Author: Ньют Д.
Tags: материальные основы жизни биохимия молекулярная биология биофизика биология эмбриология издательство мир онтогенез развитие животных
Year: 1973
Text
Д. НЬЮТ
РОСТ
РАЗВИТИЕ
ЖИВОТНЫХ
ANIMAL GROWTH
AND
DEVELOPMENT
by DAVID R. NEWTH
Regius Professor of Zoology,
University of Glasgow
EDWARD ARNOLD (PUBLISHERS) Ltd
1970
Д. Ньют
РОСТ
РАЗВИТИЕ
ЖИВОТНЫХ
Перевод с английского
Б. Ф. ГОНЧАРОВА
Под редакцией и с предисловием
С. Г. ВАСЕЦКОГО
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР»
МОСКВА 1973
УДК 577.95
Краткое и хорошо иллюстрированное популярное
изложение основных проблем современной эмбриоло-
гии. Автор сумел при очень небольшом объеме книги
четко описать процесс развития от момента оплодо-
творения до начала органогенеза, взаимоотношения
ядра и цитоплазмы, типы клеточных взаимодействий,
явление эмбриональной индукции, рост, проблемы хи-
мической эмбриологии, явление регенерации и ком-
пенсаторного роста. Последняя глава посвящена воп-
росам прикладной эмбриологии, имеющим значение
для медицины.
Предназначена для преподавателей средней шко-
лы, медицинских и педагогических училищ, для
школьников старших классов, студентов педагогиче-
ских, медицинских и сельскохозяйственных институ-
тов, для всех тех, кто впервые желает ознакомиться
с эмбриологией.
Редакция биологической литературы
п 2102—136
Н 041(01) —73
Д. Ньют
РОСТ И РАЗВИТИЕ ЖИВОТНЫХ
Редактор М. В. Николаева
Художник А. В. Шипов
Художественный редактор Ю. Л. Максимов
Технический редактор Е. Н. Лебедева
Корректор И. И. Алексеева
!972. J* Подписано к печати 21/ХП 1972 г.
Бумага Лй 2, 84х 108 */з2~ 1,44 бум. л., 4,83 усл. печ. л., в т/ч
2 вкл. УЧ.-ИЗД. л. 4.60. Изд. 4/6426. Цена 23 коп. Зак. 531*
Издательство «Мир»
Москва. 1-й Рижский пер.. 2
Ярославский полиграфкомбинат «Союзполиграфпрома» пои
Государственном комитете Совета Министров СССР по де-
лам издательств, полиграфии и книжной торговли
Ярославль, ул. Свободы. 97.
ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
Биология развития — наука, возникшая на стыке эмб-
риологии, .генетики, цитологии, молекулярной биологии и
физиологии, является в настоящее время одной из самых
интенсивно развивающихся областей биологии. Основная
задача биологии развития заключается в изучении причин-
ных механизмов развития.
Мы довольно много знаем о процессах, протекающих в
клетке на молекулярном уровне. Достаточно упомянуть о
том, что была расшифрована структура наследственного
материала — дезоксирибонуклеиновой кислоты, были по-
лучены интересные и принципиально новые данные об
активности генов в бактериальной клетке и клетках выс-
ших организмов. Однако до сих пор еще неясно, как реали-
зуется содержащаяся в ядре оплодотворенной яйцеклетки
генетическая информация, приводя к образованию множе-
ства типов клеток и в конечном итоге целостного организ-
ма. Изучение молекулярной природы явлений, протекаю-
щих в клетке и организме, часто происходило односторон-
не, и мы упускали из виду тот факт, что и клетка, и орга-
низм представляют собой целостные, сложные системы, и
занимались лишь изучением отдельных компонентов, со-
ставляющих эти системы.
На современном этапе развития науки следует больше
внимания уделять организму как целому, связывать про-
текающие в нем процессы с его функционированием, пом-
нить, что наша конечная цель состоит в понимании струк-
туры и функций организма в целом на основе знаний об
отдельных его системах. Однако достичь этой цели невоз-
можно без знания эмбриологии — ключевой науки, которая
легла в основу биологии развития.
В предлагаемой вниманию читателя книге профессора
университета в Глазго Дэвида Ньюта в краткой форме
излагаются основные сведения о росте и развитии живот-
ных с элементами экспериментальной эмбриологии. Несом-
ненно, эта книга окажется полезной для всех читателей,
интересующихся проблемами развития, вне зависимости от
уровня их подготовки,
С. Г. Васецкий
2—631
Предисловие автора
Взрослый многоклеточный организм имеет одно настоя-
щее, но два прошлых. Он является продуктом эволюцион-
ного и онтогенетического развития, и его форма, строение,
химический состав, функции и поведение обусловлены
обоими этими процессами. Однако если для процесса эво-
люции путем естественного отбора имеется вполне удов-
летворительная общая теория, то к общему решению про-
блем, связанных с превращением яйца или семени, почки
или геммулы во взрослую особь, способную к размноже-
нию, мы едва-едва начинаем приближаться. Эти проблемы
волновали воображение человека свыше двух тысячелетий.
Наш краткий очерк знакомит читателя лишь с некоторыми
из них в более острой форме, в которой они стоят сейчас
перед нами в свете достижений биологии за последние сто
лет. К концу XX века большинство вопросов, которые вол-
нуют нас сейчас, будет решено, и молекулярная генетика,
биология развития и биология клетки станут для специа-
листов не более чем усложненным упражнением.
Было бы чрезмерным надеяться, что в книге не окажет-
ся неправильных, односторонних или ошибочных представ-
лений. Наоборот, даже к самым правдоподобным утверж-
дениям следует относиться с некоторой долей сомнения
и быть особенно придирчивым к общим положениям, вы-
раженным с излишней категоричностью. Если какое-либо
утверждение покажется вам ошибочным, проверьте его,
обратившись к литературе, с которой вы можете ознако-
миться, начав хотя бы со списка, приведенного в конце
книги. Я буду признателен за любые вопросы и замечания.
Глазго, 1970 г.
Д. Р. Ньют
/
Глава 1
ВВЕДЕНИЕ
1. Почему животные развиваются?
Живая материя в настоящее время существует только
в виде дискретных организмов, каждый из которых смер-
тен. Правда, у разных видов животных смертность носит
разный характер, а у каждого вида она может, кроме того,
изменяться с возрастом. У людей, например, смертность в
первый месяц жизни выше, чем на десятый, однако по
мере того, как человек взрослеет и подстерегающих его
опасностей становится все больше, а также по мере старе-
ния организма вероятность смерти возрастает. Но даже
если бы вероятность смерти постоянно уменьшалась с воз-
растом, она не могла бы исчезнуть вовсе; смерть в конеч-
ном счете предъявляет свои права, как это было со стар-
цами в пьесе Б. Шоу «Назад к Мафусаилу». Следователь-
но, до наших дней сохранились только те животные, пред-
ки которых успешно решили проблему размножения.
Размножение в принципе могло бы происходить таким
образом, что организм копировал бы себя, не вкладывая в
свою копию ничего материального. Однако в действитель-
ности многоклеточные животные, о которых и пойдет речь
в этой книге, отдают какую-то часть самих себя своим по-
томкам. При бесполом размножении новый организм полу-
чает одну или более клеток от одного родителя. При поло-
вом размножении каждый из двух родителей отдает по
одной клетке. В любом случае новые особи в начале жизни
во многом отличаются от своего родителя или родителей.
Для того чтобы действительно возникла сколько-нибудь
точная копия родительского организма, как этого мы впра-
ве ожидать, если понимать слово «размножение» в бук-
вальном смысле, новый организм должен существенно
измениться.
Эти изменения в наиболее отчетливой форме выявляют-
ся в процессе развития зиготы, образующейся при половом
2*
8
Глава 1
размножении, и их изучение представляет собой главную,
хотя и не единственную, задачу биологии развития.
2. Во что обходится животным половое размножение?
Половое размножение характерно почти для всех выс-
ших животных, хотя наряду с половым размножением у
многих видов регулярно или нерегулярно происходит бес-
полое размножение. Общепризнано, что половое размноже-
ние успешно поддерживает генетическое разнообразие в
популяциях, для которых характерна невысокая частота
близкородственных скрещиваний, и способствует быстро-
му распространению комбинаций генов, «одобренных»
естественным отбором, что позволяет популяции чутко
реагировать на давление отбора.
Животные вынуждены платить за эти преимущества
двойную цену. Во-первых, они должны продуцировать
гаметы и обеспечивать успешное оплодотворение яиц спер-
матозоидами. У разных видов животных на это затрачи-
вается разная, но всегда значительная доля анатомиче-
ских, физиологических и поведенческих ресурсов. Кроме
того, существенная черта полового размножения у много-
клеточных организмов состоит в том, что их потомки на-
чинают жизнь с одной клетки. Развитие клетки во взрос-
лый организм — процесс сложный, часто весьма длитель-
ный, обычно сопряженный с множеством опасностей.
3. Программа развития
Сравнивая яйцо Я взрослый организм, мы можем пере-
числить те события, которые необходимы для успешного
завершения развития животного. Прежде всего яйца — это
одиночные клетки, тогда как взрослые многоклеточные
животные содержат от 103 (некоторые коловратки) до 1012
клеток (крупные млекопитающие). Следовательно, в со-
ставляемый нами перечень событий необходимо включить
по крайней мере 10* (103г^210) клеточных делений в пер-
вом случае или 38« (1012~238) во втором. Во-вторых, яйца
всегда мельче, чем продуцирующие их животные, напри-
мер у киви в 10, а у человека в 1010 раз. Если программа
развития заключается пе только в качественном, но и в
количественном воспроизведении родителя, то в наш пере-
Введение
9
чень необходимо включить также и рост. В-третьих, в
отличие от большинства взрослых организмов яйца, как
правило, имеют простую геометрическую форму, часто они
почти шарообразны. Таким образом, процесс развития
должен включать в себя также изменение формы и, следо-
вательно, пространственное перераспределение составных
частей яйца. И наконец, яйца Тетерогенны, но, очевидно,
в значительно меньшей степени, чем взрослые организмы,
по крайней мере на тех уровнях наблюдения, которые нам
доступны. Результаты экспериментов, как мы увидим да-
лее, подтверждают наше представление о том> что развитие
включает в себя также и создание существенных различий
между частями организма — процесс, который мы можем
назвать дифференцировкой.
Составленный нами перечень представляет ообой не
более чем программу-минимум. В действительности кле-
точное деление, рост, морфогенетические движения клеток
и дифференцировка — гораздо более насыщенные и слож-
ные процессы, чем это может показаться при первом зна-
комстве с ними. Мы займемся здесь именно этими процес-
сами, так как они и составляют сущность развития. Значе-
ние каждого из них возрастает или уменьшается на раз-
ных этапах индивидуального развития организма.
4. Биологические особенности развития
Сложность программы развития не освобождает яйце-
клетки или зародышей от основных метаболических функ-
ций, свойственных другим клеткам: питания, дыхания и
выделения. Однако у яйцеклеток и зародышей отсутствует
тот арсенал анатомических структур и физиологических
процессов, с помощью которых выполняются эти функции
у взрослых животных того же вида. Поэтому в ходе разви-
тия у них возникают временные структуры, предназначен-
ные для выполнения этих функций, причем наибольший
отпечаток на внешний вид яиц накладывают те структуры,
которые связаны с питанием.
В самом деле, известно лишь несколько случаев, когда
яйцеклетки или молодые зародыши питаются активно,
заглатывая частицы пищи (некоторые губки, фиг. 2, А).
Чаще всего яйца окружены мембранами и оболочками
10
Глава 1
(фиг. 1), которые, оставаясь проницаемыми для воды и
растворенных в ней веществ, препятствуют активному пи-
танию. В этих случаях запас пищи, обеспечивающий пе-
Фиг. 1. Яйца и их оболочки у некоторых животных.
А. Дрозофила. Большинство видов насекомых продуцирует заполненные
желтком яйца, заключенные в хорион (оболочку), секретируемый фолли-
кулярными клетками в яичнике. В хорионе имеется несколько относитель-
но больших отверстий (микропиле, 1), которые позволяют сперматозоиду
проникать в яйцо, и большое количество пор меньшего размера, через
которые происходит газообмен с окружающей средой. В. Тритон. Яйца
хвостатых амфибий находятся внутри плотной внутренней студенистой
капсулы 3, окруженной менее плотной наружной студенистой оболочкой
2. В. Мышь. Вышедшее из яичника яйцо окружено прозрачной оболоч-
кой 5, называемой zona pellucida (блестящая оболочка). Прикрепленные
к ее наружной поверхности фолликулярные клетки вскоре отпадают.
Zona pellucida исчезает еще до того, как зародыш достигнет матки. Яйца
высших млекопитающих либо не содержат желтка вовсе, либо содержат
небольшое его количество; 4 — полярные тельца. Г. Змея. Очень большие,
заполненные желтком яйца вместе с окружающим их белком заключены
в плотные оболочки. Молодые особи сразу после вылупления способны
верти независимую жизнь; 6 — яйцо, которое видно через отверстие, сде-
ланное в оболочке.
Введение
II
риод развития зародыша до вылупления, должен находить-
ся внутри оболочки яйца. Обычно это достигается путем
накопления желтка в самом яйце (фиг. 2, Б), причем
иногда даже в таком количестве, которое кажется чрез*
мерным для одной клетки (например, у головоногих мол*
люсков, большинства членистоногих, акул, пресмыкаю*
щихся и птиц). У других животных яйцеклетка можеа
быть окружена вспомогательными клетками, запасы кото-
рых используются в ходе ее развития (у трикладид).
В исключительных случаях яйца бывают такими круп-
ными, что в яичнике одновременно может образоваться
лишь одно или несколько яиц. Масса только что отложен-
ного яйца киви составляет треть массы тела матери; прав-
да, в данном случае из массы яйца следовало бы вычесть
массу белка и скорлупы, которые не являются частями
собственно яйцеклетки. Естественно, что у животных: мы
обнаруживаем тенденцию к образованию яиц в количестве,
обратно пропорциональном размерам самих яиц. Перед
наземными животными встает особая проблема — пробле-
ма защиты яиц от потери воды. Для этого яйца обычно бы-
вают окружены белком (альбумином) и скорлупой. Кроме
того, наземные животные, только что вылупившиеся из
яйца, должны быть способны к самостоятельной жизни в
воздушной среде, для чего им необходимо обладать опре-
деленной механической прочностью и жесткостью — свой-
ствами, не обязательными для тех, кто появляется на свет
в поддерживающей их водной среде. Уже только по этим
причинам у наземных животных число яиц обычно мень-
ше, но при этом они крупнее, чем у водных животных.
Поскольку в крупных яйцах содержится много желтка,
они представляют собой прекрасную пищу для хищников.
Поэтому если животное откладывает несколько крупных
яиц, то возникает необходимость в их защите. Один из спо-
собов защиты состоит в том, что яйца задерживаются в
теле матери до тех пор, пока из них не вылупятся зароды-
ши (яйцеживорождение), например у многих пресмыкаю-
щихся (в частности, у европейских гадюк). Но если уж
выбран такой путь, то зародышу выгодно подключиться к
обмену веществ материнского организма — получать от
него пищу и кислород и возвращать ему продукты выделе-
ния, в том числе и углекислый газ (фиг. 2, В). Если такая
A
В
Фиг. 2. Питание зародышей.
А. Зародыш известковой губки (Grantia), который, находясь в полости материнского организма, способен «заглаты-
вать» пищевые частицы. В. Зародыш костистой рыбы, лежащий на желтке, заключенном в васкуляризованную обо-
лочку — желточный мешок. В. Зародыш человека получает питательные вещества из кровеносной системы матери че-
рез плаценту 1. Его желточный мешок 2 представляет собой пустой рудиментарный остаток.
Введение
(3
связь матери и зародыша может быть эффективно налаже-
на с ранних стадий развития, исчезает необходимость про-
дуцировать крупные яйца. Так, высшие млекопитающие,
несомненно ведущие свое происхождение от пресмыкаю-
щихся, которые откладывали крупные яйца, в настоящее
время имеют яйцеклетки диаметром от 100 до 150 мкм с
небольшим запасом желтка или без него.
Морские животные, которые во взрослом состЪянии ве-
дут сидячий или малоподвижный образ жизни (губки,
пластинчатожаберные моллюски, усоногие раки, морские
ежи), обычно производят чрезвычайно большое количест-
во очень мелких яиц. Из этих яиц вылупляются крошечные
организмы, которые способны вести самостоятельную
жизнь и, более того, распространяться морскими течения-
ми на далекие расстояния. Любой из этих организмов не
больше яйца, из которого он образовался, поэтому его об-
раз жизни сильно отличается от образа жизни взрослой
особи, в которую он в конце концов должен превратиться.
В таких случаях процесс развития характеризуется проме-
жуточным личиночным периодом. Личинки могут быть
совершенно не похожи на своих родителей по внешнему
виду. Так, многие личинки были обнаружены в планктоне
и описаны ранее, чем были найдены взрослые особи того
же вида.
У личинок могут присутствовать и функционировать
органы, например некоторые органы пищеварения и дви-
жения, которых не имеют взрослые особи. Фактически в
построении взрослого организма обычно принимает уча-
стие только часть клеток, происходящих из яйца. Другая
их часть разрушается или отбрасывается при метаморфозе
личинки. Птицы и пресмыкающиеся, вылупляясь, оставля-
ют в яйце разлагающиеся остатки тканей, игравших до
этого важную роль в их жизни. После рождения ребенка
от стенки матки отторгается выполнившая свою функцию
плацента, большая часть тканей которой также происходит
из яйца.
Таким образом, изучая развитие животного, можно
ожидать, что путь превращения от яйца к взрослой особи
отнюдь не должен быть прямым. В процессе развития жи-
вотных возникают специальные структуры, обеспечиваю-
щие их удивительно точное приспособление к определен-.
3—531 »
Фиг. 3. Сходство зародышей родственных видов.
