Танец жизни. Новая наука о том, как клетка становится человеком

Все живые существа на Земле — недавние звенья в цепи информации, закодированной в реплицирующейся молекуле ДНК, которая размножается на этой планете около четырех миллиардов лет. Возможно, первые копии первой жизни появились в гидротермальных источниках морских глубин с использованием аминокислот из океанической коры [10]. Однако таких теорий множество, и пока это еще одна размытая граница великой истории жизни: никто не знает, как появилась самореплицирующаяся молекула ДНК, запустившая инструкции, которые эволюционировали в изобильное множество существ нашей планеты, сначала в виде бесформенной одноклеточной жизни, а позже — в виде величайшего разнообразия многоклеточных организмов.

Жизнь имеет еще одно измерение. Инструкции ДНК, которые мы передаем своим детям, содержат не конкретный план вроде архитектурного чертежа, а рецепт, согласно которому ингредиенты самоорганизуются в высшей степени слаженным образом. Эти инструкции вступают в действие в первые несколько дней, начиная с процесса, когда оплодотворенное яйцо делится и меняет форму до такой степени, что эти ранние фазы жизни эмбриона получили разные названия: зигота, морула, бластоциста и, наконец, собственно эмбрион.

Подобно космосу, жизнь формируется симметрией и ее нарушением, от легкого смещения внутри отдельной клетки до оси, вокруг которой организована группа клеток, составляющая эмбрион. В конце концов, нарушение симметрии формирует наше тело от расположения головы и пальцев ног до локализации внутренних органов, от симметричных легких и почек до сердца, которое у нас слева. Все это, в свою очередь, вытекает из асимметрии на молекулярном уровне.

Нарушение симметрии необходимо для многих самых существенных фаз нашего развития. Благодаря нарушению симметрии мы из круглого оплодотворенного яйца через пять дней превращаемся в полую структуру из примерно двухсот клеток, размером в одну-две десятых миллиметра в поперечнике. На этом этапе эмбрион готов имплантироваться в стенку матки. Здесь сливаются границы двух жизней. Поэт и философ Сэмюэл Тейлор Кольридж однажды заметил, что девять месяцев, предшествующих рождению, «вероятно, куда интереснее... чем все последующие семьдесят лет» [11]. Я думаю, то же самое вполне можно сказать о первых девяти днях развития.

На пути к появлению этого изысканного образца материи под названием «организм» скрывается еще много тайн. И это неудивительно, ведь человек, быть может, гораздо сложнее, чем все безбрежное пространство света и тьмы под названием «космос» [12].

Такова история моей науки и моего путешествия к пониманию того, как появляются клетки в раннем эмбрионе; как они начинают узнавать друг друга и взаимодействовать; как шаг за шагом они с ошеломляющей точностью формируют человека; как они направляют собственное развитие; как они понимают, что процесс пошел не так, и как нам самим обнаружить эту ошибку и установить ее причину.

Чтобы важные процессы развития происходили в нужное время и в нужной последовательности, должен быть некий вариант клеточных часов, но как они работают? Другими словами, с помощью какого механизма эмбрион отмечает проходящие часы и дни? Почему через два с половиной дня у всех клеток появляются разные концы, так называемая наружно-внутренняя полярность? Почему беременность длится девять месяцев, а не пять или двенадцать? В развивающемся эмбрионе клетка, базовая единица жизни, размножается и меняется согласно хореографии, четко скоординированной в пространстве и времени, — можем ли мы понять этот самый потрясающий, замысловатый и всепоглощающий танец жизни?

Это лишь несколько вопросов, вызванных результатами исследований на современном этапе научного понимания, и все они чрезвычайно увлекательны. Несмотря на все мои усилия и усилия многих других ученых, наши ответы имеют предел. Тем не менее в последние годы мы все же добились прогресса.

Глава 1

Белое платье

Звонок застал меня в Кембриджском университете; я стояла у окна в своем кабинете и любовалась садами Даунинг-колледжа. Всякий раз, сталкиваясь с неразрешимой задачей, я смотрела через дорогу на эти просторные лужайки, деревья, по ветвям которых скакали белки, а прямо под окнами студенты на велосипедах спешили на очередную лекцию. Несколько минут, проведенных вот так, наедине с собой, помогали прояснить мысли. И порой задача решалась.

Весна переходила в лето, деревья пестрили зеленью и золотом, когда сквозь листья проникали солнечные лучи. Я была одета в белое хлопковое индийское платье без рукавов, приобретенное еще в студенческие годы. Я помню это отчетливо, потому что в этом платье моя беременность была незаметна. В тот момент я не хотела, чтобы кто-нибудь о ней знал.

Женский голос в трубке звучал обеспокоенно. Меня спросили, одна ли я, а затем посоветовали присесть.