Рафаил Нудельман: Загадки, тайны и коды нашего тела. Занимательная физиология человека
Как стать беременной окончательно
Что касается выживших морул, то в них на этой стадии происходит «эпохальное» событие. Пробуждение собственных генов приводит к первому самостоятельному превращению эмбриона: он претерпевает так называемое уплотнение. Восемь его клеток, ранее напоминавшие гроздь шариков, в течение одного дня превращаются в подобие единого шара, как бы сшитого из восьми кусков. Как показали недавние исследования, это преобразование вызывается тем. что мембраны каждой клеточки покрываются специальными рецепторами, которые плотно притягивают клетки друг к другу. Одновременно эти мембраны соединяются микротрубочками из молекул белка: благодаря этому клетки эмбриона приобретают способность обмениваться друг с другом водой, питательными веществами и «информацией» (в виде так называемых «сигнальных» молекул). И теперь, как бы «приготовившись к сотрудничеству», все эти клетки в очередной раз делятся надвое, образуя 16 дочерних клеток, и на сей раз - еще одно «эпохальное» событие! - клетки нового поколения впервые не идентичны друг другу. 16 новообразовавшихся клеток распадаются на две группы - 11 клеток, идентичных друг другу и остальные 5 клеток, идентичных друг другу. Но между группами идентичности нет - они обладают различными свойствами. Иными словами, клетки эмбриона претерпевают первую в своей жизни дифференцировку.
Происходит это знаменательное событие весьма интересным образом. Сначала с поверхности морулы в сторону окружающей ее затвердевшей «зоны пеллюсида» вытягиваются сотни крохотных волокон. Видимо, по этим волокнам в клетки подается какой-то химический сигнал, потому что органеллы всех восьми клеток начинают, словно по команде, собираться возле наружных участков своих мембран, оставляя внутреннюю часть каждой клетки почти пустой. Там же, у мембраны, начинает расти сложная внутриклеточная структура. состоящая из каких-то загадочных микротрубочек и волокон. Затем ядро каждой клетки удваивает свои хромосомы, и клетки делятся надвое, образуя вышеупомянутые 16 клеток, но деление это происходит специфическим образом: 11 из новообразованных клеток получают в наследство почти все органеллы, микротрубочки и волокна своих матерей, то есть почти все ресурсы дальнейшего развития, а остальных не получают практически ничего, кроме ядра с его хромосомами да нескольких, самых жизненно важных, органелл. Даже расположение клеток оказывается теперь неодинаковым: 11 из них, насыщенных ресурсами, образуют наружную поверхность пустотелой сферы, тогда как 5 «золушек» оказываются во внутренней полости л ой сферы, прикрепленные к ее поверхности изнутри. В эмбриологии вся эта структура известна под названием «бластоцист».
Это - первая специализация клеток. 11 наружных клеток отныне пойдут по пути превращения в сложный комплекс, который в недалеком будущем проложит эмбриону путь в стенку матки и превратится там в плаценту; 5 внутренних до норы до времени не будут дифференцироваться дальше и останутся неспециализированными - но они-то и образуют в будущем «истинный» эмбрион (а уже в нем начнут специализироваться, давая начало всем, самым различным клеткам, тканям и органам зародыша). Эти недифференцированные, «истинно эмбриональные» клетки принято называть «стволовыми», а их группу, спрятанную внутри возникшей сферы, - «внутренней клеточной массой».
На четвертый или пятый день после проникновения сперматозоида в яйцеклетку наружные клетки начинают выделять фермент (то есть специфический белок), который постепенно разъедает и разрушает «зону пеллюсида». Освободившись из этой окаменевшей оболочки, преграждавшей общение с внешним миром, эмбрион начинает подготовку к "заякориванию» в стенке матки. Его наружные клетки выделяют специфический гормон (хорионный гонадотропин), который «извещает» клетки маточной стенки о приближении «долгожданного гостя». По сигналу этого гормона мембраны маточных клеток «размягчаются», а точнее - претерпевают такое химическое изменение, которое делает их уязвимыми для ферментов,-испускаемых бластоцистом. Приближаясь к стенке матки, бластоцист непрерывно секретирует такие ферменты и тем самым прокладывает себе дорогу внутрь стенки. Его ферменты как бы разъедают ее в одном каком-то месте, и эмбрион внедряется в образующийся туннель.
К этому времени - на седьмой день жизни - бластоцист, благодаря непрерывным клеточным делениям, содержит уже около 120 клеток. Его наружная поверхность становится весьма специфической. Клетки, из которых состоит эта поверхность, хоть и делятся, но не образуют разделяющих их мембран и постепенно сливаются в одну огромную, со многими ядрами, «клетку», являющуюся своеобразной «мембраной» бластоциста в целом. Эта мембрана выпускает длинные «щупальца» - волокна из цепей особого белка актина (того самого, который приводит r действие наши мышцы), и они внедряются между клетками матки, разрастаясь в разные стороны до тех пор, пока не встретят проходящие в стенках матки кровеносные сосуды. Тогда они секретируют некие ферменты, которые разъедают стенки этих сосудов, образуя в них мельчайшие отверстия. Насыщенная кислородом кровь выходит из сосудов в межклеточное пространство, постепенно превращая стенку матки в этом месте в этакую губчатую, набухшую кровью массу - примитивную плаценту. С помощью своих волокон бластоцист начинает высасывать из этой материнской крови необходимые ему кислород и питательные вещества. До сих пор он питался за счет внутренних ресурсов, которые были изначально заложены в яйцеклетке, - теперь он впервые начинает питаться извне.
