В рамках заключительной лекции из цикла рождественских чтений в The Royal Institution 1986 года, почетный профессор и биолог Льюис Уолперт (Lewis Wolpert) рассматривает фундаментальные вопросы биологии: почему мы растем, как наш организм координирует развитие органов и можно ли достичь бессмертия. От регенерации конечностей у тараканов до гормональных нарушений у людей — лекция раскрывает механизмы, которые превращают одну клетку в сложный стареющий организм.
🦎 Механизмы регенерации: от гидры до тритона 4:31
Профессор Льюис Уолперт начинает с демонстрации удивительных способностей низших животных к восстановлению. В отличие от человека, некоторые организмы способны полностью восстанавливать утраченные части тела.
- Гидра: Это маленькое животное, обитающее в прудах, можно разрезать пополам, и каждая часть восстановится . Конец с щупальцами отрастит липкую подошву, а подошва — новые щупальца.
- Регенерация без роста: По словам Льюиса Уолперта, гидра восстанавливается не за счет роста, а путем перестройки (ремоделирования) существующих тканей . Это подтверждается экспериментом с радиацией: даже после дозы в 20 000 рад (для человека смертельны 500 рад), когда деление клеток полностью прекращается, гидра все равно способна к регенерации перед смертью .
- Тритоны: В отличие от гидры, регенерация конечностей у тритона (род Triturus) требует активного роста и деления клеток . Если отрезать конечность на уровне плечевой кости, через несколько недель вырастет новая, практически идентичная оригиналу.
🪳 Локальные правила клеток: эксперименты на тараканах 8:05
Для понимания того, как клетки «узнают», какую часть конечности нужно отрастить, Льюис Уолперт приводит эксперименты на голенях (tibia) тараканов. Клеткам вдоль ноги присвоены условные позиционные значения от 1 до 12.
Ключевые выводы экспериментов:
- Заполнение пустот: Если вырезать сегменты 4–9 и соединить сегмент 3 с сегментом 10, клетки обнаруживают разрыв и восстанавливают недостающие участки .
- Избыточный рост: Если соединить сегмент 9 с сегментом 4 (удлинив ногу), клетки не «укорачивают» её, а снова заполняют разницу между 9 и 4, делая ногу еще длиннее . По мнению Льюиса Уолперта, это доказывает, что клетки следуют локальным правилам взаимодействия с соседями, а не обладают «общим планом» всей ноги .
- Правило полного круга: Нога насекомого — это трубка. Если пересадить участок ткани с одной стороны на другую, создав несоответствие позиционных значений по окружности (например, расположив значение «6» рядом с «12»), в месте стыка начинают расти дополнительные конечности . Когда клетки образуют полный круг значений (1–12), это запускает программу роста новой ноги .
Льюис Уолперт отмечает, что использование витамина А позволяет «обмануть» клетки тритона: после обработки культи этим веществом клетки «думают», что они находятся в основании конечности, и начинают выращивать всю лапу заново, даже если была отрезана только кисть .
🧠 Координация роста в человеческом организме 22:12
Одной из сложнейших задач развития является синхронизация роста различных тканей. Льюис Уолперт объясняет это на примере черепа и мозга.
- Череп и мозг: Кости черепа у младенцев разделены швами и родничками (которые закрываются к 18 месяцам) . Кость нарастает в швах под давлением растущего мозга. Именно рост мозга «расталкивает» кости, заставляя череп точно соответствовать его размеру .
- Мышцы и кости: Длина мышц регулируется механическим натяжением. Когда кость удлиняется, прикрепленные к ней сухожилия тянут мышцы, что стимулирует их рост. Без этого растяжения мышцы не достигнут нужной длины .
- Автономия конечностей: Льюис Уолперт подчеркивает, что правая и левая руки растут независимо друг от друга в течение 18 лет . Между ними нет прямой связи для сверки длины. Это подтверждается опытами на аксолотлях: если пересадить зачаток конечности крупного вида мелкому, она вырастет до своих генетически запрограммированных огромных размеров, игнорируя размеры хозяина .
📏 Гормоны и аномалии роста 28:44
Рост человека в высоту происходит за счет эпифизарных пластинок (зон роста) — тонких слоев хряща в длинных костях . Когда эти пластинки окостеневают («закрываются»), рост прекращается .
В лекции приняли участие гости с различными особенностями роста:
- Сэнди Пай (Sandy Py): Женщина с ограниченным ростом (132 см). Причиной стала спонтанная генетическая мутация, из-за которой её зоны роста перестали работать должным образом .
- Мартин (Martin): 8-летний мальчик, страдавший от дефицита гормона роста. После начала ежедневных инъекций синтетического гормона его рост вошел в пределы нормы . Гормон роста вырабатывается гипофизом в центре головы .
- Кристофер Гринер (Christopher Greener): На тот момент самый высокий человек в Великобритании (229 см / 7 футов 6,25 дюйма) . Его гигантский рост был вызван гиперактивностью гипофиза, который вырабатывал в 20 раз больше гормона роста, чем положено .
Также Льюис Уолперт упомянул роль тестостерона. По его словам, на ранних стадиях (до 6 недель) эмбрионы мужского и женского пола выглядят идентично . Только под воздействием тестостерона одни и те же зачатки тканей превращаются либо в клитор, либо в пенис .
⏳ Биологические часы: старение и смерть 40:47
Старение остается глубокой биологической загадкой. Льюис Уолперт иллюстрирует это на примере долголетия разных видов: мышь в 2 года считается глубоким стариком, в то время как слоненок в этом возрасте — новорожденный младенец, хотя их ткани состоят из схожих клеток .
- Тест на эластичность кожи: Профессор демонстрирует простой способ определения биологического возраста: если оттянуть кожу на тыльной стороне ладони, у молодого человека она возвращается на место мгновенно, а у пожилого — медленно .
- Лимит Хейфлика: Ученые обнаружили, что клетки человека имеют ограниченный потенциал деления в культуре. Клетки новорожденного могут удвоиться около 50 раз, 12-летнего ребенка — 40 раз, а взрослого человека — всего около 20 раз . После этого они перестают делиться, что может быть ключом к механизму старения .
- Медицинское применение: Технология выращивания листов кожи из клеток пациента уже используется для лечения язв и тяжелых ожогов .
🧬 Будущее биологии развития 48:51
Завершая лекцию, Льюис Уолперт признает, что современная наука еще далека от полного понимания того, как гены управляют развитием. Гены кодируют только белки, а не структуру органов напрямую .
По мнению Льюиса Уолперта:
- Яйцеклетка содержит не описание взрослого организма, а программу (алгоритм) по его созданию .
- Клонирование и генетическая инженерия вызывают тревогу в обществе, но ученый не видит смысла в создании идентичных людей, так как жизненный опыт все равно сделает их разными .
- Ключ к разгадке лежит в изучении плодовой мушки (дрозофилы), так как её генетика и развитие изучены лучше всего, а многие управляющие гены мушки присутствуют и у человека .
Профессор цитирует Жака Моно, говоря, что ученые должны осторожно относиться к предсказаниям, так как мы «входим в будущее спиной вперед» . Хотя возможность выращивать новые органы из клеток (например, новое сердце после инфаркта) звучит заманчиво, на текущий момент (1986 год) это остается лишь теоретической возможностью .
