ФИЗИКА ЖИЗНЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

ОНТОГЕНЕЗ

Индивидуальное, онтогенетическое развитие многоклеточного организма, начинающееся в яйцеклетке еще до ее оплодотворе­ния, представляет собой сложнейшую совокупность процессов, упорядоченных во времени и в пространстве. Приведем в этом разделе некоторые основные факты, установленные в результате биологических исследований (см. [107—ИЗ]).

Рис. 9.10. Схема яйцеклетки лягушки перед оплодотворением.

А — рибосомы, Б— молекулы РНК, В — хромосомы типа «ламповых щеток», Г — митохонд­рии, Д — желточное ядро, Е — желточные пластины, Ж — черный пигмент.

Ж

Онтогенез включает три основных процесса—дифференци - ровку клеток, рост, т. е. увеличение массы развивающейся си­стемы, и морфогенез, т. е. возникновение определенных органов и организма в целом. Дифференцировке клеток, сопутствующей митозам, предшествует регионализация, т. е. пространственная и функциональная дифференцировка материала исходной яйце­клетки. На рис. 9.10 схематически изображена яйцеклетка ля­гушки на заключительной стадии ее роста перед оплодотворе­нием [114]. Зрелое яйцо обладает полярностью, его содержимое распределено неравномерно, упорядоченным образом. В распре­делении веществ в цитоплазме наблюдаются отчетливые гра­диенты, параллельные оси яйца. Цитоплазма обладает радиаль­ной симметрией в плоскостях, перпендикулярных оси яйца. Не­
задолго до оплодотворения или сразу после него радиальная симметрия яйца лягушки сменяется двусторонней с образова­нием так называемого серого серпа. Эта симметрия сохраняется и у головастиков, развивающихся из оплодотворенного яйца. При изменении симметрии происходит из­менение распределения компонентов цито­плазмы. Будущий зародыш оказывается полностью детерминированным расположе­нием и спецификой компонентов яйца — оп­ределенные его участки ответственны за бу­дущие органы и ткани.

Дифференцировка в пределах одной клетки свойственна и сперматозоиду, фор­мируемому из сперматида. Созревший спер­матозоид состоит, грубо говоря, из трех ча­стей, различающихся структурой и функ­цией. Головка ответственна за генетическую и активирующую функцию, средняя часть— за метаболическую и хвост — за двигатель­ную функцию. Роль сперматозоида двоя­кая — он вносит в яйцеклетку отцовский ге­ном и служит триггером для последующего развития, идущего через митозы. Однокле­точные животные — Protozoa — характери­зуются далеко идущей дифференцировкой, это сложные организмы, достигающие практически макроскопических размеров. Более того, уже вирусы и фаги имеют сложную функциональную структуру.

Схема последующего развития зиготы показана на рис. 9.11. Первый период эмб­рионального развития называется дробле­нием, клетки, образующиеся на ранних ста­диях дробления, — бластомерами. Дробле­ние представляет собой разделение опло­дотворенного яйца на клетки, меньшие по размеру. Материал зиготы подвергается при этом некоторому перераспределению. В результате дробления возникает бла­стула—компактная система клеток, содер­жащая между бластомерами анимального (верхнего) полушария пространство, запол­ненное жидкостью, — бластоцель.

/

/

Рис. 9.11. Схема ста­дий онтогенеза.

/ — оплодотворение яйца,

— средняя бластула,

— поздняя бластула,

— гаструла, 5 — иейрула.

Следующая стадия развития, наступающая после того, как бластула содержит уже десятки тысяч клеток — гаструляция. На этой стадии в результате активного перемещения клеток
образуется гаструла — зародыш, имеющий сложное строение. Гаструлядия начинается с появлением углубления — губы бла-, стопора — около вегетативного края серого серпа. Губа бласто*' пора является участком, через который клетки, ранее находив-; шиеся на поверхности, мигрируют внутрь зародыша. Происходит, инвагинация вегетативной области бластулы, бластоцель исче-j зает и внутри зародыша создается полость, именуемая первич ной кишкой. На стадии гаструлы возникают три различающиеся* группы клеток. Клетки, находящиеся на поверхности зародыша;» образуют эктодерму, клетки, образующие дно и боковые стенки; первичной кишки, — энтодерму, а клетки крыши, закрывающей первичную кишку, — мезодерму.

