Часть III. Внутренняя родословная

Представьте себе экран, разделенный на две половины. В левой его части вообразите бактерию. В правой – оплодотворенную яйцеклетку человека.

Бактерия растет, удваивает свою ДНК и делится, получаются две клетки, затем четыре, потом восемь. Эти восемь бактерий – родственники, имеющие наследственные связи с первой клеткой. Они получили копию ее хромосомы. Каждое новое поколение бактерий сделано из белков, молекул РНК и других составных частей материнских клеток. Вы можете изобразить их родственные связи на ветвящемся генеалогическом древе.

Оплодотворенная яйцеклетка ведет себя весьма похожим образом. Она удваивает ДНК и делится, получаются две клетки, затем четыре и потом восемь. Человеческие клетки могут быть в сотни раз крупнее бактериальных, и процесс деления идет гораздо медленнее. Но в развивающемся эмбрионе у всех клеток тоже сходная наследственная информация. Каждая пара дочерних клеток получает по копии родительской ДНК вместе с половиной других молекул клетки-матери.

Использование языка наследственности для описания происходящего внутри нашего тела может показаться странным. Мы привыкли думать о наследственности как о механизме, биологически связывающем нас с прошлым и будущим. Однако передача наследственной информации не останавливается в момент зарождения новой жизни. Каждая из 37 трлн наших клеток занимает свое место на ветвях генеалогического дерева, растущего от той самой первой клетки, возникшей в момент зачатия.

Вскоре картинки на двух половинах нашего экрана начинают различаться. Когда делится бактерия, образуется колония идентичных клеток. А потомки яйцеклетки развиваются в организм человека, укомплектованный головой и лицом, пальцами рук и ног. При этом клетки эмбриона дают начало разным типам клеток. Теперь внутренняя наследственность клеток начинает работать по-новому. Каждая клетка оболочки желудка дает две клетки оболочки желудка. В результате деления клеток кости однозначно образуется кость, а не жировая прослойка.

В учебниках говорится, что в нашем теле примерно 200 типов клеток, однако последние исследования показывают, что это значение до смешного преуменьшено. Никто не может точно сказать, сколько всего существует разновидностей клеток, потому что чем больше ученые их исследуют, тем больше типов они выделяют. У всех иммунных клеток одно и то же предназначение: защищать нас от патогенов и рака, но при этом они представляют собой целую армию с множеством подразделений. Все разновидности наших клеток – это отдельные ветви родословного древа нашего организма, их можно сравнить с несколькими разными династиями, происходящими от одного монарха.

Такая трансформация поднимает главный вопрос, который специалисты по биологии развития задали еще столетия назад и продолжают задавать по сей день: как клетка с одним и тем же набором генов обеспечивает всю сложность человеческого организма? Ответ на этот вопрос – наследственность, которая проявляется здесь неодинаково. Иными словами, наследственность бывает многообразной.

Этим вопросом озаботился и Аристотель, но для поиска ответа в его распоряжении были только куриные яйца. Если он вскрывал яйцо в тот же день, когда оно было снесено, то видел лишь белок и желток. На второй и третий день после снесения все оставалось точно таким же. Но на четвертый ученый замечал красное пятнышко, которое сначала принимал за сердце. Великий грек писал: «Эта точка бьется и движется, как одушевленная».

При вскрытии яиц в последующие дни в них становилось видимым и кое-что другое. Трубочки, заполненные кровью, начинали ветвиться. Появлялся темный комочек тела. Через некоторое время Аристотелю удавалось разглядеть голову, украшенную парой вздутых глаз. Куриный эмбрион на этой стадии выглядел как большинство эмбрионов других животных, которых изучал ученый. Но дни шли, сходство сменялось особенностями, характерными для птиц: появлялся клюв, оперение, когти, крылья. «Около двадцатого дня цыпленок уже издает звуки и двигается внутри, если, открывши яйцо, подвигать его», – наблюдал Аристотель.

Некоторые философы того времени считали, что части цыпленка или другого животного до начала развития уже где-то существуют в миниатюрном размере. Аристотель ничего такого не писал. Он полагал, что развитие эмбриона сродни изготовлению сыра. Сыродел добавляет сок смоквы в молоко, запуская преобразование, приводящее к появлению чего-то, ранее не существовавшего. Когда птицы спариваются, семя петуха запускает похожее преобразование жидкостей внутри курицы. Органы формируются, сгущаясь в определенной последовательности. Дух, содержащийся в семени, формирует сердце, которое в свою очередь формирует остальные органы, а уже они – все остальное тело.

Две тысячи лет ученые Запада придерживались воззрений Аристотеля, но научная революция пролила свет на то, в чем он оказался неправ. Врач английских королей Якова I и Карла I Уильям Гарвей искал внутри кур жидкости, которые, согласно Аристотелю, должны были сгущаться. Но ничего не нашел. Гарвей, как и Аристотель, наблюдал за эмбрионами цыплят. Он понял, что первым формировалось не сердце – сосуды появлялись раньше. Чтобы учесть обнаруженные несоответствия, Гарвей предложил свое представление о развитии жизни: все животные появляются из яйца. Когда в 1651 г. вышла его книга с изложением новой гипотезы, автор украсил ее латинским девизом Ex Ovo Omnia.

Вы можете проштудировать от корки до корки всю книгу Гарвея и остаться в недоумении, что же все-таки подразумевал автор под словом Ovo. Хотя тот был уверен, что у млекопитающих есть яйца, у него не было этому никаких доказательств. Он предполагал, что тело самки производит эти гипотетические яйца примерно так же, как разум производит мысли. Затем на это яйцо действует семя, и оно развивается в эмбрион.

В этом отношении Гарвей был верен своему кумиру Аристотелю. Все части тела появились из однородного начала. Он назвал этот процесс эпигенезом.

Другие ученые XVII в. отстаивали совершенно иную гипотезу, объясняющую появление нового поколения. Они считали, что вся анатомия животного уже существует до оплодотворения. Таких мыслителей стали называть преформистами. Голландский натуралист Николас Хартсокер в 1670-х гг. с помощью недавно сконструированной им модификации микроскопа открыл сперматозоиды. Он нарисовал головку сперматозоида с сидящим в ней крошечным человечком.

Преформизм господствовал до середины XVIII в., пока не появились новые наблюдения, выявившие его слабые места. Немецкий студент-медик Каспар Фридрих Вольф изучал куриные эмбрионы так тщательно, как никто до него не делал, и не нашел никаких следов присутствия миниатюрных птичек на ранних стадиях. Напротив, он наблюдал, как в капле неорганизованного вещества постепенно возникают новые структуры, в которых лишь некоторое время спустя можно будет распознать часть тела цыпленка.

