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

По мнению Гурвнча

 

клеточное поле анизотропно, оно непре­рывно и преемственно, имеет радиальное строение, при делении клетки делится и ее поле. «Поле», «целое», как и в первона­чальных представлениях Гурвича, оказывается и в новой интер­претации биологического поля чем-то стоящим над клетками, над зародышем.

Некоторые эмбриологи полагают, что всю глубину идей Гурви­ча и их плодотворность можно <по достоинству оценить только те­перь, что он опередил свое время, ие был правильно понят со­временниками (Л. В. Белоусов, Д. С. Чернавский, 1983). Эти ис­следователи защищают мысли о хаотичности митотической актив­ности клеток, беспорядочном их расположении, например в бла­стулах, о том, что «порядок» создается полем. Представить воз­никновение различий в комплексе якобы однородных элементов можно, если допустить, что они «соподчинены» некоторому «по­лю». Морфогенез представляется ими как перемещения «кинема­тически независимых элементов» зародыша. С их точки зрения процессы онтогенеза могут быть разделены на две независимые категории — процессы морфогенеза (обусловленные полем переме­щения клеток или клеточных комплексов) и процессы внутренней дифференцировки клеток (изменения клеток по любым показате­лям, за исключением их локализации). Утверждается, будто клет­ки должны отталкиваться друг от друга, вводится понятие «от­талкивающее поле» и т. д. и т. п.

А. Г. Гурвич — одна из ярких звезд в нашей отечественной науке. Вопреки своей виталистической идеологии он высказал ряд интереснейших идей, с которыми должны согласиться биологи и в эпоху молекулярной биологии, бурного развития естествознания: он привлек внимание биологов к вопросам о лучистой энергии, сопровождающей биологические процессы, предложил интересную теорию «протоплазмы», независимо от Э. С. Бауэра создал близ­кую к Бауэровскому всеобщему принципу об устойчивом нерав­новесии биологических систем гипотезу с неравновесных молеку­лярных констелляциях и сделал много ценного для теоретической биологии.

Гурвич привлек также внимание к закономерностям изменения формы зачатка и зародыша, что очень важно для разработки то­пологии дефинитивных живых систем и топологии эмбриогенеза (Д'Арси Томпсон, 1916—1948; Г. П. Короткова, 1968, 1979; В. М. Маресин, 1982; Е. В. Преснов, В. В. Исаева, 1985, и др.). Эти ас­пекты морфогенеза связаны с описанием преобразования целост­ных клеточных систем, целостных зачатков, и они не могут быть поняты исходя из поведения отдельных клеток или исходя из био­химических процессов, совершающихся в этих клетках.

В понятие «поля» исследователи вкладывали разное содержа­ние. Дж. С. Гексли и Г. Р. де Бер (1934) думали о поле как об , области, в пределах которой определенные факторы действуют одинаково. Внутри поля, по их представлениям, существует состоя­ние равновесия. Поле — это единая система, а не мозаика, где один части можно было бы удалить или заменить так, чтобы при этом система не изменилась. Внутри поля-системы может быть разная концентрация химических веществ, могут быть градиенты метаболизма в смысле физиологических градиентов Чайлда.

ГИПОТЕЗЫ ОБ ЭМБРИОНАЛЬНЫХ ПОЛЯХ

Понятие «поле» заимствовано биологами у физиков, использу­ющих его при характеристике зависимости изменения.частиц ма­терии от свойств пространства, в котором находятся эти частицы. В биологию это понятие было введено Бовери в 1901 и 1910 гг.

Гипотеза Л. Г. Гурвича разрабатывалась с 1913 г. и была за­вершена в 1944 г. Первоначальная концепция поля (1922—1930) была чисто идеалистической. Процессы развития зародыша мыс­лились как материализация «динамически преформированной морфы».

Изучая гистологию формирующегося хрусталика и роговицы, а также растущего корешка лука, Гурвич решил, что распределе­ние митоза беспорядочно, хаотично, не детерминировано строго, подчинено закону случая. Он решил создать концепцию, согласно которой поведение «однородных элементов» всех микроморфоге-нетических процессов регулировалось бы «единым фактором». Морфогенез определяется этим единым фактором — «преформи­рованной морфой». Морфогенез, по Гурвичу, — это перемещение клеток, упорядочивание их пространственного расположения и движение клеток в каждый данный момент определяется законом, связанным с еще не существующей в этот момент структурой, с окончательной конфигурацией зачатка. Первоначальная концепция поля мыслилась им как нематериальный фактор, стоящий над клетками, над материей.

В 1944 г. А. Г. Гурвич написал о новой «теории биологиче­ского поля», в которую включил понятие «поле клетки». Область действия этого поля выходит за пределы клетки и клетки оказы­вают своими «полями» влияние друг на друга. Этим определя­ются движения находящихся поблизости клеток. Происходит синтез клеточных полей в единое «актуальное поле». Поля складываются подобно правилам векторного сложения, но свойства «общего поля» нельзя объяснить только свойствами «полей» клеток. По мере удаления клеток их взаимодействия быстро ослабляются, так как ин­тенсивность действия поля обратно пропорциональна квадрату рас­стояния. В .ходе эмбрионального развития все время происходит эволюция «поля целого», целое в данное мгновение развития опре­деляет ход дальнейшего развития.

теория В. Брандта

Другим примером идеалистических взглядов на развитие орга­низмов может служить теория В. Брандта, созданная в 1931 г. Согласно его взглядам главные явления в онтогенезе — осущест­вление «типа», «формы как таковой». Форма противопоставляется конкретным процессам дифференциации, обусловленным наслед­ственностью. Осуществление «типа развития» происходит через процесс детерминации, который является самостоятельным, неза­висимым от наступающей позднее дифференциации. Дифференци­рующаяся материя пассивна, в нее возможно «вкладывать» при помощи процесса детерминации различные формы. Форма как та­ковая — «субъект», могущий быть отождествленным с кантовской «вещью в себе». Детерминация — акт, яри котором нематериаль­ное начало («тип», «воля к природе») воздействует на материю. Эти взгляды, как и более сложная концепция Дриша, имеют в основе два утверждения: пассивность развивающегося материала и наличие внешних нематериальных «факторов», определяющих развитие.

Существовало много причин для возникновения виталистиче­ских концепций в биологии; одна из них — примитивность и бес­помощность механистического материализма в объяснении явле­ний целостности живых существ. Дриш в молодости был сторон­ником «механистического» объяснения жизненных явлений, но впоследствии стал лидером неовитализма.

Эксперименты Дриша внесли существенный вклад в проблему детерминации и регенерации. Ряд предложенных им терминов и понятий, очищенных от идеалистического истолкования соответ­ствующих этим терминам явлений, стал достоянием эмбриологии.

Таковы понятия «проспективная потенция» и «проспективное зна­чение».

Некоторые эмбриологи (например, Ю. Шаксель), считая себя материалистами, объявили проблему «организм как целое» лож­ной, чуждой научной эмбриологии и вместо разработки этой проб­лемы отстранились от нее, поверхностно критикуя витализм. Меж­ду тем давно известно множество явлений, свидетельствующих об интеграции зародышей. Давно уже стала очевидной несостоятель­ность представлений о зародыше как о мозаике частей. Неудов­летворенность теориями индивидуального развития, игнорирующи­ми бесспорные факты интеграции зародышей и не считающихся с проблемой организма как целого, явилась одной из причин для создания гипотез об эмбриональных полях.

все клетки зародыша и их ядра эквипотен­циальны

Г. Дриш считал, что все клетки зародыша и их ядра эквипотен­циальны, одинаковы по своей «проспективной потенции» и обла­дают одинаковой способностью развиваться в любую часть орга­низма. Проспективная потенция гораздо шире, чем ее проспектив­ное значение, т. е. то, что на самом деле реализуется. Проспек­тивные потенции эквипотенциальных частей при развитии зародыша всегда ограничиваются, так как зародыш является гар­монической эквипотенциальной системой, которой подчинены все части.

Экспериментальные «доказательства» витализма он пытался находить, в частности, в явлениях регенерации и в опытах по раз­витию новых целых организмов из изолированных (изъятых из систем целого зародыша) бластомеров полагая, что оставшиеся части зародыша перестраиваются и создается новая гармониче­ская эквипотенциальная система.

Дришем была создана виталистическая философия биологии, которую можно назвать идеалистическим эпигенезом (Б. П. То-кин, 1933). Он заимствовал у Аристотеля понятие «энтелехия» (см. гл. I). Это, якобы, истинная сущность явления в отличие от «динамис», т. е. от возможности его осуществления. «Энтелехия» — особый витальный внепространственный, вневременной, нематери­альной природы фактор. Его нельзя уподобить и энергии, так как он не может иметь количественную характеристику. Это фактор, стоящий над клетками, тканями и материей. Энтелехия — «инже­нер развития». Представление о развивающемся организме Дриш выразил формулой B(x)—J{S, I, E), где проспективное значение какой-либо части х организма (то, что реально формируется из этой части в ходе развития организма) обозначается В; это проспективное значение части х есть функция / величины этой части S, ее положения в целом / и энтелехии Е. Энтелехия, не будучи многообразием в пространстве и времени, создает таковое, подоб­но тому как акт художественного творчества, сам по себе не про­странственный, выливается в создание пространственного харак­тера. В связи с результатами опытов по изоляции бластомеров Дриш утверждал, что идея целого находится в его частях; разви­тие новых целых организмов нельзя объяснить свойствами мате­рии. Попробуйте, говорил он, разрезать на две части автомобиль. Мы не получим из него два автомобиля. А зародыш является та­кой машиной, у которой каждая часть может стать полноценной машиной такого же рода. Основная идея Дриша, касающаяся раз­вития организма и неизбежно приводящая к идеализму, такова. В ходе индивидуального развития происходит увеличение прост­ранственного многообразия (речь идет о всех «элементах» заро­дыша). Однако в окружающем зародыш пространстве сколько-нибудь значительного разнообразия нет. Значит (?), многообразие возникает как бы из ничего. Таким образом, нельзя обойтись без представления об особом виталистическом факторе, обеспечива­ющем это многообразие, без понятия «энтелехия».

Пересадим переднюю конечность тритона

 

Выходит, что на один и тот же раздражитель, на один и тот же нерв реакция тканей и их систем будет различной; это зави­сит, по Вейсу, от специфического влияния полей.

Пересадим переднюю конечность тритона, клетки тканей которого имеют гаплоидный набор хромосом, на тело «диплоид­ного тритона». После приживления ампутируем ее на каком-либо уровне. Регенерат будет весь гаплоидным.

Р. Гертвиг в 1927 г. имплантировал гаплоидную почку перед­ней конечности личинки хвостатой амфибии в тело диплоидной личинки, в область действия поля конечности. Пересаженная поч­ка может не приживаться и дегенерировать, но иногда, распа­даясь, она стимулирует ткани хозяина, и возникает добавочная конечность; при этом клетки ее имеют не гаплоидные, а диплоид­ные ядра.

Отсюда ясно, что изучение закономерностей онтогенетического развития требует разносторонних исследований на разных уров­нях — молекулярном и электронном, клеточном, тканевом и орга-низменном. Поэтому достойны уважения, но научно неверны одно­сторонние увлечения каким-либо одним уровнем, например моле­кулярным, каким-либо один аспектом исследования, например биохимическим.

Кажущиеся резко отличными взгляды разных авторов, в сущ­ности, не противоречат друг другу. Так, В. А. Энгельгардт (1971) под влиянием успехов биохимии утверждает: «Молекулярная био­логия изучает явления жизни, оперируя неживыми (лишенными жизни) объектами ... Редукционизм означает принцип исследова­ния, основанный на убеждении, что путь познания сложного лежит через расчленение этого сложного на все более и более простые составные части и изучение их природы и свойства» ¹.

Другой биохимик, также увлеченный молекулярной биологией, А. Сент-Дьердьи (1972) пишет, «молекулярная биология вовсе не последнее слово в науке... Нам необходимо получить максимум сведений относительно молекул, квантов и электронов, чтобы приблизиться к пониманию жизненных явлений. Мы не должны, однако, забывать, что молекулярный уровень представляет лишь один из многих уровней организации, в то время как слово «жизнь» подразумевает совокупность всех функций и всех реак­ций» .

Правильно и утверждение Г. Селье: «Жизнь клетки в ее нерас-члененном веществе. Чем дальше вы расчленяете эти живые комплексы, тем дальше вы уходите от биологии, в конце концов вам остаются только величественные, вечные и всеобъемлющие физи­ческие законы неживой природы».

До 20-х годов нашего столетия проблема целостности разви­вающегося организма была монополией витализма. Но сторонники этой ненаучной философии не затрудняли себя причинным анали­зом явлений целостности организации живых существ, создавая понятия, дававшие лишь иллюзию объяснения. Однако некоторые термины, предложенные виталистами (например, «проспективная потенция», «перспективное значение» и др.), широко использова­ны эмбриологами и уже не имеют идеалистического содержания. Один из самых воинственных виталистов Г. Дриш создал свою те­орию индивидуального развития. Он придал идеалистический смысл высказыванию Гертвига о том, что судьба бластомеров есть функция положения их в целом. Это положение, если его не абсолютизировать, представляет интерес.

РАЗВИВАЮЩИЙСЯ ОРГАНИЗМ — МЕНЯЮЩЕЕСЯ СОСТОЯНИЕ ЦЕЛОСТНОСТИ

Изучая состояние разных проблем, мы убедились, что в зави­симости от задачи эмбриологи избирают тот или другой способ работы и тот или иной «уровень» исследования: молекулярный, клеточный, надклеточный, — и все эти пути исследований не всту­пают в противоречие друг с другом. Хотя ни одно биологическое явление нельзя объяснить свойствами индивидуальных атомных процессов или свойствами отдельных молекул, но ясно, что неко­торые проявления жизни, особенности надмолекулярных структур и энергетики живой материи получат объяснение именно в связи с прогрессом квантовой физики. Этому не противоречит то, что многие процессы развития организма заведомо следует изучать на уровне надклеточном, оперируя понятиями «интеграция», «орга­низм как целое», «взаимодействие частей» и т. п. В этом мы убе­дились три анализе процессов дифференциации. Целостность раз­вивающихся организмов проявляется прежде всего во взаимоза­висимости частей в развитии зародыша, что было подвергнуто анализу в гл. XI.

Развивающийся организм — это закономерная непрерывная ди­намика структурированных процессов, новое и новое состояние целостности. Клетки зародыша находятся под «замком корреля­ций», под «арестом» интеграционных механизмов, обусловливаю­щих сужение их проспективного значения. С этим связаны их био­химические свойства, появление или потеря тех или иных струк­тур, изменение размеров и формы клеток, темпы деления и т. п. Это относится абсолютно ко всем организмам, в частности и к тем, дробление которых неточно называется «анархическим». Развива­ющийся организм — не сумма развивающихся признаков и, конеч­но, не сумма белков, а динамика преобразования взаимозависи­мостей дискретных единиц, в свою очередь являющихся целост­ными системами.

Процессы формообразования нельзя объяснить исходя из еди­ничных клеток. О. Гертвиг (1898) был прав, утверждая, что меж­ду понятием агрегата клеток и понятием биологического соедине­ния клеток такая же большая разница, как между понятием смеси двух объемов водорода и одного объема кислорода, с одной сто­роны, и химического соединения — молекул воды, с другой.

Поведение клеток и клеточных комплексов в той или иной сте­пени зависит от состояния зародыша в целом: клетки имеют боль­шие потенции, чем те которые реализуются в развитии. Зародыши —гетерогенные системы, разные части которых отличаются веществами, интенсивностью метаболизма, темпами деления кле­ток, степенью дифференциации и т. д. Применительно к поздним стадиям развития и к взрослым организмам интеграция означает объединение клеток в более сложные и работоспособные едини­цы — органы и аппараты. Для характеристики интегрированности важно учитывать: полифункциональность органов; способность или неспособность изолированных от всего организма частей к продол­жению жизни: отсутствие, наличие и особенности сложно устроен­ных органов и аппаратов, от которых зависит жизнь всех других органов и тканей — характер строения и функционирования единого для всего организма нервного аппарата; наличие общих для всего организма пищеварительной, инкреторной, выделитель­ной и других взаимодействующих систем.

генетико-эмбриологическая проб­лема

Отметим еще одну важную генетико-эмбриологическую проб­лему. Теория гена и все гипотезы области генетики развития созданы на основе анализа явлений, наблюдаемых при половом эмбриогенезе. Гаметы и зигота — исходные клетки в генетическом анализе; цитогенетический анализ основан на процессах митоза и мейоза. В меньшей степени изученными оказались различные формы бесполого размножения, соматический эмбриогенез, полиэмбриония, при которых исходными в онтогенезе являются единичные соматические клетки или совокупности их, а не зигота. Начальные морфогенетические процессы при бластогенезе не мо­гут быть уподоблены дроблению яиц, процессам гаструляции и др.

Открытие кода синтеза белковой молекулы стало началом но­вой эпохи не только в биофизике и биохимии, но и в генетике и эмбриологии, ибо наука сказала подлинно великое слово о важ­нейших веществах, без которых нет ничего живого. Однако воз­никло, как это всегда и бывает при истинном прогрессе, много новых вопросов и трудностей.

В большинстве генетических и эмбриологических лабораторий стихийно возникли две «аксиомы». 1. Суть индивидуального раз­вития можно свести к явлениям дифференциации клеток. Морфо­генез— это процесс изменения от недифференцированного со­стояния к дифференцированному. 2. Явления дифференциации можно объяснить генотипически обусловленными закономерностя­ми последовательных синтезов специфических белков.

