Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Особенно приятно, что наши биофизические знания позволяют измерять и предсказывать эти специфические паттерны полосок и сегментов, играющие важнейшую роль в определении плана тела любой зарождающейся дрозофилы. Что касается измерений, можно в живых эмбрионах исследовать транскрипцию интересующего гена, обеспечивая взаимодействие его РНК с фрагментами ДНК или РНК-связывающими белками, меченными флуоресцентным белком вроде GFP (см. главу 2): его легко локализовать по свечению. Если пришить ДНК флуоресцентного белка прямо к последовательности интересующего гена, можно по интенсивности свечения отслеживать количество его белкового продукта. В любом случае свечение служит точным, количественно измеримым показателем, позволяющим понять, что, где и когда происходит в онтогенезе

⁹. Что касается прогнозирования, можно с помощью уравнений броуновского движения и функций генетического отклика рассчитать паттерны распределения белков и активности генов¹⁰

. Эти расчетные данные пока не идеально отражают природные закономерности, но определяемые ими размеры и время появления полосок и зазоров довольно точно согласуются с реальной картиной мушиного эмбриогенеза.

Вообще плодовая мушка способна на гораздо более тонкую настройку в организации зародыша. В гипотетическом примере мы рассматривали лишь два уровня чтения гена – при низкой и при высокой концентрации морфогена. Но клетки могут обладать более утонченной чувствительностью и давать три разных ответа на три уровня морфогена (низкий, средний, высокий), а то и на четыре, пять и более. Казалось бы, неплохо различать больше уровней, ведь тогда организм станет высокоструктурированным за счет меньшего количества ингредиентов. Что же ограничивает точность эмбриона? Может ли плодовая мушка распознавать тысячу разных концентраций Bicoid в тысяче разных точек тела, формируя тысячу разных анатомических черт на базе единственного пространственного градиента?

Это тоже вопрос биофизики. Пределы точности такого структурирования задаются беспорядочностью диффузионного движения (см. главу 6) и хаотичностью молекулярного связывания, которую мы пока не рассматривали в деталях, но которая в основе своей схожа с броуновским движением. Несложно сказать, где в среднем окажется облако молекул в процессе диффузии, но насколько хорошо это среднее представляет все облако, зависит от количества движущихся молекул. Я совершенно уверен, что если подброшу миллион монеток, то получу примерно половину выпавших решек. Если же я подброшу шесть монеток, то ничуть не удивлюсь, увидев четыре решки и два орла. Подобным образом эмбрион может создавать обилие молекул морфогена, формируя плавный и четко очерченный градиент, который действительно позволяет вычленять множество разных уровней концентрации. Зародыш может производить и всего несколько молекул, тратя меньше сил и энергии, но это приводит к построению сильнее «зашумленных» градиентов, которые можно считывать лишь грубо – как области с высокой или низкой концентрацией. Судя по экспериментам, эмбрионы предпочитают скорее близкую ко второй стратегию: молекул морфогена не миллионы, и нечеткость градиентов существенна.

Пока неясно, как эта статистическая вариативность соотносится с точностью эмбрионального развития, но мы уже можем задаться вопросом, какие ограничения она накладывает на структурирование. В прекрасной статье 2013 года Уильям Бялек и его коллеги из Принстонского университета связали морфогенные измерения с теорией информации, чтобы выяснить, сколько битов закодировано в эмбрионе дрозофилы¹¹

. Если концентрация фактора транскрипции оценивается только как «высокая» или «низкая», ее можно закодировать в одном бите информации: мы отметили в первой главе, что один бит имеет два состояния. Если концентрация оценивается как «высокая», «средне-высокая», «средне-низкая» и «низкая», для кодирования четырех возможных состояний нам понадобится два бита. Неизвестно, сколько состояний активности каждого гена может различить регуляторная сеть мушки, и потому напрямую подсчитать число необходимых битов мы не можем. Бялек с коллегами, однако, поняли, что вариативность положений полосок и границ при сравнении разных эмбрионов отражает количество битов, используемых в структурировании. По сути, чем больше битов, тем выше точность и ниже вариативность, и наоборот. Анализ визуализаций эмбрионального развития дрозофилы, в частности паттернов экспрессии четырех генов, которые появляются вслед за паттерном bicoid и контролируют организацию тканей, показал, что на один ген приходится примерно два бита информации. Вместе четыре гена способны определять структуру с пространственной точностью около 1 %.