Александр Марков - Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий
Программа поведения у всех клеток зародыша изначально одна и та же, но она может состоять из нескольких отдельных наборов правил. То, какой из них данная клетка будет выполнять, зависит от получаемых клеткой сигналов. Каждое отдельное правило выглядит примерно так: если выполняются такие-то условия, сделай такое-то действие. Основное действие клетки — включение или выключение определенных генов. Это меняет свойства клетки, она начинает по-другому себя вести, по-другому реагировать на сигналы.
Правила поведения клетки определяются системой взаимодействий между генами — генно-регуляторными сетями. На физическом уровне правила «сделаны» из рецепторов, транскрипционных факторов, энхансеров, сигнальных молекул и белков, осуществляющих синтез и транспортировку этих молекул. Например, правило «Если получен сигнал А, начни выделять вещество Б», может быть сделано из рецептора вещества А, который активирует транскрипционный фактор В, который прикрепляется к энхансеру Г, расположенному около гена Д, который кодирует фермент, отвечающий за синтез вещества Б.
Сигнальные вещества, на которые клетки эмбриона реагируют, меняя свое поведение в зависимости от их концентрации, называются морфогенами. В приведенном примере в роли морфогена выступает вещество А.
Но как же все-таки получается, что клетки зародыша, имеющие одинаковую программу поведения и находящиеся, казалось бы, в одинаковых условиях, тем не менее ведут себя по-разному? Дело в том, что на самом деле они находятся в разных условиях. Так получается само собой в процессе деления клеток. Кто-то оказался внутри, кто-то снаружи, кто-то снизу, кто-то сверху, в ком-то концентрация морфогена А выше (потому что данная клетка сформировалась из той части яйцеклетки, где этого вещества было много), в ком-то ниже.
Еще у клеток может быть «счетчик делений», который сообщает им, сколько раз яйцеклетка уже поделилась. Этот счетчик тоже химический: в яйцеклетке изначально были определенные вещества (например, молекулы матричных РНК, считанные еще с генов материнского организма), запас которых не пополняется во время развития зародыша, и по тому, сколько в клетке осталось этих веществ, можно понять, сколько делений прошло с момента начала развития.
Программа поведения клетки может содержать, например, такие команды:
«Если ты снаружи от других клеток, и если концентрация морфогена А такая-то, и если концентрация морфогена Б равна нулю, и если с момента начала развития пройдено десять делений, то начни выделять морфоген Б».[87]
К чему приведет выполнение такой инструкции? Оно приведет к тому, что на поверхности зародыша в определенный момент (после десяти делений) появится одна-единственная клетка, выделяющая морфоген Б. Она будет расположена на строго определенном расстоянии от одного из полюсов зародыша, потому что в нашем примере морфоген А служит для изначальной разметки яйцеклетки. По концентрации морфогена А клетка может определить, на каком расстоянии от полюсов зародыша она находится.
Почему клетка, выделяющая морфоген Б, будет только одна? Потому что в инструкции есть такое условие: «Если концентрация морфогена Б равна нулю». Как только первая клетка, в которой выполнятся поставленные условия, начнет выделять вещество Б, его концентрация перестанет быть равной нулю, и поэтому другие клетки не начнут его выделять.
Что будет, если мы уберем из программы инструкцию «Если концентрация морфогена Б равна нулю»? Теперь программа поведения будет выглядеть так:
«Если ты снаружи, и если концентрация морфогена А такая-то, и если с момента начала развития пройдено десять делений, то начни выделять морфоген Б».
В этом случае морфоген Б начнет выделяться не одной клеткой, а целой полоской клеток, опоясывающей зародыш на определенном расстоянии от полюсов. Ширина этого пояса и его положение (ближе или дальше от того полюса, где концентрация А максимальна) будут зависеть от того, какие концентрации указаны в инструкции «Если концентрация морфогена А такая-то».
Чтобы сделать рассказ более наглядным, наш искушенный в программировании сын Михаил написал по нашей просьбе компьютерную программу EvoDevo. Она позволяет имитировать самосборку сложных многоклеточных структур из множества делящихся клеток. Программа получилась замечательная. Она дает нам одну начальную клетку — зиготу, а мы в специальном окошке пишем правила ее поведения[88]. Например, такие, как в приведенном выше примере.
