Сформируйте меня
На седьмой день после зачатия человеческий эмбрион начинает зарываться.[24] Всего-навсего полый шар, состоящий из сотни или около того клеток, он способен внедриться в слизистую оболочку матки материнского чрева, которая размягчается и набухает за счет действия гормонов менструального цикла. Большая часть клеток полого шара занята проблемой закапывания, но есть и такие, которые ведут себя по-другому. Они начинают образовывать собственный шар, так что к девятому дню эмбрион становится похожим на одну из оригинальных китайских игрушек: вырезанные из слоновой кости шарики находятся один внутри другого – сфера внутри сферы внутри сферы и так далее... К тринадцатому дню он исчезает в выстилающем слое слизистой матки, и оставленная им рана обычно легко заживает. Эмбрион приступает к самоустройству.
Первая его задача – создать исходный материал для своих органов. Мы трехмерные существа: кожный чехол окружает слои костей и мышц, которые, в свой черед, служат опорой для лабиринта внутренней сантехники. Но перед эмбрионом встает проблема. Из той сложной структуры, которую он уже построил, лишь небольшая ее часть – крошечный комочек клеток внутренней сферы – действительно предназначена для продуцирования плода. Все остальное послужит только для создания вспомогательного оборудования: плаценты, пупочного канатика и других подобных атрибутов. А для того чтобы из этого конгломерата клеток получился плод, зародыш должен реорганизовать себя.
Процесс, с помощью которого это делается, называется гаструляцией. Примерно на тринадцатый день после зачатия комочек клеток превращается в диск с полостями над (будущая амниотическая полость) и под ним (будущий желточный мешок). Примерно на середине диаметра этого диска появляется желобок, так называемая "первичная полоска". Клетки начинают мигрировать в сторону этой полоски и погружаются в нее. Первые из клеток, которые проходят этот путь, образуют выстилку вокруг желточного мешка. Новые клетки, проникающие в полоску, образуют над первым другой слой. В результате эмбрион приобретает три слоя вместо одного и становится гаструлой.
Три слоя гаструлы – это предвестники наших органов. Верхний слой, эктодерма, станет наружными слоями кожи и большей частью нервной системы; ниже расположена мезодерма – будущие мышцы и кости; вокруг желтка находится эндодерма – исходный материал для кишок, поджелудочной железы, селезенки и печени. (Термины происходят от греческих слов ecto-, meso- и endo- – внешняя, средняя и внутренняя; и -derm – соответственно кожа.)
Это разграничение выглядит довольно четким, однако в действительности многие части нашего тела – зубы, молочные железы, руки, ноги, половые органы – представляют собой сложную комбинацию из эктодермы и мезодермы. Но еще важнее материала, из которого в дальнейшем строятся органы, является то, что эмбрион в это время также приобретает геометрическую структуру, которая сохранится на всю оставшуюся жизнь. Через две недели после встречи яйцеклетки и сперматозоида у зародыша появляются голова и хвост, перед и зад, левая и правая стороны. Вопрос состоит в том, откуда они берутся.
Весной 1920 года в немецкий университетский город Фрейбург приехала Хильда Прешельдт. Ей предстояло приступить к работе с Гансом Шпеманом, одной из наиболее значительных фигур в новой, в основном немецкой, науке – Entwicklungsmechanik, механике развития. Стекловидные зародыши морских ежей делились пополам; гидры с зелеными щупальцами теряли головы с тем, чтобы отрастить их вновь; лягушки и тритоны существовали лишь для того, чтобы отложить икру, предназначавшуюся для сложных экспериментов по трансплантации. Шпеман был главой этого научного направления, и Прешельдт предстояло делать в его лаборатории кандидатскую диссертацию. Поначалу она с трудом пыталась понять, чего от нее хотят. Эксперименты, которые предложил ей Шпеман, казались технически невыполнимыми, и, оценивая их в ретроспективе, следует признать, что таковыми они и были. Но Хильда была способной, настойчивой и знающей сотрудницей. Весной 1921 года Шпеман предложил ей новое направление в работе. Его результаты должны были дать первые представления о том, как происходит упорядочивание эмбриона.