За двадцать лет «торжества» этих идей произошло много на­учных событий, заставляющих пересмотреть эти «аксиомы». К. Уоддингтон — генетик и эмбриолог, десятилетиями мечтавший о синтезе двух наук, с энтузиазмом встретивший формирование молекулярной биологии, говорил: «Как объяснить появление та­ких структур, как митохондрии, хлоропласту, рабдомеры и т. п.? Ясно, что к этому вопросу чисто генетические методы, например, рекомбинационный анализ, почти не имеют отношения... Необ­ходимо задать один вопрос, который звучит весьма непривычно: когда молекула не является молекулой?. . Силы, обеспечивающие образование из жиров, углеводов таких элементов, как, например, ядерная оболочка, вовсе не похожи на силы, с которыми имеет дело классическая химия макромолекул. Существует целый ряд проблем, таких, как проблема генотропных веществ, компетенция клеточной ультраструктуры, морфогенеза в целом, которые, по-видимому, нельзя решить с помощью генетических и биохимиче­ских методов... Я хотел бы дополнить модную в настоящее время молекулярную генетику основами эмбриологии

процессы детермина­ции и дифференциации

В свете этой гипотезы последовательные процессы детермина­ции и дифференциации могут мыслиться таким образом, что в ядре имеется «программа», определяющая строго закономер­ную последовательность репрессии и депрессии отдельных струк­турных единиц генома, в результате чего строятся определенные белки, характерные для данных клеток, на данных стадиях онто­генеза и не свойственные другим клеткам на других стадиях онтогенеза.

Не касаясь деталей организация и функционирования генов, следует сказать, что информативная емкость генома в ходе эво­люции повышалась. Она наименьшая у вирусов и наибольшая у эукариот. Кроме того, процессы транскрипции и трансляции у эукариот усложнились за счет их разделения во времени и пространстве. Появились особые этапы, связанные с посттранс­крипционной модификацией, обеспечивающейся процессингом.

Ряд генетиков обсуждают вопросы о «эпигенетических» фак­торах. Существует много «внешних» воздействий в отношении хромосом и клеток. Эти воздействия возникают в процессе разви­тия организма и влияют на «генетическую» управляющую систему. Думают, что даже внутри ядра и каждой отдельной хромосомы по отношению к индивидуальным генам и группам функциональ­но ^связанных генов (оперонов) другие гены, их продукции в дан­ной хромосоме и в других хромосомах могут выступать как внеш­ний, не только репрессивный, но и индуцирующий фактор и внехромосомные условия могут влиять на дифференцировку всего генома через эту систему.

НЕРЕШЕННЫЕ ГЕНЕТИКО-ЭМБРИОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ

Каждый год в современной биологии появляется большое коли­чество новых факторов, касающихся наследственности и измен­чивости. Фундаментальные же понятия классической менделев-ской генетики остаются такими, какими они были формулировав ны при ином состоянии знаний в области генетики и эмбриоло­гии. Нельзя не видеть своеобразного кризиса роста генетики, частую смену различных гипотез, что знаменует, конечно, прогресс генетики и эмбриологии.

. Менделевский анализ, положим, зубчатости или гладкого контура листа какого-либо вида расте­ния должен привести к представлениям о соответствующих генах и о дискретности. Однако нельзя сомневаться в том, что «глад­кость» и «зубчатость» появляются не обособленно от развития листа в целом. Генетик скажет то же, что и эмбриолог. «Когда мы. изучаем наследование того или иного признака (например, красно-белая окраска венчика у растений, черно-белая окраска шерсти у мышей, комолость-рогатость у скота и т. д.) и уста­навливается моногенное расщепление по одной аллельной паре, то называем соответствующие гены по определяемым признакам лишь условно, на самом же деле такое определение гена отно­сится лишь к одной из замеченных нами сторон его действия: учитываемый нами признак является лишь его частным проявле­нием. Для того, чтобы иметь представление о полном проявлении гена, необходимо изучить его действие на всех этапах развития организма, что не представляется пока возможным».- «... Разви­тие наследственно определяемых признаков всегда осуществля­ется в целостной системе процессов формирования всего организ­ма, так как оно обусловливается системой генов — всем генотипом. Отсюда другой стороной взаимодействия геиов будет плейотроп-ное действие одного и того же гена на многие признаки и свойства»

Огромное количество фактов, накопившихся в области моле­кулярной биологии

 

генетики, биохимии, не оставляет сомнений в том, что генетический аппарат включает хромосомы (содержа­щие линейно расположенные гены в ДНК и регуляторные белки) и полирибосомные комплексы (включающие иРНК, рибосомы, гРНК и факторы трансляции). Генетическая информация о син-зете специфических белков закодирована в виде определенной последовательности азотистых оснований в цепи ДНК. Гены кодируют ферменты, а с последними связаны все жизненно важ­ные функции организма.

Генетические и молекулярно-биологические представления об эмбриональном развитии, о детерминации излагаются в руковод­ствах по генетике. Многие исследователи считают, что существу­ет «антагонизм» между синтезом ДНК и синтезом специфических белков, ответственных за дифференциацию. Дифференцированные тканевые клетки, завершившие процесс специализации и синтези' рующие специфические белки, как будто не способны к синтезу ДНК (А. А. Заварзин, 1964, и многие другие исследователи). Однако не менее убедительны и противоположные взгляды. Так, при исследовании изменения содержания ДНК и РНК в скелет­ной мускулатуре куриного эмбриона в ходе ее развития установ­лено, что могут протекать одновременно и синтез ДНК и синтез специфических белков. Об этом говорят и другие данные.

Как же трактуются генетикой и эмбриологией процессы детер­минации и дифференциации?

Все последовательные процессы онтогенеза находятся под генетическим контролем. В ходе онтогенеза происходит синтез тех или иных белков в результате последовательного активирова­ния тех или иных участков генетического аппарата и блокирова­ния других, иначе говоря, происходит индукция или репрессия образования специфических РНК. Существует мнение, что на ран­них стадиях развития гены, имеющие отношение к дифференциа­ции различных клеток, еще не активны, не образуют иРНК, не синтезируются белки, имеет место репрессия. Соответствующие гены становятся активными в определенное время в соответствую­щих клеточных популяциях в связи с теми или иными морфо­генезами.

Остановимся несколько подробнее на цитогенетических гипо­тезах и фактах, касающихся явлений эмбрионального, развития.

Каждый тип специализированных (т. е. по-особому дифферен­цированных) клеток многоклеточного организма содержит харак­терные ферменты. Молекулярная биология и генетика без каких-либо сомнений обосновывает тезис: тканевые особенности основы­ваются на различиях белкового аппарата клеток. В связи с этим логично утверждается, что процессы дифференциации связаны с различиями в синтезе многих индивидуальных белков.

Раз все полноценные клетки имеют совершенно идентичные геномы, а дифференциация клеток в ходе развития организма имеет место и при этом синтезируется только часть тех фермен­тов, для которых имеется информация в его геномной ДНК, значит, в ядре должен быть какой-то аппарат, от которого зави­сит, в каких клетках, на какой стадии развития организма опре­деленный ген активен, т. е. обеспечивает синтез специфической иРНК, и в каких клетках и когда — неактивен, репрессирован.

блестящие успехи генетики

 

Уже говорилось, что блестящие успехи генетики оказались без всякой связи с эмбриологией. «С этой стороны, существовали алгебраические символы генов А, В, С, за которыми еще не было вскрыто никакой физико-химической или биологической реальности, а с другой,— были сформированные признаки». Между «геном» и «признаком» оказалась «пропасть». «Я твердо уверен, что именно решение проблемы наследственного осущест­вления информации в процессе индивидуального развития, про­блем генетики развития, стало сейчас направлением главного удара не только генетики, но и всей современной общей биоло­гии».

Несмотря на усилия многих талантливых ученых по заполне­нию «пропасти» между геном и признаком, успехи пока черезмер-/ но скромны. Прогресс генетики, биохимии, эмбриологии обеспе­чивает в настоящее время возможность заполнения «пропасти» между геном и признаком.

Основной метод генетики — гибридологический анализ, скре­щивание самцов и самок с альтернативными признаками, регист­рация признаков у потомков. Объектом же эмбриологии являются процессы развития, становление в онтогенезе типовых, семейст­венных, родовых, видовых признаков; это закономерности про­цессов дробления, гаструляции, органогенеза. Почему, к примеру, развиваются два глаза, четыре конечности, та или иная структура у семяпочки растений и т. п.? Как видим, объекты исследований у эмбриологов (процессы развития) и генетиков (сопоставление «начала» развития с итоговыми этапами) были существенно раз­личными.

