Как клетки понимают, что одни должны стать волосами, другие костями, третьи мозгами и т. п.?
Этот вопрос — совсем не детский. Это на самом деле не один, а несколько вопросов, и они затрагивают все самые главные проблемы, решением которых занимается большая, очень сложная и быстро развивающаяся наука — биология развития.
Начнем с «единого центра», без которого «возникнет хаос». Удивительно, но это не так. Множество делящихся клеток может вести себя вполне осмысленно и формировать сложные структуры, даже если у них нет единого управляющего центра. Такие процессы называют «самоорганизацией».
К сожалению, человеческий разум так устроен, что ему ужасно трудно понять подобные процессы.
Когда мы сталкиваемся с примерами самоорганизации, нам всегда это кажется каким-то необъяснимым чудом. Например, как из беспорядочно движущихся молекул водяного пара образуются красивые ледяные узоры на стекле или снежинки? Где хранится «программа создания снежинки» или ее «чертеж»? Чертежа нет нигде, а вот программа — существует, это те физические свойства молекулы воды, от которых зависит образование ледяных кристаллов.
Но вернемся к комочку клеток — крошечному зародышу, который образовался из яйцеклетки в результате нескольких первых делений. Каждая клетка зародыша имеет один и тот же геном (набор генов). Геном определяет все свойства клетки, это ее «программа поведения». Программа у всех клеток зародыша одинаковая. Однако вскоре клетки начинают вести себя по-разному: одни превращаются в клетки кожи, другие — в клетки кишечника, и так далее. Это происходит благодаря тому, что клетки обмениваются информацией — посылают друг другу химические сигналы и меняют свое поведение в зависимости от того, какие сигналы они получили от соседей. Сигналы могут быть и физическими: клетки могут «чувствовать» своих соседей, куда они ее тянут или толкают. Кроме того, кое-какие сигналы приходят и из внешнего мира. Например, клетки зародышей у растений чувствуют земное притяжение и принимают его в расчет, когда решают, как им себя вести. Например, те клетки, у которых клетки-соседи есть только сверху, начинают превращаться в корень, а те, у которых соседи только снизу, — в стебель. Наконец, яйцеклетка может с самого начала иметь простенькую «разметку»: один ее полюс может отличаться от другого по концентрации каких-нибудь веществ.
Программа поведения у всех клеток изначально одна и та же, но она может быть довольно сложной и состоять из нескольких отдельных наборов правил. То, какой из наборов правил данная клетка будет выполнять, зависит от получаемых клеткой сигналов. Каждое отдельное «правило» выглядит примерно так: «если выполняются такие-то условия, сделай такое-то действие». Основные действия, которые делают клетки, — это включение или выключение определенных генов. Включение или выключение гена меняет свойства клетки, и она начинает по-другому себя вести, по-другому реагировать на сигналы.
Как же получается, что клетки, имеющие одинаковую программу поведения и находящиеся, казалось бы, в одинаковых условиях, всё-таки ведут себя по-разному? Дело в том, что клетки зародыша на самом деле находятся в разных условиях — это просто само собой так происходит в процессе деления клеток. Кто-то оказался внутри, кто-то снаружи, кто-то снизу, кто-то сверху, в ком-то концентрация вещества А высокая (потому что данная клетка сформировалась из той части яйцеклетки, где этого вещества было много), а в ком-то вещества А мало.
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, 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,
и если концентрация вещества А в тебе такая-то (находится в таких-то пределах),
и если концентрация вещества Б вокруг тебя равна нулю,
и если с момента начала развития прошло уже 10 делений,
то начни выделять вещество Б».
К чему приведет выполнение такой команды? Оно приведет к тому, что на поверхности зародыша в определенный момент (после десяти делений) появится одна-единственная клетка, выделяющая вещество Б. Она будет расположена на строго определенном расстоянии от одного из полюсов зародыша, потому что в нашем примере вещество А служило для изначальной разметки яйцеклетки. Следовательно, по концентрации вещества А клетка может определить, на каком расстоянии от полюсов зародыша она находится. Почему такая клетка, выделяющая вещество Б, будет только одна? А потому, что была инструкция: «Если концентрация вещества Б вокруг тебя равна нулю». Как только первая клетка, в которой выполнятся поставленные условия, начнет выделять вещество Б, концентрация этого вещества перестанет быть равна нулю, и поэтому другие клетки не начнут его выделять.
