двух полученных линий, и так далее. Через некоторое время вы получите множество точек, расположенных через определенные интервалы. Статистические свойства этих интервалов идентичны свойствам многих природных явлений, будь то осыпание песка с бархана или промежутки между каплями воды из подтекающего крана, землетрясениями, эпидемиями и случаями массового вымирания животных.

Пошаговые инструкции, а не эскизы используются для создания объектов не только в математике, но и в повседневной жизни; простейший пример – кулинарный рецепт. По такому же принципу работает и текстильное производство, от ручного вязания («одну петлю провязываем, одну накидываем») до «жаккардовой машины» (1801 г.), первого в мире промышленного робота, на котором можно было, меняя перфокарты, переключать уровни сложности от простейшего до самого сложного узора. Музыка также воспроизводится благодаря инструкциям, роль которых выполняют нотные знаки на нотном стане, по которым музыкант может воспроизводить звуки необходимой высоты и продолжительности в нужный момент времени.

Многовековой опыт использования инструкций для получения задуманного результата с минимальными затратами времени и усилий приводит к тому, что мы склонны считать, что биологическая информация определяет наш внешний вид каким-то похожим образом. Это опасное заблуждение. Между живыми организмами и рукотворными объектами есть существенное отличие: в последнем случае инструкциям следует внешний сознательный агент действия. Даже такие, казалось бы, явные исключения, как автоматическая вязальная машина или механическое пианино, созданы по инструкциям и планам теми же внешними агентами, а значит, исключениями не являются. Проще говоря, кардиганы, симфонии, автомобили и соборы сами себя не создавали. Следование инструкциям, привнесение необходимой информации о процессе (умение вязать, готовить или класть кирпич) и собственно работа с материалами осуществляются не самой растущей структурой, а извне. Напротив, содержащаяся в эмбрионе информация считывается и обрабатывается самим эмбрионом; ему не на кого переложить ни тяжелую физическую работу, ни раздумья об оптимизации процесса. Как мы скоро увидим, это означает, что ответственность за биологическое конструирование лежит на всех его участниках, а не на руководителе, как в случае реализации инженерных проектов. Процесс создания тела человека контролируется не какими-то отдельно взятыми частями эмбриона, а системой в целом.

Чтобы понять особенности процесса построения, необходимо также иметь некоторое представление о природе используемых материалов. Рядом с моей лабораторией в Эдинбургском университете находятся три знаменитых моста: элегантный мост Дин, построенный Томасом Телфордом, легендарный железнодорожный мост через залив, построенный Бенджамином Бейкером, и, неподалеку от него, автодорожный мост Форд-Роуд. Телфорд построил мост из каменных блоков – тяжелых, громоздких, надежных только за счет сжимающего напряжения. Поэтому он использовал традиционный метод: сначала строились опоры, затем сооружался деревянный каркас для арочного пролета, затем на него выкладывались обтесанные в форме арки камни. После того как вес камня стабилизирует пролет, каркас можно удалить.

Бейкер использовал для строительства железнодорожного моста радикально новый по тем временам материал – сталь. Этот материал может держаться как за счет растяжения, так и за счет сжимающего напряжения, поэтому строительство можно было начинать с любой опоры, прикрепляя к ней секции одним концом. Чтобы поместить длинные и относительно легкие стальные секции на нужное место, использовались подъемные краны. Между собой эти секции соединялись с помощью заклепок.

Вантовый мост, самый новый из трех, держится за счет стальных тросов, вант, которые закреплены на пилонах на разных берегах. В данном случае сначала были установлены пилоны, затем намечены опорные точки для крепления тросов, а затем постепенно натягивались держащие мост ванты.

В каждом из этих случаев стратегия строительства моста определялась характером материалов. Ни один из них нельзя было бы построить, используя стратегию, предназначенную для моста другого типа. Так же и в биологии: стратегия конструирования зависит от природы участвующих в нем компонентов. Таким образом, настало время представить вам три ключевых биологических компонента, которые будут много раз упомянуты в этой книге, – это белки, матричная РНК (мРНК) и ДНК.

Белки – основные строительные материалы в биологии. Из них создана большая часть физических структур, которые придают форму клеткам, они образуют каналы и насосы, регулирующие циркуляцию веществ в клетках. Кроме того, белки – катализаторы. Они запускают и контролируют биохимические реакции и метаболические пути, продуктами которых являются другие составляющие организма, например ДНК, жиры и углеводы. Относительную важность белков можно проиллюстрировать, например, таким фактом: эритроциты (красные кровяные тельца) в процессе созревания теряют ядра, в которых содержатся все их гены, но после этого живут еще около ста двадцати дней. Клетка, в которой сохранились гены, но нарушилась функция белков, погибнет в течение нескольких секунд.

