Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Теперь представим, что часы каждой клетки снабжены переключателем: отсчет времени ведется лишь тогда, когда локальная концентрация какой-то молекулы выше порогового уровня. Если же она падает ниже, часы останавливаются. Допустим, контролирующая молекула – это морфоген, вырабатываемый в хвостовой части животного, который распространяется путем диффузии и формирует градиент концентрации от хвоста к голове. Часы тогда будут работать у хвоста и останавливаться на некотором расстоянии от него. По мере роста эмбриона хвост все больше отдаляется от головы, и местоположение пороговой концентрации морфогена постоянно отодвигается назад. Клетки фиксируют уровни экспрессии генов, характерные для момента прохождения пороговой концентрации – иными словами, для момента остановки часов. Если в одной точке эмбриона уровень экспрессии какого-то гена равен 2, то далее он достигает 3, потом падает до 0, а затем уровни 1, 2 и 3 повторяются в периоде. Можно добавить на наш рисунок темную черту – границу, левее которой клеточные часы стоят, правее – идут, и хвост животного находится справа. Временной паттерн «замораживается» в виде пространственного паттерна экспрессии генов.

Если при высоких уровнях любой управляемой часами транскрипции будут создаваться границы сомитов, где клетки плотно прижаты друг к другу, а при низких – их выпуклые серединки, то осцилляция наших часов превратится в повторяющиеся структурные паттерны (сегменты), на базе которых можно конструировать регулярные элементы вроде позвонков. Более того, управляя скоростью хода часов, природа может регулировать периодичность паттернов и размер сомитов. У разных животных часы идут с разной скоростью. Например, быстрые клеточные часы позволяют змеям формировать множество позвонков.

Теперь нам многое известно о конкретных участниках создания часов и градиентов морфогенов¹⁷. В этих процессах, особенно в схеме осцилляции, задействовано сразу несколько генов, и часть из них кодирует белки, взаимодействующие с регулятором латерального торможения Notch. Активность Notch то возрастает, то снижается; к тому же этот белок помогает соседним клеткам поддерживать синхронность. Notch – ярчайший символ склонности природы к использованию удивительно узкого набора молекул в самых разных контекстах. (Шутка, известная уже не один десяток лет, утверждает, что существует два типа исследователей биологии развития: те, которые изучают сигнализацию Notch, и те, которые не знают, что изучают сигнализацию Notch¹⁸.)

Градиенты и пороги, контактные сигналы и останавливающиеся часы – далеко не единственные физические мотивы, лежащие в основе эмбрионального развития. Клетки мигрируют, растягиваются, удлиняются, складываются друг на друга, меняют способность к адгезии и делают еще много чего другого, без устали придавая форму живой глине растущего эмбриона. Открывая новые стратегии эмбриогенеза, мы все больше восхищаемся трансформациями, которые каждый из нас претерпевает на пути от одной клетки к сложному животному, но заодно и расширяем наши возможности влиять на трансформации, идущие не так и вызывающие врожденные дефекты и рак.

Убеждать Ханса Дриша в том, что биология все же поддается научному познанию, слишком поздно, но можно хотя бы убедить друг друга не отказываться от исследований в этой области. Пусть мы пока и не знаем всего, но можем с полной уверенностью утверждать, что эмбриогенез не противоречит законам физики, а служит прекрасным примером того, как физические свойства и процессы порождают жизненные формы.

Глава 8. Конструирование органов

Как мы узнали из предыдущей главы, эмбрионы, органы и любые другие объединения клеток организуются в ответ на сигналы, специфически распределенные во времени и пространстве. Группы клеток формируют целостные сущности с уникальными биологическими ролями и уникальными физическими характеристиками. Например, наша жировая ткань мягче мышечной – любому из нас легко это проверить. Недавно мы поняли, что физические свойства не только продукт формирования тканей и органов, но и фактор, вносящий свою лепту в этот процесс. Развитие влияет на вещественные характеристики, которые, в свою очередь, влияют на развитие, и эта регуляторная петля обратной связи пополняет инструментарий самосборки. В этой главе мы узнаем, какую роль физические свойства типа мягкости и жесткости играют в организации скоплений клеток, а затем исследуем каркасы, с помощью которых когда-нибудь будем выращивать органы вне тела.

Что чувствуют стволовые клетки?