Шарль Бонне (1720-1793) полагал, что эмбрион, по сути, представляет собой маленькое, но полностью оформленное существо. И время пребывания в матке затрачивается на то, чтобы увеличить уже существующие органы. Эти маленькие “гомункулусы”, как их назвали, были основой его теории эволюции. Женские особи носят в себе все будущие поколения своего потомства. Гомункулусы могут переживать катастрофы, и из предшествующих поколений женских особей со временем de novo образуются новые формы жизни. На конечном этапе когда-то в будущем из гомункулусов в человеческой матке должны выйти ангелы.
В следующем столетии в лабораториях появлялись разные типы эмбрионов, а для их изучения применялись новые оптические методы. Когда ученые смогли увидеть настоящие эмбрионы, идея Бонне умерла, но вопрос о том, каким образом возникают столь разные существа, как слоны, птицы и рыбы, оставался открытым.
В 1816 году два студента-медика стали одними из первых ученых, кто глубоко проник в проблему формирования биологического разнообразия на уровне эмбрионов. Карл Эрнст фон Бэр (1792-1876) и Христиан Пандер (1794-1865) росли в высокопоставленных семьях немецко говорящего населения Балтийского региона. В медицинской школе Вюрцбурга они последовали примеру Аристотеля и занялись изучением куриных эмбрионов. Пандер инкубировал тысячи яиц, вскрывал их в разных фазах развития и рассматривал под увеличительным стеклом, чтобы увидеть, как формируются органы. В первые годы исследований у него было очевидное преимущество: он происходил из состоятельной семьи[3] и мог позволить себе построить стеллажи для тысяч яиц, нанять помощника для извлечения эмбрионов и заказать высококачественные гравюры для публикации. Не имея таких средств, как Пандер, фон Бэр оставался на втором плане.
Карл Эрнст фон Бэр
Технологические новшества были на руку Пандеру: он сумел раздобыть лучшие увеличительные стекла для разглядывания тканей и клеток. Имея множество эмбрионов разного возраста и новые линзы, чтобы их рассматривать, он смог разглядеть то, чего до него не видел ни один человек. Эмбрионы на ранних стадиях развития не имели различимых органов, и меньше всего они походили на гомункулусов, о которых говорил Бонне. Ранние эмбрионы не были похожи на взрослых особей, а представляли собой просто клеточные диски на поверхности желтка.
Пандера интересовал не только внешний вид эмбрионов – он хотел знать, что происходит внутри. Сосредоточившись на этом, он отметил, что эмбрион зарождается как простой диск размером с несколько песчинок. Увеличиваясь в ходе развития, он приобретает три слоя ткани, похожие на три листка, расположенные один поверх другого. На этой стадии эмбрион напоминает круглый трехслойный кекс.
Имея в распоряжении тысячи яиц, Пандер проследил, что происходит в каждом из слоев куриного эмбриона, вырастающего из простого трехслойного диска до взрослой курицы с головой, крыльями и ногами. Он видел, как постепенно оформляются органы.
Работая с увеличительными стеклами и подробно зарисовывая все стадии развития, Пандер обнаружил простой общий принцип в основе этого сложного процесса. Строение тела определялось тремя слоями эмбриона. Внутренний слой в конечном итоге давал начало органам пищеварения и связанным с ними железам. Промежуточный слой превращался в кости и мышцы, а внешний становился кожей и органами нервной системы. По мнению Пандера, а также фон Бэра, который наблюдал за его открытиями, эти три слоя были важнейшим организующим принципом формирования тела курицы.
Фон Бэр подозревал, что в этих трех слоях скрывается даже нечто большее. К сожалению, не имея финансовой возможности, он не мог начать самостоятельные исследования, пока через десять лет не получил должность профессора в Кёнигсбергском университете. Теперь, имея доход, он мог заняться изучением множества неизвестных вещей относительно эмбрионов животных разных видов. В этом поиске он иногда сбивался с пути. Чтобы продемонстрировать, в каком органе образуются яйцеклетки млекопитающих, он принес в жертву собаку директора университета. Имя фон Бэра на века осталось связанным с открытием, что яйцеклетки млекопитающих образуются из фолликулов в яичниках, но история умалчивает о том, что думал директор о его экспериментальных методах.
