Онтогенез. От клетки до человека

Глава 14 Рожденные смертными

Один из многих парадоксов человеческой жизни заключается в том, что она зависит от смерти – смерти огромного количества отдельных клеток вполне здорового организма. Я говорю не о случайной гибели от неизбежных повреждений и не о смерти от бактериальных или вирусных инфекций. Речь идет о преднамеренном самоубийстве, когда клетки активируют белки, запускающие контролируемый процесс их разрушения. Было подсчитано, что таким образом погибают – в ходе абсолютно нормального развития – более половины клеток эмбриона. Поскольку клетки сами избирают путь саморазрушения, этот процесс также называют «избирательной гибелью клеток».[246]

Добровольная гибель клеток может быть связана, например, с тем, что образуемая ими ткань нужна только на промежуточных этапах формирования организма, а затем становится лишней. Такие ткани можно сравнить со строительными лесами, необходимыми для возведения, скажем, арочного моста: когда мост готов и может держаться сам по себе, леса убирают. У эмбриона примером могут послужить, вероятно, ткани временных почек (см. главы 10 и 12).[247] У низших животных, например у рыб, эти почки сохраняются и функционируют у взрослых особей, но у взрослых млекопитающих выделение осуществляют почки нового типа (глава 12). Однако первые клетки крови и кровеносные сосуды у эмбрионов млекопитающих образуются, как и у рыб, в комплексе тканей, который включает примитивные почки. В мужском организме часть «дренажной» системы временной почки идет на формирование каналов репродуктивной системы. Поэтому при эмбриональном развитии млекопитающих без временных почек не обойтись, хотя во взрослом организме они и не выполняют свою исходную выделительную функцию.

Избирательная гибель клеток играет важную роль при образовании ладоней и стоп эмбриона.[248] Они закладываются как лопатообразные структуры, в которых кости пальцев, образующиеся за счет уплотнения мезенхимы, одеты, словно рукавицей, общим слоем эктодермы (глава 11). Затем клетки, расположенные между пальцами, погибают, кожа оттягивается к ладони, и кисть становится похожей уже не на рукавицу, а на перчатку.[249] Роль избирательной гибели клеток при образовании пальцев была показана в экспериментах на эмбрионах птиц. У куриных эмбрионов она выражена очень сильно, и на лапах формируются длинные, хорошо разделенные пальцы, которыми удобно копаться в земле. У утиных эмбрионов, напротив, уровень клеточной смертности в промежутках между пальцами довольно низок. В результате формируются прекрасно приспособленные для плавания перепончатые лапы с прочным двойным слоем кожи и соединительной ткани между пальцами. При обработке куриных эмбрионов препаратом, ингибирующим избирательную гибель клеток, получаются цыплята с перепончатыми лапами (рис. 70).[250]

Наряду с уничтожением вспомогательных тканей, избирательная гибель клеток также используется для ликвидации лишних клеток в постоянных тканях. Многие развивающиеся ткани изначально производят избыточное число клеток, а затем, используя сигналы от других тканей, определяют, какие клетки и в каком количестве нужно сохранить.

Ярчайший пример такого перепроизводства клеток – формирование популяции моторных нейронов развивающегося спинного мозга. (Моторные нейроны иннервируют мышцы стенки туловища и конечностей, отвечая за их движение.) Давайте рассмотрим общий принцип этого явления на примере рук. При нормальном развитии в области спинного мозга, управляющей руками, производится гораздо больше моторных нейронов, чем требуется взрослому организму.[251],[252] От этих моторных нейронов в развивающиеся конечности отходят аксоны, которые должны вступить в контакт с волокнами развивающихся мышц. Через некоторое время происходит всплеск избирательной гибели клеток, и численность моторных нейронов значительно снижается.

Первые проблески понимания того, что же управляет избирательной гибелью клеток, пришло в ходе экспериментов,[253],[254],[255] в которых один зачаток передней конечности (крыла) куриного эмбриона удаляли, а другой оставляли на месте. Сначала по обе стороны спинного мозга образовывалось, как и следует, очень много моторных нейронов. После всплеска избирательной гибели клеток на стороне спинного мозга, связанной с развивающейся конечностью, погибало нормальное, относительно небольшое количество мотонейронов, а с той стороны, где конечности не было, наблюдалась массовая гибель мотонейронов. Этот классический эксперимент показал, что «решение» моторного нейрона (жить ему или умереть) зависит от того, удалось ли его аксону найти мышцу, к которой можно подключиться. Этот предварительный вывод был в дальнейшем подтвержден экспериментом по имплантации дополнительной конечности с одной стороны тела. Такая имплантация значительно снижала уровень гибели мотонейронов, как если бы им было нужно иннервировать мышцы двух конечностей.

Рис. 70. Роль гибели клеток в исчезновении перепонок между пальцами. Слева показана схема развития нормальной утиной лапы: гибель клеток между пальцами в зачатке конечности незначительна, перепонки сохраняются. На схеме посередине показано развитие нормальной куриной лапы: избирательная гибель клеток между пальцами сильно выражена (как и в случае человеческой руки), и образуются конечности без перепонок. Схема справа показывает результаты эксперимента, в котором сигналы, в норме вызывающие избирательную гибель клеток в конечности цыпленка, были ингибированы. Образовавшаяся конечность похожа на утиную. Это позволяет предполагать, что избирательная гибель клеток имеет принципиальное значение для исчезновения перепонок. Я говорю «предполагать», а не «считать доказанным», так как нельзя полностью исключать, что метод, используемый для ингибирования сигналов, также влияет на какой-то иной, пока неизвестный процесс в конечности. «Неизвестные неизвестности», как метко окрестил это явление Дональд Рамсфелд, – вечная проблема, возникающая при интерпретации биологических экспериментов

Когда ученые поняли, что при изменении количества мышц может изменяться число погибающих мотонейронов, а некоторые мотонейроны гибнут даже при нормальном развитии, они предположили, что мышц всегда немного меньше, чем мотонейронов. Тщательный биохимический анализ развивающихся мышц показал, что они производят факторы выживания нейронов в очень ограниченном количестве.[256] На ранних стадиях развития мотонейроны могут обходиться без этих факторов, но затем впадают в зависимость от них. Самоубийственный потенциал заложен в клетках изначально, и только сигналы от факторов выживания не дают привести его в исполнение. Мышцы рук нормального эмбриона производят недостаточно факторов выживания, чтобы сохранить все мотонейроны, и только клетки, образовавшие наилучшие соединения с мышцами, получают его в нужном количестве. Другие клетки получают слишком слабый сигнал, недостаточный для сдерживания «тяги к самоубийству». Поэтому такие клетки самоуничтожаются. Таким образом, многочисленные клетки конкурируют друг с другом за факторы выживания, и выживают лишь те, которым удалось создать оптимальное соединение с источниками этих факторов.

Перепроизводство клеток с последующим выбором лучших напоминает перепроизводство молодых животных с последующим отбором наиболее приспособленных (основной принцип естественного отбора, лежащий в основе дарвиновской теории эволюции).[257] Параллель неточная, но обе системы действительно предоставляют способ выбрать «наиболее приспособленные» единицы, обладающие случайной изменчивостью. В случае дарвиновской эволюции изменчивость выражается в разных комбинациях генов, которые несут конкурирующие между собой молодые особи. Изменчивость мотонейронов эмбриона в основном выражается в том, насколько точно их аксоны находят путь к цели. В обоих случаях наиболее приспособленные выживают, а остальные погибают. Благодаря такой организации процесса отпадает необходимость в сверхточном программировании пути движения аксонов, а также повышается устойчивость эмбриона к сбоям в работе системы.

Принцип конкуренции клеток за поступающие от цели сигналы выживания не ограничивается мотонейронами спинного мозга. Он также проявляется в сенсорной системе и во многих областях головного мозга. Самое интересное, что этот принцип проявляется не только в нервной системе. Его широкое распространение легло в основу так называемой трофической гипотезы,[258] согласно которой выживание любых клеток зависит от ограниченного количества факторов выживания, производимых другими клетками. Один из авторов этой гипотезы был настолько уверен в ее истинности, что, когда впервые рассказывал о ней на конференции, предложил внушительную премию тому, кто найдет противоречащий ей пример (оговорившись, что аномальные клетки и эмбрионы на самых ранних стадиях развития в расчет не принимаются). Премия так и осталась невостребованной.

Трофический принцип полезен для объяснения процессов развития, происходящих как на очень коротких, так и на очень длительных периодах времени. Во-первых, в соответствии с этим принципом клетки, которые образовались не там, где надо, или же «заблудились» и оказались далеко от будущих партнеров, просто покончат жизнь самоубийством, не причинив никому неудобств. Во-вторых, трофический принцип, возможно, обусловил эволюцию сложных организмов. Рассмотрим двух гипотетических животных с одинаковой формой тела. В организме одного из них сразу образуется именно столько мотонейронов, сколько нужно для обслуживания мышц рук, а в организме другого, как и у нас, сначала образуется слишком много мотонейронов, а затем избыток ликвидируется. Теперь представьте, что окружающая среда этих животных меняется, и открывается новая экологическая ниша, подходящая для животных с сильными конечностями (например, теперь нужно рыть землю или прыжками перемещаться с дерева на дерево). Чтобы животные первого типа получили более развитые, но функционирующие передние конечности, у одной особи должны одновременно произойти две мутации: одна, чтобы увеличить руки, а другая, чтобы увеличить количество мотонейронов ровно настолько, насколько нужно. Для животных второго типа будет достаточно мутации, которая приведет к увеличению рук, потому что количество выживших мотонейронов будет корректироваться автоматически с учетом нового, большего источника факторов выживания. Вероятность возникновения одной мутации мала; вероятность возникновения двух мутаций у одной и той же особи крайне мала, и такого стечения обстоятельств придется ждать очень долго. Животные, в организме которых имеет место перепроизводство клеток и последующее избирательное выживание, находятся в лучших условиях и имеют больше шансов выиграть эволюционную гонку – то есть эволюционировать быстрее и занимать новые экологические ниши. Поэтому неудивительно, что эти принципы лежат в основе развития сложных животных с долгой эволюционной историей, таких как мыши или люди. Не будь их, такие животные, возможно, просто не смогли бы возникнуть за всю эволюционную историю Земли.

Зависимость клеток от сигналов выживания, посылаемых другими клетками, имеет ряд интересных клинических следствий, и уже сейчас вмешательство в эти сигналы помогает спасать жизни людей. Раковые клетки утрачивают все обычные механизмы регулирования размножения (что, по большому счету, и делает их раковыми клетками), но многие из них все же зависят от сигналов выживания. Это ахиллесова пята некоторых опухолей, потому что иногда удается «убедить» их клетки совершить самоубийство, а это гораздо менее вредно для организма, чем традиционная химиотерапия. Такой подход особенно перспективен для борьбы с опухолями не жизненно важных тканей, потому что если в процессе лечения некоторые нормальные клетки тела, относящиеся к тому же типу ткани, тоже решат погибнуть, ничего особенно страшного не произойдет. Например, выживание клеток предстательной железы зависит от сигналов тестостерона. (К слову, наблюдение Карла Фогта (1840 г.), что простата молодых бычков резко уменьшается после кастрации, было первым четким описанием избирательной гибели клеток после нарушения сигнала выживания.) Многие виды рака и предраковых новообразований предстательной железы сохраняют свою зависимость от тестостерона и других гормонов, поэтому препараты, блокирующие передачу сигналов тестостерона, могут быть очень эффективны в борьбе с такими опухолями.[259],[260] Сходным образом, многие виды рака молочной железы зависят от сигналов эстрогена. Мощным ингибитором сигнализации эстрогена в тканях молочной железы является тамоксифен, и этот препарат действительно оказался очень эффективным при лечении рака молочной железы у многих пациенток.[261] Использование этого подхода для борьбы с опухолями жизненно важных тканей осложняется тем, что полное блокирование сигналов выживания может повлечь за собой уничтожение не только опухоли, но и нормальной ткани. Однако, поскольку опухоли нередко расположены беспорядочно, их клетки и так находятся довольно далеко от источников сигналов выживания. Поэтому теоретически возможно подобрать такую дозу препарата, которая поддерживала бы уровень сигнала на достаточном уровне для выживания нормальной ткани на обычном месте, но на слишком низком уровне для выживания клеток опухоли. В сочетании с другими методами управление сигналами выживания может стать ценным подспорьем в лечении разнообразных раковых заболеваний.

Глава 15 Как набраться ума-разума

Самое удивительное и трудное для понимания качество, возникающее у развивающегося эмбриона, – это разум. О работе высших функций мозга мы до сих пор знаем очень мало, но из того факта, что разные типы повреждений мозга имеют определенные и предсказуемые последствия, можно сделать вывод, что разум как психическое явление связан с нейронной активностью мозга как физической структуры.

Головной мозг, как и спинной, развивается из нервной трубки. Сначала на головном конце этой трубки возникают три первичных мозговых пузыря, которые станут передним, средним и задним мозгом (рис. 71). Рост этих пузырей связан с энергичным размножением клеток в стенках нервной трубки (глава 13), а также, возможно, обусловлен внутренним давлением жидкости в центральной полости мозга (на данном этапе развития ее отведение временно заблокировано). После формирования трех основных пузырей боковые стороны переднего мозга тоже вздуваются, образуя две стороны новой структуры – конечного мозга. Другие пузыри тоже начинают подразделяться на четко выраженные участки. Процесс развития идет по схеме, с которой мы уже неоднократно сталкивались: вся область делится на зоны, эти зоны растут, делятся на подзоны, которые, в свою очередь, растут и делятся на подзоны и так далее.

У просто устроенных позвоночных, таких как рыбы, мозг остается прямой трубкой с выпячиваниями, и связь его структур со структурами эмбриона вполне очевидна (поэтому в те времена, когда этическая сторона препарирования еще никого не волновала, школьников на уроках биологии повально заставляли препарировать акул катранов). У млекопитающих, и особенно у человека, ситуация усложняется необходимостью втиснуть большой объем мозга в маленькую голову сложной формы. Это достигается за счет сгибания и складывания основной трубки, которая при этом преображается до неузнаваемости. Кроме того, как будто этих сложностей недостаточно, конечный мозг человека сильно разрастается и покрывает остальную часть головного мозга (рис. 71). После этого на нем образуются бороздки, благодаря которым площадь поверхности мозга увеличивается еще сильнее, не выходя за пределы черепной коробки.

Рис. 71. Основная форма человеческого мозга образуется в результате целой серии последовательных выпячиваний и складываний

Насколько нам известно, структуры головного мозга образуются при помощи тех же основных механизмов развития, что и структуры более простого спинного мозга. Новые слои клеток (в головном мозге их очень много) образуются в ходе клеточного деления, дифференциация клеток и усложнение простых структур происходят за счет обмена сигналами, трубка складывается, а затем складывается снова, «провода» прокладываются за счет направленной миграции аксонов (глава 13), лишние клетки погибают за счет избирательной клеточной гибели (глава 14). Разница заключается в том, что эти процессы протекают гораздо более интенсивно, особенно у продвинутых позвоночных, включая людей, мозг которых далеко ушел от трубки с несколькими выпячиваниями. Многие сигналы, вовлеченные в нейронную «проводку» и выживание или гибель клеток, уже идентифицированы, но я не стану рассказывать о них, чтобы не утомлять вас, поскольку ничего принципиально нового здесь нет. Гораздо интереснее поговорить о том, как из этой массы анатомических деталей развивается эпифеномен мозга – реагирующий, обучающийся, мыслящий разум. Нейробиология далека от сколь бы то ни было полного понимания этого явления, но можно взять один из элементов высших функций разума – например, способность к обучению – и попробовать понять, как клетки эмбриона создают структуры, которые делают обучение возможным.

Насколько мы знаем, при обучении происходит перестройка соединений между нейронами в головном мозге в зависимости от сигналов, которые они передают или принимают. Места контактов между нейронами, как мы уже знаем, называются синапсами. Синапс устроен так, что утолщение (синаптическая бляшка) на конце аксона передающего нейрона прилегает к мембране принимающего нейрона. Есть синапсы, в которых электрические сигналы передаются непосредственно от нейрона к нейрону. В синапсах других типов электрические импульсы в аксоне передающего нейрона приводят к высвобождению определенных химических веществ – нейромедиаторов – в узкую щель между ним и принимающим нейроном. Пройдя через этот промежуток, нейромедиаторы связываются с рецепторами принимающего нейрона, стимулируя или подавляя его в зависимости от типа нейромедиатора и рецептора. Большая часть нейронов мозга образует синапсы с тысячами других нейронов. Поскольку нейроны в головном мозге исчисляются десятками миллиардов, а на один нейрон у взрослого человека приходится около тысячи синапсов, в общей сложности в мозге присутствуют триллионы синапсов. В общем случае сигнал от одного синапса недостаточно силен, чтобы привести в действие принимающий нейрон (или, по крайней мере, привести его в действие полностью), но одновременные сигналы от нескольких синапсов могут суммироваться и создать в принимающем нейроне достаточно сильный импульс. Это означает, что нейрон приходит в действие под влиянием сочетания полученных сигналов, что в принципе позволяет определять конкретное действие на основании разнородной информации (зрение, слух, память, желание и т. д.). Этот механизм был показан на модельных животных с просто устроенной нервной системой, и ученые предполагают, что в масштабах человеческого мозга происходит то же самое. (Скажем так: на данный момент нет никаких оснований полагать, что в человеческом мозге это происходит иначе, хотя было бы крайне самонадеянно рассчитывать, что дальнейшие исследования не преподнесут нам каких-нибудь сюрпризов.) Большинство принимающих нейронов посылают аксоны к другим нейронам. В результате образуются сложные нейронные контуры. Аксоны некоторых нейронов (мотонейронов) идут непосредственно к мышцам, и, когда нейроны передают электрический импульс, мышцы сокращаются. Так мысль обращается в действие.