Понятия «ген», «генотип», «фенотип» предложил в 1909 г. В. Иоганнсен. Он выступил одним из первых против представле­ния об организме как о сумме признаков, каждому из которых соответствует самостоятельный наследственный зачаток. Фенотип особи он определил как совокупность доступных непосредствен­ному наблюдению или анализу признаков. Описательно он представлял его крайне расчлененным, морфологически — как элементы при постройке, физически — как отдельные свойства или функции, химически — в виде отдельных составных частей и пр. Живой организм он понимал как целое, как единую систему не только во взрослом состоянии, но и в те­чение всего развития.

Естественное соотношение генетики и эмбриологии не может складываться на основе гегемонии взглядов и гипотез, вытекаю­щих из анализа фактов, полученных только генетическими или только эмбриологическими методами исследования.

ЭМБРИОЛОГИЯ, ГЕНЕТИКА И МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ

Как уже сказано, между эмбриологией и генетикой существует тесная связь, которую пытались наполнять новым содержанием несколько поколений генетиков и эмбриологов, начиная с Т. Мор­гана и В. Ру. В 60—80-е годы огромное число генетиков, молеку­лярных биологов и эмбриологов, вдохновленные превосходными успехами в познании синтеза белка, увлеченно работали над вскрытием преимущественно биохимических закономерностей, эмбрионального развития, теснейшим образом коррелированных с морфогенетическими процессами. Как и при возникновении вся­кой новой, бурно развивающейся науки, в молекулярной биологии и генетике индивидуального развития имеется много противоре­чивых исследований, спорных представлений. Интерпретация мно­гих фактов еще неясна. Совершенно неизвестно еще эмбриологи­ческое, морфогенетическое значение многих биохимических дан­ных. Эмбриологи, однако, не вправе игнорировать даже и не «устоявшиеся» еще представления.

Впоследствии, после изложения всех основных проблем эмбриологии, будут рассмотрены спорные и бесспорные вопросы А. С. Спирин (1965) говорил: «Многим казалось (а иным ка­жется и по сей день), что открытие информационной РНК (мРНК) и связанных с ней генных регуляторных механизмов обещает легкий путь к решению проблем клеточной дифференци-ровки. Уже родилось немало красивых схем, где простой игрой активности генов, простым включением и выключением синтеза различных мРНК в процессе развития и дифференцировки якобы можно объяснить и сами эти процессы. Схему регуляции Жакоба и Моно (Jacob, Monod, 1961), столь плодотворную в объяснении ряда процессов у недифференцирующихся одноклеточных, сдела­ли почти аксиомой и в объяснении процессов клеточной диффе­ренцировки. Переход от одной стадии развития к другой стал рассматриваться как довольно несложный акт «индукции» на ген­ном уровне: некий «индуктор», подготовленный предыдущей ста­дией, активирует новую порцию ранее «репрессированных» генов, последние начинают продуцировать новые мРНК, которые опре­деляют синтез новой серии белков, а уже последние-то и опреде­ляют всю специфику новой стадии.

Хотелось бы, однако, предупредить о том, что никаких экспе­риментальных подтверждений применимости схемы Жакоба и Моно к процессам клеточной дифференцировки пока нет. Надо помнить о той возможности, что схема регуляции Жакоба и Моно может быть ограничена вполне конкретным, определенным кругом явлений, общих как для недифференцирующихся, так и для диф­ференцирующихся клеток, но не имеющих отношения к самой дифференцировке. С другой стороны, регуляция на генном уровне по Жакобу и Моно может быть лишь вырванной частью, случай­ным фрагментом сложной общеклеточной регуляторной системы, и в этом случае также было бы крайне наивно пытаться объяснить такие общеклеточные процессы, как развитие и диф-ференцировка, на основании знания одного маленького известного нам фрагмента (хотя, разумеется, знания этого может быть вполне достаточно для объяснения некоторых частных явлений), например, индукции или репрессии синтеза данного фермента».

Из открытий Менделя, апробированных победным развитием генетики в течение восьми десятилетий нашего века, вытекает бесспорный принцип о дискретности наследственной детерминации признаков. Однако бесспорно и то, что эмбриология не имеет основания говорить о независимом возникновении и развитии при­знаков в онтогенезе. Нормальный онтогенез — это совокупность процессов изменения состояния целостности. Что означает проти­воречивость двух бесспорных утверждений?

Результаты опытов

 

дают право автору делать вывод о том, что ядро может обусловить дифференциацию клеток и в то же время сохранять генетическую информацию, необходимую для нормаль­ного процесса развития. Т. Кинг и Мэк-Киннель (1962) пересажи­вали в яйцеклетку лягушки Rana pipiens ядра клеток опухоли (аденокардициномы), возникающие при образовании опухоли из дифференцированных «леток почки. В этих опытах были получе­ны плавающие головастики с дифференцированными хордой, ко­жей, мозгом, мышцами и т. д.

Трудно сделать определенные выводы из опытов Р. Бриггса и др. (1964), проведенных на яйцах аксолотля. Яйца освобождали •от оболочек, хромосомы их разрушали действием ультрафиолето­вых лучей. Активация яиц к развитию вызывалась действием электрического тока. Ядра для пересадок брали от других заро­дышей со стадии нейрулы, из клеток хорды, боковой мезодермы, медуллярной пластинки и энтодермы. В большинстве случаев развитие не шло дальше стадии бластулы и ранней гаструлы, но при пересадке ядер из хорды развитие иногда продолжалось до стадии нейрулы (6% случаев), хвостовой почки (4%) и даже до вылупления (0,6%). При инъекции ядер, взятых из клеток •нервной пластинки, в 3% случаев нормальное развитие продол­жалось до стадии нейрулы.

Исследователями дается противоречивая оценка всех опытов по пересадке ядер. Одни считают, что, по-видимому, происходят какие-то необратимые изменения клеточных ядер, другие сомне­ваются в реальных возрастных ограничениях ядерных потенций на таких поздних стадиях, как хвостовая почка.

Интересны опыты ряда авторов, пытавшихся разрешить проблему роли ядра и цитоплазмы в развитии путем убиения ядер яйца или бластомеров действием ионизирующей радиации. Они исходили из гипотезы, будто при действии ионизирующего излучения можно убить ядро клетки, а цитоплазму оставить нор­мальной.

Б. В. Конюхов (1973) так представляет контроль клеточной дифференциации. Дифференцировка клеток связана прежде всего с синтезом специфических белков, появление которых определя­ется дерепрессией локусов ДНК и синтезом соответствующих иРНК. Многие думают, что процессы дифференциации и морфо­генеза осуществляются так, что те или другие гены включаются и выключаются в одной и той же клеточной системе. Конюхов считает, что дифференциация связана только с дерепрессией ге­нома «тотипотентных недифференцированных» клеток раннего зародыша. Сначала дерепрессируются гены, контролирующие раз­множение и процессы общего метаболизма, затем активируются первые «тканеспецифические гены», детерминирующие специали­зацию бластомеров в стволовые клетки, а в период гисто- и орга­ногенеза дерепрессируются гены, которые контролируют синтез белков, специфичных для тех или иных клеточных систем. Эта гипотеза возникла в связи с иммуноэмбриологическими исследо­ваниями Конюхова (см. гл. XV) антигенов, возникающих в ходе развития организма (видоспецифические, стадиеспецифические, органоспецифические). Она связана с популярным в 60—80-е годы представлением о стволовых клетках. Определенный клон клеток образуется в результате многократных делений первичной инициа-торной, стволовой клетки, у которой дерепрессируются и затем сохраняются в активном состоянии соответствующие тканеспеци­фические локусы ДНК. Стволовые клетки, думают Конюхов и другие авторы, возникают на стадии гаструлы. Таковы миогенные, хондрогенные, фиброгенные и иные.

в ядрах бластомеров в ходе дробления

Из всех опытов был сделан общий вывод, что в ядрах бласто-меров в ходе дробления и на последующих стадиях развития зародыша происходят изменения: они теряют свою эквипотен-циальность.

Независимо от Р. Бриггса и Т. Кинга, Л. А. Никитина и О. Г. Строева (1960—1969) провели опыты по гомотранспланта-ции ядер эктодермы и ее производных в энуклеированные яйце­клетки четырех видов амфибий — Bufo viridis, В. bufo dsiaticus^ Rana arvalis и R. temporaria. Результаты опытов принципиально те же, (что и в опытах Кинга и Бриггса. Однако в опытах Ники­тиной для пересадки брали ядра из клеток глазного пузыря и. глазного бокала (со стадии хвостовой почки). Оказалось, что и ядра дифференцирующихся клеток закладки глаза сохраняют потенции, присущие ядру зиготы. С увеличением возраста зароды­шей — доноров ядер — наблюдается уменьшение процента нор­мально развивающихся зародышей — реципиентов. Были сделаны , выводы, что происходит возрастное ограничение потенций ядер у все большего числа дифференцирующихся клеток.

