при действии различных ядов

Как уже упоминалось ранее, при действии различных ядов вы­является отчетливый анимально-вегетативный градиент чувстви­тельности у еще не оплодетворенного яйца лягушки . Отмирание яйца начинается в области анимального полюса (по Чайлду, это область наивысшей физиологической активности) и постепенно распространяется по направлению к вегетативному полюсу . После оплодотворения обнаруживается тот же анимально-вегетативный градиент, не особенно быстрое уми­рание происходит вдоль спинной стороны яйца, в направлении к области серого серпа . У бластулы наряду с преж­ним градиентом появляется новый градиент — дорсовентральный, от середины серого серпа, т. е. от района будущей дорсальной губы бластопора. Здесь образуется второй центр высокой физио­логической активности. Во время гаструляции анимальный центр высокой физио- А логической активности ослабляется и, наобо­рот, усиливается вто­рой центр, находящий­ся в районе бластопо-ра . В начале нейруля-ции полюс высо­кой физиологической активности остается в области замкнувшихся губ бластопора и пере­ходит на образующий­ся здесь зачаток хво­ста. Система градиен­тов все более усложня­ется. По длиннику фор­мирующейся медуллярной пластинки, а имен­но в ее передней ча­сти, возникает новый более высокий центр физиологической ак­тивности. Это проявле­ние интеграции в пределах зачатка формирующейся относительно автономизированной нервной системы.

Механизмы влияния доминантных областей на дифференци-ровку рядом находящихся участков могут быть, очевидно, неоди­наковыми на разных стадиях развития.

Сущность теории Чайлда состоит, таким образом, в том, что какие-то «внешние» факторы (например, разность сред: овариаль-ная жидкость и ткани яичника) вызывают количественные разли­чия в яйце и эмбрионе, на основе которых возникают в дальней­шем качественные (структурные и функциональные) различия. Особенности дифференциации связаны с уровнями физиологиче­ской активности. Участки наивысшей активности — доминантные области.

Физиологические представления Чайлда не вступают в проти­воречие с экспериментально-морфологическими исследованиями школы Шпемана. Первоначальная анимально-вегетативная по­лярность представляет очевидный и важный фактор развития яиц амфибий.

Биохимические исследования, несмотря на некоторую противо­речивость их результатов у разных авторов, в общем подтвержда­ют теорию градиентов Чайлда. Так, гаструла (амфибий) разрезалась на несколько частей и измерялось дыхание каждой части. Максимальная интенсивность дыхания оказалась в районе дор­сальной губы бластопора (т. е. организатора Шпемана или доми­нантной области Чайлда). Эти данные, полученные Л. Сце в 1953 г., подтверждают более ранние исследования Ж- Браше. Еще большего внимания заслуживают утверждения Р. Фликинжера и Р. Блаунта (1958), использовавших полярографический метод, позволяющий более точно измерить дыхание частей яйца. Резуль­таты этих опытов также свидетельствуют о существовании в яйце градиента окислительно-восстановительных процессов.

Методом восстановления витальных красителей в анаэробных условиях, которыми были окрашены живые зародыши (Чайлд и др.), установлено наличие анимально-вегетативного и (в ходе развития зародыша) дорсовентрального градиента дыхания..

ЯВЛЕНИЯ ЭМБРИОНАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ В СВЕТЕ ТЕОРИИ Ч. ЧАЙЛДА. ДОМИНАНТНЫЕ ОБЛАСТИ

Ч. Чайлд и его последователи (А. В. Беллами и др.) применили теорию градиентов к анализу явлений эмбрионального развития. Процессы формообразования на разных стадиях развития и иные формообразовательные процессы, например сопровождающие ре­генерацию, ставятся в зависимость от различных этапов изменя­ющейся системы физиологических градиентов. Исходным поло­жением служит утверждение, что прежде чем появляются качест­венные отличия между различными частями тела, последние от­личаются лишь количественно, а именно уровнем физиологиче­ской активности. Возникновение различного рода структур, про­цессы морфологической дифференциации происходят на основе количественных отличий в уровнях физиологического градиента. На разных его уровнях возникают и разные дифференцировки. Участки с наивысшей активностью доминируют над другими, ока­зывают влияние на дифференциацию соседних участков.

