Песнь клетки. Медицинские исследования и новый человек - Сиддхартха Мукерджи
В конечном итоге наблюдения Альберта Великого и позднее Каспара Вольфа о непрерывном изменении органов плода способствовали развенчанию теории преформизма4. Ей на смену пришла клеточная теория эмбрионального развития, утверждающая, что все анатомические структуры развивающегося эмбриона формируются за счет деления клеток, создающих разные структуры с разными функциями. Как писал натуралист Игнац Дёллингер в 1800-х годах, “жизнь – не столько то, что «существует», а скорее то, что «возникает»”.
Но давайте вернемся к зиготе в матке. Оплодотворенная яйцеклетка вскоре делится, образуя две клетки, потом четыре и так далее, пока не образуется маленький клеточный шарик. Клетки продолжают делиться и двигаться – именно это шевеление обнаружила в свое время медсестра и биолог Джин Парди из лаборатории Роберта Эдвардса. Процесс продолжается до тех пор, пока внутри этой массы клеток не возникает полость, делая ее похожей на наполненный жидкостью шар, стенки которого образуют новые клетки. Данную структуру называют бластоцистой. Крохотный комочек клеток продолжает делиться, формируя внутреннюю стенку полого шара. Обволакивающая шар внешняя стенка прикрепляется к матке и становится частью плаценты (оболочки плода) и пуповины. А маленький комочек клеток, висящий на внутренней стенке шара подобно летучей мыши, превращается в человеческий зародыш[65].
Следующая серия событий представляет собой настоящее чудо эмбриологии. Внутренняя масса клеток, этот крохотный кластер, свисающий со стенки клеточного шарика, чрезвычайно быстро делится с образованием двух слоев клеток: внешний слой называется эктодермой, внутренний – энтодермой. А примерно через три недели после зачатия появляется третий слой, который встраивается между двумя первыми, как ребенок устраивается в постели между родителями. Этот средний слой называют мезодермой.
Эти три эмбриональных слоя (или листка) – эктодерма, энтодерма и мезодерма – служат основой для построения всех органов человеческого тела. Из эктодермы образуются все внешние элементы тела: кожа, волосы, ногти, зубы и даже хрусталики глаз. Энтодерма дает начало всем обращенным внутрь элементам, таким как легкие и кишечник. А из мезодермы возникает все, что посредине: мышцы, кости, кровь, сердце.
Теперь эмбрион готов к последней серии превращений. Вдоль тонкой оси внутри мезодермы выстраиваются клетки, формирующие стержневую структуру – хорду, протянутую от передней до задней части эмбриона. Хорда становится “осью координат” развивающегося эмбриона, определяющей локализацию и направленность осей внутренних органов, а также производит белки, называемые индукторами. В ответ на появление этой жесткой структуры участок внешнего слоя (эктодермы) изгибается и образует трубку непосредственно над хордой. Позднее из этой трубки развивается нервная система, состоящая из головного мозга, спинного мозга и нервов.
Интересно, что, как это часто случается в эмбриологии, сыграв эту роль оси координат развивающегося эмбриона, хорда при взрослении организма теряет свое значение и функцию. В теле взрослого человека от нее остается лишь пульпа внутри костей[66]. В конце концов “главнокомандующий”, руководивший развитием эмбриона, заключается в костяную тюрьму в том самом существе, которое он и создавал.
После формирования хорды и нервной трубки из трех слоев (четырех, если отдельно считать нервную трубку) образуются индивидуальные органы: примитивное сердце, зачаток печени, кишечник, почки. Примерно на четвертой неделе беременности происходят первые сокращения сердца. Через неделю после этого одна часть нервной трубки начинает превращаться в зачаток головного мозга. А мы помним, что все это возникает из одной-единственной оплодотворенной яйцеклетки. Как пишет физик Льюис Томас в сборнике рассказов “Медуза и улитка. Дополнительные заметки наблюдателя биологии”: “На определенном этапе возникает единственная клетка, потомством которой станет весь человеческий мозг. Само существование такой клетки является одним из самых невероятных чудес на Земле”5.
До сих пор я лишь описывал сам процесс. Но какие механизмы управляют эмбриогенезом? Откуда клетки и органы знают, что должно происходить? В нескольких параграфах невозможно отобразить невероятно сложные взаимодействия между клетками и между клетками и генами, которые обеспечивают развитие всех отделов эмбриона – органов, тканей, систем органов – в правильное время и в правильном месте в организме. Каждое такое взаимодействие – виртуозная игра, сложная симфония для многих инструментов, доведенная до совершенства за миллионы лет эволюции. Здесь мы можем напеть лишь главную тему симфонии – основные процессы и механизмы, за счет которых развивающаяся клетка превращается в развивающийся организм.
Первые ответы на эти вопросы были получены в 1920-е годы благодаря одним из самых захватывающих экспериментов в истории эмбриологии, проведенных дородным и грубоватым немецким биологом Хансом Шпеманом и его студенткой Хильдой Мангольд. Подобно тому как ранее Антони ван Левенгук научился полировать стеклянные шарики для изготовления самых прозрачных линз, Шпеман и Мангольд научились делать тончайшие стеклянные пипетки и иглы, нагревая над горелкой Бунзена и растягивая наполовину расплавленную стеклянную трубочку до состояния тонкой, почти невидимой нити. (Вообще говоря, историю клеточной биологии можно было бы написать через призму истории стекла.) С помощью таких пипеток, игл, аспираторов, ножниц и микроманипуляторов Шпеман и Мангольд смогли выделять крохотные фрагменты ткани из разных участков эмбриона лягушки, пока эмбрионы все еще находились в форме глобулы – задолго до образования сложных структур, слоев и органов.
Шпеман и Мангольд извлекли один фрагмент ткани из эмбриона лягушки, находящегося на очень ранней стадии развития. Из предыдущих экспериментов, в которых они отслеживали судьбу различных частей эмбриона, они знали, что этот кластер клеток должен превратиться в передний конец хорды, отделы кишечника и некоторые прилежащие органы6. Позднее этот фрагмент назвали “организатором”.
Шпеман и Мангольд пересадили эту ткань в другой эмбрион лягушки и стали ждать появления головастика. То, что они увидели под микроскопом, напоминало двуликого Януса. Как и ожидалось, химерный головастик имел два нотохорда и два кишечника – один собственный и один донорский. Но по мере роста эмбрион все больше и больше походил на монстра: он превращался в головастика с двумя полностью слитыми верхними частями тела, двумя полностью сформированными нервными системами и двумя головами. Ткань из второго
