свою очередь, вступит в какие-то последующие взаимодействия в этом молекулярном каскаде). Это не требует от живой системы какого-то интеллекта и целенаправленного принятия решений, это определяется физическими свойствами молекул. Такая у них пространственная структура, такие электростатические взаимодействия, такие водородные связи они образуют, чтобы в одном месте позволить ферменту РНК-полимеразе присоединиться к ДНК и начать ее читать, а в другом месте помешать ей это проделать.

Классический пример – это сегментация тела дрозофилы. Где у нее будет голова, а где попа, известно еще до того, как дрозофила вообще возникла как уникальная самостоятельная сущность, – на стадии неоплодотворенной яйцеклетки. Пока крупная вытянутая яйцеклетка формируется, ее окружают 15 клеток-нянек, закачивающих в нее матричные РНК (мРНК, молекулы, по которым впоследствии можно будет строить белки). В головном конце будущей мухи накапливается много мРНК bicoid, а в хвостовом конце – nanos. Когда после оплодотворения дрозофильный зародыш начинает делиться, первое время он вообще не строит мембран между новыми клетками, увеличивая только количество ядер, и новообразованные белки Bicoid и Nanos беспрепятственно диффундируют по телу, образуя градиенты. Кроме них в яйцеклетку заранее закачаны матричные РНК для производства белков Caudal и Hunchback. Они сами-то были сначала распределены по телу равномерно, но дальше, благодаря первым двум белкам, на заднем конце производится только Caudal и подавлен синтез Hunchback, а на переднем – наоборот. То есть у новенького эмбриона появляются градиенты четырех белков, два от головы к хвосту и два от хвоста к голове. Каждой точке на передне-задней оси, таким образом, соответствует свое уникальное количество всех четырех белков. И только теперь наступает время включать собственные гены эмбриона. Они и включаются – по-разному в каждой точке. Bicoid, транскрипционный фактор и морфоген (то есть белок, регулирующий считывание ДНК и способствующий дифференцировке клеток), в высоких концентрациях стимулирует формирование передних структур головы; если его поменьше – образуется ротовой аппарат; если его мало – то грудь; в брюшке Bicoid уже полностью отсутствует, зато там есть Nanos, подавляющий гены, связанные с передними структурами, и Caudal, активирующий гены, нужные для брюшка.

“А что же Hunchback?” – спросит внимательный читатель и будет прав. Четвертый белок не только помогает Bicoid запускать формирование головы. Он еще и участвует в налаживании более тонкой разметки отдельных сегментов. К его концентрации чувствительны многие gap-гены (“гены пробела”), разбивающие далее эмбрион на отдельные полосочки: где Hunchback, например, еще есть, но уже мало, там будет синтезироваться белок Kruppel, а где синтезируется Kruppel, там будут расположены конкретно парасегменты 4–6 (“пара” означает, что они сдвинуты относительно настоящих анатомических сегментов), маркирующие центр тела. А у Kruppel, как уже догадался внимательный читатель, тоже есть свои подчиненные, в том числе более низкого уровня иерархии, более тонкой нарезки тела на полосочки. Там дальше выходит на сцену группа генов pair rule (“парного правила”), способных подавлять производство самих себя в соседних клетках. Это делает эмбрион (если его покрасить чувствительными к ним красителями) полосатым, как зебра. После определения границ сегментов на сцену выходят гомеозисные гены, уже непосредственно регулирующие развитие набора органов, характерных для каждого участка. К ним относится, например, Antennapedia, отвечающий за развитие ног второго грудного сегмента. Его забавное название связано с тем, что при его избыточной активации ноги у дрозофил вырастают также и на голове, вместо антенн. Если же он не работает, то, напротив, вместо ног на втором грудном сегменте вырастают антенны.

То есть еще раз смотрите, что получается. Довольно простая система, начинающаяся с небольшого числа линейно распределенных компонентов, быстро приводит к уникальному набору регуляторных белков в каждой точке тела животного. Это мы еще ничего не говорили про ось “брюхо – спина” и “средняя линия – краешки”, а там тоже есть свои градиенты. Они работают все вместе и формируют систему координат, четко определяющую расположение каждого органа.

Заранее заложенная полярность яйцеклетки играет роль в развитии не только насекомых, но даже зародышей рыб и амфибий, однако не выражена у млекопитающих. На то, где у них будет голова, а где хвостик, могут влиять и внешние факторы, такие как расположение имплантировавшегося эмбриона относительно стенки матки. Но на последующих этапах в разметке передне-задней оси тела млекопитающего ключевую роль играют Hox-гены, гомологичные[52] гомеозисным генам дрозофилы. Они интересны тем, что порядок их расположения на хромосоме в обоих случаях соответствует последовательности их применения в организме; чем меньше порядковый номер конкретного Hox-гена, тем ближе к голове он работает, а чем дальше мы продвигаемся к хвосту, тем сильнее разворачивается клубок ДНК, чтобы ферменты могли подобраться к Hox-гену с более высоким порядковым номером. От границы между зонами работы Hox5 и Hox6, например, зависит, окажется ли позвонок шейным или грудным (то есть будут ли на нем формироваться ребра). Нарушения их регуляции приводят у млекопитающего к формированию лишних ребер или к отсутствию нужных. Внимательный читатель может помнить, что от этого в девятой главе страдали мыши, которым вводили высокую дозу глюкокортикоидов, синтетических аналогов гормона стресса.

Существенно для развития, что клетки занимаются не только собственной жизнью, но и активно влияют друг на друга. В эмбрионах бывают участки, которые интенсивно выделяют морфогенетические факторы, подчиняя окружающие ткани, заставляя их направиться по определенному пути развития, и таким образом задают общий план строения эмбриона. Такие участки называют организаторами. Первый из них описали в 1924 году эмбриолог Ханс Шпеман и его аспирантка Хильда Мангольд. Они работали с эмбрионами тритонов и проводили ювелирные операции по пересадке фрагментов тканей одного зародыша в другого. Причем исследователям удалось подобрать для работы два близкородственных вида тритонов, у одного из которых клетки (в том числе зародышей) были пигментированными, а у другого нет. Выяснилось, что если пересадить клетки дорсальной губы бластопора (это углубление, которое формируется в ходе развития зародыша тритона напротив точки проникновения сперматозоида) из одного эмбриона в другой, то из них все равно формируется хорда, как если бы их никуда не пересаживали. То есть у эмбриона-химеры появляются две хорды, а вслед за ними и все положенные окружающие органы, получаются тритоньи сиамские близнецы. Благодаря разнице в пигментации клеток донора и реципиента удалось также обнаружить, что это не сама пересаженная губа бластопора превращается в целого второго тритончика – она заставляет и окружающие клетки реципиента сменить направление своего развития, именно они дают начало второму спинному мозгу и другим органам.

Основные инструменты экспериментальной эмбриологии изменились за последние 100 лет скорее с точки зрения масштаба, чем с точки зрения принципиального подхода. Современная микроскопия, возможности изучения набора РНК и белков, возможности внедрения флуоресцентных