Помоги проекту - поделись книгой:
Когда все хромосомы выстроились в линию, клетка может перейти к следующему этапу деления, на котором белки, связывавшие сестринские копии хромосомы, освобождают их, позволяя смещаться к противоположным сторонам клетки. Процесс не начнется до тех пор, пока все хромосомы не выстроены правильно, иначе дочерние клетки получат неправильное число хромосом и лишатся важных генов. Поэтому должна существовать система, предотвращающая преждевременное расхождение. В очередной раз используется способность белков, соединяющих копии хромосом, «ощущать» напряжение, возникающее, когда копии хромосомы крепятся к микротрубочкам из двух разных систем. Когда напряжение отсутствует, белковые комплексы продолжают генерировать сигнал, небольшую молекулу, которая может распространиться по клетке и блокировать переход к следующей стадии клеточного деления. Она как будто кричит «Не сейчас!» на языке биохимии. До тех пор пока все пары хромосомы не будут прикреплены к правильным микротрубочкам и не будут подвергаться растаскиванию, сигналы будут продолжаться и клетка будет ждать. Только тогда, когда натяжение всех белковых комплексов будет отрегулировано, сигналы смолкнут и можно будет начинать следующий этап деления. Опять же, эта система может приспособиться под любое количество хромосом.
Когда все хромосомы выстроились в середине веретена деления, а сигналы «Не сейчас!» затихли, клетка готова к следующему этапу. Белковые комплексы, которые соединяют пары копий хромосом, отпускают их, позволяя моторным белкам свободно подтягивать хромосомы по микротрубочкам к соответствующим центросомам.[19] После того как все хромосомы распределились, еще одна автоматическая система размещает кольцо сократительных белков по «экватору» клетки между полюсами, положение которых определяют центросомы. Эти белки могут скользить относительно друг друга, образуя затягивающийся «пояс» клетки. Этот «пояс» будет затягиваться до тех пор, пока исходная клетка не разделится окончательно на две новые.
В целом описанные выше системы могут показаться очень сложными и запутанными. Однако, если в их устройстве разбираться последовательно, компонент за компонентом, они оказываются очень простыми. У каждого белка своя простая задача. Способность системы выполнять сложные задачи, такие как обнаружение и разделение сестринских хромосом, независимо от их исходного положения в клетке, обеспечивается взаимодействием простых компонентов системы, а не их усложнением. В частности, она связана с тем, что существует обратная связь между поведением компонентов системы и получаемой ими информации о состоянии системы как целого, о том, на какой стадии того или иного процесса она находится в данный момент (например, о том, все ли хромосомы заняли нужное положение). Использование простых компонентов, увязанных в единое целое за счет системы тесных обратных связей, вообще характерно для живой материи, и в этой главе я углубился в детали именно затем, чтобы показать, как системы «глупых» биологических молекул могут организоваться для решения серьезных задач, иначе говоря, чтобы показать, как из простого возникает сложное.
Системы, которые запускали первое деление клетки, продолжают работать в клетках эмбриона, и теперь мы больше не будем обсуждать их в таких деталях. Это вообще типично для биологии: если механизм работает, его можно использовать многократно, иногда с незначительными поправками, в процессе всего эмбрионального развития. Почти сразу после того, как первое деление клетки завершено, каждая из двух образовавшихся клеток начинает копировать хромосомы и делиться. Получается эмбрион из четырех клеток. Синхронные клеточные деления продолжаются некоторое время, но рано или поздно синхронность деления разных клеток теряется, и со стадии примерно шестнадцати клеток число клеток эмбриона начинает отклоняться от значения «два в степени n». Как правило, клетки раннего эмбриона, получившиеся в ходе дробления, расположены довольно свободно относительно друг друга. Иногда, примерно один раз на тысячу двести случаев, клетки распадаются на два отдельных комка. Из каждого комка получится отдельный эмбрион, у которого будет собственная плацента и плодные оболочки. Это один из трех вариантов рождения однояйцевых близнецов, и на него приходится около трети всех случаев. Тот факт, что эмбрион может разделиться и дать начало двум младенцам, говорит нам об очень важной особенности развития: все клетки должны быть способны создать любую часть тела, и нет одной специальной клетки, которая отвечает, например, за создание головы или детерминирована как клетка головы. Если бы клетки с самого начала были разными, если бы одна или несколько клеток были детерминированы к формированию конкретной части тела или если бы одна клетка отвечала за весь процесс, то разделение эмбриона привело бы к тому, что по меньшей мере у одной из половинок не оказалось бы жизненно важных клеток и ее развитие было бы обречено на провал. Тем не менее тысячи живущих в каждой стране однояйцевых близнецов являются красноречивым свидетельством равных возможностей клеток на ранних этапах дробления.
Итак, эмбрион достигает стадии примерно шестнадцати клеток. Это значит, что у него уже достаточно клеток, чтобы изменять форму тела и чтобы начать клеточную дифференцировку, то есть сделать клетки разными. Прелюдия окончена, и начинается основная работа по эмбриональному развитию.
Глава 3
Как создаются различия
Искреннее расхождение во мнениях – хороший признак прогресса.
Суть раннего дробления можно выразить одной фразой: «умножение без изменения». Количество клеток растет в геометрической прогрессии, но каждая новая клетка идентична всем остальным. Действительно, во время первых нескольких делений клетки даже не пользуются собственными генами, а полагаются на запас молекул, помещенных материнским организмом в яйцеклетку и поровну распределяемых при делении между дочерними клетками.[20] Ранние этапы развития полностью посвящены делению. Это имеет смысл: чем больше клеток, тем легче будет в нужный момент создать с их помощью организм. Однако дробление может продолжаться только до определенного момента, так как образующиеся клетки имеют вдвое меньший объем, чем их предшественники. Через некоторое время размер клеток приблизится к минимальному, и им понадобятся паузы для роста между новыми этапами деления. Для роста же необходимы питательные вещества, а чтобы их получить, нужно приложить дополнительные усилия. Это, в свою очередь, означает, что какие-то из клеток должны специализироваться на доставке пищи другим. В эмбрионах многих птиц и рептилий питание осуществляется за счет запасенного в яйце желтка. В случае млекопитающих питательные вещества поступают непосредственно от матери, но общее правило остается неизменным: рано или поздно дробление прекращается и начинается специализация клеток.
Специализация подразумевает, что клетки теряют идентичность. Теперь у разных типов клеток разные функции. На этом этапе эмбрион сталкивается с очень важной проблемой. Создание различий означает необходимость создания нового порядка и новой информации. Увеличение количества информации хорошо иллюстрируется таким примером: для описания асимметричного объекта нам требуется больше слов или, скажем, математических символов, чем для описания симметричного объекта. Так, описать форму кружки с ручкой сложнее, чем описать форму, скажем, стакана. У многих «низших» существ, например насекомых, необходимую информацию обеспечивает мать. Она закладывает пространственную информацию в яйцеклетку в виде градиентов концентрации определенных молекул. Таким образом, во время дробления разные клетки эмбриона наследуют разное количество этих молекул. Затем клетки используют эти различия для выбора пути развития. Этот негенетический метод передачи чрезвычайно важной информации из поколения в поколение очень эффективен, но, насколько мы знаем, у человеческих эмбрионов он не работает, и одна часть яйцеклетки идентична другой.[21] Создание отличительных особенностей – то есть новой информации – представляет собой серьезную логическую задачу для человеческого эмбриона. Как создать закономерность, которой раньше не было? У этой проблемы очень изящное решение: эмбрион получает информацию исходя из законов геометрии.
