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.
Согласно Сперри, при нормальном развитии эмбриона происходит следующее: аксон — длинный тонкий трубчатый отросток нервной клетки — выходит из спинного мозга, вынюхивая, словно собачий нос, кожу на животе. Другой аксон вырастает, нацеливаясь на кожу на спине. При ненарушенном развитии все происходит правильно: щекочешь спинку — лягушка чувствует спинку, щекочешь брюшко — брюшко. Но у лягушки Сперри некоторые нервные клетки, идущие на «запах» кожи с живота, оказались на спине, а другие, которые направлялись к коже спины, — на брюшке. Тех, кто верит в теорию «чистой доски», говорящей о том, что индивид рождается без врожденного умственного содержания, начинает жизнь с чистого листа, заполняя его по мере накопления опыта, результат эксперимента с лягушкой должен удивить. По этой теории лягушка должна была бы научиться сопоставлять ощущения с той или иной частью тела. Вместо этого, оказывается, каждая нервная клетка в спинном мозге имеет особую метку, например, нервная клетка для брюшка или нервная клетка для спинки, даже если клетка пока не пустила свой аксон к месту назначения. И клетка находит свой участок кожи, где бы он ни находился. Если бы по спине экспериментальной лягушки ползла муха, то лягушка почувствовала бы, как муха внезапно перескочила на брюшко, поползала там, а потом снова перескочила на спинку.
Эксперименты позволили Сперри сформулировать свою «хемоаффинную» гипотезу, согласно которой нервные волокна протягиваются в нужных направлениях не благодаря наличию общего плана, а в силу того, что каждый аксон ищет свой пункт конечного назначения, следуя индивидуальной химической аффинности, или химическому сродству. Здесь снова срабатывают местные условия и правила. Клетки в изобилии снабжены метками, химическими значками, которые помогают им найти партнеров. Если вернуться к аналогии оригами, то в ней и для принципа мечения найдется место. В бумажном оригами обычно обходятся без клея, но теоретически его можно применить. В эмбриологическом оригами, где телу животного необходимо скреплять клетки, эквивалент клея все же используется. Много клеев, если уж на то пошло, потому что в организме их не один, не два, и метки приходятся как нельзя более кстати. В каждой клетке, на поверхности, где клетки контактируют друг с другом, есть много скрепляющих молекул. Это клеточное склеивание играет важную роль в эмбриональном развитии всех частей тела. Однако клеточные клеи отличаются от привычных нам. Для нас клей — это клей. Им склеивают, и все. Один клей схватывается крепче, другой — быстрее, некоторые типы клея больше подходят для древесины, другие — для металлов или пластика. Но вот, пожалуй, и все, что можно сказать о наших клеях.
Молекулы клеточного клея гораздо более изощренные. Более причудливые, если можно так сказать. Если наш клей склеивает почти любые поверхности, то молекулы клеточного клея приклеятся только к строго определенным склеивающим молекулам. Один из классов таких связывающих молекул у позвоночных называется кадгеринами. Кадгерины включают больше восьмидесяти известных сегодня веществ. За небольшим исключением, из примерно восьмидесяти кадгеринов каждый свяжется только с такой же молекулой. Впрочем, оставим клей, есть аналогия лучше: детская игра, в которой каждому игроку дается метка с названием какого-либо животного, и меток этих по паре на каждого животного. Игра заключается в том, что дети носятся по комнате и издают звуки, характерные для своего животного, а задача игрока — услышать в этой какофонии напарника и извлечь его из толпы. Кадгерины действуют сходным образом. Но и здесь не предполагается наличие плана: действуют микроусловия и локальные правила.