Головные области (вид сбоку) зародышей акулы (А), птицы (Б) и чело-
века (В). Главные кровеносные сосуды выделены точками. План строения
кровеносной системы рыб существенно не меняется; по мере того как
эти животные развиваются, каждая жабра с обеих сторон зародыша по-
лучает кровь из сердца через брюшную аорту и отводит ее в спинную
аорту. У птиц и млекопитающих во взрослом состоянии сохраняются
только те сосуды, которые снабжают кровью голову, легкие и туловище.
Введение
13
ным условиям обитания. По мере того как меняется образ
жизни, эти структуры могут либо менять свою функцию,
либо утрачиваться.
Изучая развитие, почти у всех видов животных можно
обнаружить признаки эволюционного консерватизма. На-
пример, при развитии кровеносной системы млекопитаю-
щих возникают структуры, обеспечивающие временную
функциональную связь сосудов зародыша и плаценты,
однако эти структуры лишь видоизменяют основной план
строения кровеносной системы, свойственный всем поз-
воночным животным и отражающий первоначальную связь
ее с дыхательным аппаратом, возникшую у рыб. Зародыши
родственных видов животных бывают обычно более схожи,
чем взрослые особи. Сходство касается не только анатоми-
ческих структур, но и процессов их развития.
Зародыши разных видов тем более сходны друг с дру-
гом, чем теснее родство между видами и чем более ранние
стадии развития мы сравниваем (фиг. 3). Из этого следует,
что сходство зародышей может служить важным доводом
в пользу единого происхождения видов — или основных
групп животных, — для которых по другим признакам
трудно установить степень родства. Не многие зоологи
теперь сомневаются в том, что между иглокожими, полу-
хордовыми и хордовыми существует более тесное родство,
чем между каждой из этих групп и моллюсками или члени-
стоногими. Одно из самых важных оснований для такого
суждения — сходство в раннем развитии полостей тела.
Однако пользоваться такого рода аргументами надо с осто-
рожностью. Сходство зародышей и личинок может быть
обусловлено независимым и параллельным развитием оди-
наковых приспособлений к общим условиям обитания.
Более того, некогда популярная теория о том, что все жи-
вотные в процессе индивидуального развития повторяют
историю своих предков, теория, на основании которой, если
бы она была верна, легко объяснялось бы сходство различ-
ных зародышей, оказалась неверной. В лучшем случае
можно говорить лишь о сходстве зародышей ныне живу-
щих животных с зародышами их предков. Например, у
большинства млекопитающих на определенной стадии раз-
вития в глотке образуются жаберные карманы, которые,
однако, не развиваются в жаберные щели, имевшиеся у их
3*
16
Глава 1
предков — рыб. Можно поэтому предполагать, что зароды-
ши древних рыб проходили в своем развитии стадию жа-
берных карманов, обнаруживаемую и у ныне живущих ви-
дов рыб.
5. Краткое описание развития
Многие вопросы, связанные с развитием животных', ко- .
торые нам хотелось бы рассмотреть, легче поставить,
используя научные термины; проще всего ввести эти тер-
мины, кратко описывая развитие какого-либо конкретного
животного. Наиболее хорошо изучены хвостатые амфибии
(тритоны и саламандры), и поэтому их можно использо-
вать в качестве примера (фиг. 4). Большинство видов
хвостатых амфибий весной приходят в пресноводные во-
доемы на короткий период размножения. Животные разби-
ваются на пары, самец откладывает мешочек со спермато-
Фиг. 4. Зародышевое развитие хвостатой амфибии.
А. Неделящееся яйцо (вид сверху). У нормально развивающихся яиц
пигментированное (анимальное) полушарие обращено кверху» В. Яйцо в
начале первого деления дробления (вид сверху). В. 8-клеточная стадия.
Г. Ранняя бластула. Д. Ранняя гаструла; внешний вид и сагиттальный раз-
рез. Е. Средняя гаструла; внешний вид и сагиттальный разрез. Ж. Ранняя
нейрула: внешний вид и поперечный разрез. В. Сближение нервных ва-
ликов. И. Поздняя нейрула. К. Завершение нейруляции. Л и М. Зароды-
ши на последующих стадиях развития.
Введение
IT
зондами (сперматофор) около самки, а она помещает его в
свой яйцевод, где и происходит оплодотворение. Каждое
яйцо окружено оболочкой, которую оно само выделяет
(желточная оболочка), и, кроме того, заключено в студени-
стую оболочку; внутри этих оболочек оно развивается в
маленькую личинку, или головастика, который вылупляет-
ся через определенное число дней или недель. В воде голо-
вастик кормится и растет в течение нескольких недель
или месяцев и затем претерпевает процесс превращения
(метаморфоз) в молодую особь, похожую на взрослое жи-
вотное и живущую на суше. Эта молодая особь продол-
жает расти и через несколько лет достигает половой
зрелости.
Отложенные яйца представляют собой почти шарооб-
разные клетки, диаметр которых у разных видов колеб-
лется от 1 до 10 мм. У большинства видов хвостатых ам-
фибий они отчетливо поляризованы: одна половина — ано-
мальное полушарие — имеет пигментированную поверх-
ность, тогда как другая — вегетативное полушарие —
пигмента не содержит. Центры этих областей назы-
ваются соответственно аномальным и вегетативным по-
люсами.
Таким образом, при внешнем осмотре выявляется ради-
альная симметрия яйца, причем ось симметрии проходит
через анимальный и вегетативный полюса. Любая другая
линия, которую можно провести через яйцо, имеет беско-
нечное множество эквивалентов. Не следует тем не менее,
ориентируясь на видимую радиальную симметрию дйца,
полагать, что эта симметрия отражает и его внутреннюю
пространственную организацию. Яйца значительно круп-
нее клеток любой ткани, главным образом потому, что их
цитоплазма буквально забита желтком. У вегетативного
полюса гранулы желтка крупнее и упакованы более плот-
но, чем у анимального. Поверхностная цитоплазма, или
кортекс, образует свободную от желтка вону толщиной в
несколько сотен ангстрем, окружающую все яйцо. На про-
тяжении длительного периода роста ооцита в яичнике его
ядро имеет диплоидный набор хромосом и представляет
собой крупную шарообразную структуру, которую назы-
вают зародышевым пузырьком. Во время овуляции в ядре
проходит первое деление созревания и начинается второе;
1В Глава 1
на определенной стадии второго деления созревания насту-
пает период покоя, продолжающийся до тех пор, пока не
произойдет оплодотворение. >
При оплодотворении некоторое количество спермато-
зоидов проникает в яйцо, и один из них образует мужской
пронуклеус, который позднее сливается с женским про-
нуклеусом. Остальные сперматозоиды разрушаются и,
насколько это известно, никак не влияют на дальнейшее
развитие. Оплодотворение служит сигналом для ряда изме-
нений, которые обычно в неоплодотворенном яйце не про-
исходят. Яйцо слегка уменьшается благодаря выделению
жидкости, которая отделяет его от желточной оболочки,
прежде плотно облегавшей яйцо. Завершается второе деле-
ние созревания, и в результате в яйце остается гаплоидный
женский пронуклеус, который принимает участие в обра-
зовании ядра зиготы. Перемещения цитоплазмы корти-
кального слоя приводят к появлению в экваториальной
области, разделяющей анимальное и вегетативное полуша-
рия, серого серпа. Начиная с этого момента яйцо имеет
явную билатеральную симметрию. Теперь только одна
плоскость может разделить его на две симметричные по-
ловины. Ядро зиготы, образовавшееся после слияния двух
гаплоидных пронуклеусов, делится митотически, в резуль-
тате чего возникают два дочерних диплоидных ядра и яйцо
вступает в первый период зародышевого развития, назы-
ваемый дроблением.
В процессе дробления последовательные митотические
деления, вначале синхронные, вызывают быстрый рост
популяции клеток, которые становятся все мельче и мельче
по мере того, как исходная цитоплазма яйца распределяет-
ся между ними. Клетки, образующиеся на ранних стадиях
дробления, называются бластомерами. Дробление — это
прежде всего процесс разделения яйца на клетки, но в этот
период наблюдается также некоторое перераспределение
компонентов яйца. На довольно ранней стадии развития
происходит важное изменение строения зародыша, связан-
ное с появлением между бластомерами анимального полу-
шария пространства, заполненного жидкостью, — бласто-
целя. С момента возникновения бластоцеля и до начала
второго важного периода развития — гаструляции — заро-
дыш называют бластулой.
Введение
19
Непосредственно перед гаструляцией бластула состоит
из нескольких десятков тысяч клеток, настолько мелких,
что их уже нельзя различить невооруженным глазом.
Анимальное и вегетативное полушария и серый серп еще
различимы благодаря своей пигментации. В процессе гаст-
руляции деление клеток продолжается во всех частях
зародыша, но главные события, происходящие на этой ста-
дии, — это существенные перемещения клеток относитель-
но друг друга. В результате таких перемещений простой
полый шар, состоящий из клеток, каким была бластула,
превращается в зародыш, имеющий сложное анатомиче-
ское строение.
Первый видимый признак гаструляции — появление
углубления непосредственно около вегетативного края се-
рого серпа. Это углубление — губа бластопора — распрост-
раняется по дуге, радиус которой постепенно уменьшается.
К определенному моменту концы дуги смыкаются, обра-
зуя окружность с центром, расположенным недалеко от
вегетативного полюса. Она продолжает уменьшаться в
диаметре до полного исчезновения. Губа бластопора — это
участок, через который происходит направленное переме-
щение внутрь клеток, находившихся ранее на поверхности
зародыша. В результате такого перемещения клеток веге-
тативная область бластулы, вворачиваясь (инвагинируя),
оказывается внутри анимального полушария, а клетки
анимального полушария распространяются по поверхности
зародыша и в конце концов целиком покрывают его. Бла-
стоцель постепенно исчезает, а внутри зародыша появляет-
ся полость, называемая первичной кишкой, дно которой
образовано инвагинировавшими клетками вегетативного
полушария, а крыша — клетками, которые первоначально
располагались около экватора бластулы, в том числе клет-
ками области серого серпа.
Все клетки, которые на этой стадии еще находятся в
поверхностном слое зародыша, представляют собой экто-
дерму, а их потомков, многие из которых позднее обнару-
живаются в глубине тела животного, называют производ-
ными эктодермы. Клетки, образующие дно и боковые стенки
первичной кишки, представляют собой энтодерму, а клетки
крыши — мезодерму. Ранее полагали, что включения клет-
ки в ту или иную клеточную популяцию, или зародышевый
so
Глава 1
листок, достаточно для того, чтобы эта клетка приобрела
свойства, ограничивающие выбор возможных путей разви-
тия. От подобных предположений пришлось отказаться, и
сейчас можно утверждать, что нет ни одного свойства
клетки взрослого организма-, которое можно было бы с
уверенностью предсказать, зная, к какому зародышевому
листку принадлежал ее предок. Термины эктодерма, мезо-
дерма и энтодерма удобны для описания первоначального
положения клеток, и вряд ли следует придавать им какой-
то более глубокий смысл.
События, следующие за гаструляцией, подтверждают,
что билатеральная симметрия, установившаяся в яйце
после образования серого серпа, является окончательной
симметрией животного. Местонахождение серого серпа
определяет дорзальную (спинную) сторону животного.
Дальнейшие важные морфогенетические движения изме-
няют положение клеток по отношению к передне-задней
оси, и все же мы можем утверждать, что клетки, лежащие
около анимального полюса, будут ближе к головному кон-
цу зародыша, а клетки, располагающиеся около места
исчезновения бластопора, — к его. заднему концу.
Во время дробления и гаструляции клетки зародыша
могут отличаться друг от друга как по размеру, так и по
форме, но ни одна из них еще , не похожа на тканевую
клетку взрослого животного; кроме того, клетки еще не
образуют скоплений или групп, в которых можно было бы
угадать будущие органы личинки или взрослого животно-
го. За гаструляцией следует период, когда продолжаются
и деление клеток, и морфогенетические движения, но, по-
жалуй, больше всего привлекают внимание процессы
клеточной дифференцировки и органогенеза. Прежде всего
на спинной стороне Зародыша эктодерма образует массив-
ный пласт клеток, из которого несколько позднее возника-
ет нервная трубка -— будущий головной и спинной мозг,
С момента отделения от остальной эктодермы нервная
трубка имеет некоторые анатомические признаки дефини-
тивной центральной нервной системы, а именно — это по-
лая трубка, расширенная на переднем конце. Остальная по-
верхностная эктодерма теперь начинает развиваться в эпи-
дермис, хотя часть ее клеток в дальнейшем переместится
внутрь для формирования частей уха, глаза и перифериче-
Введение
21
ской нервной системы головы. Одновременно энтодерма
превращается в трубку — будущую кииЛку, выросты кото-
рой затем преобразуются в печень и легкие. Мезодерма
разделяется на лежащий по средней линии спинной тяж —
хорду — и боковые листки, дорзальные части которых пре-
вращаются в сомиты, а вентральные (брюшные) — в
спланхноплевру и соматоплевру. Из мезодермы формиру-
ются также почки, большая часть скелета и соматические
ткани половых желез. В таком коротком очерке невозмож-
но подробно описать эти события, но в результате всех
преобразований развивается активно плавающий голова-
стик, имеющий жабры для дыхания, почки для выделения,
функционирующие нервную и кровеносную системы и пи-
тающийся мельчайшими подвижными организмами. С точ-
ки зрения дифференцировки клеток и организации их в
системы органов животное обладает всеми признаками
взрослого организма, Эмбриогенез закончен, и оно вылуп-
ляется.
Таким представляется нам развитие, если мы рассмат-
риваем этот процесс невооруженным глазом или с помощью
простейших методов микроскопии. Некоторые из описан-
ных процессов развития характерны для большинства
многоклеточных животных. За оплодотворением следует
реорганизация цитоплазмы яйца, далее Дробление, образо-
вание бластулы, морфогенетические движения в период
гаструляции, органогенез и видимая дифференцировка
клеток — такова нормальная последовательность эмбрио-
генеза.
Развитие многих животных, однако, по тем или иным
признакам отличается от развития хвостатых амфибий.
Так, проникновение сперматозоида в яйцо у одних живот-
ных (например, у нематод) происходит перед созреванием
ядра ооцита, т. е. на стадии зародышевого пузырька, у дру-
гих (морские ежи) — после завершения созревания. Опло-
дотворение часто бывает моноспермным (лягушки), а у
некоторых животных оплодотворения вообще не происхо-
дит—в таком случае мы говорим о партеногенетическом
развитии (пиявковидные коловратки). Дробление не всег-
да приводит к разделению на клетки всей массы яйца. При
развитии очень крупных яиц (головоногие моллюски, реп-
тилии, птицы) клетки, возникающие при дроблении, обра-
22 Глава 1
зуют поверхностный слой, или бластодерму, находящуюся
по одну сторону от массы неразделенного желтка. Даже
гаструляция наблюдается не у всех животных — иногда
клетки, образовавшиеся в результате дробления, диффе-
ренцируются более или менее in situ (колов , ратка Asplanch-
па). Подобные сведения о различных типах развития весь-
ма полезны для правильной оценки общих идей, касающих-
ся развития животных. Они помогают нам. отказываться
от некоторых гипотез, кажущихся привлекательными и
правдоподобными в свете данных,- полученных для ограни-
ченного круга животных.
Глава 2
ПРОБЛЕМЫ КЛЕТОЧНЫХ РОДОСЛОВНЫХ
4
1. Методы изучения
Каждая клетка организма фактически является членом
клона, происходящего от одной родоначальной клетки —
оплодотворенного яйца. (При этом мы не учитываем такое
интересное исключение, как возникновение так называе-
мых химер; речь идет о тех дизиготных двойнях у млеко-
питающих — особенно у крупного рогатого скота, — кото-
рые обмениваются клетками по сосудам еще в то время,
когда они находятся в матке, и в их организме навсегда
сохраняются клетки, имеющие разное генетическое проис-
хождение.) Если мы хотим выяснить, каким образом раз-
ные типы клеток занимают в теле взрослого животного
свое дефинитивное положение и начинают играть особую
роль в жизнедеятельности организма, то желательно про-
следить их историю в обратном направлении до однокле-
точной стадии, другими словами — установить клеточную
родословную. Если мы обнаруживаем, — а чаще всего
именно так и бывает, — что у какого-либо вида животных
из определенной группы клеток раннего зародыша в нор-
мальных условиях всегда образуются одни и те же произ-
водные, то открывается путь для экспериментального
исследования факторов, определяющих судьбу этих клеток.
В некоторых случаях сама природа облегчает нашу за-
дачу тем, что на 2-, 4-, 8- и 16-клеточной стадиях бласто-
меры различаются настолько, что каждый из них можно
распознать, дать ему название или номер и проследить его
судьбу и судьбу его потомков на всем протяжении раннего
развития до начала дифференцировки тканей. Удобно про-
водить такого рода наблюдения на так называемых спи-
рально дробящихся яйцах кольчатых червей, моллюсков
(фиг. 5, Л) и свободноживущих плоских червей, у которых
каждый бластомер отличается от других по размеру и по
24
Глава 2
положению в зародыше. При нормальном развитии каж-
дый бластомер играет определенную роль в формировании
зародыша более старшего возраста и личинки. Как мы
позднее увидим, это поспешное утверждение о раннем
определении судьбы частей зародыша нельзя считать по-
верхностным.
У других животных не так легко идентифицировать
отдельные клетки, но достаточно просто распознать группы
Фиг. 5. Родословная клеток и идентификация бластомеров.