Пока эмбрион состоял из нескольких клеток, каждая из них занимала достаточно большую долю в общем объеме. Часть поверхности каждой клетки была обращена в окружающую среду. Когда в ходе дробления получается тридцать две или шестьдесят четыре клетки, уже достаточно мелкие по сравнению с размерами сферического зародыша, некоторые из них оказываются окружены со всех сторон другими клетками. Другие все еще имеют контакт с внешней средой – примерно одна шестая их мембраны обращена наружу. Клетки «чувствуют», окружены ли они другими клетками или какая-то их часть соприкасается только с жидкостью. Эту информацию они используют для того, чтобы определиться с дальнейшими действиями. Клетки, имеющие «свободную поверхность», активируют ряд ранее неактивных генов и образуют первую ткань эмбриона – трофэктодерму. Клетки, окруженные другими клетками, эти гены не активируют. Использование в качестве источника информации простого физического признака – наличия свободной поверхности – избавляет эмбрион от необходимости иметь заранее подготовленный пространственный план. Кроме того, клеткам не нужно «знать» свое точное расположение в эмбрионе. Им нужно только определить, есть у них свободные участки поверхности или нет.
Задача трофоэктодермы заключается только в создании структур для структурной поддержки и питания эмбриона. Частью ребенка она никогда не станет.[22] В первую очередь трофэктодерма перекачивает в эмбрион жидкость. Эта жидкость накапливается, что приводит к образованию обширной полости (рис. 6). Формирование этой полости, в свою очередь, приводит к тому, что внутренние клетки группируются на внутренней поверхности трофэктодермы в виде эксцентрично расположенного комка, который называется «внутренняя клеточная масса». Если судить только по внешнему виду, эти клетки кажутся менее интересными, чем активные клетки трофэктодермы, постоянно занятые питанием, накачкой жидкости, внедрением в материнский организм. Однако именно из внутренней клеточной массы и формируется ребенок. Иногда эта масса делится на два комочка, каждый из которых развивается, формируя в итоге человеческий организм. Такие близнецы, как и те, о которых рассказывалось в главе 2, будут генетически идентичны, но на этот раз они будут расти в одной общей трофэктодерме. В то же время у каждого из близнецов будет свой желточный мешок и амниотическая полость (см. далее). Таким образом, они надежно изолированы друг от друга. Это самый распространенный механизм появления однояйцевых близнецов, на его долю приходится две трети всех случаев. (Третий, крайне редкий вариант появления близнецов будет описан несколько позже.)
К тому времени, когда клетки трофэктодермы закачают внутрь эмбриона объем жидкости, достаточный для создания полости, и создают вздувшуюся структуру, эмбрион должен покинуть фаллопиеву трубу матери, где произошло оплодотворение, и переместиться в матку. Этот орган в норме как бы немного «сдут»: его стенки слипаются, как снятая с руки резиновая перчатка. Особенно «сдувшейся» матка выглядит через неделю после овуляции. Поэтому весьма вероятно, что ранний эмбрион, попав в матку, вскоре столкнется с ее внутренней поверхностью. Когда это произойдет, он закрепляется на ней, используя специальный набор адгезивных молекул. После прикрепления клетки эмбриона образуют новые белки, которые позволяют им внедриться между клетками стенки матки.[23] В течение нескольких часов «пальчики» клеток эмбриона проникнут в ткани матери, и образуется плацента. Многие клетки матки при этом разрушаются, а их остатки становятся пищей для эмбриона. Реакция матери на эту атаку приводит к дальнейшему отмиранию ткани. Таким образом, через десять дней после оплодотворения формируется полость, в которой легко умещается эмбрион. У людей и некоторых животных внутренняя выстилка матки обрастает эмбрион, скрывая место имплантации.
Рис. 6. Схема перехода от стадии двух клеток к стадии образования полости и затем к стадии обособления трофэктодермы и внутренней клеточной массы. Эмбрион заключен в плотную желеобразную «капсулу», прежде служившую оболочкой яйцеклетки; она носит название вителлинового слоя, или zona pellucida
Образ жизни эмбриона человека близок к паразитическому, но не стоит принимать эту метафору слишком близко к сердцу. В любом случае это единственный способ вынашивания потомства, а значит, выживания у нашего вида. Мать не просто терпит паразитизм ребенка, а поощряет его за счет постоянного взаимодействия. Если построенный на сигнальных молекулах «диалог» между маткой и эмбрионом прекращается, эмбрион не может оставаться имплантированным, и беременность прерывается.[24]
Иногда эмбрион движется по женским половым путям от места оплодотворения в маточной (фаллопиевой) трубе чересчур медленно и не достигает матки к тому времени, когда уже готов к имплантации. Одной из распространенных причин этого медленного перемещения является повреждение выстилки маточной трубы бактериями Chlamydia.[25] В наше время это часто встречается у молодых женщин.[26] Эмбрион, достигший определенной стадии развития, пытается имплантироваться там, где он находится в данный момент, даже в яйцеводе. Это ведет к внематочной беременности. Маточная труба не приспособлена для поддержания роста плода ни физически (по размеру и растяжимости), ни физиологически (в плане возможности обеспечить питание и приток крови). Во многих случаях это приводит к выкидышу. Иногда выкидыш приходится вызывать искусственно для спасения жизни матери.
До начала специализации клетки внутренней клеточной массы могут дать начало любой клетке организма. Во всяком случае, так происходит у мышей: на людях подобные эксперименты не могут проводиться по этическим соображениям. Для описания спектра типов клеток, в которые может дифференцироваться та или иная клетка эмбриона, исследователи часто используют специальную древовидную диаграмму, отображающую типы клеток и последовательность дифференцировки. Пример такой диаграммы приведен на рис. 7. Все возможные варианты в конечном счете происходят от одного типа клеток, который на такой диаграмме представляет собой ствол дерева. Поэтому эти клетки называют стволовыми клетками. (Это буквальный перевод немецкого термина «Stammzelle», который предложил в 1909 г. Александр Максимов, изучавший «древо» клеток крови.) В зависимости от конкретной схемы термин «стволовые клетки» может быть применен как к клетке, которая может создать только несколько различных типов клеток организма, так и к клеткам с большими потенциями.
