Рис. 12. Образование трех слоев тела – эктодермы, мезодермы и эндодермы – во время гаструляции. В верхней левой части изображен эпибласт эмбриона, у которого уже образовался узелок, как он виден со стороны амниотической полости. Гипобласт лежит под эпибластом и не виден. На основном рисунке изображена первичная полоска в разрезе (он обозначен пунктирной линией на рисунке в верхней левой части). Клетки эпибласта активно мигрируют в плоскости пласта, и траектории их движения сходятся в бороздке, получившейся из первичной полоски. Затем эти клетки выселяются из эпибласта и уходят в пространство между дисками. Часть из них (те, которые встраиваются между клетками гипобласта, расталкивая их от средней линии к краям) дадут начало эндодерме, а часть – мезодерме (новому слою клеток посередине между эпибластом и гипобластом). Клетки, не покинувшие эпибласт, формируют эктодерму
Почти сразу после образования эндодермы клетки, расположенные вдоль центральной линии диска гипобласта (то есть под первичной полоской), начинают двигаться вверх (рис. 13). Это клетки, которые выселялись из эпибласта непосредственно через узелок, с той его стороны, которая обращена к голове, а значит, это клетки, получившие самую высокую дозу сигнальных молекул узелка. Благодаря им эти клетки «запрограммированы» на то, чтобы покинуть эндодерму.
[62],
[63],
[64] Сразу после этого они выстраиваются вдоль оси эмбриона и образуют плотный стержень – нотохорд.
[65] Это одна из важнейших структур на ранних стадиях развития эмбриона. Чтобы понять, почему эта структура возникает так рано (а также то, почему она возникает вообще), нужно обратиться к эволюции животного мира.
Зоологи классифицируют животных, используя иерархическую систему. Основной единицей этой системы является вид (например, Homo sapiens/Человек разумный). Схожие виды образуют род (например, Homo). Похожие рода сгруппированы в семейства (например, Hominidae), семейства – в отряды (например, Приматы). Отряды, в свою очередь, объединяются в классы (например, Mammalia/Млекопитающие), классы – в подтипы (например, Vertebrata/Позвоночные), а подтипы – в типы. Самые первые классификации основывалась на простом сходстве, но, после того как благодаря Дарвину и Уоллесу прояснилась роль изменчивости и естественного отбора в возникновении кластеров схожих таксонов, классификации стали отражать эволюционные взаимоотношения. Тип Chordata (Хордовые), к которому относятся все позвоночные, включает всех животных, имеющих нотохорд на каком-то этапе развития. С точки зрения количества видов в типе хордовых преобладают позвоночные, но есть в нем и несколько беспозвоночных, оставшихся с раннего кембрия. Большинство из них довольно редкие организмы, но ланцетник встречается достаточно часто, и в некоторых районах Азии его даже употребляют в пищу. Ланцетники – животные примерно пяти сантиметров в длину, внешне похожие на рыб. Они не имеют костного скелета, но нотохорд сохраняется у них на протяжении всей жизни, укрепляя тело и обеспечивая опору для мышц.
Рис. 13. Образование нотохорда из клеток, расположенных вдоль средней линии эндодермы (напомним, что эндодерма образовалась из погрузившихся клеток первичной полоски)
Нотохорд, однако, не просто придает телу жесткость. Он состоит из особых клеток, выделяющих специальные белки. Поэтому нотохорд может служить источником сигналов при разметке плана строения эмбриона, а его расположение вдоль средней линии делает его идеально приспособленным для этой цели. Хордовые, включая позвоночных, активно используют эти сигналы для разметки внутренних тканей. Так, например, детерминируются различные типы нервных клеток в спинном мозге или соединительных тканей и мышц по обеим сторонам тела. Сигналы нотохорда настолько важны, что событиям, в которых они играют ключевую роль, посвящены несколько последующих глав (5, 7 и 9). В ходе эволюции позвоночных план строения хордовых значительно усложнился, но все эти усложнения, в конечном счете, основаны на способности клеток на ранних этапах развития получать и интерпретировать сигналы нотохорда. Поэтому нам уже никуда не деться от этой структуры. У взрослого организма нотохорд заменяется более сложной конструкцией, позвоночным столбом, но на раннем этапе развития мы не можем обойтись без его сигналов. Нотохорд – эмбриологическая «живая окаменелость» – утратил свою изначальную функцию механической поддержки, но остается важным элементом нашего развития. Он существует ровно столько времени, сколько нужно для того, чтобы он успел выполнить свою функцию. Позже нотохорд разрушается, а его остатки идут на образование межпозвонковых дисков, смягчающих нагрузку на позвоночник
[66] (повреждение этих дисков приводит к болезненной межпозвоночной грыже).
Мало того что система «узелок/первичная полоска» определяет положение главной оси тела и образует первые слои тканей, она также выполняет еще одну важную функцию – нарушение зеркальной симметрии левой и правой половины тела.
[67] Она делает это, перемещая жидкость в полости эмбриона очень неэффективным, но крайне полезным образом. Многие клетки животных обладают ресничками – маленькими, гибкими выростами. Каждая ресничка оснащена крошечным моторчиком, состоящим из белков, которые получают энергию из химических реакций и используют ее для воздействия на другие белки. Благодаря этим моторчикам реснички движутся – бьются. У одноклеточных животных биение ресничек позволяет им перемещаться в жидкости. В организме человека некоторые неподвижные клетки, напротив, используют реснички для перемещения жидкости. Например, реснички клеток дыхательных путей очищают легкие от слизи, а реснички клеток, выстилающих яйцевод, продвигают яйцеклетки и ранние эмбрионы к матке. У клеток узелка тоже есть реснички, они находятся на нижней стороне узелка и обращены в заполненную жидкостью полость.