А. 8-клеточная стадия развития моллюска Dentalium. Поскольку одна из
четырех крупных клеток (макромеров) значительно больше остальных,
любая клетка целого зародыша может быть идентифицирована и обозна-
чена. Бластомеры «спирально» дробящихся яиц принято обозначать бук-
вами, как это показано на фигуре. В. 16-клеточная стадия развития мор-
ского ежа Paracentrotus. Клетки разных групп, расположенных вдоль
анимально-вегетативной оси, различаются по размеру. В. Окрашивание
прижизненными красителями небольших участков поверхности бластулы
хвостатой амфибии. Расстояния от анимального и вегетативного полюсов
и от линии, проходящей через середину серого серпа, до окрашенных
клеток могут служить характеристикой их положения в зародыше. Г. Раз-
рез через зародыш^ окрашенный на стадии В и развившийся до стадии
хвостовой почки. Потомки ранее окрашенных клеток могут быть иденти-
фицированы.
клеток. У морского ежа, например, на 8-, 16- и 32-клеточной
стадиях бластомеры четко распределяются по группам со-
ответственно 4+4, 8+4+4, 8+8+8+8 клеток (фиг. 5, Б).
Внутри группы клетки не отличаются друг от друга, одна-
ко из каждой группы при нормальном развитии образуют-
ся определенные структуры.
И наконец, есть животные, у которых на ранних ста-,
днях дробления не выявляются такие ясно разграниченные
группы клеток. Это справедливо для позвоночных и мно-
гих беспозвоночных. Кроме того, в зародышевом развитии
всех животных есть периоды^ когда клетки трудно разлц-
Проблемы клеточных родословных
25
чать только по их внешнему виду. В этом случае, для того
чтобы распознать клетки, мы можем воспользоваться
искусственными приемами. Поскольку у зародыша сущест-
вует несколько четких «географических» ориентиров,
можно определить положение каждой точки на ее поверх-
ности с помощью двух координат — долготы и широты;
таким образом^ любую группу клеток можно однозначно
определить в разных зародышах. Ее можно также поме-
тить красителями (фиг. 5, В, Г). Для того чтобы получить
желаемый эффект, эти красители должны быть безвредны
для клеток, достаточно хорошо связываться с ними, не пе-
реходить из окрашенных клеток в соседние, но передавать-
ся потомкам. Применение таких прижизненных красите-
лей в 20-х и 30-х годах произвело революцию в наших зна-
ниях относительно морфогенетических движений клеток в
зародышах позвоночных животных и позволило постро-
ить очень точные карты презумптивных зачатков, т. е.
зачатков, имеющих определенную судьбу. Такая карта,
составленная на основе сотен наблюдений за поведением
маленьких групп окрашенных клеток, отражает дальней-
шую судьбу всех участков зародыша.
Если внимательно присмотреться к карте презумптив-
ных зачатков типичной бластулы хвостатых амфибий, то
станет вполне очевидно, что для превращения бластулы в
гаструлу необходимы определенные перемещения клеток
(фиг. 6). Будущая эктодерма должна, разумеется, распро-
страниться с тем, чтобы покрыть всю гаструлу, и ее клетки
в хамом деле перемещаются по направлению к вегетатив-
ному полюсу, причем на дорзальной стороне зародыша это
перемещение происходит более активно, чем на вентраль-
ной. Кроме того, те клетки вентральной стороны, которые
не лежат точно на средней линии, смещаются к дорзальной
стороне. Впячивание в области губы бластопора может в
принципе представлять собой пассивное вворачивание в
ответ на давление, оказываемое общим разрастанием ани-
мального полушария. На самом же деле наблюдения за
клетками, взятыми из зоны вворачивания и пересаженны-
ми в другие области зародыша или культивируемыми от-
дельно, показывают, что клетки перемещаются активно.
Клетки будущей хорды и мезодермы, которые вворачива-
ются через губу бластопора, также сначала двигаются к
26
Глава 2
вегетативному полюсу, а затем, после прохождения через
губу бластопора, меняют направление движения на проти-
воположное. Сравнивая очертания области презумптивной
хорды — полумесяца, рога которого заходят на вентраль-
ную сторону бластулы, — с ее окончательной формой —
тяжем2 лежащим вдоль передне-задней оси зародыша,—
Фиг. 6. Карта презумптивных зачатков бластулы позвоночных.
А. Упрощенный вариант расположения презумптивных зачатков на поверх-
ности бластулы хвостатой амфибии (вид спереди и сверху). Б. Карта пре-
зумптивных зачатков бластодиска костистой рыбы. Обратите внимание на
то, что принципиально эта карта не отличается от карты, составленной
для хвостатых амфибий. 1 — анимальный полюс; 2 — будущая эпидер-
мальная эктодерма; 3 — будущая нервная пластинка; 4 — будущая мезо-
дерма; 5 — будущая хорда; 6 — будущая энтодерма.
можно видеть, что при его перемещении также происходит
стягивание клеток к средней линии спинной стороны. Яс-
но, что, если клетки, лежащие сбоку, перемещаются к
спинной стороне зародыша, должно происходить удлине-
ние или растяжение закладки в передне-заднем направле-
нии, для того чтобы они могли в ней разместиться.
Мы еще очень мало знаем о том, что приводит в движе-
ние клетки во время гаструляции, как координируются их
перемещения и каков механизм их движения. Известно,
однако, что в этот период меняется форма клеток. Могут
также происходить изменения в сцеплении клеток друг с
другом и в протяженности зон их взаимных контактов.
По-видимому, даже на этих ранних стадиях развития клет-
ки могут «узнавать» своих соседей и соответственно регу-
лировать свое поведение. _
Проблемы клеточных родословных
27
Бластула многих рыб, всех пресмыкающихся и птиц
значительно отличается от бластулы амфибий тем, что
клетки, составляющие бластодерму, расположены на массе
желтка. Однако карты презумптивных зачатков у этих
животных и хвостатых амфибий в общем схожи, а в период
гаструляции происходят такие же морфогенетические дви-
жения. Следует упомянуть, однако, об одном значительном
различии между низшими позвоночными, с одной стороны,
и рептилиями и птицами — с другой. У рыб клетки, распо-
ложенные на краю обрастания, составляют губу бластопо-
ра. Это справедливо даже для тех видов рыб, которые про-
дуцируют крупные яйца, а при развитии этих яиц бласто-
дерма медленно обрастает желток. Другими словами,
клетки вворачиваются через край бластодермы. У пресмы-
кающихся и птиц распространение покрывающей желток
бластодермы не зависит от гаструляции.
Красители, если их применять в безвредных концент-
рациях, через несколько дней выводятся из клеток, а часто
бывает желательно проследить судьбу клеток и их потом-
ков в течение более длительного срока. В таких случаях
можно, удалив хирургическим путем определенную группу
клеток зародыша, пересадить на их место равноценную
группу клеток другого зародыша, помеченную тем или
иным способом. Например, зародыш, культивируемый в
разбавленном растворе тимидина, может использовать это
основание для синтеза ДНК. Если тимидин метят радиоак-
тивным водородом (3Н), а длительность обработки превы-
шает длительность одного полного клеточного цикла (хотя
продолжительность цикла может быть разной в различных
частях зародыша), то можно ожидать, что все ядра клеток
окажутся мечеными (фиг. 7, В). Клетки, пересаженные
от таких меченых зародышей к необработанному, позднее
выявляют с помощью метода радиоавтографии. Этот метод
находит успешное применение, однако и у него есть серь-
езные недостатки. Радиоактивный водород в больших до-
зах не безвреден, так как испускаемые им р-частицы могут
повреждать клетки, в которых он находится. При каждом
митотическом делении меченых клеток количество 3Н,.при-
ходящееся на ядро каждой дочерней клетки, будет умень-
шаться вдвое. После нескольких делений количество мече-
ного водорода будет настолько мало, что обнаружить его
28
Глава 2
уже не удается. Увеличение исходной радиоактивности пе-
ресаженных клеток, которое привело бы их к гибели или
повреждению, не позволило бы достигнуть цели опыта.
Поэтому метод радиоавтографии лучше всего применять
для изучения родословных клеток, которые активно делят-
Фиг. 7. Маркеры клеток.
А. Срез зародыша хвостатой амфибии» на котором видно» что эктодер-
мальные клетки можно распознавать по их пигментным гранулам. В. Срез
участка зародыша хвостатой амфибии (Triturus palmatus), где находятся
клетки, пересаженные от другого вида (Т. criitatus). Пересаженные клет-
ки можно узнать по размеру ядер и наличию пигмента в цитоплазме
В. Срез зародыша цыпленка, которому были пересажены клетки, инкуби-
рованные до пересадки с Ш-тимидином, который включился в ДНК ядра.
На радиоавтографе потомков меченых ядер можно распознать по груп-
пам гранул серебра, лежащих над ними. 1 — задний мозг; 2 — глотка;
9 — клетки реципиента; 4 — пересаженные клетки; 5 — эпидермальная эк-
тодерма; 6 —- нервная трубка; 7 — ганглий заднего корешка (опыт
Дж. Уэстона)t
ся до стадии операции, а затем совсем прекращают деле-
ние или делятся менее интенсивно.
В некоторых случаях, однако, в качестве постоянных
маркеров можно использовать особенности клеток, которые
сохраняются в ряду поколений и безвредны для них
(фиг. 7, А, Б). Например, можно использовать видоспеци-
фичные различия в величине клеток, ядер или в числе
ядрышек и внутривидовые различия в плоидности. Могут
быть также использованы половые различия, которые вы-
Проблемы клеточных родословных
29
ражаются в появлении половых хромосом во время митоза
и полового хроматина во время интерфазы, а также хро-
мосомные перестройки, видимые только в период митоза.
Используя такие маркеры при изучении клеточных родо-
словных, мы создаем химеры, и поэтому к результатам та-
ких опытов следует относиться с осторожностью. Переса-
женные клетки могут вести себя не так, как вели бы себя
замещенные клетки, и поэтому каждый случай необходимо
рассматривать критически, имея в виду такую возмож-
ность.
Подобную осторожность следует проявлять при интер-
претации результатов опытов другого типа, опытов, кото-
рые также имеют важное значение в изучении клеточных
родословных: это простое изъятие группы зародышевых
клеток. Проще всего допустить, что удаление зародышевых
клеток приведет к тому, что на более поздних стадиях раз-
вития у животного, если оно выживет, будет недоставать
как раз тех клеток, которые явились бы потомками уда-
ленных. Необходимо, однако, сделать две оговорки. Напри-
мер, после удаления значительной части зародыша из
оставшегося материала может развиться совершенно нор-
мальное животное (хотя временно меньших размеров).
Ярким примером такого процесса регуляции служит опыт
по разделению бластомеров зародыша лягушки, тритона
или морского ежа на двухклеточной стадии развития.
В норме каждый из двух бластомеров дает половину заро-
дыша, а в удачных опытах из каждого бластомера образу-
ется совершенно нормальный зародыш. В этом случае уда-
ление какой-либо части приводит к развитию зародыша,
у которого недостает меньше тканей, чем могла бы дать
удаленная часть. С другой стороны, иногда удаление ка-
кой-либо части приводит к тому, что в зародыше отсутст-
вует больше структур, чем следовало бы ожидать, исходя
из высказанного выше простейшего допущения. Например,
известно, что у позвоночных сетчатка и пигментный эпи-
телий глаза развиваются из определенной эмбриональной
структуры — глазного бокала, тогда как линза (хрусталик)
возникает из отдельной группы клеток. Несмотря на это,
при удалении глазного бокала у некоторых позвоночных
не развивается не только сетчатка и пигментный эпителий,
но также и линза. Процесс дифференцировки линзы зави-
4—531
30
Глава 2
сит от контакта линзообразующих клеток с глазным бока-
лом, поэтому, если удалить глазной бокал, линза не разви-
вается. И все же метод удаления частей зародыша, несмот-
ря на настороженное к нему отношение, естественно возни-
кающее в связи с описанными выше отклонениями, может
быть полезен при изучении судьбы клеток в развитии.
Рассмотрим несколько хорошо изученных клеточных родо-
словных.
2. Первичные половые клетки,
помеченные самой природой
Почти у всех животных взрослые особи имеют половые
железы,, в которых находятся клетки, развивающиеся в
половые (гаметы). Половые клетки, так же как и сомати-
ческие, образуются из яйца путем митотического деления,
и изучать их родословную можно с помощью тех же мето-
дов, которые применяются при изучении родословной кле-
ток почек, печени или крови. Возникновение половых кле-
ток в процессе развития животного привлекало внимание
эмбриологов XIX века, которые, основываясь на уникаль-
ном свойстве этих клеток —их потенциальном бессмер-
тии, — считали, что, по-видимому, клетки зародышевого
пути рано отделяются или обособляются от соматических
клеток. Хотя, согласно современным представлениям цито-
генетики, любая нормальная диплоидная соматическая
клетка содержит ту же генетическую информацию, что и
ооцит или сперматоцит первого порядка, в связи с чем
раннее обособление клеток зародышевого пути не является
обязательным, старое предположение часто подтверждает-
ся. У животных многих видов материал яйца, из которого
впоследствии разовьются половые клетки, уже различим
или перед дроблением, или во время дробления. У лягуш-
ки, например, вскоре после оплодотворения, но перед пер-
вым делением дробления в яйце вблизи вегетативного
полюса появляются небольшие участки цитоплазмы, не
содержащей желтка, но богатой РНК и митохондриями
(фиг. 8). На двухклеточной стадии эта цитоплазма рас-
пределяется между двумя бластомерами, а после второго
деления ее можно обнаружить во всех четырех бластоме-
рах. Однако начиная с 8-клеточной стадии некоторые бла-
Проблемы клеточных родословных
31
стомеры уже не содержат этой особой цитоплазмы и в
процессе дробления число содержащих ее клеток неуклон-
но уменьшается. На стадии бластулы мы обнаруживаем
только 16 таких клеток, которые располагаются около дна
бластоцеля.
' Тщательное изучение срезов позволяет проследить в
процессе раннего развития судьбу клеток, содержащих уча-
Фиг. 8. Зародышевая цитоплазма у бесхвостых амфибий.
А, Срез зародыша Xenopus laevis на 2-клеточной стадии развития, на ко-
тором видны небольшие участки зародышевой цитоплазмы. В. Срез заро-
дыша на 4-клеточной стадии развития. В. Срез зародыша на 16-клеточной
стадии. Зародышевая цитоплазма уже находится в вегетативных бласто-
мерах. Г. Срез ранней бластулы. Дальнейшее дробление яйца привело
к тому, что зародышевая цитоплазма присутствует только в очень не-
большом количестве бластомеров.
стки зародышевой цитоплазмы, их перемещение вместе с
морфогенетическими движениями пластов клеток, а также
их активное перемещение вплоть до того моменту, когда
они достигнут области, в которой разовьется половая же-
леза. К этому времени их ясно различимая зародышевая
цитоплазма исчезает, но появляются другие характерные
признаки, которые позволяют распознавать эти клетки.
Теперь они обладают большим, слабо окрашивающимся
ядром; кроме того, в них значительно дольше, чем в других
клетках, сохраняется желток. По мере развития половых
желез так называемые первичные половые клетки вклю-
чаются в них.
До этого момента развитие первичных половых клеток
можно изучать, применяя обычные гистологические мето-
дики, однако эти методики не позволяют доказать, что
столь примечательные первичные половые клетки действи-
тельно превращаются в дефинитивные половые клетки.
4*
32
Глава 2
Удаление или разрушение зародышевой цитоплазмы на
ранней стадии развития приводит к появлению зародышей,
не имеющих первичных половых клеток и соответственно
развивающихся в стерильных взрослых особей. Однако
всегда можно предположить, что первичные половые клет-
ки лишь необходимы для образования гамет, но сами не
превращаются в них. Использование в эксперименте двух
подвидов бесхвостой амфибии Xenopus laevis почти разре-
шило все сомнения на этот счет. Эти два подвида отлича-
ются рядом признаков, из которых одни проявляются у
личинок, а другие — у взрослых особей. Замещая первич-
ные половые клетки (или большую их часть) зародыша
одного вида равноценными клетками зародыша другого
вида на стадии, предшествующей миграции первичных
половых клеток в область развивающейся половой железы,
можно получить лягушек с химерными половыми железа-
ми. При размножении такие лягушки дают потомство, в
котором все особи или часть их обладают свойствами доно-
ра первичных половых клеток.
3. Нервный гребень —- мультипотентная
эмбриональная ткань
У всех позвоночных сразу за гаструляцией следует про-
цесс нейруляции, который на самом деле может начинать-
ся еще до завершения гаструляционных движений. При
нейруляции обширная зона дорзальной эктодермы, прости-
рающаяся от переднего до заднего конца животного, утол-
щается и перемещается с поверхности внутрь зародыша,
образуя закладку центральной нервной системы, тогда как
окружающая ее эктодерма, стягиваясь со всех сторон, схо-
дится на срединной дорзальной линии зародыша и сливает-
ся. Головной и спинной мозг представлены на этой стадии
толстостенной трубкой. Между этой нервной трубкой и ле-
жащей выше эпидермальной эктодермой находится тяж*
клеток, называемый нервным гребнем. На более ранней
стадии эти клетки образуют две полоски, отделяющие утол-
щенную нервную пластинку от окружающей ее эктодермы.
Во время нейруляции морфогенетические движения соеди-
няют эти полоски вместе. Само собой разумеется, что нерв-
ный гребень представляет собой часть эктодермы.
Проблемы клеточных родословных
33
Нервный гребень — это временное скопление клеток,
которое распадается вскоре после возникновения. Боль-
шинство клеток нервного гребня начинает мигрировать по
направлению к вентральной стороне зародыша сразу после
завершения нейруляции. Первые исследователи, применяя
гистологические методы, без труда установили, что при
нормальном развитии клетки нервного гребня участвуют в
образовании спинных корешков головных и туловищных
ганглиев, однако многие клетки нервного гребня ускольза-
ли от их внимания, поскольку они включаются в мезенхи-
му, из которой у зародышей позвоночных развивается
своего рода рудиментарная соединительная ткань. Тем не
менее некоторые исследователи предполагали, что клетки
нервного гребня принимают участие в образовании тех
частей хрящевого скелета головы, которые у позвоночных
палеозоя были связаны, а у ныне живущик позвоночных
связаны, с жаберными дугами и называются спланхнокра-
ниумом. Тем эмбриологам, которые считали, что все ткани
скелета происходят из мезодермы, это предположение
представлялось ошибочным. Противоречивость взглядов
явилась одной из причин интенсивного изучения судьбы
нервного гребня, особенно у амфибий. В результате было
получено много убедительных данных о его развитии,
однако и до настоящего времени некоторые вопросы оста-
ются еще без ответа.