Все это время наружные клетки бластоциста продолжают выделять гонадотропный гормон, который теперь уже предназначен для приостановки очередной менструации. Под его влиянием в женском организме наминают вырабатываться два других гормона - эстроген (точнее, целое семейство эстрогенов) и прогестерон. Первый стимулирует разрастание В мышечных клеток в стенках матки, делая ее достаточно мошной для будущих родовых усилий; второй до поры до времени предотвращает любые нечаянные маточные сокращения подобного рода, чтобы прежде времени не исторгнуть эмбрион. К концу второй недели крохотный бластоцист, размером едва больше типографской точки, не только сам прокладывает себе путь в стенки матки и образует там питающую ею плаценту, но и существенно преобразует весь материнский организм, приспосабливая его к своим нуждам и целям.
Но все это делают, как мы уже говорили, наружные клетки бластоциста. которым суждено впоследствии отторгнуться вместе с плацентой. А что же делают тем временем его внутренние, «стволовые» клетки - те, из которых должен образоваться «собственно эмбрион», то есть все наши будущие ткани и органы?
Они дремлют. Они продолжают делиться, их становится все больше и больше, но за исключением этого они не проявляют никакой активности и никакой специализации. И только к концу второй недели после зачатия (то есть примерно через неделю после внедрения бластоциста в стенку матки) они вдруг просыпаются и начинают весьма активно перемешаться - ползать друг по другу, протискиваться, вытеснять друг друга и так далее - и все для того, чтобы в конце концов собраться в сложные комплексы, дающие начало всей нашей будущей телесной архитектуре - ведь именно из этих первичных клеточных комплексов образуются впоследствии все ткани и органы нашего организма. Это означает, что в клетках таких комплексов уже пошел процесс специализации, который постепенно приведет к резкому отличию взрослых клеток одного типа от взрослых клеток другого.
Но все это делают, как мы уже говорили, наружные клетки бластоциста. которым суждено впоследствии отторгнуться вместе с плацентой. И что же делают тем временем его внутренние, «стволовые» клетки - те, из которых должен образоваться «собственно эмбрион», то есть все наши будущие ткани и органы?
Они дремлют. Они продолжают делиться, их становится все больше и больше, но за исключением этого они не проявляют никакой активности и никакой специализации. И только к концу второй недели после зачатия (то есть примерно через неделю после внедрения бластоциста в стенку матки) они вдруг просыпаются и начинают весьма активно перемешаться - ползать друг по другу, протискиваться, вытеснять друг друга и гак далее - и все для того, чтобы в конце концов собраться в сложные комплексы, дающие начало всей нашей будущей телесной архитектуре, - ведь именно из этих первичных клеточных комплексов образуются впоследствии все ткани и органы нашего организма. Это означает, что в клетках таких комплексов уже пошел процесс специализации, который постепенно приведет к резкому отличию взрослых клеток одного типа от взрослых клеток другого.
Уже через неделю после начала процесса специализации внутренних (стволовых) клеток (то есть всего через две недели после внедрения бластоциста в матку и через три -после зачатия) в эмбрионе вследствие такой «самосборки клеток» уже образуется и начинает биться сердце! При этом сам он еще не превышает размерами просяное зернышко. Как это успевает произойти? Оказывается, этому предшествует целый ряд промежуточных этапов специализации клеток и их самосборки в специализированные комплексы. Проследим за ними.
На первом из этих этапов размножившиеся стволовые клетки «внутренней клеточной массы» объединяются так, что образуют плоский лист, который разгораживает внутреннюю полость бластоциста ил два пустотелых «мешка». Одному из этих «мешков» суждено впоследствии съежиться и исчезнуть, зато во втором начинается новый этап специализации и образования клеточных комплексов. По всему периметру «диска», разграничивающего «мешки», происходит бурное деление клеток, причем таким образом, что над первым плоским клеточным «листом» возникает второй, растущий от периферии к центру. Встречаясь в центре, две стороны этого нового «листа» уже не могут расти дальше и потому заворачиваются двумя «складками», которые втискиваются между первым и вторым листом. Углубление образующееся между этими двумя заворачивающимися внутрь краями верхнего клеточного листа, станет впоследствии главной архитектурной осью («голова - ноги») всего организма. Что же до самих клеточных листов, то нижний из них вскоре даст начало одному из видов первичной эмбриональной ткани - т. н. эндодерме, из которой в будущем образуются пищеварительная система, печень и легкие взрослого организма, тогда как верхний превратится в т.н. эктодерму, которая породит такие системы, как, например, кожа и нервная система. Но и это не все: отдельные новообразующиеся клетки каждого из двух листов отделяются от них и начинают мигрировать в пространство между ними, порождая там третий, внутренний слой, постепенно превращающийся в мезодерму - основу будущих мускулов и костей.