Изложенные данные, подтвержающие указанную гипотезу Заварзина, к сожалению, не могут считаться убедительными и^ конечно, не решают проблем о роли ядра и цитоплазмы клеток в развитии зародышей и о вероятном различии ядер дифференци­рующихся клеток. В этих опытах, к сожалению, нельзя было-инъецировать чистые ядра, неизбежно вводилась и цитоплазма клеток. Конечно, относительное количество инъецированной цито­плазмы (по сравнению с цитоплазмой яйца) незначительно,. особенно когда жлетки-доноры были очень мелкими (со стадии поздней гаструлы). Но пренебрегать возможной биохимической ролью этих небольших количеств цитоплазмы нельзя, зная, сколь значительный эффект могут обусловливать микродозы тех или иных веществ в биохимических процессах (ферменты и др.). В опытах Кинга и Бриггса наносились ощутимые травмы зароды­шам (и при удалении ядра яйца, и при иньекции чужих ядер), поэтому трудно решить, за счет каких причин могли быть случаи аномалий в развитии.

Изящные опыты Кинга и Бриггса, давшие указанный резуль­тат, не удалось с тем же успехом провести на зародышах хвоста­тых амфибий. В точно таких же опытах на яйцах тритона заро­дыши не развивались нормально со стадии бластулы даже в случаях, когда инъецировались ядра клетки со стадии ранней бластулы. Выходит, что у зародышей тритона какие-то иные закономерности дифференциации ядер, а это кажется сомнитель­ным. Данные других исследователей заставляют более насторо­женно относиться к выводам, сделанным Кингом и Бриггсом.

Дж. Гердон в 1962 г. доказал способность ядер клеток кишеч­ного эпителия питающихся головастиков Xenopus laevis обеспе­чивать эмбриональное развитие: в 10 случаях из 726 оперирован­ных зародышей (в энуклеированные яйца инъецировались ядра клеток кишечного эпителия) развились головастики.

ЯДРО И ЦИТОПЛАЗМА В РАЗВИТИИ

Эмбриологи и генетики занимались исследованиями взаимодей­ствия между ядром и цитоплазмой клеток. ДНК не может проя­вить свои биохимические возможности, если она окажется изолированной от других химических веществ и структур хромо­сомы. Изолированная ДНК, как и изолированнная белковая молекула,—мертвые образования. Кроме ДНК в состав хромосом входят белки, РНК и другие вещества. Выяснено, что соотноше­ние гистоновых и негистоновых белков неодинаково в клетках разных тканей и варьирует на разных стадиях дифференциации клеток одного и того же типа. В хроматине клеток бластулы мор­ского ежа содержится по отношению к ДНК (принятого за еди­ницу) 1,04 гистонов; 0,48 негистоновых белков; 0,039 РНК и дру­гих веществ. Соответственно цифры для плутеуса морского ежа: 0,86; 1,04; 0,078.

Многообещающие опыты были проведены Р. Бриггсом и Т. Кингом в 1955 г. Неоплодотворенное яйцо лягушки активиру­ется к партеногенетическому развитию (уколом), затем микрохи­рургическим путем из клетки удаляется ядро. В микропипетку всасывают какую-либо клетку зародыша с интересующей экспе­риментатора стадии развития — со стадии бластулы или гаст­рулы. При всасывании клетка разрушается, но ядро с окружаю­щей цитоплазмой остается. Посредством той же микропипетки ядро с остатками цитоплазмы инъецируется в энуклеированную яйцеклетку. Оказалось, что при пересадке в энуклеированное ийцо ядер клеток, взятых из анимального полушария бластулы, приблизительно в 30% случаев яйца дробятся нормально. В боль­шинстве случаев (в пределах этих 30%) происходит нормальная гаструляция. Данные ряда последующих исследований этих и других авторов показали, что в некоторых сериях опытов до 80— 100% яиц-реципиентов достигали стадии бластулы. В общем тот же результат был обнаружен в опытах, в которых инъецировались адра, взятые из клеток анимальной половины и ранней гаструлы. Был сделан вывод: ядра клеток на стадии бластулы и ранней гаструлы еще не дифференцированы, «тотипотентны», каждое ядро может полноценно заменить ядро зиготы.

Аналогичные опыты нз других видах амфибий, в частности на жабах, также дают право говорить о «тотипотентности» ядер клеток стадии бластулы и ранней гаструлы. Этого и ожидали авторы, разделяя традиционное (хотя и необоснованное: см. гл. XI) убеждение, будто и сами клетки еще «не дифферен­цированы».

Если брать для инъекций энуклеированное яйцо ядра клеток с более поздних стадий гаструляции, то оказывается, что ядра, взятые из клеток будущей хорды и мезодермы, не обеспечивают полного развития: возникают уродливые нейрулы, а чаще разви­тие останавливается на стадии бластулы или нейрулы. В других опытах Кинг и Бриггс выяснили прогрессирующее ограничение потенций ядер, взятых из энтодермальных клеток, расположенных в области презумптивной средней кишки (из клеток дна первич­ной кишки). Результаты этих опытов были пестрыми; ядра некоторых клеток при пересадке их в энуклеированные яйца еще обеспечивали нормальное развитие, но часто развитие останав­ливалось на стадии бластулы или гаструлы. Только одна треть ядер энтодермальных клеток средней нейрулы" при транспланта­ции их в энуклеированное ядро обеспечивает развитие зародышей _до стадии бластулы и только в шести случаях из ста такие ~ бластулы продолжают нормальное развитие. То же относится и к ядрам клеток, закладок хорды и нервной пластинки на стадиях поздней гаструлы и нейрулы. Авторами был сделан вывод, что ядра одних клеток энтодермы еще остаются тотипотентными, но ядра большинства других клеток подвергаются на этой стадии дифференциации.

Имеет ли место белковый метаболизм в пуфах?

 

Вопрос этот не выяснен, но имеются данные, что количество гистонов в пуфе не меняется при его развитии.

Исследования и гипотезы И. И. Кикнадзе могут служить иллю­страцией состояния спорных вопросов, интересующих эмбриоло­гию, о функционировании хромосом в онтогенезе животного. Счи­тается, что единая хромосомная нить состоит из- хромомер, объединяющих группы генов. Хромомеры, изменяясь структурно и биохимически, могут быть в активном или в неактивном состоя­нии. Предполагается, что дифференциация клеток связана с акти­вацией разных частей генома в разных типах клеток.

На ранних этапах дробления яйца хромосомы отличаются от хромосом клеток бластулы и последующих стадий развития. Ядра первых бластомеров очень крупные, хромосомы большой длины, спирализация их слабая. Налицо все признаки высокой актив­ности хромосом, но синтеза рибосомной РНК в это время не про­исходит. На стадии бластулы в клетках, по данным Кикнадзе, происходит уменьшение ДНК («диминуция»), и хромосомы уко­рачиваются, так что на стадии 33—64 бластомеров они в 2,5—3 раза короче хромосом первого деления дробления и в 3—4 раза тоньше их. Меняется и структура ядер в периоде между деления­ми. Эти явления нестабильного состояния ДНК—«материальных носителей наследственности» — трудно объяснить.

Формирование пуфов Кикнадзе обнаружила на разных стадиях метаморфоза личинок Ch. dorsalis. Общее количество пуфов увеличивается в течение четвертого личиночного возраста, но спе­цифических пуфов, характеризующих каждую стадию метамор­фоза, немного: четыре — у предкуколки и три — у куколки. С чем связано образование этих пуфов, каково их значение? Эмбриоло­ги могут относиться к высказываниям цитогенетиков лишь как к предположениям, так как не доказана причинная зависимость между формированием пуфов и какими-либо определенными иор-фофизиологическими явлениями. Кикнадзе считает эти пуфы «эффекторами, регулирующими изменение общей картины функ­ционирования хромосом при смене стадий метаморфоза». Дейст­вительно, какая-то связь между формированием пуфов и стадиями метаморфоза есть, но ничего неизвестно о том, что означают эти корреляции. Происходит в ходе метаморфоза изменение соотно­сительной активности разных пуфов, например, многие слабо-функционирующие у личинок пуфы, у предкуколки и куколки функционируют энергично, часть пуфов, наоборот, прекращает свою деятельность. Кикнадзе утверждает, что изменения картины пуфов в ходе метаморфоза коррелированы с определенными физиологическими процессами в клетках слюнной железы —• с усилением синтеза мукополисахаридов, с появлением в цито­плазме белковых гранул.

Интересен, но не поддается объяснению тот факт, что основ­ное количество пуфов, характеризующих геном клеток слюнных желез, является устойчивым в разных популяциях и у мутантных организмов. Доказано влияние на активность хромосом факторов внешней среды, например температуры. Таковы интересные дан­ные исследований Кикнадзе, которые эмбриологи, конечно, берут на учет в своих гипотезах. Однако эмбриология пока не распола­гает доказательствами того, что причиной тех или иных формо­образовательных процессов являются именно возникновение tf функционирование пуфов. Это относится и к «ламповым щеткам».