У некоторых амфибий эктодермальные клетки в опреде-
ленный период четко отличаются от мезодермальных и
эктодермальных клеток тем, что в них присутствуют пиг-
ментные гранулы, ранее придававшие анимальному полу-
шарию яйца характерный вид. В связи с этим на неокра-
шенных или слабо окрашенных срезах зародышей на ста-
диях после завершения нейруляции- можно проследить
миграцию клеток нервного гребня. Эти наблюдения, до-
полненные исследованиями с применением прижизненных
красителей, не оставляют сомнений в том, что клетки
нервного гребня участвуют в образовании скелета головы.
Однако этими способами распознавания клеток нервного
гребня Можно пользоваться только на самых ранних ста-
диях развития, и ни один из них не дает нам полной уве-
ренности в том, что отдельные клетки нервного гребня
идентифицированы правильно, если они перемешаны с
34
Глава 2
клетками другого происхождения. Опыты по пересадке
клеток с ядрами, меченными 3Н-тимидином, так же как и
опыты по межвидовым пересадкам клеток нервного греб-
ня, дали дополнительные сведения о судьбе этих клеток.
Стало ясно! что нервный гребень дает начало многим тка-
Фиг. 9. Нервные валики и нервный гребень.
Клетки будущего нервного гребня находятся в нервных валиках. Двусто-
роннее удаление их приводит к отсутствию у развивающихся личинок
производных нервного гребня. А. Нейрула хвостатой амфибии, у которой
удалены нервные валики из области будущей передней части туловища.
Б. Нормальная личинка на стадии вылупления. В. Подопытное животное
на той же стадии. Спинной плавник и меланоциты отсутствуют в области
удаление нервных валиков (по У. Твитти).
ням; из его производных развиваются шванновские клет-
ки, которые образуют миелиновую оболочку перифериче-
ских нервных волокон, клетки соединительной ткани хво-
стового плавника у личинок амфибий, важные элементы
симпатической нервной системы и мозгового вещества над-
почечников. Если у зародыша удалить определенный уча-
сток нервного гребня (фиг. 9), то на более поздних стадиях
Проблемы клеточных родословных
35
развития у такого зародыша в соответствующем участке
не разовьются хроматофоры. Поведение клеток нервного
гребня при культивировании их in vitro также показыва-
ет, что хроматофоры образуются именно из них.
Все клетки ранних зародышей амфибий содержат неко-
торое количество желтка. Пока этот запас не израсходует-
ся, клетки можно культивировать в простых солевых раст-
ворах без добавления органических питательных веществ.
В таких условиях у части клеток нервного гребня развива-
ются отростки, а цитоплазма заполняется меланином. Эти
клетки весьма сходны с меланоцитами, которые придают
коричневую или черную окраску коже многих позвоноч-
ных. Таким образом, подтверждаются данные эксперимен-
тов по удалению участков нервного гребня, и мы можем
с уверенностью сказать, что именно из клеток нервного
гребня образуются меланоциты. Однако эксперименты, в
которых после полного удаления нервного гребня в обла-
сти головы и хвоста появляются, хотя и с опозданием,
многочисленные меланоциты, показывают, что меланоциты
образуются не только из клеток нервного гребня, но, веро-
ятно, также из клеток, мигрирующих из нервной трубки.
Имеет ли место такое явление при нормальном развитии,
остается пока не вполне ясным.
Нервный гребень интересен во многих отношениях. Ни
сам гребень, ни его производные не обнаружены у совре-
менных представителей родственных позвоночным бесче-
репных хордовых Branchiostoma и асцидий, хотя их ран-
нее зародышевое развитие во многом сходно с развитием
позвоночных. По-видимому, нервный гребень — приобрете-
ние самых первых черепных позвоночных. Парадоксально,
что эти данные разрушают старые представления о том,
что определенные виды тканей происходят только из опре-
деленных зародышевых листков, и одновременно порож-
дают такие же мысли, но в менее категоричной форме.
Эволюционная история древних позвоночных, восста-
новленная частично по остаткам ископаемых животных,
а частично по данным сравнительной анатомии ныне жи-
вущих форм, свидетельствует о том, что по мере того, как
у животных увеличивался рот, элементы, которые ранее
поддерживали передние жабры, начинали функциониро-
вать как челюсти. То, что хрящи жаберных дуг и хрящи
36
Глава 2
челюстей у ныне живущих амфибий имеют общее проис-
хождение— и те и другие развиваются из нервного греб-
ня, — подтверждает эту точку зрения. Такое же происхож-
дение имеют два маленьких палочковидных хряща
(трабекулы), лежащие под передним мозгом. Это еще раз
убедительно свидетельствует о том, что ранее существовали
позвоночные животные с жаберной щелью, находившейся
перед той щелью, которая у современных акул является
первой. Вероятно, трабекулы представляют собой сместив-
шиеся остатки скелета этой пары жабр, которые у ныне
живущих позвоночных принимают участие в формирова-
нии эмбриональной черепной коробки.
Нервный гребень вызывает также и более непосредст-
венный интерес. Меланоциты, происходящие из нервного
гребня, распознать очень легко (их отличие от других кле-
ток отражено в самом названии), а поэтому их распростра-
нение в коже, особенно у амфибий, можно изучать in vivo.
Даже в том случае, если бы меланоциты всегда распреде-
лялись равномерно по поверхности тела животного, вопро-
сы, возникающие в связи с этим, казались бы весьма за-
манчивыми. Что побуждает клетки мигрировать? Является
ли движение клеток случайным или оно заранее предопре-
делено? Что заставляет клетки прекращать миграцию?
Однако их распределение не всегда равномерно; у некото-
рых видов они собираются группами, определяя своеобраз-
ный узор окраски животного. А это ставит перед нами но-
вые вопросы, ответить на которые еще более сложно.
Если, например, будущие меланоциты способны взаим-
но отталкиваться друг от друга, то они будут двигаться до
тех пор, пока не распределятся в поверхностном слое заро-
дыша почти равномерно, и затем остановятся. Есть дан-
ные о том, что они и в самом деле ведут себя подобным обра-
зом in vitro. Если, кроме того, в одних тканях скорость
движения меланоцитов уменьшается, а в других нет, то
естественно, что меланоциты будут задерживаться и кон-
центрироваться там, где их движение замедлено. В пользу
существования такого механизма свидетельствуют некото-
рые данные. Исследование нервного гребня послужило
важным стимулом к развитию целого направления в цито-
логии, занимающегося изучением причин клеточных пере-
мещений или причин отсутствия таких перемещений.
Глава 3
ЯДРО И ЦИТОПЛАЗМА
Принято считать, что у многих животных и оплодотво-
ренное яйцо и происходящие из него соматические клетки
содержат одинаковую генетическую информацию, храня-
щуюся в закодированном виде. Зримое подтверждение
этого представления дает картина митоза; благодаря осо-
бенностям структуры ДНК оказывается возможной точная
репликация (самовоспроизведение ДНК), которая проис-
ходит в S-фазе (синтетической' фазе) цикла деления ядра.
Исключения, связанные с мутациями или спонтанно возни-
кающими хромосомными аномалиями, по-видимому, встре-
чаются редко, и распределение их носит случайный харак-
тер. И в самом деле, существует ряд доказательств того,
что ядра соматических клеток взрослого животного экви-
валентны в отношении некоторых локусов. Например,
можно показать, что в разных тканях синтезируются одни
в те же генетически определяемые антигены, ответствен-
ные за отторжение пересаженных тканей у взрослых млеко-
питающих. Более ярким примером служит участие клеток
взрослого животного в морфогенетических процессах, та-
ких, как регенерация или бесполое размножение. При этом
они преобразуются в новый сложный орган или особь,
состоящие из множества разнообразных тканей; такое пре-
образование в самом деле свидетельствует о наличии широ-
ких потенций соматических клеток, свойственных и яйцу.
Мы, таким образом, сталкиваемся с парадоксом. Ядра
служат носителями генетической информации, которая
обусловливает развитие определенного вида животного.
Вся эта информация может содержаться в любой клетке,
клонально происходящей аз оплодотворенного яйца. Одна-
ко для нормального развития необходимо, чтобы разные
клетки вели себя по-разному, а для поддержания функций
38
Глава 3
взрослого организма необходимо, чтобы потомки разных
клеток продолжали их специфичную деятельность. Ясно,
что если наше предположение об эквивалентности ядер
верно, то характер их работы в клетке должен определять-
ся какими-то внеядерными факторами (сигналами). Такие
сигналы могут поступать из цитоплазмы, или из внешней
среды, или из обоих этих источников.
Преобладающую часть цитоплазмы оплодотворенное
яйцо наследует от материнского организма. Тем не менее
сперматозоиды содержат некоторое количество цитоплаз-
мы, включающей элементы, способные к репликации, на-
пример митохондрии. Следовательно, мы должны учиты-
вать возможность того, что обе гаметы могут вносить в зи-
готу внеядерную информацию. Если это действительно так,
то не следует ожидать, что существование нехромосомной
наследственности легко доказать с помощью обычных гене-
тических экспериментов по скрещиванию, однако есть пря-
мые пути для обнаружения этого явления.
1. Роль нехромосомного материала сперматозоида
в развитии
Мы не располагаем достаточно убедительными данны-
ми о том, что цитоплазма сперматозоида играет важную
роль в развитии; наоборот, некоторые точные данные сви-
детельствуют о том, что она вовсе не является необходи-
мой. Например, развитие яиц многих видов животных
может быть вызвано не проникновением в них спермато-
зоида, а другими стимулами, например температурным
шоком, механическим или электрическим воздействием
или химической обработкой. Такие партеногенетически
активированные яйца в удачных случаях развиваются впол-
не нормально, а дефекты, которые при этом наблюдаются,
вероятнее всего, не связаны с отсутствием цитоплазмы
сперматозоида. Более того, удаление из активированного
яйца всего ядерного аппарата и замещение его ядром
соматической клетки, взятой из зародыша на более позд-
них стадиях, может привести к развитию нормальной
особи.
Этот эксперимент подтверждает гипотезу об эквивален-
тности ядер, по крайней мере для клеток того возраста и
Ядро и цитоплазма
39
типа, которые использовались как доноры ядер, и свиде-
тельствует о том, что сперматозоид не добавляет что-либо
существенное к цитоплазме яйца. Не исключена возмож-
ность, что цитоплазма сперматозоида все-таки играет ка-
кую-то роль в развитии, но все сказанное позволяет ут-
верждать, что она незначительна. Значение сперматозоида,
вероятно, не ограничивается только материальным вкладом
в яйцо.
При моноспермном типе оплодотворения особое значе-
ние в развитии может приобретать та область яйцеклетки,
в которой произошло проникновение сперматозоида или
проходил путь мужского пронуклеуса к женскому. У ля-
гушек, например, вхождение сперматозоида может про-
изойти в любой точке экваториальной области яйца, вы-
бранной экспериментатором. В определенных условиях
выбранная точка определяет л положение серого серпа и,
следовательно, будущий план симметрии зародыша и
взрослой особи. В данном случае сперматозоид оказывает
существенное влияние на развитие, и это влияние не связа-
но с содержащейся в нем генетической информацией. Од-
нако возможность партеногенетической активации яйца
лягушки еще раз свидетельствует о том, что сперматозоид
не играет решающей роли и в установлении симметрии
зародыша.
2. Цитоплазма яйца
Цитоплазма яиц многих видов животных отчетливо
разделена на области еще до оплодотворения, а у еще боль-
шего числа видов такое разделение цитоплазмы происхо-
дит после оплодотвррения или перед дроблением. В качест-
ве примера можно привести распределение желтка и пиг-
мента в яйцах амфибий и образование серого серпа после
оплодотворения. При нормальном развитии судьба каж-
дого участка цитоплазмы предопределена. Однако обяза-
тельна ли такая предопределенность или судьба опреде-
ленных участков может меняться? По-видимому, возможно
как то, так и другое. <
Если яйца морских ежей подвергнуть центрифугиро-
ванию перед оплодотворением, то их цитоплазматические
компоненты, по крайней мере те, которые расположены
40
Глава 3
внутри от тонкого, но прочного кортикального слоя, разде-
ляются в соответствии с их относительной плотностью.
При этом происходит существенное и хорошо заметное их
перераспределение, которое может сохраняться в течение
некоторого времени после прекращения действия ускоре-
ния. Тем не менее при оплодотворении такие яйца разви-
ваются в нормальных личинок. Еще яснее этот эффект
проявляется в случае разделения яйца при центрифугиро-
вании на два или четыре фрагмента разной плотности.
Каждый фрагмент может быть оплодотворен, и, хотя толь-
ко один из них будет содержать женский пронуклеус, все
они развиваются в личинок. Ясно, что ни одна часть ци-
топлазмы на этой стадии не содержит информации, кото-
рая присуща только этой части и в то же время необходи-
ма для развития.
В противоположность этому перераспределение компо-
нентов яйца у брюхоногих моллюсков или асцидий может
вызывать серьезные нарушения в последующей дифферен-
цировке. В обоих случаях направление, в котором будут
дифференцироваться клетки зародыша, по-видимому, в
значительной мере определяется особенностями цитоплаз-
мы, которую они содержат. Если сместить участки цито-
плазмы перед дроблением, некоторые ткани разовьются в
не характерных для них местах (фиг. 10). В связи с этим
определенные участки цитоплазмы яиц таких животных
раньше называли «органообразующими зонами».
При большинстве методов смещения компонентов ци-
топлазмы яйца более устойчивый наружный слой, кортекс,
не затрагивается. В настоящее время имеются серьез-
ные основания полагать, что кортёкс может быть носите-
лем морфогенетической информации независимо от того,
обладает ли он видимой дифференцировкой или нет. Убе-
дительное подтверждение этому мы находим в работах по
пересадке кортекса у яиц лягушек.
Серый серп при нормальном развитии всегда располо-
жен в месте будущей спинной губы бластопора — участке,
в котором во время гаструляции прежде всего становятся
заметны движения клеток. Если спинную губу бластопора,
взятую от ранней гаструлы, пересадить в необычное для
нее место на поверхности другой гаструлы, то она будет
вести себя в основном так же, как вела бы себя на своем
Ядро и цитоплазма
41
обычном месте в зародыше-доноре. Ее клетки активно пе-
ремещаются внутрь зародыша и вовлекают в процесс инва-
гинации окружающие их клетки реципиента, а позднее
клетки пересаженной спинной губы бластопора дифферен-
цируются в элементы осевых органов. Таким o6pa3OMt в
Фиг. 10. Видимая дифференцировка цитоплазмы яйца.
А. Яйцо асцидии (Cynthia), 2-клеточная стадия развития. Разной штри*
ховкой обозначены участки, различимые у живых зародышей. Б. Зародыш
Cynthia. Происхождение некоторых основных тканей можно выявить по
расположению пигмента в клетках. В. Зародыш, развившийся из центри-
фугированного яйца. Структурная организация зародыша нарушена, од-
нако, соотношение между пигментацией клеток и типом ткани нормальное*
реципиенте могут образоваться две эмбриональные оси:
одна—связанная с активностью собственной спинной губы,
а другая — с активностью пересаженной губы. Пересадка
других участков гаструлы, например любой части анималь-
ного полушария, не приводит к таким результатам. Эти
участки развиваются в соответствии с их новым положе-
нием. Такие явления мы будем разбирать дальше, а сейчас
хотелось бы только подчеркнуть, что две оси могут воз-
никнуть также в результате пересадки кусочков кортекса
из области серого серпа на гораздо более ранних стадиях
развития. Основываясь на этих данных, можно прийти к
важному заключению, что у амфибий будущее поведение
бластомеров зависит от того, какая часть кортекса оплодо-
творенного яйца придется на их долю.
Таким образом, ранее упоминавшийся нами парадокс
можно в общем объяснить, допустив, что в ранних зароды-
42
Глава 3
шах цитоплазматическое окружение ядер может быть раз-
личным, по-разному влияя на функцию этих ядер. В таком
случае цитоплазма может определять, какие участки ДНК
должны считываться и с какой интенсивностью.
Фиг. 11. Левозакрученность у Limnaea.
А. Схема нормального (т. е. пр^возакрученного) дробления и раковина.
Наблюдается в потомстве самок, гомо- или гетерозиготных по гену право-
закрученности. Б. Схема левозакрученного дробления и раковина. Наблю-
дается в потомстве самок, гомозиготных по гену левозакрученности.
Поскольку очевидно, что цитоплазма яйца обусловли-
вает возникновение разнокачественности клеток зароды-
ша, было бы естественно ожидать, что ее структура будет
значительно отличаться у разных видов животных. Хотя, с
другой стороны, мы привыкли считать, что возникновение
новых видов животных под влиянием естественного отбора
осуществляется через генетический аппарат клетки — хро-
мосомы — и что именно они контролируют наследственные
различия между животными. Представляет ли в таком
случае структура яйца независимую генетическую систе-
му или это лишь один из признаков фенотипа самки, кото-
рый, подобно другим признакам, сам находится под конт-
ролем генов? Этот вопрос подводит нас к самому существу
Ядро и цитоплазма
43
одной из важнейших проблем современной биологии раз-
вития.