Рис. 7. Типичная древовидная диаграмма, которая обобщает данные о траекториях клеточных дифференцировок – клетки ранних стадий развития дают начало клеткам более поздних стадий (или дифференцируются в них). Эта диаграмма, которую следует читать снизу вверх, отражает события, описанные в этой и последующих главах. Древо всего процесса развития человека было бы огромным и содержало бы сотни ветвей. Нижняя точка таких диаграмм всегда принимается за «стволовую клетку» независимо от того, находится ли эта клетка на самом раннем этапе развития или уже прошла определенное расстояние «вверх» вдоль ствола дерева. Об использовании термина «стволовые клетки» будет рассказано позже
В последнее время понятие «стволовые клетки» несколько сузилось. Многие авторы утверждают, что стволовыми клетками следует называть только клетки, способные поддерживать собственную популяцию, а также давать начало другим типам клеток, расположенным на диаграмме над ними. (Термин, предложенный Максимовым, в явном виде не предполагал подобной трактовки).[27] К счастью, эта терминологическая тонкость не влияет на применимость термина «стволовые клетки» к внутренней клеточной массе, которая показана на рис. 7 в нижнем правом углу, потому что ее клетки могут поддерживать свою популяцию, даже если удалить их из эмбриона и поместить в пробирку. Они дают начало всем тканям организма. Поэтому клетки внутренней клеточной массы иногда называют эмбриональными стволовыми клетками (ЭСК), особенно в тех случаях, когда их извлекают из эмбрионов и выращивают в культуре.[28]
Эмбриональные стволовые клетки сыграли очень важную роль в медико-биологических исследованиях последних десятилетий. В хорошо отработанных рутинных экспериментах ученые направленно «редактируют» гены ЭСК мышей, а затем вводят такие модифицированные клетки в клеточную массу эмбриона обыкновенной мыши. В результате в организме мыши, которой сделали инъекцию, образуется смесь нормальных клеток внутренней клеточной массы и генетически модифицированных ЭСК. Как правило, удается сделать так, чтобы часть сперматозоидов самца мыши развивалась именно из генетически модифицированных клеток. Потомство такого самца, полученное в результате обычного спаривания, будет иметь модифицированные гены во всех клетках тела. Этот метод позволил ученым создать мышиные «копии» генетических заболеваний человека, а эксперименты, проведенные на таких копиях, дают возможность лучше понять болезнь и разработать способы лечения.[29] Всего в лабораториях мира были получены десятки тысяч таких мышей. Многие факты, описанные в этой книге, были открыты в процессе наблюдения за протеканием беременности и эмбриональным развитием генетически модифицированных мышей.
Существуют и человеческие ЭСК.[30] Есть надежда, что, если найти способы управления их развитием и получения нужных типов клеток, их можно будет использовать для «ремонта» поврежденных тканей в организме человека или даже для создания новых тканей для пересадки. Тем не менее эти разработки воспринимаются неоднозначно: ЭСК можно получить, только уничтожив человеческий эмбрион на раннем этапе развития. Для некоторых людей тот факт, что эмбрион впоследствии становится человеком, является достаточным основанием для придания ему статуса человека. В рамках такого подхода уничтожение эмбриона, по сути, является убийством; оно неприемлемо, какую бы пользу ни сулило. Кто-то, напротив, считает, что у раннего эмбриона отсутствуют такие человеческие атрибуты, как мысли или чувства, и он не нуждается в защите. Тем не менее многие придерживаются промежуточной позиции и допускают возможность исследований на человеческих эмбрионах при условии, что это регулируется определенными правилами. Последние разработки могут помочь найти выход из этой этической дилеммы. Исследовательская группа из Японии недавно открыла способ превращать обычные соматические клетки мыши в клетки, подобные ЭСК. Они получили название индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, сокращенно ИПСК.[31] Чтобы проверить, насколько они сходны с ЭСК, исследователи заменили на них внутреннюю клеточную массу эмбриона. В результате родились здоровые мышата. Этот метод относительно прост и в настоящее время используется во многих лабораториях по всему миру. Многие ученые применяли его к соматическим клеткам человека, создавая на их основе нечто очень похожее на ИПСК. Я говорю «нечто очень похожее», так как по этическим причинам нельзя экспериментировать с человеком, как с мышью, и точно проверить это нельзя. Если ИПСК действительно идентичны ЭСК человека, их можно будет использовать для того же, для чего сейчас используются ЭСК. Таким образом, отпадет необходимость использовать человеческие эмбрионы в исследованиях подобного рода. Это может воплотиться в жизнь, но вряд ли обрадует тех, кто присваивает эмбриону статус человека на том лишь основании, что эмбрион может им стать. Если все наши клетки могут стать плюрипотентными и дать начало человеческому организму, почему бы не считать людьми и их?
У нормального эмбриона клетки внутренней клеточной массы очень недолго остаются в исходном состоянии: уже через короткий промежуток времени они начинают специализироваться, и каждый из типов клеток приобретает свои отличительные черты. Наличие у эмбриона особой заполненной жидкостью полости означает, что некоторые клетки внутренней клеточной массы, которая лишь незначительно увеличивается в размерах, окружены другими, а некоторые имеют свободную поверхность. Наличие свободной поверхности снова нарушает симметрию межклеточной адгезии, так что клеточный слой, соприкасающийся с жидкостью, стоит особняком от других клеток. Он становится плотным слоем – гипобластом.[32] Раньше считалось, что клетки превращаются в гипобласт в силу того, что просто оказываются в нужное время в нужном месте. Однако недавние эксперименты на мышах показали, что некоторые клетки внутренней клеточной массы могут иметь к этому предрасположенность. Как только где-то возникает свободная поверхность, эти клетки мигрируют туда, а другие переходят внутрь, на их место.[33] В любом случае определяющим фактором пространственной организации служит именно свободная поверхность (рис. 8). Некоторые клетки гипобласта остаются там, где образовались, но большинство распространяются по слою трофэктодермы и формируют полый желточный мешок (это название используется по аналогии с эмбрионами низших позвоночных).
Оставшиеся клетки внутренней клеточной массы делятся на два слоя. Клетки, непосредственно прилегающие к гипобласту, остаются на месте и образуют новый слой – эпибласт. Клетки вышележащего слоя отслаиваются от эпибласта, и в результате формируется еще одна полость. Она называется амниотической полостью (см. рис. 8). Двухслойный диск, состоящий из эпибласта и гипобласта, зажат между полостью желточного мешка и амниотической полостью, как перемычка в греческой букве тета (θ). Эпибласт, слой, обращеннный к полости желточного мешка, даст начало всем клеткам будущего ребенка.[34],[35]
Рис. 8. Эмбрион снова проделывает «трюк со свободной поверхностью», чтобы получить из граничащего с жидкостью слоя клеток внутренней клеточной массы новый тип клеток – гипобласт. Слой оставшейся внутренней клеточной массы, соприкасающийся с гипобластом, снова дифференцируется, образуя эпибласт. Благодаря этому слой вышележащих клеток отделяется, образуя новую полость. Эпибласт – невзрачный клеточный диск – даст начало будущему младенцу; все остальное пойдет на образование тканей, необходимых для поддержания жизни плода в матке
События, описанные в этой главе, в основном вели к нарушению единообразия и появлению различий между ранее идентичными клетками. На ранней стадии развития эмбрион несколько раз использует один и тот же трюк – дальнейшая судьба клеток зависит от наличия или отсутствия у них свободной поверхности. Это позволяет использовать чистую геометрию в качестве источника новой информации. В каждом случае сугубо локальные взаимодействия приводят к масштабным изменениям. При этом ни одна клетка не «руководит процессом» и не «видит» его общей картины. С появлением разных типов тканей эмбриону будет значительно легче создавать дальнейшие различия. Например, новый тип клеток – С – может развиваться в местах контакта клеток типов А и B. Таким образом, сформируются две новые зоны контакта (АС и СВ), и каждая из них будет служить основой для спецификации следующих типов клеток. На более поздних стадиях развития «эпоху внешних воздействий» (например, использование свободных поверхностей) сменяют механизмы, основанные на внутренних различиях. Первый из них и, возможно, наиболее примечательный станет следующей темой для обсуждения.