Вслед зл гаструляцией происходит дальнейшее перемещение клеток и морфогенез. На дорзальной стороне зародыша из экто­дермы образуется пласт клеток, из которого в дальнейшем воз­никает нервная трубка — предшественник головного и спинного мозга. Это — стадия нейруляции. Одновременно энтодерма пре­вращается в трубку — будущую кишку, выросты которой затем преобразуются в печень и легкие. Из мезодермы формируется хорда, большая часть скелета, почки и т. д. Таким образом на стадии нейруляции происходит органогене з — возникновение специализированных органов животного.

Для понимания сущности этих сложнейших процессов, опи­санных здесь предельно кратко, весьма важны эксперименты по пересадке клеток, проводимые на различных стадиях разви­тия зародыша. Если на стадии бластулы поменять местами уча­сток, отвечающий презумптивному брюшному эпидермису, и участок, находящийся в области презумптивного головного мозга, то зародыш развивается нормально. Отсюда следует, что на стадии бластулы клетки обоих участков эквивалентны в смысле дальнейшего развития. Такой же опыт, проведенный после завершения гаструляции, дает совершенно иной результат., Презумптивный эпидермис, помещенный на место презумптив­ного мозга, развивается только в эпидермис, презумптивный, мозг развивается в мозг и на месте эпидермиса. Если трансплан­тация презумптивного глаза проведена на стадии поздней бла­стулы или ранней гаструлы, то презумптивный глаз образует тот или иной орган, в зависимости от места, в которое он пере­сажен. Напротив, на стадии нейрулы презумптивный глаз раз-? вивается в глаз в любом месте [108, 109]. Потенции клеток и тканей сужаются и специализируются, незаменимость, ценность информации возрастает в ходе онтогенеза.

При развитии насекомых — плодовой мушки дрозофилы-t клетки одного типа дифференцируются сразу, из них образуется: тело личинки насекомого со всеми ее органами. Клетки другого типа остаются в эмбриональном состоянии, входя в состав им^-1 гинальных дисков. На стадии куколки большая часть органов рассасывается, их клетки разрушаются. На этой стадии клетки дисков дифференцируются, превращаясь в специализированные клетки имаго — взрослой мухи. Опыты по трансплантации кле­ток диска в личинку и во взрослое насекомое показали, что от­дельные клетки дисков запрограммированы для специфической дифференцировки. Напротив, клетки личинки, Пересаженные в брюшко взрослой дрозофилы, не дифференцируются, но де­лятся неограниченно. С другой стороны, трансплантаты муж­ского генитального диска ведут себя своеобразно. В течение не­скольких генераций они развиваются в соответствии с исходной детерминацией, а затем испытывают «трансдетерминацию», пре­вращаясь в органы, в норме возникающие лишь из клеток има - гинального зачатка головы или ноги соответственно. Хадорн, проводивший эти интересные опыты, считает, что в процессе трансдетерминации происходит изменение активности генов — вместо одних генов начинают действовать другие [114].

Из всей системы представлений современной биологии сле­дует, что индивидуальная особь, фенотип, возникает в резуль­тате рецепции содержания, ценности генетической информации. Соответственно можно говорить об эпигенетике, как о ветви био­логии, изучающей причинные взаимодействия между генами и их продуктами, образующими фенотип [107, 115].

Представим очень грубую схему эпигенетики. Гены проду­цируют белки. Белки-ферменты катализируют метаболические процессы в цитоплазме. Уже в пределах одной клетки реали­зуется множество обратных связей между компонентами цито­плазмы, возникшими в результате действия генов, и генами. Действие генов оказывается регулируемым, уже на стадии дро­бления реализованы межклеточные взаимодействия, также ока­зывающие мощное регулирующее влияние на действие генов. Значение внутриклеточной регуляции в эпигенетике ярко де­монстрируется опытами, проведенными над клетками морского ежа (см. [108]). Если разделить первые два бластомера и куль­тивировать их независимо друг от друга, то получаются две нор­мальные личинки половинного размера. Если на более поздней стадии дробления рассечь пополам клеточную массу в плоско­сти, проходящей через анимальный и вегетативный полюса, то вновь получаются две нормальные личинки. Однако, если разде­лить яйцо морского ежа в плоскости, перпендикулярной ани- мально-вегетативной оси, и оплодотворить половину, не содер­жащую ядро, то из обеих половин получатся две различные аномальные личинки. Для нормального развития необходимы все компоненты цитоплазмы.

