Элис Робертс.

Невероятная случайность бытия. Эволюция и рождение человека



скачать книгу бесплатно

Начало

Теперь мы гораздо лучше понимаем, что происходит в процессе создания нового человеческого существа. Ваша генетическая идентичность, идентичность нового индивида, была заложена в тот момент, когда один из сперматозоидов вашего отца, проникнув в яйцевод фаллопиевой трубы, встретился там с яйцеклеткой, двигавшейся навстречу – к матке.

Представьте себе эту яйцеклетку: она вырвалась на свободу из своего прежнего обиталища в яичнике вместе с приставшим к ней скоплением более мелких клеток. Все они попадают в воронкообразное отверстие маточной трубы, обрамленное пальцевидной бахромой – фимбриями. И вот теперь яйцеклетка движется по яйцеводу маточной трубы, подталкиваемая потоком содержащейся в трубах жидкости, которую приводят в движение реснички трубного эпителия (оболочки, выстилающей изнутри маточные трубы).

А теперь представьте себе сперматозоид, плывущий по той же трубе, преодолевая ток жидкости, помогая себе неистовыми биениями хвоста. До этого сперматозоид уже преодолел канал шейки матки, саму матку и проник с противоположной стороны в яйцевод, или, как его называют у людей, в маточную, или фаллопиеву, трубу. Для того чтобы забраться в такую даль, сперматозоиду может потребоваться несколько дней. Один сперматозоид достигает яйцеклетки первым, благодаря случайностям и везению. Во время эякуляции во влагалище извергается некоторый объем семенной жидкости, содержащий сотни миллионов сперматозоидов. Несмотря на то что они уже проделали долгий путь от яичек (мужских половых желез), им еще предстоит столь же далекое путешествие. Многие погибнут, не успев покинуть влагалище, перед входом в узкий коридор канала шейки матки. Если у женщины неблагоприятный для зачатия день цикла, то липкая слизь, выделяемая шейкой, образует барьер, препятствующий проникновению сперматозоидов в матку. Однако к моменту овуляции слизь становится более скользкой и тягучей. (На этом изменении основан старый как мир способ определения самого благоприятного для зачатия дня в течение менструального цикла. Обычно густая и липкая цервикальная слизь начинает по консистенции напоминать яичный белок. Немцы обозначают это свойство словом Spinnbarkeit – эластичность, «кристаллизация слизи».) Преодолев шейку матки и проникнув в полость тела матки, многие сперматозоиды отстают, а оставшиеся, яростно работая хвостами, плывут вверх, вверх и только вверх, по направлению к трубам. Продвигающаяся яйцеклетка посылает химические сигналы, привлекающие сперматозоиды к нужной трубе. Число сперматозоидов, достигающих яйцеклетки, составляет ничтожную долю от сперматозоидов, попавших во влагалище во время семяизвержения. Возможно, до яйцеклетки добирается едва ли один сперматозоид из миллиона. Но конкуренция на этом не заканчивается.

До яйцеклетки доплывают одновременно несколько сотен сперматозоидов. Клетка со всех сторон окружена ими, но для оплодотворения яйцеклетке нужен только один. Некоторым сперматозоидам удается прорваться сквозь окружающий яйцеклетку лучистый венец – остаток яйценосного бугорка, из которого, при его разрыве после овуляции, высвобождается яйцеклетка.

Пройдя сквозь барьер из клеток лучистого венца, сперматозоиды наталкиваются на гликопротеиновую блестящую оболочку (zona pellucida) – толстый желеобразный слой, окружающий мембрану яйцеклетки. Теперь сперматозоидам некуда отступать; блестящая оболочка прочно захватывает мужские половые клетки. Головки сперматозоидов вязнут в геле; гликопротеины связываются с находящимися в мембране сперматозоидов рецепторами, к которым они подходят, как ключ к замку. И эти ключи действительно кое-что отпирают: после взаимодействия гликопротеинов с рецепторами сперматозоиды выделяют фермент, расщепляющий гель блестящей оболочки, что позволяет одному из сперматозоидов преодолеть оболочку и достичь клеточной мембраны самой яйцеклетки. Теперь мембрана сперматозоида непосредственно соприкасается с мембраной яйцеклетки. Клеточные мембраны сливаются, и обе клетки – крошечный сперматозоид и гигантская яйцеклетка – объединяются в одну клетку.

