этапе нужно было превратить это открытие в инструмент, который позволял бы контролировать поведение ионов и регулировать мембранный потенциал клетки. Варьируя потенциал в эмбрионах лягушки, они с Левиным смогли добиться situs inversus – зеркального по отношению к норме расположения органов.

Они начали замечать, что у таких головастиков оказывалось нарушено не только расположение внутренних органов: у всех были очень похожие аномалии развития головы и морды. Наблюдалась характерная закономерность. И это было явным подтверждением гипотезы Левина о том, что мембранный потенциал отвечает далеко не только за внутреннюю асимметрию; возможно, он отвечает за построение всего тела.

Дальше необходимо было понять, как наблюдать за изменениями мембранного потенциала невооруженным глазом. Какой метод может позволить увидеть изменение мембранного потенциала не только в пространстве, но и с течением времени?

Адамс остановилась на чувствительном к электричеству красителе, который позволял превращать изменения потенциала в нечто наглядное, в данном случае – в градиент яркости[325]. Разность потенциалов коррелировала с яркостью окраски: высокое напряжение соответствовало ярко-белому цвету, низкое – черному, а промежуточным значениям соответствовали оттенки серого. Краситель можно было вводить в отдельные клетки и следить за ними, даже когда они делились и размножались. Появилась возможность наблюдать за всеми электрическими стадиями в процессе развития эмбриона.

Помните, я рассказывала, что в состоянии покоя нейрон имеет отрицательный заряд внутри по сравнению с зарядом снаружи, с разностью потенциалов 70 милливольт? Так написано в учебниках, поскольку это справедливо для нейронов и многих других зрелых клеток, но в отношении эмбриональных стволовых клеток (молодых клеточек, размножающихся на первых стадиях развития) это неверно. Потенциал покоя стволовых клеток гораздо ближе к нулю (это означает, что заряд на внешней и внутренней поверхности их мембраны почти одинаковый, как у нервной клетки в состоянии “паники на дискотеке”). Но если для нейрона нулевая разность потенциалов – явление преходящее, то для стволовой клетки это постоянный признак.

Но лишь до тех пор, пока она не начнет превращаться во что-то другое. И это отражается на величине мембранного потенциала клетки[326]. Мы знаем величину мембранного потенциала нейрона (–70 милливольт). Такой же потенциал у клеток кожи. Однако костные клетки имеют более высокий мембранный потенциал – твердый и постоянный показатель –90 милливольт. А мембранный потенциал жировых клеток колеблется где-то на уровне –50 милливольт. Но общим для всех клеток является то, что с помощью ионных токов они поддерживают мембранный потенциал покоя, определяющий их идентичность. Низкий мембранный потенциал стволовых клеток позволяет им превращаться в любые другие клетки. Но когда стволовая клетка становится клеткой костной, нервной или кожной ткани, больше она уже не меняется. Она лишь идет дальше намеченным путем, примерно как мы с вами.

Применение чувствительных к электричеству красителей позволило наблюдать за одновременным развертыванием всех этих электрических превращений в реальном времени. Разные группы клеток приобретали окраску в разное время, образуя на поверхности эмбриона картины разгорающейся и затухающей активности. Многие группы эмбриональных клеток имели мембранный потенциал около нуля. Но в каждый конкретный момент времени были участки с потенциалом –30 милливольт или, может быть, –50 милливольт. Участки клеток медленно разгорались, как огни города лилипутов. Выглядело это очень красиво, но для построения какой-либо обоснованной теории этого было недостаточно.

Одним осенним вечером 2009 года, после дневных наблюдений такого эмбрионального свечения, Адамс решила оставить камеру включенной на всю ночь. Она не ждала ничего особенного. Возможно, крохотные развивающиеся эмбрионы начнут покачиваться, и она получит множество расплывчатых и бесполезных снимков. Но от зрелища, которое она обнаружила утром следующего дня, у нее буквально отвисла челюсть[327].

На невыразительной в целом гладкой поверхности эмбриона лягушки гиперполяризованные (отрицательно заряженные) области ярко сверкали на темном фоне деполяризованных клеток, как и прежде. Но теперь, когда лягушонок продолжал развиваться, эти случайные светящиеся пятна, разбросанные на темной поверхности, начали складываться в единую картину, которая невероятным образом напоминала пару глаз и рот. А потом, когда эти химеры погасли, на их месте стали вырисовываться реальные физические формы. Точно в том месте, где электрическое свечение обозначило глаза, вскоре сформировались два настоящих глаза. Там, где на светящейся картине был призрачный рот, начала формироваться реальная структура рта.

Вскоре все структуры тела сформировались именно в тех местах, где Адамс видела их электрические прообразы. Оказывается, можно не только соотнести мембранный потенциал с конкретной тканью, но и предсказать тип образующейся ткани и ее точную форму. Все стало предельно ясно: электрические сигналы кодировали расположение анатомических структур[328].

Возник следующий достаточно важный вопрос: необходимы ли эти сигналы для образования нормальной головы и морды? Или это лишь малозначимое сопутствующее свечение? Чтобы ответить на вопрос, Адамс и Левин должны были доказать, что отключение электричества приводит к нарушению нормального развития. Когда они прервали поток ионов, ответственных за появление предсказательного образа, именно это и произошло: помимо изменения характера экспрессии генов деформировались морды, образующиеся в результате электрического хаоса после удаления этого индикаторного шаблона[329].

Так что же именно они прерывали? И как незрелые новорожденные клетки могли общаться друг с другом, передавая информацию о своем потенциале или о том, какую часть тела им нужно формировать? Как мембранный потенциал передавался от клетки к клетке? Что ж, вспомните о щелевых контактах. Они начинают формироваться в момент образования зиготы – самой первой клетки, образующейся при слиянии яйцеклетки и сперматозоида. Щелевые контакты сразу создают клеточную коммуникационную сеть, не имеющую отношения к нервной системе, но связывающую клетки друг с другом[330]. Каждая отделяющаяся новая клетка уже соединена с соседними. Задолго до формирования синапсов между нервными клетками наши еще не возбуждающиеся эмбриональные клетки уже имеют другой, электрический и гораздо более быстрый способ коммуникации.

Левин давно подозревал, что щелевые контакты играют некую роль в том, как организм выбирает свою форму. В самом начале изучения лево-правой асимметрии он обнаружил, что повреждение щелевых контактов эту асимметрию нарушает. Позднее они с Таисаку Ноги показали, что щелевые контакты отвечают за невероятную регенеративную способность мелкого морского червя планарии. Этот маленький плоский червь умеет восстанавливать свое тело вне зависимости от того, насколько мелко его порубить, и для возвращения в полностью функциональное состояние ему нужна всего неделя. Левин и Ноги поняли, что щелевые контакты могут объяснить, каким образом информация о перестройке системы так быстро распространяется между тысячами клеток.

По-видимому, именно щелевые контакты обеспечивали передачу сообщений на дальние расстояния без участия нервной системы у двух разных видов животных. В каком-то смысле они работали лучше, чем нервная система. Если две клетки соединены через такой контакт, каждая из них имеет прямой и привилегированный