В XIX в., с помощью более мощных микроскопов, исследователи сделали новые открытия в области биологии развития. Например, только тогда они обнаружили те самые яйца млекопитающих, которые представлял в своем воображении Гарвей еще за два века до них; сначала эти яйца увидели у собаки, а затем и у женщины. После оплодотворения спермой яйца начинали развиваться. Стало видно, во что они превращаются. С помощью новых микроскопов оказалось возможным разглядеть, что тело животных состоит из крошечных элементов. Эти элементы выглядели по-разному в зависимости от того, в какой ткани они находились: в крови были маленькие шарики, в мышцах – длинные волокна, в коже – кирпичики. Однако исследователи поняли, что все это лишь разные формы одного и того же. В 1839 г. немецкий зоолог Теодор Шванн заявил: «Существует один универсальный принцип развития основных частей организма. И он заключается в образовании клеток».

С рождением новой клеточной теории появились и новые вопросы, например, как возникают клетки. Некоторые естествоиспытатели утверждали, что клетки спонтанно формируются из биологических жидкостей подобно тому, как твердые кристаллы образуются из однородного раствора химических веществ. Однако группа немецких биологов доказала, что новые клетки появляются только из старых. Это был микроскопический вариант правила «подобное порождает подобное». Биолог Рудольф Вирхов решил, что пришло время обновить девиз Гарвея. Ex Ovo Omnia превратился в Omnis cellula e cellula – каждая клетка происходит от клетки, наследуя признаки от своего предка.

Оказалось, что клетки есть не только у животных. Растения и грибы тоже состоят из них. Тело бактерий и простейших – это одна-единственная клетка. Разные формы жизни создавали новые клетки по-разному. Например, бактерии просто делились пополам. Жизненный цикл таких видов, как дрожжи, был иным. Материнская клетка делилась на две, но дочерние могли остаться прочно соединенными друг с другом. По мере дальнейшего деления дрожжи способны образовывать что-то вроде пленки: еще не тело наподобие нашего, но уже и не группа изолированных организмов. Так или иначе, животные и растения развивались в гигантские совокупности клеток, которые воспроизводились, создавая новые совокупности.

Морские животные, подобные, скажем, губкам или кораллам, для размножения могут просто отделять от себя группу клеток в процессе почкования. Эту группу течение относит в сторону, она закрепляется на новом участочке морского дна и образует полноценное тело. Когда животные размножаются почкованием, очень сложно разделить предков и потомков. По сути, все они – это одна непрерывная линия клеточных делений. Даже если у нового животного образуется отдельное тело, вы все равно можете считать его выростом на теле родителя.

Многие животные, в том числе люди, не могут размножаться почкованием. Отрежете себе руку – из нее не вырастет ваша копия. Мы развиваемся из единственной оплодотворенной яйцеклетки, которая называется зиготой. Как и остальные клетки, зигота не возникает из ниоткуда. Она образуется при слиянии двух других клеток. Неразрывная связь зиготы с предыдущим поколением позволила некоторым ученым считать, что дети – это, собственно говоря, разрастание обоих своих родителей.

Слово «разрастание» ассоциируется с беспорядочным, «нескладным», буйным ростом живой материи. Однако эмбрионы животных развиваются отнюдь не так хаотично. У большинства млекопитающих они из невзрачных шариков превращаются сперва в оболочки с прилипшим к их внутренним стенкам множеством клеток. Клетки, образующие оболочку, становятся плацентой, а внутренняя масса – собственно эмбрионом. Эта масса преобразуется в структуру, состоящую из трех слоев: эктодерма, энтодерма и мезодерма. С них начинались и вы, и кузнечик, и ленточный червь. Из этих слоев формируются различные ткани организма.

Когда биологи проявили интерес к более поздним стадиям развития эмбриона, они начали с изучения только что образовавшихся тканей. Каждый их тип состоял из определенного набора клеток. И неважно, насколько разными клетки выглядели снаружи, внутри они оказались сходными. Что у ветвящегося нейрона, что у плоской эпителиальной клетки в центре было ядро, внутри которого имелся один и тот же набор хромосом.

Августу Вейсману – тому, кто отрезал мышам хвосты, чтобы опровергнуть наследуемость приобретенных признаков, – нелегко было понять, откуда появляется это разнообразие. Он спрашивал: «Как единственная клетка может воспроизвести tout ensemble родителя с портретной точностью?»

Наблюдая за эмбрионами животных в течение многих лет, Вейсман нашел ответ. Когда оплодотворенная яйцеклетка делилась, она передавала клеткам-потомкам ядра. А внутри ядер имелось то таинственное вещество, которое, по мнению Вейсмана, и было носителем «наследственных свойств». Эти клетки, в свою очередь, передавали уже своим потомкам те же самые свойства. Вейсман пришел к выводу, что клетки смогут приобрести несхожие черты исключительно в том случае, если унаследуют разные наследственные свойства.

Другими словами, когда клетка делилась, она определяла, какая из дочерних клеток какие свойства унаследует. На ранних этапах развития материнская клетка могла передать одной из дочерних клеток «стремление» стать эктодермой, а другой – мезодермой. Каждая клетка передаст эти свойства дальше. В какой-то момент эктодермальная клетка еще раз неравномерно разделит свои наследственные свойства. Одна дочерняя клетка получит те, что сделают ее клеткой кожи, а другая – те, которые превратят ее в нервную.

Иначе говоря, для Вейсмана развитие было чередой потерь. К тому моменту как образовывались органы вроде желудка или щитовидной железы, их клетки уже теряли бóльшую часть исходных наследственных свойств, которые были у оплодотворенной яйцеклетки. Делясь дальше, они могли образовывать только клетки желудка или щитовидной железы. Они никогда бы не смогли воспроизвести новое животное tout ensemble.

Исходя из такого своего представления о развитии, Вейсман заострил внимание на том, как эмбрионы производят собственные запасы яйцеклеток или сперматозоидов. Он сам наблюдал этот процесс и поражался тому, сколь рано формируются половые клетки, оставаясь сами незатронутыми, пока растет вся остальная часть эмбриона. Вейсман пришел к убеждению, что такая ранняя их изоляция жизненно необходима. Яйцеклетки и сперматозоиды должны быть отложены в сторону до того, как потеряют слишком много наследственных свойств. И в этом, по мнению Вейсмана, состояло глубочайшее различие между зародышевыми клетками (так он называл сперматозоиды и яйцеклетки) и клетками всего остального тела (соматическими).

Вейсман разделил наследственность на две формы. Одна из них связывала родителей и детей. Согласно Вейсману, как уже говорилось выше, родители были хранителями зародышевой плазмы, таинственного наследственного вещества, которое могло создать целый человеческий организм. Способность порождать новую жизнь не терялась, передаваясь от поколения к поколению.

Концепция зародышевой плазмы помогла генетикам объяснить, почему в экспериментах Менделя наследственные факторы могли перепрыгивать через поколение, как плоский камушек подскакивает по поверхности пруда. Развитие как таковое генетиков не особо интересовало. Это был тупиковый путь смертной плоти.

