Вантовый мост, самый новый из трех, держится за счет стальных тросов, вант, которые закреплены на пилонах на разных берегах. В данном случае сначала были установлены пилоны, затем намечены опорные точки для крепления тросов, а затем постепенно натягивались держащие мост ванты.
В каждом из этих случаев стратегия строительства моста определялась характером материалов. Ни один из них нельзя было бы построить, используя стратегию, предназначенную для моста другого типа. Так же и в биологии: стратегия конструирования зависит от природы участвующих в нем компонентов. Таким образом, настало время представить вам три ключевых биологических компонента, которые будут много раз упомянуты в этой книге, – это белки, матричная РНК (мРНК) и ДНК.
Белки – основные строительные материалы в биологии. Из них создана большая часть физических структур, которые придают форму клеткам, они образуют каналы и насосы, регулирующие циркуляцию веществ в клетках. Кроме того, белки – катализаторы. Они запускают и контролируют биохимические реакции и метаболические пути, продуктами которых являются другие составляющие организма, например ДНК, жиры и углеводы. Относительную важность белков можно проиллюстрировать, например, таким фактом: эритроциты (красные кровяные тельца) в процессе созревания теряют ядра, в которых содержатся все их гены, но после этого живут еще около ста двадцати дней. Клетка, в которой сохранились гены, но нарушилась функция белков, погибнет в течение нескольких секунд.
Белок состоит из длинной цепи отдельных блоков – аминокислот. Известно около двадцати типов аминокислот, отличающихся по строению и химическим свойствам. Они взаимодействуют друг с другом, и это означает, что цепочки аминокислот могут закручиваться в замысловатые формы – самопроизвольно или под действием других белков. Этот процесс закручивания настолько сложен, что невозможно, зная одну лишь последовательность аминокислот, предсказать, какой именно белок получится в результате. (Компьютерные программы для прогнозирования формы белка существуют, но в них используется сочетание расчетов и вероятностных рассуждений, основанных на уже известной структуре белков и аминокислотных последовательностей, выявленных экспериментально с помощью рентгеновской кристаллографии. Таким образом, эти программы похожи на компьютерные программы, которые используют синоптики; впрочем, надо отметить, что предсказание структуры белков все же точнее прогноза погоды.)
Разные белки состоят из разных последовательностей аминокислот. Они одна за другой присоединяются к растущей цепи белка в порядке, который устанавливается молекулой, называемой матричной РНК (сокращенно мРНК) (рис. 1). Молекула мРНК тоже представляет собой одинарную цепочку отдельных блоков – азотистых оснований: аденина (A), цитозина (C), гуанина (G) и урацила (U). По своей структуре они сходны и по сравнению с аминокислотами не так интересны в плане химических свойств: молекулы мРНК не играют большой роли в клетке помимо регуляции последовательности аминокислот в формирующемся белке. Эта последовательность определяется последовательностью оснований в мРНК. Каждой аминокислоте соответствует свой код из трех азотистых оснований.
Рис. 1. Трансляция белка на рибосоме. Аминокислоты связываются в растущую белковую цепь согласно последовательности оснований мРНК
Последовательность оснований в молекулах мРНК определяется последовательностью оснований в ДНК. ДНК – очень длинная молекула, состоящая из комбинаций четырех азотистых оснований: аденина, цитозина, гуанина и тимина (T), которые могут располагаться в разной последовательности. Отдельные молекулы ДНК, образующие большую часть сорока шести хромосом в каждой клетке нашего тела, содержат миллионы азотистых оснований. Отдельные участки этой цепи представляют собой гены. Когда считывается генетическая информация, молекула РНК кодирует последовательность оснований ДНК (A, C, G, T) на языке своих оснований (A, C, G, U). Таким образом, РНК по сути дела является копией (транскриптом) гена в другой среде. Фактическое считывание генов производится целыми комплексами белков. Сначала они связываются с различными короткими последовательностями оснований в начале гена, АТААТ или TCACGCTGA. Разные гены имеют разные комбинации таких коротких последовательностей, маркирующих их начало, а каждая последовательность связывается с конкретным белком. Таким образом, разные сочетания белков участвуют в активации процесса считывания различных генов.
То, что разные гены активируются разными ДНК-связывающими белками, очень важно, потому что разные клетки организма должны синтезировать разные типы белков. Например, клетки кишечника производят белки, которые позволяют переваривать пищу, клетки яичников синтезируют белки для половых гормонов, а лейкоциты вырабатывают белки для борьбы с микробами. Все эти клетки содержат все гены генома, даже те, которые им никогда не понадобятся. Однако считываются только гены, необходимые конкретным клеткам, и происходит это за счет присутствия «эксклюзивных» ДНК-связывающих белков.
Теперь нам волей-неволей придется отказаться от мысли, что какой бы то ни было из этих компонентов может отвечать за развитие клетки – или эмбриона – в целом. Повторю: белки образуются только потому, что их образование диктуют (посредством мРНК) активные гены. В свою очередь, эти гены активны только потому, что их активировали уже существующие белки. Таким образом, получается замкнутый круг: контроль не сосредоточен ни в одной конкретной точке, потому что он осуществляется повсюду (рис. 2).
Рис. 2. Циклическая природа биологической логики. Белки определяют гены, которые нужно считывать, а эти гены управляют образованием новых белков. Некоторые из новых белков определяют гены, которые нужно считывать… И так далее
Цикл, схема которого изображена на рис. 2, наводит на одну интересную мысль. Для того чтобы клетка сохраняла стабильность, среди активных генов должны быть такие гены, которые определяли бы, какие белки будут связываться с последовательностями, маркирующими эти самые гены. При этом, однако, набор активных генов не должен включать какие бы то ни было белки, активирующие неактивные в настоящий момент гены. Если не будут выполнены эти условия, белки, созданные набором активных генов, не смогут поддерживать активность того же самого набора генов – некоторые из них «выключатся», другие «включатся», а в результате будет сделан совсем другой набор белков, и так далее. Эти изменения продолжатся до тех пор, пока не будет достигнуто стабильное состояние. Именно эта закономерность лежит в основе того, как клетки нашего организма преобразуются в процессе развития в клетки новых типов. Такое изменение, как правило, происходит под воздействием внешних сигналов, которые меняют способность конкретных белков активировать гены: они нарушают стабильность и вызывают переход к новому состоянию. Мы будет постоянно сталкиваться с примерами таких сигналов в последующих главах книги.
«Циклический» контроль, распределенный по всей системе, отнюдь не единственная странная особенность биологического конструирования. Есть и другая особенность, которая кажется просто фантастической, если рассматривать ее с позиции традиционной инженерии. Ее суть в том, что биологические молекулы могут самопроизвольно объединяться в структуры большего пространственного масштаба. Кирпичи и болты на это точно не способны! Этот процесс, который имеет принципиальное значение для жизни, немного напоминает рост кристаллов. Обычные кристаллы, как в наборах юного химика, образуются, потому что составляющие их молекулы могут связываться друг с другом, как правило, благодаря локальным электрическим зарядам. В белках тоже есть локальные электрические заряды, часто расположенные в труднодоступных участках внутри белка или на его выпуклых частях. Распределение зарядов и форма белка продиктованы последовательностью аминокислот. Иногда молекула белка вогнутая спереди и выпуклая сзади, так что выпуклость одного белка совпадает с вогнутой частью другого, как детали конструктора Lego. В этом случае молекулы белка могут выстроиться «голова к хвосту» в тонкую структуру сколь угодно большой длины (рис. 3). Чаще, однако, белок может распознавать участки связывания не только в других белках или каких-либо других молекулах, но и в собственной структуре. Это означает, что он не может создавать бесконечные нити с идентичными молекулами, как это происходит в кристаллах, а связывается только с определенным количеством белков, образуя многокомпонентные комплексы особой структуры. Эти комплексы играют важную роль в клетках, потому что действуют подобно крошечным машинам, которые могут осуществлять сложные химические реакции или даже организовывать сборку структур, которые слишком крупны и сложны для самопроизвольной организации. Примером могут служить упоминавшиеся выше белковые комплексы для считывания генов.
