Чтение онлайн

В наши дни посетители музеев воспринимают выставленные в них смонтированные скелеты огромных вымерших животных как нечто само собой разумеющееся. Однако так было не всегда. Научные сведения о таких импозантных формах, как мамонты и гигантские мегатерии, были получены только в начале XIX в., когда Ж. Кювье (Cuvier) своими реставрациями множества древних млекопитающих поразил мир, открыв ему вереницу исчезнувших фаун. Способность Кювье восстанавливать скелеты вымерших животных из груды расчлененных костей, принадлежавших многим разным видам, была результатом его превосходного знания сравнительной анатомии - науки, в значительной степени созданной им самим. Однако, для того чтобы так изощренно использовать сравнительную анатомию, недостаточно было одного лишь эмпирического знания морфологии животных. В основе исследований Кювье лежал сформулированный им принцип корреляции частей организма. Так, например, если череп несет длинные резцы и коренные, приспособленные для разрывания мяса, то ему должны соответствовать туловище и лапы, приспособленные к скрадыванию и схватыванию добычи, т.е. снабженные когтями, а не копытами. Кювье понимал, что морфология вымерших животных не только подчиняется тем же законам, которые существуют для ныне живущих форм, но что, кроме того, строение тела всех организмов очень тонко и глубоко интегрировано, так что каждый организм представляет собой функциональное и морфологическое единство. Именно эта концепция заставила Кювье выступить против эволюционной теории Ламарка, поскольку функциональная интеграция требует стабильности. Кювье считал допустимой изменчивость поверхностных или функционально второстепенных признаков, но всякое изменение в любой из главных частей тела должно было, по его мнению, разрушить единство целого и превратить организм в недееспособную нелепицу. И действительно, функциональная интеграция продолжала оставаться мучительной проблемой для теории эволюции. Даже если эволюция организмов носит прерывистый характер, так что переходы от одного стабильного плана строения к другому происходят быстро, они неизбежно должны сохранять достаточную степень интеграции, с тем чтобы оставаться живыми и продолжать размножаться на протяжении всего эволюционного процесса.

Парадоксальным образом в основе как поддержания стабильной интегрированности, так и изменения этой интегрированности лежит одна и та же причина - взаимодействия между отдельными участками зародыша в процессе онтогенеза.

Возможны три механизма региональной дифференцировки зародышей. Первый из них - ядерная дифференцировка, т.е. изменение генетического состава разных групп клеток. Этот механизм лучше всего известен по работам Бовери (Boveri), изучавшего паразитического червя Ascaris, у которого ядерная дифференцировка выражена очень четко и наглядно. При первых пяти дроблениях зародыша аскариды в результате каждого деления клетки, дающей начало клеткам зародышевого пути, образуется одна клетка-предшественник линии клеток зародышевого пути и одна презумптивная соматическая клетка. У бластомеров, предназначенных для образования соматических клеток, происходит элиминация части хромосом, и таким образом они с самых ранних стадий развития резко отличаются от предшественников клеток зародышевого пути, у которых сохраняется полный набор хромосом. Этот интересный механизм успешно действует у Ascaris, но остается биологическим «изобретением», не получившим широкого распространения в других группах. Возможно, что у некоторых животных имеют место специфичные и ограниченные перестройки генома, однако у большинства Metazoa (и у растений) дифференцировка происходит другими способами.