Однако Вейсман выделял и другой тип наследственности – работающий внутри каждого из нас. В своей книге «Зародышевая плазма: теория наследственности» он изображает развитие круглого червя в виде дерева – подобно эмбриональной родословной. В основании дерева нарисован круг, олицетворяющий одну оплодотворенную яйцеклетку. От круга отходят две линии, обозначающие деление зиготы на две дочерние клетки. Одна из них приводит к белому кружку, который, в свою очередь, делится на следующие белые кружки. Они представляют эктодермальные клетки. Другая ветвь дает начало энтодермальной, мезодермальной и зародышевой линиям клеток. Если не знать, что перед вами круглый червь, можно подумать, что вы смотрите на семейное древо династии Габсбургов.

Это дерево, предостерегает Вейсман, просто «теоретическая иллюстрация». Он нарисовал его, только чтобы показать важность разделения зародышевых и соматических клеток. Однако этот рисунок вдохновил других биологов наблюдать за развитием эмбрионов и рисовать собственные деревья.

Одним из первых биологов, начавших рисовать клеточные родословные, стал молодой американский аспирант Эдвин Конклин. К собственному творчеству он приступил летом 1890 г., когда отправился в приморскую деревню Вудс-Хол в Массачусетсе, чтобы подобрать себе тему для диссертации. В итоге он занялся соскребанием с панцирей крабов моллюсков морских блюдечек и сбором их яиц. Яйцеклетки этих моллюсков – крупные и прозрачные, поэтому Конклину было легко наблюдать за ними в микроскоп. Он зарисовал такую клетку, показав на рисунке ядро и другие внутренние структуры. На следующем рисунке он изобразил, как клетка разделилась на две. Он фиксировал своим карандашом каждое последующее деление эмбриона, определяя, какие клетки из каких образовались. На его зарисовках видно, как крошечные клетки превращаются сначала в большие сферы, а затем и в более сложные формы.

Позже Конклин вспоминал: «Я отслеживал процесс развития отдельных клеток, наблюдал за ними, пока над этим не стали потешаться окружающие. Они называли это клеточным счетоводством».

Проводя за микроскопом целые часы, Конклин стал объектом насмешек в своей лаборатории. Однажды аспирант Росс Гаррисон подошел к нему сзади, когда тот «напряженно изучал под микроскопом некоторые формы дробления, и повесил на левое ухо краба. Краб вцепился в мочку, и в лаборатории нашлось лишь несколько сочувствующих, которые помогли его снять», рассказывал Конклин.

Гаррисон отбежал, и Конклин погнался за ним. «Я пробежал полмили или даже больше, но так и не поймал», – вспоминал он впоследствии.

Несмотря на то что его отвлекали, Конклин сумел зарисовать очень многое. Вернувшись в Балтимор, он пронумеровал каждую клетку, чтобы будущие читатели его труда смогли проследить за ее делением на разных стадиях. Конклин описал обнаруженные им изменения в процессе развития блюдечка в отчете и дал его прочесть своему руководителю Уильяму Киту Бруксу. Через несколько дней Брукс вернул рукопись автору.

«Знаете, Конклин, – сказал он громко, чтобы и другие аспиранты и студенты в лаборатории его услышали, – этот университет иногда присуждает докторские степени за подсчет слов, так что, мне кажется, он может дать одну и за подсчет клеток».

Присутствующие покатились со смеху. «Я почувствовал себя полным ничтожеством», – вспоминал Конклин.

Следующим летом молодой человек вернулся в Вудс-Хол и продолжил собирать морских блюдечек. Однажды к его лабораторному столу подошел профессор Эдмунд Бичер Уилсон и сказал, что проводит аналогичное исследование – но на личинках пиявок. Конклин и Уилсон сели рядом и сравнили свои рисунки. Они были потрясены тем, насколько похожими оказались эмбрионы, начиная с самых ранних стадий развития. Уилсон стал наставником молодого коллеги, познакомил его с другими учеными и помог с публикациями в научных журналах. Конклин продолжил создавать подробнейшие изображения эмбрионов других видов, прослеживая линии клеток дальше, чем удавалось сделать кому-либо до него.

Обнаружив эти клеточные линии, молодой ученый нашел новый способ решить многовековой спор о том, как одна яйцеклетка превращается в целый организм. Он мог наблюдать деление клеток, когда те создавали ткани и органы. Он видел, как поколения клеток постепенно расходятся по своим путям, давая начало мышцам, нервам или другим тканям. Иногда судьба клеток была предопределена с самого начала, но в иных случаях казалось, что клетки сохраняли способность принимать в итоге разные формы.

Благодаря Конклину составление клеточных родословных стало важнейшей частью эмбриологии. Последующие поколения исследователей изучали эти родословные, чтобы понять, как клетки достигают своего окончательного облика и почему эти отличительные черты остаются неизменными в течение всей их жизни.

Хотя в то время генетика процветала, эмбриологи вовсе не думали, что она поможет разгадать эти тайны. Они опасались, что генетики, которые еще даже не выяснили, из чего сделаны гены, высокомерно сочтут, что им под силу решить проблемы, поставленные еще Аристотелем. Заклятый враг Конклина крабовешатель Росс Гаррисон, выступая перед эмбриологами, предупреждал, что «страсть генетиков к перемене мест начинает подталкивать их в нашу сторону». Гаррисон полагал, что это, как он его называл, «угрожающее вторжение» приведет только к неразберихе. Считалось, что упрощенные объяснения с помощью генов и их мутаций бессмысленны для величественного процесса развития. Гаррисон говорил, что генетики могут заняться поиском мутаций, меняющих цвет глаз. Он же с коллегами предпочитает играть по-крупному: выяснять, как появляется сам глаз.

Гаррисон, несомненно, был прав – в 1937 г. генетики знали еще слишком мало, чтобы помочь разобраться с эмбрионами. Но, пока он готовился к обороне, один британский эмбриолог уже задумался, как бы запустить противника внутрь крепости. Конрад Уоддингтон проводил свои эксперименты в Кембриджском университете. Он перемещал кусочки разных тканей вокруг куриного эмбриона, чтобы посмотреть, нарушится ли его развитие. Но при этом он был по-философски беспристрастен. Ему удавалось абстрагироваться от мелких деталей эктодермы и энтодермы и отвлеченно размышлять, как гены могут направлять развитие.

Уоддингтон предполагал, что каждая клетка эмбриона работает как маленькая фабрика. Она использует свои гены, чтобы синтезировать много белков, часть из которых может распространяться по другим клеткам. В разных клетках синтезируются разные белки, обеспечивая многокомпонентную химическую смесь, которая будет различаться в разных участках эмбриона. Та конкретная смесь, что окружает клетку, может заставить ее в процессе развития принять новый облик.

