Теория биоэлектрического кода. Что, не считая ДНК, формирует наши тела

Эмбрион — почти как замок Lego, только вместо башен, горгулий и рва у него две ноги, два глаза и сердце. В отличие от конструктора, у нас нет коробки с примером того, как мы должны выглядеть в собранном виде. Нет у нас и инструкции по эксплуатации. Наши детальки Lego собираются сами по себе.

Удивительно, что все наши клетки делают это примерно одинаково: в конце концов, всем нам удалось получить характерную форму и пропорции, соответствующие нашему виду.

Как наши клетки сформировали глазные яблоки, ноги, пальцы и всё остальное в нужном месте и в правильном порядке? Кто дал им чертежи? Как они поняли, что всё готово и пора остановиться?

Вы можете подумать, что всё дело в ДНК, но это не так. Можно исследовать геном вдоль и поперек, но вы не найдете в нем инструкций по анатомии. Существует ген, отвечающий за цвет волос, кожи, глаз, но нет гена, в соответствии с которым «глазные яблоки должны располагаться на передней части головы», как и нет гена, в соответствии с которым у человека будут «две руки, две ноги, пропорции такие-то, ягодицы строго сзади». Форму организма по ДНК восстановить невозможно: генетическая информация не является пространственной.

Что же отвечает за нашу форму? Этим вопросом Майк Левин задавался еще в детстве. К тому моменту, когда он должен был защищать диссертацию в Гарвардской медицинской школе в начале 1990-х годов, один аспект формирования человека в утробе матери оставался неразгаданным: как эмбрионы отличают лево и право.

Так Левин, который сейчас занимается эволюционной биологией в Университете Тафтса, начал исследовать, как клетки, не имея мозга, отличают лево и право. Не сомневайтесь, способность клеток отличать лево от право во время развития эмбриона имеет решающее значение для нашего выживания.

Внешне человек симметричен — два глаза, два уха, две руки и две ноги. Но внутри — совсем другая история.

Вы, наверное, знаете, что сердце и желудок находятся слева, а печень, аппендикс и поджелудочная железа справа. И лишь у одного из 20 000 человек — наоборот. И это абсолютно нормально! Обычно у таких людей нет проблем (за исключением назойливых исследователей, пытающихся разобраться в их особенностях). Но если не на своем месте только некоторые из органов — это уже проблема. Нарушение четкой внутренней асимметрии тела, особенно когда она затрагивает сердечно-сосудистую систему, является источником многих врожденных пороков сердца и других опасных заболеваний.

Итак, геном не может отличить лево от право. Изучая старые работы по ионному току, Левин предположил, что электричество играет фундаментальную роль в установлении полярности клетки. Но каким образом?

До начала исследований Левина ученые уже составили каталог ионов, которые перемещаются в развивающихся эмбрионах различных видов. Затем они определили ионные каналы, по которым ионы проходят через зиготу и бластомеры, в которые они собираются, когда начинают диверсифицироваться в развивающийся эмбрион. Во время этого перехода с ионами и ионными каналами в клетке происходит забавная вещь: все они таинственным образом изменяются. Некоторые появляются, другие исчезают, а затем появляются вновь.

Нарушение даже незначительных токов натрия приводит к аномалиям пространственной ориентации эмбриона. Открытие этого факта принадлежит Элизабет Тости. Она пришла к выводу, что ток во время и после оплодотворения имеет решающее значение для правильного развития зародыша. Смешение с калиевыми токами также приводит к дефектам развития — это является еще одним доказательством того, что движение ионов имеет решающее значение для зародыша.

Так или иначе, никому не удавалось собрать эти разрозненные факты в единое целое. Левин же стал работать над этими вопросами в собственной лаборатории в Институте Форсайта в Гарварде. Как электричество способно задавать полярность клетки? Совместно с Кеном Робинсоном они открыли протонный насос (интегральный мембранный белок, осуществляющий перемещение протонов через мембрану клетки, митохондрии или другого внутриклеточного элемента). Протоны — это ионы водорода. Этот насос специализируется на обеспечении строгого соотношения водорода и калия.

