Ты сделал это сам – за девять месяцев

 

Однажды после публичной лекции гениальному Джону Бердону Сандерсону Холдейну (помимо прочего – одному из трех архитекторов современного неодарвинизма) бросила вызов некая дама. К сожалению, эта история передается из уст в уста, а Джона Мейнарда Смита, который мог бы вспомнить точные слова, с нами больше нет. Диалог был примерно таким.

 

Скептик: Даже если в распоряжении эволюции были миллиарды лет, как вы утверждаете, я просто не могу поверить в то, что из одной клетки может развиться сложный человеческий организм, состоящий из триллионов клеток, сложившихся в кости, мышцы и нервы, в сердце, которое безостановочно работает десятилетиями, во многие мили кровеносных сосудов и почечных канальцев, в мозг, способный мыслить и чувствовать.

Профессор Холдейн: Но, мадам, вы же сами это проделали. И у вас ушло на это всего девять месяцев!

 

Думаю, что дама была ошарашена. Думаю, что сравнение с парусами, внезапно оставленными ветром, будет вполне уместно. Однако минимум в одном аспекте ответ Холдейна мог оставить ее неудовлетворенной. Не знаю, задавала ли она дополнительные вопросы, но если да, то могла сказать примерно следующее:

 

Скептик: Однако развивающийся эмбрион следует заложенным генетическим инструкциям. Вы, профессор, утверждаете, что эти инструкции для построения сложного тела появились в результате эволюции под действием естественного отбора. И в это мне по‑прежнему сложно поверить, даже если эволюция шла бы миллиарды лет.

 

Вполне законная постановка вопроса. Даже если было бы доказано, что жизнь на Земле своей сложностью и разнообразием обязана высшему разуму, он все же, безусловно, не лепит живые тела, как скульптор из глины, и не изготавливает их, как плотник, портной или производитель автомобилей, которые производят свою продукцию. Да, мы «замечательно развиты», но ни в коем случае не «замечательно сотворены». Когда дети поют, что Господь «окрасил ярко их и крылышки им дал»[101], то ложь этого суждения очевидна даже малым сим. Что бы бог ни делал, он совершенно точно не создавал яркие цвета и крылышки. Если бы он и вмешивался, то направлял бы эмбриональное развитие, например, подбирал последовательности генов. Крылья никто не творит: внутри яйца они постепенно развиваются из почек конечностей.

Бог ни разу за свою предположительно вечную жизнь не сотворил ни единого крылышка. Если он что‑то и сотворил (с моей точки зрения – нет, но мы сейчас говорим не об этом), то это был эмбриологический рецепт, что‑то вроде компьютерной программы, управляющей эмбриональным развитием крылышка (и массы других вещей). Бог, конечно, мог бы сказать, что придумать рецепт крыла не менее сложно, чем сотворить крыло. Но сейчас я хочу заострить ваше внимание на отличии сотворения крыла или чего‑то подобного от того, что происходит во время эмбрионального развития.

 

Танец без хореографа

 

Ранний этап становления эмбриологии был отмечен баталиями между сторонниками преформизма и эпигенеза. Различия между этими доктринами не всем хорошо известны, поэтому я потрачу некоторое время на разъяснения. Сторонники преформизма были убеждены в том, что яйцеклетка или сперматозоид (преформисты делились на два лагеря – «овистов» и «спермистов») содержит крошечного человечка‑гомункула. Все части тела человечка уже находятся на своих местах, правильно сориентированы друг относительно друга, и для развития необходимо только увеличение в размерах (напоминает надувание воздушного шара, разделенного на отсеки). Эта концепция неизбежно порождает ряд вопросов. Во‑первых, если следовать ей, мы приходим к утверждению, что ребенок наследует все признаки только одного из родителей – отца (если верить спермистам) или матери (у овистов), хотя все понимают, что это не так. Во‑вторых, преформисты сталкиваются с проблемой упаковки уменьшающихся матрешек (гомункулов внутри гомункулов) – если не бесконечно, то вплоть до Адама (спермисты) или Евы (овисты). Единственный способ избежать регресса – предположить формирование нового гомункула в каждом поколении при помощи полного «сканирования» взрослого организма. Однако и здесь проблема: приобретенные свойства не наследуются. В противном случае мальчики, рожденные в ортодоксальных иудейских семьях, с рождения были бы лишены крайней плоти, а посетители фитнес‑клубов, в отличие от лежебок, производили бы на свет младенцев с «кубиками» на прессе и с перекачанной грудью и ягодицами.

