Танец жизни. Новая наука о том, как клетка становится человеком

Одно соединение — это автокаталитический «активатор», обеспечивающий положительную обратную связь; другое — «ингибитор», подавляющий автокатализ активатора. Важно, чтобы они имели разную скорость диффузии, которая у ингибитора должна быть быстрее. По сути это значит, что самоусиливающийся активатор концентрируется в пределах «пятна», в то время как ингибитор не позволяет вырасти рядом еще одному «пятну».

Важный вывод из теории Тьюринга состоит в том, что, если несколько веществ разного цвета и скорости диффузии реагируют друг с другом в жидкой среде, их концентрации будут варьировать и образовывать устойчивые пространственные паттерны.

Идея о том, что различия в скоростях диффузии могут привести к неравномерному распределению компонентов, довольно нелогична, поскольку диффузия обычно уменьшает различия в концентрации. Однако в реакционно-диффузионном механизме Тьюринга все иначе. Система всего из двух молекул может, по крайней мере, теоретически, создать пятнистые или полосатые узоры, если они диффундируют и химически реагируют правильным образом.

Разобравшись со своим идеализированным кольцом клеток, Тьюринг возвращается к бластуле и рассматривает химические волны на сферах. «При определенных не очень строгих условиях... паттерн нарушения однородности имеет осевую симметрию». Это может «во многих случаях привести к гаструляции», в результате чего эмбрион превращается в трехслойную структуру, которую мы обсудим позже.

Тьюринг показал, что для создания природных закономерностей не нужен никакой витализм. К сожалению, Тьюрингу не суждено было и дальше развивать свои новаторские идеи о морфогенезе: через два года после выхода статьи он умер от отравления цианидом. Теория Тьюринга предложила возможное объяснение для широкого спектра природных узоров, от зебр до морских раковин [6].

Эмбриологи десятилетиями сопротивлялись тьюринговской схеме создания паттернов: биологи сторонились математических моделей как грубых упрощений. Но не больше. В 2006 году было обнаружено, что расположение волосяных фолликулов мышей обусловлено процессами активации и ингибирования [7]. Недавние исследования предполагают, что системы Тьюринга могут быть гораздо более гибкими генераторами паттернов, чем считалось ранее; например, пальцы рук и ног формируются механизмом Тьюринга, в котором участвуют белки Nodal и Lefty [8]. Когда дело дошло до разработки цифровых технологий, эта статья Тьюринга вызвала новый интерес.

Кухонная эмбриология

В наших с Каролиной поисках ответа на вопрос, что нарушает симметрию раннего эмбриона, нам требовалось много места, чтобы рассмотреть все полученные изображения, сравнить их и наконец-то разобраться, что происходит со всеми нашими маркерами и метками, когда сперматозоид состыковывается с яйцеклеткой. Вся эта выставка меченых мышиных эмбрионов не помещалась в моем крошечном кабинете в Институте Гёрдона, поэтому мы устроили ее на деревянном полу в моих апартаментах в Сидни-Сассекс-колледже.

На выходные выставка перекочевывала в дом, купленный мною и Дэвидом Гловером. В том году Дэвид переехал из Шотландии в Кембридж, чтобы стать шестым руководителем именной кафедры генетики Артура Бальфура и быть вместе со мной. Мы поженились в следующем году, первого апреля 2000-го.

У Дэвида не было иного выбора, кроме как присоединиться к изучению фотографий меченых эмбрионов. Они были по-своему красивы, но нас притягивало не это, а заключенный в них смысл. Когда мой отец приезжал в гости, он тоже не мог оторваться от цветных эмбрионов. Быть может, у него, как и у Дэвида, не было особого выбора: как только прием пищи заканчивался, кухонный стол — единственное достаточно большое место в доме — немедленно превращался в подиум для нашей кочевой эмбриологической выставки.

На данном этапе мы решили провести еще больше контрольных экспериментов. Например, измерив расстояние между полярным тельцем и гранулой, мы убедились в его неизменности, позволяющей предположить, что ни гранула, ни полярное тельце не соскальзывают со своего места. Лишь изредка гранула действительно отсоединялась. Когда Каролина с помощью своего метода вставки аккуратно переместила две-три гранулы в разные места на поверхности оплодотворенной яйцеклетки, она обнаружила, что их относительное положение не изменилось. Это придало нам уверенность в том, что гранулы (как минимум те, с которыми поработала Каролина) «помнили» точку проникновения сперматозоида в яйцеклетку.