Если повезет, бластоциста прирастает к стенке материнской матки. Если она прирастает не внутри полости матки, а в каком-нибудь неправильном месте (такое явление называют внематочной беременностью), последствия могут оказаться плачевными. Около 96 % случаев внематочной беременности приходится на прирастание эмбриона к стенкам маточных труб (они же фаллопиевы трубы) недалеко от того места, где произошло оплодотворение. Это может происходить от того, что слизистые выделения перекрывают выход из фаллопиевой трубы в матку, из-за чего бластоциста и прирастает к стенке трубы. Если внематочную беременность не диагностировать вовремя, она может привести к разрывам тканей и внутренним кровотечениям. В очень редких случаях бластоциста может даже выходить из маточной трубы в брюшную полость, то есть в пространство между кишечником и стенкой живота. В еще более редких случаях такие бластоцисты прирастают к выстилающим брюшную полость покровам матки или даже к покровам прямой кишки матери. Более того, такой зародыш может даже полностью развиться! В некоторых случаях возможно рождение таких младенцев с помощью разреза брюшной стенки, но в целом внематочная беременность очень опасна, потому что в 90 раз по сравнению с нормальной, внутриматочной, беременностью увеличивает для матери риск смерти от кровотечения.
В любом случае выглядим мы на этом этапе развития более чем невзрачно. Где-то в начале второй недели после оплодотворения бластоциста уже имплантирована, то есть приросла к стенке матки. Одна ее сторона при этом остается свободной, а другая прикрепляется к стенке матки. Представьте себе воздушный шарик, прижатый к стене. В месте соприкосновения шарика со стеной его оболочка образует плоский диск. Именно из такого диска и будет развиваться человеческий эмбрион. Наше тело полностью формируется на основе одной лишь верхней части бластоцисты — той, что прижата к стенке матки. Остальная часть бластоцисты, расположенная под диском, покрывает собой запас желтка. На этом этапе развития мы похожи на тарелку фрисби — простой двухслойный диск.
Каким образом из этой округлой тарелки возникают зародышевые листки Карла Бэра? И как из них развивается что-то похожее на человеческий организм? Вначале клетки делятся и перемещаются, в результате чего ткань эмбриона образует складки. Перемещение тканей и образование этих складок в конечном итоге приводит к тому, что мы становимся похожи на трубку со складчатым утолщением на головном конце и еще одним таким утолщением на хвостовом конце. Если бы мы разрезали эмбрион на этом этапе, мы бы увидели не одну трубку, а две: вторая расположена внутри первой. Из наружной трубки впоследствии сформируется стенка нашего тела, а из внутренней — пищеварительный тракт. Эти две трубки разделены небольшим промежутком — на его месте впоследствии разовьется полость тела. Эта принципиальная схема строения — одна трубка внутри другой — останется с нами на всю жизнь. Внутренняя трубка будет постепенно усложняться: на ней возникнет большое утолщение (желудок), а идущий за ним кишечник удлинится и причудливо изогнется. Внешняя трубка тоже изменится: из нее образуется кожа, на которой вырастут волосы, а форма поверхности в ходе развития конечностей и других частей тела станет намного более сложной. Но в своей основе этот план строения сохранится. Наши тела, может быть, и устроены сложнее, чем были в первые три недели после зачатия, но по сути по-прежнему представляют собой две трубки, одна внутри другой, и все без исключения наши органы развились из трех слоев ткани, обособившихся в течение второй недели после оплодотворения.
Названия этих трех важнейших слоев (зародышевых листков) соответствуют их положению: наружный слой называют эктодермой, внутренний — энтодермой, а средний, расположенный между ними, — мезодермой. Из эктодермы образуются наши покровы (то есть кожа) и нервная система. Из энтодермы (внутреннего слоя) развиваются органы пищеварительного тракта и связанные с ним железы.
Начальные стадии нашего развития — первые три недели после зачатия. Из одной клетки наш организм превращается в сферу из клеток а затем в две трубки, одна внутри другой.
Средний слой (мезодерма) формирует многочисленные ткани, расположенные между пищеварительным трактом и кожей, в том числе скелет и мускулатуру. Не только у человека, но и у лосося, курицы, лягушки, мыши все органы развиваются из эктодермы, энтодермы и мезодермы.
