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.
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[758].
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
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»[761]. 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
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[762]. 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»[763]. 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[764].
Одним из первых биологов, начавших рисовать клеточные родословные, стал молодой американский аспирант Эдвин Конклин[765]. 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»[766].
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[767].
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.