Это и есть момент зачатия будущего человека: невероятное, но обыденное событие, происходящее в темных закоулках материнского тела. Надо, правда, помнить, что это оплодотворенное яйцо еще не личность. Это всего-навсего клетка. В этот момент нет никаких гарантий того, что новая клетка (зигота) разовьется в целостный организм. Только оглядываясь назад, вы можете сказать: да, я был зачат именно в тот самый момент.

В тот момент, когда сливаются мембраны сперматозоида и яйцеклетки, происходят три события. Сперматозоид, точнее, его ядро, продолжает свой путь внутри яйцеклетки, оставив снаружи свою пустую оболочку. Внутри яйцеклетки, непосредственно у ее мембраны, находятся крошечные пузырьки. После проникновения сперматозоида в яйцеклетку оболочки этих пузырьков сливаются с мембраной яйцеклетки и высвобождают в блестящую оболочку особые вещества. Эти вещества делают блестящую оболочку плотной и непроницаемой для остальных сперматозоидов, что очень важно. Дело в том, что яйцеклетке, чтобы дополнить свой половинный набор из 23 хромосом, нужен еще один половинный набор из 23 хромосом, содержащийся в сперматозоиде, – для того, чтобы в результате образовался полноценный набор из 46 хромосом. (Именно столько хромосом содержат все соматические клетки нашего тела.) Если же в яйцеклетку проникнет хотя бы один «лишний» сперматозоид, то образуется избыточное количество хромосом и формирование зародыша будет безнадежно нарушено.

И наконец, в тот момент, когда сперматозоид проникает в яйцеклетку, материнская ДНК претерпевает завершающую стадию подготовки, после которой материнские хромосомы могут соединиться с отцовскими хромосомами.

Сперматозоид теряет свой хвост после того, как проникает внутрь яйцеклетки, – хвост отваливается и распадается. Все это напоминает запуск искусственного спутника. Когда ракета-носитель достигает орбиты, от нее отделяется орбитальная капсула. Такой капсулой внутри яйцеклетки становится головка сперматозоида, которая содержит набор из 23 хромосом. Головка своим присутствием подает яйцеклетке сигнал о том, что ей пора превращаться в эмбрион. Эта упаковка генетического материала, каковой, по сути, является головка сперматозоида, начинает увеличиваться в объеме по мере того, как хромосомы развертываются в нити. Двойная спираль ДНК, формирующая хромосомы, расходится, как молния на одежде, и тут начинается волшебство наследственного материала. Строительные блоки ДНК (нуклеотиды) присоединяются в строгом порядке (комплементарно) к каждой половине «молнии», и, таким образом, получаются две «молнии» (удвоенная хромосома). Такое же удвоение хромосом происходит и в яйцеклетке. После этого оба набора удвоенных хромосом – один из яйцеклетки, а другой из сперматозоида – объединяются в едином ядре клетки. Так впервые встречаются материнские и отцовские ДНК, которые составляют 23 пары гомологичных хромосом.


Сперматозоиды входят в контакт с яйцеклеткой


Теперь в зиготе присутствуют 46 удвоенных хромосом, количество ДНК в которых достаточно для формирования двух клеток. Удвоенные хромосомы выстраиваются вдоль экватора клетки, словно пары, готовые к танцу. Этот строй поддерживается структурой, называемой веретеном, нити которого представляют собой тончайшие белковые трубочки. Затем каждая удвоенная хромосома расщепляется на две хромосомы, которые отделяются друг от друга и расходятся к противоположным полюсам клетки. Одновременно мембрана оплодотворенной яйцеклетки образует складку вдоль экватора, которая начинает втягиваться внутрь, образуя структуру, напоминающую гантель. Шары гантели в конце концов расходятся, и образуются две клетки. Происходит это в среднем через одни сутки после проникновения сперматозоида внутрь клетки. Итак, к концу первого дня жизни вы состояли из двух совершенно одинаковых клеток.

Однако процесс на этом отнюдь не останавливается. Каждая клетка приступает к своей работе. В каждой из двух клеток происходит удвоение ДНК, и она снова делится. Через три дня после зачатия вы уже представляли собой конгломерат из 16 клеток. Эмбрион на этой стадии развития называют поэтическим термином морула (лат. morula – тутовая ягода). Все время, пока происходят эти события, делящиеся клетки находятся в непрерывном движении. Повинуясь волнообразным перистальтическим сокращениям маточных труб и биению ресничек, выстилающих внутреннюю их поверхность, зародыш движется к цели своего путешествия, к матке. В это время эмбрион представляет собой лишь скопление клеток, но у наружных и внутренних клеток уже разная судьба. Из клеток внешнего слоя образуется плацента – орган, отвечающий за поддержание жизни плода, а из внутреннего слоя образуется собственно эмбрион.


Хромосомы расходятся под действием веретена деления к противоположным полюсам клетки: это начало деления зиготы (оплодотворенной яйцеклетки)


Спустя неделю после оплодотворения, то есть в то время, пока эмбрион плывет в матку, внутри скопления его клеток образуется наполненная жидкостью полость. Зародыш перестает быть морулой; он превращается в бластоцисту – это слово образовано от двух древнегреческих корней – «бластос» – зародыш и «кистос» – пузырь. Масса внутренних клеток бластоцисты распределена в ее полости неравномерно. На одном конце она сильно выступает внутрь полости. Таким образом, у зародыша возникает полярность. Возможно, вам это не покажется важным, но такое неравномерное распределение означает, что развивающийся эмбрион приобрел ориентацию. Независимо от того, в каком положении бластоциста дрейфует по полости матки, она отныне имеет свою постоянную внутреннюю ориентацию. У клеток этой внутренней массы иная судьба, нежели у наружных клеток.


Морула


Вот и настал конец небольшого, длиной всего 10 см, путешествия. Бластоциста находит пристанище в слизистой оболочке матки, и, как только зародыш имплантируется в стенку матки, наружные клетки начинают размножаться, проникая в ее толщу. Так начинает формироваться плацента.

В эмбриональном развитии немало возможностей нарушения нормального хода процесса. Чем сложнее организм, тем больше шансов на то, что что-то пойдет не так. На самом деле, однако, и в самом начале развития, еще до того, как организм приобретает определенную сложность, существует большая вероятность фатальных ошибок. Одна из таких ошибок – попадание бластоцисты в неподходящее место стенки матки. Бластоциста чаще всего имплантируется в стенку матки, но так случается не всегда. Она может застрять в маточной трубе или, что случается гораздо реже, имплантироваться в стенку брюшной полости. Такие ситуации называют эктопической (от греческого «эктопиос», что означает «вне положенного места»), или внематочной, беременностью. Известно, что матка, по мере роста плода, растягивается и увеличивается в объеме, но другие органы не отличаются такой податливостью. Эктопическая беременность может оказаться очень опасной: имплантация эмбриона в стенку маточной трубы может привести к разрыву питающих ее сосудов, что приводит к массивному внутреннему кровотечению, каковое без экстренного хирургического вмешательства может закончиться смертью.


Первая неделя эмбрионального развития: стадия двух клеток, морула, бластоциста, имплантация бластоцисты в стенку матки


В вашем случае можно с полной уверенностью сказать, что ваш зародыш безошибочно имплантировался в стенку матки. На второй неделе эмбрионального развития внутренние клетки (которые все это время продолжают делиться) образуют два слоя – верхний (наружный) слой, называемый эмбриобластом, и нижний (внутренний) слой, называемый трофобластом. Такая дифференцировка зависит от положения клеток по отношению к полости бластоцисты. Клетки трофобласта размножаются и выстилают внутреннюю поверхность полости бластоцисты. С этого момента полость называют желточным мешком, несмотря на то что никакого желтка в ней нет, потому что у нас, как у млекопитающих, нет потребности в запасе питательных веществ. Однако здесь мы сталкиваемся с одной важной вещью, касающейся эмбриологического развития организма. Ни один организм, возникший в ходе эволюции, не «конструируется» с чистого листа. Эволюция вынуждена довольствоваться уже имеющимися решениями, лишь слегка корректируя и оптимизируя их. Это означает, что в вашем эмбриональном развитии будут воплощены некоторые аспекты вашего эволюционного наследия. Тот факт, что у нас в эмбриональном периоде был желточный мешок, пусть даже крошечный по размерам и не содержавший желтка, многое говорит о наших предках и тесной связи эмбриологии и эволюции. Да, несмотря на то что сами мы – плацентарные млекопитающие животные, наши предки откладывали яйца, наполненные питательным желтком. Эта особенность эхом откликнулась в нашем эмбриональном развитии образованием желточного мешка.

На второй неделе эмбрионального развития происходит кое-что еще: внутри наружного слоя клеток бластоцисты начинает формироваться новое пространство. Это пространство называют амниотической полостью, плодным пузырем или просто амнионом. Вначале эта полость располагается с одной стороны от эмбриона, но в конечном счете мешок станет больше и охватит весь зародыш, который до самого рождения будет плавать в амниотической жидкости внутри плодного пузыря. Между двумя полостями – амниотической и полостью желточного мешка – оказывается зажатым двуслойный зародышевый диск, состоящий из эмбриобласта и трофобласта. Остается еще очень долгий путь до того момента, когда эмбрион начнет хотя бы отдаленно напоминать человека, но до того, как будет достигнута эта стадия, зародыш пройдет стадии развития, характерные для животных множества других типов. На четвертой неделе после зачатия человеческий эмбрион очень похож на зародыш рыбы на той же стадии развития. На пятой неделе, когда становятся различимыми конечности, эмбрион человека разительно напоминает эмбрион цыпленка на той же стадии развития. Еще через пару недель человеческий зародыш проходит эмбриональные стадии других млекопитающих животных. На этой стадии нас вполне можно спутать со свиньей, собакой или мышью, но, правда, форма головы и наличие пяти пальцев на кистях и стопах выдает в нас приматов.

Таким образом, не только желточный мешок напоминает о нашем эволюционном прошлом. Такое поочередное сходство с древними предшественниками и с животными ныне существующих видов привело к созданию одной из самых неудачных теорий в истории эмбриологии: теории рекапитуляции.

Напоминание о прошлом

Глядя на крошечные эмбрионы различных животных, невозможно игнорировать тот факт, что в них мы различаем некое «эхо» эволюции. У человеческого эмбриона есть стадия, когда в нем видны зачатки рыбьих жабр, а также стадия, на которой эмбрион обладает таким же сердцем, какое обнаруживается у эмбрионов рыб. Так возможно ли, что человеческие эмбрионы суть «воспоминания» или «повторение» эволюционного прошлого?


Рисунок заимствован из книги Геккеля и иллюстрирует сходные стадии эмбрионального развития животных восьми биологических видов


Эрнст Геккель, ученый, работавший в Германии во второй половине XIX века, биолог-новатор, открывший и описавший многие виды животных, сразу увлекся идеями Дарвина и стал пропагандировать учение об эволюции. Геккеля помнят также как человека, создавшего теорию рекапитуляции – и неверно ее понявшего, – хотя и он не был первым ученым, которому пришла в голову эта идея.

Аристотель классифицировал организмы согласно степени их сложности и совершенства, и полагал, что люди в своем эмбриональном развитии проходят стадии, соответствующие этим организмам, прежде чем достичь совершенства – естественно, человеческого. Однако на самом деле Аристотель лишь провел аналогию между различными стадиями эмбрионального развития человека и животными согласно своей классификации, основанной на иерархии сложности их строения.

Эта линейная классификация животных – всех животных – была в высшей степени популярной и влиятельной идеей. Преформисты (ученые, считавшие, что человек в своем окончательном виде находится в свернутом состоянии внутри яйцеклетки или сперматозоида) рассматривали всю историю жизни на Земле как созданную в момент акта творения: по их мнению, организмы просто развертывались до своей натуральной величины к моменту рождения. Все на свете было предопределено, и каждый организм был связан с предыдущими и последующими организмами непрерывной цепью жизни, природной лестницей – scala naturae. Для лестницы жизни характерно последовательное увеличение сложности, достигшее в своем апогее, конечно же, цивилизованного Человека.

В конце XVIII – начале XIX века немецкая школа натурфилософии отвергла идею о том, что эволюция протекала по предначертанному свыше пути, но ее представители по-прежнему считали, что она двигается строго в одном направлении: к увеличению сложности и к появлению сознания. Венцом творения считался опять-таки человек. Именно один из натурфилософов и высказал идею рекапитуляции. Это был врач и эмбриолог Иоганн Фридрих Меккель. Его имя увековечено в названиях двух врожденных дефектов, о которых знает каждый студент-медик: хрящ Меккеля (возникающий в развивающейся нижней челюсти) и дивертикул Меккеля (небольшое врожденное выпячивание стенки кишки). Меккель видел глубокую связь между великой цепью жизни и способом, каким простой, по видимости, эмбрион становится все сложнее и сложнее по мере развития. Меккель был убежден, что эмбрионы – в малом масштабе и очень быстро – проходят в своем развитии все этапы эволюции.

Отнюдь не все натурфилософы были приверженцами идеи рекапитуляции. Карл Эрнст фон Бэр, первооткрыватель яйцеклетки млекопитающих, изучал куриные эмбрионы и столкнулся с несколькими проблемами, идущими вразрез с этой идеей. Во-первых, эмбрионы никогда не походили на взрослых особей других видов животных; во-вторых, эмбриональные структуры часто появлялись не в той последовательности, которая задана лестницей природы. В-третьих, и это было самое главное, фон Бэр заметил, что эмбриональное развитие заключалось в том, что нечто весьма простое постепенно превращалось в нечто все более и более сложное. Рекапитуляция не имела смысла просто потому, что даже самые «примитивные» животные, например рыбы, на самом деле невероятно сложны. В своем неприятии рекапитуляции фон Бэр одновременно натолкнулся на один основополагающий закон биологии – дифференциацию. Наблюдая куриные эмбрионы, он собственными глазами видел, какой сложный организм развивался из простых исходных структур.

Все эти теории развития первой половины XIX века основаны на теоретическом фундаменте, который был готов вот-вот рассыпаться. Этим фундаментом стал библейский креационизм, который нес с собой представление о неизменности видов. Это означало, что появление в эмбриональном периоде у человека структур, общих со взрослыми животными, объясняли исключительно божественным замыслом.

В 1859 году Чарльз Дарвин опубликовал свою книгу «Происхождение видов путем естественного отбора», и все красочное полотно биологии оказалось накинутым на новую раму. Биология обрела новое основание. В действительности главный тезис «Происхождения видов» был явлен миру годом раньше в совместной статье Дарвина и Альфреда Рассела Уоллеса, представленной Линнеевскому обществу в Лондоне. Как ни странно, но эта статья не вызвала никаких особых откликов в научном сообществе. Тем не менее книга о происхождении видов путем естественного отбора была все же замечена. Более ранние концепции о последовательности неизменных биологических видов на scala naturae были теперь заменены на идею реальной последовательности видов, возникающих с течением времени на ветвящемся древе жизни (хотя надо отметить, что идея линейной последовательности очень неохотно сдает свои позиции: у нее до сих пор есть последователи).

В «Происхождении видов» Дарвин писал о поразительном сходстве эмбрионов различных животных, иллюстрируя свою точку зрения случаем, происшедшим со знаменитым анатомом Луи Агасси, который, «забыв наклеить ярлык на банку с эмбрионом какого-то млекопитающего, не мог потом понять, принадлежал ли он млекопитающему, птице или пресмыкающемуся». Дарвин понял, что сходство эмбрионов может дать нам важный ключ к разгадке эволюционных отношений между животными. Однако у взрослых животных это сходство исчезает и появляются новые приспособительные признаки. Согласно взглядам креационистов, сходство между эмбрионами (и взрослыми особями) является отражением абстрактной связи между животными, которая присутствовала в разуме Творца. Однако, согласно новой эволюционной парадигме, эта схожесть говорила о вполне реальной, физической связи между предками и потомками.

Немецкий ученый Эрнст Геккель, будучи горячим сторонником теории Дарвина, написал популярную книгу по биологии, морфологии и эволюции. Несмотря на возражения фон Бэра, теория рекапитуляции сохраняла прочные позиции в середине XIX века, и Геккель снабдил ее эволюционным обоснованием. Геккель считал, что эволюционные изменения происходят благодаря добавлению новых изменений в конце периода эмбрионального развития. Это означало, что эмбриональное развитие организма является точным отражением последовательности эволюционного развития. Так, например, человеческий эмбрион, как и следовало ожидать, проходит в своем развитии стадии, на которых он последовательно напоминает рыбу, амфибию, рептилию и только ближе к концу эмбрионального периода – млекопитающее. Геккель очень афористично выразил свою мысль: «Онтогенез повторяет филогенез». Другими словами, эмбриональное развитие повторяет эволюционную историю животного.



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9