Идея о том, что различия в скоростях диффузии могут привести к неравномерному распределению компонентов, довольно нелогична, поскольку диффузия обычно уменьшает различия в концентрации. Однако в реакционно-диффузионном механизме Тьюринга все иначе. Система всего из двух молекул может, по крайней мере, теоретически, создать пятнистые или полосатые узоры, если они диффундируют и химически реагируют правильным образом.
Разобравшись со своим идеализированным кольцом клеток, Тьюринг возвращается к бластуле и рассматривает химические волны на сферах. «При определенных не очень строгих условиях... паттерн нарушения однородности имеет осевую симметрию». Это может «во многих случаях привести к гаструляции», в результате чего эмбрион превращается в трехслойную структуру, которую мы обсудим позже.
Тьюринг показал, что для создания природных закономерностей не нужен никакой витализм. К сожалению, Тьюрингу не суждено было и дальше развивать свои новаторские идеи о морфогенезе: через два года после выхода статьи он умер от отравления цианидом. Теория Тьюринга предложила возможное объяснение для широкого спектра природных узоров, от зебр до морских раковин [6].
Эмбриологи десятилетиями сопротивлялись тьюринговской схеме создания паттернов: биологи сторонились математических моделей как грубых упрощений. Но не больше. В 2006 году было обнаружено, что расположение волосяных фолликулов мышей обусловлено процессами активации и ингибирования [7]. Недавние исследования предполагают, что системы Тьюринга могут быть гораздо более гибкими генераторами паттернов, чем считалось ранее; например, пальцы рук и ног формируются механизмом Тьюринга, в котором участвуют белки Nodal и Lefty [8]. Когда дело дошло до разработки цифровых технологий, эта статья Тьюринга вызвала новый интерес.
Кухонная эмбриология
В наших с Каролиной поисках ответа на вопрос, что нарушает симметрию раннего эмбриона, нам требовалось много места, чтобы рассмотреть все полученные изображения, сравнить их и наконец-то разобраться, что происходит со всеми нашими маркерами и метками, когда сперматозоид состыковывается с яйцеклеткой. Вся эта выставка меченых мышиных эмбрионов не помещалась в моем крошечном кабинете в Институте Гёрдона, поэтому мы устроили ее на деревянном полу в моих апартаментах в Сидни-Сассекс-колледже.
На выходные выставка перекочевывала в дом, купленный мною и Дэвидом Гловером. В том году Дэвид переехал из Шотландии в Кембридж, чтобы стать шестым руководителем именной кафедры генетики Артура Бальфура и быть вместе со мной. Мы поженились в следующем году, первого апреля 2000-го.
У Дэвида не было иного выбора, кроме как присоединиться к изучению фотографий меченых эмбрионов. Они были по-своему красивы, но нас притягивало не это, а заключенный в них смысл. Когда мой отец приезжал в гости, он тоже не мог оторваться от цветных эмбрионов. Быть может, у него, как и у Дэвида, не было особого выбора: как только прием пищи заканчивался, кухонный стол — единственное достаточно большое место в доме — немедленно превращался в подиум для нашей кочевой эмбриологической выставки.
На данном этапе мы решили провести еще больше контрольных экспериментов. Например, измерив расстояние между полярным тельцем и гранулой, мы убедились в его неизменности, позволяющей предположить, что ни гранула, ни полярное тельце не соскальзывают со своего места. Лишь изредка гранула действительно отсоединялась. Когда Каролина с помощью своего метода вставки аккуратно переместила две-три гранулы в разные места на поверхности оплодотворенной яйцеклетки, она обнаружила, что их относительное положение не изменилось. Это придало нам уверенность в том, что гранулы (как минимум те, с которыми поработала Каролина) «помнили» точку проникновения сперматозоида в яйцеклетку.
