Внутренняя актиния

Одно дело – сравнивать наши тела с телами лягушек и рыб. Между нами есть немало черт вполне заметного сходства: у нас у всех есть позвоночник, конечности, голова и так далее. Но что если сравнить нас с кем‑нибудь совершенно на нас не похожим, например с медузами и их родственниками?

У большинства животных тело имеет оси, положение которых определяется направлением передвижения или взаимным расположением рта и анального отверстия. Подумайте вот о чем: рот у нас находится на конце тела, противоположном анусу, и, как и у рыб и насекомых, обычно смотрит вперед.

Как бы нам найти себя в животных, у которых нет даже нервного тяжа? У которых нет рта или ануса? У таких существ, как медузы, кораллы и актинии, рот имеется, а вот ануса действительно нет. То же самое отверстие, которое служит им ртом, используется и для выброса непереваренных остатков пищи. Для медуз и их родственников такая конструкция вполне удобна. Но у биологов, сравнивающих строение этих организмов с устройством каких‑либо других существ, оно вызывает изрядное головокружение.

Многие мои коллеги, в том числе Марк Мартиндейл и Джон Финнерти, работали над этой проблемой, изучая развитие представителей данной группы животных. Очень много полезных сведений им позволили получить актинии – близкие родственники медуз, живущие на морском дне и обладающие очень простым строением тела. Форма тела актинии весьма необычна, и на первый взгляд может показаться, что сравнивать их строение с нашим совершенно бесполезно. Внешне тело актинии напоминает ствол дерева, стоящий на утолщенном пеньке и увенчанный вверху кольцом из щупальцев. Эта странная форма тела делает актиний особенно интересным объектом для исследований: можно считать, что у них есть верх и низ или перед и зад, но в любом случае имеется лишь единственная ось симметрии. Проведем линию от ротового отверстия этого животного к основанию его тела. Биологи дали такой оси специальное название – орально‑аборальная ось. Но название можно дать и чему‑нибудь воображаемому. Если же эта ось биологически реальна, ее развитие должно чем‑то напоминать развитие одной из трех осей нашего тела.

Мартиндейл и его коллеги выяснили, что у актиний действительно имеются примитивные варианты наших генов, определяющих план строения, а именно тех, что управляют формированием оси, соединяющей рот и анус. И, что еще важнее, эти гены работают у актиний вдоль орально‑аборальной оси, что в свою очередь означает, что орально‑аборальная ось этих примитивных существ генетически эквивалентна оси нашего тела, соединяющей рот и анус.

С одной осью удалось разобраться, но как насчет еще одной? Есть ли у актиний что‑то соответствующее нашей спинно‑брюшной оси? В строении их тела, похоже, нет ничего похожего на спину и брюхо. Несмотря на это, Мартиндейл и его коллеги смело взялись за поиски у актиний генов, определяющих расположение структур тела вдоль спинно‑брюшной оси. Исследователям было известно, как выглядят эти гены у нас, и этот образ был использован для выявления таких генов у актиний. И в итоге им удалось найти у актиний даже не один, а много разных генов спинно‑брюшной оси. Но хотя эти гены и работали в развивающемся организме вдоль подобной оси, сама эта ось, похоже, никак не проявлялась в чертах строения тела взрослой актинии.

Если судить по одному лишь внешнему облику актинии, эта скрытая ось не выражена совсем никак. Но если разрезать тело актинии поперек, мы увидим еще одну скрытую черту – еще одну ось симметрии. Эту ось называют директивной, или направляющей. Она, как ни странно, разделяет тело как бы на две половинки – почти что правый и левый бок.

У медуз и их родственников (например, актиний), как и у нас, имеются передний и задний концы тела. Такой план строения определяется у них вариантами тех же генов, что играют аналогичную роль и в человеческом теле.

Эта неявная ось была известна анатомам с двадцатых годов, но оставалась своего рода научной диковинкой. Мартиндейл, Финнерти и их коллеги смогли разобраться в этом загадочном явлении.

Все животные и похожи друг на друга, и отличаются друг от друга. Подобно тому как рецепт пирога передается из поколения в поколение, на каждом этапе изменяясь и совершенствуясь, так же и рецепт построения наших тел передавался из поколения в поколение – и изменялся в течение многих миллионов лет. Может быть, мы и не похожи на актиний и медуз, но рецепт, по которому формируется наше тело, представляет собой лишь более замысловатую версию того рецепта, по которому формируются их тела.