Есть данные, свидетельствующие о том, что в некото-
рых случаях цитоплазматическая структура яйца отража-
ет генотип самки. Классическим примером служит насле-
дование левозакрученности раковины у моллюсков
(фиг. И). У большинства особей прудовика (Limnaea)
раковина закручена вправо; если смотреть на нее сверху,
то спираль раковины идет по часовой стрелке от вершины
к устью. Встречаются также особи с левозакрученной (про-
тив часовой стрелки) раковиной. Оказалось, что этот при-
знак определяется менделирующим рецессивным аутосом-
ным геном, который ведет себя нормально во всех отноше-
ниях, кроме одного. Направление закручивания раковины
моллюска определяется материнским генотипом, а не
генотипом самой особи. Так, из зиготы с ядром, гомозигот-
ным по гену левозакрученности, развивается правозакру-
ченная особь, если мать была гетерозиготной. Передача
генетических инструкций через цитоплазму подтвержда-
ется результатами наблюдений за ранними делениями
дробления, в процессе которых у брюхоногих моллюсков
бластомеры смещаются либо вправо, либо влево.
Вторым примером менделирующего признака, который
передается через структуру яйца, служит стерильность,
возникающая в результате мутаций у Drosophila. У дву-
крылых и некоторых других насекомых забитые желтком
яйца имеют небольшую зону чистой цитоплазмы на зад-
нем конце — так называемую полярную плазму. В таких
яйцах в результате дробления сначала образуется синци-
тий: цитоплазма, в которой оказываются образующиеся
ядра, не разделена мембранами на отдельные клетки; од-
нако к концу дробления эти ядра отходят в полярную и
остальную часть периферической плазмы, и затем возни-
кают настоящие одноядерные клетки, окруженные мембра-
ной. Клетки, содержащие полярную плазму, — полярные
клетки — представляют собой предшественников половых
клеток взрослого насекомого. Есть гены, которые не влия-
ют на общее нормальное развитие животного, но вызыва-
ют его стерильность. По крайней мере в одном случае дей-
ствие гена проявляется только в следующем поколении.
£амки? гомозиготные по мутантному гену, сами фертиль-
44
Глава 3
ны, тогда как их потомство всегда стерильно. В яйцах, ко-
торые продуцируют эти самки, полярная плазма отсут-
ствует.
Гены, определяющие свойства цитоплазмы яйца,
известны также и у позвоночных (в частности, у ак-
солотля Amby stoma mexicanum); и в этом случае было до-
казано, что, инъецируя цитоплазму одних яиц в другие,
можно вызвать появление признаков, наследуемых через
цитоплазму.
Таким образом, имеются достаточные основания пола-
гать, что свойства цитоплазмы яйца, имеющие большое
значение для более позднего периода развития, контроли-
руются генами. Можно смело утверждать, что в дальней-
шем все большее внимание будут уделять исследованию
механизма действия этих генов. Изучение оогенеза имеет
решающее значение для эмбриологии будущего.
3. Пересадка ядер
В последнее время разработано несколько эффектив-
ных методов, позволяющих изучать взаимоотношения ядра
и цитоплазмы. Наиболее важное значение, по-видимому,
имеет метод пересадки ядра одной клетки в цитоплазму
другой клетки, из которой предварительно удалили собст-
венное ядро. Наблюдения за поведением таких клеток по-
зволяют изучать влияние объединения ядра и цитоплазмы
разных клеток на поведение обоих компонентов. В первых
экспериментах такого рода в качестве доноров ядер ис-
пользовали сперматозоиды. Из яйца какого-либо одного
вида животного (или одного генотипа) удаляли собственное
ядро, а затем оплодотворяли спермой другого вида (или
другого генотипа). Эти эксперименты отчетливо показали,
что некоторые признаки раннего развития, такие, например,
как скорость дробления, определяются преимущественно
цитоплазмой. Однако в тех случаях, когда такие ядерно-ци-
топлазматические гибриды жили достаточно долго, обна-
руживалось, что признаки, по которым отличаются два ис-
пользуемых в эксперименте вида животных, определяются
главным образом ядром. В некоторых случаях главенст-
вующая роль ядра обнаруживается уже в процессе гаст-
руляции.
Фото I. Плоидность как маркер клеток. Клетки одной и той же ткани одного и того же вида животного
часто имеют постоянный размер. Однако объем клеток и ядер приблизительно пропорционален их
плоидности. Клетки с гаплоидным набором хромосом вдвое меньше, а тетраплоидные клетки в два раза
больше по размеру, чем нормальные. Максимальное число ядрышек, приходящееся на 1 ядро, также
пропорционально плоидности. А. Эпидермальные клетки головастика, развившегося из партеногенети-
чески активированного яйца. Его клетки гаплоидны. Б.Эпидермальные клетки нормального (диплоид-
ного) головастика того же вида и того же возраста (при том же увеличении). В. Эпидермальные клетки
головастика, развившегося из яйца после воздействия на него высокой температуры, в результате чего
полярное тельце не выделилось из него, а приняло участие в образовании триплоидного ядра зиготы.
Фото II. Маркировка клеток с помощью 3Н-тимидина. В бластулу
лягушки вводили раствор меченого тимидина; позднее участки
этого зародыша пересаживали одновозрастному необработанному
зародышу. Потомки пересаженных клеток можно обнаружить на
радиоавтографах, поскольку в ядрах этих клеток содержится ме-
ченая ДНК. А, Б. Обработанный зародыш (донор). В, Г и Д.
Необработанный зародыш (реципиент); Д — при меньшем увели-
чении. Е, Радиоавтограф поперечного среза, указанного на Д.
Пересаженный участок можно узнать по гранулам серебра, распо-
ложенным над ядрами клеток (Ж), На микрофотографии края
пересаженного участка при большем увеличении видны меченые
(черные) и немеченые (указаны стрелкой) клеточные ядра. 3. Две
меченые первичные половые клетки, мигрировавшие из переса-
женного участка в область, где развиваются половые железы.
Фото III. А, Видовые различия клеток. Часть среза головы
головастика тритона, которому ранее были пересажены
клетки зародыша миноги. Ядра пересаженных клеток мож-
но узнать по их относительно небольшому размеру. Б. Вто-
ричный зародыш, образовавшийся после замещения брюшной
губы бластопора спинной губой бластопора, взятой от дру-
гой гаструлы хвостатой амфибии. В. Имплантация обоня-
тельной плакоды в ткани вентролатеральной области брюха
в переднем отделе туловища вызвала образование дополни-
тельной конечности из тканей, окружающих плакоду.
Фото IV. А. Яйцо мыши на 2-клеточной стадии в верхнем отделе
фаллопиевой трубы. Б. Срез плаценты раннего зародыша свиньи.
Ткани плода находятся слева, и в его кровеносных сосудах мож-
но видеть эритроциты, имеющие ядра. Материнские ткани вид-
ны справа.
Ядро и цитоплазма
45
Фиг. 12. Пересадка ядер у амфибий,
в яйцо (Б), собственный ядерный аппарат которого удален или разру-
шен, пересаживают разрушенную клетку, содержащую, однако, интактное
ядро, от зародыша более старшего возраста (А). Последующее развитие
во многих случаях бывает нормальным (В) (опыт Р, Бригса и Т. Кинга)|
Гаструляция, по-видимому, и в самом деле представля-
ет собой критическую фазу во взаимодействии ядра и ци-
топлазмы, поскольку многие межвидовые ядерно-цито-
плазматические гибриды у амфибий и морских ежей раз-
виваются нормально только до начала гаструляции, а
затем гибнут. На этой стадии обычно погибают также меж-
видовые гибриды, полученные в результате оплодотворе-
ния'нормального яйца чужеродным сперматозоидом. Этот
кризис на стадии гаструляции связан с началом активного
синтеза РНК. Поэтому в качестве широкого обобщения
можно высказать предположение, что во время дробления
активность генов проявляется только в воспроизведении
самих себя. Это позволяет клеточным делениям быстро
следовать одно за другим, а во время гаструляции начи-
нается считывание информации с некоторых генов и в
клетках образуются специфичные белки. Следует отме-
тить, что не для всех видов животных справедливо такое
предположение, у некоторых начало деятельности генов
приходится на более ранний период.
Хотя большинство признаков ядерно-цитоплазматиче-
ских гибридов, несомненно, определяется ядром, некоторые
из них в отдельных случаях могут контролироваться цито-
плазмой и сохраняться в ряду многих клеточных поколе-
ний. Клетки кожи зародыша, развившегося из энуклеиро-
ванного яйца Triturus palmatus, оплодотворенного сперма-
тозоидом Т. cristatud' через несколько месяцев имели
46
Г лае a 3
больше признаков, характерных для Т. palmatus, чем
для Т. cristatus, вида, которому принадлежали ядра.
В настоящее время в качестве доноров ядер для полу-
чения ядерно-цитоплазматических гибридов используют не
только сперматозоиды. Можно использовать ядра из сома-
тических клеток зародышей старшего возраста. Это позво-
ляет непосредственно подойти к решению очень важного
вопроса, а именно происходят ли в процессе дифференци-
ровки различных тканей необратимые изменения в ядрах,
которые делают их неспособными заменить ядро оплодо-
творенного яйца, т. е. зиготы. Ядра клеток из разных уча-
стков зародышей на более поздних стадиях развития ли-
чинок и взрослых животных, несомненно, отличаются друг
от друга. Вполне очевидно также, что клетки нуждаются в
разной генетической информации. Но предполагают ли эти
различия утрату той части генетической информации, ко-
торая не используется?
Опыты по пересадке ядер у амфибий отчетливо пока-
зали, что многие, а возможно, и все клетки зародыша, ко-
торые прошли уже первые основные этапы тканевой диф-
ференцировки, имеют ядра, способные обеспечить нормаль-
ное развитие энуклеированного яйца (фиг. 12). В силу
ряда методических причин не следует переоценивать этот
результат или делать на его основе слишком широкие
обобщения. Мы можем лишь сказать, что клеточная диф-
ференцировка не обязательно сопровождается такими не-
обратимыми изменениями ядер, которые лишали бы их
или их потомков способности выполнять все ядерные функ-
ции, обеспечивающие развитие целого организма.
Глава 4
ПРОБЛЕМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ КЛЕТКАМИ
1. Регуляция и детерминация
Известно, что при нормальном развитии одинаковые
группы клеток у разных зародышей одного вида живот-
ных имеют одинаковую судьбу, хотя, как мы уже видели,
вовсе не обязательно, чтобы данная группа клеток всегда
развивалась так, как она развивалась бы в нормальных ус-
ловиях. Если после удаления какой-либо группы клеток
развивается зародыш, у которого недостает больше или
меньше тканей или органов; чем можно было бы ожидать,
зная презумптивное значение удаленной части, то это зна-
чит, что по крайней мере некоторые клетки изменили свою
судьбу. И регуляция, и зависимая дифференцировка сви-
детельствуют о взаимодействии клеток в процессе нор-
мального развития.
Однако в ряде случаев реакция на повреждение свиде-
тельствует о довольно ограниченных способностях заро-
дыша к регуляции. Наиболее выражено это в том случае,
когда при удалении у зародыша группы клеток на более
поздних стадиях развития у него отсутствует именно та
часть, которую должны были образовать потомки удален-
ных клеток. Так, если у зародышей моллюсков и кольча-
тых червей удалить определенные бластомеры на ранних
стадиях дробления, то у личинок отсутствуют ткани, про-
исходящие именно из этих бластомеров. Если все части
зародыша ведут себя таким образом, то зародыш в це-
лом можно представить себе как мозаику, составленную из
отдельных элементов, причем каждый из этих элементов
имеет свою, строго определенную судьбу, которую уже
нельзя изменить. Яйца, приобретающие такие свойства на
ранних стадиях дробления, часто называют мозаичными
в отличие от регуляционных, у которых ярко выражена
48
Глава 4
способность развиваться в нормальные организмы, несмот-
ря на экспериментальные вмешательства.
Не следует, однако, удивляться тому, что это различие
не носит абсолютного характера или что зародыши, кото-
рые на одной стадии проявляют «мозаичный» характер
Фиг. 13. Характер регуляции и ее ограничения.
А. Если бластулу хвостатой амфибии разделить пополам так, чтобы плос-
кость перетяжки проходила через середину серого серпа, то образуются
идентичные близнецы.-Б. Если при перетяжке серый серп оказывается
в одной половине, другая не приступает к гаструляции (опыты Г. Шпе-
мана).
развития, могут на другой стадии обладать способностью
к регуляции. Два приведенных ниже примера подтвердят
это.
Способность к регуляции наиболее отчетливо выраже-
на у яиц тритона. Если после завершения первого деле-
ния дробления разделить два образовавшихся бластомера,
то из каждого может развиться целый зародыш, меньший
по размеру, чем нормальный, но без видимых анатомиче-
ских дефектов. Однако не всегда получается такой резуль-
тат. Иногда из одного бластомера развивается значитель-
но более полноценный зародыш, чем из другого, а в не-
которых случаях один из двух зародышей не развивается
Проблемы взаимодействия между клетками
49
дальше стадии бластулы. Оказалось, что в данном случае
решающее значение имеет то, как пройдет плоскость пер-
вого деления дробления по отношению к серому серпу. Ес-
ли, как это обычно бывает, плоскость дробления делит
серый серп на равные или почти равные части, то из обоих
разделенных бластомеров образуются равноценные близ-
нецы. Если же, как это иногда случается, серый серп це-
ликом отходит к одному из двух бластомеров, то второй
бластомер развивается аномально (фиг. 13). Яйца тритона,
таким образом, обладают регуляционным развитием в пол-
ном смысле этого слова, однако здесь следует сделать одну
очень важную оговорку. Рассматривая развитие этого жи-
вотного, мы обнаруживаем, что способность яиц к регуля-
ционному развитию, характерная для ранних стадий дроб-
ления, на более поздних стадиях прогрессивно уменьша-
ется. К началу гаструляции они уже не способны давать
вполне нормальных близнецов, хотя удаление небольшой
части зародыша может еще приводить к эффективной ре-
гуляции за счет оставшихся клеток. Даже после нейруля-
ции удаление, например, тех клеток, из которых формиру-
ется вся конечность, не препятствует развитию конечно-
сти из оставшихся соседних клеток. На более поздних
стадиях и это становится невозможным, однако после уда-
ления части клеток будущей конечности оставшиеся клет-
ки все еще сохраняют способность развиваться так, чтобы
образовалась вполне нормальная конечность.
Было доказано, что многие из так называемых класси-
ческих мозаичных яиц способны к значительной регуля-
ции. Однако такие яйца наиболее интересны в том отно-
шении, что они дают прямые доказательства детермини-
рующего влияния разных участков цитоплазмы яйца на
поведение и судьбу бластомеров, в которые попадает эта
цитоплазма; иногда такие участки отличаются друг от дру-
га по цвету и их можно распознать в живом яйце или в
зародыше (как у некоторых асцидий), а иногда они выяв-
ляются только на срезах фиксированных зародышей.
В любом случае их присутствие в клетке, по-видимому, оп-
ределяет ее судьбу. В качестве иллюстрации можно со-
слаться на опыты, в которых яйца асцидий центрифугиро-
вали, с тем чтобы изменить нормальное распределение их
компонентов. В данном случае более поздняя дифферен-
50
Глава 4
цировка, например мышечной ткани, происходила в клет-
ках, содержащих особого рода пигментированную цито-
плазму, независимо от того, находились эти клетки в
соответствующем участке зародыша или нет. У небольших
кольчатых червей Tubifex после разделения бластомеров,
которые образовались в результате первого деления
дробления, близнецы обычно не развиваются; один
бластомер развивается в особь меньших, чем в норме, раз-
меров, а другой не способен к этому. Успешно развиваю-
щийся бластомер — это тот, который обычно содержит два
особых участка цитоплазмы, обнаруживаемых в оплодотво-
ренном яйце. Воздействуя на недробящиеся яйца высокой
температурой или какими-либо другими способами, мож-
но вызвать распределение этих участков между двумя
первыми бластомерами, и в таком случае при разделении
бластомеров образуются близнецы.
2. Эмбриональная индукция ,
Явление регуляции показывает, что клетки, по-видимо-
му, чувствительны к присутствию или отсутствию сосед-
них клеток; обычно проще всего это объяснить тем, что
присутствие одних клеток не позволяет другим реализо-
вать в развитии все потенции, которыми они обладают.
Возможна, однако, иная ситуация, при которой клетки по-
лучают от своих соседей стимулы, побуждающие их к
нормальной дифференцировке. К такого рода случаям от-
носится явление эмбриональной индукции.
Классический пример в этом отношении представляет
собой индукция линзы глаза у амфибий (фиг. 14). Линзы
образуются с двух сторон зародыша из утолщений экто-
дермы (так называемых плакод), покрывающей голову,
причем образование линз происходит вскоре после контак-
та плакод с глазными пузырями (будущая сетчатка и пиг-
ментный эпителий глазного яблока). Линзовые плакоды
впячиваются, отделяются от остальной головной эктодер-
мы и занимают свое дефинитивное положение внутри ра-
дужной оболочки глаза. У многих видов амфибий линза
не образуется до тех пор, пока глазной пузырь не придет
в контакт с поверхностной эктодермой. Более того, пере-
саживая на место линзообразующей эктодермы эктодерму
Проблемы взаимодействия между клетками 51
из других областей головы, можно заставить клетки, обра-
зующие в норме эпидермис кожи, превратиться вместо
этого в клетки линзы. Таким образом, под влиянием кле-
ток глазного пузыря эктодермальные клетки формируют
линзу независимо от того, образуют они ее в норме или
Фиг. 14. Индукция линзы у амфибий.
А. Линзовая плакода 2 формируется как утолщение поверхностной экто-
дермы, лежащей над глазным бокалом 1. В. Плакода в процессе отделе-
ния от поверхностной эктодермы. В. Будущая линза теперь представлена
маленьким пузырьком. У этой особи поверхностная эктодерма в области
будущего глаза с одной стороны была заменена эктодермой из другой
области зародыша другого вида. Из пересаженных клеток (более темные)
образовался линзовый пузырек 3 (по Д. П. Филатову).
нет. Этот процесс называют индукцией, а клетки, реаги-
рующие на индукционный стимул, — компетентными
клетками.
