Катарина Вестре

280 дней до вашего рождения. Репортаж о том, что вы забыли, находясь в эпицентре событий

© Text: Katharina Vestre © Illustrations: Linnea Vestre First published by H. Aschehoug & Co., 2018 Published in agreement with Oslo Literary Agency The Russian language publication of the book was negotiated through Banke, Goumen & Smirnova Literary Agency.



© Иван Чорный, перевод на русский язык, 2018

© Алейникова А.С., иллюстрации, 2019

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2019

* * *



Предисловие

Когда мне было шесть лет, я коллекционировала мыло из гостиниц, играла с куклами Барби и носила кеды с подсветкой. Мои кинематографические пристрастия не отличались оригинальностью: в принципе мне нравилось все, где были принцессы. Но при этом моей любимой книжкой было практическое руководство для будущих родителей «Беременность и роды». Мы вместе с сестрой доставали эту книгу с полки, пролистывали рекомендации по питанию и открывали ее на 70-й странице: «Развитие плода». Как завороженные, мы рассматривали изображения крошечного создания, которое от картинки к картинке становилось все больше, и представляли себе нашего младшего братика, свернувшегося калачиком в животе у мамы. Мы видели, как из странного примитивного существа с хвостом зародыш превращается в пухлого малыша, ручки и ножки которого уже еле помещаются в животе матери. Как такое вообще возможно?

Я вернулась к этому вопросу спустя 17 лет. В то время я училась уже на последнем курсе бакалавриата биохимического направления в Университете Осло, и однажды вечером засиделась допоздна в библиотеке, читая про клеточную биологию. В конце одной из глав было несколько иллюстраций, на которых был изображен процесс формирования кисти руки. Сначала она была похожа на утиную лапку, а потом постепенно вырисовывались пальцы. В подписи к рисунку я прочитала, что эта трансформация происходит за счет массового самоубийства клеток. Получается, что много лет назад все клетки между моими пальцами словно по команде умерли – появилась рука, и поэтому я могу писать сейчас эти строки.

ИНТЕРЕСНО
Как из примитивного существа с хвостом зародыш превращается в пухлого малыша?


До меня вдруг дошло, что об этом ничего не было сказано в разделе «Развитие плода» на той 70-й странице. Те картинки, что я увидела в шесть лет, отражали лишь малую часть всей истории, и было совершенно непонятно, каким образом формируется крошечное создание под названием «человек». Что именно происходит в клетках, молекулах ДНК? Откуда рука знает, что ей нужно стать рукой, а не ногой или ухом?

В поисках ответов я принялась копаться в учебниках нашего курса и научных статьях, и вскоре погрузилась в эту тему с головой. В начале лета 2015 года я взяла с собой на каникулы в Италию три огромные книги по эмбриологии. С этого дня история поиска в моем браузере была забита всевозможными запросами о яйцеклетках и плоде. Google сделал собственные выводы и начал подсовывать мне рекламу детских кремов – боюсь подумать, каким именно образом ее алгоритмы преобразовали мои запросы о плодовых мушках, развитии половых признаков у рифтий и рыбьих почках, чтобы свести это все к детской косметике. Как бы то ни было, в результате появилась книга, которую вы держите в руках. В ней история о наших далеких родственниках, неизвестных близнецах, опасной плаценте и странных плодовых мушках. Эта книга о вас. Позвольте рассказать, как начиналась ваша жизнь.

До нашего рождения: пара слов об используемой хронологии и единицах измерения

Работая над книгой, я обнаружила, что при указании возраста плода неизбежно возникает неразбериха. Существует несколько способов отсчета, и их нередко путают между собой. Врачи и акушерки, как правило, указывают неделю беременности, которая отсчитывается с первого дня последней менструации беременной женщины, – акушерский срок. Само же зачатие обычно происходит лишь две недели спустя, так что на самом деле женщина только становится беременной, а формально считается, что она уже на третьей неделе. Таким образом, фактически возраст плода на две недели меньше акушерской даты. То есть к концу 12-й недели плоду десять недель, а к концу 14-й – 12 и так далее. Я решила указывать количество недель, прошедших после зачатия, которое соответствует фактическому возрасту плода, – гестационный срок. Когда я указываю возраст в месяцах, то имею в виду, что каждый месяц равен четырем неделям. Так что первый месяц длится с первой недели по четвертую, следующий – с пятой по восьмую и так далее. Если вы захотите узнать, о какой неделе беременности идет речь, то просто добавьте две недели.

Полный рост зародыша установить крайне сложно, так как его ноги прижаты к груди. Поэтому общепринято указывать копчико-теменной размер (КТР) – расстояние от копчика до темени. Его вы и встретите в книге. Также стоит отметить, что все указанные мной этапы развития зародыша и его размеры основаны на усредненных значениях – у каждого плода свой темп развития. Что ж, теперь можно начинать.

Глава 1

Гонка





За несколько часов до оплодотворения начинается немыслимая гонка. Сотни миллионов сперматозоидов пускаются в требующий недюжинных сил и выносливости заплыв. Каждый участник похож на крошечного головастика, плывущего против мощного течения на неизведанную территорию. Всем им предстоит преодолеть расстояние, более чем в тысячу раз превышающее их собственную длину. Правила просты: доберись до цели первым или умри.

ИНТЕРЕСНО
Вероятность наличия двух полностью идентичных мужских половых клеток фантастически мала.


Ландшафт вокруг пугающий и недружелюбный, словно дремучий лес, в котором полно непроходимых зарослей и тупиковых троп. Сперматозоид рискует быть проглоченным клетками иммунной системы или погибнуть в молочной кислоте, вырабатываемой лактобактериями влагалища. Он может заблудиться в глубоких складках стенки шейки матки. В общем, конкуренты один за другим выбывают из борьбы, и благодаря мышечным сокращениям, которые помогают проталкивать сперму вверх, вскоре сперматозоид-лидер попадает в матку. Однако до полной победы все еще далеко. Чтобы сохранить хоть какие-то шансы на первенство, сперматозоиду необходимо решить, куда двигаться дальше: направо или налево. От матки в стороны расходятся два узких канала – фаллопиевы трубы, и финишная черта находится как раз на конце одной из них. Стенки фаллопиевых труб выстланы ворсинками, которые гонят жидкость обратно в сторону матки, но сперматозоид и не думает сдаваться. Он борется с течением и продолжает упорно двигаться против него. Где-то здесь круглая яйцеклетка, спрятанная среди глубоких расщелин и высоких хребтов слизистой оболочки, готовится к встрече с выигравшим гонку.

Яйцеклетка долго ждала этого момента – еще с того времени, когда ваша мама сама была крошечным плодом. Плавающая теперь в фаллопиевой трубе, она избранная счастливица: каждый месяц начинают зреть несколько яйцеклеток, однако только одна из них доберется до фаллопиевой трубы, остальных ждет неминуемая гибель.

Перед созреванием яйцеклетки хромосомные пары ваших бабушек и дедушек разделяются. Первая хромосома от бабушки идет в одну клетку, а первая хромосома от дедушки – в другую, и так далее. Получившаяся в результате зрелая яйцеклетка несет в себе половину хромосом, готовых найти себе нового партнера. Кроме того, в процессе созревания яйцеклетка запасается питательными веществами, и в итоге становится громадной по сравнению с другими клетками человеческого организма. Ее размер составляет порядка одной десятой миллиметра, так что ее можно вполне разглядеть даже невооруженным глазом.

С другой стороны, сперматозоид – это одна из мельчайших клеток и полная противоположность величественной яйцеклетки. У него круглая головка и извивающийся хвостик, помогающий преодолевать уготованную ему дистанцию, а места для питательных веществ и вовсе нет: вся его головка заполнена отцовской ДНК. Каждый из миллионов сперматозоидов несет в себе неповторимый набор хромосом. Выиграй гонку другой сперматозоид – и вы бы никогда не появились на свет таким, какой вы сейчас: вероятность наличия двух полностью идентичных мужских половых клеток фантастически мала. Когда формируется сперматозоид или яйцеклетка, хромосомы ваших бабушек и дедушек расположены прямо друг напротив друга, и, прежде чем хромосомные пары раз и навсегда разделятся, они успевают обменяться небольшими участками ДНК. Таким образом, в хромосоме, которая изначально принадлежала вашей бабушке, после ее попадания в сперматозоид могут оказаться некоторые гены вашего дедушки. Количество возможных комбинаций бесконечно, так что нужно тщательно выбирать, за победу какого сперматозоида болеть.

Могу вас заверить, этот неистовый маленький головастик готов к тому, что его ожидает. Сперматозоид, может быть, слепой и глухой, однако это нисколько не мешает ему пробираться по заданному маршруту. Он ощущает, помимо прочего, малейшие изменения температуры, а так как его цель примерно на 2°С теплее окружающего пространства, он сразу чувствует, что уже приближается к ней. Кроме того, у него есть хоть и примитивное, но обоняние. Подобно клеткам в носу, на поверхности сперматозоида расположены молекулы, называемые обонятельными рецепторами. Каждый такой рецептор специализируется на распознавании определенного вещества. Когда нам в нос попадает воздух, то молекулы, создающие аромат, прикрепляются к различным обонятельным рецепторам и генерируют электрический сигнал, который затем поступает в соответствующий отдел мозга. Обонятельные рецепторы сперматозоида точно так же улавливают молекулы, которые исходят от яйцеклетки, тем самым подтверждая правильный курс.

ИНТЕРЕСНО
Сперматозоид несет в себе неповторимый набор хромосом, поэтому выиграй гонку другой – и вы бы никогда не появились на свет.


До финишной прямой добираются лишь единицы, и выделяемые женской половой клеткой особые вещества вынуждают сперматозоидов плыть как никогда быстро. Вскоре яйцеклетка оказывается полностью окружена головастиками с лихорадочно извивающимися хвостиками. Сперматозоиды начинают проникать в защищающую яйцеклетку желеобразную оболочку. При этом они используют личное химическое оружие – выпрыскивают из головок ферменты, расщепляющие вещество оболочки, благодаря чему зарываются все глубже и глубже.

ИНТЕРЕСНО
Яйцеклетке, в которую проникли сразу два сперматозоида, предписан смертный приговор.


Но до цели добирается все же только один из них – самый быстрый. Другие за ним попросту не успевают. Победитель отбрасывает хвостик и выгружает ценный груз: 23 хромосомы вашего отца. В этот же момент яйцеклетка в срочном порядке высвобождает специальные вещества, которые образуют вокруг нее жесткую непроницаемую капсулу, и через нее больше ни одному сперматозоиду не пробраться. Тут времени терять нельзя, потому что, если в яйцеклетку проникнут сразу два сперматозоида, последствия будут катастрофическими: в получившейся клетке вместо 46 окажется 69 хромосом. И хотя яйцеклетка делает все возможное, чтобы этого избежать, ей не всегда это удается. Группа ученых, занимавшаяся изучением искусственно оплодотворенных женских половых клеток, обнаружила, что 10 % из них были оплодотворены несколькими сперматозоидами. У таких яйцеклеток нет никаких шансов на нормальное развитие, и, как мы позже с вами увидим, им уже подписан смертный приговор. Но вы можете не волноваться: на этот раз победитель только один. Хромосомы ваших родителей объединились, и возникла первая клетка, с которой, собственно, начинаетесь уже вы. Гонка окончена. Настало время вашей истории.

