Танец жизни. Новая наука о том, как клетка становится человеком

Моя наука

Моя попытка понять истоки нашего появления сосредоточена не на эволюционной истории, а на индивидуальной жизни, начиная с момента, когда сперматозоид оплодотворяет яйцеклетку, и этот альянс приступает к делению. Долгие годы я мечтала проследить путь каждой клетки живого эмбриона, со дня ее рождения и во всех сложных подробностях ее жизни, пока она не определится или не умрет, как делают некоторые клетки, словно освобождая место для других, чтобы те смогли преуспеть.

В своей лаборатории мы фокусируемся на самом начале жизни. Мы наблюдаем, как яйцеклетка оплодотворяется и делится, создавая сообщество клеток, которые меняют форму, дробятся, перемещаются в новых направлениях и коммуницируют друг с другом при помощи химических и механических сигналов. Чтобы разобраться в путешествиях каждой клетки и в том, как она согласовывает свои действия с окружающими ее клетками для создания организма и новой жизни, мы пользуемся специальными методами, раскрывающими невидимый мир эмбриона.

Когда мы еще не могли снимать эмбриогенез на пленку, как делаем сейчас, мы придумали способ «покраски» клеток специальными красителями, способ маркировки микроскопическими гранулами, превращающими клетки в мерцающие разноцветные точки, что помогло отличить их друг от друга и проследить путь каждой клетки в процессе создания эмбриона. Сегодня для идентификации клеток можно использовать молекулярные маркеры и анализировать работу клеток вплоть до уровня генов, белков и других молекулярных компонентов. Мы пытаемся определить, каким образом эмбрион строит самого себя, чтобы однажды понять механизм создания организма и появления дефектов развития и в итоге разработать корректирующие меры для восстановления функций.

Во время первой стадии развития крошечное семейство клеток из шаровидной массы внешне похожих элементов превращается в структуру с оформленными передней, задней, верхней и нижней частями. Происходящие процессы имеют фундаментальное значение, хотя это только начало жизни. Уже различимы все механизмы, которые будут определять развитие тела и разума.

Пока моя команда сосредоточена на исследованиях первых глав истории новой жизни, многие другие ученые занимаются изучением последующих. Например, всего за два месяца сердце приобретает характерную четырехкамерную форму [3]. Приблизительно через пять месяцев вся группа клеток приходит в движение.

Во время третьего триместра поверхность коры головного мозга значительно увеличивается и образует складки [4]. К семи месяцам плод может обрабатывать сенсорную информацию, например звуки [5]. К девяти месяцам эта группа клеток становится настолько разнообразной, большой и замысловатой, что начинает самостоятельно дышать, войдя в мир незнакомых звуков, яркого света и сильных ощущений.

У взрослого организма речь идет уже о десятках триллионов клеток размером в одну сотую миллиметра в поперечнике [6]. Если бы каждая клетка была размером с человека, то длина тела взрослого от головы до пят составляла бы пару сотен миль. Если смотреть на это с позиции оплодотворенной яйцеклетки (быть может, самой важной из всех клеток), то хореография, ведущая к формированию огромной и замысловатой группы клеток, просто изумительна. Как все эти безмозглые клетки согласовали свои действия и создали разумное существо?

Моя мотивация к изучению начала клеточной одиссеи в основном вызвана чистым любопытством, типичным для всех ученых, страстным желанием понять механизм нашего появления и тот экстраординарный способ, которым мы строим самих себя. Кроме этого, меня вдохновляет и то, что эти знания позволят разработать новые методы диагностики и лечения, способные решить реальные проблемы людей. Я уверена, что наша суть определяется не полом, а тем, какой след мы оставляем в этом мире. Но я не только ученый, а еще женщина и мать, поэтому не понаслышке знаю, что нам нужны более глубокие и обширные знания о подробностях индивидуального развития человека.

Границы истории сотворения

До сих пор мы рассматривали создание новой жизни с человеческой точки зрения, когда ученые вроде меня изо всех сил стараются объяснить поведение клеток в развивающемся эмбрионе, чтобы врачи могли помочь бесплодным парам иметь ребенка, а также понять механизм многих расстройств и придумать методы лечения.

Но танец жизни помещается в гораздо более широкий контекст, где видны фундаментальные основы хореографии живого существа — занимаемое им пространство и время, структурные элементы, реакции на переданную через поколения информацию, а также появление и потеря симметрии для придания формы.

Поместив танец в самый широкий контекст, мы узнаем, сколько пространства и времени понадобилось для того, чтобы создать живой организм после Большого взрыва, произошедшего 13,8 миллиарда лет назад. Как только Вселенная остыла, возникли подходящие условия для формирования материи, необходимой для жизни и нашего создания.

Вы, я и все остальные существуем потому, что момент сотворения был односторонним. При остывании Вселенной частицы и античастицы аннигилировали попарно, однако некоторая асимметрия между материей и антиматерией означала, что крохотной доле материи (примерно одной частице на миллиард) удавалось сохраняться. Без этого нарушения симметрии, приближенного к моменту сотворения, во Вселенной не было бы ничего, кроме остатков энергии.

Но для создания жизни нужны особые виды материи. Каждая клетка нашего тела содержит 100 триллионов атомов — от легких элементов, возникших после Большого взрыва, до более тяжелых, появившихся в самом сердце звезд при столкновении звездных нейтронов и при других бурных космических событиях [7]. Чтобы наши тела могли функционировать, атомы, доставшиеся нам от Вселенной, должны быть нужного типа и в нужном количестве, а также располагаться особым образом. Иными словами, для создания жизни нужна информация о том, как построить организм.