Рис. 3. Определенные участки белков (например, выпуклости, вогнутости и участки, несущие электрический заряд) часто могут прочно связываться с комплементарными участками собственной цепи или с другими белками. Когда «голова» одного белка присоединяется к «хвосту» другого, образуется длинная нить, в которой каждая молекула будет выступать в качестве звена. Когда определенный белок может связываться только с другими белками, образуются мультибелковые комплексы определенного размера и формы. К этому типу относятся белковые комплексы, транскрибирующие гены
Уровень организации белковых комплексов подводит нас к очень важному моменту. Организация белков в комплексы основана на информации, которая находится только в самих белках («информация» в данном случае синоним структуры). Это по сути своей химический процесс, и его результат всегда одинаков – он надежный, воспроизводимый, но неизменный. На более высоких уровнях организации биологические структуры более изменчивы, они приспосабливаются к тем или иным условиям. Например, форма клетки зависит от ее места в составе ткани. Ее связи с соседними клетками определяются их взаимным расположением. Такие образования не могут определяться исключительно информацией, заложенной в химической структуре их молекулярных компонентов; требуются дополнительные сведения. Итак, мы переходим от структуры, управляемой изнутри, к структуре, регулируемой в том числе и извне, возвращаемся от чистой химии к биологии. В биологических системах к химической самосборке добавляется разноуровневая регуляция, и в результате получаются системы, в которых структуры адаптируются к условиям среды. На этом этапе приобретает особую важность упомянутая выше концепция адаптивной самоорганизации. Она оказывается ключом к пониманию того, как всего несколько тысяч генов и белков, не имеющие никакого представления о строении и функциях человеческого тела в целом, могут тем не менее его построить. Какой контраст с инженерными проектами, в которых для правильной сборки компонентов обязательно нужны внешние агенты действия, будь то рабочие или роботы! В следующих главах речь пойдет о значимости адаптивной самоорганизации для развития человека на самых разных уровнях, от самоорганизации молекул в пределах клетки до образования сложных тканей.
У биологического строительства есть еще одна необычная особенность, и связана она с ограничением, лежащим в самой основе жизни: его нельзя остановить, чтобы поразмыслить, а потом начать сначала. Созданные человеком механизмы, например компьютеры и самолеты, должны функционировать только после завершения работы, а пока идет процесс сборки, от них ничего не требуется. Развитие же эмбриона сопровождается строгим условием: на всех этапах развития он должен оставаться живым. Если водопроводчик хочет поставить отводку, он перекрывает воду и устанавливает на главную трубу Т-образный патрубок. Когда работа завершена, воду можно включить снова. А если бы такой подход использовался при создании человеческого организма, например при отведении нового сосуда от аорты? Плод тут же погиб бы. То же касается и других важных систем организма. Непререкаемое требование постоянного поддержания жизнеспособности в условиях развития организма является очень серьезным условием. Это еще одна причина, по которой развитие человеческого тела может показаться таким странным и таким сложным по сравнению с привычными способами строительства.
Пытаясь понять самые ранние стадии нашего существования, мы должны быть готовы отбросить привычные представления о процессе создания вещей и посмотреть на развитие эмбриона в свете его собственных законов. Это путешествие на неизведанные территории, оно требует нового образа мысли. И никаких инженерных метафор! В конце концов, мы не создаем эмбрионы, это они создают нас.
Часть I
Первые наброски
Глава 2
От одной клетки к множеству
Я широк, я вмещаю в себе множество разных людей.