Глава 2

Скрытая вселенная



Что же там такое творится у мамы в животике? До появления микроскопов то, что происходит в самом начале, было скрыто от нас. Невооруженным глазом практически невозможно разглядеть постепенно появляющиеся мельчайшие детали. А ведь даже слоны, возвышающиеся над землей на четыре метра, начинают свой путь с микроскопических размеров. Дело усложняется и тем, что все процессы скрыты от нас за кожей, мышцами и кровеносными сосудами. Еще Аристотель, живший более 2000 лет тому назад, хотел увидеть, как же зарождается жизнь. В поисках ответа он вскрывал оплодотворенные куриные яйца на разных стадиях развития. В трехдневном яйце ему удалось разглядеть крошечное красное сердце, бьющееся внутри желтка. Разбив скорлупу недельного яйца, он увидел маленькое создание с большими глазами. Чем позже он вскрывал яйцо, тем больше существо внутри него напоминало цыпленка. Он сразу же сделал вывод, что и у людей все должно происходить точно так же. Аристотель решил, что сперма каким-то образом подает женской крови сигнал и та начинает постепенно выращивать в животе человека.

Еще Аристотель был убежден, что живые существа появляются весьма разнообразными способами: насекомые рождаются из росы на листьях, моль заводится в шерсти, а устрицы образуются из склизкой грязи. Такие представления о зарождении жизни даже почти 2000 лет спустя все еще оставались популярными.

Химик XVII века Жан Батист ван Гельмонт придумал крайне изобретательные и забавные способы создания различных живых организмов. Скажем, захотелось вам вырастить у себя дома мышей. Рецепт прост: поместите грязную, слегка пропитанную потом рубашку в заполненную пшеничными зернами емкость, подождите 21 день, и – вуаля! – ваша пшеница превратится в настоящих живых мышей, пищащих и копошащихся.

ИНТЕРЕСНО
В XVII веке ученые были уверены, что если в емкость с зерном поместить грязную рубашку и подождать, то там вырастут мыши.


Разумеется, никто не сомневался, что рецепт ван Гельмонта работает. Более того, не он один рассказывал о поразительных случаях самопроизвольного появления на свет животных – главное, чтобы условия были подходящими. Мокрая грязь речных берегов могла волшебным образом превращаться в лягушек, мусор – в крыс, и вы только подумайте о тех белых личинках, которые появляются, казалось бы, из ниоткуда в тухлом мясе. Кстати, я прекрасно понимаю, что представить себе, как спариваются и откладывают яйца устрицы, очень сложно. Тем не менее нашлось немало и других теоретиков, которые понимали, что в подобных идеях не все сходится. Как вообще из какого-то жидкого хаоса может появиться живое существо?

К концу 1600-х годов возникла новая концепция: каждое создание, будь то лягушка или человек, появляется из миниатюрной версии самого себя. Когда бог создал первых людей во всем их совершенстве, он также создал и все их будущие поколения. Эти крошечные мини-люди гнездились внутри друг друга подобно матрешкам. Затем они просто оживали и начинали расти в животе своей мамы, пока не рождались на свет.

С появлением первых микроскопов биологи стали убеждаться, что такие миниатюрные создания действительно где-то существуют. Просто вообразите себе, какое богатство деталей было скрыто от невооруженного глаза! Казалось, можно обнаружить все что угодно – нужно только еще немного усовершенствовать микроскопы.

Одним из самых талантливых конструкторов микроскопов был голландский торговец Антони ван Левенгук. Никто не полагал, что он станет ученым, так как Левенгук не получил университетского образования, да и особым статусом и достатком не отличался. Вообще-то, он намеревался прежде всего отслеживать качество продаваемых тканей и как раз для этого использовал микроскоп. Но в один прекрасный день из чистого любопытства Левенгук поместил под линзы микроскопа каплю воды. Увиденное раз и навсегда изменило его жизнь. Прозрачная капля кишела таинственными созданиями всевозможных форм. Левенгук назвал их крошечными животными и вскоре начал изучать все, что только попадалось ему под руку: воду, которую он пил, лужи, в которые наступал. Под микроскоп попал даже налет, обнаруженный между зубами. Везде, куда бы он ни смотрел, Левенгук находил крошечных животных. Какие экзотические острова, какой космос?! Левенгук мог часами вглядываться в скрытую от глаз и практически не изученную вселенную, которая была у него прямо под носом!

Слухи о микроскопе Левенгука быстро распространялись, и однажды к нему пришел студент-медик с образцом спермы, которую он взял у больного пациента. Какое-то время Антони категорически отказывался изучать семенную жидкость. Будучи глубоко религиозным человеком, он опасался, что это сочтут непристойным. С другой стороны, в этой ситуации все делалось исключительно в медицинских целях… В общем, Левенгук все-таки решился взглянуть.

Хотя размещенный под линзами микроскопа образец и был размером с песчинку, Антони увидел в нем больше 1000 крошечных созданий. У них были круглые головки и длинные прозрачные хвостики – вылитые крошечные головастики. А вдруг они появились здесь из-за болезни? Или, может, образец слишком долго хранился?

Как ученый, Левенгук понимал, ему необходимо сравнить свои наблюдения с тем, что он увидит в образце спермы здорового человека. В 1677 году он отчитался о полученных данных в письме президенту Лондонского Королевского общества – одного из ведущих научно-исследовательских институтов в мире. Антони подробно описал обнаруженных им в образце спермы крошечных созданий, подчеркнув, что изучал его «сразу же после эякуляции». Но при этом он поспешил заверить, что образец, разумеется, не был получен каким-то грешным способом, а был предоставлен ему «естественным образом в результате супружеской деятельности» (его жене явно приходилось нелегко). И все же Левенгук настоятельно попросил президента Лондонского Королевского общества никому не показывать его письма, если тот сочтет, что его наблюдения слишком неприятные даже для ученых. Быть героем публичного скандала ему совсем не хотелось.

ИНТЕРЕСНО
Микроскоп произвел революцию в мире науки: оказалось, даже в капле воды бурлит жизнь, что уж говорить о сперме.


Левенгук был уверен, именно то, что он увидел под микроскопом, и есть самое важное для сотворения жизни. Это была не просто прозрачная пустая жидкость – в ней бурлила микроскопическая жизнь! Неужели именно здесь и находились миниатюрные люди? Чтобы увидеть их, ему явно нужен был микроскоп получше. Годами Левенгук безустанно работал, однако несмотря на постоянное совершенствование используемых линз, ему так ничего и не удалось обнаружить. Он даже предпринял попытку осторожно убрать окружающую сперматозоид оболочку с помощью микроскопической щетки, но увидеть, спрятано ли там что-то внутри, он так и не смог. В конце концов ему пришлось признать, что пора сдаться. Тем не менее Левенгук был по-прежнему уверен, что сперматозоиды таят в себе величайший секрет, просто он настолько крошечный, что его невозможно разглядеть. Ах, если бы он только знал, что там было на самом деле!

Глава 3

Рецепт человека



Первые несколько часов после оплодотворения. Гонка окончена, и самая первая клетка, из которой состоите будущий вы, спокойно плывет вниз по фаллопиевой трубе. Столько всего уже предрешено: хотя клетка эта меньше точки в конце предложения, она вмещает в себя все инструкции, необходимые, чтобы создать вас. В ней есть не только предписания по формированию органов, нужных вам для жизни, но и техническое задание для цвета ваших глаз и формы носа.

Итак, главным секретом этой клетки оказался не миниатюрный человек, а молекула, история которой начинается, как ни странно, с гнойных повязок и швейцарского химика.

В 1869 году Фридрих Мишер обращается в расположенную рядом с его лабораторией хирургическую клинику с довольно странной просьбой: «Нельзя ли попридержать для меня использованные повязки пациентов?» «Причем желательно, чтобы на них было как можно больше гноя», – уточняет он. Мишеру нужны белые кровяные тельца, а их полно как раз в светло-желтой вязкой жиже, сочащейся из ран. Они обеспечивают иммунную защиту, и большинство из них падут смертью храбрых в битве с попавшими в рану бактериями. Мишер собирает гной, отфильтровывает клетки и проводит тщательный химический анализ, чтобы определить, какие типы белков в них содержатся. И вот он замечает липкую молочно-белую субстанцию, которая после добавления кислоты отделяется от общей массы. Исследовав ее, Мишер понимает, что природа ее никак не белковая. Он называет это новое вещество нуклеином, потому что оно находится как раз в самом сердце клетки (от лат. nucleus – «ядро, центр»).

ИНТЕРЕСНО
Клетка размером меньше точки в конце этого предложения, но она вмещает в себя все инструкции, необходимые, чтобы создать вас.


Мишер замечает также, что огромное количество нуклеинов содержится в сперматозоидах, и делает вывод, что именно это вещество может играть решающую роль при зарождении жизни. В те годы наследственность была еще не изучена, и все, что было с ней связано, представлялось весьма загадочным и объяснялось действием каких-то невидимых сил, которые никто не понимал. И тот факт, что наследственный материал представляет собой особую молекулу, которую можно взвесить и измерить, был совершенно немыслимым для большинства людей. Он предположил, что информация, содержащаяся в наследственном материале, хранится в виде химического кода. Идея эта была революционной, однако еще долгое время и даже после смерти Мишера никто не догадывался, что он как никогда близко подошел к разгадке.

В последующие годы ученые пристально изучали загадочную нуклеиновую субстанцию. Впоследствии ей дали более точное название – дезоксирибонуклеиновая кислота, сокращенно – ДНК. Долгое время ДНК считалась не более чем вспомогательным материалом, который в ядре клетки удерживал все на своих местах. Потом ученые обнаружили, что гены расположены в хромосомах, однако и тогда молекула ДНК не получила должного признания. Хромосомы состоят из ДНК и белков, и ученым казалось более правдоподобным, что именно белки контролируют наследственность. С точки зрения химии белки были гораздо интереснее: они существовали в бесчисленном количестве разнообразных форм – в виде кислот и щелочей, с низкими и высокими точками кипения. А ДНК, казалось, была всегда одной и той же. И лишь в 1940-х годах в ходе экспериментов с бактериями ученые обнаружили то, что всем казалось невозможным: гены состоят из ДНК. Как же этому простейшему веществу удается создавать такое многообразие характеристик, встречающихся в природе?

Все встало на свои места только в 1953 году, когда ученые Уотсон и Крик представили мировому сообществу свою модель структуры ДНК. Молекула ДНК состоит из длинных цепочек, составленных из четырех различных оснований: аденина, тимина, цитозина и гуамина – А, Т, Ц и Г. И соединены они с сахаром и фосфатом. Две цепочки сходятся вместе, образуя винтовую лестницу, перила которой состоят из сахара и фосфата, а в роли ступеней выступают пары оснований. Объединяясь, основания подчиняются строгим правилам: основание А всегда присоединяется к основанию Т, а основание Ц – к основанию Г. Таким образом, зная, как выглядит одна сторона лестницы, мы можем в точности воссоздать ее вторую половину. Клетки вскрывают эту молекулу посередине и считывают основания буква за буквой, словно книгу. Прикрепляя соответствующие буквы с каждой стороны, клетка может создать две идентичные копии рецепта, тем самым передавая его дальше. От клетки к клетке, из поколения в поколение.





