Экспоненциальный рост характерен для систем, в которых уже достигнутый рост придает системе повышенную способность к росту. Классическим примером является численность бактерий в культуре. Одна бактерия растет и делится на две, и каждая из двух теперь может расти и делиться, в результате получаются четыре бактерии, затем восемь, затем шестнадцать и так далее. Приращение численности увеличивается с каждым делением. Сходный эффект наблюдается при экспоненциальном росте сложности: достигнутый уровень сложности повышает способность эмбриона усложняться на следующем этапе. Мы уже видели, как обмен межклеточными сигналами приводит именно к этому. Как только между клетками двух областей эмбриона возникает различие и, соответственно, граница, клетки, находящиеся на границе, могут ее детектировать и использовать как сигнал к дифференцировке в клетки третьего типа. Тогда возникнут две новые границы между клетками разных типов, и на каждой из них может произойти то же самое. Этот процесс схематично изображен для простого ряда клеток в ткани на рис. 86, а реальный пример того, как различия в сигналах от эктодермы и от нотохорда используются для возникновения сложного чередования разных типов клеток в сомитах и нервной трубке, обсуждался в главе 7. В реальной жизни, как и на схеме, различия порождают различия. Используя этот эффект, эмбрион поднимается от скучной однородности до удивительного внутреннего разнообразия – так сказать, вытягивает сам себя за волосы из болота. И по-видимому, как я говорил в главе 3, затравкой для запуска этого сложного процесса служат простые различия физических параметров.
Во-вторых, межклеточное взаимодействие используется для обеспечения правильного соотношения разных типов тканей и исправления неизбежных ошибок, проистекающих из присущего биохимическим реакциям случайного теплового шума. Запрос о более интенсивном росте, который одна ткань посылает другой, например, когда требуется усилить кровоснабжение (глава 9), подстраивание размера клеточной популяции под потребности организма (глава 16), «самоубийство» клеток, оказавшихся не там, где надо (глава 14), контроль над пролиферацией стволовых клеток за счет сигналов от клеток, которым они сами же и дают начало (главы 16 и 18), – вот лишь некоторые примеры удивительной гибкости нашего развития.
Эта гибкость возможна благодаря существованию сигнальных петель. Подчеркну, что речь идет не просто о сигналах, а о петлях обратной связи. Смысл в том, что результат процесса как бы передается в обратном направлении, то есть контролирует сам процесс. Мы уже рассматривали пример такой обратной связи в главе 9: кислород, поступивший в ткань в результате роста капилляров, снижает производство сигнальной молекулы VEGF, которая в противном случае способствовала бы дальнейшему росту капилляров. Благодаря петлям обратной связи межклеточные взаимодействия действительно напоминают разговор: клетки отвечают на сигналы другими сигналами, которые прямо или косвенно достигают цели. Поэтому поведение клеток в высшей степени взаимообусловлено. Это, вероятно, и является ключом к пониманию того, как может происходить биологическое конструирование при отсутствии внешнего «строителя», сверяющегося с планом и графиком работ. Кирпичи не могут почувствовать, на какой стадии находится строительство дома, и внести изменения в кладку в зависимости от того, что почувствовали. А вот клетки могут. В отличие от строителя, который может отойти и окинуть взглядом строящийся дом, они не способны «видеть» весь эмбрион, зато способны почувствовать все, что нужно, чтобы действовать в верном направлении.