Аналогичные, но значительно более сложные индук-
ционные отношения наблюдаются при развитии головного
и спинного мозга у позвоночных. И тот и другой образу-
ются из дорзальной эктодермы гаструлы, их закладка в
виде трубки располагается над хордой. По обе стороны от
нервной трубки находятся миотомы. Если у амфибий в пе-
риод гаструляции предотвратить нормальные морфогене-
тические движения, то будущая эктодерма превращается в
пустой, спавшийся мешок из клеток, рядом с которым
52
Глава 4
будут располагаться будущая мезодерма и энтодерма. Лег-
че всего это достигается путем выращивания зародышей
в гипертоническом солевом растворе. В результате, несмот-
ря на то что презумптивные мезодерма и энтодерма в какой-
то степени дифференцируются, ни головной, ни спинной
мозг в презумптивной эктодерме не возникают. Экспери-
менты по пересадке также подтверждают, что не только
клетки, в норме предназначенные для образования нерв-
ной системы, нуждаются в индукционном стимуле, исходя-
щем из хорды и мезодермы, расположенных под ними, но
что и другие клетки эктодермы ранней гаструлы способ-
ны отвечать на этот стимул (фиг. 15).
Головной и спинной мозг взрослого животного пред-
ставляют собой настолько сложные анатомические струк-
туры, что естественно возникает вопрос, определяет ли ин-
дуктор все детали их строения. Содержит ли он и передает
ли компетентным клеткам всю информацию, необходимую
для образования центральной нервной системы? На этот
вопрос можно дать, конечно, только отрицательный ответ.
Так, например, компетентная эктодерма может сформиро-
вать довольно сложные нейральные структуры, например
глаз, под влиянием стимула, который явно не имеет ниче-
го общего с естественным. Осмотический или температур-
ный шок и множество химических стимулов могут вы-
звать в эктодерме образование структур, подобных перед-
нему мозгу. Нам известны далеко не все подробности
очень сложных, индукционных взаимодействий при образо-
вании мозга, однако представляется вероятным, что ин-
дуктор «поставляет» информацию которая определяет
развитие компетентной ткани только в самых общих чер-
тах, например информацию о развитии нервной ткани в
соответствии с областью, в которой она находится: в пе-
реднем, среднем, заднем или спинном мозге.
В таких случаях нас, естественно, интересуют механиз-
мы общения клеток друг с другом. Что же переходит из
ткани индуктора в компетентную ткань в процессе индук-
ции? Это, конечно, может быть специфичная органическая
молекула, но в принципе стимул вовсе не обязательно дол-
жен иметь молекулярную природу. Он может быть, на-
пример, в электрической природы. Вполне вероятно, что
индукция заключается в распознавании клетками специ-
Фиг. 15. Первичная эмбриональная индукция у хвостатых амфибий.
А. У донора — ранней гаструлы— удаляют часть материала, лежащего выше спинной губы бла*
стопора. Б. Этот материал пересаживают гаструлереципиенту на брюшную сторону. В. У реципи-
ента развивается вторичная нервная щластинка. Д Образовался целый вторичный зародыш. В дей-
ствительности столь совершенные вторичные зародыши развиваются редко (опыт X. Мангольд и Г. ШпеманаЬ
64
Глава 4
фичного характера распределения молекул на поверхности
соседних клеток. Все эти предположения высказывались
для объяснения явления индукции, и роль каждого из этих
механизмов можно продемонстрировать на ряде приме-
ров. Хорошо известно, однако, что в случае индукции
нервной пластинки посредниками являются белки и нуклео-
протеиды.
3. Эндокринная регуляция дифференцировки
Характерной чертой индукционных отношений являет-
ся то, что индуктор и компетентная ткань должны всту-
пать друг с другом в контакт. Однако на более поздних
стадиях развития, после того как начнет функционировать
кровеносная система, возможна и часто приобретает важ-
ное значение эндокринная регуляция роста и дифференци-
ровки. Ранее других из подобных явлений была обнаруже-
на эндокринная регуляция метаморфоза у амфибий, кото-
рая во многих отношениях кажется нам поразительной.
Во время этого процесса в организме происходит множе-
ство разнообразных изменений. Одни органы атрофируют-
ся (жабры и хвост у головастика лягушки), другие уси-
ленно растут (конечности, язык), а третьи приобретают
признаки, до того времени отсутствовавшие (например,
изменяется узор окраски кожи и в ней развиваются новые
железы). Все эти изменения происходят под влиянием гор-
мона щитовидной железы, выделение которого постоянно
возрастает. В самой железе гормон уже накопился в фор-
ме тиреоглобулина (иодированного белка) на последних
стадиях личиночного развития; теперь же происходит вы-
деление его (возможно, в форме иодсодержащей аминокис-
лоты тироксина и 3,5,3-трииодтиронина). Для каждой
ткани характерна своя пороговая доза гормона, поэтому
постепенное повышение уровня гормона в крови сопро-
вождается явлениями метаморфоза, происходящими в
строго определенной последовательности. Здесь перед нами
система, в которой один и тот же сигнал может вызывать
в различных органах-мишенях либо гибель клетки, либо
ее делений, либо дифференцировку.
Личинки амфибий, лишенные щитовидной железы, не
претерпевают метаморфоза, а у мексиканского аксолотля
Проблемы взаимодействия между клетками
55
(Ambystoma mexicanum) метаморфоз в естественных усло-
виях не наступает, хотя в лаборатории его можно вызвать
тиреоидным гормоном. Для других хвостатых амфибий так-
же характерна неотения, т. е. на протяжении всей жизни
они сохраняют признаки личинки, но у них происходит
половое созревание (например, у Proteus). У этих живот-
ных, однако, нельзя вызвать метаморфоз даже при введе-
нии тиреоидного гормона. В этом случае утрачивается чув-
ствительность тканей к стимуляции, а не способность вы-
рабатывать стимулирующие вещества.
Удаление щитовидной железы предотвращает метамор-
фоз; то же самое происходит и при удалении гипофиза.
Тем не менее у животных, лишенных обеих этих желез,
можно вызвать метаморфоз, если ввести им лишь один ти-
реоидный гормон. Следовательно, в норме гипофиз контро-
лирует выделение гормона щитовидной железой, но не
влияет непосредственно на способность тканей реагировать
на действие тироксина.
У других позвоночных гормоны щитовидной железы не
вызывают таких значительных морфогенетических собы-
тий. У млекопитающих, однако, стероидные гормоны,
особенно те, которые синтезируются в половых железах
(тестостерон у самцов и эстрадиол у самок), оказывают
большое влияние на развитие репродуктивной системы и
на дифференцировку вторичных половых признаков.
Жизненный цикл насекомых также зависит от эндо-
кринного контроля критических стадий развития. Такие
внешне хорошо заметные события, как окукливание и
линька, контролируются гормоном экдизоном, синтезируе-
мым проторакальной железой (или ее эквивалентами);
однако этот гормон контролирует также и развитие внут-
ренних тканей. Так называемый ювенильный гормон, об-
разующийся в corpora allata, интересен тем, что в высоких
концентрациях он подавляет развитие имагинальных
(взрослых) тканей, и личинка последнего возраста может
превратиться во взрослое насекомое только после того, как
уровень этого гормона в организме снизится.
Эндокринология дала ряд важных уроков эмбриологам,
и эти уроки заслуживают того, чтобы на них остановиться.
Во-первых, было выяснено, что системы, которые контро-
лируют дифференцировку, не обязательно имеют дело со
86
Глава 4
сложными «инструкциями», поступающими в клетку
извне. Одна и та же относительно простая молекула может
вызывать разнообразные реакции в разных клетках. Таким
образом, инструкции, видимо, запасены главным образом
внутри клеток, а стимул, приходящий извне, служит прос-
то сигналом для их прочтения и выполнения. Аналогичная
ситуация наблюдается при партеногенетической активации
яйца или при индукции переднемозговых структур в эк-
тодерме каким-либо неспецифичным агентом.
Отчасти поэтому мы обычно обнаруживаем, что моле-
кулы гормонов могут быть сходны даже у животных, от-
носящихся к очень далеким видам, но вызывать у этих
животных разные реакции. Эволюция эндокринной регу-
ляции, вероятно, в значительно большей степени осуще-
ствлялась за счет изменения ответов органов-мишеней
на действие гормонов, чем за счет изменения самих гор-
монов.
В настоящее время эндокринология предлагает ряд мно-
гообещающих модельных систем для изучения внутрикле-
точного контроля дифференцировки. Так, у личинок дву-
крылых клетки некоторых тканей (например клетки слюн-
ных желез) замечательны тем, что в них находятся
гигантские хромосомы, не утрачивающие своей индивиду-
альности и во время телофазы. Они высокополитенны, т. е.
состоят из большого количества равноценных, параллель-
но расположенных и вытянутых цепей ДНК. Вдоль этих
хромосом можно видеть чередующиеся полосы, различные
по ширине и состоящие из материала, который сильно или
слабо окрашивается красителями, специфичными для ДНК.
Уже давно было отмечено, что в таких хромосомах на оп-
ределенных стадиях развития образуется ряд утолщений,
так называемых пуффов; вполне естественно было предпо-
ложить, что образование этих пуффов связано с проявле-
нием активности генов. Распределение пуффов и их раз-
меры специфичны для каждой стадии и ткани. Сейчас до-
стоверно известно, что в пуффах и в самом деле происходит
активный синтез РНК, что соответствует представлению об
активной деятельности генов именно в местах возникнове-
ния пуффов. (Следует, однако, подчеркнуть, что не всегда
активный синтез РНК сопровождается образованием
пуффов.)
Проблемы взаимодействия между клетками 87
Конечно, было бы очень заманчиво иметь наглядные до-
казательства того, что при развитии ткани происходит упо-
рядоченное чередование активности отдельных групп ге-
нов и что в разных тканях функционируют различные
группы генов. С помощью соответствующих концентраций
экдизона удалось вызвать образование пуффов в клетках,
культивируемых in vitro, и, таким образом, воспроизвести
естественную активацию генов. Эти опыты приближают
нас к одной из основных проблем дифференцировки — вы-
борочному «включению или выключению» частей генома.
Не следует, конечно, думать, что гормон действует непо-
средственно на гены — в принципе это вовсе не обязатель-
но, если- эндокринная регуляция осуществляется через ци-
топлазму. И в самом деле, попытка объяснить различия в
реакции клеток на действие какого-либо гормона наводит
на мысль о том, что в регуляции, помимо генных и гормо-
нальных, участвуют еще какие-то другие факторы*
Глава 5
РОСТ И ЕГО КОНТРОЛЬ
1. Размеры и рост
Рост — это термин, который используется для обозна-
чения широкого круга явлений. Это не должно нас беспо-
коить, пока в каком-нибудь одном контексте он употреб-
ляется в одном определенном смысле. Мы можем с полным
основанием рассматривать увеличение длины, объема и
массы тела, увеличение числа клеток или количества опре-
деленного класса молекул в организме как рост. Подобным
же образом уменьшение выбранных нами параметров мы
можем рассматривать как отрицательный рост. Однако та-
кое смешение понятий довольно рискованно. Мы знаем,
что во время дробления возрастание числа клеток обычно
не сопровождается сколько-нибудь значительным измене-
нием объема или массы зародыша. В других случаях, на-
оборот, значительное изменение объема не сопровождается
соответствующим изменением числа клеток; например, у
многих млекопитающих зародыш, спустившийся по фалло-
пиевым трубам и достигший матки, представляет собой не-
большой полый клеточный шар, который очень быстро уве-
личивается в размере и превращается в большой пузырек,
однако число клеток в этот период не возрастает даже про-
порционально квадрату радиуса, так как стенка пузырька
по мере его растяжения становится все тоньше. Точно так.
же число живых клеток у дерева не остается пропорцио-
нальным его объему, коль скоро отмирает его сердцевина.
Приступая к изучению роста животных, следует преж-
де всего отчетливо представить себе, что если изменение
размера не сопровождается изменением формы, то соот-
ветствующие линейные размеры, площадь и объем связа-
ны очень простыми соотношениями: площадь возрастает
пропорционально квадрату, а объем — кубу линейных раз-
меров. Это значит, что при десятикратном увеличении дли-
ны объем тела (а также масса, если плотность его остает-
Рост и его контроль
59
ся постоянной) возрастает в 1000 раз; напомним еще раз,
что все это справедливо при условии сохранения формы те-
ла. Таким образом! если у животных, у которых форма тела
Фиг. 16. Увеличение массы плода человека с 8-й до 36-й недели.
А. Изменение массы в зависимости от времени. В. Удельный рост (log М)<
В. Скорость роста dMJdt. Г. Удельная скорость роста (d log
мало меняется с возрастом, как, например, у половозрелых
рыб, измерять рост по длине тела, то оказывается, что к то-
му моменту, когда прирост длины в единицу времени сни-
жается до очень низкого уровня, масса тела продолжает
возрастать более заметно: при увеличении длины тела на
1% происходит увеличение массы примерно на 3%, а при
увеличении длины на 10% масса увеличивается на 33%.
Учитывая все это, удобнее всего полученные непо-
60
Глава 5
средственно в эксперименте данные по изменению размера
в зависимости от времени представить в виде кривой роста
(фиг. 16). Для многих живых систем кривая роста имеет
характерную S-образную форму, которая показывает, что
за ранней фазой, характеризующейся относительно низкой
скоростью роста, следует период высокой и почти постоян-
ной скорости. Это положение можно доказать, построив
производную кривой роста — кривую изменения скорости
роста во времени. На основе этой кривой можно получить
вторую производную — кривую ускорения роста.
В живых системах, однако, в процесс роста могут од-
новременно вовлекаться все части. Если то, что добавляет-
ся в результате роста, само способно расти, то для опреде-
ления прироста можно применить правила сложных про-
центов. В этом случае нас интересует не только размер ка-
кой-то части и скорость его изменения, но и характер рос-
та единицы массы системы. Поэтому с биологической .точки
зрения более удобно пользоваться кривой удельного роста
и кривой удельной скорости роста. Обе кривые характери-
зуют среднюю активность самого процесса роста системы,
а не общие изменения размеров, представляющие собой
следствие этого процесса. Поэтому, если мы хотим выяс-
нить, каким образом осуществляется контроль роста, нас
прежде всего должны интересовать именно эти две кривые.
Следует иметь в виду, что рост не обязательно проис-
ходит одинаково активно во всем объеме ткани. Он может
наблюдаться преимущественно (или исключительно) на
поверхности, на отдельных участках поверхности или в
глубине рассматриваемого органа.
Когда одна часть организма растет быстрее или мед-
леннее, чем другая, то в результате обычно изменяется
форма тела. Однако так бывает не всегда: при поверхност-
ном росте шар, например, остается шаром. Тем не менее
важная роль дифференциального роста в образовании
окончательной формы животного становится совершенно
очевидной при любом сравнении зародыша и взрослого
животного или даже при сравнении новорожденного и его
матери у млекопитающих. Разумеется, если животное оп-
ределенного вида имеет характерные пропорции, относи-
тельный рост разных частей его тела должен бытК коорди-
нированным. На первый взгляд может показаться, что рост
Рост и его контроль
61
органов, увеличивающихся с исключительной быстротой,
не зависит от механизмов, контролирующих рост осталь-
ных частей тела животного; мы, однако, часто обнаружи-
ваем, что между ростом органа и всего животного суще-
ствует по сути простая зависимость. Если у — величина
части, а ж —величина целого, тогда у~ЬхЛ, где Ь и а —
константы. Если а==1, то в процессе роста отношение у к
х остается постоянным. Если а>1, то ^растет непропор-
ционально быстро, а если а<1 — то непропорционально
медленно. Это уравнение можно переписать в следующем
виде: log y=log Ь + a log х, что делает более ясным по-
стоянство соотношения удельных скоростей роста х и у.
Рост, который подчиняется этому правилу, называется
аллометрическим. Однако это правило далеко не универ-
сально, и даже в тех случаях, когда его можно применить,
оно относится только к ограниченному периоду роста, т. е.
к периоду роста х и у. Если аллометрические соотношения
строго выдерживаются, из этого следует, что соотношение
х и у не будет изменяться под влиянием факторов, которые
увеличивают или уменьшают темп роста всего организма,
2. Контроль роста
Тот факт, что рост животного в целом и рост его от-
дельных частей находятся под постоянным контролем, поч-
ти не требует доказательств. Многие виды имеют харак-
терные для них границы дефинитивного размера особей, а
у большинства других происходит уменьшение темпа рос-
та в последний период их жизни. Это обусловлено не обя-
зательно только тем, что их клетки теряют способность
расти. Регенерация, заживление ран и рост клеток в куль-
туре показывают, что некоторые клетки организма, кото-
рый достиг постоянного дефинитивного размера, могут
размножаться более интенсивно, чем это необходимо для
того, чтобы замещать клетки, утрачиваемые в процессе
нормальной жизнедеятельности. Следовательно, их рост в
нормальных условиях находится под строгим контролем.
Более того, необходимо, чтобы контролирующий механизм
одинаково успешно управлял ростом всех тканей и чтобы
этот контроль был координированным.
Практика показывает, что значительно легче осущест-
вить экспериментальное вмешательство в процессы роста,
62
Глава 5
чем выяснить, каким образом многочисленные факторы,
которые способны влиять на рост, осуществляют это влия-
ние в организме. Не удивительно, что недостаток какого-
либо компонента в среде, окружающей ту или иную ткань
или организм в целом, может привести к снижению скоро-
сти роста; это наблюдается, например, при неполноценном
питании. Более важным представляется тот факт, что у
некоторых животных аномально интенсивный рост мож-
но вызвать воздействием соответствующих гормонов. Од-
нако главную роль в регулировании роста играют все-таки
генетические факторы, о чем убедительно свидетельствует
существование крупных и мелких пород домашних жи-
вотных.
