Конечности начинают расти, когда само тело уже достаточно хорошо сформировано. Их зачаток на раннем этапе развития похож на сплюснутый воздушный шарик. При этом одни клетки создают его «оболочку», внутри которой делятся другие клетки; это деление и ведет к росту «шара». Впоследствии внутренние клетки образуют зародышевые элементы костной системы — предтечи костей. На верхушке оболочки «шара» находится утолщенный гребень; он и придает лапке цыпленка ее окончательную форму.
То же самое происходит с конечностями человека. На краю зоны развития в том месте, где будет сформирован мизинец, находится особая сигнальная зона, в которой образуется белок «Акустический еж». Он передает информацию по линии, которая пролегает от большого пальца к мизинцу. Концентрация «Акустического ежа» наивысшая в районе формирования мизинца, она снижается ближе к зоне, где образуется большой палец. Ученые полагают, что степень концентрации «Акустического ежа» определяет позицию клеток, а значит, и то, какой именно палец здесь сформируется.
Присвоим трем пальцам цифры 4, 3, 2 по направлению от мизинца к большому пальцу. Они обычно располагаются согласно формуле «4-3-2», и палец «4» характеризуется высоким содержанием «Акустического ежа», а палец «2» — низким. Если взять у одного эмбриона участок тканей с присутствием «Акустического ежа» и пересадить в область зачатка конечностей другого эмбриона, где должен будет вырасти большой палец, то конечность расширится и на ней появится шесть пальцев по формуле «4-3-2-2-3-4».
«Акустический еж» помогает контролировать развитие пальцев как на руках, так и на ногах. Ответная реакция на него клеток, располагающихся на руках и на ногах, не одинакова — дело в том, что на верхних и нижних конечностях активируются разные гены. Иногда — к счастью, довольно редко — дети рождаются с лишними пальцами; это происходит из-за того, что в районе формирования большого пальца образуется дополнительная сигнальная область с «Акустическим ежом».
В развитии конечностей большую роль играет программируемая смерть клеток — апоптоз, которая заставляет умирать те клетки, которые располагаются между пальцами. Если бы этого не происходило, на руках были бы перепонки и они походили бы на утиные лапки. Апоптоз является частью механизма образования структур тела; он контролируется генами.
По мнению ряда ученых, позиции клеток на основной оси руки, от плеча до кисти, определяются временем, которое клетки проводят в зоне развития. Те клетки, которые находятся в зоне развития дольше всего, становятся пальцами. Те же клетки, которые покидают ее раньше других, образуют кости — лучевые и локтевые. Такая модель, в которой за позиции клеток отвечает механизм, регулирующий время, объясняет эффект препарата талидомида — его прием беременными женщинами приводил к деформациям конечностей у новорожденных младенцев. Талидомид, вероятно, убивает клетки в зоне развития и ломает график их распределения вдоль оси конечности. Это приводит к тому, что из всех тканей руки развиваются только ткани в районе кисти. Есть данные, что талидомид блокирует развитие кровеносных сосудов, и это вызывает незапланированный природой апоптоз в зоне развития, из-за чего дети рождаются с кистью, которая начинается прямо от плеча.
Все клетки мускулов в наших конечностях мигрируют туда из сомитов, о которых мы уже упоминали. В отличие от клеток конечностей, клеткам, которым предстоит развиться в клетки мускулов, не присвоено на ранней стадии никаких позиционных значений; они совершенно одинаковы — в этом смысле между ними царит подлинная демократия. Когда будущие мускульные клетки проникают в ткань конечностей, клетки конечностей, обладающие позиционными значениями, направляют их в нужные места, где эти клетки превращаются в мускульные и прикрепляются к костям и сухожилиям. Они и на этой стадии развития ведут себя абсолютно демократично, без каких-либо претензий, и готовы соединиться с любой костью и сухожилием, с какими войдут в непосредственный контакт. Это показали многочисленные эксперименты на эмбрионах цыплят.
