Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

Принципы онтогенеза (индивидуального развития) многоклеточных контринтуитивны, трудны для понимания, потому что мозг Homo sapiens плохо приспособлен для понимания процессов самоорганизации. Наше мышление адаптировано для постановки целей и поиска путей их достижения. Мы должны все контролировать (или понимать, кто контролирует и почему), иначе ничего не будет, кроме хаоса (отсюда, кстати, и живучесть креационизма, и конспирологические мифы о всесильных «мировых закулисах»).

Поэтому когда мы видим, как из чего-то простого само собой вдруг образуется что-то сложное, нам это кажется чудом, и мы начинаем подозревать воздействие какой-то особой организующей силы. Мы начинаем изобретать лишние сущности. В биологии таких сущностей напридумано множество: от вмешательства инопланетян и Божественного сотворения до ламарковского стремления к совершенству, радиальной энергии Тейяра де Шардена, активности Ю. В. Чайковского и т. д.

Ну а в данном случае, который показан на рисунке, — в случае самосборки снежинки из хаотически движущихся молекул воды — совершенно очевидно вмешательство Деда Мороза.

Где закодировано строение снежинки? Пожалуй, мы не сильно ошибемся, если скажем, что оно закодировано в свойствах молекулы воды в таком же смысле, в каком взрослый фенотип закодирован в геноме зиготы. И внешняя среда в обоих случаях сильно влияет на результат.

Контринтуитивность онтогенеза (как и эволюции) порождает множество проблем, и многие теоретики действительно на этом спотыкались. Попробуем разобраться постепенно.

Рассмотрим простой комочек клеток — ранний зародыш, который образовался из яйцеклетки в результате нескольких первых делений. Каждая клетка зародыша имеет один и тот же геном. Геном определяет свойства клетки, это ее «программа поведения». Программа у всех клеток зародыша одинаковая. Однако клетки начинают вести себя по-разному: одни превращаются в клетки кожи, другие — в клетки кишечника, третьи дают начало нервной системе.

Это происходит благодаря тому, что клетки обмениваются информацией — посылают друг другу химические сигналы и меняют свое поведение в зависимости от того, какие сигналы они получили от соседей. Кое-какие сигналы приходят и из внешнего мира. Например, клетки зародышей растений чувствуют земное притяжение и принимают его в расчет, когда решают, как им себя вести. Наконец, яйцеклетка с самого начала имеет простенькую разметку: один ее полюс отличается от другого по концентрации целого ряда веществ. Реальные яйцеклетки животных поляризованы, в частности, за счет того, что на одной их стороне содержится больше запасных питательных веществ (желтка), чем на другой.

Программа поведения у всех клеток зародыша изначально одна и та же, но она может состоять из нескольких отдельных наборов правил. То, какой из них данная клетка будет выполнять, зависит от получаемых клеткой сигналов. Каждое отдельное правило выглядит примерно так: если выполняются такие-то условия, сделай такое-то действие. Основное действие клетки — включение или выключение определенных генов. Это меняет свойства клетки, она начинает по-другому себя вести, по-другому реагировать на сигналы.

Правила поведения клетки определяются системой взаимодействий между генами — генно-регуляторными сетями. На физическом уровне правила «сделаны» из рецепторов, транскрипционных факторов, энхансеров, сигнальных молекул и белков, осуществляющих синтез и транспортировку этих молекул. Например, правило «Если получен сигнал А, начни выделять вещество Б», может быть сделано из рецептора вещества А, который активирует транскрипционный фактор В, который прикрепляется к энхансеру Г, расположенному около гена Д, который кодирует фермент, отвечающий за синтез вещества Б.

Сигнальные вещества, на которые клетки эмбриона реагируют, меняя свое поведение в зависимости от их концентрации, называются морфогенами. В приведенном примере в роли морфогена выступает вещество А.

Но как же все-таки получается, что клетки зародыша, имеющие одинаковую программу поведения и находящиеся, казалось бы, в одинаковых условиях, тем не менее ведут себя по-разному? Дело в том, что на самом деле они находятся в разных условиях. Так получается само собой в процессе деления клеток. Кто-то оказался внутри, кто-то снаружи, кто-то снизу, кто-то сверху, в ком-то концентрация морфогена А выше (потому что данная клетка сформировалась из той части яйцеклетки, где этого вещества было много), в ком-то ниже.

Еще у клеток может быть «счетчик делений», который сообщает им, сколько раз яйцеклетка уже поделилась. Этот счетчик тоже химический: в яйцеклетке изначально были определенные вещества (например, молекулы матричных РНК, считанные еще с генов материнского организма), запас которых не пополняется во время развития зародыша, и по тому, сколько в клетке осталось этих веществ, можно понять, сколько делений прошло с момента начала развития.

Программа поведения клетки может содержать, например, такие команды: