Внутренняя рыба - Нил Шубин

Мартиндейл и его коллеги выяснили, что у актиний действительно имеются примитивные варианты наших генов, определяющих план строения, а именно тех, что управляют формированием оси, соединяющей рот и анус. И, что еще важнее, эти гены работают у актиний вдоль орально-аборальной оси, что в свою очередь означает, что орально-аборальная ось этих примитивных существ генетически эквивалентна оси нашего тела, соединяющей рот и анус.

С одной осью удалось разобраться, но как насчет еще одной? Есть ли у актиний что-то соответствующее нашей спинно-брюшной оси? В строении их тела, похоже, нет ничего похожего на спину и брюхо. Несмотря на это, Мартиндейл и его коллеги смело взялись за поиски у актиний генов, определяющих расположение структур тела вдоль спинно-брюшной оси. Исследователям было известно, как выглядят эти гены у нас, и этот образ был использован для выявления таких генов у актиний. И в итоге им удалось найти у актиний даже не один, а много разных генов спинно-брюшной оси. Но хотя эти гены и работали в развивающемся организме вдоль подобной оси, сама эта ось, похоже, никак не проявлялась в чертах строения тела взрослой актинии.

Если судить по одному лишь внешнему облику актинии, эта скрытая ось не выражена совсем никак. Но если разрезать тело актинии поперек, мы увидим еще одну скрытую черту — еще одну ось симметрии. Эту ось называют директивной, или направляющей. Она, как ни странно, разделяет тело как бы на две половинки — почти что правый и левый бок.

У медуз и их родственников (например, актиний), как и у нас, имеются передний и задний концы тела. Такой план строения определяется у них вариантами тех же генов, что играют аналогичную роль и в человеческом теле.

Эта неявная ось была известна анатомам с двадцатых годов, но оставалась своего рода научной диковинкой. Мартиндейл, Финнерти и их коллеги смогли разобраться в этом загадочном явлении.

Все животные и похожи друг на друга, и отличаются друг от друга. Подобно тому как рецепт пирога передается из поколения в поколение, на каждом этапе изменяясь и совершенствуясь, так же и рецепт построения наших тел передавался из поколения в поколение — и изменялся в течение многих миллионов лет. Может быть, мы и не похожи на актиний и медуз, но рецепт, по которому формируется наше тело, представляет собой лишь более замысловатую версию того рецепта, по которому формируются их тела.

Убедительные свидетельства существования общего для всех животных генетического рецепта развития можно получить, используя вместо генов одних организмов гены других. Что произойдет, если мы заменим один из генов «бодибилдинга» (то есть построения тела) существа, тело которого организовано примерно так же сложно, как наше, на соответствующий ген актинии? Вспомним ген Noggin, который у лягушек, мышей и людей включается в местах, где образуются структуры спины. Введем дополнительную порцию продукта этого гена в икринку лягушки, и у этой лягушки сформируются дополнительные спинные структуры, иногда даже дополнительная голова. В эмбрионах актиний разновидность гена Noggin тоже включается на определенном этапе развития в клетках одного из концов директивной оси. Проведем принципиально важный эксперимент: возьмем продукт гена Noggin актинии и введем его в эмбрион лягушки. Результат? Лягушка с дополнительными спинными структурами, примерно такая же, как в опыте с введением в эмбрион лягушки продукта собственного гена Noggin.

Однако теперь, углубляясь в прошлое, мы подошли к еще одной, на первый взгляд трудноразрешимой, загадке. Все организмы, о которых шла речь в этой главе, обладают многоклеточным телом. Как нам сравнить самих себя с существами, вовсе лишенными тела, — одноклеточными микробами?

Глава 7. Приключения с бодибилдингом{7}

С тех пор как я поступил в магистратуру, значительную часть времени, не занятого поисками ископаемых, я провел за микроскопом, изучая клетки, совместная работа которых обеспечивает образование костей.

Я брал развивающуюся конечность саламандры или лягушки и окрашивал ее клетки пигментами, которые делают формирующиеся хрящи синими, а кости — красными. Затем с помощью глицерина я мог сделать остальные ткани прозрачными и бесцветными. Это были очень красивые препараты: прозрачная конечность эмбриона и кости внутри нее, сияющие цветами пигментов. Казалось, что я изучаю животных, сделанных из стекла.