Кембриджский исследователь разделял нежную любовь Вейсмана к рисункам. Чтобы проиллюстрировать развитие эмбриона, Уоддингтон нарисовал склон холма, прорезанный развилистыми канавками. Он представлял себе развитие клеток как движение шарика по этому ландшафту. Рельеф поверхности может привести к тому, что шарик скатится в ту или иную канавку – тогда образуется клетка определенного типа. У Уоддингтона был друг-художник, который изобразил этот пейзаж на двух рисунках: один показывал вид сверху, а другой – как бы изнутри снизу. Поверхность изнутри была закреплена с помощью системы проволочек, натянутых таким образом, чтобы создавать канавки, ведущие клетки к их конечному облику.

Уоддингтону нравилось называть эту странную местность эпигенетическим ландшафтом, используя старомодный язык Гарвея и Аристотеля. В своем учебнике 1956 г. исследователь объяснял: он пользуется этим термином, «чтобы показать, что развитие осуществляется в результате целого ряда взаимодействий между различными частями».

Ученый легко признавал, что его эпигенетический ландшафт – всего лишь идея, помогающая определенным образом направлять мысли. Он писал: «Хотя эпигенетический ландшафт может дать лишь очень приблизительную схему развития эмбриона и его не следует воспринимать строго научно, он имеет определенные достоинства для тех, кому, как и мне, удобно иметь некоторый мысленный, пусть и расплывчатый, образ того, о чем они пытаются думать».

Иллюстрации, которые делали Вейсман, Конклин и Уоддингтон, были сродни видениям из будущего. Эти ученые уловили некоторые общие принципы нашего развития, но им не хватило конкретики. Все трое биологов допустили ошибки – простительные, впрочем. Вейсман, как оказалось, был неправ в своем утверждении, что наследственные свойства разделяются между дочерними клетками. ДНК, которая несет генетическую информацию, копируется полностью каждый раз, когда клетка делится. Клетка потовой железы от клетки вкусового сосочка языка отличается тем, какие гены в ней активны, а какие молчат. И такие различия могут передаваться от материнских клеток дочерним.

Это – наследование, но не каких-то определенных мутаций, а настройки генетической сети в клетке. И первое знакомство с тем, как эта сеть настраивается, произошло благодаря женщине, чья основная работа заключалась в подготовке к концу света.

В 1950-х гг. мир освещали вспышки от взрывов водородных бомб, испытания шли одно за другим. Казалось, не за горами ядерная война. Кинопромышленность конденсировала эту тревогу и проецировала ее на экраны кинотеатров. В «Годзилле» монстр, проснувшийся под влиянием радиации, разрушал Токио. Гигантские муравьи из фильма «Они!» убивали людей муравьиной же кислотой. Создатели ленты «День, когда загорелась Земля» предлагали вообразить, что будет, если атомные бомбы столкнут Землю с ее орбиты вокруг Солнца.

Для ядерных кошмаров характерны не только превращение всего в пепел, но и ужасающие изменения в наследственной информации. Люди, не испарившиеся и оставшиеся живыми при взрыве, получают радиационные поражения. Радиация способна повреждать клетки глубоко внутри тела, вызывая лучевую болезнь и рак. Попадание альфа-частиц в яйцеклетку или сперматозоид приводит к изменению ДНК внутри них; именно так разрушительные последствия ядерного взрыва распространяются на следующие поколения. Выжившие могут передать своим потомкам полученные мутации вместе с вызываемыми ими болезнями.

Британское правительство решило, что стране нужны лаборатория по изучению радиационных повреждений и такие ученые, как Мэри Лайон. 36-летняя Мэри, генетик по профессии, была невозмутимой и сосредоточенной. В 1955 г. ее приняли на работу в Радиобиологический центр Совета медицинских исследований Великобритании.

В то время женщине редко удавалось занять подобную должность. Лайон изучала зоологию в Кембриджском университете, но смогла получить только номинальную степень, хотя работала так же усердно, как и ее коллеги-мужчины. Тем не менее она произвела столь сильное впечатление на своих руководителей, что они помогли ей получить место в аспирантуре у генетика Рональда Фишера, который в 1920-х гг. соединил идеи о наследственности Менделя и Гальтона, создав новое направление.

Фишер оказался вспыльчивым и крикливым, он регулярно выгонял аспирантов из своей лаборатории. Однако Мэри заслужила его уважение, и он поручил ей работать с мутантными мышами, которых изучал сам. Лайон провела изящные эксперименты, чтобы показать, что одна мутация может влиять на различные признаки, скажем, вызывая одновременно пятнистость шерсти и нарушение поддержания равновесия. Но все же Мэри пришла к выводу, что лаборатория Фишера наполнена злобой и эта нездоровая атмосфера опасна для ее научного роста. Лайон была воодушевлена идеями Конрада Уоддингтона об эпигенетике и отправилась заканчивать работу над своей диссертацией в Эдинбургский университет, где он возглавлял биологический факультет.

Работая в Эдинбурге, Мэри успешно развивалась в научном направлении. Она продолжила там свои исследования и после защиты диссертации. Уоддингтон обеспечивал своих сотрудников новейшими методиками и обсуждал с ними свежие идеи, касающиеся наследственности и развития. Несмотря на задумчивость и скромность, Лайон приобрела в Эдинбурге репутацию человека, который видит научные проблемы насквозь. Она могла вежливо возразить даже мужчинам более старшего возраста, если считала их рассуждения ошибочными. Появившиеся у Мэри в Эдинбурге друзья привыкли, что она надолго замолкала, конструируя фразу, которую собиралась сказать в продолжение разговора. Хотя она стала успешным ученым, ее родители все еще не могли понять, зачем женщине тратить свое время на возню с какими-то странными мышами.

Позднее она вспоминала в одном интервью: «Однажды они решили выдать меня замуж».

Репортер спросил: «И как вы отнеслись к этой идее?»

«Она мне не понравилась».

Лайон сконцентрировалась на исследовании различий между полами. В Эдинбурге у нее появилась возможность изучить первых мышей с мутацией на Х-хромосоме. Она работала с этими мышами, чтобы выяснить, как передаются признаки, гены которых расположены на половых X- и Y-хромосомах. Исследовательница не рассталась со своими зверьками и после того, как британское правительство перевело Лайон и других биологов из Эдинбурга в расположенный неподалеку от Оксфорда Радиобиологический центр. Там ученые должны были изучать генетические последствия ядерной войны. После пяти лет интеллектуальной свободы в Эдинбурге Лайон обнаружила, что бюрократизм в правительственном подразделении опустошает ее. Она говорила, что в меру своих сил «всегда старалась придерживаться мышиной работы».

Среди прочего она исследовала линию крапчатых мышей с интересной наследственностью. У самок шерсть покрывали пятна, разбросанные случайным образом. У самцов могло быть два варианта: либо у них был сплошной окрас, либо они умирали еще до рождения.