Гурвич предложил формальный метод трактовки межклеточ­ных взаимодействий в морфогенезе, связав с каждой клеткой некоторое «биологическое поле», выходящее за пределы клетки и влияющее на ее соседей. Поля нескольких клеток векторно суммируются и вызывают перемещение клеток, необходимое для формообразования [116]. Уоддингтон ввел понятие «эпигенетиче­ского ландшафта» [117]. Развитие организма уподобляется дви­жению по пересеченной местности. Маршрут движения либо жестко диктуется характером местности, либо может быть из­менен сравнительно малыми воздействиями.

Основной факт состоит в том, что все соматические клетки данного многоклеточного организма содержат один и тот же набор генов, тождественный (если отвлечься от очень редких соматических мутаций) геному исходной зиготы. Это положение доказано прямыми опытами. Гердон установил, что если пере­садить ядро клетки эпителия кишечника головастика в икринку лягушки, ядро которой предварительно разрушено ультрафиоле­товым облучением, то из такой икринки развивается нормальная особь [118]. В клетке кишечного эпителия действие генов спе­циализировано, по-видимому, вследствие репрессии большей их части. При переносе специализированного генома в зиготу гены оказываются в условиях иных взаимодействий с цитоплазмой и происходит нормальное развитие. В сущности о том же свиде­тельствует вегетативное размножение растений. Согласие Уод - дингтону в онтогенезе происходит канализация развития — мор- фогенетические потенции клеточных популяций постепенно огра­ничиваются. Уоддингтон называет креодом эпигенетическую ка­нализованную траекторию развития, притягивающую к себе близлежащие [115].

Из всего изложенного в данной книге и в книге [7] следует, что подлинное понимание онтогенеза должно ссновываться не на чисто биологических понятиях типа «биологического псля» или «эпигенетического ландшафта», но на рассмотрении реаль­ных физико-химических внутри - и межклеточных взаимодей­ствий и движения'клеток. Химические исследования клеточной дифференцировки уже привели к важным результатам. В част­ности, Уэсселс и Раттер выращивали культуру эмбриональной ткани — клетки поджелудочной железы крысы. Этот орган про­изводит белки, участвующие в переваривании пищи, и гормоны, регулирующие метаболизм углеводов. Так называемые экзо - кринные клетки секретируют зимогены — предшественники пи­щеварительных ферментов, эндокринные клетки выделяют гор­моны глюкагон и инсулин. Исследовалась продукция всех этих белков па разных стадиях эмбрионального развития, и была установлена корреляция содержания белка с появлением опре­деленных внутриклеточных структур. Продукция специализиро­ванных белков возрастает во времени не монотонно, но прохо­дит через три регуляторные фазы (рис. 9.12) [119]. Установлено,
что мезодермальные клетки из других тканей промотируют диф - ференцировку клеток поджелудочной железы. Э. тогнв-аидимому, объясняется действием некоего фактора, возможно, белкїШон jHjjHpo^BrtcMTTaKJKef 171]) —

Синтез секреторных белков в культуре эпителиальных кле­ток поджелудочной железы специфично подавляется актиноми - цином D (веществом, блокирующим синтез РНК) как на ран­них, так и на более поздних стадиях развития. Это объясняется необходимостью синтеза новых РНК на ДНК для ускоренной про­дукции секреторных белков. Если актиномицин добавлять к культу­рам в начале второго перехода (рис. 9.12), то синтез различных специфических белков подавляется в разной степени. Последователь­ное подавление синтеза различных белков актиномицином показывает, что соответствующие МРНК синте­зируются в разное время (см. стр. 41 и fl71]).