Глава 4
Закладка плана строения
Самый важный момент в вашей жизни – не рождение, не свадьба или смерть, а гаструляция.
Что видят люди, оглядываясь на прожитые годы? Долгие периоды однообразной жизни, перемежаемые всплесками резких изменений. Возможно, эти изменения являются результатом долгой и тщательной подготовки, занимающей месяцы или годы, но эта подготовка скрыта от глаз. Лепет ребенка перерастает в нечто более осмысленное почти незаметно для родителей, но они никогда не забудут его первое слово. Постепенно складываются и отношения семейной пары: сначала возникает привязанность, затем растет доверие, возникает взаимопонимание, и, наконец, они осознают, как много значат друг для друга. Накопление профессиональных навыков гораздо менее очевидно, чем новая работа или продвижение по карьерной лестнице, которое мы получаем в награду. Гораздо менее приятный пример – постепенное накопление повреждений на клеточном уровне, незаметно подводящее к рубежу, когда можно установить точный диагноз и здоровый человек становится больным.
Такое чередование рутинных событий со скачкообразными изменениями свойственно не только жизни взрослого человека, но и жизни эмбриона. На ранних этапах развития эмбриона, описанных в предыдущих двух главах, происходило всего лишь простое деление клеток. Затем – на первый взгляд, внезапно – начались новые процессы, связанные с формированием клеточных слоев, заметно отличающихся друг от друга. Получившаяся в результате структура – по сути, наполненная жидкостью сфера, которая разделена на две камеры парой дисков (рис. 9), – по-прежнему далека от того, чтобы в ней можно было опознать что-то человекоподобное. Скажите кому-нибудь, что из этой пары дисков получится животное, и он, вероятно, предположит, что это будет медуза. По крайней мере, ее колокол, как и диски эмбриона, радиально симметричен, и у нее есть верх и низ, но нет оси, разделяющей тело на половинки (см. рис. 9). Тем не менее эмбрион уже успел подготовиться к масштабной реорганизации, после которой он уже будет напоминать человека. Этот процесс, занимающий всего пару дней, называется гаструляция.
Рис. 9. Простая радиальная симметрия зародышевого диска человеческого эмбриона в сравнении с аналогичной симметрией медузы
Чтобы подойти к теме гаструляции, можно было бы сначала рассмотреть строение примитивного организма, который образуется в результате данного процесса, а затем посмотреть, какой вклад в его образование вносит каждый этап гаструляции. Это, пожалуй, был бы самый рациональный и простой подход к описанию гаструляции, однако он может создать ложное впечатление о том, что клетки имеют какое-то представление об анатомии организма, в строительстве которого участвуют. На самом же деле развитие организма основано вовсе не на том, что клеткам известны законы развития (понять эти законы трудно даже нам, с нашим мозгом из миллионов клеток), а на том, что клетки автоматически откликаются на изменения окружающей их среды. Поэтому в этой главе мы, следуя логике развития, сначала рассмотрим поведение клеток развивающегося организма и только потом посмотрим, к чему оно приводит.
Прежде чем начать рассказ, хочу сделать важное предупреждение: изучать процесс гаструляции у человека крайне сложно, поэтому почти все, что описано в этой главе, основано на исследованиях животных. Существуют строгие правовые ограничения относительно выращивания человеческих эмбрионов в лабораторных условиях, и изучать эмбрионы на стадии гаструляции нельзя (почему – я расскажу чуть позже). Основная последовательность анатомических изменений человеческого эмбриона известна. Эти данные были получены в исследованиях немногочисленных (и очень ценных) эмбрионов, извлеченных при посмертном вскрытии или при удалении матки у женщин, которые чаще всего даже не знали о том, что беременны. Гаструляция начинается примерно через пятнадцать дней после оплодотворения, то есть примерно тогда, когда женщина ожидает начала менструации. Некоторым из этих эмбрионов более ста лет, но они до сих пор хранятся в музеях под особым присмотром, потому что новый материал такого рода поступает крайне редко. Исследования проводятся главным образом на мышах и курицах, а процесс гаструляции у этих животных значительно отличается от гаструляции у человека. Цыпленок развивается в яйце, а не в матке; эпибласт и гипобласт мыши имеют форму чаши, а не диска. Эти особенности могут играть существенную роль при развитии. Поэтому реконструировать механизмы гаструляции человека на основе данных, полученных при изучении модельных животных, рискованно – слишком мало у нас информации, и мы можем неверно интерпретировать какие-либо детали процесса.
Отправной точкой для гаструляции является эмбрион в том состоянии, в котором мы оставили его в конце главы 3. К этому времени уже сформировался ряд вспомогательных тканей, таких как плацента, а также два заполненных жидкостью внутренних пространства: амниотическая полость и желточный мешок. Между этими полостями лежат два диска, расположенные один над другим: гипобласт и эпибласт. Из гипобласта образуются дополнительные вспомогательные ткани, а из эпибласта – сам плод. Ни один из этих двух дисков не имеет каких-либо явных особенностей, которые позволяли бы отличить один его край от другого (см. рис. 9).
Первое изменение (судя по данным, полученным на животных) происходит в гипобласте. У клеток, расположенных в середине этого диска,[36] включаются новые гены, в том числе и ген ДНК-связывающего белка, который называется HEX.[37] Что является сигналом к этому изменению, пока неясно. Возможно, что все клетки гипобласта изначально готовы к нему, но большинство из них ингибируется сигнальным белком, который синтезируется тканями, окружающими гипобласт.[38] Достаточно далеко от источника этого ингибитора находятся только клетки в центре диска, поэтому они могут избежать его влияния и запустить экспрессию гена HEX. Этот механизм – только предположение, но активация гена HEX – факт. Клетки, в которых экспрессируется HEX, уходят из центра диска – они перемещаются, расталкивая соседние клетки, и собираются в одной точке на краю диска гипобласта[39],[40],[41] (рис. 10). Все еще непонятно, даже в случае мышей, что же особенного в этой точке диска, что клетки мигрируют именно туда. У «низших» животных расположение похожей «особой» точки обусловлено начальными условиями развития. В некоторых случаях положение этой точки определяется переходящей к зародышу асимметрией распределения молекул, заложенных в яйцеклетку материнским организмом. В других случаях в этой точке располагаются полярные тельца, «побочные продукты» клеточных делений, предшествующих формированию яйцеклетки. У некоторых организмов эту точку, по-видимому, маркирует место проникновения сперматозоида. Весьма вероятно, что у млекопитающих это тоже так, и есть указания на то, что эмбрионы мышей асимметричны уже на самых ранних стадиях развития.[42] Соответствующих данных по эмбрионам людей, разумеется, нет. Это очень досадно, потому что скопление в одном месте клеток, у которых экспрессируется HEX, приводит к исключительно важному результату – одно конкретное место на краю диска гипобласта становится не таким, как другие. Иными словами, это первый шаг в сторону от простой радиальной симметрии эмбриона (рис. 10).
