Мы – электрические. Новая наука об электроме тела

Так вышло, что Левину нужно было выбрать тему для диссертации на медицинском факультете Гарварда, а тогда, в начале 1990-х годов, один аспект формирования человеческого организма в матке оставался еще совершенно непонятным: как эмбрион различает левую и правую стороны? Гипотезы были, но никаких убедительных теорий. Для аспиранта это был очень заманчивый и доступный плод. И Левин принялся изучать то, каким образом клетки, не имея мозга, способны отличать левую сторону от правой. И поверьте, это вовсе не мелочь: их способность различать левую и правую стороны в процессе эмбрионального развития играет ключевую роль в нашем выживании. При взгляде на тело снаружи возникает иллюзия симметрии: два глаза, два уха, две руки и две ноги – с одинаковым расположением с двух сторон тела. Однако внутри все иначе. Вероятно, вы знаете, что сердце и желудок у нас сдвинуты влево, а с правой стороны располагаются печень, аппендикс и поджелудочная железа. Примерно у одного человека из двадцати тысяч все обстоит наоборот[320]. И в этом нет ничего страшного! Обычно у них нет никаких проблем со здоровьем (за исключением того, что к ним постоянно пристают назойливые ученые, пытаясь лучше изучить их состояние, называемое situs inversus)[321]. А вот если с “неправильной” стороны оказываются только какие-то отдельные элементы, возникают проблемы. Искажения точной внутренней асимметрии тела, особенно если дело касается тонкой сердечной проводимости, является причиной многих врожденных пороков сердца и других угрожающих жизни осложнений.

Формирование всех этих вариантов строения – нормального, перевернутого или частично измененного – долгое время оставалось интересной и нерешенной загадкой. Почему сердце формируется слева, а не справа? И откуда тело знает, что нужно развиваться именно таким образом? Никто не мог указать на какой-то конкретный молекулярный элемент, и поэтому не было обнаружено никаких генетических причин. Так или иначе, гены не могут отвечать за все. В конце концов, генетическая информация вообще не имеет пространственной составляющей. В геноме не определено различие между левой и правой стороной. Изучая старые статьи об ионных токах, Левин пришел к заключению, что в полярности клетки какую-то важную роль играет электричество. Но какую именно?

Джефф был далеко не единственным ученым, интересовавшимся этими вопросами[322]. За десятилетия исследований были обнаружены все ионы, входящие в клетки и выходящие из клеток развивающегося эмбриона каждого вида. Были идентифицированы ионные каналы, которые пропускают их через зиготу, и бластомеры, образующиеся при ее дроблении по мере ее превращения в развивающийся эмбрион. В ходе этого превращения с ионами и ионными каналами происходят удивительные вещи: все изменяется загадочным образом. Одни возникают, другие исчезают, а потом появляются вновь, и с их появлением и исчезновением появляются и исчезают электрические токи.

О важной функциональной роли этих таинственных электрических превращений свидетельствуют события, происходящие при прерывании этих токов. Остановка даже самых слабых токов ионов натрия приводит к образованию “розетки” – аномального эмбриона, “потерявшего пространственную ориентацию”, как выразилась итальянский биолог Элизабетта Тости. Она пришла к выводу, что ионные токи в процессе оплодотворения и после него играют ключевую роль в развитии эмбриона[323]. Нарушение токов калия тоже приводит к дефектам развития – и это еще одно подтверждение важнейшей роли ионов в развитии эмбриона. Однако никому не удавалось сложить все эти разрозненные фрагменты пазла в цельную картину.

С наступлением XXI века Левин уже смог заняться этой тематикой в собственной лаборатории в Институте Форсита в Гарварде[324]. Как электричество регулирует полярность клеток? Они с Кеном Робинсоном обнаружили протонный насос – еще одного “вышибалу” из тех, которых мы упоминали в третьей главе. Протоны – это ионы водорода. Эти “вышибалы” специализируются на поддержании строгого равновесия между ионами водорода и калия. В неоплодотворенной икринке лягушки протонные насосы равномерно распределены по всей поверхности клетки.

Но, проанализировав состояние этих насосов после оплодотворения, Левин и Робинсон обнаружили нечто странное: все каналы начали переползать на одну сторону клетки, где сливались в единую, плотно сбитую группу. Раньше никто ничего подобного не наблюдал. Если ионные насосы собираются на одной стороне яйцеклетки, это означает, что ионы водорода могут входить в клетку и выходить из нее только на этой стороне. В результате создается напряжение, и происходит это вскоре после оплодотворения, когда эмбрион лягушки состоит всего из четырех клеток. Может быть, это и было ответом на их вопрос?