Будем справедливы к преформистам. Они понимали, что их теория логически ведет к регрессу. Некоторые преформисты считали, что в яйцеклетках первой женщины (или сперматозоидах первого мужчины) действительно содержались постоянно уменьшающиеся в размере, как матрешки, гомункулы всех ее (или его) потомков. И, между прочим, у них были причины в это верить (о них стоит упомянуть, потому что они помогают уяснить суть этой главы). Если вы верите в то, что Адам был сотворен, а не рожден, то у Адама не было генов, или же они не были ему нужны для того, чтобы развиваться. Адам не проходил эмбрионального развития, а явился в уже готовом виде. Подобные размышления привели писателя‑викторианца Филипа Генри Госсе (отца в знаменитых «Отце и сыне» Эдмунда Госсе) к написанию книги «Омфал, или Попытка развязать геологический узел»[102]. Госсе утверждал, что у Адама, хотя тот не был рожден, все же должен был быть пупок. Более замысловатым следствием подобных «омфалогических» рассуждений является мнение, что все звезды, отстоящие от Земли дальше, чем несколько тысяч световых лет, были сотворены уже с готовыми лучами, достигающими нашей планеты, иначе мы еще долго не смогли бы их увидеть. Омфалогия – это весело, однако с эмбриологической точки зрения здесь есть о чем поговорить. И разговор этот серьезный – я и сам еще не до конца разобрался в деталях и рассматриваю предмет с разных сторон. Сказанного достаточно, чтобы понять, что у преформизма, по крайней мере в его изначальной, «матрешечной» версии, не было шансов. Но возможен ли вариант преформизма, жизнеспособный в эпоху ДНК? В принципе да, хотя я в этом сомневаюсь. Учебники биологии снова и снова повторяют: ДНК – это «чертеж» для строительства тела. Это не так. Настоящий чертеж, например автомобиля или здания, точно отражает результат (учитывая масштабирование, естественно). Следовательно, любой чертеж можно воссоздать, исследовав конечный продукт. Создать чертеж по зданию ничуть не сложнее, чем возвести здание по чертежу – именно потому, что они точно соответствуют друг другу. Это даже проще, поскольку, действуя в обратном направлении, вам надо строить, в то время как при создании чертежа – всего‑навсего провести замеры и нарисовать. Но сколько ни измеряй тело животного, это не поможет вам реконструировать его ДНК. Поэтому называть ДНК чертежом неверно.

В принципе, можно представить себе ситуацию, в которой ДНК является чертежом организма. Может быть, на далекой планете именно так устроена жизнь: молекула ДНК представляет собой трехмерную карту, закодированную в линейной последовательности «буквами» ДНК. Такая карта была бы вполне обратимой. Идея получения подробного молекулярного «чертежа» путем сканирования организма не является абсолютно невероятной. И, если бы ДНК действительно работала так, то можно было бы создать концепцию неопреформизма, не вспоминая о «проблеме матрешек». Мне не совсем понятно, как решалась бы в таком случае проблема наследования только от одного родителя. ДНК обладает поразительным по точности механизмом объединения в потомстве половины материнской с половиной отцовской наследственной информации. Но как бы ДНК справилась с задачей объединения половины карты отцовского организма с половиной карты материнского? Впрочем, неважно: это нереально.

Зато теперь мы понимаем, что ДНК – это не чертеж. В отличие от Адама, который был сотворен взрослым, все настоящие тела развиваются и растут из одной‑единственной клетки, проходя промежуточные стадии эмбриона, плода, младенца, ребенка и подростка. Может быть, на далекой планете живые существа собирают себя от макушки до хвоста из трехмерных «биопикселей», закодированных линейной последовательностью знаков – результатом сканирования тел родителей. Но на нашей планете жизнь устроена иначе, и, по‑моему, есть основания считать, что биосканирование невозможно ни на одной планете[103].