Достигнув края диска гипобласта, группа клеток, экспрессирующих ген HEX, становится новой структурой ПВЭ.[43] Клетки ПВЭ начинают секретировать собственные сигнальные белки. Эти белки, способные распространяться на небольшие расстояния, вполне могут достигнуть эпибласта, лежащего непосредственно над гипобластом, явно в пределах дистанции распространения сигнала.[44] На этом этапе клетки эпибласта уже реагируют на сигналы, поступающие от вспомогательных тканей эмбриона. Эти сигналы подготавливают их к тому, чтобы создать структуры, характерные для задней части организма. Если бы больше ничего не происходило, весь эпибласт формировал бы структуры задней части, и это имело бы катастрофические последствия для эмбриона. Сигналы, поступающие от ПВЭ, уравновешивают эту тенденцию, запуская процессы создания тканей головы.[45] Если ПВЭ не будет синтезировать сигнальные белки, эмбрион не сможет правильно сформировать голову. Таким образом, положение ПВЭ в уникальной области на краю диска гипобласта диктует полярность вышележащего эпибласта: сторона, ближайшая к ПВЭ, сформирует голову, а удаленная от нее – заднюю часть тела эмбриона. Только небольшая часть эпибласта удалена от ПВЭ настолько, что вообще не получает от нее сигналов. По-видимому, это очень важно для локализации области, в которой происходят первые заметные изменения эпибласта. В этом месте клетки эпибласта переключаются на образование сигнального белка, который привлекает окружающие клетки – они мигрируют по направлению к источнику этого белка.[46] В результате такого перемещения клеток образуется важная структура со скромным названием – первичная полоска (см. рис. 10).
Рис. 10. Нарушение радиальной симметрии. Клетки в центре гипобласта «включают» ген HEX, движутся к краю и концентрируются в одном месте. Это нарушает радиальную симметрию гипобласта, а поскольку его клетки синтезируют сигнальные белки, которые «вмешиваются» в процессы, происходящие в эпибласте, его радиальная симметрия тоже нарушается
Особая роль ранней активности клеток ПВЭ гипобласта в определении места формирования первичной полоски была показана в экспериментах на куриных эмбрионах. После того как у них начинала нарушаться радиальная симметрия, гипобласт поворачивали относительно передне-задней оси эмбриона.[47] Эти манипуляции приводили к тому, что эпибласт формировал первичную полоску, подстраиваясь под новые координаты, а значит, именно гипобласт контролирует этот процесс.
Рис. 11. Удлинение первичной полоски и образование узелка (что такое узелок, я объясню далее в этой главе)
Так как все больше и больше клеток эпибласта мигрирует в область первичной полоски, они начинают расталкивать друг друга и встраиваться между соседями. Это приводит к постепенному удлинению первичной полоски от края диска внутрь по его радиусу (рис. 11). Поскольку в эту миграцию вовлекается все больше клеток, на краях диска их становится меньше. В результате, по мере того как полоска удлиняется, диск в целом начинает сужаться. Он приобретает овальную форму, и радиальная симметрия эпибласта теряется (см. рис. 11). В длинной оси овала угадывается будущая ось тела, которая проходит от макушки до последнего позвонка (если бы речь шла о животных, можно было бы сказать «до кончика хвоста», но применительно к человеку это будет звучать немного странно). Та часть первичной полоски, которая образуется первой (она находится на краю диска), становится задней частью тела, а часть, которая образуется последней (примерно в середине диска, теперь имеющего овальную форму), становится головой. Таким образом, формирование нашего тела начинается с седалища, а создание головы откладывается «на потом», и это не единственный случай, когда эмбриология напоминает нам о том, что не стоит воспринимать себя слишком серьезно.
Роль ПВЭ в определении места образования первичной полоски имеет одно интересное следствие. Если клетки, экспрессирующие ген HEX, образуют не одно, а два скопления на краю диска, то сформируются две отдельные небольшие ПВЭ, а значит, два центра распространения сигналов. Тогда возможно образование двух первичных полосок. Это третий – и самый редкий – тип близнецов, который встречается менее чем в 1 % случаев двуплодной беременности.
Если образуются две независимые первичные полоски, то они дадут начало двум полностью независимым осям тела, а значит, двум организмам. Такие близнецы, возникшие из одного и того же эпибласта после образования амниотической полости, будут иметь общую амниотическую, а также хорионическую полость. Этим они отличаются от близнецов, описанных в главе 2 (у них нет общих полостей), и от близнецов, описанных в главе 3 (они имеют общую хорионическую полость, но амниотическая полость у каждого из них своя). (Именно по числу общих полостей акушеры могут понять, с каким случаем возникновения близнецов они имеют дело.) Возникновение близнецов за счет двух первичных полосок в одном и том же эпибласте чревато опасностями, так как между ними нет четкой разграничительной линии и существует серьезный риск, что они не разделятся полностью. В этом случае на свет появятся сиамские, или сросшиеся, близнецы. Как правило, они не просто «срослись» друг с другом, но и имеют общие части тела. Общими могут оказаться в том числе жизненно важные внутренние органы. В принципе, сросшиеся близнецы могут быть вполне здоровыми людьми, хотя, конечно, их жизнь простой не назовешь. Пожалуй, самые известные сиамские близнецы – это Чанг и Энг Банкер[48],[49] (1811–1874 гг.), много лет гастролировавшие с цирком Барнума. В те времена глазеть на уродов считалось нормальным, и бородатые женщины, карлики, великаны и аномально тучные люди в цирках выступали на потеху публики. Братья Банкер назвали свой «дуэт» в честь родной страны, и за феноменом сросшихся близнецов с тех пор закрепилось название «сиамские близнецы». Родись братья в наши дни, их, скорее всего, разделили бы, но во многих других случаях разделить сросшихся близнецов очень трудно или вообще невозможно. Иногда это возможно только ценой жизни одного из близнецов. Поэтому операции по разделению сросшихся близнецов, помимо чисто технических проблем, нередко осложняются серьезными этическими вопросами.