Когда Левин и Робинсон проверили эти насосы после оплодотворения лягушки, они обнаружили кое-что странное: все каналы начали смещаться по направлению к одной из сторон яйцеклетки. Никто никогда не видел ничего подобного. Насосы собирались на одной стороне яйцеклетки, и это означало, что ионы водорода могли попасть в яйцеклетку или выйти из нее только с этой стороны. Это произошло вскоре после оплодотворения, когда зародыш лягушки состоял всего из четырех клеток.

Когда ученые думают, что подбираются к ответу на волнующих их вопрос, им нужно придумать эксперимент, который может опровергнуть их идею.

Левин и Робинсон решили проверить, что произойдет, если они предотвратят отклонение протонных насосов от идеальной симметрии после оплодотворения. Для этого они добавили к эмбриону дополнительные протонные насосы, чтобы выровнять их распределение. Они предположили, что равномерное распределение может повлиять на способность эмбриона отличать лево от право. Они оказались правы. У всех эмбрионов с дополнительными протонными насосами были отклонения: их сердце могло быть как справа, так и слева. Протонный насос был нужен для создания разницы между левой и правой сторонами.

Вместе с этим у эмбрионов изменялся и мембранный потенциал. Если все наши клетки содержат одни и те же гены, почему некоторые из них делают одно, а другие — другое? Почему некоторые из них превращаются в костные клетки, а другие — в кожу или нервы?

Щелевые контакты (межклеточные контакты, обеспечивающие прямой перенос ионов и небольших молекул между соседними клетками) представляют собой необычный вид ионных каналов. Они начинают формироваться в тот момент, когда слияние яйцеклетки и сперматозоида создает первую совместную клетку — зиготу. Сразу после этого щелевые контакты образуют клеточную интрасеть, никак не связанную с нервной системой (которой в зиготе, конечно, еще не существует). В отличие от других ионных каналов, которые впускают и не пропускают различные молекулы, щелевые контакты создают прямые соединения между клетками. Они проникают между соседними клетками через «потайную дверь» — что-то вроде смежных гостиничных номеров.

Это означает, что когда клетки дифференцируются, каждая новая отделяющаяся клетка уже связана с окружающими ее клетками. Задолго до того, как начнут формироваться нервные клетки, наши эмбриональные клетки уже оснащены щелевыми контактами, которые представляют собой гораздо более быстрый способ коммуникации.

Левин предположил, что именно благодаря щелевым контактам человеческий организм понимает, как сформировать себя. Ученый обнаружил, что отсутствие щелевых контактов также нарушает нормальную асимметрию. Затем совместно с Тайсаку Ноги они открыли, что благодаря щелевым контактам плоский морской червь планария обладает беспрецедентной способностью к восстановлению.

И у лягушки, и у червя щелевые контакты позволяли передавать сообщения на большие расстояния без нервной системы. В некотором смысле так даже лучше: когда две клетки связаны через щелевые контакты, каждая из них имеет прямой доступ к внутренней информации другой.

То, что переживает или знает одна клетка, немедленно передается через соединительную «дверь», чтобы ее соседка была в курсе событий. Этот эффект близок к телепатии.

Так Левин сформулировал свою теорию биоэлектрического кода, в соответствии с которой мембранное напряжение передает информацию, а щелевые контакты образуют общую для всего тела электрическую сеть, по которой распространяется информация. Эта информация принимает форму кода, управляющего сложными биологическими процессами. Именно этот код сформировал нас с в утробе матери, выполняя программу роста и гибели клеток.

Из-за этого кода мы сохраняем ту же самую форму на протяжении всей своей жизни. Код останавливает, где нужно, деление наших клеток, чтобы мы оставались сами собой. Точно так же, как нейронный код управляет поведением и восприятием, а генетический код управляет наследственными чертами, биоэлектрический код управляет тем, как формирует себя наше тело.