Есть два основных способа изменить соединения между нейронами. Один из них предполагает, что анатомические соединения не меняются, а меняется биохимическая эффективность передачи сигнала каждым нейроном. Достоинство этого способа – быстрота. Другой способ заключается в изменении самой системы нейронной «проводки»: существующие соединения исчезают, и появляются новые. Это происходит медленнее, потому что рост новых аксонов требует времени (за один час конусы роста проходят расстояние, примерно равное одному диаметру нейрона). Около шестидесяти лет назад канадский невролог Дональд Хебб предложил механизм, за счет которого процесс обучения по первому типу – за счет изменения силы существующих соединений – может происходить автоматически.[262] Рассказывать об этом механизме будет проще, если мы вспомним о существовании особого и довольно простого типа обучения – условного рефлекса.

Условные рефлексы открыл русский физиолог И. П. Павлов при изучении физиологии пищеварения. (Его открытие также известно под названием «выработка условного рефлекса по Павлову».) Когда собаки видят пищу или чувствуют ее запах, у них начинается слюнотечение, так как активность слюнных желез контролируется в том числе и мозгом, а не только присутствием пищи во рту. В своих опытах Павлов подвергал собак перед кормлением воздействию не связанных с едой стимулов, например, они слышали звук свистка или колокольчика или получали несильный удар электрическим током. Конкретная собака получала один и тот же стимул перед несколькими приемами пищи. По истечении некоторого периода Павлов обнаружил, что этот стимул начал вызывать у собак слюноотделение сам по себе, без последующего кормления. Собаки «выучили» и «запомнили» связь между стимулом и предстоящим кормлением. У них выработался условный рефлекс.

У собак, как и у всех млекопитающих, очень сложная нервная система, но подобный условный рефлекс встречается и у более простых позвоночных. Например, тропическая рыба Chromobotia macrocanthus быстро научается ассоциировать бренчание банки с кормом с кормлением и при этом звуке впадает в характерное возбужденное состояние. Такое научение было показано даже у плодовых мушек, хотя их нервная система устроена значительно проще, чем у собак. Если обычных плодовых мушек поместить в трубку, проходящую между двумя камерами, в каждой из которых свой характерный запах, мушки перемещаются из камеры в камеру хаотично, без особых предпочтений. Если сначала «познакомить» их с одним из запахов, никакой разницы в последующем поведении не будет. Если же сначала «познакомить» их с одним из запахов, подвергая их при этом серии электрических разрядов, а затем поместить в трубку, мушки будут избегать «знакомого» запаха и переместятся в другую камеру. Очевидно, они «научились» ассоциировать запах с электрическими разрядами.[263],[264]

Хебб предположил, что принимающие клетки могут биохимически менять эффективность ответа на сигналы от конкретных синапсов в соответствии с правилом: эффективность ответа на сигналы от синапса увеличивается, если синапс передает импульс в то же время, когда принимающая клетка тоже передает импульс. Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим простую модель части нервной системы плодовых мушек, которые подвергались эксперименту с запахами и электрическим разрядом. В этой модели (рис. 72) задействовано четыре типа нейронов (подобное упрощение далеко от реальности, но поможет объяснить основной принцип). Нейроны типа O1 активируются в присутствии запаха 1, а нейроны типа O2 активируются в присутствии запаха 2. Нейроны типа E активируются под воздействием электрического тока, а нейрон R, к которому подключены все остальные нейроны, при активации вызовет у мушки реакцию «спасения бегством». До обучения связи нейронов обоих типов (O1 и O2) с нейроном R слишком слабые, чтобы активировать его, так что ни один запах не подталкивает мушку к бегству. Однако связь нейрона R с нейронами типа E достаточно сильная, чтобы активировать нейрон R при стимуляции электрическим током. Если при использовании электрического тока и активировании нейрона R с помощью сигналов нейронов типа Е присутствует запах 1, будут активны нейроны типа O1. Таким образом, условие Хебба будет выполнено, и реакция нейрона R на синапсы O1 усилится.

Рис. 72. Упрощенная модель выработки условного рефлекса у плодовых мушек. Сначала нейрон R получает слабые сигналы как от нейронов O1, реагирующих на запах 1, так и от нейронов O2, реагирующих на запах 2, а также сигналы от нейронов типа E, которые интенсивно стимулируются электрическим током. На самом деле в процессе участвует гораздо большее количество нейронов каждого типа, но на рисунке для ясности показаны лишь некоторые из них

Если это будет происходить достаточно часто, то реакция будет настолько сильной, что одного только импульса нейронов О1 будет достаточно, и плодовая мушка станет избегать запаха 1, не дожидаясь удара током. Реакция на нейроны O2 при этом не будет усиливаться, и запах 2 не будет вызывать у мушек желания «спастись бегством».

За десятилетия после публикации гипотезы Хебба были открыты некоторые биохимические механизмы, лежащие в основе описанного процесса. Во многих исследованных нервных системах, включая нервную систему плодовой мушки, в синапсах действует определенный нейромедиатор – глутамат. У принимающих клеток есть два типа рецепторов для этого нейромедиатора. Рецепторы типа AMPAR работают просто: каждая молекула AMPAR, связавшись с глутаматом, активирует комплекс белков внутри принимающей клетки и вносит свой скромный вклад в попытки вызвать передачу импульса. Если достаточное количество молекул AMPAR свяжется с глутаматом и если чувствительность комплекса белков внутри клетки достаточно высока, то импульс возникнет. Рецепторы другого типа – NMDAR – работают далеко не так просто: они ведут себя по-разному в зависимости от того, есть в данный момент импульс в клетке или нет. Если нейрон находится в состоянии покоя, молекулы NMDAR ничего не могут сделать, даже если вокруг много глутамата. Однако в возбужденном нейроне (то есть в таком нейроне, который получает достаточно сигналов от всех своих синапсов для возникновения импульса) молекулы NMDAR способны реагировать на глутамат и направлять свои сигналы в клетку. Эти сигналы не активируют клетку напрямую, а локально изменяют систему AMPAR этого синапса, увеличивая силу сигнала, который может создать определенное количество глутамата. Именно рецепторы NMDAR лежат в основе гипотезы Хебба: они активны, если уже активны и принимающая клетка, и конкретный синапс (за счет наличия глутамата), и могут изменить силу синаптической связи, повысив чувствительность системы AMPAR (рис. 73).

Важность системы NMDAR для обучения была наглядно продемонстрирована в экспериментах с плодовыми мушками, запахами и электрическими разрядами. Были созданы генетически модифицированные плодовые мушки, у которых можно было в любой момент отключить производство белков NMDAR и затем снова включить его. Поскольку белки NMDAR довольно короткоживущие, их практически не остается в организме плодовой мушки уже через пятнадцать часов после отключения. У таких мушек способность ассоциировать запах с электрическими разрядами сильно нарушена. После возобновления производства NMDAR к мушкам возвращается способность «учиться» в обычном режиме.

Рис. 73. Влияние потенциал-чувствительного рецептора NMDAR на характер стимуляции принимающей клетки рецепторами AMPAR. Вентиль обозначает сети сигнальных белков и систем, контролирующих содержание AMPAR в мембране. Вместе они регулируют силу сигнала, который может подать система AMPAR при наличии конкретного количества глутамата

Хеббовская регулировка силы синаптических связей – один из возможных, но не единственный механизм обучения. Есть убедительные доказательства того, что и у человека, и у низших организмов сами нейронные структуры головного мозга могут меняться в зависимости от жизненного опыта. Один из самых изученных примеров относится к развитию зрительной системы. Давайте посмотрим, что происходит после того, как «карта» сетчатки глаза была в общих чертах нанесена на определенную область головного мозга (глава 13). Связь аксонов сетчатки и нейронов в мозге, возникшая под действием химических сигналов, довольно приблизительна. По мере создания синаптических связей в верхнем двухолмии и других областях мозга аксоны из определенной части глаза подключаются не только ко многим «правильным» клеткам (к которым подключаются также соседние аксоны), но и к нескольким «неправильным» клеткам. Отсутствие корректировки привело бы к затуманиванию зрения, и возможности такой удивительной системы, как человеческий глаз, остались бы нераскрытыми. Поэтому после рождения ребенка, когда глаза открываются, нейронная сеть корректируется за счет перестройки связей, связанной с активностью глаз. Этот механизм напоминает механизм Хебба, но на этот раз от совпадения импульса синапса и импульса принимающей клетки зависит не только сила синаптических связей, но и само их сохранение. Если, например, аксон из левой верхней части глаза образует синапс с нейроном, с которым уже соединены аксоны других клеток верхней левой части глаза, импульс будет возникать одновременно, потому что все они будут передавать информацию об одних и тех же событиях, попадающих в поле зрения. Совместное действие всех этих синапсов будет возбуждать принимающий нейрон, и все его синаптические соединения усилятся. По мере того как принимающая клетка будет передавать все больше импульсов, она будет все неохотнее сохранять слабые синапсы, которые никогда не «попадают в такт». Синапс, не синхронизированный с импульсами принимающей клетки, скорее всего, реагирует не на те стимулы, на которые реагируют большинство синапсов этой принимающей клетки. Это значит, что его аксон выходит из другой части глаза или его передающий нейрон чувствителен к какой-то другой части поля зрения. Как бы то ни было, в этой принимающей клетке такому синапсу не место. Отключая такие «рассинхронизированные» синапсы, принимающие клетки освобождаются от груза неправильных соединений. Свободный конец аксона может «попытать счастья» и подключиться к другой принимающей клетке (за счет химических сигналов, описанных в главе 13). Процесс повторяется до тех пор, пока аксон не найдет подходящий нейрон и не образует с ним синапс, синхронизированный с другими синапсами этого нейрона.

Зависящая от активности перестройка нейронных связей имеет интересные последствия для животных с бинокулярным зрением, например для человека или кошки, у которых оба глаза смотрят вперед и поля их зрения во многом совпадают. У таких животных аксоны, передающие сигналы о какой-то части зрительного поля от одного глаза, присоединяются примерно к той же части зрительной коры, что и аксоны другого глаза, покрывающие ту же часть зрительного поля. Если прикрыть один глаз новорожденного животного на несколько недель, его аксоны будет неактивны, так как не будут передавать никакого изображения. Другой глаз будет работать нормально, и синаптические соединения его аксонов будут стабилизированы, а синаптические соединения, идущие от закрытого глаза, будут по большей части утрачены. После снятия заслона глаз остается анатомически идеальным, но не взаимодействующим со зрительной корой и, по сути, слепым. Такое нарушение зрения у людей, когда один глаз не подключен мозгу должным образом, называется амблиопией, или «ленивым глазом». И у людей и у животных это нарушение можно скорректировать, отключив деятельность ведущего глаза, например на несколько месяцев закрыв ребенку действующий глаз глазным пластырем и таким образом дав другому глазу возможность установить собственные соединения с мозгом. После этого обоим глазам требуется определенный период совместной работы, пока не будет достигнуто полное совпадение изображений.

Карта сетчатки – не единственный пример пространственного «картирования» в головном мозге. Звук тоже картируется, именно поэтому мы можем установить местонахождение его источника. У людей это не самая сильная сторона, но, например, совы, которые охотятся в условиях низкой освещенности, очень хорошо определяют положение источника звука на основании мелких различий в громкости и времени получения звука между одним и другим ухом. В мозге совы сигналы от ушей и глаз сходятся в тектуме (птичьем эквиваленте верхнего двухолмия; см. главу 13), так что каждая часть тектума реагирует на интегрированные световые и звуковые сигналы из определенного участка в пространстве.[265] Совмещение зрительной и слуховой карт связано с перестройкой, зависящей от активности. Это было показано в известном эксперименте, в котором на сов надевали очки. Призмы, вмонтированные в очки, смещали поле зрения в сторону: когда сова смотрела вперед, она видела то, что находилось на несколько градусов правее нормального центра поля зрения. У таких сов начиналась перестройка нейронных соединений в тектуме, направленная на то, чтобы нормальный сигнал от ушей правильно совмещался со смещенным сигналом от глаз. Процесс перестройки занимал около двух недель. Пока совы продолжали носить очки, ситуация оставалась стабильной. При снятии очков в молодом возрасте (меньше шести месяцев) соединения снова перестраивались, и слуховая карта правильно совмещалась с визуальной. Совы старше полугода были гораздо хуже способны к перестройке соединений.[266] Это напоминает ситуацию с изучением языков у людей – детям оно дается значительно легче, чем взрослым.

Такая способность мозга к перестройке нейронных соединений предоставляет в его распоряжение механизм, позволяющий устанавливать надежные связи между ассоциированными сигналами и совмещать входящие сигналов, совпадающие во внешнем мире. Таким образом, синхронизированные нейроны образуют устойчивые связи.

Механизм обучения по Хеббу, основанный на формировании ассоциаций между разными нейронными сигналами, и перестройка нейронных связей, направленная на укрепление этих ассоциаций, явно играют роль как в улучшении обработки сенсорной информации, так и в ускорении простейших типов обучения (например, при выработке условного рефлекса). Может показаться, что от этого далеко до таких проявлений разума, как анализ экономической ситуации, сложение любовных стихов или планирование нейробиологических исследований. Могут ли столь сложные вещи основываться на таких простеньких клеточных механизмах? Этого мы не знаем, но есть основания полагать, что они играют существенную роль. Большинство высших функций разума основано на ассоциациях между объектами, местами, идеями, воспоминаниями и множеством других вещей, а система Хебба и другие подобные системы – это мощный механизм ассоциативного обучения.

Пример умственной способности, в значительной мере опирающейся на ассоциации, – это способность к изучению языков. Суть большинства языков в том, что произносимые звуки или письменные знаки, используемые для обозначения чего-либо, являются случайными и, как правило, не имеют никакого отношения к природе обозначаемого. Встречаются звукоподражательные слова (они обычно используются для передачи издаваемых животными звуков, например «кря-кря» или «му»), но их немного. Однако роза, как ее ни назови – rhosyn, ruusu, роза, tăng, 玫 瑰, – пахнет одинаково приятно. Таким образом, понимание языка отчасти зависит от образования устойчивых нейронных связей между реальными объектами (местами и т. д.) и словами. В принципе это похоже на образование прочных нейронных связей между звоном колокольчика и кормлением у собак Павлова, а значит, при овладении языком могут использоваться аналогичные механизмы стабилизации или элиминации синапсов. Даже если отвлечься от языка, наше повседневное понимание мира в значительной степени основано на ассоциациях: между лицом и именем человека и воспоминанием о добром поступке, между местом и возможностью купить букет роз, между движением ноги и безопасной остановкой автомобиля. Недавние исследования показали четкую взаимосвязь между развитием областей мозга, важных для ассоциативного обучения, и занятиями, которые предполагают запоминание огромного количества географической информации, как, например, работа лондонского таксиста. Это еще один пример того, как мозг перестраивается в ответ на изменения окружающей среды, но на этот раз речь идет не просто о зрении или слухе, а о высших функциях мозга.

Вполне возможно, что разум и сознание далеко не исчерпываются хеббовскими синапсами и перестройкой нейронных связей. Тем не менее эти аспекты развития нервной системы, которые мы уже более или менее понимаем, являются принципиально важной предпосылкой для возникновения разума. Это еще один пример того, что построение тела зависит от налаживания связей между клетками в соответствии с сигналами, которые они получают. Гены, задействованные при создании головного мозга, не содержат информацию о его окончательном строении – в системе, структура которой должна меняться в зависимости от результатов обучения, такой подход был бы обречен на провал. Вместо этого конкретные белки, кодируемые этими генами, образуют механизмы, которые укрепляют, ослабляют или разрушают связи в зависимости от степени совпадения поступающих и исходящих сигналов. Постоянно сравнивая выходящие сигналы с входящими, эти системы совершенствуют мозг, меняя способы ассоциации сигналов и переводя результаты обучения в трехмерную структуру меняющихся нейронных сетей.

Эти открытия (замечу, что многие из них уже далеко не новы) могли бы существенно снизить накал споров об относительном влиянии природы и воспитания, которые так любят вести поклонники генетики с социологами-любителями. Одни утверждают, что умственные способности обусловлены генетически, другие – что они складываются под воздействием окружающей среды. Из того, о чем шла речь в этой главе, следует, что практически во всех существенных случаях гены и окружающая среда работают вместе: белки, кодируемые генами, создают нейронные «машины», а связи в этих машинах образуются под воздействием окружающей среды. И гены, несущие опасные мутации, и неблагоприятная среда ведут к умственной неполноценности. «Хорошие» гены позволяют создать в процессе развития такой мозг, в котором потенциально сформируется здоровый разум, но этот потенциал будет реализован только в том случае, если стимулы окружающей среды, получаемые в детстве, позволят создать правильные нейронные связи. Для таких социальных животных, как человек, это означает не простые визуальные и слуховые стимулы, но и богатство языка, общения, игры и любви. Теперь мы знаем (не предполагаем на основе каких-то конкретных политических позиций, а действительно знаем, основываясь на таких беспристрастных доказательствах, как изображения, полученные в ходе МРТ-сканирования мозга), что мозг детей, которые часто подвергаются сильной вербальной агрессии и плохому отношению, развивается с физическими отличиями от мозга детей, которые росли в более благополучной среде.[267],[268] То же касается детей, подвергающихся физическому (частые телесные наказания)[269] или сексуальному насилию,[270] причем в каждом случае затрагиваются разные отделы мозга. МРТ-снимки мозга детей с отклонениями – страшная иллюстрация к словам писательницы Берил Бейнбридж: «Все можно перерасти, кроме детства».

Глава 16 Мера всех вещей

В Венеции, в Галерее Академии, что на южном берегу Большого канала, хранится один из ярчайших символов Возрождения – рисунок «витрувианского человека» работы Леонардо да Винчи. На нем изображена обнаженная мужская фигура. И ноги и руки фигуры показаны в двух положениях: ноги вместе или немного расставлены, руки вытянуты в стороны параллельно земле или вытянуты и приподняты до уровня макушки. Тело вписано в окружность с центром в пупке, а также в квадрат, сторона которого соответствует росту человека (рис. 74).

Пояснения к рисунку написаны зеркальным письмом, которым Леонардо обычно делал тайные записи, и содержат сведения об относительных размерах частей тела. К ним относятся, в частности, следующие правила: длина разведенных в стороны рук равна росту человека (это показывает квадрат), расстояние от линии роста волос до подбородка равно одной десятой доле человеческого роста, расстояние от локтя до кончиков пальцев – четверти, длина уха составляет треть длины лица и так далее. Всего правил тринадцать. Придумал их не Леонардо, а римский архитектор Витрувий еще в первом веке до нашей эры, и поэтому рисунок Леонардо обычно называют «витрувианским человеком». Как показывает стилизованный рисунок «витрувианской женщины», выполненный современной художницей Сьюзан Доротеей Уайт, те же самые правила справедливы и для женского тела.

Хотя теперь мы понимаем, что эти правила отражают не абсолютные, а усредненные пропорции, и что у многих людей лица более вытянуты, а уши длиннее, чем следует из правил Витрувия, все же удивительно, с какой точностью большинство тел, за исключением аномальных, укладываются в эту схему. Каким же образом мельчайшие клетки могут так точно сложиться в определенные формы и пропорции тела, во много раз превышающего их собственные размеры?

Рис. 74. Витрувианский человек (рисунок Леонардо да Винчи) (Wikimedia Commons) CC gaggio1980-Fotolia.com

Пропорции взрослого человека иные, чем у эмбриона: относительные размеры частей тела закономерно отличаются у плода, младенца, ребенка и подростка. Например, голова новорожденного младенца намного больше относительно общих размеров тела, а конечности намного короче, чем у взрослого человека, не говоря уже о том, что все тело гораздо меньше. На протяжении дальнейшего роста размер различных частей тела находится под контролем, так что они всегда пропорциональны по отношению друг к другу. Таким образом поддерживается замечательная, почти точная симметрия человеческого тела. При этом части тела не обязательно контактируют друг с другом (например, левая и правая нога), а длина таких крупных частей тела, как конечности, даже у новорожденного превышает длину отдельной клетки в десять тысяч раз. Как же части тела измеряют сами себя? Какие механизмы сообщают растущему организму чувство меры? Если в двух словах, то это пока неизвестно, но, собрав воедино данные экспериментов на разных животных, от плодовых мушек до млекопитающих, мы можем высказать ряд обоснованных предположений.

Прежде чем говорить о пропорциях, давайте посмотрим, как контролируется абсолютный размер человеческого тела. Существенная часть наших знаний на эту тему получена при изучении людей, у которых этот контроль так или иначе нарушен, а именно карликов и гигантов.

Уже давно было замечено, что гигантизм, при котором рост человека намного больше среднего, часто связан с опухолями гипофиза. Если такие опухоли активны в период нормального роста ребенка, он вырастает очень высоким (2,10–3,60 м). При этом такие люди, несмотря на исключительно высокий рост, имеют нормальные пропорции тела.

Гипофиз – сложный орган, выделяющий множество гормонов, но с точки зрения контроля размера тела важнее всего так называемый гормон роста. Здоровый гипофиз выделяет небольшие количества этого гормона в пульсирующем ритме, один выброс в несколько часов. Как правило, наибольшая активность гормона достигается во время сна. Концентрация гормона роста довольно высока в раннем детстве, когда организм растет быстро, и резко снижается до скромного «взрослого» уровня в возрасте примерно от 18 до 20 лет. Люди, в организме которых производится мало гормона роста, очень невысокие (около 1,2 м), но имеют более или менее нормальные, «витрувианские» пропорции тела. Сама по себе связь между количеством гормона роста и размером тела еще не говорит о том, что здесь причина, а что – следствие. Однако тот факт, что дети с низким содержанием гормона роста растут вполне нормально, если делать им инъекции этого гормона,[271],[272],[273] явно указывает на то, что количество гормона роста определяет размер тела.

Гормон роста не оказывает непосредственного влияния на рост и размножение клеток. Он заставляет некоторые клетки, в частности клетки печени, образовать вторую сигнальную молекулу дальнего действия – инсулиноподобный фактор роста I (ИФР-I; родственная молекула ИФР-II контролирует рост плода).[274] Именно ИФР-I передает большинству клеток организма инструкции, касающиеся размера состоящих из них структур. Гормон роста регулирует синтез ИФР-I за счет сложного процесса, включающего его связывание со специфическим рецептором и запуск внутреннего сигнального пути, приводящего к экспрессии гена, кодирующего ИФР-I.[275] Мутация гена, кодирующего этот рецептор, приводит к тому, что клетки носителей мутации приобретают аномальную чувствительность к гормону роста.[276] Это является причиной особого типа карликовости – синдрома Ларона. Для людей с этим синдромом характерен низкий рост и непропорционально малый размер таких внутренних органов, как сердце, в сочетании с нормальными пропорциями скелета. (Любопытно, что среди людей с синдромом Ларона много долгожителей. Самые разные животные, от круглых червей до грызунов, в организме которых уровень ИФР-I опускается ниже нормы, как правило, переживают нормальных животных своего вида, и, возможно, у людей имеет место тот же самый эффект.)[277]

Далеко не при всех нарушениях контроля роста пропорции тела остаются нормальными. Яркий пример этого – Анри де Тулуз-Лотрек, художник, живший через четыре столетия после того, как Леонардо да Винчи нарисовал «витрувианского человека». Тулуз-Лотрек – пост импрессионист, запечатлевший на своих картинах, рисунках и плакатах богемный декаданс Парижа на рубеже веков, – обладал необычным телосложением. Его лицо и туловище были нормальными по размеру и пропорциональными относительно друг друга; голова, правда, была деформирована из-за позднего и неполного закрытия зазоров между костями черепа. В возрасте 13 лет у художника было нормальное телосложение, но затем ноги перестали расти, а туловище – нет. Поэтому в зрелом возрасте ноги выглядели короткими, и рост его составлял всего 1,5 м. Кости были хрупкими, и ноги часто болели.[278] Большинство современных медицинских генетиков, рассматривавших случай Тулуз-Лотрека, сходятся на том, что он страдал от генетического нарушения, которое теперь называется пикнодизостоз.[279],[280],[281]

Пикнодизостоз – заболевание крайне редкое. За всю историю медицины описано только около двухсот случаев. Он обусловлен мутацией в гене, кодирующем фермент, который должен в том числе высвобождать ИФР-I из костей.[282],[283],[284],[285] Если такого фермента нет, ИФР-I остается в «ловушке» и не может стимулировать рост. Пациентам с пикнодизостозом хорошо помогают дополнительные дозы гормона роста, поддерживающие уровень ИФР-I в нужных пределах.[286] Гораздо чаще, чем пикнодизостоз, встречается другой тип карликовости – ахондроплазия, затрагивающая примерно одного из 25 тысяч людей. Ахондроплазия вызвана мутацией в сигнальном рецепторе, которая нарушает нормальный рост костей конечностей.[287],[288],[289] Люди с ахондроплазией имеют непропорционально короткие конечности, а также определенные неправильности их формы и формы других частей тела.

Телосложение Тулуз-Лотрека и людей с ахондроплазией свидетельствует о том, что неспособность некоторых частей тела поспевать за общим ростом не обязательно останавливает рост всего организма. Таким образом, пропорциональность не является следствием того, что каждая часть тела постоянно «проверяет», не переросла ли она другие части. Разные части тела должны по-своему реагировать на гормон роста, ИФР-I и другие влияющие на рост гормоны. Это справедливо даже для двух однотипных частей тела. В одном особенно наглядном эксперименте, проведенном двадцать лет назад, рост одной задней лапы кролика ингибировался с помощью местного введения химического препарата. Вторая задняя лапа кролика продолжала расти нормально, и кролик вырос кривобоким. Очевидно, что одинаковая длина ног не обусловлена тем, что растущие конечности обмениваются сигналами и подстраиваются друг к другу в процессе удлинения.[290],[291]

Из строения конечностей Тулуз-Лотрека и людей с ахондроплазией следует еще один важный вывод. В обоих случаях определенное биохимическое нарушение, являющееся первопричиной отклонения в развитии, непосредственно влияет на рост длинных костей конечностей. Прямого влияния на рост кожи, мышц, нервов, кровеносных сосудов и т. д. нет, но тем не менее эти ткани не образуют вокруг короткой кости бесформенную мягкую массу, предназначенную для нормальной конечности. Они растут в соответствии с длиной аномальной конечности. Это хорошо иллюстрирует глубинную дихотомию контроля над размерами тела: некоторые ткани организма, например кости кролика в эксперименте, самостоятельно регулируют свой абсолютный размер и могут считаться главными детерминантами размеров тела, а другие ткани ориентируются не на свои абсолютные размеры, а на размеры относительно тканей первого типа. В плане контроля над размерами ткани второго типа оказываются подчиненными, их задача заключается в том, чтобы не отставать от роста тканей-начальников, но никогда не обгонять его. Поэтому проблема контроля над размерами распадается на два вопроса: во-первых, как ткани-начальники измеряют сами себя, и, во-вторых, как подчиненные ткани подстраиваются под начальников?

Давайте сначала посмотрим, как ткани-начальники, скажем кости, контролируют свой рост. Возьмем в качестве примера развитие конечностей. Кости конечностей растут не по всей длине, а в специализированной зоне роста – эпифизарной пластинке. Она располагается близко к концу, но не на самом конце кости. Эпифизарная пластинка подразделяется на несколько зон (рис. 75). На внешнем ее конце клетки активно размножаются. Эта пролиферация является одной из непосредственных причин роста кости, хотя и не самой главной. На внутренней границе зоны пролиферации клетки меняют свое поведение и начинают формировать хрящ – мягкий предшественник кости. За счет этого внутренняя граница зоны пролиферации смещается на один ряд клеток, так что в приграничном положении оказываются новые клетки. Им нужно некоторое время на то, чтобы отреагировать на изменение ситуации, после чего эти клетки тоже переключатся на образование хряща, и так далее. Таким образом, на дистальном конце зоны пролиферации постоянно появляются новые клетки, а на проксимальном конце клетки постоянно покидают эту зону и создают хрящ. В результате зона пролиферации продвигается вперед.

Рис. 75. Эпифизарная пластинка кости растущей конечности

Формирование хряща сопровождается увеличением объема: отчасти потому, что клетки увеличиваются в размерах, а отчасти потому, что они выделяют студенистое вещество, заполняющее межклеточное пространство. Это увеличение объема ткани и является основной причиной удлинения кости. Со временем хрящ созревает, хрящевые клетки отмирают и замещаются клетками, источником которых является прилегающая сформировавшаяся кость. Эти клетки заселяют хрящ, постепенно превращая его в костную ткань. Поскольку клетки в зоне пролиферации продолжают активно размножаться, процесс идет непрерывно: кость удлиняется, а зоны эпифизарной пластинки смещаются все дальше в дистальном направлении. Таким образом, скорость удлинения кости зависит прежде всего от скорости пролиферации клеток в наружной части эпифизарной пластинки и скорости, с которой клетки покидают зону пролиферации и начинают формировать хрящ.

Насколько мы знаем, скорость пролиферации и скорость перехода к созданию хряща зависят от сигналов двух типов: внутренних сигналов, которые организуют эпифизарную пластинку, и внешних сигналов, которые задают темп ее работы. Внутренние организующие сигналы необходимы для поддержания достаточного уровня пролиферации, то есть такого, при котором эпифизарная пластинка сохраняется в более или менее неизменном виде, несмотря на постоянную «потерю» клеток в каждой зоне («потеря» связана с тем, что клетки по мере созревания переходят в следующую зону). Зрелые хрящевые клетки, обреченные на гибель и замену костными клетками, выделяют сигнальный белок, под действием которого клетки на внутренней границе зоны пролиферации меняют поведение и начинают формировать хрящ. Тот факт, что сигнал подают сами зрелые клетки, автоматически приводит к равновесию между количеством полностью созревших, готовых погибнуть хрящевых клеток и количеством клеток в зоне пролиферации, которые получают сигнал к превращению в новые хрящевые клетки. Такое равновесие позволяет поддерживать размер зоны формирования хряща по мере ее продвижения в дистальном направлении.

Только что описанная система сигналов чревата одной опасностью: если под действием этих сигналов клетки начнут переходить к формированию хряща слишком быстро, пролиферирующие клетки не будут поспевать за ними, и популяция клеток зоны пролиферации может истощиться. Предотвратить такую ситуацию помогает другой сигнальный белок. Его выделяют клетки, которые только что перестали делиться и перешли к созданию хряща. Этот сигнал распространяется через развивающуюся кость. На него реагируют особые клетки на внешней стороне кости, за эпифизарной пластинкой. Они начинают вырабатывать еще один сигнальный белок.[292] Он распространяется обратно к зоне пролиферации на эпифизарной пластинке и заставляет расположенные там клетки размножаться быстрее (рис. 76).

В результате совместного действия этих двух сигнальных систем одна из которых говорит «созревайте!», а другая «размножайтесь!», к созреванию приступает именно столько клеток, сколько нужно для замены погибающих, а число клеток, вступивших на путь созревания, точно компенсируется за счет пролиферации. Таким образом, система в целом остается стабильной.

Основным внешним регулятором роста костей является уже рассмотренная нами система «гормон роста – ИФР-I». Далее в этой главе я буду для простоты называть ее просто «гормоном роста». По-видимому, гормон роста меняет уровень пролиферации и, таким образом, действует сообща с внутренними сигналами эпифизарной пластинки, регулирует количество клеток, которое можно потратить на формирование хряща. Влияния гормона роста недостаточно, чтобы отменить способность эпифизарной пластинки к самоорганизации, поэтому ее структура остается постоянной, независимо от того, медленно или быстро растет человек. Предположительно, эпифизарные пластинки костей различных типов (бедренной кости, костей пальцев и т. д.) обладают разной чувствительностью к гормону роста. Поэтому они растут с разной скоростью, и образуются кости с характерными относительными пропорциями. Заметим, что какая бы система не отвечала за этот процесс, она должна легко перестраиваться, учитывая большое разнообразие пропорций костей у разных обезьян и человека.

Рис. 76. По мере роста эпифизарной пластинки ее структура остается постоянной за счет различных сигналов. Некоторые из этих сигналов внутренние, а некоторые «ретранслируются» через промежуточную станцию в надкостнице

Как же все-таки получается, что кости одного типа, например бедренные кости левой и правой ноги, в конечном итоге примерно равны по размеру? Ответ подсказывает нам вариант описанного выше эксперимента с лапой кролика. В этом варианте, опубликованном в той же статье, что и основной эксперимент, исследователи ограничивали рост одной конечности так, чтобы кролик стал асимметричным, а затем снимали это ограничение. Результат был поразительным – короткая лапа тут же начинала расти быстрее, чем росла нормальная, и в конечном итоге достигала нормальной длины. Понятно, что в организме было достаточно гормона роста, чтобы поддерживать быстрый рост, но нормальная конечность не реагировала на него столь активно, как та, с которой сняли временное ограничение на рост. Почему же две конечности с разной интенсивностью реагировали на одну и ту же концентрацию циркулирующего гормона роста? Может быть, процесс роста сам по себе снижал чувствительность эпифизарной пластинки к подобным гормонам? Такой гипотетический механизм был бы изящным способом обеспечить равную длину парных конечностей: даже если бы по какой-то причине одна из них отстала в росте, она бы сохранила повышенную чувствительность к гормону роста и имела бы шанс «догнать» нормальную конечность.[293]

Особенности одного из внутренних сигнальных путей наводят на мысль о возможном механизме того, как скорость роста кости может зависеть от уже достигнутого размера. Как я уже говорил, созревающие клетки влияют на увеличение числа клеток в зоне пролиферации не напрямую, а через сигнальную петлю, ведущую к внешнему слою растущей кости и обратно к зоне пролиферации. Если кость небольшая, внешний слой находится не слишком далеко даже от середины эпифизарной пластинки, и сигнальная петля получается короткой и эффективной. Когда кость увеличивается, края эпифизарной пластинки находятся еще довольно близко к наружному слою кости и получают эффективный сигнал, а вот середина лежит дальше и получает менее интенсивный сигнал. В среднем по эпифизарной пластинке темпы пролиферации падают, и спад продолжается по мере роста кости и, следовательно, удлинения сигнальной петли. Таким образом, чем длиннее кость, тем менее охотно она откликается на одно и то же количество гормона роста. Такой механизм полностью объяснял бы и обычную симметрию левой и правой конечности, и результаты эксперимента с кроликом. Тем не менее хочу подчеркнуть, что этот механизм является гипотетическим, и его существование пока не доказано. Содержание этого абзаца – чисто умозрительная попытка непротиворечиво объединить данные разных исследований.

Скорость нашего роста непостоянна. С наступлением полового созревания происходит скачок роста, который характерен только для человека и, по-видимому, появился в эволюции у Homo erectus.[294] После этого скачка наш скелет перестает расти, хотя тело может увеличиваться в обхвате за счет мышц или жира. Как скачок роста, так и его остановка, судя по всему, запускаются половыми гормонами, которые вызывают и такие явные признаки полового созревания, как рост волос на теле у мужчин и формирование молочных желез у женщин.[295] Из всех половых гормонов для роста важнее всего эстроген.[296] Его часто называют женским половым гормоном из-за его роли в менструальном цикле, но он вырабатывается и в организме мужчин (под действием фермента, превращающего тестостерон в эстроген). Эстроген стимулирует производство гормона роста и ускоряет рост, а также непосредственно влияет на поведение костных клеток.[297] В этом возрасте рост может даже немного опережать скорость отложения минералов, необходимых для окончательного формирования кости. Поэтому кости подростков могут быть очень хрупкими. Примерно половина детей ломают кости в подростковом возрасте,[298] и половина этих переломов приходится на быстро растущие длинные плечевые кости. Следует заметить, что хрупкость костей – не единственная причина повышенного риска переломов в этом возрасте. Растущая физическая сила нередко сочетается у подростков с полным отсутствием головы на плечах.

Расплачиваться за обусловленный эстрогеном быстрый рост приходится эпифизарной пластинке. Под действием высоких концентраций эстрогена клетки перестают размножаться и переходят к образованию хряща. Этот эффект настолько силен, что, по-видимому, нарушает тонкое равновесие самоорганизующихся петель обратной связи, которые поддерживают организацию эпифизарной пластинки. Это означает, что к самому концу полового созревания, когда уровень эстрогена очень высок у обоих полов, пролиферация отстает от созревания. Постепенно вся эпифизарная пластинка превращается в зрелый хрящ. После этого она «закрывается» и утрачивает способность расти. Есть мутации, при которых эстроген не производится и, следовательно, эпифизарные пластинки не закрываются. Носители таких мутаций, повзрослев, продолжают расти. Такой рост можно остановить при помощи инъекций эстрогена, который закрывает эпифизарные пластинки. Были случаи, когда эстроген вводили вполне нормальным девушкам, если было понятно, что они рискуют вырасти слишком высокими. Аналогичным образом, невысоким мальчикам-подросткам вводили препараты, блокирующие действие эстрогена, чтобы эпифизарные пластинки не закрывались еще некоторое время и мальчики успели подрасти. Эта книга – не место для обсуждения вопросов об этичности такого вмешательства и о том, кто имеет право диктовать «правильный» рост конкретного человека. Я привел эти примеры для того, чтобы показать два важных момента: во-первых, эстроген закрывает эпифизарные пластинки, во-вторых, изменив время их закрытия, можно повлиять на окончательный рост. Таким образом, окончательный рост человека определяется, помимо скорости роста, еще и временны́м фактором.

Подведем промежуточный итог. Насколько нам известно, контроль над размером скелета осуществляется следующим образом.

I. Кости растут благодаря самоорганизации пролиферирующих и созревающих клеток, которые обмениваются сигналами.

II. Гормон роста стимулирует рост, но растущие кости постепенно теряют чувствительность к нему.

III. Половые гормоны вызывают быстрый рост в период полового созревания, но при сильном повышении их концентрации нарушается самоорганизация эпифизарных пластинок; они закрываются, и рост прекращается. Гормон роста производится непосредственно в гипофизе, в то время как половые гормоны производятся в половых железах в ответ в основном на команды из гипофиза. В этом смысле, если скелет является тканью-«начальником» процесса роста, то гипофиз осуществляет общее руководство процессом.

А что же происходит с тканями-«подчиненными» – с теми, которые подгоняют свой размер под общий размер тела, определяемый скелетом? Поразительно, но и у нормальных животных, и у мутантов со всевозможными отклонениями от нормального размера скелета и нормальных пропорций «подчиненные» ткани растут в соответствии с размерами тела, которое должны обслуживать. Это касается даже тех случаев, когда из-за аномальной формы тела эти ткани должны иметь необычные пропорции, например кожа на слишком короткой конечности нормальной ширины или кожа на животе тучного человека. Учитывая такую устойчивость к отклонениям, маловероятно, что «подчиненные» ткани слепо следуют биохимическим сигналам, сообщающим о количестве ткани-«начальника», ведь эти сигналы не могут сообщить тканям о необходимой форме, особенно в случае аномального строения. Тем не менее один «сигнал», способный эффективно донести информацию и об относительном размере, и о форме, все-таки есть. Этим «сигналом» является механическая сила.

Если ткань, например кожа ноги, не успевает за ростом нижележащих тканей, она будет растягиваться и испытывать натяжение. Натяжение – это сила, которая действует на весь объект, и 10 %-ное натяжение ткани можно будет обнаружить в любой точке этой ткани независимо от ее размера. Механизм, использующий чрезмерное натяжение как индикатор недостаточного роста, имеет то достоинство, что он не зависит от размера: он будет работать одинаково хорошо как на большом, так и на маленьком участке ткани. Другим достоинством этого механизма является то, что он никак не связан с конкретной формой. Если при избыточном натяжении клетки будут делится и образовывать дочерние клетки, формирующие дополнительную ткань в направлении натяжения, ткань всегда будет расти в нужном направлении. Знать заранее, куда расти, ей совершенно не нужно. Поэтому система будет надежно работать для разных форм тела. Это упрощает не только обслуживание самых необычных вариантов роста, но и эволюционные изменения формы тела.

Существуют убедительные доказательства того, что механическое натяжение может запускать пролиферацию клеток. Если в течение нескольких дней мягко оттягивать ухо живой крысы, темп пролиферации клеток уха увеличится, и ткань вырастет.[299] Судя по оттянутым мочкам ушей у людей, которые постоянно носят тяжелые серьги, это явление характерно и для человека. Активизация пролиферации при растяжении может быть показана в простых экспериментах на культурах клеток, где одни клетки подвергаются натяжению в большей степени, чем другие.[300],[301] Клетки, используемые в этих экспериментах, в организме формируют клеточные пласты и трубки и соединяются друг с другом благодаря межклеточным контактам. Эти контакты механически связаны друг с другом внутри каждой клетки при помощи белковых микрофиламентов, которые проходят через клетку насквозь и всегда создают легкое натяжение. Клетки культивируются на поверхности, где «островки», к которым клетки могут легко прикрепиться, перемежаются участками, к которым они прикрепляться не могут. Островки в форме квадратов или звезд имеют прямые края и острые углы. Клетки, расположенные вдоль прямых краев, не испытывают сильного механического воздействия с их стороны; на них действует только легкое натяжение, которое испытывают и создают все клетки. А вот клеткам, расположенным в острых углах, приходится изгибаться самым невероятным образом и по-прежнему противостоять легкому натяжению со стороны соседей. Это означает, что они испытывают гораздо более сильное напряжение. Именно такие угловые клетки размножаются наиболее активно (рис. 77). Если растянуть поверхность, на которой растут такие клетки, имитировав таким образом растяжение ткани, не поспевающей за ростом тела, пролиферация будет происходить по всей площади поверхности.

Если напряжение и натяжение – это способ сообщить ткани, что она растет недостаточно быстро, то сжатие и скученность можно использовать, чтобы подать клеткам противоположный сигнал – их теперь достаточно, нужно перестать делиться. Уже давно было показано, что, если поместить нормальные клетки в чашку Петри, они размножаются, пока не покроют дно, после чего деление прекращается.[302] Если удалить некоторые клетки, например проведя по дну чашку Петри стерильным ластиком, то клетки на границе образовавшегося просвета будут делиться снова, пока не заполнят его, а потом опять остановятся. Это явление, получившее название «контактное торможение», послужило одним из первых указаний на то, что пролиферация клеток может контролироваться их собственным ощущением скученности. Расшифровать механизмы этого явления не удавалось несколько десятков лет, но последние данные, полученные на плодовых мушках, проливают свет на эту проблему. Ключом к механизму, насколько мы теперь понимаем, являются две крупные молекулы белков клеточной поверхности, похожие по строению на адгезионные молекулы, которые сцепляют клетки между собой. Есть очень убедительные данные о том, что эти молекулы тоже «прилипают» друг к другу. Чем больше клеток, тем больше площадь соприкосновения их поверхностей и тем сильнее взаимодействие между поверхностными белками. Это взаимодействие запускает сложный сигнальный путь внутри клетки, который приводит к ингибированию пролиферации.[303],[304]

Ткани-«подчиненные» могут почувствовать свою соразмерность еще одним способом – отследив свое собственное биохимическое воздействие на организм. Они могут сделать это напрямую или опосредованно за счет «переговоров» с другими типами тканей. О такой регуляции уже шла речь в связи с кровоснабжением (глава 9): рост новых кровеносных сосудов отчасти контролируется тем, насколько успешно имеющиеся сосуды обеспечивают ткани кислородом. Указания на то, что подобный метод могут использовать целые органы, были получены в экспериментах по трансплантации, в которых животному сначала удаляли какой-то орган (не из числа жизненно важных), а затем пересаживали один или несколько эмбриональных зачатков того же органа. Эти эксперименты обычно ставятся для изучения трансплантации, так что полученные сведения о контроле над размером оказались своего рода бонусом.[305] Если пересадить животному с удаленной селезенкой один зачаток селезенки плода, он вырастет до размеров нормальной селезенки.[306] Если пересадить животному несколько зачатков селезенки, то они перестанут расти, когда совокупность их индивидуальных объемов достигнет объема нормальной селезенки. Это говорит о том, что либо селезенки сами «поняли», что в организме достаточно селезеночной ткани, либо это обнаружил организм и подал сигнал маленьким селезенкам. Тем не менее это явление не носит универсального характера. Когда подобный эксперимент проводился над тимусом, каждый зачаток вырос до размеров нормального тимуса, и у животного возник избыток этих желез.[307] Таким образом, разные органы регулируют свои размеры, руководствуясь разными правилами. Это значительно усложняет проблему.

Рис. 77. Когда клетки выращиваются на маленьких квадратных «островках», клетки по краям и особенно по углам испытывают сильное механическое напряжение. Уровень пролиферации у таких клеток выше, чем у клеток посередине «островка», которые не испытывают столь сильного напряжения (рисунок основан на оригинальной микрофотографии, сделанной Селестой Нельсон и ее коллегами)

Контроль над размером и пропорциями остается малоизученной областью. В этой главе я представил выжимку того, что нам уже известно. Размеры тела в основном диктует скелет, а большинство других тканей подстраивается под него. Рост скелета регулируется гормонами роста, которые производит гипофиз, и половыми гормонами. Они действуют на самоорганизующиеся эпифизарные пластинки в развивающихся костях. Другие ткани реагируют на механическое напряжение, обусловленное ростом скелета и других тканей, и растут в соответствии с ним. Некоторые внутренние органы могут «ощущать» собственную соразмерность, отслеживая свое биохимическое воздействие на организм, но это относится не ко всем органам. Ни один из этих механизмов не предполагает, что клетки должны иметь представление об организации своей ткани. Ни чертежи, ни подробные планы действий клеткам не нужны. Все, что от них требуется, – это следовать простым командам, таким как «размножайтесь быстрее, если получаете вот такой сигнал». Размер, пропорции и симметрия тела – результат следования этим простым, слепым, локальным правилам. С этой точки зрения, организм подростка, в котором больше клеток, чем звезд в нашей галактике, использует абсолютно те же самые основные принципы контроля над развитием, что и организм крошечного эмбриона, каким он когда-то был.

Глава 17 Друзья и враги

Разум – не единственная обучающаяся машина, которая продолжает свое развитие в течение многих лет после рождения человека. Развитие умения взаимодействовать с полной микроорганизмов окружающей средой и обращать ее себе на пользу имеет огромное значение для поддержания здоровья человека.

Мы никогда не бываем одни. Первые девять месяцев нашей жизни мы живем в утробе матери. После рождения наш организм населяют сотни триллионов микроорганизмов, даже когда нам кажется, что мы свободны от них. Это очень много: на одну клетку человеческого тела приходится примерно десять микроорганизмов.[308] После нашей смерти эти микроорганизмы продолжают жить, питаясь нашими останками и друг другом, пока запасы не исчерпаются. Некоторые из этих микробов – всего лишь попутчики, от которых нет ни пользы, ни вреда, но многие другие имеют большое значение для работы наших внутренних органов. Они нужны нам, потому что могут выполнять биохимические трюки, недоступные человеческим клеткам.

В здоровом кишечнике содержится от одного до десяти миллиардов бактерий на грамм ткани. Эти крошечные организмы выполняют несколько важных задач. О некоторых из них я расскажу потом, а пока упомяну одну: бактерии выделяют различные ферменты, способные переваривать компоненты пищи, недоступные нашим собственным ферментам.[309] Ферменты расщепляют большие, неудобоваримые молекулы на мелкие кусочки, которые могут всасываться как слизистой оболочкой кишечника, так и бактериями. Бактерии сразу используют поглощенные молекулы и применяют полученную энергию и сырье для размножения и дальнейшего синтеза ферментов. Слизистая оболочка кишечника передает питательные вещества в близлежащие кровеносные сосуды, откуда они отправляются на переработку в печень, а затем поступают в другие части организма. Некоторые из молекул пищи, на которые действуют бактериальные ферменты, в неизменном виде были бы токсинами или канцерогенами, поэтому второй важной функцией кишечных бактерий является обеспечение безопасности пищи.[310] С другой стороны, некоторые вещества, в частности алкоголь, становятся под действием бактериальных ферментов гораздо опаснее. Бактерии перерабатывают спирт в уксусный альдегид – токсичное и, вероятно, канцерогенное вещество.[311] Некоторые кишечные бактерии образуют много витамина К, который важен для свертывания крови и роста костей. Клетки человеческого организма не могут сами производить этот витамин.[312] Некоторые бактерии также синтезируют фолиевую кислоту, дополняя ту, что мы получаем с пищей. Фолиевая кислота нужна для пролиферации клеток, а кроме того, ее достаточное количество в организме матери очень важно для смыкания нервной трубки на ранних этапах развития эмбриона (глава 5). Учитывая, что кишечные бактерии участвуют в переваривании пищи, они имеют доступ к энергии и сырью и могут быстро размножаться. Однако большая часть бактерий выводится из организма вместе с остатками пищи: примерно три пятых массы нормального стула человека составляют бактериальные клетки, как мертвые, так и живые.

Еще одно место, где много полезных бактерий, – это влагалище. Они нужны там для того, чтобы помешать развитию патогенных микроорганизмов, которые, не будь во влагалище своей микрофлоры, могли бы воспользоваться теплыми и влажными условиями. Вагинальные лактобактерии питаются компонентами слизи и выделяют молочную кислоту, которая так или иначе препятствует развитию других бактерий.[313] Ситуация во влагалище, где одни микроорганизмы защищают организм от других, – частный случай общей проблемы, характерной также для пищеварительного тракта и других органов: организм должен найти способ поддерживать полезную микрофлору, не пуская при этом внутрь опасных патогенных бактерий. Последние исследования показывают, что за долгое время совместного существования люди и их полезные бактерии разработали способы «общения» друг с другом и научились работать как одна команда.

Плод развивается в стерильной среде, глубоко в утробе матери, окруженный несколькими оболочками. Таким образом, новорожденный лишен полезных бактерий и должен приобрести их вскоре после рождения. К счастью, положение родовых путей (как заметил Сен-Бернар из Клерво, inter faeces et urinam nascimur[314]) практически гарантирует, что в процессе появления на свет ребенок соприкоснется с бактериями влагалища, кишечника, мочевого тракта и кожи. Младенцы, появившиеся с помощью кесарева сечения, сталкиваются с этими бактериями сразу после того, как матери начинают ухаживать за ними, хотя в этом случае развитие нормальной бактериальной флоры может занять гораздо больше времени.

Когда симбиотические бактерии попадают в рот новорожденного, они проглатываются вместе со слюной или молоком и проходят через желудок в кишечник. Здесь начинается их сигнальный «диалог» с клетками человеческого организма. Этот процесс в большей степени изучен у мышей, чем у людей, но некоторые его аспекты уже проверены, по крайней мере, на культурах человеческих клеток, а эпидемиологические исследования человека говорят о том, что управление этими процессами, скорее всего, происходит у людей и мышей очень сходным образом.

Каждый участок кишечника создает питательную среду именно для того типа бактерий, который нужен на этом участке. Это можно проиллюстрировать на примере взаимодействия клеток кишечника и одного из наиболее важных симбионтов мышей – бактерий вида Bacteroides thetaiotaomicron. Попав в пищеварительный тракт, эта бактерия выделяет молекулу, которая распознается слизистой оболочкой тонкой кишки. Эта маленькая молекула существенно отличается от описанных выше сигнальных белков, которые клетки человека обычно используют в ходе развития. Это заурядная молекула из биохимического арсенала бактериального метаболизма. Тем не менее в этой главе я буду следовать принципам биосемиотики[315] и считать, что любую молекулу, несущую информацию об определенном положении дел и влияющую на поведение клетки, которая ее получает, следует считать сигнальной, независимо от ее молекулярной природы и первопричины ее синтеза.

В ответ на этот сигнал клетки кишечника слегка меняют собственный метаболизм. Клетки животных, включая человека, как правило, «декорируют» синтезируемые ими белки, размещая на их поверхности цепи сахаров. Сахара в цепи соединены сильными химическими связями и, в отличие, например, от отдельных молекул в стакане подслащенной воды, не могут служить пищей сами по себе: комплекс сахаров и белков слишком большой, чтобы пройти через поглощающие каналы на поверхности бактериальной клетки. Бактерия может извлечь пищу из этих сахарных цепей, только если у нее есть фермент, способный разрезать связи в цепи, а для высвобождения разных типов сахара с конца цепи необходимы разные ферменты. Bacteroides thetaiotaomicron синтезирует фермент, который может освободить с концов одной из таких цепей сахар фукозу. До получения сигнала от Bacteroides thetaiotaomicron кишечные клетки не помещают фукозные остатки на концы многих цепей, но после его получения они начинают активно присоединять фукозу.[316] По сути дела, бактерия словно бы говорит «покорми меня!», и клетка услужливо кладет ей пищу прямо в рот, причем так, чтобы другим микроорганизмам, у которых нет фермента для отщепления фукозы, не досталось ни крошки. Другие части кишечника производят другие типы связанных сахаров, вероятно, в ответ на сигналы от других симбиотических бактерий. Таким образом, каждая часть кишечника создает благоприятную среду для тех видов бактерий, которые ей нужны.