Еще более сложные ситуации возникают в тех случаях, когда эпибласт образует не две отдельные первичные полоски, которые дают начало двум осям тела, а одну «недоудвоившуюся» Y-образную первичную полоску. Это приводит к образованию двух голов и, возможно, двух шей при общем позвоночнике. Это явление называется «удвоением оси», но название явно неудачно, так как удваивается не вся ось (в этом случае проблем бы не было), а только ее часть. У людей это явление встречается редко – как правило, оно приводит к выкидышу или мертворожденному ребенку, а если младенец рождается живым, то скоро умирает. Заспиртованные экспонаты такого рода есть почти во всех старых коллекциях естественно-научных редкостей. Очень редко люди с этой аномалией все же выживают. Самый яркий пример – это сестры Абигейл и Бриттани Хенсел, которым сейчас около двадцати пяти лет. Голова и шея у каждой из сестер своя, а туловище общее. Все, для чего нужна голова, они могут делать совершенно независимо, например, каждая из сестер может читать независимо от другой. При ходьбе, игре на пианино и управлении автомобилем им приходится действовать вместе (надо полагать, чиновникам пришлось немало потрудиться над разработкой индивидуального экзамена по вождению). Несмотря на анатомические аномалии, сестры Хенсел абсолютно нормальные, умные и общительные молодые женщины. Удвоение оси более широко распространено у других животных, например рептилий и амфибий, которые выживают с этой аномалией гораздо чаще людей. Двуглавый крысиный полоз по имени Мы (We) прожил в Городском музее Сент-Луиса восемь лет и стал одной из его главных достопримечательностей. Известность ему принесли не только необычный внешний вид, но и «споры», время от времени возникавшие между его головами, каждая из которых имела свое мнение. Есть даже одна ископаемая находка взрослой двухглавой ящерицы.[50] Удвоение оси у амфибий можно индуцировать путем воздействия на сигнальные механизмы, эквивалентные сигнальным механизмам в эпибласте и гипобласте млекопитающих (собственно говоря, существование этих механизмов было впервые показано именно на лягушках). Например, в результате введения в эмбрион лягушки одного из белков, синтезируемого в ПВЭ млекопитающих и необходимого для формирования головы, получается лягушка с несколькими головами. Этот белок получил название Cerberus («Цербер») в честь многоголового пса, стража входа в Аид.
С точки зрения этики закономерность «одна первичная полоска – один человек» может быть истолкована как доказательство того, что ее образование – поворотный момент в развитии человека. Главным аргументом является то, что до формирования первичной полоски нельзя точно сказать, сколько людей получится из эмбриона, а значит, установить четкую связь между конкретным эмбрионом и конкретным человеком. Развивая эту мысль, можно прийти к выводу, что структура, которую нельзя приравнять к
Движения, благодаря которым клетки собираются вместе для формирования первичной полоски, не прекращаются и после ее создания. По мере поступления большего количества клеток центр полоски как бы проседает. Из полоски получается узкая бороздка, которая ближе к середине диска расширяется, образуя уплощенную область, называемую узелком. Клетки узелка продуцируют сигнальные белки, которые, во-первых, привлекают в этот регион дополнительные клетки, а во-вторых, заставляют их ослабить межклеточную адгезию и «включить» гены, способствующие их превращению в клетки других типов. Клетки, расположенные ближе к источнику сигнала (то есть к узелку), получают большую дозу сигнальных белков и реагируют сильнее. Ослабление системы адгезионных связей между клетками и активация у них миграционного поведения приводят к тому, что клетки свободно перемещаются в плоскости эпителиального диска и могут даже покинуть его.[51],[52],[53] Клетки проваливаются под поверхность диска эпибласта, переходя на его нижнюю сторону. Этот процесс распространяется по первичной полоске в направлении от головы к хвосту, так что более задние участки тела проходят его значительно позже, чем передние.[54] По мере того как ближайшие к центру бороздки клетки уходят из диска, их бывшие соседи сдвигаются ближе друг к другу и к центру бороздки так, чтобы заполнить свободное пространство, а затем, когда наступает их очередь, тоже проваливаются под диск, покидая эпибласт.
Первые клетки первичной полоски, которые уходят из диска на определенном уровне оси «голова – хвост», присоединяются к гипобласту: они расталкивают его клетки и встраиваются между ними, так что клеточный состав центральной области этого слоя полностью изменяется (рис. 12). Оказавшиеся в этой области клетки образуют слой, который называется эндодерма. (Это слово в переводе означает «внутренняя кожа»; название связано с тем, что в дальнейшем этот слой образует трубку кишки и трубки ассоциированных с ним органов – печени и поджелудочной железы.) Клетки, которые уходят из полоски немного позже, слабо связаны друг с другом и не образуют непрерывный слой. Они образуют мезодерму (в переводе – «средняя кожа»), которая лежит между эндодермой и внешним слоем. Клетки первичной полоски, которые не успевают «утонуть» и после завершения гаструляции остаются в эпибласте, формируют эктодерму (в переводе – «внешняя кожа»).[55] Таким образом, первичная полоска и узелок не только показывают нам ось «голова – хвост» у эмбрионов, но и превращают один слой клеток в три разных слоя: эктодерму, мезодерму и эндодерму (см. рис. 12). Это основные слои тела почти у всех животных.[56]
Для того чтобы уйти из диска, клетки должны сначала добраться до первичной полоски, и поэтому время их погружения тесно связано с исходным расстоянием до нее. Клетки, располагавшиеся ближе к средней линии диска, быстро проходят короткое расстояние и выселяются из полоски, тогда как клетки, располагавшиеся вблизи краев диска, начинают выселяться значительно позже, когда первые клетки уже давно погрузились под диск. Время и пространство так тесно сплелись в процессе гаструляции, что трудно определить, какой из этих факторов играет более важную роль в судьбе клеток. Определяется их судьба еще до начала миграции за счет ранних сигналов от ПВЭ или она становится известной только после того, как клетки выселяются из диска и оказываются внутри эмбриона? По-видимому, судьба некоторых клеток предопределена еще до начала движения.[57],[58],[59],[60],[61] Примером может служить обсуждавшееся выше программирование области, в которой будет формироваться голова, с помощью сигналов от ПВЭ, или программирование клеток, удаленных от ПВЭ, на формирование первичной полоски. Насколько четко определена на этих ранних этапах дальнейшая судьба других клеток, непонятно. Дело усложняется тем, что в некоторых случаях «запрограммированная» судьба клеток является всего лишь наиболее вероятным путем их развития. Если в эксперименте поместить их в другую среду и подвергнуть воздействию других сигналов (что вполне возможно и в естественных условиях, если во время гаструляции они затеряются среди других клеток), такие клетки могут «передумать» и пойти совсем по другому пути развития. Эта область эмбриологии все еще полна нерешенных вопросов, которые ждут своих исследователей.