Историческая альтернатива преформизму – эпигенез. Если преформизм исходит из существования «чертежей», то эпигенез подразумевает что‑то вроде рецептов или компьютерных программ. Определение, данное в Кратком Оксфордском словаре английского языка, звучит весьма современно, и я сомневаюсь, что Аристотель, автор термина «эпигенез», узнал бы его:

 

Эпигенез. Представление о зародышевом развитии организмов как процессе, осуществляющемся путем последовательной дифференциации изначально недифференцированного целого[104].

 

В книге Льюиса Уолперта и его коллег «Принципы развития» эпигенез описывается как идея поступательного развития новых структур. В этом смысле реальность эпигенеза очевидна, но, как обычно, дьявол прячется в деталях. Как именно идет прогрессивное развитие организма? Откуда «изначально недифференцированному целому» известно, как развиться в сложный организм, как не из чертежа? Очень важное отличие, которое я бы хотел подчеркнуть, представляет собой, по сути, основное отличие эпигенеза от преформизма. Это разница между строительством по плану и самосборкой. Мы все знаем, как строят дома, как изготавливают вещи, окружающие нас, и поэтому отлично понимаем, что такое строительство происходит согласно плану. Самосборка менее известна, поэтому ей придется уделить больше внимания. Можно сказать, что в эмбриогенезе самосборке принадлежит роль, которую в эволюционном процессе играет естественный отбор (хотя это, безусловно, разные явления). Оба за счет автоматических, непреднамеренных, никем не запланированных процессов приводят к результатам, которые на первый взгляд кажутся тщательнейшим образом спланированными.

Холдейн, отвечая на вопрос, конечно, сказал чистую правду. Однако он не стал бы отрицать, что в развитии человеческого тела всего из одной клетки есть тайна, близкая к чуду (хоть и не переходящая грань). То, что развитие происходит по инструкциям, содержащимся в ДНК, приоткрывает завесу таинственности, но не полностью. Причина таинственности проста: нам сложно представить, даже в теории, возможность создания инструкций для строительства тела способом, которым оно строится на самом деле: самосборкой. Программисты называют такие алгоритмы восходящим проектированием – в противоположность нисходящему.

Архитектор готовит чертеж величественного собора. Затем операции передаются отдельным бригадам, затем звеньям, группам, пока, наконец, инструкции не доходят до конкретных каменщиков, столяров и витражных мастеров. Те принимаются за работу и трудятся до тех пор, пока собор не будет построен. Причем выглядит он в итоге вполне похожим на чертеж архитектора. Это нисходящее проектирование.

Восходящее проектирование принципиально иное. Я не могу в это поверить, но существует миф о том, что некоторые из лучших средневековых соборов Европы были построены без архитектора и общего чертежа. Никто их не планировал и не чертил. Каждый каменщик или плотник занимался, в меру своих способностей, частью общей работы, практически не обращая внимания на то, что делается вокруг, и вовсе не думая о плане. И, о чудо, каким‑то образом из этой анархии рождался собор. Будь оно так, это был восходящий алгоритм. Миф этот, правда, не соответствует действительности: соборы так не строили. Однако это происходит, например, при строительстве муравейника или термитника, а также в ходе развития зародыша. Это и отличает эмбриологию от всего, к чему мы, люди, привыкли в вопросах строительства и конструирования. На этом принципе основаны некоторые компьютерные программы, типы поведения животных, а также компьютерные программы, моделирующие поведение животных. Предположим, что мы хотим смоделировать стайное поведение скворцов. На цветной вклейке 16 приведены кадры из нескольких прекрасных роликов с видеохостинга «Ю‑Тьюб»[105]. Этот «балет» над Отмуром, неподалеку от Оксфорда, запечатлел Дилан Уинтер. В стайном поведении скворцов поразительнее всего то, что у них нет хореографа и, насколько нам известно, вожака также. Каждая птица всего лишь следует локальным правилам.

Число птиц в подобных стаях может измеряться тысячами, однако столкновений практически не бывает. Еще бы, ведь на таких скоростях любое столкновение почти неизбежно приведет к ранениям. Часто можно наблюдать, что стая ведет себя как единое целое, согласованно поворачиваясь или кружась. Или что несколько стай пролетают друг сквозь друга, причем каждая сохраняет целостность. Это кажется волшебством. На самом деле стаи находятся на разном удалении, а не пролетают друг сквозь друга. Дополнительное эстетическое удовольствие дает четкий абрис стаи: ее плотность не снижается от центра к периферии. Ну не удивительно ли?

