Книга Онтогенез. От клетки до человека - Джейми Дейвис

Может показаться, что различие несущественно, а недовольство по поводу того, что некоторые буквально воспринимают сочетание «ген такой-то структуры тела», – не более чем академическое занудство. Однако я считаю, что правильное понимание здесь очень важно. Проблема с выражением «ген такой-то структуры тела» в том, что оно наводит на мысль о жестком плане, а не о гибкой системе «вложенных» механизмов, организующих тело за счет интеграции собственных сигналов и сигналов окружающей среды. Так создается впечатление предопределенности, а оно не соответствует действительности. Цепкость этого заблуждения хорошо видна по яростной полемике о сравнительной роли генов и окружающей среды при развитии человека, иначе говоря, о роли «природы» и «воспитания». Уже в 1909 г. биологи Вильгельм Йоханнсен[372] и Ричард Вольтерек[373] независимо друг от друга опубликовали два четких подтверждения того, что развитие животных определяется не только генетикой, но и взаимодействием генетических механизмов с окружающей средой. В дальнейшем то же самое было показано во многих других исследованиях на огромном количестве видов, включая людей. Тем не менее буквальная интерпретация таких чисто технических обозначений, как «ген такой-то структуры тела», породила в умах некоторых психологов, социологов, педагогов и политиков, а также общественности ложную дихотомию «природы» и «воспитания». Когда политики и врачи закладывают неверно интерпретированные научные результаты в основу разработки образовательных программ, программ охраны психического здоровья и уголовного кодекса, становится понятно, что «академическим занудством» этот вопрос никак не назовешь.

Данные по аномалиям развития и их причинам (как генетических, так и связанных с окружающей средой) были и остаются исключительно важными для понимания нормального развития, только их нужно правильно использовать. Название тератологии – науки об аномальном развитии – происходит от древнегреческого слова, означающего «монстр» или «диво», хотя, когда речь идет об отклонениях в развитии человеческого тела, большинство людей предпочитают использовать нейтральную терминологию. Тератология вносит огромный вклад в биологию развития, который можно условно разделить на две основные части. Во-первых, тератология позволяет ассоциировать конкретный ген или биохимический путь с определенным событием при развитии. Например, инактивирующая мутация в обеих копиях гена, кодирующего сигнальную молекулу GDNF, приводит к рождению мыши или человека без нервной системы в кишечнике, а также без почек. Это наблюдение, естественно, наводит на мысль, что сигнальный путь, компонентом которого является GDNF, вовлечен в развитие двух этих органов. Это нетрудно проверить на генетически нормальных эмбрионах при прямом локальном воздействии на сигналы GDNF с помощью искусственных источников или ингибиторов сигнала. Такой подход дал настолько хорошие результаты, что были запущены масштабные программы по выявлению последствий мутаций в каждом гене некоторых простых организмов, таких как черви и плодовые мушки, чтобы примерно понять, в какие события при развитии вовлечены белки, кодируемые каждым геном. Очень часто информацию, полученную на этих животных, потом с исключительным успехом применяли для планирования экспериментов над мышиными и человеческими эмбрионами. Аналогичным образом, тесная корреляция между химическим токсином и определенным сбоем развития позволяет понять (если известно биологическое действие токсина), какие сигнальные пути и другие процессы необходимы для развития той или иной части тела. Вспомним историю с талидомидом, о которой шла речь в главе 11. Еще один пример, на этот раз из области сельского хозяйства: у овец, которые пасутся на полях, где встречается полевой вьюнок, часто рождаются ягнята с одним глазом по центру и одной ноздрей. Это растение содержит циклопамин (циклопы – одноглазые великаны из древнегреческой мифологии), который является мощным ингибитором сигнального пути многократно упоминавшегося белка SHH. Это наблюдение – хорошая подсказка исследователям, что сигнальный путь SHH принимает участие в формировании правильной структуры лица. Существенная часть информации о развитии человека, представленная в этой книге, была получена именно благодаря тератологическим, в том числе терато-генетическим, исследованиям.