Белок состоит из длинной цепи отдельных блоков – аминокислот. Известно около двадцати типов аминокислот, отличающихся по строению и химическим свойствам. Они взаимодействуют друг с другом, и это означает, что цепочки аминокислот могут закручиваться в замысловатые формы – самопроизвольно или под действием других белков. Этот процесс закручивания настолько сложен, что невозможно, зная одну лишь последовательность аминокислот, предсказать, какой именно белок получится в результате. (Компьютерные программы для прогнозирования формы белка существуют, но в них используется сочетание расчетов и вероятностных рассуждений, основанных на уже известной структуре белков и аминокислотных последовательностей, выявленных экспериментально с помощью рентгеновской кристаллографии. Таким образом, эти программы похожи на компьютерные программы, которые используют синоптики; впрочем, надо отметить, что предсказание структуры белков все же точнее прогноза погоды.)

Разные белки состоят из разных последовательностей аминокислот. Они одна за другой присоединяются к растущей цепи белка в порядке, который устанавливается молекулой, называемой матричной РНК (сокращенно мРНК) (рис. 1). Молекула мРНК тоже представляет собой одинарную цепочку отдельных блоков – азотистых оснований: аденина (A), цитозина (C), гуанина (G) и урацила (U). По своей структуре они сходны и по сравнению с аминокислотами не так интересны в плане химических свойств: молекулы мРНК не играют большой роли в клетке помимо регуляции последовательности аминокислот в формирующемся белке. Эта последовательность определяется последовательностью оснований в мРНК. Каждой аминокислоте соответствует свой код из трех азотистых оснований.

Рис. 1. Трансляция белка на рибосоме. Аминокислоты связываются в растущую белковую цепь согласно последовательности оснований мРНК

Последовательность оснований в молекулах мРНК определяется последовательностью оснований в ДНК. ДНК – очень длинная молекула, состоящая из комбинаций четырех азотистых оснований: аденина, цитозина, гуанина и тимина (T), которые могут располагаться в разной последовательности. Отдельные молекулы ДНК, образующие большую часть сорока шести хромосом в каждой клетке нашего тела, содержат миллионы азотистых оснований. Отдельные участки этой цепи представляют собой гены. Когда считывается генетическая информация, молекула РНК кодирует последовательность оснований ДНК (A, C, G, T) на языке своих оснований (A, C, G, U). Таким образом, РНК по сути дела является копией (транскриптом) гена в другой среде. Фактическое считывание генов производится целыми комплексами белков. Сначала они связываются с различными короткими последовательностями оснований в начале гена, АТААТ или TCACGCTGA. Разные гены имеют разные комбинации таких коротких последовательностей, маркирующих их начало, а каждая последовательность связывается с конкретным белком. Таким образом, разные сочетания белков участвуют в активации процесса считывания различных генов.

То, что разные гены активируются разными ДНК-связывающими белками, очень важно, потому что разные клетки организма должны синтезировать разные типы белков. Например, клетки кишечника производят белки, которые позволяют переваривать пищу, клетки яичников синтезируют белки для половых гормонов, а лейкоциты вырабатывают белки для борьбы с микробами. Все эти клетки содержат все гены генома, даже те, которые им никогда не понадобятся. Однако считываются только гены, необходимые конкретным клеткам, и происходит это за счет присутствия «эксклюзивных» ДНК-связывающих белков.

Теперь нам волей-неволей придется отказаться от мысли, что какой бы то ни было из этих компонентов может отвечать за развитие клетки – или эмбриона – в целом. Повторю: белки образуются только потому, что их образование диктуют (посредством мРНК) активные гены. В свою очередь, эти гены активны только потому, что их активировали уже существующие белки. Таким образом, получается замкнутый круг: контроль не сосредоточен ни в одной конкретной точке, потому что он осуществляется повсюду (рис. 2).

Рис. 2. Циклическая природа биологической логики. Белки определяют гены, которые нужно считывать, а эти гены управляют образованием новых белков. Некоторые из новых белков определяют гены, которые нужно считывать… И так далее

Цикл, схема которого изображена на рис. 2, наводит на одну интересную мысль. Для того чтобы клетка сохраняла стабильность, среди активных генов должны быть такие гены, которые определяли бы, какие белки будут связываться с последовательностями, маркирующими эти самые гены. При этом, однако, набор активных генов не должен включать какие бы то ни было белки, активирующие неактивные в настоящий момент гены. Если не будут выполнены эти условия, белки, созданные набором активных генов, не смогут поддерживать активность того же самого набора генов – некоторые из них «выключатся», другие «включатся», а в результате будет сделан совсем другой набор белков, и так далее. Эти изменения продолжатся до тех пор, пока не будет достигнуто стабильное состояние. Именно эта закономерность лежит в основе того, как клетки нашего организма преобразуются в процессе развития в клетки новых типов. Такое изменение, как правило, происходит под воздействием внешних сигналов, которые меняют способность конкретных белков активировать гены: они нарушают стабильность и вызывают переход к новому состоянию. Мы будет постоянно сталкиваться с примерами таких сигналов в последующих главах книги.