И хотя естественная регуляция роста взрослых особей
у любого вида животных все еще во многом неясна, эм-
бриологи могут показать, что уже в раннем развитии раз-
меры особи и скорость роста находятся под определенным
контролем, в котором важную роль играет, в частности,
взаимодействие тканей. Например, применяя гетеротранс-
плантацию тканей у зародышей, можно создать химерные
органы. В таких органах, если бы каждый их компонент
рос с характерной для своего вида скоростью, следовало
бы ожидать весьма серьезных нарушений в развитии.
В действительности же часто оказывается, что скорости
роста разных компонентов приходят в соответствие друг
с другом, вследствие чего происходит гармоничное разви-
тие органа. Иногда это достигается тем, что один компо-
нент «навязывает» свой характер роста другому.
3. Изменение числа клеток
Обычно каждая клетка имеет одно диплоидное ядро,
однако из этого правила есть много исключений. Иногда
деление ядер может не сопровождаться последующим деле-
нием клетки, а иногда сами клетки могут сливаться, обра-
зуя синцитий, содержащий многочисленные ядра. Ядра мо-
гут также становиться полиплоидными в результате деле-
ния хромосом, которое не сопровождается делением ядер.
Все эти явления вызывают огромный интерес, однако в
дальнейшем мы не будем их учитывать, а будем рассмат-
ривать организм только как популяцию диплоидных
клеток.
Рост и его контроль 63»
Такие популяции численно увеличиваются путем де-
ления или вселения клеток и уменьшаются в результате их
гибели или выселения. В том случае, когда речь идет о
целом организме, явления вселения или выселения клеток
обычно не наблюдаются, хотя эти процессы могут происхо-
дить, например, при обмене кровью между сросшимися те-
лятами. В норме же численность популяции изменяется
в результате нарушения равновесия между гибелью клеток
и их делением. Для отдельных органов животного, однако,
миграция клеток может иметь важное значение, и ее сле-
дует рассматривать как возможный механизм изменения
состава популяции.
Следует отметить, что изменение общего числа клеток
в зародыше иди в любой его достаточно большой части про-
исходит не только в результате деления клеток или их ги-
бели. Пространственное и временное распределение этих
процессов не носит случайного характера, и поэтому мы
должны рассмотреть их роль в развитии.
Вообще тот факт, что у молодых животных, у которых
число клеток быстро увеличивается, одновременно проис-
ходит и гибель клеток, представляется в некотором смысле
парадоксальным. Можно, конечно, предположить, что ги-
бель клеток случайна, как это, например, бывает при на-
рушении митотического деления, когда дочерние клетки
становятся анеуплоидными и одна из них или обе сразу
оказываются нежизнеспособными. По-видимому, такие
«несчастные случаи» распределены на протяжении кле-
точного цикла не случайно, а подчиняются некоторым за-
кономерностям. В частности, можно предположить, что при
определенных процессах развития, таких, как миграция,
дифференцировка, активные деления и т. п., риск для кле-
ток особенно велик.
Возможно, что такая гибель происходит в равной сте-
пени как у зародышей, так и у взрослых животных. Тем
не менее иногда гибель клеток, наблюдаемая при разви-
тии зародыша, представляется запрограммированной и иг-
рает значительную роль в жизни последнего. В данном слу-
чае мы имеем в виду не только гибель целых органов или
тканей, которые уже выполнили свою роль, но также ги-
бель клеток в какой-то отдельной популяции, большая
часть которой выживает.
64
Глава 5
На самых ранних стадиях развития клетки обычно не
гибнут. Однако у известковых губок на очень ранней ста-
дии развития, когда зародыш состоит приблизительно из
50 клеток, выделяются четыре очень крупные клетки.
Они хорошо заметны не только благодаря большим разме-
рам, но и благодаря особому симметричному расположе-
нию, что позволило исследователям, впервые обнаружив-
шим их, назвать эти клетки «клетками креста». Казалось
бы, столь заметные клетки должны иметь определенное
проспективное значение, но на самом деле они скоро по-
гибают и распадаются. Получают ли при этом соседние с
ними выживающие клетки какой-либо специфичный сти-
мул, мы не знаем, однако естественно предположить, что
такое поведение клеток, наблюдаемое у всех зародышей
губок, по-видимому, играет какую-то определенную роль.
Развитие конечностей у высших позвоночных представ-
ляет собой другой пример, анализ которого дает возмож-
ность по крайней мере высказывать'некоторые предполо-
жения относительно того, какое значение имеет гибель
клеток. У птиц и млекопитающих конечность закладывает-
ся в виде небольшого бугорка на боковой поверхности те-
ла; этот бугорок растет наружу и на определенной стадии
превращается в цилиндрическое образование с несколько
уплощенным и расширенным дистальным концом. Конеч-
ность напоминает теперь весло, из лопасти которого обра-
зуется кисть или стопа. Далее следует период, характери-
зующийся дальнейшим ростом всего зачатка, а также тем,
что благодаря появлению и все возрастающей дифференци-
ровке пальцев начинает формироваться кисть или стопа.
В это время, по крайней мере у тех животных, конечности
которых не снабжены плавательной перепонкой, между
пальцами обнаруживаются зоны, характеризующиеся мас-
совой гибелью клеток (фиг. 17). Таким образом, разруше-
ние ткани, лежащей между будущими пальцами, способ-
ствует окончательному формированию кисти или стопы.
Вызывая гибель тех или иных клеток, можно выяснить
их роль в развитии, но, к сожалению, значение естествен-
ного процесса отмирания клеток не так легко определить,
поскольку мы не располагаем каким-либо методом сохра-
нения жизни «обреченных» клеток.
Однако время от времени сама природа предоставляет
Рост и его контроль
65
в наше распоряжение «естественные» эксперименты, кото-
рые в какой-то степени помогают проверить наши гипоте-
зы. Так, например, при генетических аномалиях числа
пальцев (синдактилии или полидактилии) характер рас-
пределения зон гибели клеток соответствует числу форми-
рующихся пальцев.
Фиг. 17. Запрограммированная гибель клеток.
А, Одна из четырех «клеток креста» (х) зародыша губки Grantia com-
pressa в процессе отмирания. Зоны, где наблюдается массовая гибель
клеток, в задней конечности зародыша утки (Б) и курицы (В); справа
показаны конечности на более поздних стадиях развития (Б и В, по
Дж. Сандерсу),
Зоны гибели клеток обнаруживаются также в прокси-
мальных отделах конечности и при нормальном ее разви-
тии; они могут участвовать в формировании бедра, голени,
лодыжки, плеча, предплечья и запястья. По крайней мере
у одного мутанта курицы отсутствие зон гибели клеток вы-
ше стопы связано с образованием добавочных пальцев. Это
еще раз свидетельствует о том, что отмирание клеток, по-
видимому, играет какую-то морфогенетическую роль.
Мы еще далеки от понимания того, каким образом те
или иные клетки «узнают», что они должны погибнуть в
определенное время. В некоторых случаях, например при
отмирании хвоста у головастика лягушки, непосредствен-
ный сигнал имеет гормональную природу. Однако следует
учесть, что многие клетки, а возможно даже и все, доступ-
66
Глава 5
ны влиянию циркулирующих в крови гормонов; следова-
тельно, нам прежде всего необходимо объяснить, почему
различные клетки по-разному реагируют на один и тот
же гормон. Это особенно трудно сделать, когда обреченные
клетки перемешаны с клетками, которым суждено выжить,
и почти до самой гибели не отличаются от них.
Деление клеток приводит не только к возрастанию их
числа. Например, при дроблении яйца в результате деле-
ния постоянно уменьшается средний размер каждой клет-
ки, поскольку общий объем зародыша изменяется мало,
тогда как число клеток постоянно растет. Как это ни стран-
но, подобное явление менее всего заметно на очень круп-
ных яйцах, которые образуют бластодерму, поскольку у
них основная масса желтка не делится, а настоящие клет-
ки бластодермы уже с ранних стадий дробления лишь не-
многим крупнее клеток взрослой ткани. В результате
клеточного деления участки цитоплазмы, которые первона-
чально были частями одной клетки, окружаются клеточ-
ными мембранами и отделяются друг от друга. На поздних
стадиях зародышевого развития клеточное деление почти
обязательно сопровождается ростом. .
Во время дробления клетки могут делиться настолько
быстро, что интерфаза практически отсутствует, и весь ми-
тотический цикл — от метафазы одного деления до мета-
фазы другого — продолжается менее 10 мин. Позднее ско-
рость деления замедляется, однако нас интересует не об-
щая митотическая активность зародыша, а различия в
митотической активности разных его частей, так как диф-
ференциальная митотическая активность может играть
большую роль в морфогенетических движениях и почти на-
верное имеет значение для дифференциального роста.
Действительно, ранние попытки объяснить гаструля-
цию исключительной митотической активностью губы бла-
стопора закончились неудачей, после того как путем под-
счетов было показано, что никакой исключительной актив-
ности в этой области зародыша не наблюдается. С другой
стороны, несомненно, что на более поздних стадиях заро-
дышевого развития клетки некоторых частей животного
делятся особенно быстро и это определяет диспропорцио-
нальный рост этих частей, а следовательно, изменение
формы всего зародыша,
Глава 6
ХИМИЧЕСКАЯ ЭМБРИОЛОГИЯ
1. Метаболизм зародыша
• Среди метаболических процессов, протекающих в заро-
дышах, нам не известно ни одного, который позволил бы
провести четкую границу между зародышами и взрослыми
организмами. С другой стороны, у отдельных видов живот-
ных в ходе развития в яйцах и зародышах происходят за-
кономерные изменения характера метаболизма. Оплодотво-
рение обычно сопровождается резким изменением интен-
сивности дыхания. У многих видов потребность в энергии
сначала удовлетворяется в основном за счет запасов угле-
водов, затем белков и еще позднее — жиров. Собственно
говоря, наблюдать корреляцию изменений метаболизма с
основными событиями в развитии — это единственное, что
мы в состоянии сделать в настоящее время. Наши знания
о роли этих процессов в дифференцировке и морфогенезе
пока еще очень скудны.
Иногда все же можно установить связь между химиче-
скими процессами у зародышей на более поздних стадиях
развития или у личинок и их биологией. Например, голо-
вастики лягушек, живущие в воде, могут обильно выде-
лять мочу, поскольку им не грозит опасность высыхания.
Головастики извлекают из этого определенную пользу, вы-
деляя большую часть азота (примерно 80%) в виде аммиа-
ка, вещества настолько токсичного, что его концентрация
в тканях и в моче не должна превышать определенного
очень низкого уровня. По-иному обстоит дело у взрослых
лягушек, которые живут на суше. Теперь для них приоб-
ретает большое значение проблема сохранения воды, что
делает невыгодным выделение большого количества раз-
бавленной мочи. У них более 80% азота выводится в виде
мочевины, которая гораздо менее токсична и может
0ез вреда для организма концентрироваться в тканях и моче.
68
Глава 6
Мы не столь уверены в правильности интерпретации,
которую предлагают для объяснения процесса замены ге-
моглобинов, происходящей у человека при переходе от
внутриутробной к постнатальной жизни. В состав молеку-
лы гемоглобина входят полипептидные цепи двух типов —
по две каждого типа. Из этих четырех цепей две а-цепи
одинаковы как для гемоглобина плода, так и для гемо-
глобина взрослого организма, а их партнеры различны:
две у-цепи гемоглобина плода по своей структуре отлича-
ются от p-цепей гемоглобина взрослого организма. Это и в
самом деле продукты разных генов. Большая часть моле-
кул гемоглобина плода содержит у-цепи, однако по мере
развития образуется все больше молекул, характерных для
взрослого животного. Через несколько месяцев после рож-
дения количество гемоглобина, характерного для плода,
резко снижается; обычно его остается менее 1%. Гемогло-
бины плода и взрослого животного различаются по ряду
физических и химических свойств; полагают, что эти раз-
личия позволяют молекулам гемоглобина функционировать
в разных условиях.
Это еще раз напоминает нам, что зародыши в состоя-
нии решать метаболические проблемы иначе, чем их ре-
шают взрослые животные. Справедливо также, что части
одного и того же зародыша могут различаться по тем или
иным показателям, метаболизма — дыханию, активности
ферментов, чувствительности к агентам, которые, как по-
лагают, оказывают какое-то действие на специфичные ме-
таболические процессы. Анализ таких различий, в част-
ности у зародышей морского ежа, ясно показал, что они
свазаны со свойствами развивающихся клеток. Однако как
осуществляется эта связь — предстоит еще выяснить.
2. Происхождение химического разнообразия
Во взрослом организме клетки обычно распознают по
их форме, размерам и расположению в них основных кле-
точных компонентов. Для разных клеток характерны так-
же специфические особенности, касающиеся химического
состава, которые могут быть либо очень явными, либо, на-
против, обнаруживаются с трудом. Эритроциты, например,
содержат так много гемоглобина, что в них остается очець
Химическая эмбриология
69
мало места для каких-либо других клеточных компонентов.
В мышечных волокнах содержатся большие количества
сократительных белков, а в железистых клетках имеются
огромные скопления продуктов секреторной активности,
выявляемые морфологически. В таких случаях с помощью
совсем простых гистологических методик можно получить
некоторые сведения о химии клетки. Однако, как правило,
в клетках определенных видов содержатся относительно
небольшие количества характерных для них веществ; в
этих случаях приходится прибегать к более чувствитель-
ным методам определения. Такие методы важны также
для выявления самых ранних стадий, на которых клетки
начинают синтезировать вещества, производимые впослед-
ствии в больших количествах.
Если вещества, синтезируемые в клетке, обладают свой-
ствами антигенов, т. е. способны вызывать образование
антител у животных, которым их вводят, можно использо-
вать высокую специфичность реакции связывания анти-
генов и антител. Антитела, продуцируемые в ответ на инъ-
екцию кролику белков линзы взрослой курицы, можно
очистить, пометить красителем и использовать для обра-
ботки срезов линз, взятых у куриных зародышей разного
возраста. Таким образом, в клетках, которые при этом удер-
живают краситель, содержится взрослый белок. Исполь-
зуя этот метод, удалось показать, что некоторые белки,
встречающиеся в большом количестве во взрослой линзе,
появляются в небольших количествах в линзовой эктодер-
ме вскоре после того, как она вступит в контакт с индуци-
рующим ее глазным бокалом. Это происходит задолго до
завершения морфогенеза линзы. Подобно этому первые
признаки образования гемоглобина в будущих эритробла-
стах или миозина в будущих клетках мышцы сердца по-
являются до завершения видимой дифференцировки этих
клеток. Есть данные о том, что такой ранний синтез тка-
неспецифичных веществ происходит не только в тех клет-
ках, из которых возцикла данная ткань. Соседние клетки,
имеющие другую судьбу, также могут первоначально син-
тезировать линзовые или мышечные белки. Значение этого
не вполне ясно, однако в данном случае уместно напом-
нить, что обычно клетки молодых закладок (линзы, конеч-
ности и многих других) окружены клетками, которые —
70
Глава 6
если в этом будет необходимость — могут развиваться в
соответствующие структуры.
Если впервые синтез органо- или тканеспецифичных
белков происходит на какой-то ранней стадии развития
зародыша, то эти белки, коль скоро они синтезированы,
сами могут нести ответственность за дальнейшую диффе-
ренцировку и морфогенез данной популяции клеток. В та-
ком случае достаточно было бы заставить какую-либо по-
пуляцию клеток синтезировать, скажем, линзовые белки,
чтобы затем они образовали бы линзу.
Можно предположить, что такой эффект следовало бы
ожидать при обработке клетки зародыша мРНК, экстра-
гированной из дифференцированных клеток. Если клетки
способны принять и использовать такой сигнал, то в них
будут синтезироваться белки, характерные для того типа
клеток, к которому они до этого момента сами не принадле-
жали. Некоторые исследователи утверждали, что экстраги-
рованная РНК может направить дифференцировку клеток
по пути образования клеток того типа, из которых она бы-
ла взята. Однако результаты такого рода опытов разноре-
чивы и, хотя неудача в принципе может означать лишь то,
что клетки не способны принять и использовать предло-
женную им РНК, вопрос все еще остается открытым.
3. Молекулярная биология развития
Открытия молекулярной генетики, основанные главным
образом на опытах с бактериями, свидетельствуют о том,
что ДНК в клетке определяет специфичную последова-
тельность оснований РНК, которые в свою очередь исполь-
зуются в синтезе белка. Рибосомные РНК образуют цент-
ры сборки — по нескольку тысяч на каждую клетку, —
на которых аминокислоты соединяются друг с другом в
последовательности, определяемые последовательностью
оснований в информационных РНК. Таким образом, белки
служат отражением генетической конституции клетки или
организма. Эти белки в свою очередь важны для любого
аспекта жизнедеятельности клетки, в том числе и для конт-
ролируемого ферментами синтеза или распада небелковых
молекул. Итак, даже если мы признаем, что дифференци-
ровка и морфогенез включают в себя не только образова-
Химическая эмбриология
71
ние популяций клеток, синтезирующих разные белки, то
и в этом случае, вполне естественно, первоочередная зада-
ча «молекулярной эмбриологии» — это найти ответы на два
взаимосвязанных вопроса: чем определяется выбор ге-
нов, функционирующих в какой-либо клетке для обеспече-
ния синтеза специфических для нее белков и что опреде-
ляет количество каждого белка, синтезированного опреде-
ленной клеткой? Эти же вопросы можно поставить в отно-
шении бактериальных клеток, и в некоторых случаях на
них уже получены вполне убедительные ответы. К сожале-
нию, бактерии оказались неадекватными моделями для
изучения клеток животных.
Здесь мы можем только лишь отметить некоторые из
свойств клеток животных, которыми удобно пользоваться
при решении этой проблемы. Одно из таких свойств —
видимое проявление активности генов. Мы уже знаем, что
«пуффы», связанные с синтезом РНК на хромосомах ли-
чинок насекомых, можно рассматривать как активные
участки генома. В качестве другого примера видимого про-
явления активности генов обычно приводят ядрышки в
интерфазных ядрах. Некоторое время тому назад устано-
вили, что у амфибий на различных стадиях дробления яиц
в ядрах отсутствуют ядрышки, что впервые они появляют-
ся в период гаструляции. В ядрышках, как известно, син-
тезируется рибосомная РНК, и можно показать, что новые
рибосомы впервые образуются во время гаструляции.