Это навело Лайон на мысль, что у крапчатых мышей смертельная мутация была расположена на X-хромосоме. Унаследовавшие ее самцы умирали, потому что располагали единственной X-хромосомой. У самок было две X-хромосомы, что повышало их шансы на выживание. Если в одной из них мутаций не было, то они развивались нормально.

Мэри подозревала, что эта же мутация отвечает и за цвет шерсти у крапчатых мышей. Одна нормальная копия X-хромосомы «окрашивала» самцов равномерно. Каким-то образом две X-хромосомы давали у самок крапчатый окрас. Мало того – у каждой самки было свое уникальное расположение пятен.

Лайон заинтересовалась более ранними исследованиями X-хромосомы, чтобы найти возможное объяснение таким странным результатам. Постепенно она перешла от частных вопросов окраса крапчатых мышей к глобальным проблемам, касающимся X- и Y-хромосом.

Поскольку у самок две копии X-хромосомы, то гены на них должны кодировать в два раза больше белков, чем вырабатывается у самцов. И эти лишние белки должны были бы посеять в организме самки смертельно опасный хаос. Лайон поняла, что самую большую загадку X-хромосомы представляет то, как самки могут быть здоровы с двумя копиями, а самцы только с одной.

Она выяснила, что канадские ученые в 1940-х гг., похоже, нашли ответ на этот вопрос, когда исследовали клетки кошек. Они обнаружили, что в каждой клетке одна из двух X-хромосом была скручена в темный комок. Другая оставалось раскрытой – как и все остальные хромосомы. Лайон подумала, что, возможно, самки инактивируют одну из X-хромосом в каждой клетке, выключая все имеющиеся на ней гены. В результате белок синтезируется только с одной копии, как у самцов.

У этого объяснения был лишь один недостаток. Оно не годилось для крапчатых мышей, которых изучала Лайон.

Если такие самки выключают одну из своих X-хромосом, их должна ожидать та же участь, что и самцов. Если они инактивируют нормальную хромосому, то умрут еще до рождения. Если мутантную – их шерсть будет окрашена равномерно. Каким-то образом самкам удается избежать обоих вариантов.

Тщательно все обдумав, Лайон остановилась на гипотезе, которая могла объяснить все факты. Она села за стол, изложила ее в семи абзацах и отправила в журнал Nature.

Мэри предположила, что, когда развивается эмбрион самки, в его клетках выключается одна из X-хромосом. Но какая именно инактивируется, в каждой клетке определяется случайно. Затем клетки делятся, и дочерние получают одну и ту же выключенную X-хромосому. В свою очередь они передают ее всем потомкам. В итоге организм самки состоит из групп клеток, в половине которых неактивна одна X-хромосома, а в другой половине – вторая.

Такой тип наследственности мог объяснить крапчатую окраску у мышей. Лайон предположила, что одна из X-хромосом у мышей несет мутацию, нарушающую развитие окраски. У самок кожа образована группами клеток. У всех клеток в каждой группе выключена одна и та же X-хромосома. Поэтому некоторые группы образуют шерсть нормального цвета, а другие – измененного.

Nature опубликовал статью Лайон в 1961 г. Прочитав ее, другие биологи испытали досаду, что сами не додумались до этой идеи. Тем временем Мэри продолжала искать новые данные. Изучая шерсть кошек, она обнаружила, что закономерности проявления черепахового окраса и окраса калико соответствуют ее модели. Эту гипотезу подтверждали и некоторые заболевания человека.

По мере того как Лайон публиковала в следующих статьях все новые данные, и другие ученые убеждались в правильности ее идеи. Они окрестили ее гипотезой Лайон, или просто Г. Л. Деактивацию случайно выбранной X-хромосомы стали называть лайонизацией, хотя сама исследовательница возражала против такого термина.

Когда в 1963 г. Лайон приехала в Нью-Йорк на научную конференцию, газеты и журналы восхваляли ее. Time удивлялся, что звездой конференции оказалась «тихая англичанка, не представившая ни одного доклада и оказавшаяся – подумать только! – редактором выходящего два раза в год журнала Mouse News Letter».

Однако исследовательница навлекла на себя и гнев – грозным противником оказался генетик немецкого происхождения Ганс Грюнеберг. Он бежал от нацистского режима в 1933 г. и нашел убежище в Англии, где стал профессором Университетского колледжа Лондона. К середине XX в. Грюнеберг сделал больше чем кто-либо для использования мышей в качестве модели при изучении наследственности человека. Он даже написал полное руководство на эту тему «Генетика мыши» (The Genetics of the Mouse).

В 1950 г. Грюнеберг принимал защиту диссертации Лайон. А спустя десятилетие он ознакомился с ее статьей в Nature и счел эту работу нелепой. Позднее Лайон предположила: «Возможно, он так и не осознал, что я больше не аспирантка и не должна спрашивать у него разрешения».

Хотя другие ученые восхищались работой исследовательницы, Грюнеберг начал против нее кампанию. В собственных исследованиях генетик использовал мышей, у которых на X-хромосоме была мутация, вызывающая дефекты в зубной системе. Согласно гипотезе Лайон, у самок зубы должны представлять смешения разных клеток, в части которых будет здоровая X-хромосома, а в остальных – мутантная. Однако, когда Грюнеберг заглянул мышам в рот, то увидел, что все зубы одинаковы.

Просмотрев исследования человеческих заболеваний, Грюнеберг также не обнаружил подтверждения гипотезы Лайон. «Можно заключить, – торжественно вынес он приговор, – что поведение генов, находящихся на половых хромосомах у человека (равно как и у других млекопитающих), не подтверждает гипотезу Лайон».

Другие ученые были поражены безжалостностью Грюнеберга. Год за годом, статья за статьей, конференция за конференцией он продолжал свои нападки. Его стыдились даже ближайшие коллеги, потому что он отказывался принимать накапливающиеся доказательства лайонизации. В 1963 г. появилось исследование, ставшее одним из самых важных для подтверждения гипотезы Лайон. Генетик Рональд Дэвидсон из Университета Джонса Хопкинса изучал с коллегами заболевание крови под названием «дефицит глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы» (Г6ФД). Оно вызывается мутацией в X-хромосоме, нарушающей структуру белка Г6ФД, вследствие чего происходит разрушение эритроцитов. Мужчины, унаследовавшие одну копию мутантного гена, всегда страдают от этой болезни. У женщин, если на второй X-хромосоме есть нормальная копия гена, симптомы могут не проявиться.

Дэвидсон проверил отдельные клетки кожи у женщин – носителей этой мутации. Он обнаружил, что в одной половине клеток была инактивирована X-хромосома с испорченным геном, а в другой – с нормальным. В целом клетки женщин производили достаточное количество нормальной Г6ФД, чтобы их организмы были здоровы.