Убедительные свидетельства существования общего для всех животных генетического рецепта развития можно получить, используя вместо генов одних организмов гены других. Что произойдет, если мы заменим один из генов «бодибилдинга» (то есть построения тела) существа, тело которого организовано примерно так же сложно, как наше, на соответствующий ген актинии? Вспомним ген Noggin , который у лягушек, мышей и людей включается в местах, где образуются структуры спины. Введем дополнительную порцию продукта этого гена в икринку лягушки, и у этой лягушки сформируются дополнительные спинные структуры, иногда даже дополнительная голова. В эмбрионах актиний разновидность гена Noggin тоже включается на определенном этапе развития в клетках одного из концов директивной оси. Проведем принципиально важный эксперимент: возьмем продукт гена Noggin актинии и введем его в эмбрион лягушки. Результат? Лягушка с дополнительными спинными структурами, примерно такая же, как в опыте с введением в эмбрион лягушки продукта собственного гена Noggin.

Однако теперь, углубляясь в прошлое, мы подошли к еще одной, на первый взгляд трудноразрешимой, загадке. Все организмы, о которых шла речь в этой главе, обладают многоклеточным телом. Как нам сравнить самих себя с существами, вовсе лишенными тела, – одноклеточными микробами?

Глава 7. Приключения с бодибилдингом ^{7}

С тех пор как я поступил в магистратуру, значительную часть времени, не занятого поисками ископаемых, я провел за микроскопом, изучая клетки, совместная работа которых обеспечивает образование костей.

Я брал развивающуюся конечность саламандры или лягушки и окрашивал ее клетки пигментами, которые делают формирующиеся хрящи синими, а кости – красными. Затем с помощью глицерина я мог сделать остальные ткани прозрачными и бесцветными. Это были очень красивые препараты: прозрачная конечность эмбриона и кости внутри нее, сияющие цветами пигментов. Казалось, что я изучаю животных, сделанных из стекла.

В эти долгие часы, проведенные за микроскопом, я в буквальном смысле наблюдал построение тела животного. На самых ранних стадиях у эмбрионов были крошечные зачатки конечностей, внутри которых клетки разделялись равномерными промежутками. Затем, на следующих стадиях, клетки внутри зачатка конечности начинали собираться в комки. На более поздних стадиях клетки уже принимали различную форму, и внутри зачатка конечности начинали формироваться кости. В них превращались все клеточные комки, которые я наблюдал у эмбрионов на более ранних стадиях.

Когда видишь, как по кусочкам собирается тело животного, сложно не почувствовать благоговейный трепет. Подобно строящемуся дому, конечность постепенно составляется из маленьких элементов, соединяющихся друг с другом, формируя структуру большего размера. Но между строящимся домом и развивающимся организмом есть и существенная разница. Строительством дома руководят люди, которые четко представляют себе, куда и как должны лечь кирпичи, а развитием конечностей и тел животных никто не руководит. Информация, позволяющая формировать конечности, представляет собой не какой‑то отдельный архитектурный план – напротив, она содержится в каждой клетке. Представьте себе дом, который сам собой собирается на основе информации, содержащейся в кирпичах. А ведь именно так и собираются тела животных.

Значительная часть того, из чего делаются тела, находится внутри клеток. Там же находится и значительная часть того, что делает нас уникальными. Наше тело не похоже на тело медузы потому, что наши клетки по‑другому соединяются друг с другом, по‑другому взаимодействуют и производят разные материалы.

Прежде чем у наших тел вообще возник план строения, не говоря уже о голове, мозге или руках, должны были каким‑то образом возникнуть сами тела. Что это значит? Вот что: чтобы клетки могли образовать все ткани и органы тела, вначале они должны были научиться объединяться и сотрудничать – собираться вместе и образовывать организмы совершенно нового типа.

Чтобы понять, какой в этом смысл, давайте для начала обсудим, что собой представляет тело многоклеточного организма, а затем обратимся к трем главным вопросам: когда, как и почему. Когда возникли многоклеточные тела, как они возникли и, самое главное, почему они вообще существуют?