Онтогенез. От клетки до человека

Life Unfolding

How the human body creates itself

JAMIE A. DAVIES

Научный редактор

Юлия Краус, ведущий научный сотрудник кафедры биологической эволюции биологического факультета МГУ, кандидат биологических наук.

Эта книга издана в рамках программы «Книжные проекты Дмитрия Зимина» и продолжает серию «Библиотека фонда «Династия». Дмитрий Борисович Зимин – основатель компании «Вымпелком» (Beeline), фонда некоммерческих программ «Династия» и фонда «Московское время». Программа «Книжные проекты Дмитрия Зимина» объединяет три проекта, хорошо знакомых читательской аудитории: издание научно-популярных переводных книг «Библиотека фонда «Династия», издательское направление фонда «Московское время» и премию в области русскоязычной научно-популярной литературы

Я глубоко признателен доктору Кэти Брукс за ее неустанную поддержку, терпение, которое она проявляла всякий раз, когда я выбивался из графика работы, а также полезные комментарии к первому варианту текста.

Я также хотел бы поблагодарить моих коллег. Это Джеймс Бриско, Майк Клинтон, Ким Дэйл, Меган Дэйви, Питер Кайнд, Вэл Уилсон, Джорджия Перона-Райт, Томас Тайл и Шэрил Тикл. Они оказали мне огромную услугу: проверили разделы книги, посвященные темам, в которых являются мировыми экспертами. Вся вина за оставшиеся в тексте ошибки лежит исключительно на мне. И наконец, я хочу выразить свою благодарность Латхе Менон и ее коллегам из издательства Oxford University Press за ценные редакторские замечания.

Эта книга описывает механизмы развития человека. Она содержит опубликованную в научных изданиях информацию, полученную при изучении эмбрионов человека, а также в ходе экспериментов на животных. Поскольку академические издательства и исследовательские фонды требуют, чтобы работа была проверена соответствующими независимыми комиссиями по этике, я сделал допущение, что процитированные в этой книге эксперименты отвечали стандартам того времени, когда они проводились. Этические стандарты постоянно меняются, и некоторые исследования, которые проводились много лет назад, сейчас запрещены. Упоминание результатов конкретных экспериментов в этой книге не подразумевает личного этического одобрения использованных в них методов ни автором, ни издателем книги.

Книга адресована широкому кругу читателей, поэтому механизмы развития человека описываются в ней без излишних молекулярных подробностей. Длинные списки непроизносимых названий белков навевают скуку даже на профессиональных биологов и были бы совсем неуместны в книге, посвященной разъяснению фундаментальных закономерностей развития. Тем не менее иногда детали, упущенные в основном тексте, поясняются в сносках. Они позволят студентам биологических и медицинских специальностей увязать обсуждаемые в книге вопросы со специальными публикациями по молекулярной эмбриологии. Таким образом, эти сноски предназначены для узкого круга читателей и необязательны для понимания книги в целом.

По тем же причинам в книге иногда приведены ссылки на специальные исследования, особенно в тех случаях, когда необходимо подкрепить аргументами отличную от традиционной точку зрения. Чтобы не перегружать текст, число подобных ссылок сведено к минимуму; кроме того, они, как правило, отсылают не к оригинальным экспериментальным статьям, как это обычно делается в академических изданиях, а к обзорам. Также опущены ссылки на материал, освещенный в обычных учебниках. Текст, испещренный тысячами сносок, уместен в научной монографии, но не в популярной книге.

В этих словах английский философ и поэт Сэмюэль Кольридж выразил поэтическим языком удивление ребенка, впервые спросившего родителей: «Как я появился на свет?» Многие взрослые полагают, что этот вопрос касается половых отношений, и начинают мучительно раздумывать о том, что и когда можно рассказать. Однако ребенка вовсе не волнуют эти психосоциальные сложности, его вопрос и проще и глубже – как может появиться новый человек?

