Если вы когда-либо задавались вопросом, как рождается человек, то ничего, кроме слова «чудо» на ум не приходит. Все мы начинались с одной-единственной клетки, которая постепенно проходила все стадии развития эмбриона, пока не превращалась в крикливого младенца. Что руководит этим процессом? Где содержится план, чертеж, структура, по которой создается живое существо? Дело в том, что его нет. Иначе, как самосборкой процесс формирования эмбриона назвать нельзя.
Маленькие человечки
В науке эмбриологии некоторое время боролись две теории касательно процесса развития зародыша - преформизм и эпигенез. Победил эпигенез, и его мы рассмотрим позже. Концепция преформизма предполагала, что в половых клетках, которые дают начало плоду, уже содержится крошечный человек. То есть, сперматозоид на пути к яйцеклетке уже несет в себе эдакого микро-гомункула. Все руки-ноги уже на месте, остается только увеличиться в размерах.
С этой идеей есть много проблем, но из тех, что на поверхности - согласно этой концепции, человек должен наследовать признаки только по материнской или отцовской линии. На практике мы знаем, что это не так, и в новом человеке смешиваются равным образом гены как отца, так и матери. Во-вторых, этот микро-гомункул должен, наверное, нести еще одного гомункула в себе для продолжения рода? Так мы уйдем постепенно к размерам атомов. Другой вариант - будущий организм неким образом «сканируется» из существующего и затем уже передается по наследству. Но тут мы уже уходим в ламаркизм с его парадоксами в духе: у культуристов должны быть накачанные дети, а у загорелых людей - все более черные потомки.
Но тогда, может быть, организм строится по чертежу, как здание? И чертеж этот находится в ДНК и генах? Тоже нет. Такое мышление исходит из нашего, человеческого, опыта строительства. Нам нужно нарисовать чертеж, чтобы что-то построить, и наоборот - видя что-то построенное, мы можем «задним числом» обратить это в чертеж. Достаточно провести замеры и нарисовать. Если переносить эту логику на ДНК, то внутри молекулы должна быть полная трехмерная карта будущего организма, по которой неведомые рабочие и строят живое существо. Однако даже в таком случае возникает проблема с наследственностью - опять же передается «чертеж» только одного родителя.
Оркестр без дирижера
ДНК - это не чертеж. Это рецепт. Как он влияет на развитие зародыша, нам говорит теория эпигенеза, которая со временем вытеснила преформизм. Ее придумал еще Аристотель, а в современном понимании она звучит так: «Представление о зародышевом развитии организмов как процессе, осуществляющемся путем последовательной дифференциации недифференцированного целого».
Как этот принцип описать простыми словами? Давайте так. Есть два подхода к строительству чего-либо, а точнее - к созданию систем. Когда архитектор рисует чертеж здания, а бригады рабочих его послушно воплощают в реальность, это нисходящее проектирование. Оно требует, скажем так, высшего замысла. Восходящее проектирование, напротив, никакого плана не требует, а образуется спонтанно из самоорганизации входящих в систему элементов. Такой принцип строительства повсеместен в природе: так строятся термитники и муравейники. Понятно же, что насекомые чертежей своих колоний не рисуют. Но как тогда они приобретают свою форму?
Это можно разобрать на другом примере - стае скворцов. Когда эти птицы взлетают в воздух, они образуют огромные тучи, порой из тысячи особей. Казалось бы, среди них творится хаос, и скворцы непременно должны столкнуться друг с другом. Но этого не происходит. Более того, внешнему наблюдателю такая стая кажется супер-организмом, который огромным облаком мечется в разные стороны и образует в воздухе причудливые формы. Никто птицами не дирижирует, вожака нет. Что тут происходит?
Все дело в поведении каждой отдельной птицы. Она чутко реагирует на изменения направления полета своих товарищей и точно следует заложенной в мозгу программе. Напарник повернул - поверну и я. Нырнул вниз - я за ним. Представьте сложный хореографический танец со множеством участников - чем-то подобным и является стая скворцов. Так вот, развитие эмбриона тоже есть танец, только танец роста, а вместо скворцов - живые ткани.
Растущее оригами
Эмбрион в этапах развития несколько раз меняет форму. Можно привести аналогии с процессом создания фигурок оригами. Например, кораблик проходит несколько стадий.
Точно так же, как мы сминаем, выгибаем и сворачиваем бумагу фигурки, меняется и зародыш. Каждая стадия эмбриона открывается неожиданно путем выворачивания тканей определенным образом. Есть, конечно, два отличия от оригами. Во-первых, никто его не складывает, клетки действуют сами. Во-вторых, зародыш, в отличие от фигурки, растет в размерах.
Движения тканей определяются действиями клеток. А на клеточном уровне происходит много чего интересного. Внутри там все связано эластичными нитями-микрофиламентами, которые могут сокращаться наподобие мускулов.
Клетки могут сжиматься и распрямляться при натяжении филаментов. Если мы поставим такие клетки в ряд, то при совместном сжатии произойдет формирование тканей - они будут втягиваться или выгибаться. Этот процесс был смоделирован на компьютере биологом Джорджем Остером. При внешнем воздействии ткань загибалась внутрь, имитируя процесс формирования нервной трубки у зародыша.
В клетках тоже происходят сложные процессы свертываний, только на микро-уровне. Клетки состоят из белков, а те есть цепочки молекул - аминокислот. Аминокислоты сворачиваются в белки, следуя лишь законам химии и термодинамики (а также последовательности кода из ДНК). Последовательности аминокислот диктуют и форму белков, и их химические свойства. Здесь уже мы подступаем к тому, что химики сами объясняют с трудом. Химические закономерности, по которым образуются те или иные аминокислоты, до конца неясны. Именно поэтому эмбриологический процесс все еще имеет аспект тайны.
Клетки разных органов образуются за счет «включения» генов. Сама по себе клетка представляет собой химическую фабрику, которая может выпускать какую угодно «продукцию». Выбор, что производить, определяется генами. Так, в клетках печени в клеточном ядре включены лишь несколько генов, которые определяют ее функциональность и форму. А в клетках щитовидной железы вырабатываются ферменты только для тироидного гормона, соответственно, работают только эти гены. Опять же, гены определяют химические реакции, а соответственно конфигурацию клеток. В итоге, работая в унисон, они образуют сложносочиненную симфонию по созданию человека.
Таким образом, развитие эмбриона весьма далеко от исполнения плана по чертежу. Это целая огромная совокупность химических и биологических процессов, которые работают в идеальной синхронизации, согласно указаниям генов в клетках. Процессом никто не руководит: клетки следуют только своим собственным инструкциям. Сеть взаимодействий сложна настолько, что ее едва ли удастся просчитать досконально: гены влияют на белки, друг на друга, белки влияют на экспрессию генов, а попутно идут физические и химические процессы в клетках. Именно эта сложность и не позволяет нам создавать или повторять нечто саморегулирующееся, как живой организм. Смогут ли когда-нибудь биологи этого добиться?
***
Если вам понравилась статья, вы можете поставить отметку «нравится». Если есть с чем поспорить, пишите в комментарии - мне интересно альтернативное мнение. Также вы можете подписаться на канал. Я пишу материалы о науке, истории и психологии.
