В 1894 году пионер генетики Уильям Бэтсон (William Bateson) издал книгу под названием «Материалы по изучению прерывистой изменчивости в происхождении видов». Он собрал очаровательный, почти жуткий список генетических отклонений, и рассмотрел, как они могли бы пролить свет на эволюцию. У него были лошади с раздвоенными копытами, антилопы с единственным рожком в середине головы, люди с лишней рукой и жук с пятью ногами с одной стороны. В своей книге Бэтсон выдумал термин «гомеозис» для замечательного типа генетической вариации. Homoio означает по-гречески «остающийся таким же», и гомеотическая мутация (как мы теперь назвали бы ее, хотя, когда Бэтсон писал, термин «мутация» не был введен в обращение) – та, которая заставляет часть тела появляться на месте какой-либо другой части. 

Нарисованный Бэтсоном жук с гомеотической мутацией, издано в 1894 году [18].

Собственные примеры Бэтсона включали пилильщика с ногой, растущей на месте, где должна была быть антенна. Только услышав об этой замечательной аномалии, Вы могли бы подозревать, вместе с Бэтсоном, что здесь должна быть важная подсказка к тому, как животные обычно развиваются. Вы с Бэтсоном были бы правы, и это – предмет настоящего рассказа. Такой специфический гомеозис – нога вместо антенны – был позже обнаружен у плодовой мушки дрозофилы и назван антеннопедия. Дрозофила («любительница росы») долго была любимым животным генетиков. Эмбриологию никогда не нужно путать с генетикой, но недавно дрозофила приняла на себя главную роль в эмбриологии, так же как в генетике, и это – рассказ об эмбриологии.

Эмбриональным развитием управляют гены, но существует два совершенно разных пути, которыми оно могло бы теоретически происходить. «Рассказ Мыши» представил их как проект и рецепт. Строитель сооружает дом, кладя кирпичи в места, определенные проектом. Повар делает пирог, не помещая крошки и смородины в указанные места, а внося компоненты через указанные процедуры, такие как просеивание, взбалтывание, взбивание и нагревание (Эта любимая аналогия сначала использовалась моим другом сэром Патриком Бэтсоном (Patrick Bateson), между прочим, родственником сэра Уильяма.). Учебники биологии ошибаются, если описывают ДНК как проект. Эмбрионы не делают ничего, отдаленно напоминающего следование проекту. ДНК не является описанием на любом языке, того, на что должно быть похоже законченное тело. Возможно, на какой-то другой планете живые существа развиваются с помощью эмбриологии проекта, но я считаю, что трудно представить, как бы она работала. Это должен быть совсем иной вид жизни. На нашей планете эмбрионы следуют за рецептами. Или, чтобы заменить это на другую, столь же несхожую с проектом аналогию, которая до некоторой степени подходит больше, чем рецепт: эмбрионы создаются, следуя за последовательностью оригами, инструкцией по складыванию бумажных фигурок.

Аналогия с оригами соответствует ранней эмбриологии лучше, чем поздней. Главная организация тела первоначально заложена рядом сворачиваний и выпячиваний слоев клеток. Как только главная схема тела благополучно оказывается на месте, более поздние стадии развития представляют в значительной степени рост, как будто эмбрион раздувается со всех сторон, как воздушный шар. Впрочем, это – очень специфичный вид воздушного шара, потому что различные части тела раздуваются с разной скоростью, тщательно управляемой скоростью. Это важное явление известно как аллометрия. «Рассказ Плодовой Мушки» имеет отношение главным образом к ранней, оригами-фазе развития, а не к более поздней, инфляционной.

Клетки не укладываются, как кирпичи по проекту, но именно поведение клеток определяет эмбриональное развитие. Клетки притягивают или отталкивают другие клетки. Они изменяют форму различными способами. Они выделяют химические вещества, которые могут распространиться за ее пределы и влиять на другие клетки даже на некотором расстоянии. Иногда они выборочно погибают, создавая формы удалением, как будто при работе скульптора. Как термиты, сотрудничающие, чтобы построить термитник, клетки «знают» что делать под влиянием соседних клеток, с которыми они оказываются в контакте, и благодаря градиенту концентрации химических веществ. Все клетки в эмбрионе содержат одни и те же гены, таким образом, не может быть, чтобы гены приводили к различиям в поведении одних клеток относительно других. Что действительно распознает клетка – какие из генов включены, что обычно отражается в генных продуктах, белках, которые она содержит.