Фон Бэра интересовало, какие механизмы определяют отличие одного животного от другого. Он собирал эмбрионы всех видов, какие только мог, от рыб до ящериц и черепах. Извлекая эмбрионы из яиц или матки, он консервировал их в бокалах со спиртом. Потом, как до этого его друг Пандер, он начал анализировать, что общего в развитии всех животных и что определяет уникальность каждого вида.
Разглядывая через увеличительные стекла эмбрионы разных видов, он заметил очень важные вещи, касающиеся разнообразия животных. Эмбрионы всех видов начинают существование в виде трех листков – внутреннего, внешнего и промежуточного. Наблюдая за этими листками, он установил, что все они проходят один и тот же путь. Клетки самого нижнего уровня в основании диска становятся органами пищеварительной системы и связанными с ней железами. Из среднего листка образуются почки, репродуктивные органы, мышцы и кости. Внешний листок дает начало коже и нервной системе. Открытие Панд ера касалось не только куриных эмбрионов, оно было справедливо для всего царства животных.
Это простое наблюдение выявило универсальную связь между всеми органами у всех известных животных. Сердце глубоководной рыбы-удильщика и парящего высоко в небе альбатроса образуется из клеток среднего листка, а их кишечник, желудок и другие пищеварительные органы возникают из внутреннего листка. И этот закон настолько универсален, что про каждый орган любого животного на Земле можно сказать, из клеток какого листка он произошел.
Но затем фон Бэр допустил ошибку. Он забыл подписать некоторые сосуды с эмбрионами разных видов. Не зная, что содержится внутри, он был вынужден внимательно их рассмотреть. Описывая неизвестные эмбрионы, он констатировал: “Это могли быть ящерицы, мелкие птицы или очень мелкие млекопитающие. Головы и туловища этих животных формируются очень похожим образом. Конечностей у них еще нет. Но даже если бы они были, на первых этапах развития они ничего не показывают, поскольку ноги ящериц и млекопитающих, крылья и ноги птиц, а также руки и ноги человека развиваются из одинаковых структур”.
Не подписав образцы, фон Бэр обнаружил порядок формирования структур тел животных в процессе развития. Тела взрослых животных обычно скрывают общий путь ранних стадий развития. Хотя взрослые особи и даже новорожденные существа могут выглядеть очень по-разному, на ранних стадиях развития все они очень похожи.
Однако сходство эмбрионов еще глубже. Голова взрослой рыбы имеет мало общих черт с головой взрослой черепахи, птицы или человека. Но вскоре после зачатия эмбрионы всех этих существ имеют четыре вздутия в основании головы. Эти так называемые жаберные дуги, разделенные расщелинами, образуются у всех существ, имеющих костяной череп. На самом деле они определяют основу формирования черепов разного типа. У рыб клетки внутри этих вздутий становятся мышцами, нервами, артериями и костями жабр. Расщелины становятся жаберными щелями. У человека нет жабр, но на стадии эмбриона у нас есть и жаберные дуги, и расщелины между ними. У нас клетки дуг становятся костями, мышцами, артериями и нервами нижней челюсти, среднего уха, гортани и голосового аппарата. Расщелины никогда не становятся жаберными щелями, а закрываются и превращаются в части ушей и глотки. Они есть у нас на стадии эмбриона, но не на стадии взрослых особей.
Пример за примером – от почек и мозга до нервов и костей – обеспечивали гипотезе Бэра весомые доказательства. Рыбы и акулы имеют тяж соединительной ткани, идущий от головы до хвоста под спинным мозгом. Он заполнен желеобразным веществом и обеспечивает телу необходимую гибкость. Человеческий позвоночник состоит из позвонков – костных структур, разделенных между собой межпозвоночными дисками. Никакого тяжа между головой и тазом у нас нет. Но человеческие эмбрионы похожи на эмбрионы рыб и акул, и у них есть такой тяж. В процессе развития он расщепляется на отдельные блоки, которые со временем становятся внутренней частью наших межпозвоночных дисков. Если у вас когда-нибудь был разрыв межпозвоночного диска (это очень болезненная травма), вы повредили именно этот древнейший сохранившийся элемент развития, который роднит нас с рыбами и акулами.