Эти «танцы», вероятно, самый элегантный скринсейвер. В видеосъемке «балета» необходимости в данном случае нет, поскольку она запечатлела повторяющиеся раз за разом хореографические движения, и, следовательно, не все пиксели будут в равной степени заняты. Лучше сделать компьютерную модель поведения скворцов. Любой программист объяснит вам, что есть два способа написания алгоритма: правильный и неправильный. Не пытайтесь выступать в роли хореографа балета в целом. Для подобной задачи этот подход крайне неудачен. Я расскажу о верном способе составления алгоритма, потому что сами птицы (их мозги) почти наверняка запрограммированы так же. А главное, это прекрасная аналогия эмбрионального развития.

Вот как надо программировать стайное поведение скворцов. Нужно сосредоточиться на программировании поведения отдельной птицы. Встроим в компьютерного скворца правила поведения в полете и реагирования на присутствие вблизи других скворцов. Определим, в какой степени птица при изменении направления полета будет отдавать приоритет поведению окружающих особей и в какой – собственной инициативе. Все эти правила можно установить экспериментальным путем, наблюдая за птицами в природе. Дадим киберптице возможность менять правила поведения случайным образом, но в определенных рамках. Теперь, когда мы создали сложную программу, в деталях описывающую поведение скворца, наступает самый важный момент. Не следует пытаться программировать поведение стаи, как, возможно, поступил бы программист прошлого. Вместо этого мы клонируем компьютерного скворца, создадим тысячу его копий, идентичных или с небольшими случайными вариациями правил поведения. И «выпустим» их в компьютерную среду обитания, предоставив самим себе, позволив взаимодействовать на основании общих правил.

Если правила поведения одиночной птицы заданы удачно, то тысячи компьютерных скворцов, каждый в виде точки на экране, поведут себя как реальная стая. Поведение не совпадает с реальным? Не беда, можно отойти на шаг назад и изменить правила для одиночного скворца, например по результатам новейших исследований поведения реальных птиц. Теперь остается снова размножить компьютерных птиц. Так, повторяя последовательные стадии перепрограммирования и клонирования компьютерных скворцов, можно добиться поведения, близкого к реальному. Крейг Рейнольдс написал похожую программу (не занимаясь специально скворцами) в 1986 году и назвал ее Boids [106].

Главное вот что: здесь нет ни хореографа, ни дирижера, ни вожака. Порядок, организация, структура возникают как побочный продукт системы правил, исполняемых локально, а не глобально. Именно так устроена эмбриология: она целиком построена на соблюдении локальных правил на разных уровнях, но главным образом на уровне клетки. Никакого хореографа. Никакого дирижера. Никакого централизованного планирования. Никакого архитектора. В эмбриологии и на производстве процессы, аналогичные работе подобной программы, называются самосборкой.

Тела человека, орла, крота, дельфина, гепарда, леопардовой лягушки и ласточки – все они столь восхитительно и точно собраны, что кажется невозможным то, что гены, их программирующие, не являются ни чертежом, ни генпланом. Тем не менее это так. Как и в случае компьютерных скворцов, все создано отдельными клетками, следующими локальным правилам. Прекрасно спроектированное тело возникает благодаря исполнению локальных правил отдельными клетками, без какого бы то ни было всеобщего плана. Клетки эмбриона «танцуют» друг с другом как скворцы в гигантской стае. Есть, однако, важные различия. В отличие от скворцов, клетки склеены вместе, образуют слои и блоки: их «стаи» называются тканями. «Танцуя» и крутясь, они образуют трехмерные формы, вызывая инвагинацию (впячивание) тканей в ответ на движение клеток, разрастание или сжатие тканей в ответ на изменение местных схем клеточного роста и смерти. Мне нравится аналогия, предложенная известным эмбриологом Льюисом Уолпертом в книге «Триумф зародыша»: оригами – японское искусство складывания фигурок из бумаги. Однако прежде чем перейти к этой аналогии, я хотел бы отмести несколько альтернативных аналогий, которые могут прийти в голову при размышлении об эмбриональном развитии, а именно – сравнений с процессами конструирования и производства.