С химической точки зрения рецепт ДНК человека мало чем отличается от рецепта ДНК, скажем, дуба: они состоят из одних и тех же структурных элементов. Отличие – в порядке их размещения.

В ядре самой первой клетки вашего будущего организма, которая в данный момент плывет вниз по фаллопиевой трубе, находятся 46 хромосом. Из них 23 принадлежали вашей матери, а еще 23 – отцу. Каждая хромосома содержит длинную цепочку ДНК, плотно закрученную вокруг белков. Суммарная длина всех этих цепочек ДНК внутри одной клетки – более двух метров. В момент соединения яйцеклетки и сперматозоида рецепт ДНК завершен. Теперь пришла пора им воспользоваться.

Глава 4

Вторжение

ПЕРВАЯ НЕДЕЛЯ

День 3





Итак, с момента зачатия прошел один день, и вскоре кое-что должно произойти. Микроскопические ворсинки, расположенные на внутренней стенке фаллопиевой трубы, проталкивают крошечную круглую клетку по каналу вниз. Медленно. Осторожно. Снаружи царит полное спокойствие, однако глубоко внутри клетки уже вовсю кипит работа. Сложнейший механизм непрестанно трудится, создавая точные копии молекул ДНК. Вскоре каждая хромосома принимает Х-образную форму, образованную двумя идентичными соединенными в центре молекулами ДНК. Хромосомы рядами собираются в центре круглой клетки. В свою очередь она в это время начинает плести с обеих сторон паутину, длинные тонкие нити которой тянутся к центру, захватывая хромосомы. Затем клетка удлиняется и становится вытянутой, а эти пряди тянут получившиеся копии ДНК по одной к каждому полюсу. Если рассматривать этот процесс в микроскоп, то зрелище просто завораживает: словно кто-то устроил внутри клетки крошечный салют. Наконец, где-то сутки спустя клетка пережимается посередине и разделяется на две новые.

Так и продолжается: клетки копируются и делятся, копируются и делятся. Некоторые существа, такие как бактерии или амебы, вполне довольствуются одной-единственной клеткой (одноклеточные организмы). Они и так способны питаться, двигаться и размножаться. О большем они и не мечтают, да им и не нужно.

ИНТЕРЕСНО
Суммарная длина всех цепочек ДНК внутри одной клетки – свыше двух метров.


Мужская особь нематоды C. elegans состоит ровно из 1031 клетки. Нам это известно потому, что биологи потрудились пересчитать ее клетки – все до единой.

А что насчет нас? Мы состоим приблизительно из 37 триллионов клеток. Приблизительно, потому что их настолько много, что никому на свете не придет в голову сесть и пересчитать их одну за одной. Вместо этого ученые примерно прикинули, сколько всего клеток может быть в нашем организме, основываясь на той информации о нем, которая у нас есть. Причем даже это было не так просто сделать, так как клетки бывают всевозможных размеров, да и расстояние между ними может сильно разниться. Так что плюс-минус несколько миллиардов. Как бы то ни было, их безумно много, однако каким-то невероятным образом все эти бесчисленные клетки умудряются действовать взаимосвязанно. И если амеба свободно перемещается, куда ей вздумается, то клетки вашего организма образуют сплоченное сообщество. Но сначала им нужно увеличить их количество.





Первые несколько дней клетки делятся в некоторой спешке. Они даже не тратят времени на рост, и с каждым делением получаются клетки все меньшего и меньшего размера. Две клетки превращаются в четыре. Четыре – в восемь. Вскоре вы становитесь крошечным скоплением из 16 кругленьких и совершенно идентичных клеток, которые, если посмотреть на них в микроскоп, напоминают малину. Эта крошечная клеточная «малина» продолжает спокойно плыть по фаллопиевой трубе. Однако где-то пять дней спустя внутренние запасы питательных веществ истощаются. Несколько дней клетки довольствуются тем, что осталось от яйцеклетки, но теперь им нужен новый источник питательных веществ. Пришла пора перемен. Клетки, находящиеся снаружи, быстро берут ответственность на себя и принимаются всасывать окружающую их жидкость в центр скопления клеток. Таким образом, у клеток впервые произошло разделение труда, и впредь они больше не будут одинаковыми. «Малина» превращается в везикулу – мешочек, наполненный жидкостью, – и вскоре покидает фаллопиеву трубу и попадает в полость матки. Она продолжает плавать там какое-то время, а клетки тем временем не перестают делиться. Затем, где-то через неделю после зачатия, начинается грубое вторжение.

Внутри матки ваша мама уже подготовила толстую, похожую на губку оболочку, чтобы везикула к ней прикрепилась. Чтобы зацепиться, везикула выделяет вещество, разрушающее эту оболочку, и таким образом закапывается как можно глубже. Кровеносные сосуды при этом рвутся, клетки массово умирают. Все это зрелище напоминает сцену из какого-нибудь кровавого фильма. Ваши клетки оказываются весьма кровожадными: они жадно впиваются в слизистую оболочку матки, из которой сочится кровь. Одновременно с этим у них вырастают маленькие корни, которыми они крепятся к кровеносным сосудам матери. Так зарождается плацента, и в следующие несколько месяцев она будет непрерывно расти. Когда вы родитесь, плацента будет выглядеть как склизкий сине-красный сгусток весом примерно с полкило. Она вместе с околоплодными водами выходит из матки матери через 10–15 минут после рождения младенца, так что, пожалуй, неудивительно, что интереса она особо не вызывает – нам совсем не до нее. Пухленькие ручки, пятки и крошечные пальчики забирают все наше внимание. В прошлом в разных культурах плацента, однако, крайне ценилась. В Древнем Египте к ней относились в высшей степени осторожно и даже мумифицировали ее, а в Корее, например, плаценту новорожденных принца или принцессы помещали в роскошный кувшин и закапывали. А еще некоторые полагают, будто ее нужно есть – я обратила на это внимание, когда поисковая система Google решила, что я ищу «смузи из плаценты», и выдала мне пару рецептов. Существуют даже компании, которые за отдельную плату замораживают плаценту методом сухой заморозки и делают из нее таблетки, чтобы мама их потом принимала. Как бы то ни было, плацента заслуживает некоторого уважения и благодарности. В конце концов этот своеобразный орган безустанно работал на нас в течение девяти месяцев и без него нас бы никогда не было. Плаценту сложно назвать прекрасной, однако, думаю, мне удастся вас убедить, что она не только отпугивает, но и завораживает.

ИНТЕРЕСНО
Оплодотворение напоминает сцену из кровавого фильма: ваши клетки жадно впиваются в слизистую оболочку матки.


Крошечные клеточные корешки – это только начало. Вскоре вторгшиеся в плоть матки клетки парализуют кровеносные сосуды матери и перестроят их под свои собственные нужды. Материнская кровь заполнит пустоты в плаценте, и ваши кровеносные сосуды потянутся к ним через пуповину. Ваша кровь никогда не будет вступать в прямой контакт с кровью вашей матери, однако все необходимые вещества будут проходить через разделяющую мать и дитя тонкую стенку. Так вы будете получать от своей матери кислород и прочие нужные для развития питательные вещества, а ей обратно отсылать все продукты своей жизнедеятельности. Но это еще не все. Вы также будете обмениваться гормонами, с помощью которых вы со своей мамой сможете воздействовать на организмы друг друга. Плацента быстро начинает вырабатывать целый коктейль гормонов, которые не позволят кровеносным сосудам вашей матери сжиматься, а также будут заставлять ее есть за двоих. Более того, они позаботятся о том, чтобы ее организм должным образом подготовился к вынашиванию и грудному вскармливанию.

Одним из первых плацента начинает активно вырабатывать гормон под названием «хорионический гонадотропин человека» (ХГЧ). В обычных тестах на беременность проверяется именно его наличие в моче женщины. В наши дни такой тест можно спокойно купить в аптеке, но еще недавно все было далеко не так просто. Когда-то врачам приходилось приносить в жертву мышей, чтобы узнать ответ. Эти грызуны особым образом реагируют на гормон ХГЧ, и первые тесты на беременность заключались в том, что врач вводил в кровоток мыши мочу беременной женщины. Несколько дней спустя он препарировал мышь и смотрел, не изменились ли ее яичники. В конце 1920-х годов этот метод диагностики получил дальнейшее развитие, и несколько лет спустя на смену мышам пришли кролики. Так, в те годы появилось выражение «кролик умер», которое означало «я беременна». Участь животного, правда, была предрешена независимо от результатов теста. Более эффективные тесты на беременность, для которых не нужно было убивать животных, появились лишь в 1960-х годах.

В организме женщины есть строгая система контроля, которая не позволяет проникать внутрь всему чему попало. Везикуле (скоплению первых клеток) разрешается остаться только в случае, если она сможет «подтвердить свою личность», подав нужный сигнал. Вероятно, лишь треть из всех везикул, а то и еще меньше, проходит через этот контрольно-пропускной пункт.

ИНТЕРЕСНО
В начале ХХ века, чтобы узнать, беременна ли женщина, приходилось для этого приносить в жертву животных. Так появилось выражение «кролик умер», если подозрения подтверждались.


Многие беременности заканчиваются до того, как о них узнают. Так, например, яйцеклетка, оплодотворенная несколькими сперматозоидами, никогда не пройдет проверку. Лишние хромосомы рвут аккуратную паутину, которую плетет клетка в процессе деления. Какие-то клетки получают слишком мало хромосом, какие-то – слишком много. Даже если клетки и не находятся при смерти, им ни за что не пройти ожидающий их контроль качества – для них все кончено.

Если матка не получит соответствующей команды, она вернется к своему привычному ежемесячному циклу: слизистая оболочка будет отторгнута, и у женщины пойдут месячные. Потом будет новый цикл и новая оболочка, и так далее. Менструация – не самое приятное явление, и многим млекопитающим посчастливилось его избежать. Список менструирующих животных весьма короткий: люди, обезьяны и – только не спрашивайте меня, почему – некоторые виды летучих мышей. Но почему же именно мы? Что ж, винить во всем, пожалуй, стоит нашу скупую плаценту. У большинства млекопитающих она куда более надежная. У лошадей, коров и свиней везикула располагается рядом со слизистой оболочкой плаценты, потом обвивает кровеносные сосуды матери, не разрушая их. Благодаря этому мама гораздо лучше контролирует, что именно передается ее потомкам, а в случае необходимости отслоения плаценты риск серьезного кровотечения гораздо меньше. А для людей было просто необходимо придумать аварийный тормоз. Если бы бракованные везикулы свободно двигались дальше, то это могло обернуться для матери смертью. Так что нужно сперва вежливо спросить разрешения, прежде чем садиться ей на шею.

Тут может сложиться впечатление, будто мы все развились из довольно противных, агрессивных и жадных паразитов, вторгшихся в тела наших ни в чем не повинных мам. Позвольте мне развеять ваши неприятные догадки и рассказать об удивительном эксперименте, показавшем всю эту кухню с другой стороны.

Ученые взяли мышей с зелеными люминесцентными клетками – они создали их путем введения в оплодотворенные мышиные яйцеклетки гена медузы Aequorea victoria. Эта медуза вырабатывает зеленый флуоресцентный белок и во тьме океана напоминает светящуюся люстру. Итак, этих «зеленых» мышиных самцов спарили с обычными самками. То, что было дальше, может показаться немного жестоким, но с научными экспериментами иначе нельзя: 12 дней спустя ученые вызвали у каждой беременной мыши сердечный приступ, чтобы изучить, как поведет себя их сердце. В результате обнаружилось нечто невероятное: область вокруг сердца сияла зелеными клетками, которые явно достались самкам от растущих у них в утробе мышат. Судя по всему, стволовые клетки будущих мышат выбрались за пределы плаценты, попав в материнский кровоток. Добравшись до сердца, они превратились в клетки пульсирующей сердечной мышцы и даже помогли устранить возникшие вследствие сердечного приступа повреждения.

ИНТЕРЕСНО
Менструация – это аварийный тормоз, она не дает бракованным клеткам развиваться, что оборачивалось бы смертью для матери.


Скорее всего нечто похожее может происходить и у людей. Любопытно, что беременные женщины, перенесшие сердечный приступ, выживают чаще, чем те, кто в этот момент не вынашивал ребенка.

ИНТЕРЕСНО
У матери в анализе крови не одно десятилетие после родов остаются клетки с ДНК ее детей.


Группа испанских ученых исследовала сердца двух женщин, страдающих от тяжелой сердечной недостаточности. Они обнаружили в них клетки их сыновей, и это притом, что родили их женщины не только что, а много лет назад. Анализы крови тоже показали наличие в организме матерей клеток с ДНК их детей спустя не одно десятилетие после беременности. Ученым даже удалось обнаружить чужеродные клетки, спрятавшиеся глубоко в мозге. Может быть, в организме моей матери есть небольшая частичка меня? Одна-единственная клетка, бьющаяся вместе с ее сердцем либо болтающая с другими нервными клетками где-то в недрах ее мозга? Приятно думать, что я приносила ей хотя бы крошечную пользу, пока паразитировала у нее в животе.

Глава 5

Естественные клоны и неизвестные близнецы



Эти клетки, которые зарываются в слизистую оболочку матки, кромсая все на своем пути, никогда не будут частью вашего тела. Те клетки, которые на самом деле станут вами, называются эмбрионом, и они запрятаны внутри везикулы. Через неделю после зачатия вы уже состоите из кучки стволовых клеток, которые могут превратиться в любую часть тела: они могут стать клетками сердечной мышцы, нервными клетками, клетками печени или клетками совершенно иного типа. На этом этапе они настолько гибкие, что могут даже создать сразу несколько организмов. Если клетки разъединятся, образовав два отдельных скопления вместо одного, то они могут развиться в двух полноценных людей. Это самый частый способ появления однояйцевых близнецов, а так как процесс формирования плаценты уже начался, то близнецы будут вынуждены ее делить. Клетки, впрочем, могут разделиться и несколькими днями раньше, когда их скопление все еще напоминает микроскопическую «малину», и в этом случае к стенке матки прикрепятся две везикулы и будут созданы два эмбриона, каждый со своей собственной плацентой. Примерно одна треть всех однояйцевых близнецов развиваются именно таким образом.

Так как однояйцевые близнецы развиваются из одной и той же клетки, то их цепочки ДНК полностью совпадают, то есть они естественные клоны друг друга. Если один из близнецов станет преступником, следователи не смогут их различить посредством анализа ДНК. Однако это можно будет сделать по отпечаткам пальцев, и виновного все же удастся определить.

Дело в том, что среда, окружающая плод в матке, влияет на формирование узоров на кончиках пальцев. Близнецы лежат рядом, но в разных местах, и на их кончики пальцев воздействуют разные потоки с разным давлением. Кроме того, они могут развиваться со слегка различающейся скоростью, так как питательные вещества из плаценты распределяются неравномерно. Из-за этого между близнецами все-таки будут небольшие отличия, несмотря на то что их гены в точности совпадают.

Близнецы также могут родиться, если у мамы вдруг высвободятся две яйцеклетки вместо одной и каждая из них будет оплодотворена отдельным сперматозоидом. Такие близнецы называются разнояйцевыми, и их цепочки ДНК совпадают не более, чем у обычных братьев и сестер. Вместе с тем у них есть и свои особенности.

Судя по всему, близнецы, находясь в утробе, обмениваются между собой клетками примерно так же, как мы передаем нашим матерям клетки, пока они нас вынашивают. Так, например, у них могут оказаться сразу две группы крови, одна из которых их собственная, а вторая досталась от соседа по материнской утробе.

ИНТЕРЕСНО
Среда, окружающая плод в матке, влияет на формирование узоров на кончиках его пальцев.


Что касается меня, то, насколько мне известно, у меня нет близнеца. Однако, возможно, он был, просто нам так и не суждено было встретиться. В очень редких случаях два клеточных скопления объединяются обратно, прежде чем успеют сформироваться два отдельных организма. Если такое произойдет с разнояйцевыми близнецами, то ребенок родится с двумя наборами ДНК и будет называться химерой. Не во всех его клетках будут одни и те же цепочки ДНК, некоторые из них будут нести цепочки ДНК несостоявшегося близнеца. Как правило, заметить это невозможно, однако порой данное явление приводит к весьма абсурдным ситуациям, с одной из которых столкнулась Лидия Фэйрчайлд из Вашингтона. В 2002 году она вынашивала своего третьего ребенка и подала заявку на алименты. От нее и ее бывшего парня потребовали анализ ДНК для подтверждения, что это действительно их совместный ребенок. Как и ожидалось, анализ подтвердил, что ее бывший был отцом малыша. Казалось бы, все хорошо, но проблема была в том, что согласно результатам анализа ДНК Лидия не была матерью этого ребенка. Фэйрчайлд грозили обвинения в мошенничестве и лишение родительских прав. Суд вызвал свидетеля, присутствовавшего на родах третьего ребенка. Были проведены дополнительные анализы крови. Вместе с тем анализ ДНК однозначно говорил о невозможном: она не является матерью рожденного ею малыша. Как такое вообще было возможно? Неужели анализ дал ошибочный результат? Проблему удалось решить только после того, как у нее взяли образцы тканей разных частей тела. Во взятых прежде образцах кожи и крови содержались одинаковые цепочки ДНК, однако клетки, взятые из шейки матки, отличались: они несли в себе совершенно другую ДНК. Фэйрчайлд была химерой. Когда она была в материнской утробе, ее клетки слились с клетками ее близнеца. Вместо того чтобы каждому развиться в отдельный организм, близнецы слились воедино. Клетки, из которых развилась кожа, достались зародышу от одного близнеца, клетки, из которых образовалась шейка матки с яйцеклетками, – от другого. Организм Фэйрчайлд был создан двумя близняшками, и она стала своему ребенку одновременно и матерью, и тетей.

Если у вас нет однояйцевого близнеца, то нет ни одного человека на свете, чья ДНК будет в точности совпадать с вашей. При слиянии сперматозоида и яйцеклетки образуется уникальный код. Вместе с тем тот участок, который выделяет вас среди всех, очень маленький, большая же часть рецепта одинакова для всех людей, и в наши дни ее можно запросто найти и посмотреть в Интернете. В рамках проекта «Геном человека» ученые составили карту всей ДНК человека – всех трех миллиардов букв, из которых она состоит. Чтобы по полученной расшифровке ДНК нельзя было отследить конкретного человека, анонимные доноры ДНК предоставили для исследования разные участки этого кода. Это был грандиозный проект, на который ушли несколько лет и сотни миллиардов долларов. Технологии, однако, развиваются с умопомрачительной скоростью, и сегодня для того, чтобы проделать то же самое, достаточно примерно 1500 долларов. Если же вас устроит приблизительное исследование, то оно обойдется вам еще дешевле. Взяв у вас образец слюны, специализированная лаборатория уже через несколько дней сможет сообщить вам точные последовательности нуклеотидов А, Т, Ц и Г в вашей ДНК. В печатном виде эта формула заняла бы более 100 толстых томов. Читая со скоростью одна буква в секунду, вы потратили бы 95 лет, чтобы полностью изучить свой геном – только вот вряд ли вы узнали бы про себя что-то новое.

ИНТЕРЕСНО
В печатном виде формула вашей ДНК заняла бы 100 толстых томов, а на ее прочтение у вас ушло бы 95 лет.


Представьте себе книгу без единых точки, запятой или пробела. В некоторых ее местах текст написан задом наперед, причем безо всякого предупреждения, а вся она, страница за страницей, представляет собой абсурдную тарабарщину, состоящую из совершенно невразумительных предложений. Именно так и выглядит ваша ДНК. И посреди всего этого хаоса из миллиарда букв ученые выискивают слова и предложения, несущие в себе хоть какой-то смысл. Так, первым делом они обнаружили, что совершили чудовищную ошибку, предположив, что в ДНК человека содержится порядка 100 000 генов. На самом деле их оказалось значительно меньше. В ДНК человека – существа, которое изобрело компьютер, основало цивилизации и возвело тысячи городов, – всего около 20 500 генов. Приблизительно столько же у крошечной нематоды C. elegans, а у кукурузы даже больше – 33 000 генов. В действительности гены – это менее 2 % нашей ДНК. А что же тогда они делают на самом деле?

Глава 6

Контуры тела

ТРЕТЬЯ НЕДЕЛЯ

День 16





В начале третьей недели скопление клеток, которое в скором времени станет вами, сплющивается и начинает растягиваться вдоль везикулы. В этот момент нет и намека на человеческое тело: вы похожи скорее на крошечную круглую тарелку, по обе стороны которой расположено по одному наполненному жидкостью мешочку. Один из них превратится в плодный мешок, который окружит вас, образовав стены маленького бассейна, где вы будете плавать следующие несколько месяцев. Другой станет желточным мешком, напоминающим круглый воздушный шар, веревка которого будет крепиться внутри вашего живота. Желточный мешок создаст первые клетки вашей крови – позже эту работу на себя возьмут печень, селезенка и костный мозг. В конечном счете, когда надобность в нем пропадет, он скукожится, став частью вашего кишечника.

У птиц и яйцекладущих животных основная роль желточного мешка заключается в обеспечении питательными веществами – у них же нет плаценты, чтобы через нее питаться, – так что он заполнен витаминами, минеральными веществами, жирами и белками. Если разбить куриное яйцо, то вы сразу заметите этот ярко-желтый желточный мешок. Вы также увидите белые нити, которые удерживают его в центре яйца. Если бы яйцо было оплодотворено, то из тонкого белого диска на поверхности желточного мешка постепенно развился бы цыпленок. Поначалу он представляет собой едва различимое пятнышко, однако через несколько дней желток начинают обвивать красные кровяные сосуды, а сам мешок начинает уменьшаться в размерах, и так постепенно появляется крошечное живое создание. Если все идет хорошо, то три недели спустя из яйца вылупляется новорожденный цыпленок.