Величайшая ирония биологии в том, что человеческий организм – одна из самых сложных сущностей во Вселенной,[3] – имеет очень простое начало. Взрослый человек состоит из миллионов миллионов клеток. Их в десять раз больше, чем звезд в нашей галактике, или, если привести более земное сравнение, в десять раз больше, чем песчинок на небольшом пляже. Все это огромное количество клеток не свалено как попало, а организовано в сложные структуры, и, несмотря на многовековую историю анатомических исследований, мы все еще не знаем всех деталей их строения. Существуют сотни типов клеток, и у каждого своя функция и свой образ жизни, при этом клетки каждого конкретного типа появляются и обновляются в нужном количестве и в нужном месте. Вся эта сложнейшая конструкция развивается из одной оплодотворенной яйцеклетки. И скромной клетки, внешне лишенной каких-либо особых признаков. И уже с самого начала постепенное усложнение человеческого организма протекает в режиме самоорганизации: ему приходится действовать самостоятельно, без какой-либо посторонней помощи.
Первый шаг к усложнению – переход от одной клетки к множеству. Это обусловлено необходимостью одновременного протекания большого количества различных процессов. Например, сейчас вы дышите, перевариваете пищу и выводите из организма вредные вещества; ваши волосы растут, кожа обновляется, кровь фильтруется, иммунная система борется с болезнетворными бактериями, температура тела регулируется; вы слушаете, читаете и думаете, а теперь, когда вы дочитали это предложение до конца, возможно, также прислушиваетесь к своему организму. Эти процессы, как и многие другие, приводятся в действие с помощью особых белков и биохимических механизмов. Многие из этих процессов никак не могут протекать в одном и том же месте. Например, представим, что в одном и том же месте организма матери вырабатывается молоко для ребенка и тут же переваривается то молоко, которое она только что выпила с чаем. Есть и другие примеры процессов, несовместимых по более сложным причинам: из-за особенностей строения белков или функционирования генов.
Сложные организмы справляются с этой проблемой благодаря компартментализации – принципу разделения процессов в пространстве. Тело состоит из органов, имеющих определенные функции, органы – из специализированных тканей, а ткани – из разных типов клеток. Однако внутри клетки большая часть молекул постоянно находится в движении, из-за чего трудно достичь одновременного выполнения многих операций. Компартментализация существует и на уровне клетки. В главе 8, посвященной перемещению клеток эмбриона и изменению их взаимного расположения, мы обсудим, как разные части клетки могут выполнять несколько разные функции. Однако «многозадачность» клетки имеет свои пределы. Поэтому мы будем считать клетку базовой единицей, которая одновременно выполняет лишь одно-два дела. Именно поэтому многообразие типов клеток является необходимым шагом к созданию сложного организма.
Механизмы, за счет которых одна клетка превращается в две, а потом и во множество клеток, не только принципиально важны для эмбрионального развития, но и ярко демонстрируют возможности самоорганизации. Простые маленькие молекулы могут самоорганизовываться в крайне сложные структуры, имеющие гораздо больший пространственный масштаб, чем сами молекулы, причем без какого бы то ни было предварительного плана. Это краеугольный камень, лежащий в основе понимания развития эмбриона. Поэтому в этой главе мы подробно остановимся на механизмах деления клетки, а в дальнейшем будем принимать их как данность.
Оплодотворенная яйцеклетка, с которой начинается развитие человека, необычно велика. Она достигает десятой доли миллиметра в диаметре и видна даже невооруженным глазом. Большинство клеток организма намного меньше: примерно сотая доля миллиметра в диаметре и тысячная доля объема яйцеклетки. Это означает, что оплодотворенная яйцеклетка может превратиться в многоклеточный эмбрион просто поделившись на две, затем на четыре, на восемь и так далее, без перерывов на рост. Такой тип деления клетки – дробление – очень удобен для эмбриона, так как позволяет отложить проблему питания, обеспечивающего энергию для роста, на потом, а именно на этап, когда эмбрион уже станет многоклеточным и сможет выделить для переработки пищи специализированные части тела.