В эти долгие часы, проведенные за микроскопом, я в буквальном смысле наблюдал построение тела животного. На самых ранних стадиях у эмбрионов были крошечные зачатки конечностей, внутри которых клетки разделялись равномерными промежутками. Затем, на следующих стадиях, клетки внутри зачатка конечности начинали собираться в комки. На более поздних стадиях клетки уже принимали различную форму, и внутри зачатка конечности начинали формироваться кости. В них превращались все клеточные комки, которые я наблюдал у эмбрионов на более ранних стадиях.

Когда видишь, как по кусочкам собирается тело животного, сложно не почувствовать благоговейный трепет. Подобно строящемуся дому, конечность постепенно составляется из маленьких элементов, соединяющихся друг с другом, формируя структуру большего размера. Но между строящимся домом и развивающимся организмом есть и существенная разница. Строительством дома руководят люди, которые четко представляют себе, куда и как должны лечь кирпичи, а развитием конечностей и тел животных никто не руководит. Информация, позволяющая формировать конечности, представляет собой не какой-то отдельный архитектурный план — напротив, она содержится в каждой клетке. Представьте себе дом, который сам собой собирается на основе информации, содержащейся в кирпичах. А ведь именно так и собираются тела животных.

Значительная часть того, из чего делаются тела, находится внутри клеток. Там же находится и значительная часть того, что делает нас уникальными. Наше тело не похоже на тело медузы потому, что наши клетки по-другому соединяются друг с другом, по-другому взаимодействуют и производят разные материалы.

Прежде чем у наших тел вообще возник план строения, не говоря уже о голове, мозге или руках, должны были каким-то образом возникнуть сами тела. Что это значит? Вот что: чтобы клетки могли образовать все ткани и органы тела, вначале они должны были научиться объединяться и сотрудничать — собираться вместе и образовывать организмы совершенно нового типа.

Чтобы понять, какой в этом смысл, давайте для начала обсудим, что собой представляет тело многоклеточного организма, а затем обратимся к трем главным вопросам: когда, как и почему. Когда возникли многоклеточные тела, как они возникли и, самое главное, почему они вообще существуют?

Поиск доказательств: где тело?

Далеко не каждый комок клеток заслуживает почетного звания тела. Бактериальный мат или группа клеток кожи — нечто совсем иное, чем объединение клеток, которое мы называем телом многоклеточного организма. Разница между ними принципиальна. Чтобы понять, в чем она состоит, проведем следующий мысленный эксперимент.

Что случится, если мы удалим часть бактерий из бактериального мата? Мы получим бактериальный мат меньшего размера. А что случится, если мы удалим порцию клеток человека или рыбы, скажем, из сердца или из мозга? В зависимости от того, какие именно это будут клетки, мы можем получить в итоге труп человека или рыбы.

Этот мысленный эксперимент демонстрирует нам одно из важнейших свойств многоклеточных организмов: наши клетки работают вместе, образуя тем самым нечто большее, чем их простая сумма. При этом не все части тела равны. Некоторые из них жизненно необходимы. Кроме того, между частями многоклеточного тела существует разделение труда: мозг, сердце и желудок выполняют совершенно разные функции. Это разделение труда наблюдается и в самом мелком масштабе: оно свойственно не только частям тела и органам, но также и клеткам, генам и белкам, из которых состоит тело.

Многоклеточный организм, будь то тело червя или человека, обладает индивидуальностью, которой лишены составляющие его части. Например, клетки нашей кожи непрерывно делятся, умирают, отшелушиваются и отпадают. Но каждый из нас при этом остается тем же самым индивидуумом, что и много лет назад, — несмотря на то что с тех пор едва ли не все клетки нашей кожи уже заменились на новые. Те, что были у нас много лет назад, мертвы и сброшены, а их место заняли другие. То же самое можно отнести едва ли не к каждой клетке нашего тела. Подобно реке, которая остается той же, несмотря на то что у нее меняется русло, а также скорость и объем переносимой воды, каждый из нас остается тем же индивидуумом, каким был, несмотря на текучесть составляющих нас частей.