Второй и главный способ региональной дифференцировки основан на механизмах цитоплазматической локализации (ооплазматической сегрегации), обсуждавшейся в гл. 4; при этом регионально сегрегированные цитоплазматические «детерминанты» оказывают влияние на генную экспрессию идентичных по своим геномам ядер. В некоторых случаях мозаичный тип развития может определять судьбу клеток, иногда даже на поздних стадиях. Чаще, однако, явления локализации играют наиболее важную роль в определении судьбы клеток на очень ранних стадиях развития, тогда как позднее преобладающее значение приобретает третий механизм регуляции дифференцировки. При этом конечном способе запускания и поддержания региональной дифференцировки необходимо поступление в дифференцирующиеся клетки сигналов извне. Такими сигналами могут быть непосредственные влияния внезародышевой среды, или же они могут исходить от других клеток данного зародыша. Роль как тех, так и других сигналов в развитии зародышей млекопитающих, у которых решение каждого бластомера о том, превратится ли он в ткани зародыша или во внезародышевый трофобласт, прямо зависит от его местоположения в зародыше, совершенно ясна. Бластомеры, в значительной мере окруженные другими бластомерами, дают начало внутренней клеточной массе, тогда как из наружных клеток образуется трофобласт. По мере продолжения развития эмбриональные клетки все больше выходят из-под влияния внешней среды и, подобно пассажирам поезда, которым надоедает смотреть в окно вагона, «вступают в разговор» друг с другом. Преобладающей формой сигнализации между группами клеток зародыша служит индукция. Принято считать, что типичная индукция - это улица с односторонним движением, т.е. вещество, вырабатываемое клетками одного типа, вызывает или стимулирует дифференцировку в определенном направлении у соседних клеток другого типа. Такого рода индукция несомненно существует, однако следует иметь в виду, что во многих индукционных системах взаимодействия носят реципрокный характер. Одним из примеров этого служит почка конечности куриного зародыша. В экспериментах, впервые проведенных Сондерсом и Цвиллингом (Saunders, Zwilling), в которых ткани почки конечности разделяли и рекомбинировали, было установлено, что мезодерма почки конечности индуцирует утолщение эктодермы, покрывающей дистальный кончик почки, и формирование из нее верхушечного гребня. Этот гребень в свою очередь индуцирует формирование в мезодерме элементов конечности. В течение всего этого процесса мезодерма продолжает вырабатывать некое вещество (так называемый «стабилизирующий фактор»), необходимое для поддержания верхушечного гребня.

Регуляция морфогенеза и дифференцировки путем взаимодействий между клетками данного организма изменяется на протяжении онтогенеза. Образование нервной трубки, рост почек конечности и развитие отдельных органов служат классическими примерами эмбриональной индукции. Все зависит от взаимодействий между соседними группами клеток. На ранних стадиях развития отдельные индукционные события обладают региональной автономией и во многих случаях протекают независимо от других таких событий, происходящих в удаленных от них частях зародыша. Однако в процессе дальнейшего развития индукционные системы становятся все более интегрированными, и их интеграция играет большую роль в обеспечении последующей канализации развития. Интеграция индукционных систем основана на каскадных и переплетающихся взаимодействиях. Каскадные взаимодействия типичны для дифференцировки, потому что индукция многих структур зависит от предшествующих индукционных событий. Например, у позвоночных индукция хрусталика глазным бокалом, который образуется как вырост головного мозга, абсолютно невозможна, если ей не предшествует индукция передней части нервной системы. Переплетающиеся взаимодействия - результат другой характерной черты индукционных систем, состоящей в том, что в индукции той или иной структуры могут участвовать не одна, а несколько тканей. В свою очередь такая структура может служить индуктором для нескольких других тканей.

В организме у более или менее полностью развившегося животного локализованные взаимодействия продолжают играть известную роль, однако на этой стадии решающее значение приобретает проблема поддержания организма как целого. Становятся необходимыми глобальные регулирующие механизмы, требующие взаимодействия между клетками на расстоянии, осуществляемого при участии гуморальных факторов - гормонов. Морфогенетическое воздействие гормонов может быть генерализованным, как, например, действие гормона роста, оказывающего влияние на все части организма, или тироксина, управляющего различными процессами формообразования и дифференцировки при метаморфозе у амфибий. Другие же гормоны, например тиреотропный гормон или эритропоэтин, обладают более специфичным действием, направленным на определенные ткани-мишени.

При поверхностном наблюдении за все возрастающей сложностью развивающихся зародышей можно заметить появление хорошо знакомых черт данного животного: различных органов, зубов, конечностей, глаз. Однако эмбриологи нередко оказываются примерно в таком положении, как капитан Ричард, главный герой книги Эрнста Дженджера (Е. Juenger) «Стеклянные пчелы». Столкнувшись с непостижимыми творческими способностями Цаппарони и его хитроумных автоматов, стеклянных пчел, он мог только пробормотать: «Я был вынужден принять эти новые создания такими, какие они есть - я не в состоянии был объяснить их. Почти то же самое мы испытываем, стоя на скале и наблюдая за морскими животными: мы видим рыб и крабов и даже узнаем медуз, но внезапно из глубины всплывают какие-то создания, задающие нам неразрешимые и волнующие загадки».