Рис. 12. Образование трех слоев тела – эктодермы, мезодермы и эндодермы – во время гаструляции. В верхней левой части изображен эпибласт эмбриона, у которого уже образовался узелок, как он виден со стороны амниотической полости. Гипобласт лежит под эпибластом и не виден. На основном рисунке изображена первичная полоска в разрезе (он обозначен пунктирной линией на рисунке в верхней левой части). Клетки эпибласта активно мигрируют в плоскости пласта, и траектории их движения сходятся в бороздке, получившейся из первичной полоски. Затем эти клетки выселяются из эпибласта и уходят в пространство между дисками. Часть из них (те, которые встраиваются между клетками гипобласта, расталкивая их от средней линии к краям) дадут начало эндодерме, а часть – мезодерме (новому слою клеток посередине между эпибластом и гипобластом). Клетки, не покинувшие эпибласт, формируют эктодерму
Почти сразу после образования эндодермы клетки, расположенные вдоль центральной линии диска гипобласта (то есть под первичной полоской), начинают двигаться вверх (рис. 13). Это клетки, которые выселялись из эпибласта непосредственно через узелок, с той его стороны, которая обращена к голове, а значит, это клетки, получившие самую высокую дозу сигнальных молекул узелка. Благодаря им эти клетки «запрограммированы» на то, чтобы покинуть эндодерму.[62],[63],[64] Сразу после этого они выстраиваются вдоль оси эмбриона и образуют плотный стержень – нотохорд.[65] Это одна из важнейших структур на ранних стадиях развития эмбриона. Чтобы понять, почему эта структура возникает так рано (а также то, почему она возникает вообще), нужно обратиться к эволюции животного мира.
Зоологи классифицируют животных, используя иерархическую систему. Основной единицей этой системы является вид (например,
Рис. 13. Образование нотохорда из клеток, расположенных вдоль средней линии эндодермы (напомним, что эндодерма образовалась из погрузившихся клеток первичной полоски)
Нотохорд, однако, не просто придает телу жесткость. Он состоит из особых клеток, выделяющих специальные белки. Поэтому нотохорд может служить источником сигналов при разметке плана строения эмбриона, а его расположение вдоль средней линии делает его идеально приспособленным для этой цели. Хордовые, включая позвоночных, активно используют эти сигналы для разметки внутренних тканей. Так, например, детерминируются различные типы нервных клеток в спинном мозге или соединительных тканей и мышц по обеим сторонам тела. Сигналы нотохорда настолько важны, что событиям, в которых они играют ключевую роль, посвящены несколько последующих глав (5, 7 и 9). В ходе эволюции позвоночных план строения хордовых значительно усложнился, но все эти усложнения, в конечном счете, основаны на способности клеток на ранних этапах развития получать и интерпретировать сигналы нотохорда. Поэтому нам уже никуда не деться от этой структуры. У взрослого организма нотохорд заменяется более сложной конструкцией, позвоночным столбом, но на раннем этапе развития мы не можем обойтись без его сигналов. Нотохорд – эмбриологическая «живая окаменелость» – утратил свою изначальную функцию механической поддержки, но остается важным элементом нашего развития. Он существует ровно столько времени, сколько нужно для того, чтобы он успел выполнить свою функцию. Позже нотохорд разрушается, а его остатки идут на образование межпозвонковых дисков, смягчающих нагрузку на позвоночник[66] (повреждение этих дисков приводит к болезненной межпозвоночной грыже).
Мало того что система «узелок/первичная полоска» определяет положение главной оси тела и образует первые слои тканей, она также выполняет еще одну важную функцию – нарушение зеркальной симметрии левой и правой половины тела.[67] Она делает это, перемещая жидкость в полости эмбриона очень неэффективным, но крайне полезным образом. Многие клетки животных обладают ресничками – маленькими, гибкими выростами. Каждая ресничка оснащена крошечным моторчиком, состоящим из белков, которые получают энергию из химических реакций и используют ее для воздействия на другие белки. Благодаря этим моторчикам реснички движутся – бьются. У одноклеточных животных биение ресничек позволяет им перемещаться в жидкости. В организме человека некоторые неподвижные клетки, напротив, используют реснички для перемещения жидкости. Например, реснички клеток дыхательных путей очищают легкие от слизи, а реснички клеток, выстилающих яйцевод, продвигают яйцеклетки и ранние эмбрионы к матке. У клеток узелка тоже есть реснички, они находятся на нижней стороне узелка и обращены в заполненную жидкостью полость.
Реснички клеток узелка имеют две необычные особенности. Во-первых, они отходят от клетки под углом примерно 45 градусов и направлены вниз и назад. Наклон назад обусловлен тем, что клетки «чувствуют» передне-заднюю полярность эмбриона.[68] Во-вторых, они бьются не так, как обычные реснички (их биение напоминает удар кнута), а совершают круговые движения, напоминающие раскручивание лассо перед броском. Эти вращения очень быстрые, около шестисот оборотов в минуту (что сопоставимо с числом оборотов двигателя автомобиля на холостом ходу). Ресничка всегда вращается по часовой стрелке (если смотреть от ее кончика в сторону клетки). Это связано с тем, что двигательные белковые комплексы обладают зеркальной асимметрией и могут присоединяться к ресничкам и вращать их только одним образом.[69] Расположение каждой реснички таково, что, когда она находится в нижней части описываемой ей окружности, она движется к левой стороне эмбриона, а когда она описывает верхний полукруг, то движется к его правой стороне (рис. 14). Пока что все симметрично, но близость реснички к клетке в верхней части описываемой ею окружности при движении вправо означает, что движение жидкости существенно замедлено силой вязкого сопротивления у поверхности клетки. Когда реснички находятся в нижней части окружности, далеко от поверхности клетки, эта сила минимальна и жидкость продвигается более эффективно. Так возникает дисбаланс между количеством жидкости, выталкиваемым вправо, и количеством жидкости, выталкиваемым влево. Это похоже на эффект создания боковой силы гребным винтом, хорошо знакомый владельцам одномоторных лодок. Ограниченное пространство между винтом и корпусом приводит к тому, что при включенном моторе лодка не только движется вперед, но и смещается в сторону (рис. 14). В переполненной гавани это нередко приводит к интересным последствиям.
Неравномерный поток жидкости, обусловленный характером биения ресничек, приводит к тому, что левая сторона узелка постоянно омывается свежей жидкостью из запаса в пространстве под ресничками.[70] Клетки могут получать из нее много микроэлементов (например, кальций). Правая же сторона узелка получает отработанную жидкость, с меньшим количеством полезных веществ. Белки, секретируемые клетками узелка, также будут уходить влево.
Рис. 14. Реснички, вращающиеся у поверхности, направляют поток жидкости влево. В верхней части рисунка представлен вид на узелок. Реснички направлены вниз под углом 45 градусов по отношению к будущей брюшной стороне эмбриона и назад к хвостовому концу тела. Они вращаются по часовой стрелке, описывая конус. В нижнем левом углу рисунка – вид с хвостового конца эмбриона. Положение вращающихся ресничек создает дисбаланс потока жидкости – она более эффективно перегоняется влево. В нижнем правом углу представлен вид со стороны кормы лодки и изображен аналогичный эффект, знакомый тем, кому приходилось управлять лодкой в ограниченном пространстве
Клетки узелка выделяют в жидкость, которая находится под ними, различные белки, в том числе Nodal – мощную сигнальную молекулу названную так по месту образования (от англ.