ИНТЕРЕСНО
Желточный мешок создаст первые клетки вашей крови, а затем он скукожится и станет частью вашего кишечника.


У людей все происходит немного медленнее. Тем не менее к началу третьей недели вы успеваете сделать как минимум один важный шаг вперед. В течение нескольких критически важных часов у вас появляются передняя и задняя части, левая и правая стороны, а также верх и низ. Это один из важнейших этапов вашего развития. Если бы что-то в тот момент пошло не так, вы бы не читали сейчас эту книгу и вообще не были бы похожи на человека с надежно спрятанными под кожей внутренностями и усердно бьющимся сердцем.

Первым признаком радикального изменения становится то, что плоская круглая тарелка принимает овальную форму. Одновременно появляется тоненькая полоска. Эта полоска – ваш будущий позвоночник, и она тянется от края к центру овальной тарелки, туда, где позже возникнет ваша голова. Если бы мы рассмотрели эту полоску под микроскопом, то увидели бы все движущиеся вдоль нее клетки. Посередине полоски появляется небольшая ямка, в которую клетки погружаются, образуя новый слой под верхней тарелкой. Вскоре вы превратитесь уже в две тарелки, расположенные одна над другой. Затем новые клетки устремятся вниз и распределятся между этими двумя тарелками, и в итоге вы будете состоять уже из трех отдельных слоев клеток.

Все это могло показаться вам не таким уж и впечатляющим. Я же обещала радикальные перемены, а в итоге круглая тарелка всего лишь превратилась в трехслойный сэндвич из клеток. Как бы то ни было, вы выглядите уже гораздо интереснее, чем та «малина», которой вы были совсем недавно. Эти клетки уже не похожи на тех растерянных и беспомощных новичков, которые понятия не имели, куда они попали и что от них нужно. Теперь у ваших клеток произошло разделение труда. Из клеток верхнего слоя образуются кожа, волосы, ногти, хрусталики глаз, нервы и мозг. Из нижнего слоя сформируются кишечник, печень, трахея и легкие. Средний же слой превратится в скелет, мышцы, сердце и кровеносные сосуды.

Время идет, и специализация каждой клетки становится все уже. В результате у вас окажется более 200 различных типов клеток. Их форма, размер и характеристики будут чрезвычайно отличаться. Круглые красные кровяные тельца будут плавать у вас в крови и переносить по всему организму кислород. Иммунные клетки – охотиться на незваных гостей. В вашем ухе появятся чувствительные ворсинки, которые будут реагировать на каждый услышанный вами звук, а в мозге будут вспыхивать и мерцать электрические сигналы, разносимые по длинным нитям ваших нейронов.

ИНТЕРЕСНО
На третьей неделе вы представляете собой трехслойный сэндвич из клеток, из которых образуются кожа, волосы, глаза, нервы и т. д.


В каждой из этих клеток будут находиться одни и те же цепочки ДНК, унаследованные от той самой первой клетки, которая приплыла сюда по фаллопиевой трубе. Этот рецепт копировался снова и снова, из поколения в поколение. Так за счет чего же тогда все эти клетки становятся такими разными?

Ответ кроется в производимых клетками белках. Гены сами по себе ничего не делают. Это просто рецепты, схемы, согласно которым клетки вырабатывают белки. При этом клетки используют только те рецепты, которые им надо, а лишние откладывают в сторону. Таким образом, каждая клетка способна вырабатывать свой определенный набор белков. Одни гены то и дело включаются, а другие выключаются. Молекула ДНК тщательно охраняется в клеточном ядре, словно какая-то чрезвычайно редкая кулинарная книга. Когда клетке нужно произвести какой-то белок, она сначала создает копию нужного гена, состоящую из РНК – молекулы, похожей на ДНК. После этого молекула РНК покидает клеточное ядро и направляется на клеточный завод по производству белков.

Прежде чем клетка начнет вырабатывать белок, она немного видоизменяет РНК, и зачастую один и тот же рецепт используется для производства нескольких разных белков. Это как с яблочным пирогом вашей бабушки: иногда для разнообразия она может посыпать его орехами или добавить побольше изюма. Как только подготовительные работы окончены, клетка начинает соединять аминокислоты – строительные кубики, из которых состоят все белки. Завод считывает рецепт – по три основания зараз – и по трем буквам понимает, какую из 20 различных аминокислот нужно использовать. Так, например, если он извлечет последовательность ГАА, то поймет, что надо взять глютаминовую кислоту. Другие буквенные комбинации могут быть либо кодом для другой аминокислоты, либо командой на прекращение сборки. В конечном счете эта длинная цепочка аминокислот принимает трехмерную форму белка. В зависимости от порядка использованных аминокислот белки могут принимать любую форму – от длинных волокон до компактных шариков. Есть даже белки, молекулы которых напоминают микроскопические пропеллеры. Некоторые белки сплетаются вместе, образуя более крупные структуры, такие как кожа или глаза. Другие же безустанно трудятся внутри клеток: расщепляют питательные вещества, запасают энергию, переносят различные вещества и контролируют всевозможные процессы.

Производя новые белки, клетки могут преображаться и обзаводиться новыми функциями. На третьей неделе часть из них объединяет свои усилия, чтобы создать ваши первые органы. Клетки центрального слоя, часть из которых в итоге станет вашим позвоночником, формируют толстый канат под названием «хорда». Если бы вам было суждено стать ланцетником, то вы оставили бы ее себе на всю жизнь. У этих похожих на рыб животных нет скелета, однако твердая хорда не дает их телам превратиться в обмякшую желеобразную массу. Рыбы и люди же прекрасно обходятся без хорды, как только заканчивается формирование жесткого позвоночного столба. В итоге единственным напоминанием о ней будут амортизирующие прокладки, расположенные между позвонками.

Тем не менее, пока мы в эмбриональной стадии развития, хорда играет для нас не менее важную роль, чем для ланцетников. В частности, она посылает важнейшие сигналы клеткам, чтобы они знали, что им предстоит делать дальше.

Получив соответствующий сигнал от хорды, клетки верхнего слоя начинают формировать толстый диск. По обе стороны от будущего позвоночника края диска начинают подворачиваться в сторону друг друга, образуя трубку. Происходит это где-то через месяц после зачатия. Позже большая часть этой трубки будет преобразована в спинной мозг. На конце, соответствующем будущей голове, трубка раздувается, образуя три небольшие везикулы: ваши клетки берутся за свой самый амбициозный проект – головной мозг. Он начинает создаваться одним из первых, но закончен будет в самую последнюю очередь – клетки будут довольно долго работать над этим самым важным органом. Даже после вашего рождения эта работа будет продолжаться.

Раньше ученые полагали, что развитие мозга более-менее заканчивается к моменту наступления половой зрелости, однако последние десятилетия исследований показали, что серьезные изменения происходят в нем вплоть до 30 лет. Мы еще вернемся к мозгу, прямо сейчас же нас интересует другой орган. Клетки, находящиеся в самой глубине везикулы, начинают испытывать нехватку питательных веществ. Прежде они получали кислород и все необходимые вещества напрямую из окружающего пространства, однако такая схема работает недолго. По мере роста клетки, находящиеся внутри, сталкиваются с риском смерти. На этом все могло бы и закончиться, если бы не ваше сердце.

Приблизительно через 18 дней после зачатия образуются две небольшие трубки, по одной с каждой стороны будущего позвоночника. За следующие несколько дней они сближаются и сливаются. Клетки вокруг получившейся в результате трубки преобразовываются в новый тип – в клетки сердечной мышцы. Они, в свою очередь, начинают самопроизвольно сокращаться: сжиматься и расширяться, сжиматься и расширяться. Непрерывно. Несмотря ни на что. Ученым удалось вырастить клетки сердечной мышцы в чашках Петри в лаборатории и наблюдать, как каждая из них сокращается независимо от остальных. Когда же эти клетки соприкасались друг с другом, вступая в контакт через узкие поры, то они начинали пульсировать сообща – тук-тук. Итак, всего на 21-й день после зачатия эта маленькая сердечная трубка забьется в первый раз. Отныне она будет работать все время до вашего последнего вздоха: каждый день, каждую секунду, ни разу не останавливаясь.

ИНТЕРЕСНО
Мозг начинает создаваться первым, но закончен будет в самую последнюю очередь.


В это же время по всему прозрачному тельцу станут видны крошечные красные крапинки крови, которые будут объединяться, формируя ваши первые кровеносные сосуды. Следующие несколько часов клетки будут непрерывно сооружать новые кровеносные сосуды, чтобы добраться до всех закоулков вашего организма, который с каждым днем становится все более крупным и сложным. Эти сосуды разветвляются на все более и более мелкие. Самые маленькие из этих ответвлений называются капиллярами. Они настолько тонкие, что через них может протиснуться только одна крошечная клетка крови. Если сложить вместе десять капилляров, то их совместная ширина будет сравнима с толщиной человеческого волоса. У них настолько тонкие стенки, что кислород и питательные вещества просачиваются сквозь них и сразу попадают в изголодавшиеся клетки, расположенные вдоль этих капилляров. Благодаря этой грандиозной сети кровь подводится к каждой клетке вашего организма.

Практически у всех животных количество ударов сердца за всю жизнь приблизительно совпадает. Все дело в том, что размеры животных, их продолжительность жизни и частота их сердцебиения связаны между собой. Человек же явное исключение из правил: мы живем гораздо дольше, чем можно было бы предположить, если исходить из примерно 70 ударов в минуту – частоты, с которой в среднем бьется наше сердце. Сердце маленькой мышки бьется быстро и отчаянно, совершая не менее 450 ударов в минуту на протяжении года-двух, после чего сдается. На другом конце спектра голубой кит – самое крупное из когда-либо существовавших живых существ. У голубых китов есть настолько широкие кровеносные сосуды, что мы могли бы свободно в них плавать, а живут они не больше 80 лет. Их сердце, вес которого составляет более 100 килограммов, совершает менее десяти ударов в минуту. С каждым ударом оно отправляет по огромному телу морского млекопитающего тысячи литров крови, причем бьется сердце кита настолько громко, что его слышно за многие километры.

ИНТЕРЕСНО
Но откуда же сердце знает, что ему следует появиться именно здесь и именно в этот момент? Почему оно становится именно сердцем, а не легким или ухом?


Но хватит уже о голубых китах. В конце концов мы пишем историю о вас. Как только маленькая сердечная трубка начинает пульсировать, она принимается перекачивать жидкость по вашему крошечному телу. Ваши клетки еще не закончили с формированием кровеносных сосудов и крови, однако этих тоненьких струек пока вполне достаточно. Теперь вы превосходите по размеру зернышко риса. Но откуда же сердце знает, что ему следует появиться именно здесь и именно в этот момент? Почему оно становится именно сердцем, а не легким или ухом? Чтобы это понять, нам сначала нужно разобраться, как клетки общаются между собой.

Глава 7

Язык клеток для чайников



Клетки постоянно общаются между собой. Они болтают о том, что мы едим и пьем, о пробравшихся в наше тело бактериях, о нашем стрессе или страхе. «Стоит ли начать здесь воспалительную реакцию? Может быть, расширить эти сосуды? С нужной ли скоростью бьется сердце? Достаточно ли жира мы расщепляем?» Миллиарды разговоров, протекающих без единого звука.