Еще ни один ребенок не получил полного и правильного ответа, потому что никто из взрослых не знает наверняка. Во времена Кольриджа были известны отдельные факты о последовательности анатомических изменений, происходящих по мере того, как новый человек растет в матке, но то, как и почему они происходят, оставалось загадкой. Два последующих века ученые пытались понять, как же оплодотворенная яйцеклетка превращается в ребенка. За последнее десятилетие наука шагнула далеко вперед, но по мере того, как ученые расшифровывают сложнейшие механизмы и разгадывают конкретные загадки, общее чувство изумления только растет. История эмбрионального развития, пока что обсуждающаяся в основном в специализированных научных статьях, поистине поразительна. Эта история о том, что произошло с каждым из нас, и потому должна быть общим достоянием. Мне посчастливилось работать в этой области, и в этой книге я попытался собрать наиболее значимые результаты современных исследований и дать ответ на самый глубокий – и самый детский – вопрос: как я появился на свет?

Наше понимание эмбрионального развития человека сложилось не в рамках какого-то одного научного подхода, а явилось результатом обобщения огромного количества информации из разных областей знания. Эмбриология и неонатология, напрямую изучающие развитие человека, предоставили в наше распоряжение большое количество анатомической и функциональной информации. Генетика и токсикология, области более широкие, чем биология развития, имеют огромное значение для выявления причин врожденных аномалий. Это очень важно, потому что, зная эти причины, можно выявить каскады биохимических реакций (так называемые молекулярные пути), необходимые для нормального развития соответствующих частей тела. Биохимия и молекулярная биология незаменимы для выявления деталей работы молекулярных путей, вовлеченных в развитие, вплоть до уровня взаимодействия атомов биологических молекул. Клеточная биология позволяет объяснить, как за счет взаимодействия разных молекулярных путей обеспечивается контроль поведения отдельных клеток. Исследуя более высокий уровень организации, физиология, иммунология и нейробиология раскрывают способы коммуникации и координации множества клеток.

Все упомянутые дисциплины относятся к областям медицины или биологии, в которых традиционно и проводились исследования по эмбриологии человека. Однако последнее время вклад в понимание развития человека внесли также области науки, которые на первый взгляд вообще не имеют отношения к этой теме: математика, информатика и даже философия. Они не проясняли конкретные детали (что и когда делает та или иная клетка), но затрагивали фундаментальные вопросы, связанные с развитием, например: как простое может стать сложным? как механизмы развития, неустойчивые по отношению к случайным ошибкам, могут обеспечивать высокую точность воспроизведения конечного результата? и не слишком ли развитие человека сложно для того, чтобы его могли полностью понять даже интеллектуально развитые люди? Последний из этих вопросов остается открытым, и предметом спора является слово «полностью». Однако в решении первых двух вопросов удалось достичь значительного прогресса. Ответ кроется в двух смежных концепциях: «эмерджентность» и «адаптивная самоорганизация». Это фактически две стороны одного и того же явления. «Эмерджентность» – это возникновение сложных структур и вариантов поведения из простых составных частей и правил; этот термин, как правило, используют те, кто смотрит на систему «вниз» с позиции «поведения на высоком уровне». «Адаптивная самоорганизация» – это «взгляд вверх»; этот термин позволяет описать, как применение этих простых правил к компонентам системы приводит к их коллективному поведению – выполнению сложных и тонких задач большого пространственного масштаба. [1]

Именно благодаря адаптивной самоорганизации неживые молекулы могут создать живую клетку, а клетки с ограниченными индивидуальными возможностями – сформировать способный на многое многоклеточный организм. Адаптивная самоорганизация – лейтмотив моей книги, так как она лежит в основе биологии развития. Понятия «адаптивная самоорганизация» и «эмерджентность» выходят за рамки биологии, и в разделе «Дополнительная литература» я привел несколько ссылок на увлекательные книги по этой теме.

Новые данные биологии развития ясно говорят о том, что организм возникает совсем не так, как строятся здания или машины. Смешно, но факт: способы образования нашего собственного тела абсолютно чужды нашим представлениям о том, как это могло бы быть. Поэтому, пытаясь понять, как эмбрион строит сам себя, очень полезно сравнить – и противопоставить – развитие этой биологической системы с привычными способами строительства объектов.