Ранние идеи о местонахождении инструкций по созданию жизни принадлежат физику Эрвину Шрёдингеру, который в 1943 году предположил, что организм содержит «шифровальный код»[1], определяющий весь паттерн будущего индивидуального развития. Этот код — не схема, устанавливающая статичный порядок расположения атомов, а изощренная и динамичная наследственная информация о том, как создать живой организм.

Некоторые ученые критически восприняли («скорее фантастика, чем наука») книгу «What Is Life? The Physical Aspect of the Living Cell» («Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки»), где Шрёдингер обрисовал свои мысли [8]. Однако его рассуждения вдохновили многих ученых, в том числе Фрэнсиса Крика и Джима Уотсона, которые в 1953 году в своей лаборатории Кембриджского университета открыли молекулярную структуру «шифровального кода», опираясь на ключевые рентгеновские исследования ДНК, проведенные Розалинд Франклин и Морисом Уилкинсом из Лондона [9]. В изгибах и поворотах двойной спирали кроется множество секретов нашей наследственности, и в частности гены, контролирующие наше развитие.

Двойную спираль можно расплести вдоль, и каждая отдельная сторона послужит шаблоном для другой, поэтому информация ДНК передается следующему поколению. И если элементы, необходимые для построения ДНК, можно найти в остатках взорвавшихся звезд, то порядок букв генетического кода — это инструкции, переданные сквозь поколения от наших предков, которые мы, в свою очередь, можем передать своим детям.

Все живые существа на Земле — недавние звенья в цепи информации, закодированной в реплицирующейся молекуле ДНК, которая размножается на этой планете около четырех миллиардов лет. Возможно, первые копии первой жизни появились в гидротермальных источниках морских глубин с использованием аминокислот из океанической коры [10]. Однако таких теорий множество, и пока это еще одна размытая граница великой истории жизни: никто не знает, как появилась самореплицирующаяся молекула ДНК, запустившая инструкции, которые эволюционировали в изобильное множество существ нашей планеты, сначала в виде бесформенной одноклеточной жизни, а позже — в виде величайшего разнообразия многоклеточных организмов.

Жизнь имеет еще одно измерение. Инструкции ДНК, которые мы передаем своим детям, содержат не конкретный план вроде архитектурного чертежа, а рецепт, согласно которому ингредиенты самоорганизуются в высшей степени слаженным образом. Эти инструкции вступают в действие в первые несколько дней, начиная с процесса, когда оплодотворенное яйцо делится и меняет форму до такой степени, что эти ранние фазы жизни эмбриона получили разные названия: зигота, морула, бластоциста и, наконец, собственно эмбрион.

Подобно космосу, жизнь формируется симметрией и ее нарушением, от легкого смещения внутри отдельной клетки до оси, вокруг которой организована группа клеток, составляющая эмбрион. В конце концов, нарушение симметрии формирует наше тело от расположения головы и пальцев ног до локализации внутренних органов, от симметричных легких и почек до сердца, которое у нас слева. Все это, в свою очередь, вытекает из асимметрии на молекулярном уровне.

Нарушение симметрии необходимо для многих самых существенных фаз нашего развития. Благодаря нарушению симметрии мы из круглого оплодотворенного яйца через пять дней превращаемся в полую структуру из примерно двухсот клеток, размером в одну-две десятых миллиметра в поперечнике. На этом этапе эмбрион готов имплантироваться в стенку матки. Здесь сливаются границы двух жизней. Поэт и философ Сэмюэл Тейлор Кольридж однажды заметил, что девять месяцев, предшествующих рождению, «вероятно, куда интереснее... чем все последующие семьдесят лет» [11]. Я думаю, то же самое вполне можно сказать о первых девяти днях развития.

На пути к появлению этого изысканного образца материи под названием «организм» скрывается еще много тайн. И это неудивительно, ведь человек, быть может, гораздо сложнее, чем все безбрежное пространство света и тьмы под названием «космос» [12].

Такова история моей науки и моего путешествия к пониманию того, как появляются клетки в раннем эмбрионе; как они начинают узнавать друг друга и взаимодействовать; как шаг за шагом они с ошеломляющей точностью формируют человека; как они направляют собственное развитие; как они понимают, что процесс пошел не так, и как нам самим обнаружить эту ошибку и установить ее причину.

Чтобы важные процессы развития происходили в нужное время и в нужной последовательности, должен быть некий вариант клеточных часов, но как они работают? Другими словами, с помощью какого механизма эмбрион отмечает проходящие часы и дни? Почему через два с половиной дня у всех клеток появляются разные концы, так называемая наружно-внутренняя полярность? Почему беременность длится девять месяцев, а не пять или двенадцать? В развивающемся эмбрионе клетка, базовая единица жизни, размножается и меняется согласно хореографии, четко скоординированной в пространстве и времени, — можем ли мы понять этот самый потрясающий, замысловатый и всепоглощающий танец жизни?

Это лишь несколько вопросов, вызванных результатами исследований на современном этапе научного понимания, и все они чрезвычайно увлекательны. Несмотря на все мои усилия и усилия многих других ученых, наши ответы имеют предел. Тем не менее в последние годы мы все же добились прогресса.