Грюнеберг не принял доказательства Дэвидсона. Более того, он начал нападать и на защитников Лайон. Исследовательница позже вспоминала, что из-за Грюнеберга эти десять лет ее жизни были сложными и тоскливыми. Тем не менее она сохранила свой невозмутимый здравый смысл. К 1970-м гг. ученые перестали сомневаться, существует ли лайонизация. Теперь их интересовало, как она происходит.

Ответ на этот вопрос нашелся среди множества молекул, кишащих вокруг нашей ДНК. Эти молекулы – РНК и белки – контролируют, какие гены сделать активными, а какие выключить. Одни молекулы выключают гены, плотно накручивая нити ДНК вокруг белковых катушек. Другие, наоборот, разматывают эти нити, предоставляя доступ к ДНК молекулам, которые считывают генетическую информацию. Некоторые белки прикрепляются к генам, выключая их на то время, пока сами присоединены. А поскольку клетка способна синтезировать много таких белков, то стоит одному отсоединиться, как другой сразу же занимает его место. Кроме того, клетка может выключать гены надолго с помощью надежного молекулярного предохранителя. Это выключение, которое называется метилированием, иногда сохраняется намного дольше того периода времени, что существует сама клетка. Когда клетка делится, дочерние достраивают предохранители по материнскому образцу.

Целый ряд ученых направил всю свою научную деятельность на поиск молекул, которые выключают X-хромосому. Благодаря их усилиям на X-хромосоме был обнаружен участок (его назвали Xic), на котором находятся несколько важных генов. У самок в каждой клетке на ранних стадиях развития эмбриона две X-хромосомы направляются друг к другу, и их Xic-области встают рядом. Между парой Xic-участков скапливаются определенные молекулы, которые начинают дрейфовать от одного к другому, что по сути является молекулярным аналогом детской считалочки «эники-беники». В какой-то момент они прикрепляются к одному из двух Xic-участков и запускают работу генов, выключающих целую X-хромосому.

Один из генов, который они активируют, называется xist. Клетка использует его, чтобы создавать длинные змееподобные молекулы РНК. Они скользят вдоль Х-хромосомы в поисках места, за которое могут зацепиться. Пока один конец Xist-РНК захватывает хромосому, другой цепляет подходящие белки-помощники. Вместе они закручивают X-хромосому до тех пор, пока она не превратится в компактный комочек ДНК. При этом другая X-хромосома подавляет свой ген xist и остается активной.

Каждая клетка на ранних этапах развития эмбриона самки случайным образом определяет, какая из X-хромосом будет инактивирована подобным образом. Когда клетка делится, она аккуратно распаковывает выключенную хромосому, чтобы сделать с нее копию, а затем опять ее сворачивает. Такая X-хромосома похожа на ящик со старой посудой, который вы перевозите с квартиры на квартиру, ничего не используя из его содержимого.

Сейчас мы можем наблюдать лайонизацию не только на молекулярном уровне, но и в масштабе всего организма. В 2014 г. Джереми Натанс и его коллеги из Университета Джонса Хопкинса выяснили, как можно заставить светиться активные X-хромосомы. Они встроили в X-хромосому мыши ген, который кодирует белок, светящийся красным при добавлении определенного вещества. Другую линию мышей они создали со светящимся зеленым белком. Затем они скрестили мышей и получили пометы с мышатами, у которых была «зеленая» хромосома от одного родителя и «красная» от другого. Когда исследователи добавили необходимые вещества в разные части организма мыши, то клетки засветились подобно елочной гирлянде. Каждая клетка оказалась либо красной, либо зеленой – в зависимости от того, какая хромосома молчала.

Соседние клетки нередко светились разными цветами. Однако, когда Натанс подался назад, чтобы взглянуть с большего расстояния, он увидел другую картину. Благодаря чистой случайности в одних больших группах клеток работала в основном отцовская X-хромосома, а в других – материнская. Этот дисбаланс мог затрагивать целые органы. У некоторых мышей одно полушарие мозга было в основном красным, а другое – зеленым. Были те, у кого в сетчатке левого глаза работала X-хромосома отца, а правого – матери. Иногда одна из вариаций преобладала по всей мыши. У некоторых животных во всем теле оказывалась выключена X-хромосома одного из родителей.

Бóльшая часть исследований X-хромосом была посвящена изучению болезней, которые с ними связаны. Для мужчин наличие единственной X-хромосомы означает, что у них нет надежды спастись от мутации с помощью резервной рабочей копии. В результате многие наследственные заболевания, связанные с X-хромосомой, поражают почти исключительно мужчин. Например, белок дистрофин необходим для правильной работы мышц, и так сложилось, что ген этого белка лежит в X-хромосоме. Мышечная дистрофия Дюшенна – заболевание, ослабляющее мышцы в разных частях тела, – угрожает почти всегда только мальчикам. Они наследуют ее от своих ни о чем не подозревающих матерей, которые не страдают от мутации, потому что у части мышечных клеток достаточно дистрофина, чтобы сохранялась сила мышц. Между тем женщины сталкиваются с другими проблемами, если выключенные X-хромосомы становятся активными и, таким образом, нарушается баланс белков.

Натанс с коллегами полагают, что лайонизация имеет и положительную сторону. Она может расширить наследственно обусловленные возможности у женщин. Активность разных Х-хромосом в разных нейронах мозга может способствовать неодинаковым типам ветвления нейронов. Сила мозга человека заключается в его разнородности: разные типы нейронов, разные связи, разные нейромедиаторы. Лайонизация может еще сильнее увеличить вариабельность женского мозга.

На Рождество 2014 г. Лайон насладилась праздничным обедом и с удовольствием выпила стаканчик хереса на сон грядущий. К этому времени ее давно уже с большими почестями проводили на пенсию. В 1998 г. Кембриджский университет провел специальную церемонию по присуждению ей официальной степени взамен номинальной. Совет медицинских исследований построил центр, названный в ее честь. Американское общество генетиков учредило медаль Мэри Лайон, ежегодно вручаемую выдающимся генетикам. Биолог Джеймс Опиц сокрушался, что это «слишком малые почести для того, кого большинство моих знакомых считают достойным Нобелевской премии». Вздремнув в рождественский вечер, Лайон не проснулась – она умерла во сне. Опиц надеется, что в последние минуты у нее на коленях сидела живая демонстрация лайонизации – ее черепаховая кошка Синди.

Мэри Лайон сделала гораздо больше, чем просто показала, как женщины живут с двумя X-хромосомами. Она дала нам представление о том, какими способами наследственность работает внутри нашего организма. Ее теория объясняет, каким образом клетки могут зафиксировать состояние, в котором работают одни гены и не работают другие, и передать его своим потомкам. Оказывается, это позволяет клеткам на начальных этапах развития эмбриона превращаться в различные ткани и органы. За те десятилетия, что прошли со времени новаторской работы Лайон, ученые выяснили и дополнительные этапы этого процесса. Путешествие, которое начинается с зачатия, продолжается через эмбриональное развитие и длится до конца наших дней.