 

Кое‑что о развитии

 

Удивительно трудно подыскать приемлемую аналогию процесса развития живой ткани, однако можно найти частичное сходство с отдельными сторонами этого процесса. Например, понятие «рецепт» гораздо лучше отражает суть, чем «чертеж», и я иногда пользуюсь первым для того, чтобы объяснить, почему последнее неверно. В отличие от чертежа, рецепт необратим. Следуя тексту рецепта пирога, в итоге вы получите пирог. Но по готовому пирогу вы не восстановите рецепт, в то время как, видя здание, вполне можно воспроизвести чертеж. Дело в том, что части здания и элементы чертежа соответствуют друг другу. Не считая очевидных исключений вроде вишенки в центре, однозначного соответствия между кусочками пирога и строчками рецепта нет.

Какие еще аналогии с человеческой деятельностью можно привести? Скульптура? Нет, совсем не то. Скульптор берет глыбу камня или кусок дерева и обрабатывает его, аккуратно удаляя лишнее, пока не получит желаемую форму. В принципе, эта процедура напоминает в эмбриологии процесс апоптоза. Апоптоз – это запрограммированная клеточная смерть. Так формируются пальцы на руках и ногах. У человеческого эмбриона пальцы соединены. Когда вы или я находились в матке, наши кисти и ступни были перепончатыми. У подавляющего большинства перепонки исчезают (но встречаются и исключения) в процессе запрограммированной клеточной смерти. Это и вправду похоже на скульптора с его резцами, однако эта аналогия все же не помогает понять развитие эмбриона. Некоторые скульпторы работают не резцом. Они лепят форму из глины или воска. Опять не то. И аналогия с кройкой и шитьем также не годится: ткань сначала размечают по лекалам и разрезают, выкроенные детали сшивают по заранее намеченной схеме друг с другом. Готовая одежда выворачивается швами внутрь, чтобы их не было видно. Это, пожалуй, похоже на некоторые детали эмбриологического развития. Но в целом кройка и шитье, как и ваяние, слабо напоминает эмбриологию. Вязание подходит несколько больше: свитер складывается из отдельных петель, как из отдельных клеток. Однако есть аналогии и уместнее.

Как насчет сборки автомашин или других сложных механизмов на конвейере? На автозавод поступают детали, изготовленные в литейных цехах (здесь, думаю, нет даже отдаленного сходства с эмбриологией). Детали поступают на конвейер, где их прикручивают, приковывают, приклеивают и так далее, в соответствии с планом. Но, повторяю, в эмбриологии нет ничего, что напоминало бы план. Зато имеется некоторое сходство с упорядоченным соединением деталей, как на конвейере, где готовые карбюратор, распределительная головка, ремни привода вентилятора, головка цилиндров и так далее подгоняются друг к другу.

На иллюстрации показаны три типа вирусов. Слева – вирус табачной мозаики (ВТМ), который поражает листья табака и других представителей семейства пасленовых (например, помидоров). В центре – аденовирус, инфицирующий органы дыхания многих животных, не исключая нас. Справа – бактериофаг Т4, который паразитирует на бактериях. Он выглядит как лунный модуль, да и ведет себя примерно так же: приземляется на поверхность бактерии (она гораздо крупнее его), приседает на своих паучьих ножках и запускает вглубь клетки зонд, пробуравливая ее стенку. После этих операций бактериофагу остается внедрить в клетку свою ДНК. Вирусная ДНК захватывает бактериальный белок‑синтезирующий аппарат, заставляя его работать на себя – воспроизводить новые вирусы. Два других вируса, изображенные на иллюстрации, ведут себя сходным образом.

Три типа вирусов

 

То, что вы здесь видите, большей частью представляет собой контейнер с генетическим материалом, а у «лунного модуля» Т4 заметно еще приспособление для заражения клетки‑хозяина. Любопытно, как строится этот белковый контейнер: в процессе самосборки. Каждый вирус собирается из нескольких предварительно синтезированных белковых молекул. Каждая белковая молекула сворачивается в третичную (объемную) структуру: здесь действуют законы химии, распоряжающиеся конкретными последовательностями аминокислот. Свернутые молекулы присоединяются друг к другу, формируя так называемую четвертичную структуру. Здесь вступают в силу локальные правила. Белковые субъединицы – капсомеры – присоединяются друг к другу, как кирпичики «Лего». Заметьте, насколько геометрически совершенна эта микроконструкция. Аденовирус сложен из 252 капсомеров, изображенных здесь в виде шариков. Они организованы в икосаэдр. Икосаэдр – одно из совершенных «Платоновых тел», которое имеет двадцать треугольных граней. Капсомеры собираются в икосаэдр не во исполнение какого‑либо плана, а потому, что подчиняются общим химическим законам. Так формируются кристаллы, и аденовирус и в самом деле можно назвать крошечным полым кристаллом. «Кристаллизация» вирусов является превосходным примером самоорганизации, которую я считаю основным механизмом, собирающим воедино живых существ.

У бактериофага Т4 вместилище для генетического материала также имеет форму икосаэдра, но с более сложной четвертичной структурой, включающей добавочные белковые единицы, также организованные согласно правилам, диктуемым микроусловиями. Эти субъединицы включены во впрыскивающий аппарат бактериофага и «ноги», прикрепленные к икосаэдру.

Возвращаясь от вирусов к эмбриологии крупных организмов, я снова обращусь к любимой аналогии – оригами. Это японское искусство складывания фигурок из бумаги. Я умею складывать только одну фигурку – «Джонка». Ее в детстве научил меня делать отец. Сам он обучился этому в младшей школе еще в 1920‑х, во время повального увлечения оригами. Что здесь напоминает биологию? То, что в процессе складывания кораблик проходит несколько «личиночных» стадий, которые чудесны сами по себе: так, гусеница – это красивый промежуточный этап на пути к бабочке, не имеющий с ней, то есть с конечным произведением, ничего общего. Наш кораблик, начинаясь с чистого листа бумаги, безо всяких ножниц, без клея и вставок, путем простого складывания проходит вполне узнаваемые «личиночные» стадии: стадию катамарана, коробки с двумя крышками, картины в раме – и только после превращается в кораблик. Что еще говорит в пользу аналогии с оригами, так это то, что когда вы в первый раз учитесь складывать кораблик, то каждая «личиночная» стадия открывается вдруг, совсем неожиданно. Ваши руки работают, но вы, складывая кораблик, точно не следуете схеме ни самого кораблика, ни его промежуточных фигур. Вы следуете правилам складывания бумаги, которые, на первый взгляд, не связаны с конечным произведением, пока оно не возникает – как бабочка, выпархивающая из кокона. Так аналогия с оригами ухватывает некую важную суть микроусловий или правил в противовес общему плану. Также аналогия хороша тем, что она имитирует операции сгибания, складывания, выворачивания наизнанку – всех хитростей, которые происходят с зародышевыми тканями. Это сравнение больше всего подходит для ранних стадий развития. Но все же эта аналогия имеет свои изъяны. Вот два очевидных.

Чтобы сложился кораблик, требуются человеческие руки. Это раз. Второе: «развивающийся эмбрион» не растет, не увеличивается в размерах. Конечная фигурка весит ровно столько же, сколько вначале. Признавая это различие, я буду иногда называть эмбриологию «растущим оригами», а не просто оригами.

Два указанных ограничения компенсируют друг друга. Листки зародышевой ткани сминаются, выгибаются и выворачиваются наизнанку. Они растут, и именно рост является их движущей силой. В оригами же движущей силой становится рука. Если вы зададитесь целью сделать оригами из листка живой ткани вместо бумаги, то вам придется нелегко: ведь понадобится задать рост ткани не одинаковый по всем направлениям, а неравномерный, чтобы он шел в одних местах быстрее, а в других – медленнее.

Джонка, складываемая из бумаги, проходит три «личиночных» стадии: «катамаран», «коробка с двумя крышками» и «картина в раме»

 

Если задать правильные соотношения, то автоматически сложится правильная фигура: где следует, она выгнется, где нужно – согнется, вывернется наизнанку, сама собой, без рук, без схемы, просто руководствуясь локальными правилами взаимодействия. Происходящее нельзя назвать рискованным или маловероятным: ведь это именно то, что происходит в реальности. Давайте назовем это «автооригами». Как это «автооригами» работает в реальном эмбрионе? В настоящем эмбрионе клетки, настоящие живые клетки, все время делятся, и зародышевые ткани растут. И растут они с разной скоростью на разных участках. Разница достигается различиями в скорости деления клеток, которая регулируется микроусловиями. Итак, мы вернулись к основополагающему принципу: восходящий алгоритм превалирует над нисходящим. Имеется целая серия вариантов (существенно более сложных) этого простого принципа, который реализуется на ранних стадиях эмбрионального развития.