Для кишечника выгода от присутствия Bacteroides thetaiotaomicron заключается в том, что эта бактерия может перерабатывать трудноперевариваемые компоненты пищи и высвобождать питательные вещества, усвояемые клетками кишечника. Поглощение пищи, или какой-либо молекулы, всегда наиболее эффективно, если поглощенные ранее молекулы уже доставлены в отдаленные части организма, в противном случае некоторые из них «утекают» обратно и пропадают зря. Эффективность процесса «отведения» молекул повышается благодаря другой реакции на сигналы от симбиотических бактерий.[317] Эти сигналы воспринимаются определенным типом кишечных клеток, которые в свою очередь действуют на кровеносные сосуды, вызывают образование плотного слоя разветвленных капилляров (глава 9). Эта сеть помогает собирать абсорбированные питательные вещества и отправлять их в печень, а оттуда к остальным частям тела, и, соответственно, предотвращает накопление этих веществ в стенках кишечника и их утечку. Под действием еще одного типа сигналов[318] от Bacteroides thetaiotaomicron клетки тканей выделяют антибактериальные молекулы, относительно безвредные для этих бактерий, но токсичные для их нежелательных и опасных конкурентов, например бактерий рода Listeria. Таким образом, симбиотические бактерии и слизистая оболочка кишечника «заботятся» друг о друге: организм предоставляет бактериям питание и защиту, бактерии поставляют питательные вещества для организма, а их совместное действие препятствует появлению вредных бактерий. Это происходит как благодаря системе, создающей антимикробные молекулы, так и благодаря тому, что Bacteroides thetaiotaomicron чисто физически занимает пространство, которое иначе заполнили бы нежелательные виды бактерий (рис. 78).

Не всем бактериям «рады» в кишечнике и других частях организма. Тысячи видов бактерий вторглись бы, если бы могли, в наш теплый, богатый питательными веществами организм и поглотили бы его. Даже обычные симбионты могут вызывать болезнь, если попадут в саму ткань (что может произойти, например, при пулевом ранении, язве или раковом заболевании, когда нарушается целостность стенки кишечника). «Полезные» бактерии полезны до тех пор, пока знают свое место. К счастью, наш организм оснащен сложными защитными системами, которые, как правило, эффективно предотвращают вторжение. Немногочисленные виды бактерий, которые научились обходить эту защиту (по крайней мере, на некоторое время), печально известны как возбудители страшных болезней, наложивших печать на историю человечества. Речь идет о таких заболеваниях, как туберкулез, бубонная чума, проказа, сифилис, дифтерия, холера и брюшной тиф. Чтобы понять, как организм позволяет жить полезным бактерии в нужном месте и убивает вредные бактерии или бактерии, оказавшие не там, где надо, мы должны рассмотреть работу защитных систем организма.

Рис. 78. Схема, обобщающая самые важные аспекты обмена сигналами между симбиотическими бактериями и тканью стенки кишечника. Под действием сигнальных молекул, выделяемых симбиотическими бактериями, кишечные клетки присоединяют остаток фукозы к цепям сахаров, продуцируют внутренние сигнальные молекулы, стимулирующие рост капилляров, и выделяют соединения, убивающие вредные бактерии. На этой схеме размер бактерии по отношению к ткани сильно преувеличен, как и пространство между ними

Есть три основные линии защиты. Первая линия в основном представлена пассивной защитой, как физической, так и химической. Физический компонент защиты состоит из барьеров на пути инфекции: твердые слои омертвевших клеток внешнего слоя кожи, вязкая, постоянно заменяющаяся слизь в носу, во рту, в трахеях и кишечнике, в уретре и во влагалище и даже непроницаемые для патогенов пленки симбиотических бактерий. Химический компонент представлен множеством белков крови, которые связываются с бактериями и повреждают их клеточные стенки.[319] Клетки животных лишены клеточной стенки, поэтому клеточная стенка бактерий – отличная мишень для химической атаки, не сопровождающейся риском для клеток организма. Поэтому в организме животных синтезируются различные ферменты и порообразующие белки, которые проделывают в стенках бактерий смертельные дыры. Некоторые из них, в том числе лизоцим и дефензины, защищают внешние поверхности, например глаза. Другие, например, порообразующие белки системы комплемента, содержатся в крови и жидкостях, омывающих внутренние ткани. Они могут активироваться напрямую поверхностями патогенов или другими способами, о которых мы поговорим позже. Пассивные защитные системы – древнейшая первая линия защиты; она встречается в сходном виде практически у всех животных.

Вторая линия защиты активна и состоит из различных типов мигрирующих клеток, которые носят общее название фагоциты (буквально «клетки, которые едят»). Есть несколько разных видов фагоцитов, и все они образуются в костном мозге, о котором пойдет речь в главе 18. Они распространяются по всему телу с током крови, но могут покидать кровеносные сосуды, протискиваясь между выстилающими их клетками. Так они проникают в тканевые пространства, где оседают или активно патрулируют их. Перемещающиеся фагоциты очень похожи на мигрирующие клетки эмбриона (глава 8). У них есть лидирующий передний край, продвижение которого контролируется деятельностью сигнальных путей, запускаемых рецепторами на поверхности клетки. У фагоцитов есть рецепторы, которые активируются сигналами двух типов. Первый тип сигналов, к которому относится множество конкретных случаев, – это клеточные стенки и продукты жизнедеятельности бактерий (живые бактерии не могут не выделять эти продукты). С точки зрения фагоцитов, продукты жизнедеятельности бактерий тоже сигнализируют о том, что вредные бактерии неподалеку. Второй, тоже очень обширный тип сигналов – это молекулы, которые выделяют клетки человеческого организма, когда они находятся в состоянии стресса и в процессе гибели.

Вполне очевидно, для чего нужны рецепторы, распознающие бактериальные молекулы. Фагоциты мигрируют в направлении бактерий так же, как мигрирующие клетки эмбриона перемещаются в направлении источника сигналов, контролирующих эмбриональное развитие (глава 8). Оказавшись в нужном месте, фагоциты выделяют новые сигнальные молекулы, выплескивают коктейль высокотоксичных химических веществ и стараются заглотить и уничтожить любые бактерии на своем пути. Сигнальные молекулы усиливают местный кровоток и повышают утечку жидкости из кровеносных сосудов, и в результате на подмогу прибывают новые фагоциты. Токсичные вещества убивают бактерии сразу, так что фагоцитам даже не надо их заглатывать. Они настолько агрессивны, что часто наносят значительный ущерб даже нормальным тканям человеческого организма. Результатом всего этого является местное покраснение и повышение температуры (за счет увеличения кровотока), вспухание (из-за жидкости и накопления клеток) и боль в нервных окончаниях, на которые тоже действует токсичный коктейль. Эти классические признаки воспаления – rubor, calor, tumor et dolor – описал Авл Корнелий Цельс около двух тысяч лет тому назад. В центре воспаления также может быть участок беловатого гноя – это фагоциты, мертвые бактерии и отмершие ткани. Эти признаки хорошо видны на примере прыщей, от которых страдают многие люди в период полового созревания. Они вызваны бактериальной инфекцией сальных желез кожи, которые забиваются из-за перепроизводства кожного сала под действием гормонов. Прыщики – это, конечно, неприятно, но при опасной инфекции воспаление может быть спасительным, ведь вся мощь защитных систем организма направляется на саму причину воспаления.

Роль рецепторов, распознающих сигналы от клеток в состоянии стресса и сигналы, представляющие собой продукты распада мертвых клеток, – обеспечение приспособляемости организма. Не все опасные микроорганизмы являются бактериями. Есть среди них, например, одноклеточные организмы с клетками «животного» типа; они лишены клеточной стенки, которую можно было бы легко распознать, и выделяют меньше продуктов жизнедеятельности, которые могли бы выдать их присутствие. Организм таких многоклеточных паразитов, как паразитические черви, с точки зрения биохимии вообще очень похож на наш. Вирусы, мельчайшие из наших паразитов, по сути, представляют собой крошечные паразитические геномы, замаскированные оболочками инфицированных клеток человеческого организма; следовательно, они очень «человечны» с химической точки зрения. Если бы наши защитные системы реагировали только на столь конкретные химические следы, как продукты жизнедеятельности бактерий, мы были бы беззащитны перед лицом организмов, которые не оставляют таких следов. Даже если бы в процессе эволюции у нас появлялось все больше рецепторов против растущего числа возбудителей, то эти микроорганизмы, которые, как правило, размножаются очень быстро и хаотично и образуют огромные и изменчивые популяции, почти наверняка опередили бы нас в этой эволюционной «гонке вооружений». Мы, заложники нашего медленного размножения, должны каким-то образом активно реагировать на возбудителя, даже если непонятно, что он собой представляет.

Тогда и вступают в игру рецепторы, которые обнаруживают клетки в состоянии стресса и отмершие ткани человеческого организма. Защитная реакция возникнет везде, где бы ни погибали клетки.[320] Вот почему даже стерильные ожоги сопровождаются болезненным воспалением. Чрезмерная на первый взгляд «жестокость» возбужденных фагоцитов, токсины которых убивают не только бактерии, но даже ближайшие ткани, имеет глубокий смысл в условиях внезапного повреждения ткани. Даже если фагоциты не смогут напрямую найти и обезвредить микроорганизм или вирус, спрятавшийся в клетке организма, он наверняка погибнет в общей сумятице. При этом могут серьезно пострадать нормальные ткани, но, по крайней мере, распространение болезни будет остановлено.[321]

Таким образом, повреждение тканей – важный общий регулятор активной защитной реакции организма.[322] Это уже отчасти объясняет, как мы можем одновременно терпеть симбиотических партнеров и отбиваться от других бактерий, но для полного понимания нужно рассмотреть третью линию защиты. Она есть только у позвоночных животных и основана на способности учиться на собственном опыте. Эта линия по-прежнему использует древнее оружие – сочетание химических веществ (составляющих систему комплемента) и фагоцитов, позволяющее эффективно убивать вторгшихся в организм врагов, – и по-прежнему контролируется, по большому счету, сигналами от поврежденной или инфицированной ткани. Новое в этой линии защиты – ряд дополнительных типов клеток и, что самое важное, набор высокоспециализированных белков, которые способны очень точно и быстро направлять фагоциты и химическое оружие системы комплемента на борьбу с захватчиками при условии, что у системы было достаточно времени. Из-за своей способности к обучению и адаптации эта линия защиты получила название «адаптивная иммунная система».

Поскольку адаптивная иммунная система состоит из мигрирующих клеток, контактирующих друг с другом относительно недолго, ее структура значительно отличается от другой самообучающейся машины – мозга. Тем не менее логика, лежащая в основе обучения, удивительно схожа в обоих случаях. В головном мозге (глава 15) основной принцип обучения заключался в том, что сначала закладывается большое количество нейронных связей, а затем, в зависимости от опыта, некоторые закрепляются, а некоторые – нет. На основе опыта, накапливающегося с ростом потока сигналов, система устраняет ненужные связи и укрепляет нужные. В адаптивной иммунной системе поток сигналов, проходящий через рецепторы, играет роль, напоминающую роль связей между нейронами в головном мозге. И здесь принцип заключается в создании огромного количества возможностей – в данном случае рецепторов, – некоторые из них в дальнейшем пригодятся, а некоторые – нет, и в пропускании через них потока сигналов, чтобы решить, какие рецепторы следует укрепить, а какие убрать.

Хотя стратегии обучения похожи в общих чертах, их детали существенно различаются, поскольку адаптивная иммунная система – это жидкая ткань, лишенная жесткой архитектуры. В отличие от нервной системы, она не может опираться на дискретные соединения между точками. Рецепторы, необходимые для процесса обучения, находятся на поверхности клеток, которые есть только у позвоночных, – Т-клеток (буква «Т» означает «тимус» – железа, где эти клетки проводят много времени на ранних этапах своего существования). Т-клетки бывают разных типов: одни контролируют деятельность других клеток, другие выступают в роли «палачей», вводя смертельно опасные ферменты в зараженные клетки ткани. Все они несут важнейшие Т-клеточные рецепторы (TCR). Чтобы система обучения начала функционировать, требуются миллионы Т-клеток. Каждая конкретная клетка несет лишь один из многих возможных TCR, а каждый TCR уникален в том, что он может распознать.

Возникновение разнообразных TCR порождает интересную проблему. Выбор TCR-специфических молекул для связывания зависит от точной последовательности аминокислот в белках, которые входят в состав TCR.[323] Как и во всех белках, последовательность аминокислот определяется последовательностью нуклеотидов (азотистых оснований) в гене. В принципе, животное может научиться создавать несколько видов рецепторов, имея несколько версий гена, немного отличающихся нуклеотидной последовательностью. Этот подход действительно используется во многих семействах сигнальных рецепторов, участвующих в развитии, но для адаптивной иммунной системы он не годится. У нас около двадцати пяти тысяч генов, а адаптивной иммунной системе требуются миллионы различных TCR. О добавлении миллионов новых генов в геном не может быть и речи по многим причинам. Во-первых, копирование такого большого количества генов при делении клеток будет слишком затратно, во-вторых, такой геном будет нестабильным из-за рекомбинации, которая происходит между похожими участками ДНК, и, наконец, это дополнительное количество ДНК просто не поместится в клетку.

Т-клетки выходят из этой тупиковой ситуации следующим образом. Имея лишь один основной ген для каждого из двух типов белковой цепи, которые, объединяясь, образуют TCR, они проявляют крайнее пренебрежение всеми биологическими «правилами»: каждая клетка сознательно мутирует и перестраивает часть гена TCR. У них есть особый набор ферментов, которые реорганизуют именно этот участок только этого гена. Итогом процесса, включающего несколько сложных шагов, является то, что каждая Т-клетка создает TCR на основе генов со случайной последовательностью оснований именно на том участке, который определяет, с чем будет связываться TCR. Каждая клетка может создать только одну версию TCR.

Минусом такого случайного характера образования TCR является то, что многие из версий TCR не смогут образовать даже слабые связи и, следовательно, будут бесполезны. Некоторые из них смогут распознавать фрагменты опасных микроорганизмов, что ценно для защиты организма. Другие будут распознавать нормальные ткани организма, что в лучшем случае бесполезно, а в худшем опасно. Именно поэтому первым аспектом обучения в адаптивной иммунной системе является удаление бесполезных или опасных TCR, а значит, и их носителей – Т-клеток.[324] Молодые Т-клетки, которые только что перетасовали нуклеотиды в генах случайным образом и начали производить TCR, находятся в тимусе, в окружении клеток, на поверхности которых находится множество фрагментов белков, характерных для данного организма. У TCR имеется множество шансов для распознавания этих фрагментов, если они ему подходят. На данном этапе жизнь каждой Т-клетки зависит от стимуляции TCR, но стимуляция не должна быть слишком сильной. TCR, не образующий связей ни с чем, судя по всему, бесполезен, и поэтому клетка-носитель убивает себя. Ясно, что, если TCR реагирует слабо и связывается спорадически, он может обнаруживать фрагменты молекул, но не слишком эффективно. Однако это обнадеживает, ведь слабое обнаружение фрагмента нормального белка означает, что TCR, по крайней мере, работает и есть вероятность, что он сможет обнаружить фрагмент какого-то бактериального или вирусного белка намного лучше. Поэтому такие клетки будут жить, созревать и распространяться по организму. Если TCR образует прочные связи еще в тимусе, это означает, что он с высокой точностью распознает фрагменты нормального белкового материала. В этом случае он либо совершит самоубийство, либо научится подавлять активность в отношении таких фрагментов. В любом случае иммунная система не будет действовать против самого организма.

К концу этого процесса организм будет заполонен миллионами Т-клеток, несущих разные версии TCR. Они не реагируют сколь бы то ни было сильно на компоненты тела, но проявили очень слабую реакцию хотя бы на что-то. В организме Т-клетки часто контактируют со специфическим типом фагоцитов, которые демонстрируют им мелкие фрагменты того, что им удалось заглотить (в этом случае с помощью специальных белков, удерживающих эти фрагменты на поверхности клетки). Если фагоцит прибыл из очага инфекции, среди этих фрагментов будут кусочки микроорганизма. Большинство Т-клеток никак не реагируют на эти фрагменты, но иногда фагоциту может попасться Т-клетка, которая распознает его груз. Именно этого и ждет Т-клетка. Она полностью активируется, быстро делится, создавая целую армию дочерних клеток с таким же TCR, и выделяет сигнальные молекулы, которые привлекают другие Т-клетки в этот район. Некоторые из них распознают другие фрагменты микроба и тоже активируются. Часть Т-клеток отправится убивать клетки тканей, которые несут тот же фрагмент белка, ведь они, предположительно, заражены (рис. 79).

Рис. 79. Обобщенная схема некоторых способов, при помощи которых Т-клетки организуются и принимают участие в защитной реакции. Т-клетки имеют TCR, которые активируются, узнав показанный фагоцитом фрагмент бактерии. Разные события на этой схеме, например гибель клеток и использование системы комплемента, также могут привлекать фагоциты, вовлеченные во второй уровень иммунной реакции

Обучающий аспект этого процесса зависит как от деления вовлеченных в него клеток (что приводит к увеличению числа клеток с нужным типом TCR), так и от способности некоторых клеток оставаться в живых после гибели большинства других. Выжившие клетки становятся клетками памяти. Их присутствие означает, что, если тот же возбудитель болезни снова проникнет в организм, там будет гораздо больше клеток, способных распознавать его и запустить реакцию. Кроме того, клетки памяти более чувствительны к этому возбудителю, чем были любые клетки во время первого вторжения, и они меняют способы взаимодействия с остальной иммунной системой. В результате повторное вторжение того же патогена вызывает очень быструю и эффективную защитную реакцию. В таких условиях у вторгшихся микроорганизмов остается мало шансов на победу. Именно поэтому мы переносим большинство болезней только однажды, а затем у нас вырабатывается иммунитет и мы не заболеваем даже после непосредственного контакта с больным. Кажущиеся исключения, например простуда, на самом деле вызываются множеством различных микроорганизмов (в данном случае вирусов), так что всякий раз – это первый раз. Некоторые микроорганизмы, например возбудитель малярии, являются исключением, потому что в процессе эволюции у них появились механизмы обхода иммунной системы (это пример эволюционной «гонки вооружений», о которой я уже упоминал).