По Чайлду, возникновение полярности и симметрии в их пер­воначальной простейшей форме обусловлено внешними фактора­ми. Под влиянием внешних факторов возникают чисто количест­венные различия в уровне обмена веществ по какой-либо оси, и эти количественные различия переходят в различия качественно­го порядка. Яркий пример этого Чайлд видит в поведении яйце­клеток бурой водоросли Fucus. Чем объясняется их полярность? До начала развития яйцеклетка имеет форму шара. Первый при­знак развития — небольшая деформация, которая выражается первоначально в небольшом выпячивании определенного участка, не отличающегося по своей структуре от других частей яйца . Удлинение яйца в этом участке приводит к образо­ванию выроста. Яйцо делится в плоскости, перпенди­кулярной к оси, по которой происходит удлинение. Клетка с выростом становится первичным ризоидом, органом при­крепления, а другая клетка дает начало таллому. Градиенты индофеноловой реакции обозначены на рисунке стрелками; видно, что при разделении на две клетки появляется второй градиент чувствительности

Чайлд установил, что различные внешние условия ответствен­ны за возникновение градиентов яйца Fucus: при неодинаковом освещении частей яйцеклетки ризоид развивается на менее осве­щенной стороне; при использовании в экспериментах электриче­ского тока ризоид образуется на стороне, обращенной к аноду; развитие ризоида при разной концентрации водородных ионов среды, омывающей разные участки яйца, обеспечивается на той стороне яйцеклетки, где кислотность выше.

При изучении оогенеза полихет, немертин, морских ежей Чайлд убедился, что возникновение полярности ооцитов объясняется действием неодинаковой среды на разные участки ооцита: центр участков, подвергающихся действию овариальной жидкости, ста­новится анимальным полюсом; в этом районе обмен веществ наи­более интенсивен; противоположный полюс (которым яйцо при­крепляется к стенке яичника) становится вегетативным полюсом.

Анимальный полюс у ооцита лягушки развивается в том участ­ке, где входят в фолликул артериальные сосуды. На рис. 125 изо­бражены ооциты полихеты Sternaspis и лягушки. У полихеты ооцит прикреплен при помощи узкой ножки, содержащей отвер­стие для сосудов, а ядро ооцита расположено в противоположном конце, который выдается в овариальную полость. Полярность ооцита отражает результат различий в транспорте питательных веществ к яйцу. Они поступают из стенки яичника или благодаря мигрирующим «кормящим» клеткам, покрывающим свободную поверхность растущего ооцита. На растущий ооцит могут оказать влияние локальные различия в содержании кислорода и углекис­лоты. Одно из видимых показателей полярности — образование полярных телец у анимального полюса. У яиц морских ежей обна­ружен градиент в расположении митохондрий и региональные различия в расположении рибонуклеиновых кислот и в синтезе белков.

В ооцитах гидромедузы Phialidium направление анимально-ве-гетативной оси определяется градиентом окислительно-восстано­вительных процессов в яйце, направление которого в свою очередь зависит от градиента аэрации (концентрация Ог), закономерно устанавливающегося между прикрепленным к бластостилю полю­сом ооцита (низкая аэрация — вегетативный полюс) и полюсом, обращенным к внешней среде (высокая аэрация — анимальный полюс).

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ГРАДИЕНТОВ Ч. ЧАЙЛДА

Как мы неоднократно убеждались {гл. IV, V, XI и др.), развива­ющийся организм на любой стадии представляет собой не сумму независимых частей, а является целостной системой, причем со­стояние интеграции, присущее зародышу с самого начала, меня­ется в ходе развития, так как возникают новые структуры с новы­ми функциями. Изучение динамики целостности развивающегося организма невозможно только морфологическими методами: нужны физиологические, биохимические и биофизические иссле­дования.

Большой интерес для эмбриологии представляет теория физи­ологических градиентов американского физиолога, эмбриолога и общего биолога Ч. Чайлда. Ее называют также теорией «аксиаль­ных» градиентов. Согласно этой теории, обоснованной многочис­ленными экспериментами ее создателя и его последователей, интенсивность жизненных процессов неодинакова в разных частях тела: она закономерно понижается по какой-либо оси тела или его органов. Основным показателем интенсивности жизненных процессов, по Чайлду, является уровень метаболизма, изучаемый по интенсивности окислительно-восстановительных процессов. По мнению автора, количественные различия в уровне метаболизма, или градиенты, имеют значение простейших систем, определяю­щих интеграцию тех организмов, у которых в эволюции не выра­ботались еще или находятся в примитивном состоянии интеграци­онные механизмы более высокого порядка, как-то: нервная систе­ма, железы внутренней секреции и др. Свою теорию Чайлд при­менял преимущественно для анализа интеграции у растительных организмов, протозоа, кишечнополостных, низших червей и др. Однако физиологическими градиентами, как увидим далее, харак­теризуются и эмбрионы высокоорганизованных животных, а так­же формирующиеся органы этих животных.