Молекулы – вот язык клеток. Они общаются, отсылая и получая химические послания, которые, как правило, представляют собой разнообразные белки. Некоторые из них напоминают громкие крики и стремительно разносятся по крови во все концы. Стоит вам что-то съесть, как поджелудочная железа тут же выкрикивает название гормона белковой природы: «ИНСУЛИН!» Как только клетки печени получают это белковое послание, они начинают собирать сахар из крови в длинные цепочки и откладывать их на потом, для дальнейшего использования. Печени приходилось бы очень тяжело, если бы поджелудочная железа не держала бы ее постоянно в курсе дела и не рассказывала о ваших приемах пищи. Печень занимается обработкой сахара в крови: она то запасается энергией для использования в будущем, то высвобождает ее, когда необходимо. Если вы не позавтракаете либо позволите себе кусок торта перед обедом, то можете не сомневаться: ваши клетки немедленно это обсудят. Бывают у клеток и более интимные разговоры со своими соседями. Для этого они выделяют небольшие порции различных веществ в окружающую их жидкость. Кроме того, для них не редкость поговорить и самим с собой. Иммунная клетка, обнаружившая инфекцию, произнесет сама себе своего рода напутственную речь и только потом пустится в атаку.

ИНТЕРЕСНО
Клетки постоянно общаются между собой при помощи молекул, так что если вы не позавтракаете или позволите себе кусок торта перед обедом, можете не сомневаться: ваши клетки немедленно это обсудят.


Все клетки окружены тоненькой пленкой, называемой клеточной мембраной, и лишь некоторые молекулы способны проходить через эти мембраны и проникать в клетки без разрешения. Так что большая часть посланий доставляется не напрямую, а путем присоединения к молекулам-рецепторам, расположенным на поверхности клетки. Послание и рецептор подходят друг другу, как ключ и замочная скважина. Так, например, на поверхности клеток печени расположены инсулиновые рецепторы. Когда молекула инсулина прицепляется к этому рецептору, она запускает ряд цепных реакций внутри клетки. Двери для сахара в крови распахиваются, и печень начинает запасаться питательными веществами.

Многие болезни – это следствие нарушения взаимодействий между клетками. При диабете первого типа поджелудочной железе не удается быть услышанной: она оказывается не в состоянии производить достаточно инсулина. По какой-то неизвестной причине иммунная система организма начинает атаковать клетки, вырабатывающие инсулин, так что обычный окрик «Эй!» в сторону печени превращается в вежливое покашливание. Как результат, пациенту самому приходится посылать инсулиновые послания клеткам своего организма с помощью шприца. При диабете второго типа поджелудочная железа пытается доложить, что человек поел, однако клетки ее не слышат. Инсулин выделяется в кровь, но ему не удается присоединиться к рецепторам на поверхности клеток. Опасность такого диабета в том, что клетки убеждены, будто они оголодали, независимо от того, насколько плотно человек поел. Печень же, несмотря на этот сбой, продолжает расщеплять свои запасы энергии, и уровень сахара в крови подскакивает до опасных значений – повышается риск развития гипергликемической комы. Будучи не в состоянии использовать этот сахар, организм вынужден выводить его через мочу. Таким образом, частое мочеиспускание и чрезмерная жажда являются распространенными симптомами диабета, который также приводит к появлению у мочи сладковатого вкуса и запаха. На заре медицины, кстати, врачи в диагностических целях пробовали на вкус мочу больных диабетом. Такой вид диагностики явно не смущал, например, английского врача Томаса Уиллиса, который в 1674 году сообщал в своих записках, что моча, которую он попробовал, была «невероятно сладкой, словно пропитанной медом или сахаром». Именно он предложил добавить к названию болезни прилагательное «сахарный». Термин «сахарный диабет» используется и по сей день.

Отлаженное взаимодействие позволяет нашему организму быть сплоченной коммуной, количество жителей которой превышает число галактик во Вселенной. Вы можете питаться чем попало, соваться из жары в холод и обратно, отдыхать, бегать, вставать спозаранку или не спать до утра. Что бы вы ни делали, ваш организм проследит за тем, чтобы внутри все оставалось удивительно стабильным. Он заботится о том, чтобы кислотность крови была достаточной, распределяет пищу и энергию, избавляется от отходов и разбирается с плохими бактериями, а вы обо всем этом даже не догадываетесь.

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 8

Искусство создания плодовой мушки

ЧЕТВЕРТАЯ НЕДЕЛЯ

День 24





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?

В 1980-х годах Уолтер Геринг вместе со своими коллегами из Базельского университета нашел ответ на эти вопросы. Генная инженерия стремительно развивалась, благодаря чему появилась возможность копировать определенные участки ДНК и исследовать, из чего они состоят. Буква за буквой ученые воссоздали код Hox-гена. А спустя некоторое время обнаружили строчку из 180 букв, которая подходила ко всем генам независимо от того, за формирование какого сегмента они отвечали. Ученые поняли, что ключ к пониманию работы Hox-генов именно в этой последовательности из 180 букв, которую они назвали «гомеобокс». Но разве она не попадалась им раньше? Исследователи принялись изучать свои базы данных, чтобы сравнить эти 180 символов с расшифрованными прежде генами. Постоянно натыкаясь на эту последовательность, они заметили закономерность: все гены, в которых встречались эти 180 букв, производили белки, прикрепляющиеся к ДНК. Белки же способны включать и выключать гены, и это стало известно благодаря еще одному любимчику биологов – кишечной палочке.

Мои друзья смотрят на меня с явным скептицизмом, когда я говорю им, что развожу у себя в лаборатории кишечную палочку. Эти бактерии, увы, заслужили плохую репутацию среди обывателей, а все благодаря некоторым весьма сомнительным членам их семейства, которые вызывают ужасные кишечные заболевания. Вместе с тем это крайне несправедливо, так как большинство разновидностей кишечных палочек совершенно безвредны и никогда не вызывают рвоту. Безобидные кишечные палочки обитают у вас в кишечнике с самого начала. Более того, они не пускают туда своих по-настоящему опасных собратьев. В лаборатории мы выращиваем кишечные палочки в желтой очень питательной жидкости при температуре 37°С – все, как они любят. В знак благодарности эти бактерии копируют ДНК, создавая для нас белки. Они наши крошечные биологические заводы, и без них мы как без рук.

ИНТЕРЕСНО
Безобидные кишечные палочки обитают у вас в кишечнике с самого начала. Более того, они не пускают туда своих по-настоящему опасных собратьев.


В 1960-е годы французы Жак Моно и Франсуа Жакоб изучили влияние различных питательных веществ на кишечные палочки. Они обратили внимание, что если предоставить кишечным палочкам доступ одновременно к глюкозе и лактозе, то они первым делом принимаются наворачивать глюкозу – свое излюбленное лакомство. Это как ваза со сладостями: никто не станет есть ириски и карамельки, пока там еще остались шоколадные конфеты. Бактериям гораздо проще получить энергию именно из глюкозы. Чтобы использовать лактозу, им приходится сначала разделять ее на маленькие кусочки с помощью специальных белков-ножниц, так что бактерии не заморачиваются с этим белком, пока остается хотя бы немного глюкозы. Весьма практично, но только вот как такому простому организму даются столь важные решения?

Чтобы создать белки-ножницы, расщепляющие лактозу, бактерия использует рецепт, записанный в одном из генов ее ДНК. Сначала ей нужно сделать копию этого рецепта, и затем послать ее на белковый завод. Однако Моно и Жакоб обнаружили, что бактерия производит также и другой белок, который не дает сделать эту копию. Он прицепляется к цепочке ДНК прямо напротив нужного гена, тем самым удерживая его в выключенном положении. Только после отсоединения этого мешающего белка бактерия может начать использовать данный рецепт для производства белков-ножниц. Кроме того, они обнаружили, что бактерия делает еще один белок с прямо противоположным эффектом: когда этот белок присоединяется к цепочке ДНК, то копировать нужный рецепт становится проще. Ген удерживается во включенном состоянии, и бактерия быстрее усваивает лактозу.

Итак, можно включать и выключать гены, подсоединяя к ДНК различные белки. Именно так и работают белки, производимые Hox-генами. Каждый Hox-белок подсоединяется к соответствующему участку ДНК, и – щелк! – целый набор разных генов включается или выключается.

Плодовая мушка устроена сложнее крошечной бактерии. Она состоит из нескольких разных органов, в каждом из которых находятся работающие сообща специализированные клетки. Таким образом, плодовой мушке приходится выделять довольно внушительные участки своей ДНК на то, чтобы контролировать время и место активации различных генов. У людей этот механизм еще сложнее.

Раньше ученые называли все участки ДНК, в которых не было генов, «мусорными», поскольку у них не было каких-либо явных функций.

В наши дни этот термин почти не используется, потому что ученые находят все новые и новые смыслы, запрятанные в этих таинственных и кажущихся иногда пустыми строчках ДНК.

Между генами в ДНК расположены буквенные последовательности, которые работают как генетические переключатели. Определенные белки распознают эти последовательности и помогают гену сработать в нужный момент и в нужном месте. Эти генетические переключатели можно сравнить с выключателями света у нас дома. Некоторые из них, те, что поважнее, регулируют все освещение в комнате, а другие включают и выключают только настольную лампу.

Hox-гены производят белки, которые как раз и выполняют роль главных переключателей для целых наборов генов, а также делают все необходимое, чтобы в разных сегментах вырабатывались разные белки, то есть чтобы у плодовой мушки усики выросли на голове, а крылья – на туловище.

Тут возникает важный вопрос: что все это значит для нас? Я ведь пообещала, что эта история будет о вас, а вот пишу подозрительно много о каких-то плодовых мушках. Чтобы найти наших общих предков с плодовыми мушками, нам бы пришлось вернуться более чем на полмиллиарда лет назад – нас сложно назвать близкими родственниками.

В прошлом считалось, что гены, отвечающие за формирование тела плодовой мушки, кардинально отличаются от соответствующих генов у людей. Но все буквально встало с ног на голову в 1980-е, когда ученые, начав поиски Hox-генов у животных, стали находить их повсюду. Эти гены были у червей и рыб, у лягушек и мышей.

А что насчет людей? Мы тоже оказались не исключением. Разумеется, у нас все несколько сложнее: в нашем геноме целых четыре набора Hox-генов, а не один, как у плодовых мушек. Принцип между тем остается тот же: судьба бугорков вдоль вашей спины, когда вы еще в стадии зародыша, определяется различными комбинациями Hox-генов. Они контролируют, чтобы вдоль вашего позвоночника все формировалось как надо: лопатки вверху, таз внизу, а между ними ребра.

ИНТЕРЕСНО
После полумиллиарда лет эволюции прежние гены все еще используются, только уже по-новому и в новых комбинациях.