Т-клетки не единственные клетки тела, которые используют случайную перестановку нуклеотидов конкретных генов для производства огромного разнообразия рецепторов. Такой же прием используют В-клетки[325] при создании В-клеточных рецепторов (BCR). BCR очень похожи на TCR. Каждая В-клетка обладает только одним уникальным BCR. В-клетки патрулируют организм, и, если находят молекулу, которую могут распознать их BCR, они поглощают ее и «разрезают» с помощью ферментов. Затем они выставляют ее фрагменты на своей поверхности – на тот случай, если встретятся с Т-клетками, которые смогут их распознать. Если это произойдет, Т-клетка пошлет В-клетке сигнал, и та начнет делиться, образуя многочисленные В-клетки с тем же BCR. Некоторые дочерние В-клетки становятся клетками памяти, готовыми к предстоящим схваткам с тем же микроорганизмом, а другие начинают выделять свои BCR в окружающую жидкость (рис. 80). Секретированный BCR называется антителом. Он может быстро распространяться по тканям и связываться с распознаваемой молекулой, все еще плавающей в жидкости или уже находящейся на поверхности микроба или инфицированных клеток. Антитело задействует старейшую химическую защиту, а также фагоциты: таким образом оно выносит «смертный приговор» любой клетке, с которой связывается.

Рис. 80. Схема активации В-клеток. Если В-клетки связываются с участком бактерии, который распознал их BCR, то они демонстрируют его Т-клеткам. Если В-клетки находят Т-клетку, TCR которой распознает фрагмент, клетки обмениваются сигналами, и В-клетки активируются. Некоторые из них начинают делиться и становятся клетками памяти, которые смогут быстро активироваться при повторной инфекции. Остальные клетки созревают и производят антитела (свободные BCR). Антитело, сохранившее изначальную способность BCR связываться с этой конкретной бактерией, может задействовать систему комплемента и фагоциты и, следовательно, вызывать быструю смерть этих бактерий

Способность адаптивной иммунной системы к обучению лежит в основе вакцинации. В этом случае в организм вводят отдельные белки или безвредный или ослабленный штамм опасной бактерии или вируса, чтобы произошел первый «бой». Когда он закончится, у организма остаются клетки памяти T – и B-типа, которые смогут быстро и эффективно отреагировать, если когда-нибудь организм столкнется с настоящей болезнью. Для эффективной вакцинации, как правило, нужно, чтобы инъекция препарата вызывала достаточно сильное раздражение: она должна вызвать повреждение тканей, задействовать клетки и помочь молекуле-«мишени» продержаться достаточно долго, чтобы быть распознанной. Чистый белок в этом случае работает плохо. На этом примере хорошо видно, что начальная активация реакции адаптивной иммунной системы основана в конечном счете на древнем механизме производства сигналов тревоги от ткани в состоянии стресса или умирающей ткани, а также от бактериальных продуктов.

Адаптивная иммунная система не нуждается в априорном, генетически обусловленном знании химического строения противников, с которыми она столкнется. Как и мозг, она изменяется в зависимости от опыта, а Т – и В-клетки, которые активировали свои рецепторы в первой битве, становятся «отрядом быстрого реагирования», готовым снова нанести удар по знакомому врагу, не дожидаясь значительного повреждения тканей. Так что в данном случае выражение «все, что не убивает нас, делает нас сильнее» вполне справедливо.

Это краткое объяснение принципов работы адаптивной иммунной системы возвращает нас к вопросу о том, как же мы все-таки уживаемся с симбиотическими бактериями. Совсем недавно было обнаружено,[326],[327] что клетки человеческого кишечника, распознающие сигналы от симбиотических бактерий, посылают защитным системам сигналы, означающие: «ничего страшного здесь не происходит». Сигналы действуют на фагоциты, которые специализируются на демонстрации связанных с поверхностью фрагментов бактерий Т-клеткам. Эти фагоциты[328] могут быть в двух состояниях: в одном они демонстрируют фрагменты, сопровождая демонстрацию сигналами, которые побуждают Т-клетки начать агрессивную атаку, а в другом состоянии – сигналами, которые убеждают Т-клетки успокоиться и проявить терпимость. В норме клетки кишечника, которые контактируют только с симбиотическими бактериями, выделяют два белка, которые переводят фагоциты в зоне досягаемости в «спокойное» состояние. Фагоциты будут по-прежнему демонстрировать молекулы бактерий, частично переваренной пищи и т. д., но при этом будут способствовать толерантности, а не агрессии. Если же клетки стенки кишечника находятся в контакте с вредоносными бактериями, они посылают не успокаивающие сигналы, а сигналы тревоги. Тогда фагоциты демонстрируют Т-клеткам фрагменты бактерий вместе с сильными активирующими сигналами, и организм быстро мобилизует защиту. И в этом случае главным контролирующим элементом защитной реакции является то, испытывает ли ткань (в том числе ее иммунные клетки) стресс. А «диалог» между бактериями и стенкой кишечника добавляет к этому позитивный сигнал – ничего плохого не происходит.

Влияние симбиотических бактерий кишечника на иммунную реакцию не ограничивается обеспечением их собственного выживания. Мыши, развивающиеся в стерильных условиях и лишенные кишечных бактерий, имеют странную и дефективную иммунную систему,[329] уязвимую к атакам разных микроорганизмов, в том числе никак не связанных с кишечником. Складывается впечатление, что фрагменты поверхности некоторых кишечных бактерий, включая Bacteroides fagilis, которые заселяют кишечник почти сразу после рождения, оказывают сильное влияние на созревание различных популяций Т-клеток во всем организме, изменяя баланс между теми клетками, которые запускают иммунные реакции, и теми, которые развивают толерантность к различным раздражителям. Если нормальное развитие иммунной системы зависит от контакта с безобидными бактериями (возможно, не только с Bacteroides fagilis, но и с сотнями других бактерий), то это может объяснить, почему повышение уровня гигиены, к которому мы так стремимся, сопровождается повышением частоты таких заболеваний, как астма, которая свидетельствует о дисбалансе иммунной системы и вызывается такими безвредными веществами, как пыль, шерсть животных и пыльца.[330] Еще одно изменение, связанное с гигиеной, – это практически полное избавление от глистов. Люди и паразитические черви развивались вместе в течение долгого времени, и, как теперь выясняется, глисты меняют баланс иммунной системы, по сути успокаивая ее, что идет на пользу как паразитическим червям, так и их хозяевам. Животные и, вероятно, люди без глистов проявляют иммунную гиперактивность в гораздо большей степени, чем животные с некоторым количеством паразитических червей (конечно, когда их слишком много, это тоже плохо).

В организме человека две основные системы обучения – мозг и адаптивная иммунная система – начали совместную деятельность по созданию четвертого уровня защиты в дополнение к трем уровням, которые есть у всех позвоночных. Даже у других млекопитающих инстинктивный и приобретенный груминг, а также избегание гнилой пищи позволяют мозгу помочь защитным системам, просто ограничивая контакт особи с опасными микробами. Человеческий мозг, способный систематически исследовать мир и передавать знания следующим поколениям, добавил сюда новое измерение поведенческой защиты. Самые опасные занятия с точки зрения заражения – это прием пищи и питье, потому что всегда есть риск, что еда и вода содержат опасные микроорганизмы, например возбудителей сальмонеллеза или холеры. Наши древнейшие культурные открытия – термическая обработка пищи, кипячение воды или употребление ферментированных напитков – резко снизили опасность заражения. Скорее всего, не случайно все цивилизации, создавшие крупные, густонаселенные города, изобрели чай, эль или что-то подобное. Относительно недавно, после открытия бактерий и путей заражения ими, люди стали строить водопроводы для подачи чистой воды и канализацию для отведения грязной. Это лежит в основе благополучного существования городов с миллионным населением. Разработка вакцин, антибиотиков и противовирусных соединений еще больше усилила безопасность как отдельных людей, так и целых популяций. Несомненно, нас ждут новые опасности: возбудители болезней эволюционируют быстро, а благодаря глобальному туризму еще и распространяются по миру со скоростью лесного пожара. На нашем уровне развития цивилизации мы полностью зависим от этого четвертого, научно-культурного уровня защиты. Если человечество как вид когда-нибудь откажется от активных научных исследований, оно вскоре заплатит страшную цену.

Развитие разума, о котором мы поговорим в последней главе, и развитие иммунной системы, которое мы только что обсудили, – важнейшие события, связанные с развитием, которые происходят после рождения. Так и должно быть, ведь они связаны со взаимодействием новорожденного с непредсказуемой средой. Продолжительность их развития еще раз говорит о том, что развитие человека ни в коем случае не заканчивается рождением. И разум, и иммунная система продолжают развиваться всю жизнь, откликаясь на жизненный опыт. По мере развития организм также должен оберегать себя от повреждений и ежедневного износа. Об этом «техобслуживании» и его связи с эмбриональным развитием мы сейчас и поговорим.

Глава 18 Текущий ремонт

Учителя биологии любят играть со своими учениками в одну игру: они просят их дать определение жизни, придумать простой критерий того, является ли тот или иной объект живым или нет. В нее можно играть на всех ступенях обучения от начальной школы до аспирантуры и далее, и каждый раз этот вопрос порождает очень похожие споры (основная разница заключается в том, что аспиранты используют много умных слов, считая, что они придают их доводам убедительности).

Даже ученики начальной школы быстро отбрасывают такие ложные критерии, как способность двигаться, указывая на неподвижные живые организмы, например кораллы, и подвижные неживые объекты, например капли дождя. Нетрудно понять и ложность такого критерия, как реакция на стимулы: живые грибы не реагируют на прикосновение, а неживые мышеловки очень даже реагируют. Нередко определяющей характеристикой жизни называют способность к размножению. Об этом можно прочитать даже в учебниках биологии, хотя, казалось бы, их авторы должны были бы разобраться, что к чему. Несостоятельность этой идеи очевидна: если довести ее до логического завершения, то придется отнести к неживой природе красные кровяные клетки, мулов, рабочих муравьев и женщин после менопаузы. Более продвинутые студенты предлагают в качестве критерия способность к самоорганизации, но и это не панацея: некоторые неживые объекты, такие как кристаллы, ячейки конвекции, а также волновые структуры некоторых химических реакций (например, реакции Белоусова – Жаботинского[331]), проявляют по крайней мере некоторые признаки самоорганизации.

Тем не менее одна универсальная особенность живого мира все-таки есть. Это способность живых организмов использовать полученную извне энергию для поддержания и обновления организма. В такой форме этот критерий предложил Пьер Луиджи Луизи,[332] который основывался на более ранних формулировках Александра Опарина и Жака Моно (все эти ученые внесли огромный вклад в наше понимание феномена возникновения жизни). Необходимость в обновлении отчасти связана со случайными внешними повреждениями, которым подвержены все организмы, а отчасти – с непрочностью, по природе свойственной материалам нашего тела. Эта непрочность выражается в том, что, даже когда тело не подвергается ударам, укусам, ссадинам или ожогам, его молекулы лишь недолго выживают в химическом «котле» клетки и должны часто заменяться. Такая непрочность свойственна и рукотворным объектам, отдельные части которых приходится многократно заменять в течение срока службы. Разница в том, что такие объекты не способны сами создавать и встраивать в себя новые компоненты. Если в машине надо заменить тормозные колодки, мне нужно заказать их у поставщика и установить вручную. К сожалению, если я просто занесу необходимые материалы или новые колодки в гараж, моя машина не сможет сама заменить изношенные части, пока я буду заниматься своим делом. Эта способность к самоподдержанию и обновлению и представляет собой абсолютную разницу между живыми существами и неживыми машинами, как мы понимаем ее сегодня. Возможно, это различие будет валидно, даже если в один прекрасный день нам удастся построить самонастраивающуюся и самоподдерживающуюся машину, так как такую машину будет вполне резонно считать живым организмом.

Таким образом, конструирование тела, о котором шла речь в этой книге, – лишь прелюдия к его долгому самоподдержанию. Поскольку в ходе самоподдержания приходится опять делать те же самые вещи, которые были сделаны в ходе развития, естественно задать вопрос: повторяют ли механизмы «ремонта» механизмы развития или же в корне отличаются от них? Этот вопрос имеет далеко не только теоретический интерес. Четкий ответ на него важен, если мы хотим улучшить нашу способность восстанавливать наши тела или даже попробовать полностью победить старение.

Заменить изношенные компоненты машин можно практически в любом размерном масштабе. Иногда мелкие компоненты можно заменить по отдельности, а в других случаях приходится менять большую часть, содержащую сотни мелких компонентов. В моем стареньком «лендровере» мне приходилось менять как мелкие детали, например стопорные шайбы, так и многокомпонентные модули, такие как генератор и мотор вентилятора. Если у него по-прежнему будет в самый неподходящий момент вылетать третья передача, мне, вероятно, придется заменить всю коробку передач, состоящую из многих сотен деталей, потому что это гораздо проще, чем разбирать ее и чинить один испорченный вал. При этом новая коробка передач будет абсолютно такой же, как та, что была поставлена на автомобиль при сборке.

В организме млекопитающих замены многокомпонентных модулей не происходит. Поврежденные белки в клетках и поврежденные клетки в тканях замещаются белками и клетками, но это аналогично замене отдельных деталей машины. Ткани и органы никогда не заменяются целиком (разве что в дело вмешается хирург-трансплантолог). Вместо этого в них постоянно идет текущий ремонт. Это объясняется тремя основными причинами. Во-первых, многие органы возникают на эмбриональной стадии развития из тканей, которых в организме взрослого человека уже нет. Примерами структур, существующих лишь краткое время в жизни эмбриона, являются энтодермальная выстилка желточного мешка, из которого формируется кишечник, и сомиты, из которых развиваются позвонки, мышцы и внутренняя часть кожи. Создать новые версии таких органов и тканей невозможно просто потому, что структур, из которых они образовались, у взрослых организмов нет. Во-вторых, многие активно изнашивающиеся части тела, например верхние слои кожи и выстилка кишечника, существуют около недели, а затем заменяются. На этапе эмбрионального развития на их создание уходит гораздо больше времени, и взрослый организм просто не успел бы заменить старый орган новым. В-третьих, полная замена органов в сложившемся организме, с его многочисленными плотно упакованными частями, представляла бы непреодолимую геометрическую и логистическую трудность. Поэтому «ремонт» должен опираться на механизмы, в корне отличные от механизмов эмбрионального развития.

В принципе можно представить себе простой способ замены изношенных клеток – это пролиферации идентичных им соседних клеток. Назовем это «заменой равных равными». Такая замена может быть связана с определенными трудностями, например, клеткам, чтобы делиться, придется «впасть в детство», то есть отказаться от сложной формы и особого метаболизма, характерных для зрелого состояния. Тем не менее эти трудности, вероятно, преодолимы. В конце концов, клетке нужно всего лишь заменить себе подобную, и сложные механизмы дифференцировки, характерные для эмбрионального развития, ей не понадобятся. Все, что нужно, – это механизм, с помощью которого клетки могли бы понять, что соседние клетки нуждаются в замене.

При всей внешней простоте поддержание организма только за счет «замены равных равными» привело бы к серьезными проблемам у долгоживущих животных. Многие клетки находятся в агрессивной среде, где постоянно подвергаются воздействию повреждающих агентов. Слизистая кишечника, например, контактирует с желудочным соком, созданным специально для переваривания клеточных компонентов, а наружные слои кожи подвержены воздействию сухого воздуха, ультрафиолетового излучения, ветра и бактерий. Все клетки в органах, по сути, находятся «в одной лодке», и если вредное воздействие достигает такого уровня, что клетка умирает, то велика вероятность того, что и соседняя клетка сильно повреждена. После смены нескольких поколений отмерших клеток за счет пролиферации поврежденных «соседей» здоровой ткани останется немного.

Есть два способа, с помощью которых животное может справиться с этой проблемой, не отказываясь от идеи «замены равных равными». Один способ – это жить недолго и избегать вредных воздействий. Не исключено, что многие мелкие животные взяли на вооружение именно эту стратегию (хотя, насколько мне известно, вопрос о том, используют ли они только метод «замены равных равными», остается открытым). Второй способ – вложить много затрат в контроль за повреждениями и ремонтные механизмы в клетках. Такие механизмы, безусловно, существуют. Есть набор ферментов и других белков, которые могут обнаружить повреждения ДНК и восстановить ее; есть мембранные насосы, которые могут выводить небольшие количества токсинов из клеток; есть разрушающие белки ферменты, которые быстро разрушают клеточные белки, чтобы их можно было тут же заменить новыми. Если клетка вложит много энергии и ресурсов в эти системы, она останется здоровой в агрессивной среде, и «замена равными равных» будет более реальна. Проблема в том, что такие вложения потребуют слишком значительных (пищевых) ресурсов и могут оказаться не по средствам организму. И даже если ресурсов хватит, такие затраты на клеточную защиту, скорее всего, приведут к непозволительному снижению ресурсов, которые животное сможет направить на рост и развитие.

Ключевой особенностью системы «замены равных равными» является то, что, если все клетки равны, их следует беречь в равной степени, а значит, с равными затратами. Если бы животное защищало лишь некоторые клетки и использовало бы их для замены обычных поврежденных клеток, это позволило бы существенно сократить расходы. В идеале хорошо защищенные клетки должны располагаться в каком-то безопасном месте. И уже совсем хорошо с точки зрения экономии ресурсов было бы, если бы малочисленные клетки с высоким уровнем защиты могли давать начало любым типам клеток в ткани. Такие клетки, расположенные на стволе генеалогического древа различных типов клеток, называются «стволовыми». Поддержание ткани за счет стволовых клеток имеет значительные преимущества по сравнению с системой «замены равных равными». Если «замена равных равными» используется для быстрого залечивания небольших ран, обновление тканей за счет стволовых клеток у больших животных, например мышей и людей, позволяет тканям существовать на протяжении многих месяцев и лет.