В момент оплодотворения, когда сперматозоид сливается с яйцеклеткой и загружает в нее свой набор хромосом и других молекул, включаются определенные гены и зигота становится тотипотентной клеткой. Это значит, что она имеет возможность развиваться по-разному. Одна-единственная клетка зиготы способна стать любой клеткой организма и даже плаценты. Когда зигота делится, получаются две новые тотипотентные клетки, затем четыре. Если врач извлечет одну из этих тотипотентных клеток и поместит в чашку Петри, она сможет развиться в целый эмбрион с плацентой.

Другими словами, данные клетки унаследовали от материнских не только ДНК, но и их тотипотентность. Это состояние передается от одного поколения клеток к другому благодаря молекулам, плавающим вокруг ДНК и определяющим, какие гены клетка использует, а какие подавляет. Несколько главных генов (олигогенов) создают мощные белки, каждый из которых удерживает сотни других генов во включенном или выключенном состоянии. Главные гены также поддерживают работу друг друга с помощью петель обратной связи. Один ген активизирует второй, который включает третий, а тот, в свою очередь, поддерживает работу первого. Когда тотипотентная клетка делится, ее дочерние клетки наследуют ту же сбалансированную систему белков. Эти молекулы продолжают управлять ДНК в двух новых клетках, поэтому новая клетка наследует родительскую тотипотентность.

Тотипотентные клетки могут поддерживать этот тонкий баланс в течение нескольких делений. Но затем каждая новая клетка теряет свою тотипотентность, диапазон ее будущих возможностей сужается. Клетки внешнего слоя стремятся образовать плаценту. Другие клетки, образующие скопление внутри внешнего слоя, могут стать только частью самого эмбриона. Теперь они не тотипотентные, а плюрипотентные, но перед ними все еще несколько разных вариантов будущего.

Эти клетки меняют свои свойства, потому что у них перестраивается система, состоящая из генов и белков. Синтез белков с главных генов в тотипотентной клетке не идет так гладко, как на конвейере. Иногда эта молекулярная машинерия застопоривается, и создание белков замедляется. Иногда она ускоряется, и происходит резкое увеличение содержания этих молекул.

Такие колебания могут выводить из строя петли обратной связи в клетке. Nanog – один из главных генов в тотипотентной клетке – удерживает многие гены выключенными. Если клетка не произведет достаточного количества белка NANOG, подавленные гены активируются и выключат сам ген nanog. Когда эти генетические сети перестроятся, они уже не смогут вернуться в прежнее состояние. Клетка превратится из тотипотентной в плюрипотентную.

Плюрипотентные клетки продвигаются дальше по ландшафту Уоддингтона, попадая в еще более глубокие канавки и сужая еще сильнее свои возможности. Случайные колебания синтеза белков вместе с сигналами от соседних клеток помогают им двигаться вперед. Плюрипотентные клетки оказываются в одном из трех зародышевых слоев. После того как клетка превратится в часть мезодермы, она потеряет шанс стать фрагментом одного из других зародышевых листков, чтобы участвовать в создании глаза или легкого. И с каждым новым сужением возможностей все сильнее работает долгосрочная регуляция ДНК с помощью метилирования генов. Клетки выключают многие свои гены настолько глубоко, что те более не имеют шансов стать включенными снова. Генетические сети, которые определяют характерные свойства клетки кости, мышцы или кишечника, становятся надежнее и противостоят случайным колебаниям содержания белков. Когда такие клетки делятся, их потомство гарантированно относится к тому же типу, с тем же метилированием и теми же участками ДНК, намотанными на белковые катушки.

Самое очевидное, что при делении передается по наследству дочерним клеткам, – это форма. В нервной системе эмбриона многие нейроны имеют вытянутую веретенообразную форму с двумя тонкими отростками (биполярные нейроны). Отростки отходят от крошечного тела клетки, в котором хранится ДНК. И когда нейрон делится, дочерние клетки получаются такими же вытянутыми и похожими на веретено.

Это сенсорные нейроны, благодаря которым наше тело умеет чувствовать. Например, в коже большого пальца находятся разветвленные нервные окончания сенсорного нейрона, отросток которого дальше тянется от большого пальца к запястью, огибает локоть, поднимается по плечу и, наконец, достигает тела нейрона в скоплении клеток около спинного мозга. Если вы уколете палец шипом, болевой сигнал пройдет по отросткам сенсорного нейрона в спинной мозг, а оттуда уже по другому нейрону направится в головной.

Нейробиолог из Лионского университета Лейла Бубакар с коллегами задалась вопросом, как эти сенсорные нейроны наследуют свою двуветвистую форму от своих биполярных предшественников – клеток нервного гребня. Она внимательно наблюдала за их делением и заметила, что при этом происходит нечто удивительное. Перед делением клетки нервного гребня убирали свои два отростка, оставляя только шарообразные клеточные тела. Однако стоило такой клетке разделиться, как дочерние клетки отращивали новые два отростка с тех же сторон, где они были у материнской.

Чтобы разобраться в происходящем, ученые прикрепили светящиеся метки на некоторые белки клеток нервного гребня. Они обнаружили, что клетки сохранили, как это называет Бубакар с коллегами, «молекулярную память» о своей форме с двумя отростками. И эта память передается по наследству дочерним клеткам. Перед делением клетка нервного гребня откладывает специальный белок септин в основания обоих отростков. Скопление септина остается и после отмирания отростков, отмечая, таким образом, те места, где они были.

Затем клетка нервного гребня делится на два сенсорных нейрона, каждый из которых получает септиновую метку. В этом месте оба нейрона отращивают по новой ветви. В экспериментах Бубакар выяснилось, что после этого септин перемещается к противоположному концу нового сенсорного нейрона. Там септин формирует новое скопление – таким образом клетка помечает место, где будет образован второй отросток.

Исследование Бубакар показывает, что наследственность может обеспечиваться не только генами. При делении клетки все ее содержимое передается клеткам-потомкам. Несомненно, сенсорные нейроны получают гены от своих материнских клеток. Но одного только генетического наследования недостаточно, чтобы объяснить, как подобное порождает подобное в нашей нервной системе. Форма сенсорного нейрона наследуется не через гены, кодирующие септин или другие вещества. Белки из материнской клетки аккуратно организуют у потомков восстановление отростков в нужных местах.

К тому моменту когда мои дочери появлялись на свет, в их организмах были уже сформированы сенсорные нейроны, а также и почти все другие типы клеток: белые и красные мышечные волокна, клетки белого и бурого жира, липоциты печени и клетки Панета в кишечнике. Но после рождения девочкам еще предстояло заметно вырасти.