Подобно тому, как с помощью гвоздей и молотка можно построить сарай, особняк или церковь, посредством Hox-генов создаются и плодовая мушка, и мышь, и человек. Дело не только в том, какие гены есть в наличии. Важно то, как они используются. Честно говоря, у нас с плодовыми мушками больше половины генов общие. Нашим с ними предком, может, и был какой-нибудь червяк, однако даже червю нужны гены, чтобы его голова отличалась от хвоста. После полумиллиарда лет эволюции эти гены по-прежнему используются, только уже по-новому и в новых комбинациях. Как мы с вами вскоре увидим, Hox-гены для нас далеко не единственные сувениры из прошлого.

Глава 9

Наследство из океана

ВТОРОЙ МЕСЯЦ

Пятая неделя





К началу пятой недели вы размером уже примерно с горошину. У вас крошечное прозрачное свернутое клубком тело, а голова прижата к длинному хвосту. У вас еще толком нет лица: лишь смутные очертания глаз прослеживаются по бокам головы. В жизни не подумаешь, что из вас получится человек: прямо сейчас вы похожи скорее на креветку. Еще вдоль вашей шеи появились четыре небольшие складки, разделенные глубокими морщинами, а прямо под ними бьется красный комочек вашего крохотного сердца.

Все, что ваши клетки делали вплоть до этого момента, казалось весьма логичным: они росли и объединялись, формируя основу, от которой потом можно будет отталкиваться. Теперь же такое ощущение, что они попросту начали халтурить. С какой такой стати, например, им взбрело в голову сделать этот совершенно ненужный хвост? Ведь в конечном счете он превратится в какой-то костяной обрубок, копчик, на который очень больно падать. Ни один инженер в здравом уме не стал бы создавать что-то подобное. И какой вообще смысл в этих складках на шее, которые потом пропадут? Не слишком ли они напоминают рыбьи жабры?

Однако не одни мы, люди, идем такими окольными путями в своем развитии. Если изучать эмбрионы ящерицы, курицы или слона, то обязательно наткнешься на то же самое странное создание. В начале XIX века немецкий биолог Карл Эрнст фон Бэр обратил внимание на подобные сходства, однако придумать этому логичное объяснение не смог. Тогда разгадку предложил Дарвин. В 1859 году он опубликовал свой знаменитый труд «Происхождение видов», в котором целую главу посвятил эмбрионам. Он объяснил, что загадочные сходства между эмбрионами различных видов, видимо, объясняются нашими общими корнями.

ИНТЕРЕСНО
Зачем вам хвост на этапе развития? Или складки на шее, напоминающие жабры?


У нас общая история с рыбами, саламандрами и курицами, история длиной в сотни миллионов лет. Начинается она с пустого и безжизненного мира, в океанских глубинах которого вот-вот зародится жизнь. Наши предки, похожие на нынешних рыб, скитаются по просторам этого древнего океана. Проходит какое-то время, и голые скалы на суше начинает застилать мох, а скорпионы и сороконожки принимаются исследовать зеленеющие мелкие заросли. Растения тянутся вверх, глубоко уходя корнями в землю, которая теперь покрыта слоем плодородной почвы. Вскоре она уже полна насекомыми, копошащимися в зарослях огромных папоротников. Воздух теплый, влажный, и в нем полно кислорода. Наши предки пока обитают в болотах древних лесов. У некоторых из их потомков появятся позже легкие и жесткие плавники, а потом (около 400 миллионов лет назад) первые земноводные выберутся из воды на сушу. Но далеко от воды отходить не будут, ведь именно здесь зародилась их жизнь. Без воды их яйца высохнут и скукожатся на солнце. Но проходит некоторое время, и рептилии находят решение этой проблемы: они начинают откладывать яйца с толстой скорлупой, которая защищает от потери влаги. Еще какое-то время спустя (примерно 200 миллионов лет назад) появляются первые млекопитающие, вынашивающие потомство в собственной утробе, где их будущим детенышам уже не угрожают внешние факторы. Со временем появляются млекопитающие без шерсти на теле и ходящие на двух ногах – первые люди. Наши последние, общие с шимпанзе, предки жили примерно шесть миллионов лет назад. А вся наша с вами история лишь крошечный отрезок времени по сравнению с 3,8 миллиарда лет эволюции всей жизни. Между тем мы по-прежнему начинаем свою жизнь водоплавающими существами: мы создаем для себя свой собственный соленый океан (околоплодные воды), в котором остаемся до тех пор, пока не будем готовы сделать первый вздох.

Если вспомнить, что наше тело – это, по сути, переделанная рыба, то ему многое можно простить. Все, что может показаться глупым и нелогичным, тут же обретает смысл. Возьмем, к примеру, икоту. Вы были трехмесячным эмбрионом, когда впервые испытали на себе это слегка раздражающее явление. Во время икоты мышцы, отвечающие за дыхание, непроизвольно сокращаются, и мы резко вдыхаем воздух. Скорее всего этот механизм унаследован нами от наших земноводных пращуров: для людей этот рефлекс едва ли можно назвать полезным, а вот для головастиков он крайне важен. Где-то в середине процесса развития у головастика есть одновременно и легкие, и жабры (так же было и у наших предков). Когда он дышит под водой, то это похоже на затяжную икоту. Перекрывая горло, головастик блокирует доступ к легким и проталкивает воду через жабры.

ИНТЕРЕСНО
Небольшая впадинка между верхней губой и носом – это результат несколько неуклюжего процесса формирования нашего лица.


Еще один характерный пример – небольшая впадинка, расположенная между верхней губой и носом. Ее называют губным желобком, а по-научному – фильтрум (от лат. philtrum). Когда я была маленькой, то думала, что она нужна, чтобы туда стекали сопли во время насморка, однако на самом деле у этой впадинки нет никакой специальной функции. Она лишь результат несколько неуклюжего процесса формирования нашего лица. В самом начале наше лицо состоит из трех отдельных частей: глаза расположены по бокам головы, совсем как у рыбы, а ноздри находятся сверху. Затем каждая часть начинает постепенно сдвигаться к одной точке: ноздри сползают вниз, а глаза сдвигаются к середине. В конце концов все три части сливаются вместе там, где у вас сейчас находится нос. Чрезвычайно важно, чтобы все три сегмента встретились одновременно. Даже небольшая задержка может привести к весьма заметным последствиям: вы можете родиться, например, с волчьей пастью[1]. Если же все идет по плану, то кожа и мышцы переплетаются так, что на месте соединения не остается никакого следа, кроме этой самой небольшой вертикальной канавки, которая всю жизнь будет напоминать о тех временах, когда вы выглядели совершенно иначе.

ИНТЕРЕСНО
В самом начале лицо состоит из трех отдельных частей: глаза расположены по бокам головы, совсем как у рыбы, а ноздри находятся сверху.


Те четыре складки с расщелинами между ними, которые появляются на нашей шее в процессе эмбрионального развития, тоже наследство из океана. У эмбрионов рыбы из этих расщелин формируются щели между жабрами, через которые в процессе дыхания проходит вода. Из самых верхних складок получается челюсть, а две последние образуют вспомогательные ткани для жабр. У земноводных, рептилий и млекопитающих развиваются точно такие же складки с расщелинами, однако эволюция нашла им новое применение. Так, например, у нас из верхних складок формируется не только челюсть, но и косточки, с помощью которых мы слышим. У земноводных и рептилий из второй складки получается небольшая ушная косточка, которой нет у рыб, – стремечко. Оно позволяет слышать звуки на воздухе, где звуковые волны распространяются медленнее, чем в воде. Проходя через воду, звуковые волны посылают вибрации сквозь все тело рыбы, и в итоге они достигают органов слуха, расположенных прямо за глазами. На суше же звуковые волны необходимо усилить, чтобы они могли активировать сенсорные клетки. Под действием звуковых волн стремечко стучит по мембране на границе внутреннего уха, создавая волны в расположенной за ней жидкости, и тогда находящиеся в ней волосковые сенсорные клетки начинают свой танец. Одни клетки предпочитают сильные, быстрые волны, соответствующие высоким частотам, а другие выплясывают только под басы. Когда какая-то из клеток начинает танцевать, открывается небольшой канал, по которому она передает определенные химические вещества нервной клетке, а та, в свою очередь, посылает электрический сигнал сначала слуховому нерву, а потом и в мозг.

Млекопитающие со слухом пошли еще дальше. Изучая окаменелости, ученые обнаружили, что со временем кости в задней части челюсти рептилий становились меньше, пока наконец не оказались в ухе первых млекопитающих. Эти две косточки называют молоточком и наковальней, и они помогают стремечку усиливать звуковые волны, поочередно вибрируя за барабанной перепонкой, пока сигнал не достигнет внутреннего уха. Именно благодаря такой реконструкции челюсти мы слышим гораздо лучше рептилий.

Вместе с тем следы нашей эволюции ученые находят не только у эмбрионов и в ископаемых. Теперь в нашем распоряжении есть новый инструмент: мы можем сравнивать между собой ДНК различных видов. Дарвин, который даже не догадывался о том, как устроены гены и механизм наследственности, определенно аплодировал бы нам за все совершенные с тех пор открытия. Мы узнали, что плодовые мушки, рыбы и люди унаследовали крайне важные гены от одного общего предка. Мы используем эти гены, чтобы сформировать основу для нашего тела, состоящую из спины, передней части, головы и хвоста. От более близких предков нам достались гены, позволяющие обзавестись скелетом, спинным и головным мозгом.

Люди, птицы и рыбы выглядят совершенно по-разному, но при этом для формирования наших тел используются одни и те же гены. Как же этим конкретным генам удалось сохраниться, в то время как многие другие необратимо изменились? Наверное, все дело в их исключительной важности. Гораздо опаснее менять ген, который активируется на ранних этапах развития организма, чем тот, который вступает в дело сильно позже. Это все равно что ломать несущую стену дома вместо того, чтобы просто пристроить к ней балкон. Эмбрионам с дефектами в этих генах скорее всего будет не суждено стать полноценными особями, а значит, и передать свои измененные гены потомкам они не смогут.

ИНТЕРЕСНО
Люди, птицы и рыбы выглядят совершенно по-разному, но при этом для формирования их тел используются одни и те же гены.


Так что гораздо проще оттачивать детали и постепенно добавлять новые характеристики. Путь к тому, чтобы стать человеком, весьма извилистый, и нам ничего не остается, кроме как с этим смириться.

Глава 10

Двумя руками «за»



Итак, мы несем и, вероятно, впредь будем нести на себе наследие из океана, однако вскоре станет понятнее, что в утробе вашей матери зародился именно человек, а не рыба или головастик. К началу шестой недели вы уже почти сантиметр в длину. Складки вокруг шеи начинают формировать лицо, а глаза теперь отчетливо видны в виде двух маленьких черных пятнышек. Ваша голова прижата к груди, в которой бьется сердце. Хвост все еще на месте, однако он перестал расти и скоро вовсе исчезнет. Нервная трубка и кровеносные сосуды отчетливо различимы под тонким слоем прозрачной кожи, а по бокам туловища сверху и снизу появились по два небольших отростка – ваши будущие руки и ноги. Точно так же образуются крылья у курицы или огромные ноги у бегемота – в самом начале они ничем не отличаются от наших конечностей. Даже у эмбриона кита формируются похожие отростки, хотя из них потом не вырастают ни руки, ни ноги, ни крылья.