Одним из наиболее изученных примеров обновления тканей за счет стволовых клеток является слизистая кишечника. Ее внутренняя поверхность подвергается химическому воздействию целого коктейля пищеварительных ферментов и солей желчных кислот, а также физическому воздействию частично переваренной пищи. Поэтому не приходится удивляться, что, несмотря на то что эти клетки в какой-то степени защищены слизью, большинство из них живет недолго. У мышей, хорошо изученных в отношении клеточной биологии кишечника, большая часть поверхностных клеток живет только пять дней. Скорее всего, у человека они живут примерно столько же. В подобной ситуации маловероятно, что поврежденные клетки в принципе могут заменяться за счет соседей неопределенно долгий срок. И действительно, они заменяются за счет популяции кишечных стволовых клеток, спрятанных в относительно безопасном месте. Чтобы понять, как кишечные стволовые клетки выполняют свою работу, необходимо сначала рассмотреть строение кишечной стенки.

Основной функцией кишечника является усвоение питательных веществ из пищи и повторное поглощение воды, добавленной к пище в процессе пищеварения. Усвоение происходит на внутренней поверхности кишки, а его эффективность во многом определяется общей площадью этой поверхности. У позвоночных выработалось два основных способа увеличения площади поглощающей поверхности. Одним из них является максимально компактная упаковка кишечника в брюшной полости: он не вытянут в прямую трубку, а образует многочисленные петли. Другой способ – придание выстилке сложной структуры. Выросты и гребни существенно увеличивают площадь всасывающей поверхности. Внутренняя поверхность тонкого кишечника густо покрыта ворсинками – мелкими пальцеобразными выростами (рис. 81). Они есть уже при рождении, а вскоре после него области между ворсинками складываются внутрь, образуя узкие углубления – крипты. Дно крипты образовано клетками Панета, которые секретируют бактерицидные белки (дефензины). Многочисленные клетки на стенках крипты выделяют слизь. Итак, углубленное положение защищает крипты от механических повреждений, слизь – от химического воздействия, а дефензины – от бактерий. Таким образом, крипты – значительно более безопасное место, чем ворсинки. Неудивительно, что именно в криптах залегают кишечные стволовые клетки.[333]

Рис. 81. Строение кишечной стенки и структура типичной крипты

Кишечные стволовые клетки могут находиться либо между клетками Панета на самом дне крипты, либо над ними, либо на обоих участках.[334] Там они размножаются примерно раз в четыре дня. Дочерние клетки принимают решение – стать новыми стволовыми клетками или оставить эту нишу и начать двигаться вверх по стенке крипты. Мы пока не знаем, определяется ли решение клетки ее положением или наоборот. Так или иначе, популяция стволовых клеток сохраняется, а некоторые дочерние клетки покидают ее и продвигаются вверх по крипте. По мере продвижения эти клетки продолжают делиться, так что дочерняя клетка, образовавшаяся в результате деления одной стволовой клетки, примерно за три дня образует до шестидесяти четырех отдельных клеток. В ходе этого процесса эти клетки дают начало кишечным клеткам разных типов: одни станут всасывающими клетками, другие – клетками, выделяющими слизь, третьи – клетками Панета, а четвертые – редкими, специализированными клетками, которые синтезируют гормоны. Они продолжают двигаться вверх, потому что их выталкивают новые поколения образующихся внизу клеток. Тем не менее движение клеток не вполне пассивно, потому что немногие клетки, ставшие новыми клетками Панета, способны двигаться в противоположном направлении к нижней части крипты. Судя по всему, они следуют сигналам того же типа (EPH/ EPHRIN[335]), которые использовались для разметки пути аксонов от глаза к мозгу (глава 13). К тому времени, когда клетки поднялись наверх и покинули крипту (то есть через несколько дней после деления исходной стволовой клетки), они уже достаточно созрели, чтобы в полной мере участвовать в деятельности кишечника по всасыванию питательных веществ и заменить отмершие клетки. Еще через несколько дней некоторые клетки поднимутся по ворсинкам и останутся там, пока не погибнут и не заместятся новыми клетками, образовавшимися в крипте.

Скорость отмирания клеток кишечника варьирует в зависимости от здоровья и рациона конкретного человека. У тех, кто ест мало и употребляет мягкую пищу, кишечные клетки гибнут относительно медленно. Скорость гибели кишечных клеток будет гораздо быстрее, если человек ест много жесткой, волокнистой пищи, имеет серьезную кишечную инфекцию или отравился токсинами. Понятно, что стволовые клетки и пролиферирующие дочерние клетки должны «чувствовать», как быстро они должны делиться: слишком медленное деление приведет к нехватке клеток кишечной стенки, а слишком быстрое деление вызовет закупорку кишечника массой ненужных клеток.

Механизмы, за счет которых кишечные стволовые клетки могут чувствовать нужную скорость деления, изучены не до конца, но мы уже знаем, что в этот процесс вовлечены сигнальные белки WNT, которые играют важную роль во многих процессах эмбрионального развития.[336] Есть веские доказательства того, что ближайшие «потомки» стволовых клеток и, вероятно, сами стволовые клетки получают сигнал WNT от близлежащих клеток Панета и из более удаленных источников.[337] Более того, у мышей, генетически модифицированных так, что эти клетки не могут отвечать на сигналы WNT, стволовые клетки не делятся, и стенки кишечника не функционируют.[338] У мышей с противоположным типом мутации – клетки реагировали на WNT, которого на самом деле не было, – клетки делились слишком активно.

Источником сигнала WNT являются клетки, расположенные вокруг стволовых клеток. Учитывая, что пролиферация стволовых клеток, по-видимому, управляется сигналами WNT, надо полагать, что между уровнем определяемого стволовыми клетками сигнала и объемом текущего ремонта должна быть какая-то связь. Тем не менее этот механизм до сих пор окутан туманом. Непонятен и механизм, с помощью которого пролиферирующие клетки, движущиеся вверх по крипте, принимают правильное решение о том, в какой тип клеток дифференцироваться, и, таким образом, поддерживают правильное соотношение между количеством всасывающих клеток, защитных клеток и клеток, производящих слизь. Не исключено, что существует самоорганизующаяся система, в которой зрелые клетки каждого типа выделяют следовые количества определенного сигнала, говорящего о том, что незрелая клетка ни в коем случае не должна становиться клеткой этого типа. Если в такой системе клеток одного типа слишком много, их совокупный сигнал будет сильным, и «молодые» клетки будут становиться клетками другого типа. С другой стороны, если клеток определенного типа будет не хватать, уровень «запрещающего» сигнала будет очень низким, и близлежащие клетки будут, как правило, превращаться в клетки именно этого типа. Однако это пока лишь гипотезы. Интересно будет посмотреть, что покажут эксперименты.

Еще одна часть организма, подверженная довольно жесткому воздействию среды, – это роговица. Она не только защищает глаз снаружи, но и служит линзой, помогающей фокусировать свет на сетчатку. Собственно говоря, глаз функционирует как линза на две трети за счет роговицы и только на одну треть за счет хрусталика.

Роговица подвергается ультрафиолетовому облучению (особенно у неразумных людей, которые находятся на ярком солнце без солнцезащитных очков), ее царапают песок и пыльца, по ней несколько раз в минуту проходит моргающее веко. Роговицу может раздражать сигаретный дым, особенно если курит сам хозяин роговицы. Поскольку роговица должна быть прозрачной, в ней нет обильного кровоснабжения, очень важного для здоровья большинства тканей.

На эмбриональном этапе развития роговица формируется из эктодермы, обрастающей хрусталик на раннем этапе формирования глаз. Это уникальное событие, которое не может повториться. Как только роговица сформирована, она заменяет эктодерму, из которой образовалась, так что создать новую роговицу таким же образом, каким была создана исходная, нельзя. Изношенные клетки роговицы заменяются за счет стволовых клеток. Как и в случае кишечника, стволовые клетки находятся в более защищенном месте, чем полная опасности область, которую они обслуживают, а именно в лимбе – кольце по краю роговицы (рис. 82).[339] Популяция стволовых клеток размножается, поддерживая саму себя и создавая дочерние клетки, предназначенные для роговицы. Как и в кишечнике, дочерние стволовые клетки пролиферируют относительно быстро, так что каждое деление исходных стволовых клеток дает начало многим клеткам роговицы. Пролиферирующие клетки покидают зону стволовых клеток глаза и движутся радиально внутрь, к самому центру зрачка – наиболее удаленной от стволовых клеток области глаза. Движение клеток от лимба к центру глаза было ярко продемонстрировано в экспериментах на химерных мышах,[340] названных так по имени Химеры – мифического существа, состоящего из частей разных животных. Химерные мыши получаются из смеси эмбриональных клеток, часть которых нормальные, а часть несет экспериментально введенный маркерный ген, который может быть обнаружен либо при жизни животного, либо после его смерти с помощью метода специфического окрашивания. У химерных мышей некоторые стволовые клетки несут маркерный ген, а некоторые – нет. Когда глаза взрослой мыши исследуют на экспрессию маркерного гена,[341] выявляется целая серия полос, которые, как спицы в колесе, сходятся в центре роговицы. Хотя эти полосы выглядят так, как будто они исходят от центра, на самом деле они создаются клетками, движущимися со стороны лимба, как было показано при изучении молодых мышей, у которых эти полосы еще не достигли центра.

Рис. 82. Строение глаза и расположение лимб

Кишечник и роговица подвергаются агрессивному воздействию окружающей среды, поэтому их зрелые клетки активно изнашиваются, а стволовые клетки размножаются относительно быстро. Многие другие ткани находятся в гораздо менее жестких условиях, и их зрелые клетки могут жить месяцы или даже годы. Стволовые клетки, обслуживающие такие ткани, делятся очень редко, но они все равно очень важны, особенно если нужен крупномасштабный ремонт после инфекции или травмы. Хорошим примером такой популяции являются стволовые клетки почек.

В почечных канальцах здорового человека клетки, как правило, живут долго, но они могут получить сильные повреждения и погибнуть в результате инфекции или отравления. При развитии почек (глава 10) длинные, сложные трубочки нефронов формировались из групп клеток, которые собирались вместе и образовывали цистообразный шар, который затем удлинялся и изгибался, формируя трубку. Этот процесс формирования новых канальцев из клеток, которые изначально не были частью нефронов, происходит только при эмбриональном развитии. После рождения в организме человека новые канальцы не могут образовываться с нуля, но, судя по всему, клетки канальцев могут заменяться за счет маленькой популяции стволовых клеток, существующей в особой зоне каждой трубочки, между клубочком и самой трубочкой (рис. 83).[342]

В здоровом организме уровень пролиферации этих стволовых клеток очень низок. Когда стволовые клетки «улавливают» повреждение клубочка или канальца (какими-то пока неизвестными способами), они делятся, и их дочерние клетки перемещаются в каналец или в клубочек, по мере своего продвижения переставая быть стволовыми клетками и приобретая свойства дифференцированных клеток. Добравшись до места назначения, они заполняют пробитую повреждением брешь.

Рис. 83. Местоположение стволовых клеток в канальцах зрелых почек (стволовые клетки могут также находиться в других местах)

На данный момент есть одна система, в которой нам известны по крайней мере некоторые сигналы. Это популяция стволовых клеток крови. Кровь в системе кровообращения содержит несколько типов зрелых клеток. Наиболее распространены эритроциты, содержащие гемоглобин – пигмент, который переносит кислород и придает крови ее характерный цвет. В гораздо меньших количествах в крови присутствуют различные клетки иммунной системы, в том числе фагоциты, В-клетки и Т-клетки (глава 17), а также кровяные пластинки (тромбоциты), играющие важную роль в процессе свертывания крови. На ранней стадии развития первые клетки крови образовались при взаимодействии тканей рядом с временными почками (глава 9), но затем эти ткани исчезли, и поддержание кровеносной системы переключилось на использование механизма, основанного на стволовых клетках. На какое-то время стволовые клетки поселяются в печени эмбриона, а после появления длинных костей перемещаются в их центральную часть. Стволовые клетки и развивающиеся клетки крови образуют большую часть костного мозга.

Как и в случае кишечника, сами стволовые клетки (гематопоэтические стволовые клетки, или ГСК) находятся в основании разветвленного древа разных типов дочерних клеток (рис. 84). Популяция ГСК делится медленно, поддерживая себя и давая начало дочерним клеткам, которые затем выбирают путь созревания. Дочерние клетки размножаются быстро и создают постоянно растущие колонии клеток, которые позже изберут свою судьбу, пройдя ряд определенных этапов (рис. 84). И в этом случае пролиферация клеток должна соответствовать потребностям организма – на смену погибающим клеткам крови должно приходить то же количество новых. Если бы в костном мозге образовалось слишком много новых клеток, кровь превратилась бы в густой «суп», а если бы клеток образовалось слишком мало, кровь не могла бы переносить достаточное количество кислорода или эффективно защищать организм. Баланс типов клеток тоже должен тщательно регулироваться и может меняться в зависимости от обстоятельств: например, во время поражения организма инфекциями количество защитных клеток увеличивается.

Рис. 84. «Генеалогическое древо» клеток, образующихся в костном мозге из гематопоэтических стволовых клеток (ГСК). Популяция этих стволовых клеток постоянно самоподдерживается и дает начало клеткам, расположенным выше на схеме. Эти клетки тоже размножаются, и поэтому каждое деление ГСК в нижней части «древа» приводит к образованию огромного количества терминально дифференцированных, зрелых клеток

Хитроумные эксперименты с клетками костного мозга, выращенными в лабораторных условиях, позволили выявить множество сигнальных молекул, влияющих на скорость пролиферации клеток костного мозга. Каждый тип клеток реагирует на определенный набор сигналов. Клетки, которые уже приняли решение стать эритроцитами, несут на своих поверхностях рецепторы для гормона эритропоэтина. При низком содержании этого гормона клетки делятся очень неактивно – можно сказать, выжидают. Если эритропоэтина мало, клетки энергично пролиферируют, и их дочерние клетки превращаются в новые эритроциты. Сам эритропоэтин производится в основном в той части почки, где кровоснабжение по анатомическим причинам довольно скудно даже у здорового человека. Клетки почек «ощущают» концентрацию кислорода вокруг них, используя ту же молекулярную систему, что и клетки, «запрашивающие» новые кровеносные сосуды (глава 9). Чем ниже концентрация кислорода, тем больше эритропоэтина выделяют и высвобождают клетки почек. Этот эритропоэтин идет к костному мозгу, где стимулирует пролиферацию клеток и, следовательно, производство новых эритроцитов. В результате кровь переносит больше кислорода, и его содержание в тканях повышается. Чувствуя это, клетки почек сокращают производство эритропоэтина, и система приостанавливает свою работу, так что производство эритроцитов только балансирует потери и поддерживает оптимальное число этих клеток.

Таким образом, система в целом самоорганизуется и производит ровно столько новых эритроцитов, сколько нужно. При этом ее отдельные компоненты не должны ничего «знать», а должны только правильно реагировать на простой химический сигнал. Этот механизм вполне надежен, если единственный источник эритропоэтина находится в здоровых тканях организма, но может нарушаться при болезненных состояниях, создающих ложные сигналы. Когда кровоснабжение почки снижается (например, при болезни или повреждении почечной артерии), клетки почки испытывают острую нехватку кислорода, в то время как остальные ткани организма находятся в полном порядке. Тогда клетки почек производят эритропоэтин в очень больших количествах, и новых эритроцитов производится слишком много. Аналогичным образом, если в организм вводят дополнительное количество эритропоэтина, костный мозг ведет себя так, как если бы количество эритроцитов достигло критически малого уровня, и производит новые клетки. Целый ряд спортивных скандалов последнего времени связан с тем, что спортсмены использовали эритропоэтин, чтобы увеличить кислородную емкость крови и, следовательно, максимальную мощность мышц.

Производство клеток иммунной системы и их предшественников в костном мозге также регулируется сигналами организма. Например, под действием микробного заражения существующие защитные клетки – Т-клетки и фагоциты (глава 17) – производят сигнальные молекулы дальнего действия. Они распространяются через кровеносную систему по всему организму и достигают костного мозга, где стимулируют клетки вырабатывать «коктейль» локальных сигнальных молекул. Эти сигналы запускают пролиферацию клеток, уже вступивших на путь дифференцировки в клетки иммунной системы, а также активируют быстрое созревание клеток иммунной системы. Таким образом костный мозг реагирует на заражение в любом месте организма и быстро посылает туда подкрепление.

Ситуационно зависимая стимуляция производства эритроцитов эритропоэтином и производства клеток иммунной системы другими сигналами решает проблему поддержания нужного количества клеток в кровеносной системе, но создает новую проблему в самом костном мозге. Популяция предшественников эритроцитов, пролиферация и созревание которых активируются эритропоэтином, не может самоподдерживаться бесконечно. Рано или поздно все клетки созреют и покинут костный мозг уже в качестве эритроцитов. Следовательно, им нужна замена за счет деления клеток, расположенных ниже на «генеалогическом древе» (рис. 84). Эти клетки тоже рано или поздно кончатся, и тогда придется делиться самим стволовым клеткам (ГСК). Это означает, что проблема контроля над пролиферацией охватывает все уровни «древа». Такое впечатление, что эта проблема решается с помощью относительно простого общего механизма сигнализации, который работает для всех клеток одинаково, хотя для разных типов клеток используются разные молекулы.[343] В принципе каждая клетка выделяет молекулы, которые ингибируют пролиферацию типа клеток, расположенного ниже на «генеалогическом древе». Если на высшем уровне достаточно клеток, вместе они будут производить достаточно ингибирующих сигналов, чтобы клетки под ними могли спать спокойно. Если количество клеток на более высоком уровне снижается из-за того, что клетки созревают и покидают костный мозг, то ингибирующих сигналов будет меньше, и поэтому клетки на более низких уровнях будут делиться более активно, а их дочерние клетки заполнят уровень над ними. Эта система ступенчато спускается вниз до уровня ГСК. В костном мозге явно есть и другие сигналы, но результаты компьютерного моделирования говорят о том, что эти нисходящие ингибирующие сигналы являются главными регуляторами пролиферации.

