Самый ясный пример относится к росту эмбриона: ген, кодирующий фактор роста, блокируется в хромосоме яйцеклетки, но сохраняется в сперматозоиде. С эволюционной точки зрения это объясняется тем, что существует противоречие интересов отца и матери относительно стратегии воспроизводства. Отец стремится к максимальному росту своего потомства, в то время как мать заинтересована в более-менее равномерном распределении своих ресурсов между всеми рожденными ею особями и поэтому хочет, чтобы рост каждого ее эмбриона был разумным, но не чрезмерным; поэтому в яйцеклетке деактивируется ген, кодирующий фактор роста.
С эффектом геномного импринтинга связаны различные генетические болезни и нарушения у человека. В их число входят синдром Прадера-Уилли, который характеризуется чрезмерным вниманием к приему пищи и трудностями в обучении, и синдром Ангельмана, который приводит к задержкам умственного развития, ненормальной походке, дефектам речи, припадкам и неоправданно приподнятому состоянию с частыми приступами беспричинного смеха. Гены, вызывающие эти болезни, располагаются на 15-й хромосоме. Они подвергнуты импринтингу в материнской хромосоме и соответственно должны иметься на отцовской хромосоме, чтобы у ребенка было нормальное развитие. Однако если эти гены отсутствуют и в отцовской хромосоме, то у ребенка неизбежно разовьется синдром Прадера-Уилли. Если же повреждена материнская 15-я хромосома, то это вызовет синдром Ангельмана.
Развитие яйцеклетки начинается с ее оплодотворения, когда с ней соединяется сперматозоид. В ходе полового сношения в женское влагалище выбрасывается около 300 миллионов сперматозоидов, однако до яйцеклетки, которая ждет оплодотворения, добирается в конечном итоге меньше тысячи из них. Правда, эти сперматозоиды способны сохранять свою жизнеспособность на протяжении еще трех суток.
Сперматозоид направляется к яйцеклетке, совершая колебательные движения своим хвостом, однако лишь один из тысячи сперматозоидов, стремящихся к яйцеклетке, в действительности имеет шанс соединиться с ней, пробившись сквозь ее защитную оболочку. Как только один сперматозоид сливается с яйцеклеткой и происходит ее оплодотворение, доступ для всех других сперматозоидов к этой яйцеклетке блокируется. Оплодотворение вызывает выброс кальция, что активирует энзим, который добавляет к белкам фосфатные группы и инициирует развитие яйцеклетки. Она начинает делиться и завершает процесс мейоза, произведя крошечную дочернюю клетку, которая затем распадается.
Для родителей, у которых возникают проблемы с оплодотворением и зачатием, сейчас существует возможность оплодотворить яйцеклетку искусственно, вне организма матери, и затем поместить ее в материнский организм — то есть совершить то, что называется экстракорполярным оплодотворением. Для совершения этой процедуры в организме матери с помощью гормонов инициируется созревание яйцеклеток. Затем они извлекаются из яичника и помещаются в искусственную питательную среду в пробирке. Туда добавляются сперматозоиды, и происходит оплодотворение, после чего оплодотворенная яйцеклетка помещается в матку матери. Если существует проблема с наличием сперматозоидов и для искусственного оплодотворения их недостаточно, то возможно оплодотворить яйцеклетку, введя непосредственно в нее один-единственный здоровый сперматозоид.
При оплодотворении в яйцеклетку обычно проникает лишь один сперматозоид, и примерно 12 часов спустя 23 материнские хромосомы соединяются с 23 отцовскими хромосомами. В результате мы получаем оплодотворенную яйцеклетку с полным набором хромосом, которая, если все и далее пойдет хорошо, способна развиться в целого человека. С этого момента начинается процесс деления клеток.
Наш пол определяется тем, какие половые хромосомы предоставляет при оплодотворении сперматозоид. Существуют две хромосомы, связанные с половой принадлежностью человека, — хромосомы X и Y. У мужчин имеются они обе, их сочетание обозначается как XY; у женщин есть две хромосомы X, обозначаемые обычно как XX. В ходе развития сперматозоидов происходит процесс мейоза, в результате которого число хромосом уменьшается наполовину, и поэтому одна половина сперматозоидов несет хромосому X, а другая — хромосому Y. У каждой яйцеклетки есть хромосома X. Если в яйцеклетку во время оплодотворения проникает сперматозоид с хромосомой X, то эмбрион получает хромосомный набор эмбриона XX и обретает женский пол. Если же в яйцеклетку проникает сперматозоид с хромосомой Y, то рождается ребенок мужского пола. В случае, если хромосомный набор оплодотворенной яйцеклетки представляет собой XXY или одну лишь X, то происходит ненормальное половое развитие. Таким образом, кто родится — мальчик или девочка, — зависит от того, какой сперматозоид оплодотворит яйцеклетку.
Хромосома Y приводит к развитию эмбриона мужского пола, поскольку она содержит ген, который кодирует белок, приводящий к развитию у эмбриона яичек и производству мужского гормона тестостерона, в силу чего возникают половые различия, характерные для мужчин и женщин. На ранней стадии развития разница между мужскими и женскими эмбрионами неразличима. Изначально все эмбрионы имеют женские признаки. Но когда в дело вступает производимый яичками гормон тестостерон, начинается развитие мужских признаков и ряду органов тела придается мужская форма. Воздействие тестостерона ведет к развитию пениса, а не клитора в области гениталий, хотя на самой ранней стадии нет никакого различия в структуре и строении ткани, из которой в будущем разовьются либо пенис, либо клитор. Тестостерон также предотвращает заметный рост груди у мужчин и оказывает воздействие на развитие головного мозга. Если мужчина невосприимчив к воздействию тестостерона, он, хотя и имея яички, будет выглядеть, как женщина.
Эмбрион, имеющий хромосомный набор XX и запрограммированный к тому, чтобы превратиться в женщину, изначально имеет двойное количество генов X по сравнению с мужским эмбрионом, обладающим хромосомным набором XY. Это необходимо скорректировать, поскольку на хромосоме X должно проявляться одинаковое число генов как у женщин, так и у мужчин. У человека, подобно другим млекопитающим, эта диспропорция корректируется путем случайной деактивации одной из хромосом X в каждой клетке женского эмбриона на ранней стадии развития. Этот процесс приводит к тому, что в клетках по всему телу содержится одинаковое число хромосом X, заимствованных у отца и у матери. В тех же случаях, когда число либо поведение половых хромосом не соответствуют норме, происходят отклонения от нормального развития.
Изучение развития яйцеклеток и сперматозоидов показывает, почему невозможно унаследовать приобретаемые людьми во время их жизни качества — такие, как знания, воспоминания или способности. В самом деле, как могут способности, которые в основном развиваются в нашем мозгу, быть переданными яйцеклетке или сперматозоиду? Это опрокидывает теорию, выдвинутую в начале девятнадцатого столетия Жаном-Батистом Ламарком, который утверждал обратное. Впрочем, передача по наследству характерных особенностей поведения возможна, но эти особенности должны быть обусловлены физиологией, связанной с генетической информацией.
Насколько обратимы и пластичны изменения в поведении клеток и генов в процессе развития? Прежде считалось, что гены, которые функционируют на ранних стадиях развития, позже «теряются». Эксперимент, который был призван подтвердить потерю генов и дать ответ на вопрос, можно ли изменить модель активности генов во взрослой клетке, поставили на клонированных объектах. Он включал в себя введение ядра клетки, подвергнувшейся дифференциации, в яйцеклетку, собственное ядро которой было удалено. Это делалось для того, чтобы увидеть, сможет ли яйцеклетка после этого нормально развиваться. Для эксперимента использовались лягушки, поскольку ядра их яйцеклеток находятся сразу под оболочкой и могут быть легко уничтожены при помощи радиоактивного облучения. После этого в яйцеклетку, лишившуюся ядра, вводили ядро клетки лягушачьего кишечника. Получившаяся в результате этого яйцеклетка проходила все ранние стадии развития, вплоть до фазы превращения в головастика. В клетке после дифференциации не терялись никакие гены. Введение ядер от других клеток, подвергшихся дифференциации, таких, как клетки кожи, приводило к аналогичному развитию, и это ясно показывало, что модель активности генов в клетках, подвергшихся дифференциации, может быть изменена и возвращена к той, которая существовала в ядре яйцеклетки. Более того, по своей генетической конституции образовавшийся головастик был идентичен тому экземпляру лягушки, от которой была взята клетка, подвергшаяся дифференциации. Эта клетка породила сообщество генетически идентичных клеток — это и есть то, что подразумевается под термином «клонирование».
