Красота живых тварей в симметрии, определяющей строение тела у всех многоклеточных. Хотя если вспомнить, что все мы развиваемся из маленьких «шариков» – гаструлы и бластулы, странно, что мы всё-таки зеркально, а не сферически симметричны.
Помимо внешнего сходства двух половинок в теле, мы получили от своих предков, кольчатых червей, ещё один подарок – сегментарность строения, проявляющуюся при развитии позвоночника и спинного мозга. Непонятным до сих пор оставался механизм, определяющий количество этих сегментов, которое у змей достигает 300 штук, а у человека ограничено всего 33 позвонками.
Оливер Пурке и его американские и британские коллеги выяснили, что число повторов определяют специальные внутренние биологические часы, «тикающие» у эмбрионов змей гораздо быстрей, чем у остальных.
организованное распределение одинаковых частей тела или форм.
Понятия симметрии и асимметрии альтернативны, чем более симметричен организм, тем менее он асимметричен и наоборот. Строение тела многих многоклеточных организмов отражает определенные формы симметрии, радиальную или билатеральную. Небольшое количество организмов полностью асимметричны. При этом следует различать отсутствие формы (например у амёбы) от отсутствия симметрии. В природе и биологии симметрия не абсолютна и всегда содержит некоторую степень асимметрии. Например, симметричные листья растений при сложении пополам в точности не совпадают.
У биологических объектов встречаются следующие типы симметрии:
сферическая симметрия – симметричность относительно вращений в трёхмерном пространстве на произвольные углы.
симметрия n-порядка – симметричность относительно поворотов на угол 360°/n вокруг какой-либо оси.
аксиальная симметрия – симметричность относительно поворотов на произвольный угол вокруг какой-либо оси.
двусторонняя (билатеральная) симметрия – симметричность относительно зеркального отражения.
трансляционная симметрия – симметричность относительно сдвигов пространства в каком-либо направлении на некоторое расстояние.
триаксиальная, трёхосная асимметрия – отсутствие симметрии по всем трем пространственным осям.
Рыбы и земноводные ещё более совершенны. Они смогли разместить внутренние системы в произвольном порядке, выбрав в качестве опоры внутренний скелет. Развивается он примерно так же, как и сегменты червей, – из так называемых сомитов, формирующихся на ранних стадиях развития эмбриона.
первичный сегмент, парное метамерное образование (у зародышей некоторых беспозвоночных (кольчатые черви, насекомые), всех хордовых животных и человека. На сомиты разделяется (сегментируется) в процессе зародышевого развития средний зародышевый листок – мезодерма. Сомиты расположены по продольной оси тела и прилегают с боков к нервной трубке и хорде. У беспозвоночных животных сегментируется вся мезодерма, а у хордовых и человека только спинной (дорсальный) отдел её, а остальная мезодерма образует боковые пластинки, или спланхнотомы.
Сегментация начинается с переднего отдела тела и постепенно распространяется к заднему отделу. В процессе развития каждый сомит распадается на миотом, склеротом и дерматом, из которых образуются соответственно: туловищная мускулатура, осевой скелет (у рыб также скелет плавников) и соединительнотканная часть кожи с её производными.
Найти управляющие элементы системы, обеспечивающие такую точную регулировку и синхронизацию в целом, учёным пока не удаётся. Конечно, о механизмах развития отдельных органов известно достаточно много, но вот можно ли контролировать весь процесс целиком, пока неизвестно.
Пурке и его коллеги решили поискать подобные факторы, способные влиять на отдельные элементы развития, выбрав в качестве последнего позвоночник.
Они тщательно изучили этот процесс у рыбы, мыши, змеи и цыпленка с точки зрения генетики и хронобиологии. Как и предполагалось, без периодичности тут не обошлось.
Сначала ученые обнаружили, что гены факторов роста в этих сегментах активируются через строго определенные промежутки времени. Но это лишь следствия первичного механизма, также найденного учёными. Пурке и его коллегам удалось идентифицировать и регуляторные гены, контролирующие эти изменения. Часть из них отсеяли из-за отсутствия цикличности их экспрессии, а два семейства – MSGN и LFNG — как нельзя лучше вписались в теорию.
Новый сомит образуется у зародыша змеи каждые 100 минут, в то время как у рыбы, цыпленка и мыши – через 30, 90 и 120 минут соответственно.
Признаки симметрии определяются внешней средой. Полностью изотропной экологической нише соответствует максимальная степень симметрии организмов. Первые организмы на Земле, плавающие в толще воды одноклеточные, имели максимально возможную симметрию – шаровую, они появились примерно 3,5 миллиарда лет назад.
Асимметризация у наземных животных по оси «верх–низ» происходила, под действием поля гравитации. Это привело к появлению малоподвижных или прикрепленных организмов радиальной симметрии.
Асимметризация по оси «перед–зад» происходила при взаимодействии с пространственным полем, когда понадобилось быстрое движение (спастись от хищника, догнать жертву). В результате, в передней части тела оказались главные рецепторы и мозг. Билатерально симметричные организмы господствуют последние 650–800 миллионов лет. Это ракообразные, рыбы, все прогрессивные формы: млекопитающие, птицы, насекомые.
Авторы пришли к выводу, что в данном случае работает теория «волнового фронта». Она предусматривает, что в зависимости от расположения клеток в рамках нового сомита изменяется работа генов в них. А граница, на которой происходит это изменение, движется по зародышу, причем происходит это не из-за контактов с «соседками», как в других реакциях эмбриогенеза, а благодаря внутренним часам, тикающим у змей гораздо быстрее.
Правда, за такое «совершенство» и ползучесть гадам пришлось расплачиваться половиной внутренних органов, отсутствующих для обеспечения лучшего баланса.
Более подробно с работой Пурке и его коллег можно ознакомиться в последнем выпуске Nature.
