Зачатки конечностей и пластинки роста

Для того чтобы узнать, откуда у нас взялись конечности, нам придется вернуться к ранним стадиям эмбрионального развития. На четвертой неделе после зачатия зародыш свертывается в трубку, превращаясь из плоского трехслойного зародышевого диска в три вставленных друг в друга цилиндра. По обе стороны от головы появляются дисковидные утолщения, из которых сформируются хрусталики глаз и заполненные жидкостью лабиринты внутреннего уха. По сторонам шеи образуются ряды жаберных или глоточных дуг. С каждой стороны тела, на его задней (дорсальной) стороне отчетливо видны сомиты, а кроме того, с каждой стороны появляются два парных выпячивания, которым суждено стать верхними и нижними конечностями – руками и ногами. Сначала эти бугорки состоят из скоплений рыхлой эмбриональной соединительной ткани, образующейся из среднего, мезодермального, слоя зародышевого диска (из «начинки» этого «сэндвича»). Снаружи этот бугорок одет слоем эктодермы. К шестой неделе зачатки удлиняются, образуя уплощенные пластинки кистей и стоп. В течение седьмой недели клетки пластинок кистей и стоп начинают отмирать.

Это нормальный ход развития; формирование человеческого тела включает не только рост и пролиферацию, но и смерть некоторых клеток. Гибель клеток очень важна, потому что уменьшает количество генетической информации, необходимой для построения тела. Действительно, гибель клеток – это фундаментальный процесс эмбрионального развития любого животного со сложным строением тела. Во многих случаях бывает проще создать избыток ткани, а потом убрать лишнее, нежели сразу тщательно кроить сложную структуру. Наглядный пример – развитие нервной системы: в мозге новорожденного младенца содержится 90 миллиардов нервных клеток (нейронов), а потом происходит уничтожение почти половины этого количества. В результате процесса удаления лишнего остаются только те нейроны и синапсы, которые доказали свою полезность. Таково физическое проявление обучения – намного легче создать в самом начале избыточное число нейронов, а затем уменьшить их количество после того, как они образуют устойчивые связи, нежели тщательно программировать с самого начала все эти соединения и связи. Моя трехлетняя дочь уже хорошо усвоила этот принцип. Когда она создает картины с помощью клея и блесток, то сначала наносит на бумагу рисунок клеем. Затем, вместо того чтобы аккуратно наносить блестки по нарисованным линиям, она рассыпает их по всей поверхности листа, а затем просто смахивает излишки. Так же в процессе развития глаза отмирание клеток хрусталика позволяет его зачатку отделиться от покрывающего его слоя эктодермы. Программированная клеточная смерть – самоубийство клеток – обеспечивает прорезание просветов в сплошных клеточных тяжах, превращая их в трубки – именно так образуются у эмбрионов кровеносные сосуды. Камеры сердца формируются благодаря сочетанию запрограммированной смерти одних клеток и размножения других. В кончиках развивающихся конечностей людей, мышей и птиц клеточная смерть помогает пальцам отделиться друг от друга. Если клетки перестают отмирать, то ребенок может родиться со сросшимися пальцами.

В ходе изменения конечности от зачатка до вполне узнаваемой миниатюрной руки или ноги интересны не только эти внешние преобразования, но и процессы, происходящие внутри растущей конечности. В упомянутом мезодермальном ядре эмбриональные клетки образуют скопление и дифференцируются в хрящевые клетки. К шестой неделе в зачатках конечностей уже содержатся хрящевые модели их будущих костей. В игру снова вступает клеточная смерть, на этот раз для того, чтобы сформировать суставы между хрящевыми моделями. Из клеток, окружающих новообразованные суставные полости, образуется хрящевая выстилка суставных поверхностей сочленяющихся костей, а также оболочки сумок с вязкой синовиальной жидкостью, смазывающей суставные поверхности.

В течение восьмой недели в середине «моделей» из хрящей начинает образовываться истинная костная ткань, и это окостенение продолжается до тех пор, пока хрящевая ткань (к моменту рождения) остается только на концах костей. После рождения очаги окостенения появляются и в этих концах, но эти очаги не сливаются с зонами окостенения в стержнях костей в течение следующих многих лет. Секрет быстрого роста костей в детстве заключается в том, что в костях остается немного хрящевой ткани. Эти хрящевые участки имеют форму дисков, заключенных между телом и концом каждой длинной кости организма. Этот диск называют «пластинкой роста» или «зоной роста». Окончательное исчезновение этих хрящевых зон происходит с их окостенением при достижении костью «взрослой» длины, а случается это в конце подросткового периода. После окостенения зон роста кость теряет способность расти в длину. В некоторых костях такое закрытие зон роста происходит очень поздно – зоны роста в ключицах закрываются у взрослых людей иногда только к тридцати годам.