Каким образом можно убедиться в различии физиологической активности разных участков тела, в наличии физиологических градиентов? Основной способ, сыгравший решающую роль в раз­витии теории градиентов,— это метод определения дифференци­альной чувствительности разных частей тела к различным по­вреждающим агентам: кислотам, щелочам, веществам, подавляю­щим дыхание, лучистой энергии.

Поместим туфельку Paramecium caudatum в растворы НС1, метиленового синего высокой концентрации, KCN, подвергнем ее действию ультрафиолетовых лучей или будем содержать в усло­виях недостатка кислорода (рис. 123). Хотя организм будет омы­ваться ядами или подвергаться действию лучистой энергии со всех сторон, умирание его будет происходить в строго определен­ном направлении: мы зарегистрируем передне-задний градиент чувствительности, т. е. отмирание начинается с переднего конца, что выражается нередко, и очень заметно, в отторжении умираю­щих частей от остающихся еще живыми и способными к обычной раздражимости, сохранению работы ресничного аппарата и т. д. Принципиально тот же результат мы получим в опытах действия повреждающих веществ на гидру. Прежде других частей тела бу­дет, как правило, распадаться гипостом со щупальцами, и умира­ние распространится в передне-заднем (апико-базальном) направ­лении. В какой-то момент к этому присоединяется распад в про­тивоположном направлении, со стороны подошвы и стебелька.

«силовое поле внешней среды»

Н. К- Кольцов вводит понятие «силовое поле внешней среды» (гравитационное, световое и химическое), приписывая ему важ­ное значение, так как оно влияет на силовое поле внутри заро­дыша, например определяет направление роста у сидячих живот­ных.. Как видим, Кольцов при создании своей теории поля после­довательно проводит принцип физико-химического рассмотрения явлений эмбрионального развития.

В новейшей эмбриологии Н. К. Кольцов нашел бы много фак­тов, не противоречащих его теории поля.

По данным эндокринологии зародышевого развития, разные участки зародыша, и не находящиеся в контакте, могут химически влиять друг на друга, и уже в эмбриональной развитии вступают в действие регуляторные биохимические механизмы. Начиная с 40-х годов получено много данных^fо том, что функциональная ак­тивность желез устанавливается еще в зародышевый период и что ряд зародышевых гормонов играет формообразовательную роль на строго определенных этапах развития эмбриона.

В гл. X говорилось о значении гормона щитовидной железы в метаморфозе амфибий. Исходное состояние генитальных струк­тур у всех зародышей (у млекопитающих) одинаково. На этой ранней стадии половой системы имеются как женские (мюллеро-вы), так и мужские (вольфовы) протоки. Если удалить у таких зародышей закладки гонад, происходит развитие, характеризую­щее женский пол: исчезают вольфовы протоки, мюллеровы прото­ки сохраняются. Этот факт и другие показывают, что развитие женской половой системы у млекопитающих не нуждается в дей­ствии половых гормонов и в наличии яичников. Опыты показыва­ют, что половая же система мужского типа может развиваться только при наличии полового гормона семенника, иначе не проис­ходит дифференцировка вольфовых протоков и редукция мюлле-ровых протоков. Роль гормона семенника в развитии генитально-го тракта проявляется в самом начале нормальной половой диф-ференцировки гениталиев. У кролика, например, это происходит на 19—20-й дни развития. М. С. Мицкевич (1947, 1949) доказал, нто.если не допускать нормальной функции щитовидной железы у зародышей птиц, происходит задержка окостенения скелета, не­доразвитие эмбрионального оперения и другие патологические явления. Зародышевое развитие у млекопитающих становится не­нормальным в случаях отсутствия или недостатка тиреоидного гормона.

Имеются данные и о значении других желез. Н. К. Кольцов предполагал, что и на очень ранних этапах эмбрионального раз­вития гормоноподобные вещества, нормально возникающие в ходе развития, играют регуляторную роль. Близкие к взглядам Коль­цова мысли высказывали и другие исследователи. Б. Вейсберг (1958) предложил единую, физическую трактовку разных морфо генетических процессов, создав представление о «колебательных полях». Он изучал колебания электрических потенциалов у мик-сомицетов, сходство некоторых органических форм, например ко лоний шампиньонов, с расположением мелких частиц в акустиче­ском поле. Вейсберг предположил, что колебательные поля при­водят к тому, что клеточные комплексы должны разделяться на территории, внутри которых колебания синхронизируются по фа­зам, а между территориями создается разность фаз. Происходя­щее вследствие этого пространственное разъединение может при­водить к морфогенетическим движениям: впячивание клеток лри гаструляции, расположение полукружных каналов внутреннего уха, формирование гребных пластинок у ктенофор и т. п.

