Самое грандиозное шоу на Земле: доказательства эволюции

МОДЕЛИРОВАНИЕ КЛЕТОК ПОДОБНО СКВОРЦАМ

Остер и его коллеги использовали ту же стратегию, которую мы рассматривали ранее в этой главе для компьютерного моделирования стай скворцов. Вместо того, чтобы программировать поведение всей бластулы, они запрограммировали единственную клетку. Затем они "клонировали" много клеток, все время наблюдая за тем, что происходило, когда эти клетки собрались вместе на компьютере. Когда я говорю, что они запрограммировали поведение единственной клетки, будет лучше сказать, что они запрограммировали математическую модель единственной клетки, собрав в этой модели некоторые известные факты об одиночной клетке, но в упрощенной форме. В частности, известно, что внутренние пространства клеток пересекаются микронитями: своего рода миниатюрными резинками, но с дополнительным свойством - способностью активно сокращаться, как сжимаются мышечные волокна. На самом деле, микронити используют тот же принцип сокращения, что и мышечные волокна. Модель Остера упростила клетку до двух измерений, для того чтобы изобразить ее на экране компьютера, и всего лишь с полудюжиной нитей, стратегически размещенных в клетке, как Вы видите на диаграмме выше. В компьютерной модели всем микронитям дали определенные количественные свойства с названиями, которые что-то означают для физиков: "коэффициент вязкостного демпфирования" и "постоянная упругой пружины". Не важно, что они в точности подразумевают: они являются теми вещами, которые физикам нравится измерять у пружин. Хотя надо полагать, что в реальной клетке многие нити были бы способны сокращаться, Остер и его коллеги упростили дело, снабдив только одну из шести нитей этой способностью. Если бы они смогли бы получить реалистичные результаты даже после того, как откинули некоторые из известных свойств клетки, по-видимому, было бы возможно добиться не менее хороших результатов с более сложной моделью, в которой эти свойства сохранялись. Вместо того, чтобы позволять одной сокращающейся нити в их модели произвольно сокращаться, они встроили свойство, распространенное в определенного рода мышечных волокнах: растянутое сверх определенной критической длины, волокно реагировало, сокращаясь до намного меньшей длины, чем его нормальная равновесная длина.

Микронити в модельной камере Остера

Итак, у нас есть своя модель единственной клетки: очень упрощенная модель, состоящая из двумерного контура, в котором натянуто шесть упругих пружин, у одной из которых есть особое свойство реагировать на приложенное извне растягивание активным сокращением. Это первый этап процесса моделирования. Во второй стадии Остер и его коллеги клонировали несколько дюжин своих моделируемых клеток и расположили их по кругу, подобно (двумерной) бластуле. Затем они взяли одну клетку и подрегулировали ее сокращающуюся нить, чтобы побудить ее к сокращению. То, что затем произошло, едва ли не слишком замечательно. Моделируемая бластула гаструлировала! Вот шесть скриншотов, показывающих, что произошло (от a до f ниже). Волна сокращений распространилась в стороны от возбужденной клетки, и шар клеток самопроизвольно вогнулся.

Остеровская модельная blastula gastrulating

То к чему идет - еще лучше. Остер и его коллеги поставили эксперимент на своей компьютерной модели, в котором понизили "порог срабатывания" сокращающихся нитей. Результатом была волна инвагинации, которая пошла дальше и фактически отщепила нервную трубку (скриншоты от а до h на обороте). Важно понять, чем реально является модель, такая как эта. Она - не точное представление нейруляции. Помимо того факта, что она являлся двумерной и упрощенной во многих других отношениях, шар клеток, который нейрулировал (скриншот а), не был двухслойной "гаструлой", как это должно было быть. Это была все та же бластулоподобная исходная позиция, какая была у нас в модели гаструляции выше. Это не имеет значения: не следует думать, что модели должны быть абсолютно точны во всех деталях. Модель, тем не менее, показывает, как легко воспроизвести различные аспекты поведения клеток в раннем эмбрионе. Факт, что двумерный "шар" клеток самопроизвольно отреагировал на стимул, даже при том, что модель более проста, чем реальная ситуация, делает ее более сильным свидетельством. Он убеждает нас, что эволюция различных процедур раннего эмбрионального развития не обязана быть такой уж сложной. Заметьте, что простой является модель, а не явление, которое она демонстрирует. Это является признаком хорошей научной модели.