Развитие руки и кисти человеческого эмбриона

Зоны роста разных костей закрываются (согласно заложенной генетической программе) в разном возрасте (правда, в биологии все изменчиво), а это значит, что по динамике закрытия зон роста можно следить за правильностью развития ребенка. Это также очень полезно для определения возраста наступления смерти у подростков, чьи скелеты обнаруживают при археологических раскопках. Вот один пример из поселения викингов на острове Англси в Северном Уэльсе.

Место обнаруженной стоянки находится близ одной фермы на северо-восточном побережье Англси, откуда открывается превосходный вид на Сноудонию, расположенную на северо-западной оконечности Уэльса. Эта стоянка была обнаружена каким-то человеком с помощью металлоискателя – сначала он нашел древнюю монету, после чего на место прибыли археологи из Национального музея Уэльса во главе с доктором Марком Редкнэпом. Это поселение оказалось первым свидетельством заселения викингами Уэльса, на перевалочных пунктах торговых путей между Скандинавией и Северо-Западной Англией, Западной Шотландией и Ирландией. Раскопки производились каждое лето в течение более десяти лет. Мне посчастливилось участвовать в этой работе в качестве палеонтолога и специалиста по человеческим скелетам. Было открыто несколько захоронений, включая пять скелетов, обнаруженных в глубокой канаве на краю поселения. Пожалуй, слово «захоронение» не очень соответствует тому, что мы там увидели: похоже, эти трупы швырнули в канаву без всяких ритуалов и почестей. У одного скелета (принадлежавшего взрослому мужчине) руки были заведены назад и располагались близко друг другу – вероятно, его бросили в яму со связанными за спиной руками. Кем бы ни были эти люди, они, скорее всего, умерли насильственной смертью. Два скелета принадлежали подросткам.

Я помогала откапывать скелеты, но моя работа продолжалась еще долго после того, как траншеи были снова засыпаны землей. В Национальном музее Уэльса в Кардиффе скелеты были тщательно очищены, а кости размещены в должном порядке. Потом настала моя очередь: мне надо было выяснить все о людях, которым принадлежали эти останки.

У скелета под названием «скелет из второго захоронения» концы длинных трубчатых костей оказались незаращенными. Поверхности тупых концов тел костей и поверхность эпифизов были покрыты волнообразными зазубринами – типичная поверхность участков кости, сочлененных с хрящевой зоной роста. Хрящ – это мягкая ткань и не сохраняется в захоронениях, остаются лишь твердые кости, точнее, их неорганический остов. Я внимательно осмотрела область сращения в месте зон роста. Сращение отсутствовало в нижней части плечевой кости – обычно оно происходит в возрасте около 17 лет; в основаниях фаланг пальцев кистей зоны роста тоже оказались незаращенными – они зарастают к шестнадцати годам. Заращенными оказались зоны роста бедренных костей, а они начинают зарастать в возрасте одиннадцати лет. Эти данные указывали на то, что скелет принадлежал мальчику в возрасте от одиннадцати до шестнадцати лет. У этого скелета хорошо сохранились также зубы, и осмотр зубов позволил мне еще точнее определить возраст этого человека в момент смерти. Вторые коренные зубы у него уже прорезались, а третьи (зубы мудрости) – нет; коронки этих зубов полностью сформировались, а корни были еще недоразвиты. Это означало, что скелет принадлежал ребенку в возрасте от двенадцати до тринадцати лет.

Я – ученый, и должна быть беспристрастной, но при этом я все же человек, и не могла не испытывать горькую печаль, глядя на эти останки, тем более что мальчик, скорее всего, погиб насильственной смертью. Конец жизни этого ребенка и других людей, сброшенных в канаву, окутан покровом тайны, но археологи усиленно работают, чтобы пролить свет на это нераскрытое преступление, пытаясь понять, что же случилось в этом уголке Уэльса много-много лун тому назад. Стали ли эти люди жертвами набега викингов или это, наоборот, были викинги, убитые валлийцами? Имеем ли мы дело с жертвами междоусобицы? Химический анализ зубной эмали, возможно, поможет решить вопрос о происхождении этих людей. Есть предположение, что это были викинги, но точные обстоятельства их смерти трудно определить по этим давним костным останкам. На этом мне приходится закончить рассказ об этой истории. Моя работа была завершена, я измерила кости, оценила их состояние, написала протокол исследования и сфотографировала кости, а потом сложила их в специальный контейнер и перешла к следующему скелету.