Гиппократ в пятом веке до н. э. пытался описать процесс нашего происхождения из огня и воды, объясняя, как взаимодействие этих двух стихий приводит к застыванию при одновременном сохранении влажности. Столетие спустя Аристотель поставил вопросы, для ответов на которые потребовались последующие столетия. Он задался вопросом, формируются органы эмбриона одновременно или последовательно? Возникают органы эмбриона в законченном и упорядоченном виде с самого начала (преформация) или же образуются мало-помалу, и это похоже на постепенное вязание рыбацкой сети (эпигенезис)? Аристотель поддерживал идею эпигенезиса.
Влияние идей Аристотеля на взгляды о развитии эмбриона было колоссальным, и, несмотря на то что не существовало никаких достоверных данных ни за, ни против его теории, она главенствовала вплоть до XVII столетия. Затем теорию эпигенезиса отвергли, поскольку признали невероятным, что физические или химические силы могут привести к формированию эмбриона и породить столь сложные виды жизни, как человеческая. Благодаря этому в ученой среде стал превалировать противоположный взгляд — что эмбрион появляется в законченном виде с самого начала.
Даже блестящий итальянский эмбриолог XVIII столетия Марчелло Мальпиги не мог освободиться от влияния этой доктрины. Детально описывая развитие эмбриона цыпленка, он оставался на позициях теории преформации и заявлял, что ранние стадии развития эмбриона слишком малы, чтобы их можно было увидеть. Другие сторонники этой теории утверждали, что им удавалось увидеть полностью сформированный эмбрион в головке каждого сперматозоида.
Однако открытие клеток привело к полному изменению взглядов на развитие эмбрионов. Окончательно эпигенезис в умах эмбриологов победил в 1840-е годы, когда было признано, что яйцеклетка — это клетка, от которой происходят все клетки организма.
На практике это весьма сложный процесс, включающий взаимодействие различных клеток, которые то и дело перегруппировываются, что по мере роста и развития эмбриона ведет к образованию отдельных типов тканей. Но откуда изначальные клетки эмбриона знают, что им следует делать? Существовало воззрение, что это происходит благодаря структурированности яйцеклетки, которая по мере дальнейшего деления образует различные группы клеток, а они, подобно сложной мозаике, соединяются в необходимые группы тканей. Эта теория несколько напоминала теорию преформации. Однако затем — это случилось более ста лет тому назад — немецкий биолог Ганс Дриш разделил клетки эмбриона морского ежа на двухклеточной стадии развития, и каждая из получившихся отдельных клеток развилась в маленькую, но вполне обычную по форме личинку. Сейчас хорошо известно, что можно получить особи близнецов при разделении на этой стадии развития двухклеточных эмбрионов многих животных. Близнецы человека образуются при разделении эмбриона на значительно более поздней стадии — через две недели после оплодотворения яйцеклетки.
После оплодотворения в яйцеклетке происходит деление клеток, которое, однако, не сопровождается ростом самой яйцеклетки. В результате этого деления образуется группа из 30 клеток, и они формируют полую сферу. Внешняя оболочка этой сферы в последующем развитии эмбриона не участвует — из нее образуются такие структуры, как, например, плацента. Зародыш формируется из клеток внутренней поверхности этой полой сферы; оттуда же происходят эмбриональные стволовые клетки, способные развиться в любой из типов клеток.
На ранней стадии между клетками не наблюдается различий. Интересен вопрос, откуда клетки знают, в каких местах им надлежит быть и что делать. Откуда им становится известно, что они должны четко выполнять свои функции в целях развития эмбриона — стать, например, частью глаза или же образовать часть желудка. Выяснилось, что все это происходит благодаря взаимодействию генов и белков, в результате чего нужные белки синтезируются в нужное время и в нужном месте.
Во время развития эмбриона оказываются задействованными пять основных клеточных механизмов — деления клеток, образования структур тела, изменения форм, дифференциации клеток, роста клеток.