Важность костного мозга как хранилища стволовых клеток крови была открыта уже несколько десятков лет назад, хотя многие детали работы этого хранилища все еще ждут своих исследователей. Одним из самых последних открытий является то, что стволовые клетки, расположенные в костном мозге, могут также давать начало клеткам других тканей организма. На самом деле, не исключено, что костный мозг способен производить клетки для поддержания любого типа соединительной ткани. Это открытие потрясает основы нашего понимания биологии человека. Эти стволовые клетки называются мезенхимными стволовыми клетками[344] и, видимо, являются дочерними клетками ГСК, о которых я только что говорил. Если удалить их из организма и выращивать в лабораторных условиях, мезенхимные стволовые клетки могут давать начало огромному спектру зрелых клеток, в том числе клеток соединительной ткани, жира, хрящей и костей. Разные условия культивирования приводят к получению разных типов клеток.

Тот факт, что мезенхимные стволовые клетки из костного мозга могут производить те или иные типы клеток в лаборатории, не означает, что они на самом деле делают это в организме. Однако один непреднамеренный «эксперимент», поставленный непосредственно на людях, показал, что эти клетки действительно способствуют поддержанию удаленных соединительных тканей. Жизнь людей с разрушенным костным мозгом (например, под воздействием высоких доз радиации или агрессивной химиотерапии, применяемой против лейкемии) можно спасти, пересадив им здоровый костный мозг от донора. Если организмы донора и реципиента достаточно сходны и отторжения не происходит, донорские клетки поселяются в костном мозге реципиента и там начинают делать новую кровь. Совместимость донора и реципиента зависит в том числе от совместимости белков клеточной поверхности, которые производят их клетки. Это немного похоже на систему групп крови для донорства, только гораздо сложнее. Пол донора и реципиента не имеет значения, и нередко донор и реципиент являются братом и сестрой или отцом и дочерью.

Во всех клетках мужского организма есть Y-хромосома, а в клетках женского ее нет (глава 12). Когда костный мозг от мужчины-донора пересаживается женщине-реципиенту, Y-хромосома донорских клеток является четким генетическим признаком, отсутствующим в клетках реципиента. Если операция проходит успешно, то женщина-реципиент может прожить долгие годы, и ее организм будет самоподдерживаться. Если мезенхимные стволовые клетки в костном мозге в естественных условиях способствуют обновлению соединительной ткани организма, то некоторые клетки соединительной ткани должны содержать Y-хромосому, что можно проверить путем микроскопирования образцов ткани, полученных с помощью биопсии или аутопсии. По всей видимости, это так и есть: соединительные ткани женщин-реципиентов, получивших костный мозг от доноров-мужчин, действительно содержат клетки с Y-хромосомой. Такие клетки были описаны в соединительной ткани сердца,[345] кишечника,[346],[347],[348] мозга,[349],[350] и почек[351] и всегда были, по видимому, неотъемлемой частью этих тканей (а не просто, например, клетками проходящей через них крови). Y-хромосома иногда даже обнаруживалась в некоторых тканях, которые в принципе не являются соединительными, например в канальцах печени и почек, в выстилке кишечника и в нервных клетках головного мозга. Клетки, по происхождению связанные с костным мозгом, входили в состав таких патологических структур, как клеточные массы эндометриоза (доброкачественного разрастания слизистой матки в неправильном месте) и злокачественная карцинома. Донорские клетки, несущие Y-хромосому, обнаруживались даже в составе матки женщины-реципиента, что еще раз подчеркивает тот факт, что большинство клеток организма принимают решение о том, создавать им мужские или женские структуры, вовсе не на основании наличия или отсутствия Y-хромосомы, а под действием их окружения и гормонов (глава 12).[352],[353]

Эти данные не доказывают, что мезенхимные стволовые клетки являются источником клеток любого типа, но свидетельствуют о том, что какие-то стволовые клетки такого рода в костном мозге есть. На это же указывают и результаты других исследований, никак не связанных с трансплантацией, а использующих, например, спонтанные генетические изменения в костном мозге некоторых людей как маркеры определенных клеток костного мозга.

Странно, но факт: клетки, несущие Y-хромосому, были также обнаружены в тканях женщин, которые никогда не переносили трансплантацию, но родили мальчиков.[354],[355] По-видимому, стволовые клетки мужского эмбриона проникли через плаценту и поселились в организме матери. Они обнаруживались спустя годы после родов, а в одном исследовании[356] даже присутствовали во всех проанализированных тканях. Можно сказать, что ребенок навсегда оставил след в сердце своей матери, и в данном случае это не просто метафора.[357]

Даже если мы признаем, что костный мозг может участвовать в обслуживании отдаленных тканей, пока непонятно, насколько его вклад важен по сравнению со стволовыми клетками, которые находятся непосредственно в тканях. Методы, используемые для оценки вклада костного мозга, очень чувствительны, и не исключено, что они зарегистрировали крайне интересный, но по большому счету незначительный способ поддержания тканей. Например, вклад клеток костного мозга в обслуживание тканей кишечника очень мал по сравнению с вкладом стволовых клеток крипт. Однако даже если вклад костного мозга в восстановление тканей организма незначителен, он может оказаться полезным с медицинской точки зрения. Я расскажу об этом в последней главе.

Как я уже говорил, стволовые клетки обычно очень берегут себя. Например, они тратят много энергии и ресурсов на создание насосов и каналов для отведения токсинов. Они также очень чувствительны к повреждениям ДНК и скорее совершат самоубийство, чем будут с ними бороться. Можно предположить, что такое положение дел сложилось в ходе естественного отбора и связано с пагубными последствиями пролиферации поврежденных клеток. Забота стволовых клеток о себе любимых и их склонность к «самоубийству» при сильных повреждениях – это реальность, которая может обернуться темной стороной, если человек болен. Одним из примеров является острая лучевая болезнь.[358] Через несколько дней после умеренного или сильного воздействия ионизирующего излучения у человека обычно развивается сильнейший понос с кровью, рвота, выпадение волос и оппортунистические инфекции. Одной из причин диареи является гибель множества кишечных стволовых клеток в криптах, которые обнаружили повреждение ДНК и самоустранились. С таким количеством отмерших клеток выстилка кишечника, и сама по себе поврежденная, больше не может обновляться.[359] Люди, которые переживают этот этап, часто умирают в течение нескольких недель из-за аналогичной потери стволовых клеток костного мозга и, следовательно, неспособности обновлять клетки крови (в том числе клетки иммунной системы). Общее состояние обычных клеток организма может быть, несмотря на повреждения, не таким уж плохим, но нетерпимость стволовых клеток к повреждениям обрекает человека на медленную и мучительную смерть. Так погибли жертвы печально известных событий в Лос-Аламосе, Хиросиме, Нагасаки, Бикини, Кыштыме, Винче, К-19, К-8, К-431 и Чернобыле.

Системы обнаружения повреждений стволовых клеток могут давать сбой, и тогда даже эти клетки могут быть затронуты мутациями. Многие из этих мутаций «молчащие», то есть они не сказываются на поведении клетки, но некоторые могут оказаться серьезными. Мы уже говорили о важности системы WNT-сигнализации в управлении скоростью деления стволовых клеток кишечника и их дочерних клеток и отметили, что у мышей мутации, принудительно запускающие WNT-сигнализацию в этих клетках, приводят к сильному увеличению темпа пролиферации. Кишечные опухоли – третий по распространенности вид рака у людей, и большинство из них связано с активирующими мутациями в системе WNT-сигнализации.[360] К моменту образования агрессивной, распространяющейся опухоли в клетках уже есть и другие мутации, но частота встречаемости мутаций WNT заставляет полагать, что именно они являются основной причиной этого вида рака.

По крайней мере при некоторых видах рака толстой кишки нормальная схема работы стволовых клеток кишечника, которые возобновляют свою популяцию и дают начало пролиферативным дочерним клеткам, сохраняется даже тогда, когда клетки мутировали и образовали опухоль.[361] С этого момента размножение стволовых клеток выходит из-под контроля, и точно так же ведут себя их дочерние клетки. Однако если мутировавшие стволовые клетки могут поддерживать свою популяцию, их дочерние клетки после многократного деления исчерпывают себя и погибают, вытесняемые более поздними дочерними клетками. Аналогичным образом раковые стволовые клетки могут образовать новую опухоль при пересадке другому животному, а другие клетки опухоли не могут.[362] Поскольку нормальное строение стенки кишечника при опухоли нарушено, действия мутировавших стволовых клеток и их дочерних клеток уже не имеют анатомического смысла, но их основная логика сохраняется. Кроме того, стволовые клетки сохраняют «привычку» поддерживать себя в хорошей форме.[363] Раковые опухоли, которые нельзя удалить хирургическим путем, как правило, лечат с помощью химиотерапии, то есть с помощью препаратов, которые токсичны для делящихся клеток. Проблема в том, что стволовые клетки отлично умеют избавляться от этих препаратов и устранять вызванные ими повреждения. Кроме того, хотя стволовые клетки продолжают делиться, они обычно делятся гораздо медленнее, чем дочерние клетки, которые (в норме) должны выйти из крипты. В кишечнике здорового человека стволовые клетки делятся примерно раз в четыре дня, а их дочерние клетки, которые продвигаются по крипте, – примерно раз в двенадцать часов. Таким образом, стволовые клетки в меньшей степени подвержены воздействию препаратов, направленных на делящиеся клетки, а также лучше их выводят. Таким образом, существует реальная опасность того, что лекарства уничтожат всю опухоль кроме самих стволовых клеток, которые, учитывая их уникальную способность образовывать новые опухоли, следовало бы убить в первую очередь. При раке этого типа рецидив опухоли после нескольких лет кажущейся свободы от болезни связан с выживанием небольшого числа стволовых клеток.

Следует подчеркнуть, что, несмотря на убедительные аргументы в пользу того, что определенные опухоли связаны с мутациями стволовых клеток, далеко не все онкобиологи согласны, что эта модель описывает все виды рака или хотя бы их большинство.[364],[365] Этот вопрос необходимо разрешить как можно скорее, так как ответ на него помог бы определить стратегию разработки методов лечения, которые, возможно, должны быть прицельно направлены на стволовые клетки. Учитывая, что у каждой стороны есть веские доводы, может просто оказаться, что в основе одних видов рака лежат раковые стволовые клетки, а в основе других – нет. Тогда первоочередной задачей онколога должно стать выяснение того, какой тип опухоли имеет пациент.

Рак – не единственная болезнь, связанная с аномальным поведением стволовых клеток в тканях. Слишком сильная пролиферация стволовых клеток и их дочерних клеток может вызвать серьезные проблемы в тканях, даже если эти клетки не затронуты раком. Сразу после открытия стволовых клеток почечных канальцев (см. выше) ученые поняли, что главная проблема серьезных заболеваний почек, скорее всего, связана с неправильным поведением стволовых клеток.[366] Основным патологическим признаком серповидного гломерулонефрита является повреждение фильтрующих клубочков на концах канальцев и замена их бесполезной в качестве фильтра массой неспециализированных клеток, расположенных в форме полумесяца. Если такая замена затрагивает много почечных канальцев, это может привести к почечной недостаточности. Судя по экспрессии белков в этих клетках, они являются дочерними клетками стволовых клеток почечных канальцев, которые делились слишком активно и, вместо того чтобы стать клетками клубочков, образовали клеточную массу. Избыточная пролиферация не имеет ничего общего с раком и, вероятно, связана с какой-то первопричиной заболевания, которая заставляет почку сигнализировать клеткам о необходимости делиться, хотя на самом деле такой потребности нет.

Недостаточно активное деление стволовых клеток приводит к коллапсу ткани, которую они обслуживают. При кератопатии, связанной с аниридией, прозрачная роговица глаза заменяется молочно-белой тканью, похожей на шрам. Видимо, это происходит из-за нарушения деления лимбальных стволовых клеток (хотя, возможно, это не единственная причина).[367] В результате развивается слепота. При этом заболевании основная проблема, видимо, связана не с самими стволовыми клетками, а с неправильной средой лимба, нарушающей их нормальное поведение.

Описанные выше нарушения работы стволовых клеток встречаются у относительно немногих людей. Однако одна проблема, связанная с работой стволовых клеток, затрагивает всех без исключения. Замена поврежденных и изношенных клеток нашего тела новыми несовершенна, и в ходе жизни мы постепенно накапливаем повреждения. Иными словами, мы стареем. Существует множество различных теорий того, почему мы стареем (небольшие и просто устроенные организмы этого не делают). Согласно одной из них, дело просто в том, что мы накапливаем случайные повреждения (от излучения, свободных радикалов, ядов и т. п.) быстрее, чем они устраняются или компенсируются за счет деления клеток. Даже если в организме еще много неповрежденных стволовых клеток, постепенная деградация основной массы тканей приводит к трудностям при их ремонте. Поврежденные клетки посылают сумбурные сигналы, межклеточные контакты препятствуют «уборке территории» и т. п. Эти проблемы, поначалу мелкие, накапливаются медленно, но неумолимо, и естественный ремонт перестает справляться с ними. Со временем старение ускоряется. Когда изменения начинают серьезно нарушать работу какой-нибудь из важнейших систем организма, например почек или сердца, вся внутренняя среда становится аномальной, и рано или поздно наступает момент, когда она уже не подлежит восстановлению.

В принципе организм может вкладывать в ремонт больше ресурсов и стареть медленнее. В многочисленных генетических экспериментах были получены организмы, стареющие гораздо медленнее нормальных, хотя и они в конечном итоге все же стареют и умирают. Чтобы понять, почему мы, как и другие организмы, не несем наборы генов, обеспечивающие максимально долгую жизнь, нужно попытаться понять, как работает эволюция.

Рассмотрим начальную популяцию животных, в которой относительный объем ресурсов, вкладываемых в ремонт организма, варьируется от особи к особи: одни вкладывают много и живут долго, другие вкладывают мало и живут энергично, но недолго. Представленность каждой из этих двух категорий животных в следующем поколении будет зависеть от того, сколько потомства каждой категории дожили до зрелости. Потенциально долгоживущие животные могут многократно размножаться, что является несомненным плюсом, но для успешного размножения нужно искать партнеров, пищу и территорию. Их соперники, которые сделали ставку на энергичную и короткую жизнь с небольшими затратами на «ремонт» организма, будут иметь меньше времени на размножение, но если им хватит энергии на то, чтобы более эффективно найти партнеров, пищу и территорию, то, может, они и смогут размножиться. Если бы все было так просто, то долгая жизнь, возможно, была бы наилучшим вариантом для получения наибольшего количества потомства, и долгоживущие животные стали бы доминировать. Однако баланс может быстро измениться под действием хищников и болезней. Если существует высокая вероятность погибнуть в любой момент, то вложения в механизмы ремонта, обеспечивающие долгую жизнь, становятся намного менее выгодными, ведь значительная часть таких вложений может пропасть зря. Нет смысла вкладываться в систему восстановления организма, которая позволяет жить веками, если шансы быть съеденным составляют около 50 % каждый год. В таких условиях альтернативные вложения в быструю жизнь и бурное размножение без заботы о завтрашнем дне дают реальные преимущества.

Теория о том, что риск гибели от хищников обуславливает выбор генных наборов, которые не вкладывают слишком много ресурсов в долгожительство, в определенной мере подтверждается сравнением сходных животных, которые находятся под разным давлением хищников. На мелких летучих мышей, например, мало кто охотится. Они вкладывают много ресурсов в долгосрочное поддержание организма и живут в природе около тридцати лет. На обычных мышей примерно такого же размера охотится множество хищников. Они быстро размножаются, но вкладывают мало ресурсов в поддержание организма. Даже ручные мыши, которых держат как домашних питомцев и оберегают от всех опасностей, живут лишь около трех лет, то есть десятую часть жизни летучей мыши.

Палеонтологическая летопись человека свидетельствует, что наш вид – Homo sapiens – отделился из других гоминид лишь несколько сотен тысяч лет назад в Африке, где было много хищников. Хотя к тому времени наши предки использовали различные орудия в течение нескольких миллионов лет, они, скорее всего, были в той же мере уязвимы для хищников, что и другие гоминиды, – во всяком случае, до внезапного технологического прорыва, случившегося около десяти тысяч лет назад и ознаменовавшего начало неолита. Десять тысяч лет – то есть всего пятьсот поколений – небольшой отрезок времени с точки зрения эволюции, и, вероятно, поэтому мы до сих пор являемся компромиссным вариантом между энергичной короткой жизнью и вложением в долголетие, который сложился у наших предков под воздействием хищничества на африканской равнине. Даже сейчас, когда для тех из нас, кому посчастливилось жить в странах «первого мира», риски умереть от болезней и хищников сведены к минимуму, отбор на долгожительство практически отсутствует. На самом деле тот факт, что даже осиротевший ребенок остается под надежным присмотром, нейтрализует один из немногих эволюционных факторов, увязывающих долголетие родителей с успехом потомства. Поэтому наши естественные системы поддержания организма вряд ли когда-либо позволят нам жить больше ста лет. Если мы хотим обзавестись более эффективными системами ремонта и жить дольше, мы должны сделать что-то сами, применяя на практике знания о нормальном развитии и обновлении организма.