Продемонстрирую, как складывается оригами на ранних стадиях развития позвоночных. Оплодотворенная яйцеклетка делится на две. Затем из двух клеток получается четыре. Деление продолжается, но на этой стадии еще нет роста, нет разбухания. Все заканчивается сферическим шариком, состоящим из множества клеток, но размер его точно такой, как и у яйцеклетки. Этот шарик – бластула – полый. Следующая стадия – гаструляция. Льюис Уолперт остроумно высказался о ней так: «Самый важный момент в вашей жизни – не рождение, не свадьба или смерть, а гаструляция». Гаструляция подобна землетрясению в микромасштабе, оно охватывает всю поверхность бластулы и переиначивает все вокруг. Ткани эмбриона радикально перестраиваются. Обычная гаструляция предполагает впячивание полого шарика, то есть бластулы, внутрь таким образом, что он становится двухслойным с одним отверстием наружу. Внешняя стенка гаструлы называется эктодермой, внутренняя стенка – энтодермой, между этими слоями располагаются клетки, слагающиеся в мезодерму. Эти три зачаточных слоя в итоге формируют все части тела. Так, из эктодермы получаются кожа и нервная система, пищеварительную систему и другие внутренние органы формирует энтодерма, а из мезодермы образуются кости и мышцы.

Нейруляция

 

Следующая стадия эмбрионального «оригами» называется нейруляцией. На рисунке показаны срезы эмбриона амфибии (лягушки или саламандры), идущие сверху вниз и через центр. Черный кружок – это нотохорд, твердый стержень, действующий как предшественник позвоночника. Нотохорд служит диагностическим признаком хордовых животных, к которым принадлежим мы и другие позвоночные, хотя у нас, как и у других позвоночных, нотохорд имеется только в эмбриональном состоянии. Во время нейруляции, как и во время гаструляции, самым заметным событием является впячивание, или инвагинация. Напомню, нервная система образуется из эктодермы. Происходит это так. По всей спинной стороне часть эктодермы постепенно впячивается в направлении от переднего конца к заднему, при этом сворачиваясь в трубку и образуя соединение, наподобие застежки‑«молнии»; соединенные концы оказываются между внешним слоем и нотохордом. Эта трубка в итоге превращается в спинной мозг – основной нервный ствол тела. Передний его конец раздувается и превращается в головной мозг. Из этой зачаточной трубки путем последовательного клеточного деления происходят все остальные нервы.

Инвагинация клеточного листка

 

Не хочу углубляться в детали гаструляции или нейруляции. Замечу только, что они удивительны и что сравнение с оригами вполне адекватно передает их суть. Мне было важно показать принципы, управляющие усложнением эмбриона путем растущего оригами. Выше показано, что происходит с клеточным слоем. Это только одно из многих событий эмбрионального развития. Легко увидеть, насколько действенной операцией может быть инвагинация. Она играет исключительную роль как во время гаструляции, так и во время нейруляции.

Гаструляция и нейруляция заканчиваются на ранних стадиях развития эмбриона и определяют его форму. Инвагинация и другие операции растущего «оригами» происходят и на этих ранних стадиях, и после, когда формируются сложные органы, например, глаза и сердце. Но все же, принимая во внимание, что все эти действия выполняются без рук, что приводит все в движение? Отчасти, как я отмечал, простое разрастание. Клетки делятся во всех тканевых листках. Следовательно, их площадь увеличивается, а так как деться растущей ткани некуда, то она собирается в складки или впячивается. Но процесс на самом деле находится под жестким контролем. Его изучением занималась группа ученых, связанная с блестящим биологом‑теоретиком Джорджем Остером из Калифорнийского университета в Беркли[107].