Мы можем задать любой набор правил поведения клетки. Следовать этим правилам будут все клетки эмбриона. Но мы не можем задать правило для всего эмбриона сразу. Мы не можем сказать эмбриону: «Втяни брюшко и прими форму шляпы». Мы можем задать только правила для клетки, например: «При таких-то условиях ползи туда, где возрастает концентрация такого-то вещества». И этот набор правил един для всех клеток. Правила — это генотип нашего модельного организма.
Написав генотип, мы нажимаем кнопку «старт» и смотрим, как из зиготы что-нибудь развивается. Например, описанный выше набор правил, который должен приводить к развитию зародыша с «пояском», породил вот такой симпатичный модельный эмбрион:
Поясок, правда, вышел неровный. Сделать его более аккуратным оказалось неожиданно трудно, хотя причина проста. Во всяком онтогенезе обязательно присутствует элемент стохастики (случайности). Полностью устранить случайность не удается ни естественному отбору, ни опытным пользователям программы EvoDevo, которая в этом отношении довольно точно воспроизводит реальность. Подробнее о стохастике в онтогенезе мы поговорим чуть ниже.
Как бы то ни было, теперь наш зародыш размечен гораздо сложнее и интереснее, чем в начале. У него есть передняя часть, в которой много А, а концентрация Б растет спереди назад (по направлению к пояску), сам центральный поясок, где максимальна концентрация Б, и задняя часть, где мало А и где концентрация Б убывает от пояска назад. Зародыш подразделился на четко отграниченные друг от друга части, в которых клетки находятся в разных условиях и поэтому могут выполнять разные подпрограммы своей исходной общей программы.
Мы подразделили зародыш на передний, средний и задний отделы. Они могут стать, например, головой, туловищем и хвостом. Но хотелось бы еще понять, где у него будет спина, а где брюшко. Как это сделать? Очень просто, мы уже это проделывали. Нужна инструкция, приводящая к появлению одной клетки или группы клеток, выделяющих какое-нибудь вещество (например, В) на любом «боку» зародыша, где-то посередине между головой и хвостом. И пусть это вещество В запустит программу развития спины там, где его много, и программу формирования брюха там, где его мало. Когда зародыш подробно размечен, каждая группа клеток может точно определить, где она находится, и активизировать заготовленную на этот случай подпрограмму (набор правил поведения).
Пример развития двусторонне-симметричного организма в программе EvoDevo (из неполяризованной зиготы). Сначала в произвольном месте зародыша возникает одна клетка-организатор, выделяющая морфоген А. Градиентом концентрации этого морфогена (стрелка, направленная вправо и вверх) будет задаваться спинно-брюшная полярность (где его много, будет брюхо, где мало — спина). Затем на определенном расстоянии от первого организатора возникает второй — клетка, выделяющая морфоген Б. Градиент концентрации Б (стрелка, направленная влево и вверх) будет определять передне-заднюю полярность. После этого клетки зародыша, исходно одинаковые, подразделяются на три типа. Клетки, в которых концентрация Б максимальна, становятся «головными» (темными). Все прочие клетки становятся либо «брюшными» (если концентрация А высока), либо «спинными» (если она низка). Из эмбриона, размеченного таким образом, можно вырастить разнообразные двусторонне-симметричные существа, добавляя в программу правила поведения, распространяющиеся только на клетки определенного типа. Такие правила должны начинаться с инструкции: «Если ты клетка такого-то типа, то…».
В ходе развития настоящего зародыша действительно то тут то там появляются — сами собой! — особые управляющие центры, так называемые организаторы. Никакой мистики, никакого разумного вмешательства. Организаторы — это просто группы клеток, выделяющие тот или иной морфоген, который служит для других клеток сигналом и влияет на их поведение. При этом все клетки по-прежнему ведут себя в строгом соответствии с изначальной генетической программой, которая у всех одна и та же. Управляющие центры возникают сами, путем самоорганизации, никто их нарочно туда не вставляет. Никакого «единого централизованного руководства» для этого не требуется. И его нет.