Изучая эмбрионы, Бэр открыл фундаментальное свойство живых существ. Для этого он выделил у развивающихся эмбрионов два типа признаков: общие для разных видов и изменчивые в зависимости от вида. Такие признаки, как устройство в виде двух трубок, одна внутри другой, являются общими для всех позвоночных животных: рыб, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих. Эти общие признаки проявляются в ходе развития довольно рано. В свою очередь те признаки, по которым мы отличаемся друг от друга, например увеличенный мозг человека, панцирь черепахи, перья птиц, появляются в ходе развития несколько позже.
Бэр подходил к изучению эмбрионов совсем иначе, чем работавший через несколько десятилетий после него Эрнст Геккель, сформулировавший так называемый биогенетический закон, согласно которому индивидуальное развитие (онтогенез) повторяет историческое развитие (филогенез). Бэр сравнивал только эмбрионы и отметил, что эмбрионы разных видов намного больше похожи друг на друга, чем взрослые особи тех же видов. Согласно же Геккелю, ход развития организма каждого вида во многом повторяет эволюционную историю этого вида. Соответственно, человеческий эмбрион проходит через стадии, напоминающие рыбу, рептилию и, наконец, млекопитающее. Геккель сравнивал человеческий эмбрион с взрослой рыбой или взрослой ящерицей. Различия между взглядами Бэра и Геккеля могут показаться незначительными, но это не так. Новые данные, полученные за последние сто лет, подтверждают правоту скорее Бэра, чем Геккеля. Когда Геккель сравнивал эмбрионы одного вида с взрослыми особями другого, он во многом сравнивал круглое с красным. Развитие большинства животных отчасти действительно повторяет ход их эволюции, но для того, чтобы выявить механизмы эволюционных преобразований, плодотворнее сравнивать эмбрионы одного вида с эмбрионами другого, а не эмбрионы одного с взрослыми особями другого. Эмбрионы разных видов отнюдь не во всем одинаковы, но между ними есть черты глубокого сходства. У эмбрионов всех позвоночных имеются жаберные дуги и хорда, и все они на определенном этапе развития оказываются устроены как две трубки, одна внутри другой.
Через четыре недели после оплодотворения мы представляем собой две трубки, одна внутри другой, и состоим из трех зародышевых листков, из которых разовьются все наши органы.
И, что особенно важно, даже эмбрионы таких разных организмов, как рыбы и люди, обладают одними и теми же тремя зародышевыми листками, открытыми Пандером и Бэром.
Результаты подобных сравнений подталкивают нас к новым фундаментальным вопросам. Как получается, что эмбрион «знает», где нужно сформировать голову, а где анус? Какие механизмы управляют развитием и позволяют клеткам и тканям эмбриона развиваться в сложное многоклеточное тело?
Чтобы ответить на эти вопросы, нам нужен совершенно новый подход. Вместо того чтобы просто сравнивать эмбрионы, как делали во времена Бэра, мы должны применить новый способ их изучения. Научные достижения второй половины XIX века подготовили почву для периода, который мы обсуждали в третьей главе, когда эмбрионы резали на части, прививали кусочки их тканей на новые места, расчленяли им конечности и воздействовали на них всевозможными химическими соединениями. Все во имя науки.
Эксперименты с эмбрионами
Вначале XX века биологи задались фундаментальными вопросами о строении и развитии организмов. Где именно в эмбрионах хранится информация о пути их развития? Содержится ли она в каждой клетке или лишь в некоторых клетках эмбриона? И в каком виде записана эта информация — может быть, в виде какого-то химического вещества?
Начиная с 1903 года немецкий эмбриолог Ханс Шпеман исследовал механизмы, позволяющие клеткам эмбриона преобразовываться в ходе развития в клетки и ткани взрослого организма. Главная поставленная им задача состояла в том, чтобы узнать, содержится ли в каждой клетке эмбриона достаточно информации, чтобы сформировать целый организм, или же часть этой информации записана в одних клетках, а часть — в других.
Работая с икринками тритона, которые легко раздобыть и которыми довольно просто манипулировать в лабораторных условиях, Шпеман придумал остроумный эксперимент. Он отрезал прядь волос у своей маленькой дочери и сделал из них миниатюрные затяжные петли. Волосы младенцев — замечательный материал: мягкие, тонкие и гибкие, они прекрасно подходят для изготовления инструмента, позволяющего поймать в затяжную петлю и разделить на две половинки крошечный шарик тритоновой икринки. Именно это Шпеман и проделывал с икринками, перетягивая их пополам вместе с заключенными в них развивающимися эмбрионами. Проведя некоторые манипуляции с ядрами клеток, он давал полученным половинкам икринок развиваться дальше и смотрел, что из этого выйдет. А выходило вот что: из обеих половинок разделенного надвое эмбриона развивалось по тритону-близнецу с совершенно нормальным строением тела. Оба близнеца были вполне жизнеспособны. Отсюда следовал очевидный вывод: из одной оплодотворенной яйцеклетки может развиться более одной особи. Примерно так и возникают однояйцевые (или монозиготные, то есть произошедшие из одной яйцеклетки) близнецы. Этими экспериментами Шпеман доказал, что у эмбриона на ранних стадиях развития некоторые клетки способны сами по себе развиться в полноценный взрослый организм.
