Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

На протяжении многих столетий известно, что мы и другие животные развиваемся из эмбрионов. Загадкой оставалась природа самого эмбриона и то, как именно происходит его развитие. Никакой прогресс в исследовании этого был невозможен, пока не установили, что мы представляем собой набор клеток и происходим из одной-единственной клетки, из яйцеклетки после того, как совершается процесс ее оплодотворения.

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.