Одна из таких загадок - очевидный эпигенез, опосредованный индукционными взаимодействиями. Очень большую роль в понимании природы индукции и ее функций в процессе развития сыграли работы Ганса Шпемана (Н. Spemann) и его сотрудников, проведенные после первой мировой войны. Шпеман пересаживал эктодермальные клетки, взятые с поверхности одного зародыша тритона, в поверхностный слой другого такого зародыша. В качестве доноров и реципиентов он использовал виды Triturus, имеющие разную окраску, так что трансплантаты можно было легко отличать от тканей хозяина по наличию или отсутствию пигментных гранул на отдельных участках поверхности химерных зародышей. Если в качестве доноров использовали зародышей на стадии ранней гаструлы, то клетки из разных участков эктодермы развивались в соответствии с дифференцировкой той области реципиента, в которую они были пересажены. Если же донорами служили зародыши, закончившие гаструляцию, то в большинстве случаев наблюдалась иная картина: оказывалось, что пересаженные клетки уже детерминированы, так что, например, презумптивные клетки нейральной эктодермы дифференцировались в нервную ткань независимо от того, в какой участок реципиента они были пересажены. Эти эксперименты дали очень ценные сведения. Они показали, что направление детерминации эктодермальных клеток у амфибий не запрограммировано в самих этих клетках: будет ли данная клетка развиваться в направлении эпителиальной или нервной ткани, зависит от ее местоположения в зародыше во время гаструляции.

Решающий эксперимент - один из самых впечатляющих и значительных для дальнейшего развития эмбриологии - провела ученица Шпемана, Хильде Мангольд (Spemann, Mangold, 1924); она непосредственно показала существование индукционной системы, обусловливающей детерминацию осевых структур. Как это часто бывает с действительно плодотворными работами, экспериментам Мангольд суждено было породить ряд других волнующих загадок.

Как показано на рис. 5-1, во время гаструляции клетки, лежащие на поверхности бластулы амфибии, перемещаются внутрь, проходя через бластопор. В результате образуется двуслойный зародыш. Такая двуслойная организация - необходимая предпосылка для крупных начальных индукционных процессов. Однако, как установили Шпеман и Мангольд, спинная губа бластопора играет некую особую роль. В области спинной губы происходит инвагинация клеток при гаструляции, и, хотя функция этой области до начала гаструляции не проявляется, она обособляется вскоре после оплодотворения, что выражается в образовании серого серпа.

Проведенный Мангольд эксперимент был очень прост: она пересаживала кусочек спинной губы бластопора из ранней гаструлы на боковую поверхность зародыша-реципиента. Однако, в отличие от того, что наблюдалось в более ранних экспериментах с пересадками кусочков эктодермы, пересаженные клетки не развивались в этом случае в соответствии с участком, в который их пересадили. Вместо этого они вызвали образование добавочного набора осевых органов, т.е. получились сиамские близнецы (рис. 5-2). У добавочного эмбриона не было головы (в первых экспериментах Мангольд), но были хорда, парные сомиты и нервная трубка, а также кишка и почечные канальцы. Поскольку для пересадки использовались клетки, отличавшиеся по пигментации от клеток реципиента, можно было установить, какие части добавочного зародыша происходят из пересаженных клеток, а какие - из клеток реципиента. Оказалось, что хорда целиком образована пересаженными клетками, а нервная трубка, сомиты и другие структуры состоят в основном из клеток зародыша-реципиента.

Рис. 5-1. Использование метода маркировки зародыша прижизненными красителями для составления карты перемещений клеток во время гаструляции у жерлянки (Bombinator). А-В. Участки клеток, помеченные прижизненными красителями, втягиваются внутрь зародыша через бластопор. Г. Внешний вид окрашенных зародышей на стадии нейрулы. Д. Поперечный срез зародыша на стадии замыкания нервной трубки; видно распределение окрашенных клеток внутри зародыша. Благодаря этому методу Фогт получил возможность составить первые карты презумптивных зачатков для амфибий (Vogt, 1929).

Рис. 5-2. Пересадка клеток спинной губы бластопора от зародыша-донора на брюшную сторону зародыша-реципиента. В результате трансплантации у реципиента образуются добавочные осевые органы (Hadorn, 1974).

Образование большей части тканей, формирующихся в результате пересадки спинной губы, из клеток реципиента показывает, что эти клетки были индуцированы к дифференцировке в измененных направлениях под действием того, чему Шпеман дал название первичного организатора. Это организующее начало находится в клетках спинной губы, которая после инвагинации дает начало крыше первичной кишки, а та в свою очередь, индуцирует образование хорды. Возникновение индуцируемых осевых структур происходит в четко выраженном передне-заднем направлении. Эксперименты с пересадкой кусочков крыши передней кишки показали, что упорядоченность структур центральной нервной системы детерминируется индукторами, которые продуцируются соответствующими участками крыши первичной кишки. Хордомезодерма, действуя снизу вверх, не просто индуцирует в вышележащих тканях развитие нейральных структур: различные участки этой мезодермы продуцируют индукторы, различающиеся по своей информационной специфичности.