Но это было только начало. За этим экспериментом последовали новые, которые принесли с собой новые открытия.
В двадцатых годах XX века Хильда Мангольд, аспирантка Шпемана, работавшая в его лаборатории, начала свои исследования крошечных эмбрионов. Она отличалась удивительной ловкостью рук, и эта способность позволила ей поставить ряд исключительно сложных экспериментов. На той стадии развития, с которой работала Хильда, эмбрион тритона представляет собой сферу диаметром около полутора миллиметров.
Всего лишь пересадив на один эмбрион кусочек ткани другого, Хильда Мангольд получила тритонов-близнецов.
Хильда отделяла от одного эмбриона кусочек ткани размером меньше булавочной головки и пересаживала его на развивающийся эмбрион другого вида. При этом она брала кусочки для пересадки не откуда попало, а только из области, где перемещались и образовывали складки клетки, из которых должны были образоваться зародышевые листки. У исследовательницы это выходило так ловко, что эмбрион с привитым на него кусочком другого эмбриона благополучно продолжал развиваться. Результат этого эксперимента принес приятный сюрприз. Пересаженный участок ткани привел к образованию целого нового тела, наделенного спиной, позвоночником, брюхом и даже головой.
Почему все это так важно? Хильда Мангольд открыла небольшой участок ткани, который заставлял другие клетки сформировать целое тело, обладающее нормальным планом строения. Крошечный, но необычайно важный участок ткани, ответственный за такой характер развития, назвали организатором.
За открытия, сделанные Хильдой Мангольд в ходе работы над диссертацией, была в итоге присуждена Нобелевская премия — но не ей самой. Она трагически погибла (от взрыва керосинки на кухне), когда полученные ею результаты еще даже не были опубликованы. Нобелевскую премию по медицине — «за открытие эффекта организатора в эмбриональном развитии» — получил в 1935 году ее руководитель Ханс Шпеман.
В наши дни многие ученые считают работу Хильды Мангольд самым важным экспериментом в истории эмбриологии.
Примерно в то же время, когда Хильда Мангольд проводила этот эксперимент в лаборатории Шпемана, другой немецкий эмбриолог, Вальтер Фогт, разработал остроумные методы мечения клеток или групп клеток. Эти методы позволили ему непосредственно наблюдать, что происходит с теми или иными клетками по мере развития эмбриона. Пользуясь ими, Фогт составил карты, показывающие, из какого участка эмбриона на ранних стадиях развития впоследствии формируется каждый орган. Эти карты показывали, какая судьба постигает те или иные клетки молодого эмбриона в ходе его дальнейшего развития по мере того, как проявляется заложенный в нем план строения.
Благодаря первым эмбриологам, таким как Пандер, Бэр, Шпеман и Мангольд, мы узнали, что можно проследить путь развития всех частей нашего взрослого организма из отдельных участков клеток зародыша на стадии простого трехслойного диска, а кроме того, что формирование общей схемы строения тела происходит за счет действия клеточного участка-организатора, открытого Мангольд и Шпеманом.
Разбирая и собирая эмбрионы по кусочкам, можно убедиться, что у всех млекопитающих, птиц, амфибий, рептилий и рыб есть свои участки-организаторы. Иногда можно даже заменить организатор в эмбрионе на другой, взятый из эмбриона совсем другого вида. Например, если пересадить участок-организатор, взятый из эмбриона курицы, на эмбрион тритона, из этого эмбриона разовьются тритоны-близнецы.
Но что такое этот организатор? И что такое в нем заключено, что говорит клеткам, по какому плану им строить развивающееся тело? Разумеется, это ДНК. И в этой-то ДНК мы и найдем внутренний рецепт, общий для нас и для всех остальных животных.