В очень раннем эмбрионе клетка должна «знать», где она находится относительно двух главных направлений: спереди или сзади (передне-заднее направление), и вверху или внизу (спинно-брюшное). Что значит «знать»? В начальной стадии это означает, что поведение клетки определяется ее положением вдоль химических градиентов относительно каждой из этих двух осей. Такие градиенты неизбежно начинаются непосредственно в яйце, и находятся, поэтому, под контролем генов матери, а не собственных ядерных генов яйца. Например, существует ген, названный bkoid в материнском генотипе дрозофилы, который экспрессируется в «клетках-няньках», строящих ее яйца. Белок, созданный геном bicoid, транспортируется в яйцо, где концентрируется в одном конце, постепенно исчезая к другому. Итоговый градиент концентрации (и другие похожие) определяет передне-заднюю ось. Аналогичные механизмы под прямым углом определяют спинно-брюшную ось.

Эти маркирующие концентрации сохраняются в веществе клеток, которые образуются, когда яйцо впоследствии делится. Первые несколько делений происходят без какого-либо прибавления нового материала, и деления являются неполными: создается много отдельных ядер, но они полностью не отделены клеточными перегородками. Эту многоядерную «клетку» называют синцитий. Позже перегородки формируются, и эмбрион становятся по-настоящему клеточными. В продолжение всего этого, как я сказал, сохраняются первоначальные химические градиенты. Из этого следует, что ядра клеток в различных частях эмбриона будут плавать в различных концентрациях ключевых веществ, соответствующих первоначальным двумерным градиентам, и это заставит различные гены включаться в различных клетках (мы сейчас, конечно, не говорим о собственных генах эмбриона, больше о материнских). Так начинается дифференциация клеток, и проецирование этого принципа приводит к дальнейшей дифференциации на более поздних стадиях развития. Первоначальные градиенты, настроенные материнскими генами, уступают дорогу новым и более сложным градиентам, настроенным собственными генами эмбриона. Последовательные разветвления в линиях эмбриональных клеток рекурсивно производят дальнейшие дифференциации.

У членистоногих существует более широкомасштабное разделение тела, не на клетки, а на сегменты. Сегменты выстраиваются в линии, от передней части головы до конца брюха. У насекомых есть шесть главных сегментов, в которых антенны находятся на сегменте 2, на следующих сегментах находятся мандибулы, а затем другие ротовые части. Сегменты головы взрослого сжаты до маленьких пределов, таким образом, их расположение вдоль всей длины тела не слишком ясно, но его можно увидеть в эмбрионе. Три грудных сегмента (T1, T2 и T3), расположенных в ряд, более заметны, каждый имеет пару ног. T2 и T3 обычно имеют крылья, но у дрозофилы и других мух крылья есть только на T2 (Некоторые другие насекомые, такие как тараканы и жуки, летают только с помощью крыльев T3, изменив крылья T2 в твердые защитные надкрылья, названные элитра. Сверчки и кузнечики, как мы слышали, затем изменили элитры в звуковоспроизводящие органы.). Вторая пара «крыльев» изменена в жужжальца, маленькие булавообразные органы на T3, которые вибрируют и служат миниатюрными гироскопами, направляющими муху. У некоторых ранних ископаемых насекомых было три пары крыльев, одна пара на каждом из трех грудных сегментов. Позади грудных сегментов расположено большее число брюшных сегментов (11 у некоторых насекомых, восемь у дрозофилы, в зависимости от того, принимаете ли Вы во внимание гениталии на заднем конце). Клетки «знают» (в уже оправданном смысле), в каком сегменте они находятся, и они ведут себя соответственно. Каждая клетка различает, в каком сегменте она расположена, при посредничестве специальных регулирующих генов, Hox-генов, включенных в клетку. «Рассказ Плодовой Мушки» – главным образом рассказ о Hox-генах.

Вопрос бы стал ясным и легко объяснимым, если бы я мог теперь сказать Вам, что есть один Hox-ген для каждого сегмента, при этом все клетки данного сегмента имеют только свой собственный, пронумерованный, включенный в нее Hox-ген. Было бы еще лучше, если бы Hox-гены выстраивались вдоль хромосомы в том же самом порядке, что и сегменты, на которые они влияют. Что ж, это не столь здорово, но почти так. Hox-гены действительно расположены в правильном порядке вдоль одной хромосомы, и это замечательно – учитывая то, что мы знаем о работе генов. Но Hox-генов не достаточно для сегментов –