Чтобы сообща выполнять разные задачи и давать друг другу указания, клетки как раз используют химические послания. Здесь нет начальства, никто не знает наперед, что именно он будет делать и что должно получиться в результате. В конце концов ни одной клетке заранее не показывали, что конкретно ей нужно создать. Все, что клетки делают, – это шаг за шагом выполняют поэтапно получаемые инструкции. Замысловатые формы и структуры вашего организма появляются постепенно, по мере того как клетки выполняют длинные наборы простейших указаний. Это немного напоминает складывание фигурок оригами. Нужно всего лишь сгибать лист бумаги в разных местах и направлениях, следуя четкой пошаговой инструкции. В процессе не очень понятно, что же получится, пока в руках внезапно не окажется бумажный журавлик или кораблик. Подобные невероятные вещи можно встретить в природе, когда группа животных полагается на набор простых правил. Один из таких примеров – невероятные переливающиеся узоры, которые создает в небе стая скворцов. Маленькие птички стараются не подлетать слишком близко друг к другу, но двигаются при этом в одном направлении. Получающееся в результате зрелище завораживает, создается иллюзия, будто птицы заранее договорились о таком представлении.
ИНТЕРЕСНО
Создавая органы, откуда клетки знают, где право, а где лево?
«Сделайте трубку», – услышали ваши клетки, когда начали формировать ваше сердце. Когда сердечная трубка только появляется, она расположена ровно посередине вашего симметричного тела. Ваша левая сторона – идеальное отражение правой как снаружи, так и внутри. Но так будет недолго. В следующие несколько недель сердечная трубка нарушит эту симметрию. Она примет форму сплющенной буквы S, образовав петлю и сформировав четыре камеры. Если все пойдет по плану, то получившееся сердце окажется между легкими, будет сужаться книзу и выступать влево. Другие органы тоже прочно разместятся по разные стороны тела: желудок и селезенка расположатся слева, а печень устроится справа.
ИНТЕРЕСНО
Клетки не в состоянии определить, насколько рационален полученный ими сигнал, поэтому, если команду послать не в том направлении, человек родится с генетической патологией.
Но откуда ваши клетки узнают, где право, а где лево? Как оказалось, все эти микроскопические приготовления они делают задолго до появления подобной асимметрии. Когда вы выглядели как плоская тарелка, на некоторых клетках вдоль вашего будущего позвоночника выросли тоненькие волоски под названием «реснички». Эти волоски начали быстро вращаться в одну сторону, создавая поток жидкости, направленный влево. Тем самым они в буквальном смысле слова поворачивали разговор в определенное русло. Белковые послания от клеток, расположенных по центру, шли влево. Как результат, обе стороны получали немного различные команды и развивались по-разному.
У людей с редчайшей генетической патологией под названием «синдром Картагенера» внутренние органы размещены зеркально по сравнению с их обычным положением. Так, сердце бьется справа, в то время как печень трудится слева. Подобное искажение не доставляет человеку особых проблем. Он лишь часто подхватывает респираторные инфекции и испытывает трудности с зачатием. Все дело в том, что маленькие волоски на клетках работают не так, как надо. Клетки используют реснички не только для того, чтобы направлять молекулы, пока вы находитесь еще в стадии эмбриона.
Уже в сформировавшемся организме эти волосатые клетки можно найти во многих местах, например в легких, где они избавляются от проглоченной пыли и грязи – вы их потом откашливаете. А если человек лишен подобной очистной системы, ничто не мешает бактериям обосноваться, где им вздумается, что приводит в итоге к развитию инфекции.
С подобными проблемами сталкиваются еще и курильщики, так как в результате курения волоски на клетках разрушаются. У мужчин с синдромом Картагенера, помимо прочего, нарушена и репродуктивная функция: хвостики сперматозоидов, с помощью которых они передвигаются, плохо функционируют.
Клетки не в состоянии определить, насколько полученный ими сигнал рационален, полезный он или абсолютно безумный. Поэтому, если сигнал о создании сердца послать не в том направлении, клетки с правой стороны не заподозрят ничего неладного. Они, образно говоря, глухие и слепые и взаимодействуют с миром только посредством молекул. Если им говорят: «Сердце, сердце, сделай сердце», то им ничего не остается, кроме как выполнить приказ. Но как именно молекулы определяют дальнейшую судьбу клетки?
Хотите – верьте, хотите – нет, но ответ мы можем получить у простой плодовой мушки.
Глава 8Искусство создания плодовой мушки
Четвертая неделя. Пришло время сделать шаг назад и немного вами полюбоваться. У вас получилось! Только задумайтесь! Вы больше не просто какой-то диск, похожий на блюдце. Ваши клетки блуждали, росли, крутились и теперь превратились в нечто, напоминающее забавную маленькую личинку. Вы всего несколько миллиметров в длину, и вас хорошо бы поместить под микроскоп, чтобы разглядеть, что же вы собой представляете, но у вас уже отчетливо различимы верхняя и нижняя части, а внутри формируются новые органы. Еще у вас есть пульсирующая красная сердечная трубка и расширяющаяся в вашей голове нервная трубка, а также трубка кишечника, проходящая сквозь ваше мохнатое прозрачное тело.