По-видимому, фазы развития оп­ределяются кдодеративны м дей­ствием множества генов. Происхо­дит одновременная ^іодщацияод - них групп генов и инактивадия~дру - .гцх, но Не гіШгсдовгт&ШШг-агкти- в'ация каждого из сотен отдельных генов. Возможно, что согласован­ные кооперативные переходы определяются изменениями хро­мосомной структуры. — ——— —

• Можтго~счіттатБ7~что в онтогенезе представлены два типа ос­новных процессов. Первый ТИП — РЄР/ЛЯТЗДЩЦ£„ШШІШі_ и меж - Клсточные взаимодействия, обуслоМённые явлениями молеку­лярной сигнализацииГмолек^ (см. гл^І). Эти ■^п^Щ^т^г&г^^^порялочШ^^^ВШ^в^зг син­тез белков, локализованный в гфигграїїегвеи времени, и, тем __рамым.,-зд дифферендщшак}і.-иіСак указывает Майр [120], уже Гельмгольц "утверждал, что «поведение живых клеток должно быть объяснимо в терминах движения молекул, подчиняющегося определенным законам взаимодействия сил». Второй тип — ак­тивные перемещения клеток в результате механохимических процессов, также стимулированных молекулярной сигнализацией. Именно эти перемещения определяют морфогенез (см. [111]).

Развшпие -*-

Рис. 9.12. Изменение продук­ции специализированных бел­ков в ходе эмбрионального

Развития. / — предифферезцированное состоя­ние, 2—протодифференцироваиное состояние (стадия I), 3 — дифферен цированное состояние (стадия II), 4—дефинитивное состояние (ста­дия III); а, 6, в —первый, второй, третий переходы.

Само митотическое деление, начиная с появления двух пер­вых бластомеров, является результатом внутриклеточных взаи­
модействий, регуляции действия генов веществами цитоплазмы и клеточной мембраны. Дифференцировка на стадии бластулы определяется двумя причинами, имеющими самый общий харак­тер. Первая из них — неоднородное распределение вещества в цитоплазме исходной зиготы, вторая — неоднородность среды внутри клеточного шара, получающегося в результате дробле-^. ния [108]. Наряду"с этими общими причинами дифференцировка и морфогенез определяются контактной и гумодальной регуля­цией. На заключительных стадиях развития включается дей- ствие Гормонов. Сложный тип развития — метаморфоз у насеко­мых — находится под^контролЕм экдизОна, гормона роста.

Установлено, что существуют молекулы „РНК, специфичные Для дАнного органа. РНК, выделенная из сердца цыпленка, ин­дуцирует образование сердца в недифференцированной ткани зародыша [121]. В контроле морфологической дифференцировки и биохимических изменений непосредственное участие прини­мает цАМФ [122] (ср. стр. 41). Показано, что цАМФ может ин­дуцировать дифференцировку и морфогенез в недифференциро­ванных клетках in vitro [123].

Онтогенетическое развитие подобно филогенетическому, эво­люционному развитию в том смысле, что развивающийся заро­дыш представляет собой своего рода «зародышевый биоценоз», в котором сосуществуют^популяции специализированных клеток. Сам «зародышевый биоценоз» этими популяциями и форми - __руется. В отличие от биоценоза в точном смысле этого слова «зародышевый биоценоз» не статистическая, но динамическая система с точно определенным поведением. Делящиеся клетки не "участвуют в борьбе за существование и не подвержены слу­чайной изменчивости. Развитие определяется всецело качеством, "т. е. ценностью генетической информации. По мере развития ценность информации возрастает, так как повышается специа­лизация клеток. Это ярко демонстрируется описанными опытами по трансплантации презумптивных органов — заменой мульти - потентности зачатков на ранних стадиях эмбриогенеза их пол­ной детерминированностью на более поздних стадиях. Феноти- пическая молекулярная специализация находит свое прямое вы­ражение в иммунологических взаимоотношениях (см. § 9.11).

Сходство индивидуального и эволюционного развития было сформулировано в биогенетическом законе Геккеля: «Онтогенез повторяет филогенез». В действительности, если и можно гово­рить о повторении, рекапитуляции, стадий филогенетического ряда в онтогенезе, то дело сводится лишь к тому, что. зародыши _ разных видов тем более сходны друг с другом, чем теснее их родство и чем более ранние стадии развития сравниваются. Тео­рия рекапитуляции Геккеля встречается с непреодолимыми трудностями (см. [124]). Сходство ранних зародышей рыбы, птицы и мелкопитающего можно трактовать как результат эво­люционного отбора единого типа развития. Такой единый тип образуется вследствие сохранения общей информационной струкТуры, возникшей путем эволюции. Ранее накопленная ин­формация не исчезает и эволюционное развитие не начинается"' заново на каждом этапе. Эжшшшя фиксирует определенные биологические архетипы, что, в конечном счете, должно сво - _йиться к фиксации химических архетипов.