Деление клеток на ранней стадии развития эмбриона называется дроблением. В этот период яйцеклетка расщепляется на несколько более мелких клеток, и некоторые из них становятся эмбриональными стволовыми клетками.
Процесс образования структур состоит из формирования в эмбрионе органов и частей тела — например, конечностей или такой важной структуры, как нервная система. Клетки закрепляются на отведенных им местах и образуют четкую структуру будущего органа.
Если образование структур тела напоминает собой рисование или, лучше сказать, создание каркаса, то изменение формы походит на процесс лепки скульптуры, во время которого клетки совершают значительные перемещения и ткани меняют форму. Наш позвоночник представляет собой сначала плоскую полоску. Затем края этой полоски начинают закругляться и, встретившись, соединяются для того, чтобы образовать пустотелую трубку, которая и становится впоследствии позвоночным столбом. Разумеется, эта трубка пронизана множеством нервов, и их образование является прямым следствием процесса дифференциации клеток.
Дифференциация клеток приводит к появлению сотен различных типов клеток в нашем организме.
Механизм роста клеток способствует увеличению отдельных частей тела эмбриона. В основном он включается уже после того, как мы появляемся на свет.
Контроль над активностью всех этих клеточных механизмов осуществляется за счет присутствующих в клетках белков, а их деятельность, в свою очередь, определяется теми генами, которые на данный момент находятся в активированном состоянии. Таким образом, фундаментальным механизмом процесса развития клеток является процесс активации и деактивации генов. Гены в клетках растущего носа — такие же, как и гены в клетках растущего пальца, однако активные гены в этих частях тела сильно отличаются друг от друга.
Мы уже видели, что существуют контрольные зоны генов, с которыми связываются белки, участвующие в процессе транскрипции, — тем самым они делают ген активным либо неактивным. Изменения в статусе гена определяются как последовательностью событий внутри клетки, так и сигналами, которыми клетки обмениваются друг с другом.
В процессе развития эмбриона в активированном состоянии находятся несколько тысяч генов, которые осуществляют контроль над его развитием. Существует также множество генов, функция которых заключается в поддержании обычной жизнедеятельности клеток. Эти гены, не имеющие отношения к генетической программе развития эмбриона, присутствуют в большинстве клеток.
Все клетки, из которых состою я и из которых состоите вы, ведут начало от тех клеток, которые формируются из слоя внутренней поверхности оплодотворенной яйцеклетки. Строительство человеческого тела из этого набора клеток является чрезвычайно сложной задачей. Для этого необходимо задействовать не только механизм образования структур тела, чтобы клетки знали, что им следует делать в различных местах в разное время, но и обеспечить возможность изменения форм клеток и их свободное перемещение.
Из клеток внутренней поверхности оплодотворенной яйцеклетки происходят три клеточных слоя, из которых состоит наше тело: эктодерма, мезодерма и эндодерма. Эктодерма — это внешний тканевый слой, в нее входят кожа и нервная система. Находящаяся под ней мезодерма включает в себя мускулы, скелет, сердце, кровь и почки. Третьим, самым глубинным тканевым слоем является эндодерма, из нее состоят кишки, печень и легкие. В процессе формирования клеточных слоев эктодерма, мезодерма и эндодерма должны расположиться в правильном порядке. Этот процесс называется гаструляцией.
Особенность животных в том, что клетки, которым предстоит сформировать их кишечник и мускулы, скелет и сердце, изначально находятся на внешней стороне эмбриона и им необходимо передвинуться во время гаструляции. Определение будущих функций этих клеток на ранней стадии позволяет сформировать основные оси развития эмбриона — в частности, выявить, где будет находиться его голова, а где хвост. При этом определяется расположение трех клеточных слоев, из которых будет состоять тело, в результате чего клетки мезодермы и эндодермы направляются внутрь эмбриона, чтобы занять назначенное положение. Меня знают как автора высказывания «Самым важным моментом вашей жизни является не рождение, свадьбы и смерть, а гаструляция». В нем действительно содержится изрядная доля истины.