Формирование 'нервной трубки' в модели Остера

Моя цель разъяснения моделей Остера состояла в том, чтобы показать общий принцип, благодаря которому отдельные клетки могут взаимодействовать друг с другом, строя тело без какого-либо чертежа, отображающего целое тело. Подобно складыванию оригами, инвагинация и отделение в стиле [эксперимента] Остера являются лишь некоторыми из самых простых уловок для построения эмбрионов. Другие, более сложные, играют роль позже в эмбриональном развитии. Например, изобретательные эксперименты показали, что нервные клетки, когда растут от спинного или головного мозга, находят дорогу к своему конечному органу, не следуя какого-либо рода общему плану, а благодаря химическому привлечению, почти как пес вынюхивает, выискивая суку в период течки. Ранний классический эксперимент Нобелевского лауреата, эмбриолога Роджера Сперри отлично иллюстрирует этот принцип. Сперри с коллегой взяли головастика и удалили крошечный квадратик кожи со спины. Они удалили другой квадратик, такого же размера, с живота. Затем они пересадили эти два квадратика, но каждый на место другого: кожа живота была пересажена на спину, а кожа спины - на живот. Когда головастик вырос в лягушку, результат был довольно симпатичен, как часто бывает с экспериментами в эмбриологии: имелась аккуратная почтовая марка белой кожи живота посреди темной, пестрой спины, а другая аккуратная почтовая марка темной пятнистой кожи - посреди белого живота. А теперь - главное в этой истории. Обычно, если пощекотать спину лягушки щетинкой, лягушка будет чесать это место лапой, как будто отгоняя раздражающую муху. Но когда Сперри щекотал своей экспериментальной лягушке белую "почтовую марку" на спине, она чесала живот! А когда Сперри щекотал ей темную почтовую марку на животе, лягушка чесала свою спину.

В нормальном эмбриональном развитии, согласно интерпретации Сперри, произошло следующее: аксоны (длинные "провода", каждый - узкий, трубчатый выступ отдельной нервной клетки) вырастают из спинного мозга в поисках кожи живота, вынюхивая ее как собака. Другие аксоны растут из спинного мозга, вынюхивая кожу спины. И обычно это дает правильный результат: щекотание спины ощущается, как если бы оно было на спине, в то время как щекотание живота ощущается, как если бы оно было на животе. Но у экспериментальной лягушки Сперри некоторые из нервных клеток, вынюхивающих кожу живота, нашли почтовую марку кожи живота пересаженной на спину, по-видимому, потому что она правильно пахла. И наоборот. Люди, которые верят в своего рода теорию tabula rasa (чистой доски), согласно которой мы все рождены с разумом в виде с чистого листа, и заполняем его опытом, должны быть удивлены результатом Сперри. Они должны ожидать, что лягушки будут учиться на опыте разбираться с ощущениями их собственной кожи, связывая правильные чувства с правильными местами на коже. Вместо этого кажется, что каждая нервная клетка в спинном мозге помечена, скажем, как нервная клетка живота или нервная клетка спины, даже прежде, чем она вступит в контакт с соответствующей кожей. Позже она найдет свой назначенный, целевой пиксель кожи, где бы он ни был. Если бы муха проползла вдоль ее спины, лягушка Сперри, по-видимому, испытала бы иллюзию, что муха внезапно перепрыгнула со спины на живот, проползла немного дальше, а затем мгновенно перепрыгнула снова на спину.

Подобные эксперименты вынудили Сперри сформулировать свою гипотезу "хемо-афинности", согласно которой нервная система монтируется, не следуя всеобщему чертежу, а благодаря тому, что каждый отдельной аксон, ищет конечные органы, с которыми у него есть особое химическое сродство. Еще раз, у нас есть маленькие, локальные единицы, придерживающиеся локальных правил. Клетки обычно изобилуют "ярлыками", химическими значками, которые позволяют им найти своих "партнеров". И мы можем вернуться к аналогии оригами, чтобы найти другое место, где принцип маркировки оказывается полезным. В человеческом бумажном оригами не используется клей, хотя мог бы. А в оригами эмбриона, в соответствии с которым собираются тела животных, действительно использует что-то аналогичное клею. Скорее клеям, потому что их существует много, и именно здесь маркировка торжествующе получает должное признание. У клеток есть сложный ассортимент "молекул адгезии" на их поверхностях, посредством которых они липнут к другим клеткам. Это клеточное слипание играет важную роль в эмбриональном развитии во всех частях тела. Тем не менее, есть существенное отличие от клеев, с которыми мы знакомы. Для нас клей является всего лишь клеем. Некоторые клеи сильнее других, некоторый из клеев схватываются быстрее других, некоторые клеи больше подходят, скажем, для дерева, в то время как другие лучше работают с металлами или пластмассами. Но это, пожалуй, и все относительно разнообразия среди клеев.

Молекулы клеточной адгезии работают намного более тонко. Можно сказать, они более разборчивы. В отличие от наших искусственных клеев, которые будут клеить большинство поверхностей, молекулы клеточной адгезии связываются только с другими особыми молекулами клеточной адгезии в точности правильной разновидности. Один класс адгезивных молекул у позвоночных, кадгерины, имеется в приблизительно восьмидесяти известных в настоящее время специфичных разновидностях. За некоторыми исключениями, каждый из этих приблизительно восьмидесяти кадгеринов свяжется только со своей собственной разновидностью. Забудьте на минутку клей: лучшей аналогией могла бы быть игра на детском празднике, где каждому ребенку назначают животное, и все они должны, кружа по комнате, производить звуки, как отведенные им животные. Каждый ребенок знает, что только одному из других детей назначили то же животное, что и ему, и он должен найти своего партнера, слушая какофонию, имитирующую фермерский двор. Подобно работают и кадгерины. Возможно, как и я, Вы смутно можете представить, как толковое добавление конкретных кагдеринов на поверхности клеток в стратегически важных местах могло бы улучшить и усложнить принципы самосборки оригами эмбриона. Заметьте, снова же, что это подразумевает не какой бы то ни было всеобщий план, а скорее разрозненную коллекцию локальных правил.