Многие генетики и эмбриологи вынуждены быть пока осто­рожными в наделении пуфов и ламповых щеток морфогенетиче-скими функциями. Может быть, формирование пуфов — одно из проявлений реагирования клеток на биохимические изменения в клеточных системах, а не причинный момент формообразова­тельных процессов. Имеются указания (И. Клевер, 1965) на то,. что образование пуфов в клетках слюнных желез можно вызвать различными воздействиями, например изменением соотношение ионов Na+ и К⁺ в ядре.

интерес к вопросам «функциональной организации» хромосом

 

В последнее время усиливается интерес к вопросам «функциональной организации» хромосом, и, в частности к активным участкам хромосом — к пуфам, о которых говорилось ранее и с которыми многие исследователи связывают дифференциацию клеток и тканей. Пуфы рассматриваются' как участки локальной деспирализации хромосом, обеспечивающей в сочетании с биохи­мическими механизмами переход генов, локализированных в них, в активное состояние. Следует поэтому подробнее остановиться на соответствующих цитогенетических и эмбриологических вопро­сах. Генетика считает, что роль хромосом состоит в «кодирова­нии» и «реализации» «наследственной информации». Этой роли соответствует структура хромосом, а именно строго закономерное расположение внутри хромосомы «наследственного материала». Организация хромосомы должна обеспечивать закономерную редупликацию ДНК. Эти и другие вопросы освещаются в посо­биях по генетике и цитогенетике.

И. И. Кикнадзе провела обширные исследования на гигантских хромосомах слюнных желез хирономид (Chironomus dorsalis Meig), а также и на других клетках животных и растений. Эти данные приводятся в дальнейшем. Она утверждает, что в хромо­сомах слюнных желез функционируют около 220 пуфов, это составляет около 26% от общего числа дисков хромосомы. Пуфы связаны в своем развитии только с дисками политенных хро­мосом, но не с междисковыми пространствами. Основой для обра­зующегося пуфа является, как правило, единичный диск. Диски могут содержать разное количество ДНК. Могут образовываться и сложные пуфы, в формировании которых принимает участие несколько дисков (рис. 121,Л,Б). Диски хромосом идентичны хромомерам и объединяют комплексы генов, связанных в своем действии. Кикнадзе утверждает, что пуфы являются единствен­ными центрами .синтеза РНК в клетке. Пуфы — это специфиче­ские дискретные единицы, играющие роль в синтезе РНК и редупликации ДНК. В работе некоторых пуфов отмечается опре­деленная периодичность. Крупные пуфы функционируют непре­рывно во всех клетках слюнной железы, они способны к синтезу РНК. Таких пуфов около 80% от общего числа клеток железы, остальные функционируют лишь в части клеток.

Не следует думать, что функционирование основных пуфов в ядрах Ch. dorsalis обязательно связано с локальной редуплика­цией ДНК в их области, так как оказалось, по данным Кикнадзе, что образование многих крупных пуфов происходит в ядрах, потерявших способность к редупликации ДНК (в клетках пред-куколки и куколки).

тонкая структура политенных хромосом

 

Ц. Паван в 1955 г. и другие исследователи изучали тонкую структуру политенных хромосом личинок насекомых (типа гигант­ских хромосом клеток слюнных желез). В гигантских или поли­тенных хромосомах в результате эндомитозов происходит много­кратное (до 1000 раз) удвоение хроматид хромосом, без их расхождения, в связи с чем деспирализованная хромосома утолщается, так как наращиваются все новые и новые хромати-ды. Длина гигантских хромосом превышает" обычные метафазные хромосомы в 100—250 раз. Последовательность дисков одинакова, однако наблюдаются закономерные особенности в «набухании» разных участков хромосом, в образовании и развитии «пуфов»— «вздутых» участков. В различных тканях или на разных стадиях развития одной и той же ткани признаки активности проявляют разные локусы хромосом; при этом морфологические изменения хромосом строго закономерно совпадают с определенными перио­дами в развитии тканей. Это установлено при изучении развития слюнной железы. Когда период активности заканчивается, вздув­шийся участок почти полностью возвращается в свое исходное состояние.

Интересны наблюдения, проведенные X. Калланом в 1960 г. над гигантскими хромосомами типа «ламповых щеток», которые обна­руживаются в ядрах ооцитов рыб, амфибий, птиц и других позво­ночных и у некоторых беспозвоночных

От хромомер хромосом в сторону от оси отходит пара или несколько петель разной величины — от гигантских до очень небольших. Вероятно, эти петли содержат белок и участки непре­рывной ДНК. Предполагают, что петли эти — продукт деятель­ности генов и что в разных локусах хромосом проявляется разная активность. Действительно, в соответствующих локусах гомоло­гичных хромосом чаще всего петли имеют одинаковую форму, но есть и гомологичные локусы с петлями различной формы, что объясняют гетерозиготностью, непосредственно проявляющей­ся в самих хромосомах. Такое объяснение подтверждается результатами опытов по скрещиванию.

раковины некоторых моллюсков (Limnaea)

Обнаружено, что раковины некоторых моллюсков (Limnaea) обычно закручены в правую (декстральную) спираль, но изредка попадаются особи с раковиной, завернутой влево (синистральныи завиток). Доказано действие генов на очень ранних стадиях развития. Направление завитка раковин коррелировано с направ> лением наклона веретена митоза при третьем дроблении. Это направление веретена предопределяется до оплодотворения вли­янием организма матери на еще незрелое яйцо в яичнике. Отцов­ский ген направления завитка, привносимый сперматозоидом, не изменяет характера завитка раковины, обусловленного мате­ринской наследственностью. Фенотипическое проявление генети­чески обусловленного направления завитка раковины зависит не от генотипа самой особи, а от генотипа ее матери. Этому де­монстративному примеру материнской наследственности дан вполне удовлетворительный генетический анализ и выяснено, почему в природе наблюдаются определенные числовые отноше­ния— редкие случаи особей с синистральными завитками по срав­нению с декстральными. Ген декстрального направления домини­рует над геном синистрального.

Для обрисовки трудностей, встающих перед генетикой и эмбриологией, следует возвратиться к тому диалектическому противоречию, о котором говорилось в гл. XI: бластомеры вслед­ствие механизма митоза равнонаследственны, и в то же время с самого начала развития происходит дифференциация. Нет ни одного факта в эмбриологии, подтверждающего теорию Вейсмана, согласно которой хромосомы в разных бластомерах содержат качественно неодинаковые «детерминанты» (гены), которые ответственны за дифференциацию. Речь может идти лишь о раз­личном функционировании генома.

Заслуживают внимания идеи А. А. Заварзина, который отме­чал, что в связи с бурным развитием генетики и установлением непосредственной связи генов с хромосомами изучение ядерных структур свелось преимущественно к изучению этих структур в половых клетках. Поэтому кариология в значительной степени сводится к цитогенетике. По традиции ядро изучается вие клеток и тканей, и ткани (их клетки) изучаются вне кариологии и гене­тики. Каждая соматическая клетка обладает видовой специфич­ностью: клетки кошки, лягушки, карася, жужелицы и т. д. С дру­гой стороны, учитывая физиологическую и генетическую роль ядер и развитие разных тканей с большими особенностями их клеток (в отношении структур и функций), А. А. Заварзин не видит другого, более логичного выхода из противоречий, чем необходи­мость признания различий в кариотипе разных тканей. Он реши­тельно отвергает теорию детерминант Вейсмана: «... факты снова ставят проблему неравнонаследственного деления не в той, конеч­но наивной форме, как это пытался делать Вейсман, а на новом этапе развития наших знаний. Мне кажется, ничто иное, кроме этой идеи, не выдерживает даже самой поверхностной критики. Действительно, при тканевых дифференцировках происходит какое-то ограничение возможностей при сохранении видовых признаков»

генетические «указания»

Выражаясь генетическим и молекулярно-биологическим язы­ком, вся информация, необходимая для ранних стадий развития, содержится в цитоплазме яйца еще до оплодотворения. Когда в развитии появляются новые генетические «указания», опреде­ляющие дифференцировку и развитие, при теперешних возможно­стях эмбрио-генетического анализа мыслимо узнать лишь путем определения времени появления новых «инструкций» от аппарата наследственности сперматозоида. Молекулярная биология распо­лагает достаточно точными методами определения ферментов. Доказано, что отцовские ферменты появляются на сравнительно поздних стадиях развития: у амфибий — после того как у заро­дыша начинается сердцебиение и мышечные сокращения. Фермен­ты, участвующие в изменении оболочки яйца морского ежа, имеют материнское происхождение и т. д. Общий вывод бесспорен: на ранних этапах развития дифференциация осуществляется не путем включения транскрипции, а за счет генетико-эмбриоло-гической программы, имеющейся уже в цитоплазме яйца.