В их детские годы многие клетки продолжали делиться. Большинство находилось уже достаточно глубоко в канавках ландшафта Уоддингтона, и их внутренняя наследственность была безжалостно ограничена. И я испытываю благодарность за этот строгий эпигенетический контроль. Он не позволил глазам превратиться в почки и появиться зубам на месте ногтей. Пока я работал над этой книгой, Шарлотта и Вероника достигли своих максимальных значений роста, которые определялись взаимодействием аллелей, унаследованных от нас с Грейс, и условиями жизни в Америке XXI в., богатой солнечным светом и пиццей. Когда мои дочери приблизились к своим окончательным размерам, размножение большинства их клеток гармонично затормозилось. Теперь их полноразмерные легкие плотно прилегают к грудным клеткам. А мочки их ушей не свисают до земли.

Однако ряд клеток продолжит давать новых потомков, и это созидательное пламя не потухнет на протяжении всей их жизни. Некоторые части нашего организма постоянно обновляются: старые клетки умирают, а новые образуются, чтобы занять их место. К тому времени как человеку исполняется 30 лет, его жировым клеткам в среднем только по восемь лет. Эритроциты живут лишь четыре месяца. Клетка кожи – всего месяц, вкусовой сосочек – десять дней, клетка желудка – не больше двух.

По всему человеческому телу разбросаны скрытые убежища стволовых клеток, которые могут восполнить потери этих короткоживущих клеток. В наших длинных трубчатых костях, костях таза и грудины есть полости, заполненные костным мозгом. Хранящиеся в них стволовые клетки могут образовывать два вида клеток: миелоидные и лимфоидные. Миелоидные дают начало своей части родословного древа: из них развиваются эритроциты, тромбоциты, а также макрофаги – иммунные клетки, пожирающие бактерий. У лимфоидных другое направление: они развиваются в T-клетки, которые могут запускать процесс самоубийства инфицированных клеток, и в B-клетки, которые синтезируют антитела, избирательно атакующие определенные патогены. Те стволовые клетки, что скрыты в стенке желудка, восстанавливают ее, когда старые клетки отшелушиваются. Подобное обновление происходит и в нашей коже.

Некоторые стволовые клетки создают новые ткани только в экстренных случаях. Клетки-миосателлиты угнездились в наших мышцах, они производят новые мышечные клетки, чтобы помочь исправить повреждение. Если вы порезали руку, то из стволовых клеток, расположенных в коже и волосяных фолликулах, образуются новые клетки кожи, которые переползут к краям раны и заживят ее.

Чтобы сохранять свои особые свойства, стволовые клетки должны быть защищены. Они могут находиться только в специальном химическом окружении, обеспечивающем активность определенных генетических сетей. В своем укрытии стволовая клетка раз за разом проделывает один и тот же фокус: она делится на две. Одна дочерняя клетка продолжает делиться, чтобы образовались зрелые клетки определенного типа. Другая остается стволовой. Стволовая клетка искусно руководит процессом, манипулируя тем, какие молекулы унаследуются дочерними клетками. Стволовые клетки не распределяют вещества поровну. Они собирают определенные белки и РНК на одном из полюсов. Когда такая клетка делится, одна из дочерних получает всю комбинацию молекул, удерживающих ее в состоянии стволовой. Другая «дочка» переключает свою генетическую сеть в новое состояние и приобретает новые свойства.

Одно из важнейших мест, где происходит образование новых клеток, было открыто совсем недавно – это мозг. Целые поколения нейробиологов пребывали в убеждении, что нейроны в головном мозге прекращают делиться вскоре после рождения человека. В процессе обучения нейроны только образуют новые связи и обрезают старые. В 1928 г. лауреат Нобелевской премии Сантьяго Рамон-и-Кахаль выразил эту догму XX в. в простой фразе: «Все может умереть, но ничто не может регенерировать».

Так было до конца XX в., пока эта догма не начала трещать по швам. Некоторые наиболее элегантные свидетельства нейрогенеза во взрослом мозге были получены благодаря тому, что все люди на Земле частично состоят из радиоактивных осадков.

Наземные испытания ядерного оружия продолжались с середины 1950-х гг. до 1963 г., когда был подписан Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой. Каждый взрыв выбрасывал в атмосферу нейтроны, которые иногда сталкивались с азотом, превращая его в углерод-14. К 1963 г. уровень углерода-14 в атмосфере удвоился по сравнению с исходным. Растения поглощали углекислый газ из воздуха, и углерод-14 попадал в их корни, стебли и листья. Животные, поедая растения, накапливали углерод-14 в своих тканях – все животные, в том числе и люди. Их организмы использовали атомы углерода-14 для создания многих своих молекул. Такие молекулы, как РНК или белки, рано или поздно распадаются и перерабатываются. Но ДНК остается неизменной. При этом уровень углерода-14 в атмосфере с 1963 г. снизился до значений доядерной эпохи.

В начале 2000-х гг. специалист по клеточной биологии из Каролинского института в Стокгольме Йонас Фризен пришел к выводу, что, определив содержание углерода-14 в клетках мозга, он сможет установить их возраст с точностью до пары лет. Фризен с коллегами начал исследовать тела людей, завещавших свои останки для научных целей. Ученые вырезали кусочки из разных отделов мозга и измеряли в них уровень углерода-14. Зная год рождения человека, исследователи могли определить возраст, в котором у него сформировались эти нейроны.

Первые результаты только подтвердили догму. Фризен с коллегами изучал кору головного мозга – тонкий наружный слой, который отвечает за многие высшие психические функции. И возраст нейронов в нем совпадает с возрастом человека. Но затем исследователи обратили внимание на гиппокамп – маленький участок мозга, лежащий в его глубине. Он их интересовал, поскольку уже давно было известно, что гиппокамп жизненно важен для обучения и формирования долговременной памяти.

Так как гиппокамп весьма невелик, первоначальные методы анализа были недостаточно чувствительны для точной оценки уровня углерода-14. Но в 2013 г. Фризен с коллегами смог провести необходимые измерения. Оказалось, что некоторые нейроны гиппокампа – молодые. Как подсчитали ученые, в гиппокампе на самом деле появляется около 700 новых нейронов ежедневно.

Добавить 700 к 80 млрд нейронов, из которых состоит человеческий мозг, – все равно что долить столовую ложку воды в олимпийский бассейн. Тем не менее эта крохотная доля, по мнению некоторых ученых, имеет большое значение для работы нашего мозга. Мыши, которым заблокировали образование новых нейронов в гиппокампе, тратили больше времени, чтобы научиться прокладывать себе путь через лабиринт или нажимать на экран для получения чего-нибудь вкусного в награду. Новые нейроны могут поспособствовать стиранию устаревших, неактуальных воспоминаний и формированию свежих. Другими словами, вейсмановская родословная, отражающая нашу внутреннюю наследственность, может протягиваться от момента зачатия до последнего выученного урока.