Мало того что система «узелок/первичная полоска» определяет положение главной оси тела и образует первые слои тканей, она также выполняет еще одну важную функцию – нарушение зеркальной симметрии левой и правой половины тела.[67] Она делает это, перемещая жидкость в полости эмбриона очень неэффективным, но крайне полезным образом. Многие клетки животных обладают ресничками – маленькими, гибкими выростами. Каждая ресничка оснащена крошечным моторчиком, состоящим из белков, которые получают энергию из химических реакций и используют ее для воздействия на другие белки. Благодаря этим моторчикам реснички движутся – бьются. У одноклеточных животных биение ресничек позволяет им перемещаться в жидкости. В организме человека некоторые неподвижные клетки, напротив, используют реснички для перемещения жидкости. Например, реснички клеток дыхательных путей очищают легкие от слизи, а реснички клеток, выстилающих яйцевод, продвигают яйцеклетки и ранние эмбрионы к матке. У клеток узелка тоже есть реснички, они находятся на нижней стороне узелка и обращены в заполненную жидкостью полость.
Реснички клеток узелка имеют две необычные особенности. Во-первых, они отходят от клетки под углом примерно 45 градусов и направлены вниз и назад. Наклон назад обусловлен тем, что клетки «чувствуют» передне-заднюю полярность эмбриона.[68] Во-вторых, они бьются не так, как обычные реснички (их биение напоминает удар кнута), а совершают круговые движения, напоминающие раскручивание лассо перед броском. Эти вращения очень быстрые, около шестисот оборотов в минуту (что сопоставимо с числом оборотов двигателя автомобиля на холостом ходу). Ресничка всегда вращается по часовой стрелке (если смотреть от ее кончика в сторону клетки). Это связано с тем, что двигательные белковые комплексы обладают зеркальной асимметрией и могут присоединяться к ресничкам и вращать их только одним образом.[69] Расположение каждой реснички таково, что, когда она находится в нижней части описываемой ей окружности, она движется к левой стороне эмбриона, а когда она описывает верхний полукруг, то движется к его правой стороне (рис. 14). Пока что все симметрично, но близость реснички к клетке в верхней части описываемой ею окружности при движении вправо означает, что движение жидкости существенно замедлено силой вязкого сопротивления у поверхности клетки. Когда реснички находятся в нижней части окружности, далеко от поверхности клетки, эта сила минимальна и жидкость продвигается более эффективно. Так возникает дисбаланс между количеством жидкости, выталкиваемым вправо, и количеством жидкости, выталкиваемым влево. Это похоже на эффект создания боковой силы гребным винтом, хорошо знакомый владельцам одномоторных лодок. Ограниченное пространство между винтом и корпусом приводит к тому, что при включенном моторе лодка не только движется вперед, но и смещается в сторону (рис. 14). В переполненной гавани это нередко приводит к интересным последствиям.
Неравномерный поток жидкости, обусловленный характером биения ресничек, приводит к тому, что левая сторона узелка постоянно омывается свежей жидкостью из запаса в пространстве под ресничками.[70] Клетки могут получать из нее много микроэлементов (например, кальций). Правая же сторона узелка получает отработанную жидкость, с меньшим количеством полезных веществ. Белки, секретируемые клетками узелка, также будут уходить влево.
Рис. 14. Реснички, вращающиеся у поверхности, направляют поток жидкости влево. В верхней части рисунка представлен вид на узелок. Реснички направлены вниз под углом 45 градусов по отношению к будущей брюшной стороне эмбриона и назад к хвостовому концу тела. Они вращаются по часовой стрелке, описывая конус. В нижнем левом углу рисунка – вид с хвостового конца эмбриона. Положение вращающихся ресничек создает дисбаланс потока жидкости – она более эффективно перегоняется влево. В нижнем правом углу представлен вид со стороны кормы лодки и изображен аналогичный эффект, знакомый тем, кому приходилось управлять лодкой в ограниченном пространстве
Клетки узелка выделяют в жидкость, которая находится под ними, различные белки, в том числе Nodal – мощную сигнальную молекулу названную так по месту образования (от англ. node узелок). Nodal синтезируется в обеих частях узелка, но как только он выходит наружу поток жидкости тут же относит его влево. Кальций стимулирует образование этого белка, поэтому свежая, богатая кальцием жидкость, поступающая в левую часть узелка, способствуют образованию там большего количества белка Nodal. Он влияет на производство других белков, в том числе тех, которые влияют на экспрессию генов. Накопление белка Nodal на левой стороне эмбриона приводит к тому, что эта сторона активирует немного иной набор генов, чем правая сторона. Так нарушается зеркальная симметрия эмбриона.