В настоящее время в области молекулярной биологии интен­сивно разрабатываются вопросы, касающиеся установления вре­мени начала синтезирования и функционирования тех или иных видов РНК и белков (ферментов). Было показано, что в ооплазме содержится все необходимое для ранних этапов развития, т. е. материнский геном обеспечивает запас необходимых строитель­ных материалов и энергии для осуществления дробления. Выявле­ны и изучены разнообразные мутации, влияющие на процессы раннего развития.

Можно сделать вывод: на ранних стадиях развития все слож­ные морфогенетические процессы (дробление, формирование бластулы, а в некоторых случаях и формирование ранней гаструлы) происходят на фоне слабой активности генома зародыша.

Установлено, что все изменения в функционировании генома бластомерови клеток более поздних зародышей зависят от взаимо­действия ядер с цитоплазмой. Распределение качественно различ­ных участков цитоплазмы, как уже отмечалось ранее, зависит от проморфологии зиготы и от сегрегации цитоплазмы. В этом смысле можно говорить, что программа ранних периодов разви­тия определяется проморфологией зиготы и связанной с ней сегрегацией цитоплазмы. К сожалению, мало исследований цито-генетического и генетико-эмбриологического характера по вопро­сам роли разных структур сперматозоида в начальных этапах эмбрионального развития. Естественно, все внимание в нашем столетии сосредоточивалось на изучении роли ядра. Однако име­ется много косвенных данных, позволяющих решать вопросы — принадлежит ли ядру и другим структурам сперматозоида роль, так или иначе дополняющая роль яйцеклетки в развитии. Л. Д. Удалова (1975) установила, что у ранних зародышей крыс, отцы которых подвергались действию рентгеновского облучения, наблюдаются разного рода хромосомные аберрации. Есть основа­ния полагать, что отцовская наследственность у млекопитающих важна для нормального развития трофобласта и последующего контакта со стенкой матки (развития плаценты). Это обстоятель­ство многие авторы связывают с неудачами получения поздних стадий партеногенетически развивающихся зародышей.

дробление при полном отсутст­вии ядра

Возможно (хотя и уродливое) дробление при полном отсутст­вии ядра, что впервые наблюдала Е. Гарвей в 1936 г. Это сообще­ние было встречено резким скептицизмом эмбриологов, но впоследствии, однако, оно полностью подтвердилось.

Э. Вильсон (1896) сдавливал оплодотворенные яйца Nereis между двумя стеклянными пластинками, при этом первые, три деления происходили в меридиональном направлении. Зародыш оказывался в виде пластинки из восьми клеток. Затем давление ослаблялось, дробление продолжалось, зародыш теперь состоял из восьми микромеров и восьми макромеров. В дальнейшем раз­вивалась. свободноплавающая личинка, у которой зачаток кишки состоял не из четырех, а из восьми макромеров. Четыре ядра макромеров первого квартета (из них развивается апикальный орган и прототрох) в указанных экспериментальных условиях становятся ядрами -энтобластов. Вильсон еще в конце прошлого века заключил, что у полихет дифференциация клеток зависит не от ядра, а от особенностей цитоплазмы.

Дробление в отсутствие ядра у амфибий отмечалось многими авторами. Е. Штауфер в 1945 г. разрушал мужские и женские пронуклеусы в яйцах аксолотлей. В таких опытах отмечен случай развития почти нормальной безъядерной бластулы.

С другой стороны, имеется ряд достоверных фактов о несом­ненном участии генов на ранних этапах развития зародышей. Д. Ф. Паульсон в 1940, 1945 гг. обнаружил, что в результате пол­ной утраты Х-хромосомы происходит нарушение ранних стадий развития дрозофиллы (изменяется продвижение ядер к периферии, уродливо развивается бластодерма). Потеря отдельных участков хромосом может повлечь уродливое развитие нервной системы, кишечника, производных мезодермы.

Уже говорилось об ошибочности представлений многих моле­кулярных биологов и генетиков о половых клетках, как, якобы, недифференцированных. Эмбриологи не имеют оснований поддер­живать эту устаревшую точку зрения. Причина сохранения ста­рого взгляда на структуру и функции яйца и спермия заключа­ются в излишне прямолинейном, хотя и увлекательном представ­лении многих исследователей, согласно которому все морфогене-тические процессы эмбрионального развития обусловлены систе­мой геномных переключений. Излишне оптимистически думают, что для понимания того, как происходит дифференциация, нужно узнать только, когда и какие гены активируются. Однако все -факты, касающиеся ранних этапов эмбрионального развития, заставляют утверждать, что система генетических переключений не может играть решающую роль в ранних стадиях эмбриональ­ного развития.

О «ГЕНЕТИЧЕСКОМ КОНТРОЛЕ» НАД ДИФФЕРЕНЦИАЦИЕЙ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ

Большое количество фактов в эмбриологии и генетике, касаю­щихся роли ядра цитоплазмы не поддается еще объяснению. Все явления эмбрионального развития генотипически обусловле­ны, но обычно не анализируется участие генов в нормальном эмбриональном развитии, включая гаструляцию и развитие орга­нов. Это можно видеть и по настоящей книге, в которой дается анализ процессов дробления,- гаструляции и других без упомина­ния о генетической обусловленности всех явлений и используются различные факты, касающиеся, например, количества и располо­жения желтка и т. п. Это происходит, с одной стороны, потому, что эмбриология пока почти не располагает генетическими и ци-тогенетическими данными, касающимися механизма развития. С другой стороны, экспериментальная эмбриология располагает большим количеством фактов, которые как будто исключают «контроль» хромосом и генов в развитии.

Поскольку возможно нормальное развитие при партеногенезе, наличие отцовских генов необязательно для всех процессов раз­вития, за исключением тех признаков, которые могут быть обусловлены генами сперматозоида. Но и хромосомы матери так­же не необходимы для основных процессов развития. Об этом говорит возможность получения андрогенетических Зародышей, т. е. зародышей, развивающихся из яйца с ядром исключительно отцов­ского происхождения. Так, Б. А. Астауров и В. П. Острякова-Вар-шавер в 1957 г. убивали ядро яйца тутового шелкопряда одного вида; яйцо оплодотворялось затем сперматозоидами другого вида. Так как у этих видов возможна полиспермия, то удалось добить­ся слияния ядер двух сперматозоидов, в результате чего осу­ществляется диплоидный гетероспермный андрогенез. Происходит нормальное развитие.

Некоторые исследователи (например, Ж. Браше, Ю. А. Филип-ченко и др., 1929) считали, что существует наследственность, контролирующая ранние стадии развития (обусловленная и ядром и цитоплазмой), и наследственность менделевского типа, обуслов­ленная ядром. Некоторые эмбриологи высказывают мысль, что гены не участвуют в образовании основных органов зародыша, а контролируют последние этапы дифференциации. Так, с этой точки зрения цвет глаз находится под контролем генов, а разви­тие самого глаза происходит без участия генов. В качестве агру-ментов для обоснования этой точки зрения могут быть использо­ваны многие факты. В гл. XI говорилось о роли области серого серпа в развитии амфибий. Если оставить неповрежденным ядро яйцеклетки, но локально разрушить серый серп, резко нарушается дифференцировка хорды и нервной системы. Можно эксперимен­тально, по желанию, устанавливать плоскость симметрии у яиц амфибий, вызывать появление серого серпа в желаемом месте.

Зарегистрированы мутации

 

выражающиеся в увеличении чис­ла пальцев на передних или задних конечностях. Такие мутации обнаружены Т. Картером в 1954 г. у ряда животных, но генети­чески изучены у немногих (например, мутация у мышей, называе­мая luxate и обозначиваемая 1х).

Генетически изучена аномалия в развитии дрозофилы, выра­жающаяся в том, что вместо развития из соответствующего имаги-нального диска антенны развивается маленькая конечность с дву­мя коготками. Из имагинальных дисков, предназначенных для раз­вития глаза или крыла, формируется конечность. Доказывается, что эти ненормальности в развитии обусловлены изменением ге­нетической конституции — присутствием мутантных генов вместо нормальной аллели этого гена.

Одним из убедительных примеров плодотворного генетического анализа процессов развития является анализ механизма определе­ния пола, связанного с особенностями состава хромосомного аппарата. Так, у прямокрылых насекомых и у самок млекопитающих две половые Х-хромосомы (XX), а у самца — только одна Х-хро-мосома и одна У-хромосома {XY), отсутствующая у особей жен­ского пола. Таким образом, в этом случае самцы являются гете­розиготными в отношении определения пола. Имеются два типа •сперматозоидов: оплодотворение одним приводит к развитию самок, оплодотворение другим — к развитию самцов.