сравнительно простой фактор

Даже такой сравнительно простой фактор, как уменьшение или увеличение проницаемости оболочек яиц.в каком-либо участ­ке, неизбежно вызывает изменения токов жидких веществ яйце­клетки. Благодаря тому, что между бластомерами существуют определенные связи, можно представить себе, что изменение то­ков жидких веществ может влиять и на пространственное распо­ложение бластомеров. Различного характера потенциалы, их из­менения не только сопровождают развитие зародышей и являются отражением состояния его интеграции, но и играют важную роль в развитии, определяя поведение отдельных бластомеров и все­го зародыша. В ходе развития силовое поле зародыша изменяет­ся: оно усложняется, дифференцируется, но остается единым.

Вероятно, не без влияния идей Чайлда о доминантных обла­стях зародыша и представлений Шпемана об организаторах, во всяком случае не вступая в противоречие с ними, Кольцов говорит о главных центрах с высокой разницей потенциалов, о центрах второй, третьей степени и т. д. Он говорит о градиентах с напря­жением, убывающим от одного потенциала к другому. По мнению Кольцова, однако, теория градиентов Чайлда — аналитическая теория — теория расчленяющая (ибо чаилдовские градиенты могут явиться лишь слагаемыми силового поля), тогда как силовое поле Кольцова отражает развитие яйца как единого целого.

От каждого центра распространяются градиенты, определя­емые всем силовым полем. Область дорсальной губы бластопора у амфибий — это, вероятно, самый важный комплекс центров си­лового поля гаструлы, и этот комплекс определяет дальнейший этап развития.

Н. К- Кольцов с предельной ясностью говорит о физическом характере силового поля, причем его теория поля выгодно от­личается от изложенных ранее «реактивных» теорий тем, что поле выводится именно из состояния клеток, а не оказывается фактором, стоящим над зародышем, фактором, приходящим к не­му извне. При состоянии биофизики 30-х годов Кольцов не мог создать более конкретных физических представлений о поле за­родыша. Поведение каждого участка зародыша зависит от его предварительной структуры, от влияния общего силового поля и влияния близлежащих областей этого поля. Представления Н. К-Кольцова в этом отношении выгодно отличаются от шпеманов-ских, что особенно наглядно, когда он прибегает к понятию «ин­дукция». «Конечно, в силовом поле развивающегося яйца и заро­дыша нет участков, которые мы могли бы назвать исключительно организаторами или исключительно индуцируемыми: в каждом участке выражены обе функции, только в разной пропорции. Это положение непосредственно вытекает из самого понятия о едином, но расчлененном силовом поле». При развитии зародыша все бо­лее усложняется его структура и структура разных его частей — происходит дифференциация. «Развитие яйца как единого целого, несмотря на распадение его на отдельные бластомеры, зароды­шевые листки и зачатки органов, обеспечивается тем, что сило­вое поле его остается единым, постепенно усложняясь, диффе­ренцируясь с течением развития. Изменяются потенциалы в полю­сах этого единого силового поля, причем число полюсов по ме­ре дифференцировки возрастает. Потенциалы в полюсах силового поля могут быть электрические, гравитационные, механические, капиллярно-активные, химические»

понятие поля

 

Вейс применил понятие поля и к эмбриональному развитию. Яйцо характеризуется единым полем. В результате расчленения поля происходит дифференциация частей и автономизация их. Части зародыша индифферентны и организуются под влиянием целого. Поле, по Вейсу, материально, но оно не химической при­роды, так как химические факторы могут активировать, а не соз­давать поле.

Итак, Вейс, не удовлетворяясь одними клеточными параметра­ми, создал представление о поле как факторе развития, факторе детерминации, предполагая, что клеточный материал, на который действует поле (регенерационная бластема, части зародыша), яв­ляется сам по себе индифферентным. В развивающемся организме образуются новые и новые поля, так что весь организм оказыва­ется разбитым на ряд сфер действия, соответствующих полям раз­личных органов. Эти представления очень близки к предложениям Е. Гиено о. существовании регенерационных территорий — хвоста, правой задней конечности и т. п.

