В связи с чем у природы возникла нужда в двух различных системах контроля за ростом органов, не вполне ясно.
Развитие эмбриона в утробе матери имеет важные последствия для здоровья человека. Дети, вес которых при появлении на свет ниже нормы, имеют значительно больше шансов по достижении зрелого возраста стать пациентами кардиолога. Эксперименты на животных продемонстрировали, что во время развития эмбриона действует биологический механизм, который в зависимости от факторов внешней среды изменяет степень проявления его генов. Ключевыми факторами при этом являются питание, образ жизни матери и ее конституция — полная она или худая. Исходя из полученных данных, эмбрион может «предугадать», что в будущем, после появления на свет, его может ожидать недостаточное количество пищи, и это отразится на его внутриутробном развитии.
Чуть больше половины взрослого населения США страдают от избыточного веса и ожирения. И хотя, как показывает изучение ДНК, существуют гены, вызывающие ожирение, проблема лишнего веса связана прежде всего не с генами, а с перееданием. Ожирение является следствием избытка жира, содержащегося в жировых клетках. Это явление связано со многими заболеваниями, включая диабет второго типа и болезни сердца.
Жировая масса нашего тела состоит из примерно 40 миллиардов жировых клеток. При этом большая часть жира сосредоточена под кожей. Жировые клетки не похожи на другие клетки: жир в них занимает 95 процентов внутриклеточного объема и все остальные структуры клетки, вроде ее ядра, сдвинуты к оболочке клетки. В белых жировых клетках жир, находящийся в полужидком состоянии, сконцентрирован в одном месте. В коричневых жировых клетках жир в виде отдельных капелек рассеян по всему пространству клетки. Жир коричневых жировых клеток, известный также под названием «детского жира», используется для выработки тепла.
Объем жира, содержащийся в теле отдельного человека, зависит от количества жировых клеток и от их размеров. Люди появляются на свет с определенным количеством жировых клеток, при рождении у женщин их больше, чем у мужчин. Число жировых клеток вырастает в позднем детстве и в начальном периоде полового созревания, после чего сохраняется в организме практически неизменным. Поэтому тучность в зрелом возрасте непосредственно связана с полнотой в детстве. Люди полнеют из-за того, что их жировые клетки начинают жадно поглощать жир. Таким образом, ожирение развивается тогда, когда жировые клетки увеличиваются в размерах.
Люди, имеющие лишние жировые клетки, могут уменьшить их за счет диеты и физических упражнений и добиться замечательных результатов, однако жировые клетки при этом не исчезнут. Однажды появившись в человеческом теле, они остаются там на протяжении всей жизни человека, хотя определенный их круговорот все же происходит: раз в месяц один процент жировых клеток погибает и заменяется новыми. Когда содержащийся в жировой клетке жир сгорает, она сильно уменьшается в размере. Однако все жировые клетки только и ждут, чтобы их накормили опять, — они хотят снова и снова вбирать в себя жир; поэтому радикально уменьшить вес и сохранить его после этого неизменным не так-то просто.
Жировые клетки участвуют в формировании энергетических резервов организма. Они — центр сложной системы передачи информации и обмена данными, который регулирует многие функции тела и постоянно информирует мозг о том, сколько еще энергии остается в теле, сигнализирует мышцам, когда они могут сжигать жир, дает команды печени и другим органам, когда следует пополнять запасы жира. Жировые клетки контролируют поступление энергии в клетки и ее извлечение из них. Они постоянно обмениваются химическими сигналами с мозгом, костями, половыми железами и иммунной системой. Ключевым элементом сигнальной системы является гормон лептин, представляющий собой один из основных факторов ожирения. Лептин циркулирует в системе кровообращения. Он вырабатывается жировыми клетками, и чем больше эти клетки, тем больше лептина они производят. Лептин сигнализирует мозгу о том, что мы насытились, и подает сигнал к тому, чтобы уменьшить ощущение голода, однако при этом ему приходится вступать в конкуренцию с другими отделами мозга, которые провоцируют ненасытность и тягу к удовольствиям.
Примером того, как действует система, которая еще на раннем этапе программируется на определенный рост, служит наша рука. Когда у растущего эмбриона формируется рука, запястье одинаково по размерам с плечом, с предплечьем и с локтевой костью. Однако по мере развития руки запястье растет в гораздо меньшей степени и в результате оказывается значительно меньше остальных элементов руки. Очевидная разница в размере костей различных частей человеческой руки отражает разницу в степени их роста, которая программируется на ранней стадии развития.
Как же именно растут наши конечности? Как мы уже видели, зачатки их будущих костей закладываются в эмбрионе в виде хрящевых стержней. Затем эти хрящи при помощи специальных клеток начинают заменяться на кости. Этот процесс начинается в центре и распространяется к концам хрящей, где затем формируется так называемая полоска роста и происходит рост кости. В таких костях, как плечевая, полоски роста формируются на обоих концах. На краях полосок роста находятся стволовые клетки. За ними следуют клетки, которые размножаются путем деления, а затем, когда процесс деления прекращается, превращаются в хрящевые клетки, которые, в свою очередь, начинают постепенно увеличиваться в размерах. Но на концах полосок роста хрящевые клетки отмирают и заменяются костными клетками. Таким образом, полоска роста удлиняет кость, увеличивая размеры хрящевых клеток и частично заменяя их костными клетками. Полоски роста различных костей отличаются друг от друга, и соответственно они в разном количестве производят новые клетки и по-разному влияют на их размеры.
Полоски роста работают на увеличение длины костей до наступления половозрелого возраста. Прекращение их деятельности вызывается гормональными изменениями. При этом вполне возможно, что и сама полоска роста запрограммирована на рост в течение определенного промежутка времени или же на строго ограниченное количество делений клеток. Установлено, что если число делений клеток в полоске роста уменьшается относительно нормы, то затем происходит усиленный рост с целью наверстать упущенное.
Наши нижние и верхние конечности развиваются из зачаточных конечностей эмбриона, размером не более сантиметра, и у взрослых людей достигают около метра длины. Каждая пара конечностей практически одинакова — различия есть, но они столь незначительны, что о них не стоит говорить. Поразительно то, что в течение пятнадцати лет роста между конечностями не наблюдается никакой системы связи и координации, ничего такого, что могло бы сигнализировать одной конечности о степени роста другой. Мы и не знаем, за счет чего это достигается, но тем не менее их развитие происходит синхронно. Типичная полоска роста конечности достигает двух сантиметров в диаметре и одного сантиметра в глубину. В такой полоске содержится около 10 миллионов клеток, разбитых на 300 тысяч столбиков, каждый из которых составлен из 40 вытянутых в длину клеток. Ежедневно в каждом столбике прибавляется по одной клетке, и при этом одна клетка заменяется костной.
Мышцы в конечностях также растут, однако мышечные клетки, после того как они сформировались, больше уже не могут делиться снова. Но они способны просто увеличиваться в размерах; среди прочего это происходит благодаря слиянию с особыми клетками, которые ассоциируются с мышечными и обеспечивают их дополнительными ядрами. Эти особые клетки представляют собой нечто вроде мышечных стволовых клеток.
Рост мышц в огромной степени зависит от роста костей, к которым они прикреплены. Когда кости растут, мышцы начинают растягиваться. В силу этого процесс роста костей и мышц носит скоординированный характер, и мышцам достаточно руководствоваться лишь тем, насколько сильно их растягивают. На любое напряжение мышцы всегда реагируют собственным ростом.