А что будет, если мы уберем из программы инструкцию «Если концентрация вещества Б вокруг тебя равна нулю»? Тогда вещество Б начнет выделяться не одной-единственной клеткой, а целой полоской клеток, опоясывающей зародыш на определенном расстоянии от полюсов. Ширина пояска и его положение (ближе или дальше от того полюса, где концентрация А максимальна) будут зависеть от того, какие концентрации вещества А указаны в инструкции «Если концентрация вещества А в тебе такая-то».
Теперь наш зародыш размечен уже гораздо сложнее и интереснее, чем раньше. У него есть «передняя часть», в которой много А, а концентрация Б растет спереди назад; у него есть центральный поясок, где максимальна концентрация Б; и у него есть задняя часть, где мало А и где концентрация Б убывает спереди назад. Наш зародыш подразделился на резко отграниченные друг от друга части, в которых клетки находятся в разных условиях и поэтому будут 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 живот. Как это сделать? А очень просто, мы уже это проходили. Нужна инструкция, приводящая к появлению только одной клетки или маленькой группы клеток, выделяющих какое-нибудь вещество (например, В) на любом «боку» зародыша, где-нибудь посередине между головой и хвостом. И пусть это вещество В запустит программу роста красивого зеленого спинного гребня там, где его много, и программу формирования мягкого розового животика там, где его мало.
Когда зародыш уже так хорошо и подробно «размечен», каждая группа клеток может без труда определить, где она находится, и активизировать заготовленную на этот случай подпрограмму (набор правил поведения).
В ходе развития зародыша действительно то тут, то там появляются особые «управляющие центры» — группы клеток, выделяющие то или иное вещество, которое служит для других клеток сигналом и влияет на их поведение. Но 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. И никакого «единого централизованного руководства», тем более осмысленного, разумного, для этого не требуется.
В развитии настоящих животных всё сложнее, чем в нашем воображаемом примере, но, как ни странно, ненамного. Например, у большинства животных для «продольной разметки» зародыша используется около десятка сигнальных веществ (в нашем примере мы обошлись двумя — А и Б). За производство этих веществ отвечает особая группа генов — так называемые «хокс-гены». А для разделения зародыша на ткани (нервную, мышечную, эпителиальную и т. д.) используется еще три десятка других сигнальных веществ — они называются микроРНК. Но это — только самые главные регуляторы развития, а есть еще очень много вспомогательных, и ученые пока еще не выяснили все их свойства и функции.
Сигнальные вещества, управляющие поведением клеток зародыша, очень могущественны. Например, если отрезать головастику хвост и капнуть на рану одно из этих веществ, то вместо нового хвоста у головастика вырастет пучок маленьких ножек. Такие жестокие эксперименты проводились в начале XX века. Потом за дело взялись генетики, которые научились менять работу генов в отдельных частях зародыша. В том числе и тех генов, которые производят вещества — регуляторы развития. Одно из самых интересных открытий генетиков состоит в том, что гены, управляющие развитием, оказались очень похожими у всех животных. Их даже можно пересаживать от одного животного к другому, и они будут работать. Например, если взять мышиный ген, который включает подпрограмму образования глаза у мыши, и заставить его работать в зачатке ноги у мухи, то на мушиной ноге начинает формироваться глаз. Правда, не мышиный глаз, а мушиный.
Итак, мы поняли, что в геноме нет «чертежа» взрослого организма, а есть только программа поведения отдельной клетки. Взрослый организм «самоорганизуется» просто за счет того, что каждая клетка строго следует одной и той же программе поведения. Математики говорят, что закодировать в геноме чертеж взрослого животного было бы намного сложнее, чем такую программу. Эта программа, как ни странно, сама по себе гораздо проще, чем получающийся в результате организм. А еще, если бы наше развитие шло не путем самоорганизации на основе программы, а по чертежу, нам было бы гораздо труднее эволюционировать.
Лет сто назад, когда ученые еще не знали законов развития эмбриона, многое в эволюции казалось им непонятным. Например, некоторые ученые удивлялись, как могут в процессе эволюции удлиниться все четыре ноги одновременно — ведь для этого, рассуждали они, нужно, чтобы мутации одновременно изменили длину сразу всех четырех ног! Действительно, если бы в геноме был записан чертеж взрослого организма, то потребовалось бы внести в этот чертеж целых четыре поправки, чтобы увеличить длину четырех ног. Теперь-то мы знаем, что развитие идет по программе, в которую достаточно внести всего одно изменение, чтобы длина всех четырех конечностей изменилась, причем изменилась одинаково.