Потеря идеальной зеркальной симметрии полезна для процесса создания человеческого организма. Если смотреть снаружи, то кажется, что правая половина нашего тела зеркально симметрична левой, но многие внутренние структуры расположены асимметрично. Асимметричны сердце и круги кровообращения, селезенка и поджелудочная железа смещены влево, а печень и аппендикс – вправо. Существует огромное количество мелких различий между левым и правым полушарием мозга. Некоторые признаки асимметрии видны невооруженным глазом. У мужчин, например, одно яичко (в большинстве случаев левое) ниже, чем другое.[71] Возможно, способность к асимметричному развитию и не была жизненно необходима для эволюции высших позвоночных, но почти наверное упростила ее. В противном случае нам, вероятно, потребовались бы парные органы (кроме, разве что, пищеварительного тракта, центральной нервной системы, пениса, влагалища и мочевого пузыря, а они и так расположены по срединной линии). Это привело бы к проблемам с размещением органов в теле. У рыб, с их удлиненным узким телом, пары органов могли бы расположиться друг за другом, но наземным или летающим животным это, скорее всего, было бы невыгодно.
Самое примечательное в этом механизме нарушения симметрии то, что асимметрия на уровне организма обусловлена, по большому счету, асимметрией на молекулярном уровне, а именно асимметрией белковых комплексов, обеспечивающих биение ресничек. Это один из немногих случаев, когда конкретное свойство молекулы переносится на весь организм. Этот механизм необычен, но его существование подтверждено убедительными доказательствами. Во-первых, вращение ресничек клеток эмбриона можно наблюдать непосредственно. Во-вторых, создаваемый ресничками поток можно смоделировать – сначала математически, а потом и практически, в экспериментах с искусственными ресничками. Поток жидкости был неоднократно визуализован – как в эмбрионах, так и в искусственных моделях – путем добавления окрашенных частиц. Немало исследований посвящено образованию и накоплению белка Nodal. Идею о существовании такого механизма подкрепляют и данные по мутациям. Мутации, нарушающие образование или вращение ресничек, приводят к появлению организмов с нарушенной асимметрией. У одной мутантной мыши (
События, описанные в этой главе, происходят всего за два-три дня (спустя 15–17 дней после зачатия), но кардинально меняют строение эмбриона. Прежде он представлял собой диск, на вид не имеющий ничего общего со сложным животным. Теперь же у него есть удлиненное тело с четкой выраженным передним и задним концом, спинной и брюшной стороной и правым и левым боком, ткани трех типов, определенным образом расположенных относительно друг друга, а также нотохорд, проходящий по центральной оси. Задатки будущего животного налицо, и можно приступать к усложнению внутреннего строения.
Глава 5
Формирование мозга
Мозг – это орган, с помощью которого мы думаем, что мы думаем.
Нервная система взрослого человека – невероятно сложная структура, отростки которой подходят практически ко всем остальным частям тела. Ее центральной частью является спинной мозг – длинная трубка диаметром около полутора сантиметров, проходящая по срединной линии спины (рис. 15). В голове основная структура спинного мозга изменяется и образует ряд вздутий, которые вместе формируют головной мозг. От спинного мозга отходят нервы, которые посылают сигналы мышцам и получают информацию от органов чувств. Кроме того, есть квазинезависимые части нервной системы, которые регулируют работу внутренних органов, таких как пищеварительная система и сердце. Однако спинной мозг в некоторой мере контролирует даже их.
Нервная система очень важна для функционирования взрослого организма. Во многих странах прекращение ее работы («гибель мозга») юридически считается смертью человека, даже если другие системы организма все еще поддерживаются искусственным путем. У эмбриона, однако, нервная система не играет заметной роли в контроле жизнедеятельности до самых поздних стадий развития. Тем не менее она начинает развиваться раньше, чем большинство других внутренних органов. Есть несколько возможных объяснений того, почему это так. Может быть, дело в том, что основные элементы архитектуры нервной системы, которая охватывает большую часть тела, должны быть заложены прежде, чем в тех же регионах сформируются другие структуры и органы. С другой стороны, раннее развитие нервной системы может быть связано с тем, что это одна из старейших частей тела с точки зрения эволюции.
Рис. 15. Рисунок, созданный Андреасом Везалием, анатомом эпохи Возрождения, и показывающий нервные пути, отходящие от спинного мозга к остальным частям организма. На рисунке не показан головной мозг, который в основном не связан напрямую с другими частями организма. Сигналы от головного мозга к органам тела и обратно проходят по спинному мозгу. (Головной мозг напрямую связан с сетчаткой и органами обоняния, но они, если посмотреть с точки зрения развития, и так по сути являются его частью.) Te Granger Collection/Topfoto
Как общее правило (с целым рядом исключений), порядок появления новых структур у эмбриона соответствует порядку, в котором они появлялись в процессе эволюции. Никто не знает наверняка, почему это так. Согласно одной популярной теории, дело в том, что вмешательство в основные механизмы развития на стадии формирования общего плана строения с большей вероятностью приведет к катастрофическим последствиям, чем вмешательство на стадии детализации уже существующих структур. Случайные мутации, которые влияют на основной план строения организма, скорее всего, приведут к его нежизнеспособности, а мутации, затрагивающие более поздние стадии, могут привести к появлению жизнеспособных организмов. Некоторые из них, возможно, смогут занять новую экологическую нишу и дать начало новому виду. В ходе эволюции новые виды возникали прежде всего за счет изменений на поздних этапах развития, и эмбрионы представителей разных видов гораздо больше похожи друг на друга, чем взрослые особи. Интересно, что эмбрионы на
Как бы то ни было, развитие нервной системы начинается сразу после гаструляции. Точнее говоря, в передней (головной) части эмбриона она начинает формироваться уже тогда, когда в задних отделах продолжается гаструляция. Вся нервная система образуется из эктодермы эмбриона, а конкретнее, из полоски эктодермы, проходящей вдоль центральной линии спины от головы к хвосту. Клеткам этой полоски предстоит перестать быть эктодермой («внешней кожей») в строгом смысле слова и образовать внутреннюю нервную трубку, из которой потом получатся спинной и головной мозг. Более того, этот переход должен произойти без нарушения целостности эмбриона. Это яркий пример проблемы, упоминавшейся в главе 1: эмбриону нужно претерпеть существенные структурные перестройки и при этом не развалиться на части. Эта проблема решается за счет того, что некоторые клетки меняются местами с соседями, растягиваются и меняют форму, благодаря чему весь слой ткани складывается, как оригами.
Первый признак формирования нервной системы – заметное изменение формы эмбриона. Гаструляция уже нарушила простую форму диска, удлинив его по будущей передне-задней оси тела. После гаструляции удлинение продолжается: короткий и «коренастый» эмбрион становится вытянутым и тонким по мере того, как клетки, меняясь местами с соседями, перебираются все ближе к центральной линии (линии голова – хвост) и выстраиваются вдоль нее. На рис. 16, представляющем схему аналогичного процесса у плодовых мушек, показан один из способов того, как клетки, меняясь местами, могут изменить форму всей ткани.[72],[73] Клетки, которые раньше были отделены друг от друга другими клетками, например L1 и R1, становятся соседями, а клетки, которые жили бок о бок, например M1, M2 и М3, расстаются и расходятся в разные стороны. За счет этого процесса короткий и широкий участок ткани становится длинным и тонким.
Рис. 16. Изменение формы участка ткани за счет смены клетками соседей
Поделиться книгой: