Величайшее шоу на Земле: свидетельства эволюции.
Шрифт:
И на самом деле это больше, чем просто существенный шанс, поскольку это действительно происходит.
Давайте назовем это «авто-оригами».
Как практически авто-оригами работает в эмбриологии?
Оно работает, потому что то, что происходит в реальном эмбрионе, когда растет слой ткани — это деление клеток.
И неодинаковый рост различных частей слоя ткани в каждой части слоя достигается клетками, делящимися со скоростью, определяемой локальными правилами.
Так, окольными путями, мы возвращаемся к фундаментальной важности превосходства восходящих снизу-вверх локальных
Существует целый ряд (гораздо более сложных) версий этого простого принципа, на самом деле происходящих на ранних стадиях эмбрионального развития.
Вот как работает оригами на ранних стадиях развития позвоночных.
Единственная оплодотворённая яйцеклетка делится, создавая две клетки.
Затем эти две делятся, создавая четыре.
И так далее, с быстро удваивающимся и удваивающимся числом клеток.
На данном этапе нет никакого роста, никакого раздувания.
Первоначальный объем оплодотворённой яйцеклетки буквально разделен на части, как при разрезании пирога, и мы заканчиваем сферическим шаром клеток, имеющим те же размеры, что и первоначальное яйцо.
Это не сплошной шар, а полый, и его называют бластулой.
Следующая стадия, гаструляция, является предметом известного остроумного выражения Льюиса Уолперта: «Не рождение, свадьба, или смерть, а гаструляция является действительно самым важным временем в Вашей жизни».
Гаструляция — своего рода микрокосмическое землетрясение, которое несется по поверхности бластулы и полностью изменяет всю ее форму.
Ткани эмбриона сильно перестраиваются.
Гаструляция обычно подразумевает вдавливание полого шара, являющегося бластулой, так, что он становится двухслойным с отверстием во внешний мир (см. компьютерную симуляцию на стp. 231).
Внешний слой этой «гаструлы» называют эктодермой, внутренний слой — эндодермой, и есть также некоторые клетки, попадающие в пространстве между эктодермой и эндодермой, которые называют мезодермой.
Каждый из этих трех первичных слоев предназначен для создания крупнейших частей тела.
Например, внешняя кожа и нервная система образуются из эктодермы; кишечник и другие внутренние органы образуются из эндодермы; а мезодерма обеспечивает мышцы и кости.
Neurulation
Следующую стадию в оригами эмбриона называют нейруляцией.
На схеме справа показано поперечное сечение середины спины нейрулирующего эмбриона земноводного (это могла быть или лягушка, или саламандра).
Черный круг — «нотохорда», придающий жесткость стержень, который действует как предшественник позвоночника.
Нотохорда является отличительной особенностью типа хордовых, к которому принадлежим мы и все позвоночные животные (хотя у нас, как и у большинства современных позвоночных животных, она есть только у эмбрионов).
В нейруляции, как и в гаструляции, инвагинация [впячивание] очень показательна.
Вы
Ну так вот как это происходит.
Участок эктодермы впячивается (все дальше назад вдоль тела как застежка-молния), свертывается в трубку, и стягивается там, где стороны трубки «застегиваются на молнию», так что оказывается проходящим вдоль всего тела между внешним слоем и нотохордой.
Этой трубке предстоит стать спинным мозгом, главным нервным стволом тела.
Передний конец ее набухает и становится мозгом.
А все остальные нервы получаются из этой первичной трубки благодаря последующему делению клеток.
Я не хочу вдаваться в детали гаструляции или нейруляции, только скажу, что они замечательны, и что метафора оригами вполне прилично сохраняется в обеих.
Я рассмотрел общие принципы, благодаря которым эмбрионы становятся более сложными с помощью раздувающегося оригами.
Ниже приведена одна из тех вещей, которую слои клеток, как было подмечено, делают в течение эмбрионального развития, например во время гаструляции.
Вы можете легко увидеть, как такая инвагинация могла быть полезным действием для раздувающегося оригами, и она действительно играет крупнейшую роль и в гаструляции, и в нейруляции.
Внедрение в листе клеток
Гаструляция и нейруляция завершаются в раннем развитии, и они затрагивают всю форму эмбриона.
Инвагинация и другие маневры «раздувающегося оригами» обеспечивают эти стадии ранней эмбриологии, и они, и подобные уловки также участвуют позднее в развитии, когда создаются специализированные органы, такие как глаза и сердце.
Но, если нет рук для сворачивания, какой механический процесс обеспечивает эти динамичные перемещения?
Отчасти, как я уже сказал, простое расширение.
Клетки размножаются по всему слою ткани.
Его площадь, следовательно, увеличивается и, за неимением пространства, у него мало выбора, кроме как скручиваться или впячиваться.
Но этот процесс более управляем, и он был расшифрован группой ученых, объединенных блестящим математическим биологом Джорджем Остером из Калифорнийского университета в Беркли.
Моделирование клеток, подобно скворцам
Остер и его коллеги использовали ту же стратегию, которую мы рассматривали ранее в этой главе для компьютерного моделирования стай скворцов.
Вместо того, чтобы программировать поведение всей бластулы, они запрограммировали единственную клетку.
Затем они «клонировали» много клеток, все время наблюдая за тем, что происходило, когда эти клетки собрались вместе на компьютере.
Когда я говорю, что они запрограммировали поведение единственной клетки, будет лучше сказать, что они запрограммировали математическую модель единственной клетки, собрав в этой модели некоторые известные факты об одиночной клетке, но в упрощенной форме.