Теперь, увидев, как зародышевые листки играют в оригами, складываясь в эмбрион, давайте заглянем внутрь клетки. Там мы столкнемся с тем же принципом самосборки — самоизгибания и самосвертывания, но в существенно меньшем масштабе — в масштабе белковой молекулы. Белки исключительно важны. Чтобы воздать должное этой важной молекуле, я начну с провокационного рассуждения. Мне нравится рассуждать о том, какой странной могла бы быть жизнь на других планетах, но одно или два свойства жизни я все же считаю универсальными. Жизнь, возникнув, развивается в рамках процессов, имеющих отношение к дарвиновскому естественному отбору генов. Она во многом основана на белках или других молекулах, которые, подобно белкам, умеют складываться во всевозможные многообразные формы. Белковые молекулы являются виртуозами «автооригами», но размерный класс их мира гораздо меньше, чем в мире эмбриональных тканей, где мы уже побывали. На показательных выступлениях по использованию локальных условий белковые молекулы стали бы безоговорочными победителями.
Белки представляют собой цепочки мелких молекул, которые называются аминокислотами. Эти цепочки, как и слои зародышевых клеток, имеют свойство складываться строго определенным образом, но в мире меньшего масштаба. Природные белки состоят из двадцати типов аминокислот. Кстати, это свойство на других планетах может быть и другим, потому что во Вселенной больше аминокислот, но все земные белки выстроены именно из двадцати. Как у них получается «автооригами»? Аминокислотные цепочки белков, просто следуя законам химии и термодинамики, спонтанно, сами собой сворачиваются в определенные трехмерные конфигурации. Я написал было — «завязываются», но в отличие от миксин (да, позволю себе такое сравнение) белки не завязываются в узлы. Когда мы обсуждали вирусы, мы встречались с трехмерными структурами белков, получившими название третичных. Они получаются путем сложения и сворачивания аминокислотных цепочек. Каждая последовательность аминокислот диктует и строго определенную картину свертывания. Так что последовательность аминокислот в цепочке, сама по себе определяемая последовательностью «букв» в коде ДНК, навязывает и третичную структуру белку[110].
А форма третичной структуры, в свою очередь, имеет химические следствия исключительной значимости.
Движения «автооригами» (теперь это сворачивающиеся и складывающиеся белковые цепочки) определяют химические законы. Те же законы определяют углы между связывающимися атомами. Представьте себе ожерелье из неправильной формы магнитов. Оно не будет обрамлять прекрасную шею прекрасным овалом. Вместо этого магниты перепутаются, сцепляя углы с выемками и соединяя одну плоскую грань к другой. В отличие от белковой цепочки, форма магнитного «украшения» непредсказуема, потому что каждый магнит притягивается другими и может сцепиться с любым из них. Но для цепочки из белков дело обстоит иначе: спонтанно свернутая в глобулу аминокислотная последовательность ведет себя совсем не так, как ожерелье из магнитов.
Нам неизвестны все нюансы химических закономерностей, которые сдвигают вместе те или иные части аминокислотной цепи, но эти закономерности познаваемы в принципе, они в принципе выводимы из этой самой последовательности. И здесь, употребляя выражение «в принципе», я не имею в виду ничего таинственного. Невозможно угадать заранее грань игральной кости, но мы полагаем, что результат будет зависеть от силы и направления броска, а также знания некоторых дополнительных данных о сопротивлении воздуха, и так далее. Хорошо известно (и не раз продемонстрировано), что определенная последовательность аминокислот сворачивается всегда одинаково или несколькими альтернативными способами. Для эволюции важно то, что последовательность аминокислот определяется согласно правилам генетического кода последовательностью букв (триплетов нуклеотидов) того или иного гена. И хотя химикам не так-то просто предсказать, как отразится мутация в гене на форме белка, следует понимать, что это принципиально возможно. Любая конкретная мутация изменит форму фермента совершенно определенным образом (или создаст набор нескольких альтернативных форм). А естественному отбору только это и нужно. Ему нет нужды знать, каким образом эта форма получена. И если она отразится на выживании, ген с данной мутацией либо выиграет, либо проиграет в конкуренции за доминирование в генофонде. И какое дело, понимаем мы или нет, как именно сворачивается данный белок?