ФЕРМЕНТЫ

Видя, как целые слои клеток играют в игру оригами при формировании эмбриона, давайте теперь погрузимся в отдельную клетку, где мы обнаружим тот же принцип самосворачивания и самосгибания, но в намного меньшем масштабе, масштабе отдельной молекулы белка. Белки крайне важны по причинам, разъяснению которых мне следует уделить время, начиная с дразнящего рассуждения, превозносящего уникальную важность белков. Я люблю размышлять о том, насколько причудливо отличной, следует ожидать, будет жизнь в другом месте вселенной, но есть одна или две вещи, которые, я подозреваю, универсальны везде, где бы ни была обнаружена жизнь. Все живое окажется эволюционировавшим благодаря процессу, имеющему отношение к дарвиновскому естественному отбору генов. И она будет сильно опираться на белки - или молекулы, которые, как белки, способны сворачиваться в огромное разнообразие форм. Молекулы белка - виртуозы автооригамного искусства, в масштабе, намного меньшем, чем масштаб слоев клеток, с которыми мы пока что имели дело. Молекулы белка - поразительный образец того, что может быть достигнуто при следовании локальным правилам в локальном масштабе.

Белки - цепочки меньших молекул, называемых аминокислотами, и эти цепочки, подобно слоям клеток, которые мы рассматривали, также сворачиваются весьма строго заданным способом, но в намного меньшем масштабе. В белках, встречающихся в природе (это - один факт, который, по-видимому, будет другим в инопланетных мирах) есть только двадцать разновидностей аминокислот, и все белки являются цепочками, собранными лишь из этого ассортимента двадцати, выделенного из намного большего набора возможных аминокислот. Теперь - к автооригами. Белковые молекулы, просто следуя законам химии и термодинамики, спонтанно и автоматически скручиваются в трехмерные конфигурации точной формы - я почти сказал "узлы", но, в отличие от миксин (если я могу необоснованно сообщить не относящийся к делу, но занимательный факт), белки не завязываются буквально в узлы. Трехмерная структура, в которую загибается и скручивается цепочка белка, является "третичной структурой", с которой мы кратко познакомились, рассматривая самосборку вирусов. Любая конкретная последовательность аминокислот диктует специфическую схему сворачивания. Последовательность аминокислот, в свою очередь определяемая последовательностью букв в генетическом коде, определяет форму третичной структуры. Форма третичной структуры, в свою очередь, имеет чрезвычайно важные химические последствия.

Автооригами, в соответствии с которым сворачиваются и закручиваются цепочки белка, управляются при помощи законов химической притягательности и законов, определяющих углы, под которыми атомы связаны друг с другом. Вообразите ожерелье из магнитов необычной формы. Это ожерелье не висело бы грациозно прогибающейся линией вокруг грациозной шеи. Оно приняло бы какую-то другую форму, став запутанным, поскольку магниты удерживали бы друг друга и нашли бы друг у друга уголки и щели в различных местах вдоль цепочки. В отличие от случая с цепочкой белка, точная форма переплетения не была бы предсказуемой, потому что любой магнит притягивает любой другой. Но она иллюстрирует, как цепочки аминокислот могут спонтанно формировать сложную узловатую структуру, которая может быть не похожа на цепь или ожерелье.

Подробности того, как законы химии определяют третичную структуру белка, полностью еще не поняты: химики еще не могут установить во всех случаях, как свернется данная последовательность аминокислот. Однако есть хорошие свидетельства, что третичная структура в принципе выводима из последовательности аминокислот. Нет ничего таинственного во фразе "в принципе". Никто не может предсказать, как упадет игральная кость, но все мы верим, что это всецело определено точными деталями того, как она брошена, плюс некоторыми дополнительными фактами о сопротивлении воздуха и так далее. Проверенный факт, что определенная последовательность аминокислот всегда сворачивается в определенную форму или одну из дискретного набора альтернативных форм (см. длинную сноску напротив). И - важный вопрос для эволюции - сама последовательность аминокислот полностью определена, через применение правил генетического кода, последовательностью (триплетами) "букв" в гене. Даже при том, что смертным химикам нелегко предсказать, какое изменение в форме белка будет следствием конкретной генетической мутации, тем не менее, существует факт, что, как только мутация произошла, итоговое изменение формы белка будет в принципе предсказуемо. Один и тот же мутантный ген надежно произведет одну и ту же измененную форму белка (или дискретное меню альтернативных форм). И это -все, что имеет значение для естественного отбора. Естественному отбору не нужно понимать, почему генетическое изменение имеет определенное последствие. Достаточно, что оно есть. Если это последствие влияет на выживание, то сам измененный ген погибнет или уцелеет при конкуренции за доминирование в генофонде, независимо от того, понимаем ли мы точный путь, которым ген влияет на белок.