Учёные умы на протяжении тысячелетий задавались вопросом, по каким правилам из двух слившихся половых клеток происходит развитие эмбриона, а затем и будущего взрослого организма. Где и каким образом записан чертёж развития тела? Согласно учебникам биологии, этот загадочный план содержится в клеточной ДНК и закодирован в генах. Однако сегодня этот домысел разваливается буквально на глазах.
Всё, что находится в геноме зиготы – это только гены, просто кодирующие белки или молекулы, которые могут увеличивать или уменьшать их синтез. Ни больше ни меньше. И пытаться найти там чертежи построения мозга, лёгких или сердца подобно поискам чёрной кошки в тёмной комнате, где её никогда не было.
На самом деле морфология многоклеточных структур возникает из закодированных определённых правил и тенденций, которые разыгрываются среди множества клеток. Клетки создают структуры, взаимодействуя друг с другом и используя три основных режима передачи внешних сигналов, которые обычно заканчиваются активацией или подавлением определённых генов:
- Химический, когда сигнальная молекула достигает мембраны клетки и связывается там с белковым рецептором, вызывая нём определённые изменения, которые инициируют сигнальный каскад внутри клетки;
- Механический, когда одна клетка взаимодействует с другой и растягивает её мембрану. Обычно эти сигналы преобразуются во внутриклеточный эффект посредством мембранных белков, изменяющих своё поведение при растяжении или сжатии, чтобы, например, пропустить или заблокировать прохождение ионов в клетку;
- Электрический, когда ионы, проходя через клеточную мембрану, поляризуют её. Классическим примером такого механизма служат электрические сигналы, передающиеся по сердечной мышце и вызывающие её регулярные сокращения. Этот способ присущ большинству клеток.
Майкл Левин из Университета Тафтса полагает, что электрический механизм создаёт особенно мощные возможности обработки информации и представляет собой полезный «рычаг управления» для экспериментов в регенеративной медицине и синтетической морфологии. Левин и Вайбхав Пай с коллегами показали, что развитие нервных структур в мозге лягушки, по-видимому, как раз регулируется изменением напряжения на мембранах эмбриональных клеток. Когда исследователи перманентно активировали ключевой ген под названием Notch (один из факторов, побуждающих клетки-предшественники превращаться в нейроны у эмбрионов лягушек), формирование мозга было нарушено. Однако они смогли вернуть его развитие на правильный путь, изменив напряжение мембран соседних клеток – биоэлектрический импульс отменил сигналы, идущие от генов, что позволило продолжить правильный морфогенез.
В процессе развития плода группа клеток, находящихся внутри, может быть отрезана от обогащённой кислородом крови, пульсирующей в капиллярах, и это заставляет их синтезировать и высвобождать химические вещества, которые побуждают своих соседей развиваться в сосудообразующие клетки. В клеточной ДНК никогда не было чертежа сосудистой системы. Она является эмерджентной морфологией, созданной правилами клеточного взаимодействия.
«Геном определяет клеточный коллектив с огромной пластичностью, – говорит Левин, – который выполняет перестройки до тех пор, пока не будет достигнута правильная целевая морфология». Одной из наиболее ярких иллюстраций существования таких схем является механизм образования трубки – предшественника почки у тритонов, называемой пронефрическим протоком. Если бы у клеток были генетические инструкции, говорящие им собираться в трубку, мы бы ожидали, что более крупные клетки образуют трубку пропорционально большего размера. Однако в 1940-х годах эмбриолог Герхард Фанкхаузер проверил эту идею, используя клетки с дополнительными хромосомами, из-за которых они вырастали больше, чем обычно. Он обнаружил, что образовалась трубка нормального диаметра и толщины, просто содержащая меньшее количество клеток. Как будто клетки коллективно «знали», какова их структура-мишень и соответствующим образом корректировали своё индивидуальное поведение. Альберт Эйнштейн был очарован этими экспериментами, написав Фанкхаузеру: «То, что является реальным определяющим фактором формы и организации, кажется совершенно неясным».
Ещё более поразительный пример этого кажущегося «общего видения» многоклеточных структур можно найти у примитивных плоских червей, называемых планариями. Если отрезать кусочек от планарии, она отрастит ровно те ткани, которые были удалены, ни больше ни меньше. Даже небольшая часть планарии может переродиться в полноценного червя с типичными формой и пропорциями. По-видимому, это происходит из-за способности регенерирующих клеток «читать» общий план тела: заглядывать в него целиком, спрашивать, чего не хватает и соответствующим образом адаптироваться, чтобы сохранить морфологическую целостность. Левин считает, что эта информация доставляется клеткам посредством биоэлектрических сигналов, которые управляют поддержанием формы и у других организмов, таких как рыбы, лягушки и люди. Когда он и его коллеги манипулировали кусочками планарии, чтобы изменить их биоэлектрическое состояние, регенерирующие клетки создавали неожиданные анатомические структуры — например, червей с головами на каждом конце.
Такой регенеративный потенциал имеется у амфибий – они могут отращивать ампутированные конечности и хвосты. Для этого необходимо наличие двух морфологических свойств: растущие клетки должны иметь возможность развиваться в несколько типов тканей (кожа, мышцы, кости, кровеносные сосуды), и эти ткани должны спонтанно правильным образом организовываться. Земноводные как раз имеют запас таких универсальных клеток для ремонтных работ, которые называются стволовыми клетками.
Ещё в 1912 году в своей книге «Механическая концепция жизни» немецкий физиолог Жак Леб утверждал, что жизнь можно и нужно понимать в соответствии с инженерными принципами. Обнаружив, что он может стимулировать бесполое размножение, обрабатывая неоплодотворённые яйца морских ежей простым раствором соли, Леб пришёл к убеждению, что путь по которому осуществляется развитие живой материи в природе не является единственным. «Теперь передо мной витает мысль, — писал он, — что человек сам может выступать творцом даже в живой природе, формируя её по своей воле».
Примерно в то же время, когда вышла книга Леба, французский врач Алексис Каррель разработал методы выращивания тканей в культуральной среде, своего рода бесформенном живом материале. Он надеялся, что когда-нибудь станет возможным не только сохранять, но и выращивать органы вне тела для трансплантации, тем самым давая перспективу бессмертия. И возможно, с возникновением и развитием синтетической морфологии его предсказание сбудется в ближайшем будущем.
Также материалы теме «Загадки эволюции и биосферы»:
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.