Александр Марков - Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

Что будет, если мы уберем из программы инструкцию «Если концентрация морфогена Б равна нулю»? Теперь программа поведения будет выглядеть так:

«Если ты снаружи, и если концентрация морфогена А такая-то, и если с момента начала развития пройдено десять делений, то начни выделять морфоген Б».

В этом случае морфоген Б начнет выделяться не одной клеткой, а целой полоской клеток, опоясывающей зародыш на определенном расстоянии от полюсов. Ширина этого пояса и его положение (ближе или дальше от того полюса, где концентрация А максимальна) будут зависеть от того, какие концентрации указаны в инструкции «Если концентрация морфогена А такая-то».

Чтобы сделать рассказ более наглядным, наш искушенный в программировании сын Михаил написал по нашей просьбе компьютерную программу EvoDevo . Она позволяет имитировать самосборку сложных многоклеточных структур из множества делящихся клеток. Программа получилась замечательная. Она дает нам одну начальную клетку — зиготу, а мы в специальном окошке пишем правила ее поведения [88]. Например, такие, как в приведенном выше примере.

Мы можем задать любой набор правил поведения клетки. Следовать этим правилам будут все клетки эмбриона. Но мы не можем задать правило для всего эмбриона сразу. Мы не можем сказать эмбриону: «Втяни брюшко и прими форму шляпы». Мы можем задать только правила для клетки, например: «При таких-то условиях ползи туда, где возрастает концентрация такого-то вещества». И этот набор правил един для всех клеток. Правила — это генотип нашего модельного организма.

Написав генотип, мы нажимаем кнопку «старт» и смотрим, как из зиготы что-нибудь развивается. Например, описанный выше набор правил, который должен приводить к развитию зародыша с «пояском», породил вот такой симпатичный модельный эмбрион:

Поясок, правда, вышел неровный. Сделать его более аккуратным оказалось неожиданно трудно, хотя причина проста. Во всяком онтогенезе обязательно присутствует элемент стохастики (случайности). Полностью устранить случайность не удается ни естественному отбору, ни опытным пользователям программы EvoDevo , которая в этом отношении довольно точно воспроизводит реальность. Подробнее о стохастике в онтогенезе мы поговорим чуть ниже.

Как бы то ни было, теперь наш зародыш размечен гораздо сложнее и интереснее, чем в начале. У него есть передняя часть, в которой много А, а концентрация Б растет спереди назад (по направлению к пояску), сам центральный поясок, где максимальна концентрация Б, и задняя часть, где мало А и где концентрация Б убывает от пояска назад. Зародыш подразделился на четко отграниченные друг от друга части, в которых клетки находятся в разных условиях и поэтому могут выполнять разные подпрограммы своей исходной общей программы.

Мы подразделили зародыш на передний, средний и задний отделы. Они могут стать, например, головой, туловищем и хвостом. Но хотелось бы еще понять, где у него будет спина, а где брюшко. Как это сделать? Очень просто, мы уже это проделывали. Нужна инструкция, приводящая к появлению одной клетки или группы клеток, выделяющих какое-нибудь вещество (например, В) на любом «боку» зародыша, где-то посередине между головой и хвостом. И пусть это вещество В запустит программу развития спины там, где его много, и программу формирования брюха там, где его мало. Когда зародыш подробно размечен, каждая группа клеток может точно определить, где она находится, и активизировать заготовленную на этот случай подпрограмму (набор правил поведения).

Пример развития двусторонне-симметричного организма в программе EvoDevo (из неполяризованной зиготы). Сначала в произвольном месте зародыша возникает одна клетка- организатор, выделяющая морфоген А. Градиентом концентрации этого морфогена (стрелка, направленная вправо и вверх) будет задаваться спинно-брюшная полярность (где его много, будет брюхо, где мало — спина). Затем на определенном расстоянии от первого организатора возникает второй — клетка, выделяющая морфоген Б. Градиент концентрации Б (стрелка, направленная влево и вверх) будет определять передне-заднюю полярность. После этого клетки зародыша, исходно одинаковые, подразделяются на три типа. Клетки, в которых концентрация Б максимальна, становятся «головными» (темными) . Все прочие клетки становятся либо «брюшными» (если концентрация А высока), либо «спинными» (если она низка). Из эмбриона, размеченного таким образом, можно вырастить разнообразные двусторонне-симметричные существа, добавляя в программу правила поведения, распространяющиеся только на клетки определенного типа. Такие правила должны начинаться с инструкции: «Если ты клетка такого-то типа, то…».

В ходе развития настоящего зародыша действительно то тут то там появляются — сами собой! — особые управляющие центры, так называемые организаторы. Никакой мистики, никакого разумного вмешательства. Организаторы — это просто группы клеток, выделяющие тот или иной морфоген, который служит для других клеток сигналом и влияет на их поведение. При этом все клетки по-прежнему ведут себя в строгом соответствии с изначальной генетической программой, которая у всех одна и та же. Управляющие центры возникают сами, путем самоорганизации, никто их нарочно туда не вставляет. Никакого «единого централизованного руководства» для этого не требуется. И его нет.

В развитии настоящих животных все сложнее, чем в придуманном нами примере, но, как ни странно, ненамного.

—————

Организатор Шпемана

Становление современной эволюционной биологии развития [89]началось с поразительного результата, полученного в 1920-е годы эмбриологом Гансом Шпеманом (1869–1941) и его ученицей Хильдой Мангольд (1898–1924), трагически погибшей вскоре после этого эксперимента. Мангольд вырезала из зародыша тритона небольшой кусочек и пересадила его в другой зародыш, находящийся на той же стадии развития. В результате из второго зародыша развились два сросшихся тритона — сиамские близнецы. Как выяснилось, для получения такого результата необходимо брать кусочек для пересадки из определенного места первого зародыша — из спинной губы бластопора [90].

Самое интересное, что «лишний» тритон развивается не из пересаженных клеток, а из клеток зародыша-реципиента (того, кому пересадили чужую ткань). В этом можно убедиться, если использовать в роли донора и реципиента зародыши тритонов, различающихся по окраске. Дополнительный тритон в этом случае будет окрашен так же, как и основной. Все гены у него будут такие же, как у реципиента: два тритона будут настоящими идентичными близнецами.