Продемонстрирую, как складывается оригами на ранних стадиях развития позвоночных. Оплодотворенная яйцеклетка делится на две. Затем из двух клеток получается четыре. Деление продолжается, но на этой стадии еще нет роста, нет разбухания. Все заканчивается сферическим шариком, состоящим из множества клеток, но размер его точно такой, как и у яйцеклетки. Этот шарик — бластула — полый. Следующая стадия — гаструляция. Льюис Уолперт остроумно высказался о ней так: «Самый важный момент в вашей жизни — не рождение, не свадьба или смерть, а гаструляция». Гаструляция подобна землетрясению в микромасштабе, оно охватывает всю поверхность бластулы и переиначивает все вокруг. Ткани эмбриона радикально перестраиваются. Обычная гаструляция предполагает впячивание полого шарика, то есть бластулы, внутрь таким образом, что он становится двухслойным с одним отверстием наружу. Внешняя стенка гаструлы называется эктодермой, внутренняя стенка — энтодермой, между этими слоями располагаются клетки, слагающиеся в мезодерму. Эти три зачаточных слоя в итоге формируют все части тела. Так, из эктодермы получаются кожа и нервная система, пищеварительную систему и другие внутренние органы формирует энтодерма, а из мезодермы образуются кости и мышцы.
Нейруляция
Следующая стадия эмбрионального «оригами» называется нейруляцией. На рисунке показаны срезы эмбриона амфибии (лягушки или саламандры), идущие сверху вниз и через центр. Черный кружок — это нотохорд, твердый стержень, действующий как предшественник позвоночника. Нотохорд служит диагностическим признаком хордовых животных, к которым принадлежим мы и другие позвоночные, хотя у нас, как и у других позвоночных, нотохорд имеется только в эмбриональном состоянии. Во время нейруляции, как и во время гаструляции, самым заметным событием является впячивание, или инвагинация. Напомню, нервная система образуется из эктодермы. Происходит это так. По всей спинной стороне часть эктодермы постепенно впячивается в направлении от переднего конца к заднему, при этом сворачиваясь в трубку и образуя соединение, наподобие застежки-«молнии»; соединенные концы оказываются между внешним слоем и нотохордом. Эта трубка в итоге превращается в спинной мозг — основной нервный ствол тела. Передний его конец раздувается и превращается в головной мозг. Из этой зачаточной трубки путем последовательного клеточного деления происходят все остальные нервы.
Инвагинация клеточного листка
Не хочу углубляться в детали гаструляции или нейруляции. Замечу только, что они удивительны и что сравнение с оригами вполне адекватно передает их суть. Мне было важно показать принципы, управляющие усложнением эмбриона путем растущего оригами. Выше показано, что происходит с клеточным слоем. Это только одно из многих событий эмбрионального развития. Легко увидеть, насколько действенной операцией может быть инвагинация. Она играет исключительную роль как во время гаструляции, так и во время нейруляции.
Гаструляция и нейруляция заканчиваются на ранних стадиях развития эмбриона и определяют его форму. Инвагинация и другие операции растущего «оригами» происходят и на этих ранних стадиях, и после, когда формируются сложные органы, например, глаза и сердце. Но все же, принимая во внимание, что все эти действия выполняются без рук, что приводит все в движение? Отчасти, как я отмечал, простое разрастание. Клетки делятся во всех тканевых листках. Следовательно, их площадь увеличивается, а так как деться растущей ткани некуда, то она собирается в складки или впячивается. Но процесс на самом деле находится под жестким контролем. Его изучением занималась группа ученых, связанная с блестящим биологом-теоретиком Джорджем Остером из Калифорнийского университета в Беркли[107].
При клеточном моделировании Остер и его коллеги следовали той же стратегии, которую мы упоминали, говоря о скворцах. Вместо того чтобы задать программу поведения бластуле, они задали программу одной ее клетке. Затем ученые в компьютере «вырастили» много клонов клеток и проверили, что получится, когда эти клетки собраны вместе. Говорить «задали поведение одной клетке» не совсем точно, лучше так: «создали математическую модель одной клетки, построенную на основе известных фактов о клетке», но все же удобнее пользоваться первоначальной простой формулировкой. Особенно важно, что внутреннее пространство клетки связано пересекающимися эластичными нитями-микрофиламентами, способными сокращаться наподобие мускульных волокон[108]. Модель Остера упрощает клетку до двухмерного изображения, удобного для представления на экране компьютера, оставляя всего полдюжины филаментов, соединяющих узловые точки геометрической формы модельной клетки. В модели всем микрофиламентам придаются определенные количественные характеристики, смысл которых хорошо понятен физикам: например, коэффициент вязкого затухания или константа упругости. В действительности неважно, что эти характеристики обозначают; все их физики обожают использовать, когда имеют дело с пружинами или другими упругими телами. В реальной клетке сокращаться способны все Субкортикальный филаменты, но для упрощения модели Остер в своей модели разрешил сокращаться только одной нити из шести. Если реалистичный результат получится даже при отбрасывании ряда известных свойств клетки, то уж при сохранении большей части свойств результат поведения усложненной модельной системы должен только улучшиться. Вместо того чтобы дать микрофиламенту возможность сокращаться как ему угодно, ученые встроили (запрограммировали) свойство, которое присуще любому мышечному волокну: в ответ на растяжение выше определенного предельного значения нить сокращается до меньшей длины, чем в равновесном (не растянутом и не сокращенном) состоянии.