Киты на самом деле произошли от первых млекопитающих, которые ходили по земле на четырех лапах, а потом вернулись в море. Среди современных животных их ближайшие родственники как раз бегемоты. Но по итогам внутриутробного развития у китов от эмбриональных отростков остается несколько коротких костлявых обрубков, а ноги, как у бегемота, не вырастают. Ваш хвост ожидает та же участь. Он будет постепенно сжиматься, пока от него не останется только копчик. В отличие от кита, однако, вы определенно нуждаетесь в паре рук и ног, поэтому вскоре отростки по бокам вашего туловища начнут вытягиваться и станут похожи на крошечные ласты.

«На начальном этапе у человека и животных конечности формируются одинаково».

Именно с этими ластами клетки и начнут работать над первыми эскизами вашего будущего скелета. Изготовлен он пока из хрящевой ткани – сплошного материала, состоящего из белкового волокна и амортизирующей желеобразной субстанции. Сначала эти клетки формируют структуру, из которой впоследствии образуется, например, ваше плечо. По мере роста плечевой кости клетки переключатся на предплечье, а затем наконец создадут кисть и пальцы. Ноги появляются точно так же – от бедра к ступне. Чтобы клетки могли сформировать нужные кости в нужном месте, им необходимо точно знать, где именно те находятся, и эту информацию они получают в виде порций из разных комбинаций химических сигналов.

Одно из передаваемых им веществ – белок Sonic Hedgehog («звуковой еж»). Этот термин может показаться вам знакомым (есть компьютерная игра с таким же названием), и если вам любопытно, почему белок назвали в честь какого-то ежа, то разгадка снова кроется в плодовых мушках. Чтобы понять, что именно делает тот или иной ген, ученые изучают изменения, которые происходят, когда этот ген перестает работать. А поскольку исследуют они это на разных подопытных животных, то называть то или иное явление или открытие именем того животного, с которым приключилось что-то необычное или на которого похоже то, что они видят, стало привычным делом. Изучая плодовых мушек в начале 1980-х, генетики обнаружили, что при уничтожении определенного гена их эмбрионы покрываются небольшими заостренными наростами. Такие эмбрионы напомнили им маленьких ежат, вот этот ген и получил название Hedgehog («еж»). Обнаружив три его вариации у людей, ученые решили назвать две из них в честь двух видов ежей – Indian Hedgehog (индийский еж) и Desert Hedgehog (эфиопский еж), а третью в честь персонажа популярной компьютерной игры – Sonic Hedgehog.

ИНТЕРЕСНО
На начальном этапе у человека и животных конечности формируются одинаково.


Гены Hedgehog определенно не единственные, кому достались забавные названия. Возьмем, к примеру, ген «Кен и Барби». У плодовых мушек с мутацией в нем отсутствуют наружные половые органы – прямо как у кукол, из-за которых ген и получил свое название. Еще один яркий пример – «Швейцарский сыр». Если у плодовой мушки в этом гене, к несчастью, обнаружится повреждение, то мозг насекомого будет дырявым, словно этот самый сыр.

ИНТЕРЕСНО
Несмотря на использование клетками одного и того же гена во многих местах, органы сильно отличаются друг от друга.


Формируя ваш организм, клетки во многих местах пользуются геном Sonic Hedgehog: в кишечнике, легких, мозге, руках и так далее. Причина, по которой одни и те же команды применяются повторно в разных участках организма, в том, что клетки интерпретируют их по-разному. Реакция клеток на послания зависит от их предыдущего опыта, полученной дозы, а также от момента ее получения. По сути, принцип тот же самый, что и в общении между людьми. В зависимости от ситуации мы можем придать одному и тому же предложению совершенно иной смысл. Если мой коллега подойдет ко мне с утра в лаборатории и предложит немного вместе поэкспериментировать, то я с радостью соглашусь. Если же с подобным предложением ко мне обратится какой-нибудь странный тип в баре, то я буду настроена куда более скептически. А если кто-то постоянно будет, не переставая, кричать мне: «ДАВАЙ ВМЕСТЕ НЕМНОГО ПОЭКСПЕРИМЕНТИРУЕМ!» – это будет уже явным перебором даже в пределах лаборатории.

А как же клетки ваших маленьких ласт реагируют на ген Sonic Hedgehog? Белковое послание формируется на том месте, где позже должны появиться пальцы, потом оно распространяется на окружающие клетки, расползаясь подобно молоку в чашке кофе. Рядом с источником послания, где белков этого гена целое скопление, клетки понимают, что им нужно сделать мизинец. Дальше, где белка поменьше, они формируют безымянный, средний и указательный пальцы. Клетки, почти не получившие белкового послания, образуют большой палец. Таким образом, одно и то же послание несет в себе различную судьбу для множества клеток.

Поначалу ваши пальцы соединены перепонками, но на восьмой неделе они разделяются. Подобное преобразование происходит посредством хорошо скоординированного массового клеточного суицида. Все начинается, когда клетки ваших будущих пальцев дают команду к гибели. Как только соседние клетки получают этот сигнал, они начинают разрушать белки. Цепочки ДНК, которые клетки обычно защищают изо всех сил, разрезаются белками-ножницами.

Разрушению подлежит все вокруг. В результате от перепонок ничего не остается, кроме мятых мешочков с останками внутри. Приходят макрофаги, специализирующиеся на уничтожении мертвых клеток, и забирают этот мусор, чтобы расчистить пространство между пальцами. Так, от одной погибшей клетки к другой ласты постепенно превращаются в кисти рук.

Ближе к концу седьмой недели начинают формироваться пальцы и на ногах. От длинного хвоста уже почти ничего не осталось, а морщинки на вашем лице потихоньку разглаживаются. У вас появляются коротенький сплюснутый нос, два маленьких уха, а также острые локти и колени, которые вызывающе торчат из ваших коротких ручек и ножек. Ваш скелет все еще состоит из хрящевого прототипа. Клетки начнут замещать хрящевую ткань нормальной костной не раньше третьего месяца, и процесс будет не быстрым. К моменту рождения кости будут по-прежнему достаточно мягкими, чтобы вам было легче протискиваться через родовые пути. Коленные чашечки все еще будут сухожилиями, пока вам не исполнится три года, а скелет продолжит развиваться, пока вам не перевалит за 20.

ИНТЕРЕСНО
Изначально пальцы соединены перепонками, но на восьмой неделе из-за массового клеточного суицида они разделяются.


Когда хрящевая ткань начинает превращаться в костную, клетки, находящиеся в центре ваших будущих костей, раздуваются и становятся просто огромными. Вскоре после этого они погибают и оставляют после себя полость, которая станет костным мозгом. Печень и селезенка, временно занимающиеся производством крови, вскоре смогут с облегчением вздохнуть: костный мозг возьмет на себя эту обязанность и будет выполнять ее всю вашу жизнь. Работа эта тоже не из простых. Случись кровотечение, стволовые клетки костного мозга превратятся в тромбоциты и закроют собой рану, образуя тромбиновый сгусток. Если вы заболеете, ваш костный мозг снарядит и отправит отряды белых кровяных телец – лейкоцитов, которые будут поглощать токсины и бактерии.

ИНТЕРЕСНО
Приблизительно каждые десять лет ваш скелет полностью обновляется.


В случае нехватки в организме кислорода в дело вступят новые красные кровяные тельца – эритроциты, которые опять же вышлет костный мозг. Кроме того, он проводит замену вышедшим из строя клеткам крови. Каждую секунду порядка двух миллионов ваших красных кровяных телец прощаются с вами навсегда, и на их место немедленно должно поступить столько же новобранцев.

После формирования костномозговой полости находящиеся рядом клетки начинают превращаться в клетки костной ткани. Они преобразуют окружающую их желеобразную субстанцию в твердую минеральную массу. Кальций и кристаллы фосфатов прикрепляются к белковым волокнам, создавая одновременно крепкий и эластичный материал, идеальный для того, чтобы поглощать ударную нагрузку и не ломаться при этом. Наступает момент, когда питательным веществам больше негде плавать. Но природа предусмотрела на этот случай наличие тоненьких отростков, которые тянутся от клеток мозга по крошечным канальцам, соединяющим их с кровеносными сосудами. Это позволяет клеткам и дальше получать питательные вещества и кислород, несмотря на окружающие их со всех сторон безжизненные минералы. Пока вы живете, живут и ваши кости. Клетки костей каждый день меняются и заменяются, и приблизительно каждые десять лет ваш скелет полностью обновляется. Одни клетки формируют новую костную ткань – остеобласты, другие специализируются на утилизации (поедании) старых клеток – остеокласты. Переварив свой обед, они выделяют кальций в кровоток. Как правило, пожирающие и создающие кости клетки работают в одинаковом темпе, чтобы вы не теряли костную массу. Порой, однако, в этой четко отлаженной системе возникают сбои. И, например, в НАСА об этой проблеме знают все до одного.

Всего после нескольких дней на орбите космонавты начинают терять костную массу. При этом уровень кальция в крови возрастает, а вместе с ним растет и риск образования камней в почках. Скорее всего эти изменения связаны с тем, что кости адаптируются к новым условиям. Из-за невесомости космонавты не испытывают практически никакой нагрузки, поэтому их организм и замедляет производство клеток, формирующих кости, – остеоцитов. Костная ткань начинает приспосабливаться к новой жизни (откуда же ей знать, что космонавт не планирует плавать тут до конца жизни?). Аппетит пожирающих кости клеток между тем не угасает, и в результате в костях образуются поры, делающие их все более хрупкими. Ученые замечали похожие процессы у людей, на протяжении долгого времени прикованных к кровати. К счастью, физические упражнения способны нейтрализовать такой негативный эффект: увеличение нагрузки на кости делает их более прочными.

ИНТЕРЕСНО
Кости выступают в роли хранилища кальция, и если сердцу требуется этот минерал, то они охотно приносят себя в жертву.


Кальций участвует в ряде процессов в организме человека, а кости выступают в роли хранилища этого минерала. Если сердце или нервы требуют кальций, то кости охотно приносят себя в жертву. Таким образом, у человека с дефицитом кальция будут наблюдаться те же симптомы, что и у космонавтов. В конце концов уж лучше слегка пористые кости, чем остановившееся сердце! Итак, пожирающие кости клетки делают свое дело и отправляют высвобожденный кальций в кровь, по которой он поступает туда, где в нем нуждаются.

ИНТЕРЕСНО
На восьмой неделе вы перестанете быть эмбрионом и получите звание плода.


Какое-то время, будучи эмбрионом, вы прекрасно обходитесь хрящевым скелетом. Вы плаваете в матке за прозрачными плодными оболочками, словно космонавт на орбите. На восьмой неделе ваши ручки и ножки начинают совершать небольшие рефлекторные движения. Появляются пальцы на ногах и ногти, а в вашем тоненьком тельце заметно выделяются ребра. Сквозь тонкую прозрачную кожу отчетливо видны скелет и кровеносные сосуды. По завершении этой недели вы перестанете быть эмбрионом и получите гордое звание плода. У вас теперь сформировались зачатки всех ваших органов, однако до появления на свет вам предстоит еще немало работы.

Глава 11

Пол и морские черви

ТРЕТИЙ МЕСЯЦ

9-я неделя