Потеря идеальной зеркальной симметрии полезна для процесса создания человеческого организма. Если смотреть снаружи, то кажется, что правая половина нашего тела зеркально симметрична левой, но многие внутренние структуры расположены асимметрично. Асимметричны сердце и круги кровообращения, селезенка и поджелудочная железа смещены влево, а печень и аппендикс – вправо. Существует огромное количество мелких различий между левым и правым полушарием мозга. Некоторые признаки асимметрии видны невооруженным глазом. У мужчин, например, одно яичко (в большинстве случаев левое) ниже, чем другое.[71] Возможно, способность к асимметричному развитию и не была жизненно необходима для эволюции высших позвоночных, но почти наверное упростила ее. В противном случае нам, вероятно, потребовались бы парные органы (кроме, разве что, пищеварительного тракта, центральной нервной системы, пениса, влагалища и мочевого пузыря, а они и так расположены по срединной линии). Это привело бы к проблемам с размещением органов в теле. У рыб, с их удлиненным узким телом, пары органов могли бы расположиться друг за другом, но наземным или летающим животным это, скорее всего, было бы невыгодно.
Самое примечательное в этом механизме нарушения симметрии то, что асимметрия на уровне организма обусловлена, по большому счету, асимметрией на молекулярном уровне, а именно асимметрией белковых комплексов, обеспечивающих биение ресничек. Это один из немногих случаев, когда конкретное свойство молекулы переносится на весь организм. Этот механизм необычен, но его существование подтверждено убедительными доказательствами. Во-первых, вращение ресничек клеток эмбриона можно наблюдать непосредственно. Во-вторых, создаваемый ресничками поток можно смоделировать – сначала математически, а потом и практически, в экспериментах с искусственными ресничками. Поток жидкости был неоднократно визуализован – как в эмбрионах, так и в искусственных моделях – путем добавления окрашенных частиц. Немало исследований посвящено образованию и накоплению белка Nodal. Идею о существовании такого механизма подкрепляют и данные по мутациям. Мутации, нарушающие образование или вращение ресничек, приводят к появлению организмов с нарушенной асимметрией. У одной мутантной мыши (inv) реснички направлены в другую сторону (под углом 45 градусов не в сторону хвоста, а в сторону головы). Поток жидкости движется в основном вправо, и можно предположить, что строение тела мышей с этой мутацией будет всегда зеркально отличаться от нормального. Именно это мы и наблюдаем. С аналогичной инверсией рождаются и некоторые люди – судя по всему, по той же причине.
События, описанные в этой главе, происходят всего за два-три дня (спустя 15–17 дней после зачатия), но кардинально меняют строение эмбриона. Прежде он представлял собой диск, на вид не имеющий ничего общего со сложным животным. Теперь же у него есть удлиненное тело с четкой выраженным передним и задним концом, спинной и брюшной стороной и правым и левым боком, ткани трех типов, определенным образом расположенных относительно друг друга, а также нотохорд, проходящий по центральной оси. Задатки будущего животного налицо, и можно приступать к усложнению внутреннего строения.
Глава 5Формирование мозга
Мозг – это орган, с помощью которого мы думаем, что мы думаем.
Нервная система взрослого человека – невероятно сложная структура, отростки которой подходят практически ко всем остальным частям тела. Ее центральной частью является спинной мозг – длинная трубка диаметром около полутора сантиметров, проходящая по срединной линии спины (рис. 15). В голове основная структура спинного мозга изменяется и образует ряд вздутий, которые вместе формируют головной мозг. От спинного мозга отходят нервы, которые посылают сигналы мышцам и получают информацию от органов чувств. Кроме того, есть квазинезависимые части нервной системы, которые регулируют работу внутренних органов, таких как пищеварительная система и сердце. Однако спинной мозг в некоторой мере контролирует даже их.
Нервная система очень важна для функционирования взрослого организма. Во многих странах прекращение ее работы («гибель мозга») юридически считается смертью человека, даже если другие системы организма все еще поддерживаются искусственным путем. У эмбриона, однако, нервная система не играет заметной роли в контроле жизнедеятельности до самых поздних стадий развития. Тем не менее она начинает развиваться раньше, чем большинство других внутренних органов. Есть несколько возможных объяснений того, почему это так. Может быть, дело в том, что основные элементы архитектуры нервной системы, которая охватывает большую часть тела, должны быть заложены прежде, чем в тех же регионах сформируются другие структуры и органы. С другой стороны, раннее развитие нервной системы может быть связано с тем, что это одна из старейших частей тела с точки зрения эволюции.