Рис. 86. Граница между двумя типами клеток может способствовать дифференцировке на этой границе третьего типа клеток. При этом формируются две новые границы, которые могут способствовать следующим раундам дифференцировок и появлению новых типов клеток. Эта схема показывает общую идею, а не относится к какой-то конкретной области эмбриона. Примеры похожих процессов, протекающих в нервной трубке и сомитах, были приведены выше (глава 7)
Указания на то, что постоянная коммуникация между компонентами системы может устранить необходимость во внешнем строителе или организаторе, встречаются и в повседневной жизни. Инопланетянин, наблюдающий за покупателями на Оксфорд-стрит в Лондоне, за танцующими парами в заполненном зале или за фанатами на концерте под открытым небом, мог бы предположить, что всеми этими людьми управляет невидимый организатор, следящий за тем, чтобы они не сталкивались и не устраивали давку. Мы же знаем, что каждый участник просто руководствуется тем, что видит и слышит, и хотя ни один конкретный человек не может оценить общую картину, толпа самоорганизуется достаточно безопасным и разумным способом.[371] На более высоком уровне это проявляется в основных механизмах возникновения цивилизации, таких как развитие языка, экономические законы, способы распределения пищи и даже методы научных исследований. Они появились в результате взаимодействия очень многих людей, которые не видели глобальной перспективы (это прерогатива внешнего наблюдателя) и действовали на основании весьма ограниченных и сугубо локальных знаний. Тем не менее, несмотря на периодические экономические потрясения, цивилизация организована достаточно устойчиво и в целом не так уж плохо. Более того, те достаточно редкие ситуации, когда кто-либо пытался в одиночку придумать язык или планировать экономику, свидетельствуют о том, что это гораздо менее эффективный способ, чем традиционная самоорганизация многих людей, каждый из которых действует на свой манер. При образовании групп – от семьи до общества в целом – мы активно общаемся, и так же ведут себя термиты, муравьи и пчелы, образующие социальные колонии. Какой бы неточной ни была эта аналогия, она полезна для понимания того, как взаимодействующие клетки могут создавать организованные сообщества, значительно большие, чем они сами.
Удивительной особенностью механизмов развития является их структура, имеющая несколько уровней «вложения»: более поздние механизмы включают в себя более ранние, и эти более ранние механизмы нужны для протекания процессов более мелкого масштаба. Чтобы сформировалась нормально функционирующая сенсорная нервная система, нужно подстроить силу нервных соединений, а это происходит за счет использования положительной обратной связи при обучении (глава 15). Для того чтобы сложились петли положительной обратной связи, нужно, чтобы сначала образовалось очень много нервных соединений, что происходит за счет миграции клеток нервного гребня и их отростков при помощи навигационных подсказок (глава 13). Возможность связать навигацию с движением клеток зависит от самоорганизующихся петель обратной связи на ведущем крае клеток (глава 8), а эти петли, в свою очередь, зависят от простых реакций самосборки белковых единиц в микрофиламенты (глава 1). «Вложенная» структура прослеживается и за пределами уровня отдельного организма, а именно в человеческом обществе, хотя, конечно, не нужно доводить эту аналогию до абсурда. Общественная организация породила принципиально новые возможности, такие как передача приобретенных знаний из поколения в поколение, которые не имеют явных аналогов в организме, а организмы имеют свои особенности, которых нет в большинстве человеческих сообществ, например обновление за счет клеток зародышевой линии (хотя в колониях некоторых муравьев и пчел размножение является уделом определенных особей, которые, по сути, служат «зародышевой линией» колонии).
Как соотносится только что изложенная теория развития человека на основе клеточной коммуникации с превалирующим подходом, ставящим во главу угла гены? Если вспомнить, что белковые «машины», лежащие в основе коммуникативной модели развития, построены в соответствии с генетической информацией, станет понятно, что они не противоречат друг другу (глава 1). Белки регулируют экспрессию генов, а гены определяют синтез белков. Если корректно сформулировать эти две точки зрения на развитие, они никоим образом не войдут в конфликт. Это две стороны одной медали. Тем не менее на практике конфликт иногда возникает, и связано это с небрежной формулировкой геноцентрической точки зрения. Я думаю, что причина кроется в непонимании научного жаргона, покинувшего стены лабораторий и породившего путаницу даже среди студентов-биологов, не говоря уже о широкой публике. Это должно послужить предостережением всем ученым: нужно аккуратнее обращаться с терминологией, даже когда кажется, что «это и так всем понятно». В данном случае фраза «ген такого-то признака» породила представление, что конкретные гены напрямую определяют конкретные признаки организма на самом высоком уровне организации, например длину носа, силу рук или IQ.