У птиц, бабочек и некоторых рыб гетерогаметные (в отноше­нии определения пола), наоборот, самки. В отношении определения пола у ряда животных оказалось превосходное совпадение гене­тических, цитологических и эмбриологических данных. Однако генетический механизм определения пола для многих животных •остается еще неясным. У рыб не наблюдается видимых различий между половыми хромосомами и обычными аутосомами. У земно­водных и пресмыкающихся также не удалось выявить половые хромосомы. У некоторых животных определение пола зависит только от среды. В этих случаях оплодотворенные яйцеклетки по­тенциально бисексуальны: в зависимости от тех или других усло­вий развивается самец или самка. Примером этого может слу­жить Bonellia viridis

ГЕНЫ И ОРГАНОГЕНЕЗ

В конечном счете все явления развития организма и возможность отклонений от этого развития имеют основу в генотипе; гены «кон­тролируют» развитие. Развитие наследственных признаков, реали­зация их генотипа в фенотипе, зависит от взаимодействия различ­ных наследственных факторов и от условий развития. Данный признак может проявиться неполно или совсем не проявиться в онтогенезе, если не будет соответствующих условий.

Известно более 1000 наследственных болезней человека. С точки зрения эмбриологии и биохимии эти болезни можно рассматривать как аномалии развития, вызываемые наследственно закрепленным нарушением различных биохимических процессов на разных стадиях индивидуального развития организма, наруше­нием нормальной интеграции зародыша на той или иной стадии развития. Естественно, чем ранее в эмбриональном развитии на­рушаются те или иные стороны метаболизма, тем больше наблю­дается дефектов в развитии.

Состояние генетики и эмбриологии не таково, чтобы можно было вполне удовлетворенно объяснить биохимический и иной вероятный механизм действия генов на процессы развития орга­низма, на органогенез. В то же время генетическая обусловлен­ность различных отклонений от нормального развития не вызы­вает сомнений, и в некоторых случаях вскрыто, что те или иные аномалии связаны с определеными хромосомами и зависят или от мутаций, или от условий развития, так что нет оснований со­мневаться в возможности генетического и цитогенетического объяснения любой наследственно обусловленной болезни. Благо­даря работам. С. Райта и К. Вагнера (1934) стала известна му-тантная линия у морских свинок, для которой характерны законо­мерные, поддающиеся генетическому анализу аномалии в развитии головы: происходит в большей или меньшей степени недоразвитие передней части головы, приводящее к циклопии. Голова даже вообще может не развиться, хотя все в области туловища разви­вается более или менее нормально. Подобные мутации отмечены и у мышей. У мышей же зарегистрирована мутация, влекущая за собой укорочение или даже полное отсутствие хвоста. Обнаружены такие мутации, как отсутствие ног у телят, деформация клюва у птиц и многие другие. Молекулярно-генетический анализ этим явлениям не дан — не выяснено, какие моменты последовательных стадий развития подобных патологических процессов следует ста­вить в причинную зависимость от генной активности.

Развитие признака как детали многоклеточного организ­ма

 

определяется всей системой генотипа в процессе многоступен­чатых и взаимосвязанных актов». «Гены отнюдь не являются за­чатками признаков, которые растут и распределяются при разви­тии особи ... Признаки организмов не передаются через мате­риальную наследственную систему в готовом виде. Они в каждом новом поколении развиваются заново. По наследству передаются только клеточные структуры, которые представляют собой мор-фофизиологическую систему наследственных элементов».

Было бы проще для эмбриолога и генетика думать, что все признаки взрослого организма имеют непосредственное матери­альное представительство в ядре исходной оплодотворенной яй­цевой клетки, что является абсурдом с химической и физической точек зрения. Наследственность, выраженная в «проморфологии» яиц (см. гл. IV и XI), обусловливает совершенно специфический для данного вида организма путь развития, и нет оснований про­ецировать со взрослого состояния организма все его признаки на зиготу, отыскивая соответствующие атомы, молекулы или участ­ки нуклеиновых кислот и белков, «ответственные» за каждый признак, так же как не требуется эволюционисту пытаться нахо­дить «материальных представителей» всех признаков человека в «первобытной амебе» — родоначальнице животного мира.

Исключительную роль в развитии генетики сыграл прогресс биохимии, ее раздела, именуемого молекулярной биологией, от­крытие роли нуклеиновых кислот в синтезе белков и в явлениях наследственности. Эти открытия переводят генетику все более на рельсы эмбриологии, физиологии и биохимии. Наследственность все более вырисовывается как «процессы воспроизведения опре­деленных форм обмена веществ между ядром и цитоплазмой клет­ки и внешней средой в ряде поколений».

Генетику сблизил с эмбриологией также отказ от первоначаль­ных вейсманистского характера иллюзорных представлений, буд­то исходные эмбриональные клетки являются недифференцирован­ными, тотипотентными, а в ходе развития происходит потеря тех или иных первоначальных свойств. В гл. II и XI мы убедились в ошибочности этих взглядов.

Развитие любого организма — это не авторепродукция моле­кул, клеток, тканей, а непрерывные закономерные изменения, воз­никновение нового и нового в химическом, физическом, структур­ном и физиологическом отношениях. В ходе развития организма меняются белковые субстанции, реактивность протоплазмы, уро­вень и характер интеграции зародыша, антигенная характеристи­ка новых поколений клеток и другие свойства организма. Так, представления о том, что свойства миллионов разным образом дифференцированных клеток взрослого организма непосредствен­но представлены в исходных в развитии организмов половых или соматических клетках — эти представления, сыгравшие прогрес­сивную роль в генетике начала нашего века, являются теперь слишком упрощенными и не соответствуют данным эмбриологии.

Наконец, важнейшее значение для развития генетики и эмбри­ологии имел отказ от вейсманистского противопоставления сома­тических и половых клеток.  Оказалось, что в резуль­тате митоза из одной клетки возникают две, ядра которых идеаль­но воспроизводят свойства ядра исходной клетки. Имеет место авторепродукция, обусловленная спецификой ДНК в хромосомах. Каждая из сестринских клеток несет всю полноту наследственной информации, характерующей данный организм.

Клетки разных тканей могут радикально отличаться друг от друга по многим особенностям обмена веществ, морфологии и функциям, но если они способны совершать свою онтогению и до­ходить до очередного митоза, они содержат одно и то же коли­чество ДНК и вся эта ДНК принадлежит к одному типу. 'Каждая клетка содержит полный геном организма, полный комплект «ге­нетического материала». Исключением являются случаи полиплои­дии и политении клеток, которые можно рассматривать как выхо­дящие за норму.

В гл. XI отмечалось уже, что это бесспорное для эмбриологов и генетиков положение выдвинуло ряд еще далеко не разрешен­ных обеими науками проблем. Требуется расшифровать «пара­докс природы»: все более дифференцирующиеся в ходе эмбрио­нального развития клетки сохраняют, однако, благодаря митозам все свои видовые свойства, несут всю полноту наследственной ин­формации, характеризующей данный организм. Клетка выглядит и как интегральная часть целого, и как потенциальный организм.

Вопросы связи генетики и эмбриологии подробно обсуждают­ся в руководствах по генетике. Здесь указываются лишь основные принципиальные проблемы связи этих наук.

ПОГРАНИЧНЫЕ МЕЖДУ ЭМБРИОЛОГИЕЙ И ГЕНЕТИКОЙ ВОПРОСЫ

Генетика и эмбриология должны быть родными сестрами. В своем прогрессе и в своих заблуждениях они влияли друг на друга. Связь между- этими науками в первой четверти века персонифи­цировалась в лице Т. Моргана — экспериментального зоолога и эмбриолога и одного из основателей современной генетики.

В 20—30-е годы генетика удовлетворялась такими представле­ниями, согласно которым от генов, как от определенных мате­риальных точек хромосом, проводились прямые линии к призна­кам организма, минуя процессы его развития. Все основные гене­тические гипотезы того времени были созданы фактически вне связи с эмбриологией. У генетиков того времени не было потреб­ности в изучении эмбрионального развития даже основного объ­екта исследований — плодовой мухи дрозофилы. Оперируя поня­тиями «ген» и «признак взрослого организма», генетика в сущ­ности игнорировала онтогенез и все эмбриологические данные. Устанавливались математически точные корреляции между тем, что обнаруживалось в хромосомном аппарате половых клеток и у взрослых организмов. О соотношении половых и соматических клеток господствовали представления, столь ярко выраженные у одного из наиболее физиологично мыслящих генетиков того вре­мени Р. Гольдшмидта. Он сравнивал (1923) положение половых клеток в организме с положением паразита, с положением цари­цы в государстве термитов: сама она не принимает активного уча­стия в жизни государства, ее содержат рабочие для того, чтобы она могла дать новые поколения и выполнить этим свое единст­венное назначение. Эти уцрощенные неправильные идеи не могли способствовать связи генетики с эмбриологией, и эти две науки во многих проблемах оказывались не «родными сестрами», а «троюродными тетками»: генетика сама по себе и эмбриология сама по себе. Однако вместе с бурным прогрессом генетика все более сближалась с эмбриологией, физиологией и биохимией. Это­му способствовали следующие открытия и обобщения генетики и эмбриологии.

«Любой признак организма определяется многими генами, в конечном счете всем генотипом. С другой стороны, каждый ген обладает множественным, т. е. плейотропным, эффектом»