О мухах и людях
Карл Бэр следил за развитием эмбрионов, сравнивал один вид с другим и выявлял фундаментальные черты строения живых организмов. Мангольд и Шпеман, чтобы узнать, как из тканей эмбриона формируются ткани и органы взрослого организма, разрезали эмбрионы и пересаживали участки клеток от одного к другому. Теперь, в век ДНК, мы можем задаваться новыми вопросами — о генетической основе нашего строения. Как гены управляют развитием наших тканей и тел? Если раньше вы были склонны недооценивать мух, задумайтесь о том, что именно исследования мутаций, происходящих у этих насекомых, открыли людям путь к открытию генов, ответственных за план построения тела в человеческих эмбрионах. Мы уже обсуждали подобный подход, когда говорили об открытии генов, управляющих развитием пальцев рук и ног. Теперь посмотрим, что он может дать в исследовании генов, которые определяют весь проект нашего будущего тела.
У тела мухи тоже есть свой план строения. Оно имеет передний и задний концы, верх и низ, правый и левый бок. Усики, крылья и другие придатки растут у мухи оттуда, откуда должны расти. За исключением случаев, когда они растут совсем не оттуда! Бывают, например, такие мухи-мутанты, у которых из головы растут ноги. А бывают такие, у которых две пары крыльев и больше сегментов тела, чем должно быть. Такого рода мутанты и позволили разобраться, например, в том, почему у человека форма позвонков меняется от головы к противоположному концу тела.
Ученые исследуют аномалии у плодовых мух-дрозофил уже больше ста лет. Вскоре после начала этих исследований внимание ученых привлекли мутанты особого типа. У этих мутантов органы располагались в неправильных местах: нога росла там, где должен быть усик, или кроме нормальной пары крыльев была еще одна, лишняя, или не хватало некоторых сегментов тела. Очевидно, что-то здесь не давало телу развиться в соответствии с нормальным планом строения. Как и любые мутанты, эти мухи были обязаны своим происхождением какой-то ошибке в записанной на ДНК информации. Напомню, что гены представляют собой отрезки ДНК, длинная молекула которой называется хромосомой. Используя ряд методов, позволяющих изучать гены и их расположение на хромосомах, мы можем найти участок хромосомы, ответственный за ту или иную мутацию. Делается это в общих чертах так. Вначале мы разводим мутантов — получаем целую популяцию мух, все особи в которой обладают одной и той же генетической ошибкой. Затем, пользуясь определенными молекулярными маркерами, мы сравниваем гены особей, обладающих этой мутацией, с генами особей, у которых такой мутации нет. Этот метод позволяет определить положение участка, где произошла мутация, на той хромосоме, в состав которой входит мутантный ген. Эти эксперименты позволили выяснить, что у дрозофил есть восемь генов, повреждения которых вызывают подобные мутации. Эти гены идут друг за другом в одной из больших хромосом дрозофилы. Причем гены, мутации в которых вызывают нарушения строения головы, идут перед теми, мутации в которых вызывают нарушения в средних отделах тела, например в сегментах, несущих крылья. В самом конце этого ряда расположены гены, отвечающие за развитие заднего конца тела. Удивительное дело: оказалось, что эти гены расположены на хромосоме в том же самом порядке, в каком расположены связанные с ними структуры тела в направлении от головы к хвосту.
Теперь перед исследователями стояла задача узнать, какая конкретно последовательность элементов ДНК (нуклеотидов) отвечала за каждую мутацию. Майк Левин и Билл Макгиннис, работавшие в лаборатории Вальтера Геринга в Швейцарии, и Мэтт Скотт из лаборатории Тома Кауфмана в штате Индиана обнаружили, что в середине каждого из таких генов имеется короткая последовательность, которая оказалась почти идентичной у всех изученных видов. Эта небольшая последовательность получила название гомеобокс, а восемь генов дрозофилы, содержащих гомеобокс, назвали Hox-генами. Эту последовательность стали искать у разных других видов животных, и эти поиски принесли общий вывод, который стал настоящим сюрпризом. Оказалось, что варианты Hox-генов есть у всех многоклеточных животных.
У таких разных организмов, как мухи и мыши, организация тела вдоль оси, идущей от головы к хвосту, регулируется вариантами одних и тех же генов. Если так или иначе вмешаться в работу Hox-генов, мы определенным предсказуемым образом вмешаемся и в план строения тела. Если получить муху, у которой не работает или отсутствует один из генов средних сегментов, то средние сегменты ее тела не разовьются или окажутся деформированы. Если получить мышь, у которой отсутствует один из средних Hox-генов, то у такой мыши будет видоизменено строение среднего участка позвоночника.
Hox-гены также определяют пропорции наших тел, то есть размеры различных участков головы, грудной клетки и спины. Эти гены участвуют в развитии отдельных органов, конечностей, гениталий и пищеварительного тракта. Изменения этих генов меняют строение наших тел.