Онтогенез. От клетки до человека - Джейми Дейвис

Рис. 70. Роль гибели клеток в исчезновении перепонок между пальцами. Слева показана схема развития нормальной утиной лапы: гибель клеток между пальцами в зачатке конечности незначительна, перепонки сохраняются. На схеме посередине показано развитие нормальной куриной лапы: избирательная гибель клеток между пальцами сильно выражена (как и в случае человеческой руки), и образуются конечности без перепонок. Схема справа показывает результаты эксперимента, в котором сигналы, в норме вызывающие избирательную гибель клеток в конечности цыпленка, были ингибированы. Образовавшаяся конечность похожа на утиную. Это позволяет предполагать, что избирательная гибель клеток имеет принципиальное значение для исчезновения перепонок. Я говорю «предполагать», а не «считать доказанным», так как нельзя полностью исключать, что метод, используемый для ингибирования сигналов, также влияет на какой-то иной, пока неизвестный процесс в конечности. «Неизвестные неизвестности», как метко окрестил это явление Дональд Рамсфелд, – вечная проблема, возникающая при интерпретации биологических экспериментов

Когда ученые поняли, что при изменении количества мышц может изменяться число погибающих мотонейронов, а некоторые мотонейроны гибнут даже при нормальном развитии, они предположили, что мышц всегда немного меньше, чем мотонейронов. Тщательный биохимический анализ развивающихся мышц показал, что они производят факторы выживания нейронов в очень ограниченном количестве.[256] На ранних стадиях развития мотонейроны могут обходиться без этих факторов, но затем впадают в зависимость от них. Самоубийственный потенциал заложен в клетках изначально, и только сигналы от факторов выживания не дают привести его в исполнение. Мышцы рук нормального эмбриона производят недостаточно факторов выживания, чтобы сохранить все мотонейроны, и только клетки, образовавшие наилучшие соединения с мышцами, получают его в нужном количестве. Другие клетки получают слишком слабый сигнал, недостаточный для сдерживания «тяги к самоубийству». Поэтому такие клетки самоуничтожаются. Таким образом, многочисленные клетки конкурируют друг с другом за факторы выживания, и выживают лишь те, которым удалось создать оптимальное соединение с источниками этих факторов.

Перепроизводство клеток с последующим выбором лучших напоминает перепроизводство молодых животных с последующим отбором наиболее приспособленных (основной принцип естественного отбора, лежащий в основе дарвиновской теории эволюции).[257] Параллель неточная, но обе системы действительно предоставляют способ выбрать «наиболее приспособленные» единицы, обладающие случайной изменчивостью. В случае дарвиновской эволюции изменчивость выражается в разных комбинациях генов, которые несут конкурирующие между собой молодые особи. Изменчивость мотонейронов эмбриона в основном выражается в том, насколько точно их аксоны находят путь к цели. В обоих случаях наиболее приспособленные выживают, а остальные погибают. Благодаря такой организации процесса отпадает необходимость в сверхточном программировании пути движения аксонов, а также повышается устойчивость эмбриона к сбоям в работе системы.

Принцип конкуренции клеток за поступающие от цели сигналы выживания не ограничивается мотонейронами спинного мозга. Он также проявляется в сенсорной системе и во многих областях головного мозга. Самое интересное, что этот принцип проявляется не только в нервной системе. Его широкое распространение легло в основу так называемой трофической гипотезы,[258] согласно которой выживание любых клеток зависит от ограниченного количества факторов выживания, производимых другими клетками. Один из авторов этой гипотезы был настолько уверен в ее истинности, что, когда впервые рассказывал о ней на конференции, предложил внушительную премию тому, кто найдет противоречащий ей пример (оговорившись, что аномальные клетки и эмбрионы на самых ранних стадиях развития в расчет не принимаются). Премия так и осталась невостребованной.

Трофический принцип полезен для объяснения процессов развития, происходящих как на очень коротких, так и на очень длительных периодах времени. Во-первых, в соответствии с этим принципом клетки, которые образовались не там, где надо, или же «заблудились» и оказались далеко от будущих партнеров, просто покончат жизнь самоубийством, не причинив никому неудобств. Во-вторых, трофический принцип, возможно, обусловил эволюцию сложных организмов. Рассмотрим двух гипотетических животных с одинаковой формой тела. В организме одного из них сразу образуется именно столько мотонейронов, сколько нужно для обслуживания мышц рук, а в организме другого, как и у нас, сначала образуется слишком много мотонейронов, а затем избыток ликвидируется. Теперь представьте, что окружающая среда этих животных меняется, и открывается новая экологическая ниша, подходящая для животных с сильными конечностями (например, теперь нужно рыть землю или прыжками перемещаться с дерева на дерево). Чтобы животные первого типа получили более развитые, но функционирующие передние конечности, у одной особи должны одновременно произойти две мутации: одна, чтобы увеличить руки, а другая, чтобы увеличить количество мотонейронов ровно настолько, насколько нужно. Для животных второго типа будет достаточно мутации, которая приведет к увеличению рук, потому что количество выживших мотонейронов будет корректироваться автоматически с учетом нового, большего источника факторов выживания. Вероятность возникновения одной мутации мала; вероятность возникновения двух мутаций у одной и той же особи крайне мала, и такого стечения обстоятельств придется ждать очень долго. Животные, в организме которых имеет место перепроизводство клеток и последующее избирательное выживание, находятся в лучших условиях и имеют больше шансов выиграть эволюционную гонку – то есть эволюционировать быстрее и занимать новые экологические ниши. Поэтому неудивительно, что эти принципы лежат в основе развития сложных животных с долгой эволюционной историей, таких как мыши или люди. Не будь их, такие животные, возможно, просто не смогли бы возникнуть за всю эволюционную историю Земли.