Мы были обеспокоены, и не важно, сколько раз Каролина повторяла эксперимент, — наблюдался один и тот же сюжет: по-видимому, сперматозоид оказывает неожиданное влияние на развитие, выходящее за рамки простого представления об отцовской ДНК. Точка проникновения сперматозоида в яйцеклетку, похоже, предсказывает будущую симметрию эмбриона. Когда эмбрион впервые дробился на две части, точка проникновения соотносилась с плоскостью, вдоль которой проходило первое деление. Сначала я со скептицизмом решила, что гранула просто «проваливается» в борозду дробления. Чтобы проверить это, Каролина ночами просиживала в лаборатории, отлавливая момент деления эмбриона.
Порой гранула лежала прямо между двумя половинами дробящейся яйцеклетки, но если она оказывалась прикрепленной к одной из двух клеток, то меченая клетка обычно делилась раньше сестринской и вносила больше клеток в ту часть, которая впоследствии превращалась в собственно эмбрион.
Годами нам твердили, что клетки двухклеточного эмбриона идентичны друг другу. И все же наши эксперименты со сперматозоидной точкой проникновения опровергали эту идею и подтверждали мои ранние эксперименты с GFP. Учитывая господствующую догму, нам требовалось больше экспериментов, чтобы полностью убедиться в реальности увиденного.
Работа велась в беспощадном темпе; для наблюдения отдельных экспериментов мы оставались в лаборатории на всю ночь, чтобы не упустить ни одну деталь и ни один момент. На фотографии, где мы с Каролиной стоим рядом в саду колледжа после целой ночи особенно сложных экспериментов, она светится от возбуждения, а я еле выдавливаю из себя улыбку, — радуясь, но все-таки отчаянно желая спать. Мы молоды, но я уже беременна моей первой дочкой Наташей (названной в честь Наташи Ростовой из романа Льва Толстого «Война и мир»).
Для продолжения исследований требовалась финансовая поддержка; деньги нужны были для самих экспериментов, для моей команды и для нового микроскопа с камерой, позволяющей снимать процесс развития, пока мы спим. Большую часть года я провела за написанием исследовательских предложений в фонд Wellcome Trust, чтобы получить стипендию для старших научных сотрудников. Во время проведения последнего этапа собеседования я была на четвертом месяце; пришлось спрятать живот под одеждой, поскольку я опасалась, что беременность снизит мои шансы. Странно, но с этой комиссией я снова встречусь через пять лет — и снова беременной, хотя в тот момент еще и не зная о том, что идет второй месяц жизни моего сына Саймона.
Первое окрашивание раннего эмбриона
С учетом неожиданности наших результатов я захотела выяснить, получится ли то же самое, если проследить судьбу клеток неинвазивным методом, то есть не помещая в клетку GFP или гранулу. Идея состояла в том, чтобы снять фильм, однако в то время еще не было технологии, благодаря которой можно зафиксировать на видео многодневное развитие эмбрионов, не беспокоя их извлечением из инкубатора.
Однажды я озвучила эту проблему в институтской столовой, сидя за чашкой кофе с моим коллегой Ником Брауном, который проделал поразительную работу, продемонстрировав то, как клеточная адгезия определяет развитие эмбрионов дрозофил. Ник предложил мне простую альтернативу. Почему бы не взять маслорастворимый краситель и не растворить его в клеточных мембранах, ведь они сами маслянистые?
Какая изящная мысль! Наполняем пипетку маслом и одним нежным касанием масло окрашивает клетку флуоресцентной краской, светящейся под ультрафиолетом. Я попросила Каролину попробовать. И все получилось.
Перед нами предстала знакомая картина: одна из клеток двухклеточного эмбриона наделяется склонностью порождать клетки, которые в будущем станут частью собственно эмбриона, в то время как остальные будут строить внеэмбриональные вспомогательные структуры [9]. Это не детерминированное правило, а склонность, которая статистически не случайна.
Неважно, окрашивали мы место проникновения сперматозоида или сами клетки, исход был один: судьба первых клеток мышиного эмбриона была не случайна, как считали долгое время. Однако понадобились годы дополнительных исследований, чтобы понять причину этого легкого уклона в развитии, который так рано начинает определять судьбу эмбриона.