 

Клетки и скворцы

 

При клеточном моделировании Остер и его коллеги следовали той же стратегии, которую мы упоминали, говоря о скворцах. Вместо того чтобы задать программу поведения бластуле, они задали программу одной ее клетке. Затем ученые в компьютере «вырастили» много клонов клеток и проверили, что получится, когда эти клетки собраны вместе. Говорить «задали поведение одной клетке» не совсем точно, лучше так: «создали математическую модель одной клетки, построенную на основе известных фактов о клетке», но все же удобнее пользоваться первоначальной простой формулировкой. Особенно важно, что внутреннее пространство клетки связано пересекающимися эластичными нитями‑микрофиламентами, способными сокращаться наподобие мускульных волокон[108]. Модель Остера упрощает клетку до двухмерного изображения, удобного для представления на экране компьютера, оставляя всего полдюжины филаментов, соединяющих узловые точки геометрической формы модельной клетки. В модели всем микрофиламентам придаются определенные количественные характеристики, смысл которых хорошо понятен физикам: например, коэффициент вязкого затухания или константа упругости. В действительности неважно, что эти характеристики обозначают; все их физики обожают использовать, когда имеют дело с пружинами или другими упругими телами. В реальной клетке сокращаться способны все Субкортикальный филаменты, но для упрощения модели Остер в своей модели разрешил сокращаться только одной нити из шести. Если реалистичный результат получится даже при отбрасывании ряда известных свойств клетки, то уж при сохранении большей части свойств результат поведения усложненной модельной системы должен только улучшиться. Вместо того чтобы дать микрофиламенту возможность сокращаться как ему угодно, ученые встроили (запрограммировали) свойство, которое присуще любому мышечному волокну: в ответ на растяжение выше определенного предельного значения нить сокращается до меньшей длины, чем в равновесном (не растянутом и не сокращенном) состоянии.

Микрофиламенты внутри модельной клетки Остера

 

Таким образом, у нас есть сильно упрощенная модель клетки: двухмерный абрис, внутри которого протянуты шесть эластичных нитей, причем одна из нитей способна активно сокращаться в ответ на внешний сигнал растяжения. Это первая стадия процесса моделирования. На второй стадии Остер и его коллеги смоделировали клон из нескольких десятков таких клеток и организовали их в круг, как будто это двухмерная бластула (или тонкий срез бластулы). Затем они взяли и «потянули» одну клетку (запрограммировали мгновенное увеличение натяжения), чтобы спровоцировать сокращение активного микрофиламента. То, что произошло дальше, восхитительно: модельная бластула приступила к гаструляции! Посмотрите на шесть последовательных кадров, запечатлевших это событие. В обе стороны от активированной клетки распространилась волна сокращений, и клеточный шарик начал спонтанно сгибаться и впячиваться.

Дальше – больше. Остер понизил пороговое значение сокращения активного микрофиламента. В результате начавшееся впячивание продолжилось, и в конце концов выщепилась «нервная трубка». Важно понять, что данная модель – это не точная имитация нейруляции. Можно, конечно, отбросить то обстоятельство, что модель работает с двухмерным клеточным кругом со сверхупрощенными внутренними свойствами, но это все равно даже не модельная двухслойная гаструла. Это та же самая бластулоподобная отправная фигура, с которой при других параметрах начинается и гаструляция. Но ведь же моделям и не полагается точно повторять реальные объекты. А наша модель должна показать, насколько просто имитировать важнейшие аспекты клеточного поведения в раннем эмбрионе. То, что даже простой двухмерный кружок из одинаковых клеток спонтанно отвечает неким реалистичным образом на внешний стимул, служит важным доказательством того, что эволюция различных эмбриональных процессов на ранних стадиях вовсе не требует каких‑то сложных решений. И нужно помнить, что мы имеем дело с простой моделью, а не с простым явлением. Подобного соотношения следует ожидать от любой хорошей модели.

Гаструляция модельной бластулы Остера

Формирование нервной трубки в модели Остера

 

Я рассказал о моделях Остера, чтобы продемонстрировать принцип, лежащий в основе взаимодействия клеток друг с другом, – взаимодействия, в результате которого они организуются в оформленное тело. Этот базовый принцип справляется с работой без всяких чертежей, представляющих идею готовой конструкции. Простейшие операции построения раннего эмбриона уже были названы: оригамиподобное складывание, инвагинация и выщепление как в модельной бластуле Остера. Более тонкие операции идут на дальнейших стадиях эмбрионального развития. Так, например, в ходе остроумнейших экспериментов было доказано, что нервные отростки, выходящие из спинного и головного мозга, доходят до места назначения, до своего органа, не следуя заранее установленному плану, а за счет химического привлечения; они подобны псу, находящему по запаху суку. Один из классических ранних экспериментов, превосходно илл