Образование всей этой структуры обозначает знаменательный момент начала т. н. эмбриогенеза, то есть развития собственно эмбриона. К концу шестой-седьмой недели после зачатия эти первичные комплексы и агрегаты клеток разовьются настолько, что эмбриональная стадия развития завершится: с этого момента бывший эмбрион уже удостаивается высокого звания Зародыша. Но уже на этих начальных стадиях эмбриогенеза некоторые клетки мезодермы начинают разрастаться и ветвиться, как дерево, образуя систему примитивных кровеносных сосудов (питаемых кровью из плаценты). В то же время некоторые другие клетки обвиваются вокруг этих сосудиков и специализируются в мышечные клетки: в них возникают волокна мышечных белков актина и миозина, взаимодействие которых тотчас приводит к началу ритмичных сокращений всего этого комплекса клеток. Именно так и возникает то примитивное сердце загадочно-раннее появление которого нас так изумило.
Одним из важнейших и многообещающих открытии недавних лет стало обнаружение в геномах разных организмов небольшой группы генов, которая, судя по первым данным, может играть роль такого «пункта нейтрального управления» всем этим сложнейшим процессом координированного развития и специализации миллиардов клеток, образующих взрослый организм. Самое поразительное в этом генетическом «командном отсеке» то, что он оказался сходным у всех исследованных организмов, от насекомых (дрозофилы) до позвоночных (человека). В силу такого универсального сходства, которое передается греческим словом «гомео» (сходный, одинаковый), эта группа генов подучила название «гомеобокс».
Сперматозоид в селеновом панцире
Давно уже установлено, что животные, которые получают пищу, бедную селеном, обнаруживают странный тип дефектов спермы: их сперматозоиды, едва успев сформироваться, сами собой ломаются посередине, между головкой и хвостом, то есть именно там, где внутри них находятся т. н. митохондрии - небольшие тельца, снабжающие сперматозоиды энергией, необходимой для движения. Такой перелом, естественно, сопровождается выбросом митохондрий.
У людей «селеновое бесплодие» такого рода встречается редко, потому что люди получают вполне достаточно селена - он содержится в рыбе, печени, красном мясе и многих злаках.
Селен входит в состав определенного фермента, который защищает юный, развивающийся сперматозоид от повреждений, вызываемых слишком активными молекулами, т. н. «свободных радикалов» (эти молекулы образуются в ходе использования организмом кислорода). Селеновый фермент захватывает эти радикалы и превращает их в безобидные молекулы спиртов, тем самым спасая гены формирующихся сперматозоидов
от опасных повреждений, которые могли бы, в противном случае, передаться по наследству. Не случайно этот фермент, вместе с его селеном, концентрируется, как было установлено, преимущественно в яичках животного, то есть там, где происходит созревание спермы.
Однако количество селенового фермента в яичках намного больше того, что, казалось бы, нужно для зашиты сперматозоидов от «свободных радикалов». Оказалось, что селен входит не только в состав упомянутого выше «защитного» фермента, но также - что раньше не удалось увидеть - и в структуру митохондриальной капсулы» сперматозоида. Он, действительно, входит там в состав некого белка, причем этого «селенового белка» намного больше, чем всех других, ранее известных структурных белков по отдельности. - до 50%. как уже было сказано выше. Но самое главное и неожиданное открытие Флоэ - Урсини состояло в том, что обе молекулы - «селеновый белок», составляющий кирпичики митохондриальной капсулы» зрелого сперматозоида, и селеновый фермент, защищающий гены юного сперматозоида, - совершенно идентичны: это один и тот же белок.
С точки зрения биохимии это открытие, действительно, могло показаться неожиданным. Дело в том, что селеновый фермент - вещество, во-первых, растворимое, а во-вторых, каталитически активное (он катализирует упомянутую реакцию превращения опасных радикалов в безопасные спирты). Напротив, структурные белки (то есть белки-«строители», из которых состоит, в частности, оболочка сперматозоида), во-первых, нерастворимы, а во-вторых, не обладают каталитической способностью. Новое открытие означает, что на каком-то этапе созревания сперматозоида организм, видимо, подает его селеновому ферменту некий сигнал, приказывающий ему изменить свою форму так, чтобы стать нерастворимым и неспособным к катализу, зато способным соединяться с другими, себе подобными («полимеризоваться»), образуя жесткую оболочку «митохондриальной капсулы». Такого рода радикальные превращения белков до сих пор никем еще не наблюдались.
Теперь понятно, почему в случае нехватки селена «митохондриальные капсулы» сперматозоидов становятся ломкими: дело новее не в каких-то генах, а в том, что этим капсулам попросту не хватает прочности, потому что им недостает того жесткого соединительного вещества, каковым по сигналу извне становится защитный селеновый фермент.