Прбцесс регенерации представлялся П. Вейсу таким образом: из морфогенетического регенерационного поля—«поля органа» возникают подчиненные поля: кожи, скелета, мускулатуры. Эти поля осуществляют дальнейшую детерминацию, и создаются но­вые: плечевой кости, локтевого сустава и т. д. Поля находятся в иерархической зависимости друг от друга, развитие регенерата следует представить себе как субординацию полей.

Наиболее уязвимо в теории Вейса — представление о пассив­ности, нуллипотентности клеточных систем, на которые действует поле. Эта теория является в сущности крайним выражением взгля­дов на явления формообразования как на реактивные процессы. Гипотеза Н. К. Кольцова. Ряд ученых пытался создать свое представление о поле. Среди них несомненно интересна и в на­стоящее время гипотеза Н. К. Кольцова. Представления Н. К. Кольцова (1934) о целостности организма и его теории поля чуж­ды витализму. Это попытка рассмотрения данных эксперименталь­ной эмбриологии и генетики в физико-химическом аспекте.

Ооцит и яйцо — организованные системы с определенно выра­женной полярностью, с определенным расположением клеточных структур. Уже в ооцитах находятся разнообразные вещества и структуры, дающие своеобразную реакцию на кислые и основные красители в зависимости от их рН. Это означает, что различные части клетки могут иметь те или иные положительные или отри­цательные заряды. В целой клетке поверхность ее, как правило, заряжена отрицательно, а поверхность ядра и хромосом — поло­жительно. При созревании ооцита создается соответственно его строению электрическое силовое поле, «закрепляющее» это стро­ение. Под влиянием силового поля в клетке должны возникать определенные катафорезные токи перемещения веществ, объясня­ющиеся разностью потенциалов. При активации яйца, вызванной сперматозоидом и партеногенетически, происходит изменение ды­хания, рН, иногда резкое, проницаемости мембран и передвиже­ния веществ. Ядра спермия и яйцевой клетки (у голобластических яиц) после сложных передвижений сходятся в центре или по глав­ной оси ближе к анимальному полюсу. По Кольцову, эти явления обусловлены, очевидно, напряжениями перезаряжающихся сило­вых полей, разностью потенциалов. Таким образом, начинающий развиваться зародыш — это силовое поле. В ходе развития разные пункты силового поля характеризуются разностью потенциалов. Речь идет не только об электрических потенциалах, но и о хими­ческих, температурных, гравитационных, диффузионных, капилляр­ных, механических и др.

По К. Уоддингтону

 

«поле» можно представить как систему, организация которой обусловливается тем, что положение, заня­тое неустойчивыми ее частями в одном участке системы, порож­дает определенные отношения к положению, занятому подобными же частями в других участках. Их уравновешенное состояние и обусловливает эффект поля. Уодингтон считает, что это пред­ставляет близкую аналогию с равновесием, наступающим в части­це стали, когда сама она ориентируется в направлении магнит­ных сил.

Г. Шпеман также применял понятие поля. Его поле организато­ра (Organizationsfeld) по существу равнозначно «доминантной об­ласти» Чайлда. Как мы увидим, Чайлд внес физиологическое со­держание в морфологические представления Шпемана об органи­зационных центрах. По Чайлду, организационные поля — это участки зародыша, которые доминируют, определяют развитие других участков, отличаясь более высокой физиологической ак­тивностью.

Гипотеза П. Вейса. По П. Вейсу (1925, 1927, 1930), поле— это система сил, имеющих определенное направление, т. е. систе­ма векторов. Первоначальные представления о поле Вейс создал на основании явлений регенерации, анализируя роль остатка ам­путированного органа. Регенерация, например, конечности трито­на — это не сумма тканевых регенераций, а целостный процесс, зависящий от системы влияний, которая может быть определена как морфогенетическое поле. Поле присуще остатку органа как целому, оно имеет динамический характер. После ампутации орга­на поле действует на регенерационную бластему, которая явля­ется нуллипотентной. Формообразовательные воздействия на нее не локализованы в тех или иных частях остатка органа. Более того, между тканями остатка органа и тканями регенерата нет никакой генетической связи. В числе доказательств этого утверж­дения были опыты, согласно которым удаление из остатка органа кости или мускулатуры не препятствует нормальному развитию регенерата. Сколь правильны, с точки зрения современных дан­ных, факты, на которые опирается Вейс