Тогда, как и сейчас, скрытая цель большинства исследований в области биологии развития состояла в том, чтобы понять, как строят себя человеческие эмбрионы, или, если это не удавалось, выяснить, что происходит с эмбрионами других млекопитающих. Но с эмбрионами млекопитающих трудно работать. Их нелегко найти и трудно сохранить живыми вне матки. Иначе обстоит дело с эмбрионами тритонов. Тритоны в изобилии откладывают мельчайшие яйцеклетки, которые, при определенной практике, поддаются хирургическим манипуляциям. Можно было даже пересаживать кусочки тканей от одного эмбриона к другому и наблюдать за их приживлением и ростом.
Эксперимент, предложенный Хильде на тот момент Шпеманом, заключался в иссечении кусочка ткани с дальнего конца бластопора (у тритонов эквивалентного первичной полоске человека) одного из эмбрионов и трансплантации его другому эмбриону. Заметив, что слои тканей и конфигурация эмбриона зависят от клеток, прошедших через бластопор, Шпеман предположил, что ткани губы бластопора обладают особым свойством инструктировать клетки, которые мигрируют мимо них. Если это так, тогда эмбрионы с дополнительно имплантированными в них участками губы бластопора будут отличаться – чем? Избыточным количеством мезодермы и эктодермы? Фатально нарушенной геометрической структурой? Совершенно нормальным развитием? Эксперименты, проведенные ранее самим Шпеманом, давали интригующие, но противоречивые результаты. Теперь Хильде Прешельдт предстояло сделать все как надо.
В промежутке между 1921 и 1923 годами она выполнила 259 экспериментов по трансплантации. Большинство ее эмбрионов не пережило операции. Но шестеро из тех, кому это удалось, стали в ряд наиболее знаменитых персонажей биологии развития, так как каждый из них содержал заготовку не для одного, а для двух тритонов. У них были зачатки двух голов, двух хвостов, двух нервных трубок, двух наборов мышц, двух спинных струн и двух кишечников. Хильда Прешельдт создала сросшихся близнецов тритонов, ориентированных живот к животу.
Это было невероятно, но истинная красота эксперимента состояла в том, что Прешельдт использовала в качестве донора и хозяина тритонов двух различных видов. Обычный тритон, сыгравший роль донора, отличался темнопигментированными клетками, в то время как большой гребенчатый тритон, выполнявший функцию хозяина, их не имел. Стало ясно, что дополнительные органы принадлежали эмбриону хозяина, а не донора. Это означало, что трансплантированный участок губы бластопора не сделался добавочным тритоном, а скорее индуцировал его из недифференцированных клеток хозяина. Этот крошечный кусочек ткани, по-видимому, обладал могущественными инструкциями по созданию совершенно новой особи, почти законченной во всех ее частях. Шпеман, без всякой склонности к преувеличению, назвал дальний конец губы бластопора тритона "организатором". Под этим наименованием он до сих пор фигурирует в науке.[25]
В течение семидесяти лет специалисты по биологии развития тщетно искали источник могущества организатора, или организационного центра. Они приблизительно знали, что ищут: молекулу, секретируемую одной клеткой, которая сообщает другой клетке, что делать, кем стать и куда направиться.
Довольно скоро выяснилось, что сила организатора заключена в небольшом участке мезодермы, расположенном прямо под губой бластопора. Идея была проста: клетки, мигрирующие через бластопор внутрь эмбриона, наивны и несведущи, но их потенциал безграничен. Шпеман по этому поводу произнес следующий афоризм: "Мы стоим и ходим с помощью таких частей нашего тела, которые вполне могли использоваться для мыслительного процесса, если бы развивались в другой части эмбриона". Мезодермальные клетки края бластопора были источником сигнала, который проникал внутрь эмбриона, или, если пользоваться вскорости изобретенным термином, – морфогена. Этот сигнал сохранял всю свою силу возле его источника, но по мере удаления от него становился все слабее и слабее. Говоря вкратце, в концентрации морфогена существовал трехмерный пространственный градиент. Клетки воспринимали его и в точности знали, где и какими им следует быть. Если стимул был сильным, эктодермальные клетки образовывали спинной мозг, который проходит по всей длине нашего позвоночника. Если же он был слабым, они становились кожей, покрывающей наше тело. Та же логика применима и к другим зародышевым листкам. При сильном сигнале организатора мезодерма превращалась в мышцы, при слабом – в почки, при еще более слабом – в соединительную ткань и клетки крови. В обязанности организационного центра входило моделирование расположенных под ним клеток.[26]
