Иногда нам кажется, что мы прошли долгий и тяжкий путь познания со времен Аристотеля, но нам предстоит не менее долгий путь, прежде чем мы познаем суть этого биологического чуда. Несмотря на то что старые идеи эпигенеза и преформации были признаны устаревшими в свете тех знаний об эмбриональном развитии, которыми мы теперь располагаем, оказалось, что в этих идеях было все же зерно истины.
Когда микроскоп позволил биологам воочию увидеть сперматозоид и яйцеклетку, стало ясно, что начало жизни – это не просто смешение жидкостей, как предполагала теория эпигенеза Аристотеля. Однако потом выяснилось, что ни в яйцеклетке, ни в сперматозоиде нет ничего, даже отдаленно напоминающего миниатюрного человека. Преформированного человека не нашли ни в гаметах, ни в оплодотворенной яйцеклетке. Ранний эмбрион не был похож ни на ребенка, ни тем более на взрослого человека. В XVIII веке Каспар Вольф разглядел сложность, развивающуюся из простых начал, по мере того как образуется шаровидное скопление клеток, которое постепенно трансформируется в дифференцированные ткани. Детальная структура появляется в эмбрионе постепенно, развиваясь естественно, подобно тому как распускаются причудливые узоры из замерзающей на оконном стекле воды.
Вольф оказался прав: эмбриогенез – это синоним дифференцировки, начинающейся со стволовых клеток и заканчивающейся образованием дифференцированных тканей – кожи, мышц, костей, хрящей, нервов и др. Но и первая клетка организма, оплодотворенная яйцеклетка, не является такой простой, какой она кажется под световым микроскопом. Теперь мы знаем, что яйцеклетка содержит код – ДНК, необходимый для построения целостного организма. Так не возвращаемся ли мы тем самым к теории преформизма, хотя и на более высоком уровне? Да, в яйцеклетке нет крошечного человечка, но определенная и очень сложная структура там есть – а именно рецепт изготовления человека. «Идея» человеческого тела уже заключена в оплодотворенной яйцеклетке, заключена с самого начала, и записана она четырехбуквенным кодом ДНК. Эта «идея» не является чертежом или планом тела; скорее это последовательность инструкций, приводящих к порождению формы. Таким образом, процесс на самом деле похож на изготовление оригами: набор простых инструкций может привести к созданию сложной формы.
Теперь мы вплотную подошли к эпигенезу; простые вещи снова усложняются, но это не возникновение морозного узора на стекле, а куда более целенаправленный процесс: ДНК оплодотворенной яйцеклетки содержит все инструкции, необходимые для сложного роста, и управляет этим процессом. Правда, это слишком упрощенное и слишком гладкое объяснение: оно предполагает, что в развитии организма генетика решает все, но теперь мы знаем, что и это не так. Генетически идентичные близнецы развиваются не вполне одинаково, и разница между ними возникает вследствие взаимодействий ДНК со средой, окружающей живое существо. Окружающая среда играет важную роль в развитии эмбриона внутри матки, но роль окружающей среды многократно возрастает после рождения ребенка. ДНК не диктует мельчайшие детали строения тела (включая и головной мозг); ДНК выдает достаточно гибкие инструкции, задающие лишь общие параметры. Это важно, потому что такие инструкции позволяют внедрять новшества, иногда достаточно заметно менять строение тела, обходясь при этом без генных мутаций. Вспомните гипотетический пример изменений организма наших предков при освоении ими бега.
Наше эмбриональное развитие глубоко и неразделимо переплетено с нашей древней историей. В эмбриональном развитии мы не проходим всю последовательность нашей эволюционной истории, но невозможно игнорировать эмбриональное эхо наших древних предков, звучащее в наших зародышах. Эти отзвуки возникают и пропадают – сегменты, как у членистоногих, сменяются жаберными дугами, рыбьим сердцем и мозгом ланцетника – по мере развертывания невероятной трансформации от единственной яйцеклетки до сложного человеческого тела. Эволюционная биология развития занимается сопоставлением эволюционного и эмбрионального развития: филогенеза и онтогенеза. Параллели между двумя историями развития – изменениями вида с течением времени и изменениями в течение эмбрионального развития конкретного индивида – были замечены давно, но достижения молекулярной биологии означают, что теперь биологи могут вскрыть генетические основы изменений, происходящих как в процессе эволюции, так и в процессе эмбрионального развития.
Эрнст Геккель предположил, что эмбрион повторяет (рекапитулирует) эволюционную историю своего вида; в противоположность Геккелю, Карл Эрнст фон Бэр предложил другую идею: идею дивергенции и дифференцировки. Эмбрион в какой-то степени повторяет эмбриональное развитие своих древних предшественников, а не их взрослые формы. Это утверждение обретает смысл, если мы представим себе, что эволюционные изменения развиваются в дополнение к уже имеющимся признакам, или представим себе изменения в виде изменения временных показателей развития.
Археологи часто говорят о местах нахождения останков древних людей и животных как о палимпсестах, так как на местах древних стоянок следы разных исторических фаз залегают расположенными друг над другом слоями. Это очень меткая аналогия: палимпсест – это древняя рукопись, которую стерли, а поверх стертого нанесли новый текст. Греческое слово «палимпсест» означает «написанное заново». Для археологических раскопок сравнение с палимпсестом представляется абсолютно корректным – каждое следующее поколение «стирает» прежнюю «запись» и оставляет свою собственную. Эмбриональное развитие можно уподобить несколько более сложному современному палимпсесту. Аналогия сработает, если мы представим себе документ, записанный с помощью программы для редактирования текста. Документ изменяется со временем; к нему добавляются новые слова, вычеркиваются отдельные буквы, и эти незначительные изменения могут существенно изменить смысл написанного. Не будет ничего удивительного в том, что, читая этот текст, вы будете отмечать его сходство с более ранними его вариантами. Ранний человеческий эмбрион – скопление клеток, в виде которого он существует первую неделю развития, – практически ничем не отличается от зародыша любого другого позвоночного животного. Раннее сердце человеческого эмбриона похоже на эмбриональное сердце акулы (впрочем, как и на сердце взрослой акулы). Однако на восьмой неделе эмбрионального развития человеческий эмбрион уже отчетливо напоминает человека.
Восьминедельный человеческий эмбрион
Маловероятность бытия
Эволюция происходит в результате мелких изменений в ходе эмбрионального развития организмов, при этом работает эволюция как мастер, который кое-как, на глазок, подправляет то, что кажется ему не совсем удачным. Такой подход кажется весьма опасным, и это на самом деле так, ибо многие генетические мутации производят абсолютно нежизнеспособное потомство. Вероятно, это происходит намного чаще, чем мы думаем. Действительно, невозможно знать, сколько беременностей заканчиваются неудачно, потому что аномальные эмбрионы теряются очень рано, в течение двух-трех недель после оплодотворения, иногда даже не приводя к нарушению менструального цикла или приводя лишь к задержке или выпадению очередной менструации. Подсчитано, что неэффективными оказываются около половины всех зачатий, при этом большая часть их остается незамеченными. Считается, что в половине таких случаев в эмбрионе происходят значительные хромосомные нарушения. Выкидыши, в принципе, работают как естественная скрининговая программа. Если бы не было выкидышей, то врожденные аномалии встречались бы не в 2 % случаев, как сейчас, а в 12 %. Выкидыши, естественно, не всегда происходят в такие ранние сроки, как две-три недели; приблизительно пятая часть беременностей заканчивается выкидышем на сроках до двенадцати недель.