Существует и пока еще до конца не понятый механизм, который определяет позиции клеток, располагающихся вдоль основной оси тела, то есть от него зависит, где разовьются шея, ребра, конечности и нижняя часть спины. Этот механизм активирует специальный набор генов, известных как гены Хокса, которые также были открыты во время исследований на дрозофилах. У дрозофилы набор этих генов отображается вдоль ее тела в той последовательности, в которой они отражены в хромосоме. Это — единственный известный пример пространственной взаимосвязи между порядком генов в хромосоме и их расположением в эмбрионе. У нас имеется четыре набора, в которые входят до тринадцати таких генов, называемых гомеотическими, — расположенные на четырех различных хромосомах, что объясняется удвоением первоначального набора в ходе эволюции, они тесно связаны между собой.
Наборы гомеотических генов отображаются на различных позициях вдоль оси нашего тела, идущей от головы к копчику, и определяют развитие тканей в различных локальных секторах — например, то, где вырастут ребра или где разовьются зачатки будущих конечностей. Так, например, ген Хокса А1 отображается в той части тела, которая относится к голове, а ген Хокса А13 — в нижней части нашего позвоночника.
Спинной мозг — это хороший пример морфогенезиса (изменения формы), в основе которого лежат механические процессы, способные восхитить любого инженера. Ткань, из которой в будущем разовьется головной и спинной мозг, выделяется на весьма ранней стадии нашего развития и представляет собой узкую полоску. Формирование трубки, из которой затем разовьется спинной мозг, похоже на складывание листка бумаги. Первой ступенью является образование борозды вдоль срединной линии, в результате чего области ткани, располагающиеся по обеим сторонам от борозды, поднимаются вверх, двигаются в направлении срединной линии, встречаются и соединяются. В результате образуется трубка, состоящая из всего лишь одного слоя клеток и пустая внутри.
За все изменения формы отвечает программа, заложенная в клетках, образующих полоску. Формирование первоначальной борозды вызывается клетками, располагающимися на срединной линии. Они приобретают клинообразную форму — возможно, из-за сжатия клеток, находящихся под оболочкой трубки.
После соединения краев полоски и образования трубки трубка отделяется от окружающей ее ткани. Это становится возможным в результате изменения молекул, располагающихся на клеточных оболочках, которые ранее способствовали соединению и сцеплению клеток, а теперь не препятствуют их разъединению. Обретя самостоятельность, трубка превращается в сплошной стержень, но затем клетки в сердцевине стержня начинают отмирать, в результате чего он вновь превращается в трубку. О развитии спинного мозга мы поговорим далее — в контексте развития всей нервной системы.
Наше лицо в основном образуется группой клеток, принадлежащих к нервному гребешку. Первоначально они обладают способностью превращаться в различные типы клеток и, таким образом, являются мультипотентными клетками. Но позже, начав миграцию, они дифференцируются на клетки различных типов (мой большой нос также обязан своим происхождением нервному гребешку). Путь, проделываемый этими клетками в ходе миграции, определяется клетками, поверх которых они движутся, — движение зависит от выделений, испускаемых нижним слоем клеток. Эти выделения могут как увеличить, так и уменьшить сцепление между клетками и, следовательно, затруднить или ускорить их перемещение. Кроме того, на скорость и направление движения влияет выпячивание клеточной оболочки в нижнем слое.
По мере миграции способность клеток к мультипотенции уменьшается. Причина этого в сигналах, получаемых ими от слоя, над которым они движутся. Эти сигналы направляют их в совершенно определенные места, и то, в какой тип клеток они разовьются, зависит от места, в котором они в конце концов окажутся. Когда клетки прибывают в пункт назначения, они получают сигналы, благодаря которым начинается активация одних и подавление других генов, отвечающих за превращение этих клеток. Что же до числа сигналов, которыми обмениваются клетки, то оно очень велико, и все эти сигналы так или иначе связаны между собой — как правило, каждый следующий сигнал клетки модифицируется на основе информации, пришедшей с предыдущим сигналом. Все это вместе составляет весьма сложную, постоянно меняющуюся картину. Правда, надо иметь в виду, что изменения происходят в заданных рамках.