На все это у вас ушло всего три недели – всего ничего, а уже такие перемены. Но, с другой стороны, плодовая мушка, например, умудряется стать полностью сформировавшейся личинкой менее чем за сутки: нет смысла тянуть, когда жить тебе предстоит какие-то несколько недель. Вылупившись из яйца, эта блестящая белая личинка выползает наружу, чтобы есть и расти. Пять дней спустя ее вес увеличивается более чем в тысячу раз. Теперь личинка может спокойно превратиться в куколку, где ее клетки добавят необходимые штрихи к портрету, и… шедевр готов! Появляются глаза, усики, крылья и ножки, а дней через девять вылетает готовая плодовая мушка. Ровно столько времени у вас ушло на то, чтобы зарыться в матку вашей матери.
Для биологов плодовая мушка – нечто большее, чем надоедливый кухонный вредитель. Вот уже больше века эти насекомые помогают ученым проводить генетические исследования. Сложно придумать более подходящее подопытное существо: они маленькие, нетребовательные, живут недолго и быстро растут. Но подождите. Что же мы можем узнать, изучая эти крошечные создания? Плодовые мушки совершенно на нас не похожи. Тем не менее перед этой крошечной личинкой стоит такая же непростая задача, что и перед человеком: ей нужно создать полноценный организм, в котором все будет на своих местах. Причем, чтобы этого добиться, нам обоим необходимо проделать один и тот же трюк: разделить свое тело на сегменты.
На четвертой неделе после зачатия ваши сегменты впервые становится видно. С двух сторон спины, рядом с головой появляются два небольших бугорка, именуемых сомитами. Приблизительно час спустя появляется еще одна пара, а затем еще одна, и так далее, пока пар не станет 44 и они не будут простираться вдоль всей вашей спины. В результате на вашем позвоночнике появятся всевозможные странные штуковины – у вас сформируются плечи, ребра и таз, но предшествует всему этому повторяющаяся структура. Ваш позвоночник делится на маленькие позвонки, все одинаковой формы. Впоследствии они изменятся, подстраиваясь под свое расположение: верхние станут узкими, чтобы вы могли кивать или качать головой, нижние же, напротив, расширятся и сделаются более крепкими. Мышцы живота у нас также поделены на сегменты, что хорошо заметно на натренированном теле.
У плодовой мушки в личиночной стадии подобные сегменты тоже хорошо различимы: вдоль всего тельца можно разглядеть небольшие канавки. Позже, когда личинка превратится в мушку, у нее вырастут разные части тела в зависимости от расположения каждого сегмента. Из первого сегмента сформируется голова с глазами и усиками, а последние станут брюшком. Обычно маленькая мушка вылетает из кокона с правильно расположенными крыльями и усиками. Но иногда все идет не совсем по плану. Некоторые плодовые мушки появляются на свет с крупными волосатыми лапками, торчащими из головы вместо тоненьких усиков. У других же вырастают лишние пары крыльев либо лапки появляются в районе рта. «Что за чертовщина? – скажете вы. – Что случилось с этими крошечными созданиями?»
В 1970-х ученые почти приблизились к разгадке. Генетик Эдвард Льюис вместе с коллегами из Калифорнийского технологического института изучил гены мушек-мутантов и обнаружил, что каждая такая трансформация была вызвана повреждением одного из генов. Ученые быстро отследили все восемь генов: они все были расположены в третьей хромосоме мушки. Как это ни странно, гены в цепочке ДНК были расположены в том же порядке, что и контролируемые ими части тела. С одного конца цепочки ДНК были гены, отвечавшие за голову, а с другой – влиявшие на формирование брюшка. Гены, расположенные между ними, соответственно, отвечали за туловище мушки.
ИНТЕРЕСНО
Некоторые особи плодовой мушки появляются на свет с генетическими патологиями: лишней парой крыльев, лапками в районе рта. Причина – повреждение одного из генов.
Эти гены получили название «Hox-гены». Если их изменить, то некоторые части тела мушки окажутся не на своих местах. Возьмем, например, ген Ultrabithorax, чья задача, наряду с остальными Hox-генами, заключается в том, чтобы сообщать клеткам, что они расположены в последнем из трех сегментов туловища мушки. Без сигнала от него эти клетки будут думать, что размещены в сегменте, находящемся дальше, и в результате станут создавать те части тела, которые относятся к этому сегменту. Послушные клетки даже догадываться не будут, что на самом деле должны формировать крошечные, в форме ложки, органы равновесия, торчащие прямо за крыльями, без которых мушка не способна летать, даже если у нее вдруг появится дополнительная пара крыльев. Таким образом, Hox-гены так или иначе следят за тем, чтобы клетки в различных сегментах вели себя по-разному. Но как именно им это удается? Чем же на самом деле занимаются эти таинственные гены?