Вторая заслуга тератологии (я снова имею в виду тератологию, сопряженную с генетикой) – это вклад в понимание эволюционного происхождения человека. Как поняли еще Уоллес и Дарвин, для эволюции нужны две вещи: изменчивость (для образования разнородной популяции) и естественный отбор (для того чтобы в следующем поколении были представлены только определенные варианты из встречающихся в популяции). Изменчивость у животных, которые конкурируют за то, чтобы оставить успешное потомство, подразумевает изменчивость конкретных событий в их развитии. Как правило, они незначительны: чуть более длинная или короткая нога, чуть более разветвленные легкие, чуть более складчатая кора головного мозга. Иногда последствия мутации оказываются более значительными, например, в случае мутации, которая «отменяет» избирательную гибель клеток между пальцами, так что скачкообразно формируются приспособленные для плавания перепончатые лапы. Эволюционные биологи до сих пор спорят о том, как происходит большинство эволюционных изменений – за счет частых небольших изменений или внезапных скачков, – но в любом случае изменения в развитии обеспечивают изменчивость взрослых организмов, которые оставят потомство. Изучение того, как изменения в генах животного могут привести к мелким или значительным изменениям его тела, а также того, как развитие меняется в результате взаимодействия генетической основы и факторов окружающей среды (от температуры до токсинов), показывает нам, как возникает эволюционно важная изменчивость.

Мы еще многого не знаем о человеческом развитии. Существует ли вероятность того, что нас ждут сюрпризы, которые коренным образом изменят наш взгляд на него, или же основные принципы развития уже известны и будущим исследователям осталось только заполнить некоторые пробелы? Большинство ученых сходятся на том, что общие принципы уже известны – это генетический контроль, межклеточная коммуникация, миграции клеток и т. д. Однако, как показывает история науки, это еще ни о чем не говорит. В конце XIX в. физики, вооруженные законами Ньютона, законами Максвелла и законами термодинамики, были уверены, что в общем и целом знают устройство Вселенной и что осталось прояснить лишь некоторые частности. Затем были открыты теория относительности и квантовая механика, и традиционные представления полетели вверх тормашками. Природа без устали преподносит нам сюрпризы. Так в какой же области биологии развития наиболее вероятны открытия, способные потрясти ее парадигму?

Маловероятно (по крайней мере, так кажется мне), что к революционным открытиям приведут дальнейшие исследования на молекулярном уровне. Они, безусловно, оставляют простор для неожиданностей, как подтверждает недавнее открытие РНК-интерференции и микро-РНК[374],[375],[376] – совершенно нового для нас метода генетического контроля. Тем не менее это открытие не изменило основной принцип – то, что одни гены контролируют экспрессию других, – а просто показало, что иногда это происходит с помощью не белка, а РНК. Более перспективное направление развития генетики – это рассмотрение общих паттернов экспрессии генов, выявление групп генов, которые всегда действуют вместе и, возможно, работают как согласованная система («модуль») при выполнении какой-то важной функции. Соседняя область, где можно попробовать поискать откровений, – это изучение паттернов связи в коммуникационных сетях клеток. Я имею в виду не молекулярную основу сигналов, а общие закономерности их организации, так сказать, «схемы проводки». Сейчас эти сигналы, как правило, изучают по отдельности, и лишь немногие первопроходцы исследуют сигнальные сети в целом, пытаясь разглядеть общую закономерность. При изучении бактерий, например, постоянно «всплывают» такие паттерны, как «петли прямой связи» или «упреждающие петли».[377] Не исключено, что в эмбрионе конкретные паттерны сигнальных сетей всегда связаны с определенными типами событий, какими бы разными ни были их молекулярные особенности. Если это окажется так, мы поднимемся на новый уровень понимания развития, а также по-новому посмотрим на вопрос, действительно ли развитие надорганизменных образований в целом похоже на развитие самого организма. Кроме того, можно было бы попробовать сравнить сети, объединяющие клетки развивающегося организма, и сети, связывающие организмы в формирующейся экосистеме. Может оказаться, что такие подходы позволят выявить интересные общие принципы, применимые к живой природе на самых разных уровнях организации.