Микрофиламенты внутри модельной клетки Остера
Таким образом, у нас есть сильно упрощенная модель клетки: двухмерный абрис, внутри которого протянуты шесть эластичных нитей, причем одна из нитей способна активно сокращаться в ответ на внешний сигнал растяжения. Это первая стадия процесса моделирования. На второй стадии Остер и его коллеги смоделировали клон из нескольких десятков таких клеток и организовали их в круг, как будто это двухмерная бластула (или тонкий срез бластулы). Затем они взяли и «потянули» одну клетку (запрограммировали мгновенное увеличение натяжения), чтобы спровоцировать сокращение активного микрофиламента. То, что произошло дальше, восхитительно: модельная бластула приступила к гаструляции! Посмотрите на шесть последовательных кадров, запечатлевших это событие. В обе стороны от активированной клетки распространилась волна сокращений, и клеточный шарик начал спонтанно сгибаться и впячиваться.
Дальше — больше. Остер понизил пороговое значение сокращения активного микрофиламента. В результате начавшееся впячивание продолжилось, и в конце концов выщепилась «нервная трубка». Важно понять, что данная модель — это не точная имитация нейруляции. Можно, конечно, отбросить то обстоятельство, что модель работает с двухмерным клеточным кругом со сверхупрощенными внутренними свойствами, но это все равно даже не модельная двухслойная гаструла. Это та же самая бластулоподобная отправная фигура, с которой при других параметрах начинается и гаструляция. Но ведь же моделям и не полагается точно повторять реальные объекты. А наша модель должна показать, насколько просто имитировать важнейшие аспекты клеточного поведения в раннем эмбрионе. То, что даже простой двухмерный кружок из одинаковых клеток спонтанно отвечает неким реалистичным образом на внешний стимул, служит важным доказательством того, что эволюция различных эмбриональных процессов на ранних стадиях вовсе не требует каких-то сложных решений. И нужно помнить, что мы имеем дело с простой моделью, а не с простым явлением. Подобного соотношения следует ожидать от любой хорошей модели.
Гаструляция модельной бластулы Остера
Формирование нервной трубки в модели Остера
Я рассказал о моделях Остера, чтобы продемонстрировать принцип, лежащий в основе взаимодействия клеток друг с другом, — взаимодействия, в результате которого они организуются в оформленное тело. Этот базовый принцип справляется с работой без всяких чертежей, представляющих идею готовой конструкции. Простейшие операции построения раннего эмбриона уже были названы: оригамиподобное складывание, инвагинация и выщепление как в модельной бластуле Остера. Более тонкие операции идут на дальнейших стадиях эмбрионального развития. Так, например, в ходе остроумнейших экспериментов было доказано, что нервные отростки, выходящие из спинного и головного мозга, доходят до места назначения, до своего органа, не следуя заранее установленному плану, а за счет химического привлечения; они подобны псу, находящему по запаху суку. Один из классических ранних экспериментов, превосходно иллюстрирующих этот механизм, провел Роджер Сперри, нобелевский лауреат-эмбриолог[109]. Сперри с коллегами взяли головастика и вырезали у него со спинки и с брюшка одинаковые по размеру квадратики кожи. А потом пришили их обратно, но поменяв местами: кусочек со спинки оказался на брюшке, а с брюшка — на спинке. Когда головастик стал лягушкой, то результат оказался весьма забавным, как это зачастую бывает в эмбриологических экспериментах. У лягушки на темной крапчатой спинке красовался квадратик кожи с брюшка, светлый, как и должно быть на брюшке, а на брюшке выделялся темный квадратик кожи со спинки. Обычно, если пощекотать лягушку кисточкой по спине, она потрет раздраженное место лапой, будто сгоняет муху. Но когда Сперри пощекотал светлый квадратик кожи на спинке своей лягушки, она потерла брюшко! А когда Сперри щекотал темный квадратик на брюшке, то лягушка сгоняла воображаемую муху со спинки.