«Циклический» контроль, распределенный по всей системе, отнюдь не единственная странная особенность биологического конструирования. Есть и другая особенность, которая кажется просто фантастической, если рассматривать ее с позиции традиционной инженерии. Ее суть в том, что биологические молекулы могут самопроизвольно объединяться в структуры большего пространственного масштаба. Кирпичи и болты на это точно не способны! Этот процесс, который имеет принципиальное значение для жизни, немного напоминает рост кристаллов. Обычные кристаллы, как в наборах юного химика, образуются, потому что составляющие их молекулы могут связываться друг с другом, как правило, благодаря локальным электрическим зарядам. В белках тоже есть локальные электрические заряды, часто расположенные в труднодоступных участках внутри белка или на его выпуклых частях. Распределение зарядов и форма белка продиктованы последовательностью аминокислот. Иногда молекула белка вогнутая спереди и выпуклая сзади, так что выпуклость одного белка совпадает с вогнутой частью другого, как детали конструктора Lego. В этом случае молекулы белка могут выстроиться «голова к хвосту» в тонкую структуру сколь угодно большой длины (рис. 3). Чаще, однако, белок может распознавать участки связывания не только в других белках или каких-либо других молекулах, но и в собственной структуре. Это означает, что он не может создавать бесконечные нити с идентичными молекулами, как это происходит в кристаллах, а связывается только с определенным количеством белков, образуя многокомпонентные комплексы особой структуры. Эти комплексы играют важную роль в клетках, потому что действуют подобно крошечным машинам, которые могут осуществлять сложные химические реакции или даже организовывать сборку структур, которые слишком крупны и сложны для самопроизвольной организации. Примером могут служить упоминавшиеся выше белковые комплексы для считывания генов.

Рис. 3. Определенные участки белков (например, выпуклости, вогнутости и участки, несущие электрический заряд) часто могут прочно связываться с комплементарными участками собственной цепи или с другими белками. Когда «голова» одного белка присоединяется к «хвосту» другого, образуется длинная нить, в которой каждая молекула будет выступать в качестве звена. Когда определенный белок может связываться только с другими белками, образуются мультибелковые комплексы определенного размера и формы. К этому типу относятся белковые комплексы, транскрибирующие гены

Уровень организации белковых комплексов подводит нас к очень важному моменту. Организация белков в комплексы основана на информации, которая находится только в самих белках («информация» в данном случае синоним структуры). Это по сути своей химический процесс, и его результат всегда одинаков – он надежный, воспроизводимый, но неизменный. На более высоких уровнях организации биологические структуры более изменчивы, они приспосабливаются к тем или иным условиям. Например, форма клетки зависит от ее места в составе ткани. Ее связи с соседними клетками определяются их взаимным расположением. Такие образования не могут определяться исключительно информацией, заложенной в химической структуре их молекулярных компонентов; требуются дополнительные сведения. Итак, мы переходим от структуры, управляемой изнутри, к структуре, регулируемой в том числе и извне, возвращаемся от чистой химии к биологии. В биологических системах к химической самосборке добавляется разноуровневая регуляция, и в результате получаются системы, в которых структуры адаптируются к условиям среды. На этом этапе приобретает особую важность упомянутая выше концепция адаптивной самоорганизации. Она оказывается ключом к пониманию того, как всего несколько тысяч генов и белков, не имеющие никакого представления о строении и функциях человеческого тела в целом, могут тем не менее его построить. Какой контраст с инженерными проектами, в которых для правильной сборки компонентов обязательно нужны внешние агенты действия, будь то рабочие или роботы! В следующих главах речь пойдет о значимости адаптивной самоорганизации для развития человека на самых разных уровнях, от самоорганизации молекул в пределах клетки до образования сложных тканей.

У биологического строительства есть еще одна необычная особенность, и связана она с ограничением, лежащим в самой основе жизни: его нельзя остановить, чтобы поразмыслить, а потом начать сначала. Созданные человеком механизмы, например компьютеры и самолеты, должны функционировать только после завершения работы, а пока идет процесс сборки, от них ничего не требуется. Развитие же эмбриона сопровождается строгим условием: на всех этапах развития он должен оставаться живым. Если водопроводчик хочет поставить отводку, он перекрывает воду и устанавливает на главную трубу Т-образный патрубок. Когда работа завершена, воду можно включить снова. А если бы такой подход использовался при создании человеческого организма, например при отведении нового сосуда от аорты? Плод тут же погиб бы. То же касается и других важных систем организма. Непререкаемое требование постоянного поддержания жизнеспособности в условиях развития организма является очень серьезным условием. Это еще одна причина, по которой развитие человеческого тела может показаться таким странным и таким сложным по сравнению с привычными способами строительства.

Пытаясь понять самые ранние стадии нашего существования, мы должны быть готовы отбросить привычные представления о процессе создания вещей и посмотреть на развитие эмбриона в свете его собственных законов. Это путешествие на неизведанные территории, оно требует нового образа мысли. И никаких инженерных метафор! В конце концов, мы не создаем эмбрионы, это они создают нас.