До этого момента в зародыше содержатся рибосомы, син-
тезированные во время оогенеза и унаследованные от ма-
теринского организма.
Более трудным, но зато и более многообещающим явля-
ется исследование целых хромосом или тех их участков,
которые называют гетерохроматиновыми. Обычно они ин-
тенсивно окрашиваются основными красителями во время
интерфазы и, вероятно, первыми конденсируются во время
профазы митоза. Наиболее известным примером служат
тельца Барра, обнаруживаемые в ядрах клеток самок неко-
торых видов млекопитающих и представляющие собой
материал Х-хромосомы. Есть убедительные данные о том,
что гетерохроматиновые участки хромосом генетически
неактивны. На них, таким образом, можно исследовать ме-
ханизмы, посредством которых гены выключаются.
Глава 7
ПРОЦЕССЫ РАЗВИТИЯ В ПОСТЭМБРИОНАЛЬНОЙ ЖИЗНИ
1. Восстановление в замещение ткани-
Процессы развития наиболее ясно выражены в эмбрио*
нальный период или во время метаморфоза (у тех живот-
ных, которые проходят личиночную стадию). Однако и в
последующей жизни организма происходят процессы раз-
вития, представляющие собой либо часть нормального жиз-
ненного цикла, либо реакции на случайную утрату или по-
вреждение тканей. Поскольку взрослые животные крупнее,
чем зародыши, и в некоторых отношениях более выносли-
вы, эти процессы можно изучать у них с помощью методов,
не применяемых обычно для исследования зародышевого
развития. Так, например, исследование гормональной регу-
ляции полового созревания млекопитающих, которое по
всем признакам представляет собой серию процессов раз-
вития, облегчается тем, что в распоряжении исследователя
имеются гормоны, химический состав которых известен.
Это относится также к изучению процессов восстановле-
ния и замещения ткани после повреждений, вызванных
болезнью или несчастным случаем.
Личинки и взрослые животные реагируют на серьезное
повреждение, сопровождающееся потерей клеток или тка-
ней, разнообразными способами. Ясно, что если утрачива-
ется какая-то часть, жизненно необходимая организму, то
животное погибает. В других случаях утрату можно рас-
сматривать просто как крайнюю форму нормального фи-
зиологического процесса. Например, продолжительность
жизни эритроцитов крови человека составляет примерно
120 дней, и замещение эритроцитов — нормальный физио-
логический процесс, протекающий постоянно. После мас-
сивной кровопотери интенсивность образования эритроци-
тов временно возрастает; для того чтобы объяснить это
явление, нет необходимости предполагать наличие какого-
Процессы развития в постэмбриональной жизни
73
либо особого регуляторного механизма, отличающегося от
того, который регулирует нормальное кроветворение. Если
интенсивность образования эритроцитов обычно коррели-
рует с их дефицитом в организме, то реакция на значитель-
ную потерю крови последует автоматически.
Однако, как правило, в большинстве тканей не наблю-
дается значительных замещений клеток. В печени, напри-
мер, наблюдается низкая, а в щитовидной железе — очень
низкая митотическая активность. Тем не менее в обеих
железах после существенной потери ткани клетки начина-
ют активно делиться, в результате чего быстро восста-
навливается нормальное количество ткани. Ясно, что такие
процессы полезны животным, так же как и процессы за-
живления раны. Перед исследователями встает задача —
обнаружить регуляторные системы, которые в ответ на
потерю ткани стимулируют ее новообразование в соответ-
ствующем объеме.
Если речь идет о ткани, которая каким-то образом уча-
ствует в поддержании нормального химического состава
крови, можно легко предположить, посредством какого ме-
ханизма регулируется ее размер. Повышение концентра-
ции того или иного компонента крови, который в норме
удаляется при участии этой ткани, увеличивает функцио-
нальную нагрузку на ее клетки. Такая чрезмерная на-
грузка побуждает клетки к активным делениям, которые
длятся до тех пор, пока нагрузка на каждую клетку
не уменьшится в результате деятельности все возрастаю-
щей популяции клеток; так в упрощенном виде можно
объяснить реакцию ткани на утрату ее части. Эта гипо-
теза особенно привлекательна для объяснения замещения
ткани печени, ткани эндокринных желез или гипер-
трофии оставшейся почки после односторонней нефрэкто-
мии.
При исследовании эндокринных желез мы часто полу-
чаем убедительные данные в пользу существования такого
"регуляторного механизма: стимулы, которые вызывают
синтез или выделение гормона, могут также вызывать рост
популяции клеток этой железы. Труднее представить себе
механизмы, регулирующие рост популяции клеток в та-
ких органах, как почки или печень; оба органа поддержи-
вают концентрацию ряда компонентов крови в пределах
?4
Глава 7
нормы и оба, кроме того, имеют другие функции — почки,
например, регулируют артериальное давление, а печень
выделяет пищеварительные ферменты.
Однако если в отношении некоторых тканей известно,
что они регулируют концентрацию обычных компонентов
крови, то в отношении других это пока не обнаружено.
Все же возможно, что они выделяют в жидкую среду орга-
низма какие-то специфичные вещества, первичной функ-
цией которых, вероятно, является регуляция размеров про-
изводящих их тканей. Так, ткань А может продуцировать
и выделять вещество а в небольших количествах, пропор-
циональных ее размеру. Если а разрушается или выводит-
ся из организма со скоростью, которая поддерживает его
концентрацию в жидкостях тела на постоянном уровне, то
для того, чтобы вызвать рост ткани А, необходимо лишь из-
менить концентрацию вещества а. Возможность такого
способа регуляции и его более сложных вариантов была
проверена экспериментально, однако результаты оказались
противоречивыми. Итак, описанный механизм регуляции
по-прежнему кажется привлекательным, хотя его сущест-
вование еще не доказано.
2. Регенерация
Сходство процессов замещения ткани и зародышевого
развития несомненно, однако оно становится еще большим,
когда замещение сопровождается сложными морфогенети-
ческими процессами. Многие классические примеры реге-
нерации представляют собой именно такие случаи. У три-
тона или саламандры ампутированная конечность замеща-
ется другой конечностью, которая почти не отличается от
утраченной. Регенерация подобного типа наблюдается у
ракообразных. Ящерицы не только восстанавливают утра-
ченный хвост, но даже используют эту способность и сами
отбрасывают хвост — своеобразная тактика отвлечения
врагов. Еще более удивляет способность к регенерации у
некоторых плоских и земляных червей; если разрезать этих
животных поперек на две половины, то каждая половина
способна регенерировать недостающую часть.
В этих случаях утраченная часть содержит много тка-
ней, определенным образом организованных в анатомиче-
Процессы развития в постэмбрионалъной жизни 75
скую структуру. Если, как это часто бывает, при регене-
рации восстанавливается точная копия утраченной части,
мы можем ожидать, что процессы, лежащие в основе ре-
генерации, сходны с процессами, которые протекают во
время зародышевого развития. И опять перед нами встают
все те же вопросы: какова родословная клеток тканей реге-
нерата, как регулируется их рост и как происходит мор-
фогенез его частей?
Один из главных вопросов, вопрос о клеточной родо-
словной, казалось бы, очень прост. Происходит ли каждая
ткань регенерата прямо или косвенно из одноименных тка-
ней культи? Основная трудность при ответе на этот вопрос
заключается в том, что во многих случаях на ранних ста-
диях регенерации на поверхности разреза скапливается
масса клеток, образующих так называемую бластему и со-
всем не дифференцированных. Они не похожи ни на клет-
ки, из которых они произошли, ни на клетки, в которые
они превратятся в процесса регенерации.
Разного рода эксперименты показали, что удаление оп-
ределенной ткани из области ампутации или инактивация
этой ткани рентгеновскими лучами за некоторое время до
ампутации не обязательно приводит к отсутствию ее в ре-
генерате. Если у хвостатой амфибии удалить плечевую
кость, она не восстанавливается в конечности в течение
неопределенно долгого времени. Если, однако, конечность
позднее ампутировать на том уровне, на котором находи-
лась бы середина удаленной плечевой кости, то в регене-
рате возникает дистальная половина плечевой кости и
скелет кисти и предплечья.
Эти эксперименты свидетельствуют лишь о том, что
полная преемственность между одноименными клетками
регенерата и клетками ткани культи не обязательна, но
они вовсе не доказывают, что такой преемственности не
существует при нормальной регенерации. Клеточные ро-
дословные многих регенерирующих систем еще далеко не
ясны. Более того, есть достаточные основания полагать,
что у некоторых беспозвоночных бластема образуется глав-
ным образом за счет клеток, называемых необластами, ко-
торые представляют собой своего рода резерв из мульти-
потентных клеток и используются лишь во время регене-
рации.
76
Глава 7
Одна из самых загадочных черт многих видов регене-
рации, в том числе регенерации конечностей у хвостатых
амфибий, состоит в том, что на ранних стадиях восстанов-
ления решающую роль играет нервная система.
Если удалить нервы, идущие к конечности, и затем эту
конечность ампутировать, то регенерация не происходит,
а культя рассасывается. Однако такую конечность можно
заставить регенерировать, если перед ампутацией иннер-
вировать ее за счет подведения какого-либо постороннего
нервного ствола вместо ее собственного. Поэтому трудно
предположить, что влияние^цервной системы каким-либо
образом связано с ее функцией — передачей специфично-
го сочетания импульсов. Ей приписывают трофическую
функцию в регенерации, но какова истинная роль нервной
системы, до сих пор неизвестно. Известно, однако, что она
играет существенную роль только на ранней стадии обра-
зования бластемы, а затем бластема может расти и диф-
ференцироваться даже после денервации. Довольно стран-
но, что конечности хвостатых амфибий, образовавшиеся
у зародышей, лишенных нервной системы и, следователь-
но, никогда не имевших иннервации, способны регенери-
ровать после ампутации. Таким образом, потребность в
нервных волокнах можно в какой-то степени уподобить
дурной привычке.
Одна из проблем, которые ставит перед нами регенера-
ция, заключается в следующем: дедифференцированы ли
клетки бластемы полностью или только частично? Другими
словами, ограничен ли круг тканей, в которые они могут
развиться? На этот вопрос очень трудно дать категорич-
ный ответ. Кажется весьма вероятным, например, что клет-
ки бластемы, происходящие из кожи культи, могут раз-
виться в регенерате в мышцы или скелет, однако на этот
счет остаются сомнения. С другой стороны, в нашем рас-
поряжении имеется один вполне достоверный случай, ког-
да наблюдается превращение одних дифференцированных
клеток в другие.
Мы уже видели, что в эмбриогенезе линза глаза позво-
ночных происходит совсем из другого зачатка, чем глаз-
ной бокал, который индуцирует ее образование. Клетки
линзы становятся высокоспециализированными по форме
и по химическому составу. Тем не менее у определенных
Процессы развития в постэмбриональной жизни 77
видов амфибий после хирургического удаления линзы она
способна замещаться благодаря процессу, названному
волъфовской регенерацией (в честь одного из обнаружив-
ших его исследователей). Новая линза образуется за счет
клеток дорзального края радужины — клеток, которые са-
ми хорошо дифференцированы (фиг. 18).
Фиг. 18. Вольфовская регенерация у тритона.
Схемы срезов целого глаза и дорзальный край радужины. А. Нормальный
глаз до удаления линзы. Б. После удаления линзы происходит депигмен-
тация клеток дорзального края радужины. В. Клетки этой области раз-
множаются и превращаются в зачаток линзы. Г. Новая линза теперь уже
отделена от края радужины.
Это один из наиболее ярко выраженных случаев мета-
плазии, или изменения дифференцировки, которые нам
известны. Итак, поскольку клетки могут утрачивать свою
первоначальную дифференцировку и дифференцироваться
в новом направлении, не исключена возможность, что не-
которые клетки отдельных тканей способны полностью де-
дифференцироваться и затем дифференцироваться в любом
направлении, возможном для данного вида.
78
Глава 8
МЛЕКОПИТАЮЩИЕ И ЧЕЛОВЕК
1. Прикладная биология развития
Для человека и большинства домашних животных свой-
ственно живорождение; поэтому их зародыши защищены
от наблюдения и экспериментального вмешательства не в
меньшей степени, чем от неблагоприятных влияний внеш-
ней среды. Это одна из причин, почему в прошлом данные
эмбриологии имели довольно ограниченное практическое
применение. Сейчас, однако, ситуация меняется, и проис-
ходит это по ряду причин.
В экономически развитых странах до недавнего време-
ни (а в остальных и по сей день) медицина была занята
главным образом проблемами, связанными с недоеданием
и распространением инфекционных болезней, и потому
врожденным аномалиям должного внимания не уделялось.
А между тем более 2% новорожденных детей рождается
с какой-либо серьезной аномалией.
Со временем, когда мы научимся лечить другие болез-
ни, характерные для более старшего возраста, этот факт
приобретет еще больший вес. Некоторые из врожденных
аномалий могут быть обусловлены контролируемыми фак-
торами, такими, как питание матери. Конечно, печаль-
ный опыт применения нового транквилизатора талидоми-
да — средства, явившегося причиной тяжелых врожденных
аномалий у многих детей, матери которых принимали его
на ранних стадиях беременности, — предостерегает нас от
внедрения в практику новых лекарственных препаратов
или различных добавок к пище без тщательной проверки
их возможного влияния на плод. Имеются данные о том,
что такие распространенные вредные привычки, как куре-
ние и употребление алкоголя матерью, могут влиять на
состояние плода и его развитие, хотя и менее драматиче-
ским образом. На самом деле мы лишь приступаем к изу-
Млекопитающие и человек
79
чению условий, оптимальных для течения беременности.
Около половины всех врожденных аномалий, возможно,
обусловлены генетическими причинами, т. е. событиями,
которые произошли еще до оплодотворения. Однако это не
должно нас пугать. Именно медицина призвана разрабо-
тать методы, которые ослабили бы проявление генетиче-
ских дефектов, и, хотя в настоящее время такие попытки'
легче осуществить в течение постнатальной жизни, мы не
должны ограничиваться только этим. Трудности, связан-
ные с экспериментальным изучением внутриутробного
развития, уже преодолеваются благодаря совершенствова-
нию технических возможностей.
2. Особенности развития млекопитающих
Оплодотворение у высших млекопитающих происходит
в верхних отделах фаллопиевых труб вскоре после овуля-
ции. В течение нескольких дней оплодотворенные яйца
спускаются вниз по трубам, и за это время в ре- •
зультатё дробления форми-
руется полый клеточный
шар — бластоциста,— с од-
ной стороны которого на
внутренней поверхности
образуется небольшое
скопление клеток — внут-
Фиг. 19. Бластоциста мыши
перед имплантацией, сво-
бодно лежащая в просвете
матки 1; вскоре, однако,
она прикрепится к эпите-
лию матки 4.
Внутренняя клеточная мас-
са 2 отличается от трофо-
бласта 3.
ренняя клеточная масса (фиг. 19). Достигнув матки, бласто-
циста некоторое время — от нескольких часов до нескольких
месяцев (в зависимости от видовой принадлежности
животного) — остается свободной (неприкрепленной) >
80
Глава 8
В этот период у некоторых видов она значительно увели-
чивается за счет всасывания жидкости из полости матки,
а у других остается маленькой. Рано или поздно зародыш
прикрепляется к эндометрию, и клетки наружного слоя
бластоцисты — так называемого трофобласта — активно
внедряются в материнские ткани. Тем временем развитие
собственно зародыша происходит за счет внутренней кле-
точной массы и вскоре после того, как в зародыше начнет
функционировать кровеносная система, ее сосуды прони-
кают в область трофобласта, связанную с эндометрием.
Здесь они вступают в тесный контакт с кровеносной систе-
мой матери и образуют часть временного органа, называе-
мого плацентой, которая обеспечивает обмен веществ меж-
ду матерью и плодом.
Развитие плаценты представляет собой замечатель-
ный пример того, каким образом зародыши могут
приспосабливать свои внезародышевые структуры для
удовлетворения различных потребностей. У яйцекладущих
пресмыкающихся — предков млекопитающих — желток,
несомненно, был окружен оболочкой, имеющей множество
сосудов, по которым зародышу доставлялись питательные
вещества. Другая оболочка, аллантоис, представляла собой
вырост задней кишки; он выполнял функцию легкого и
использовался для депонирования конечных продуктов
азотистого обмена. Аллантоис вырастал за пределы заро-
дыша, стенка его в конце концов достигала оболочки яйца,
через которую мог свободно происходить обмен Ог и СО2.
Пресмыкающиеся, птицы и однопроходные млекопитаю-
щие используют эти образования и по сей день. У млеко-
питающих и желточный мешок и аллантоис могут прини-
мать участие в формировании плаценты, хотя и тот и
другой уже утратили свою первоначальную форму. Пита-
тельные вещества для зародыша у этих животных достав-
ляются по кровеносной системе матери, и туда же выво-
дятся ^конечные продукты азотистого обмена. Таким об-
разом, плацента выполняет для зародыша функции киш-
ки, мочевого пузыря и легких.
В плаценте кровеносные системы матери и плода нахо-
дятся в очень тесном контакте — в крайних случаях ка-
пилляры плода могут быть погружены в лакуны, напол-
ненные материнской кровью, — однако в норме кровь ма-
Млекопитающие и человек
Г81
тери и плода никогда не смешивается. В самом деле, если
бы клетки крови плода попадали в кровоток матери, про-
изошло бы то же самое, что и при переливании несовме-
стимой крови. В материнском организме возникли бы ан-
титела, против поверхностных антигенов клеток плода. Та-
кие антитела, проникнув через плаценту в кровоток пло-
да, способны вызвать гемолиз.
Функции плаценты очень сложны, поэтому не удиви-
тельно, что первые успехи экспериментальной эмбриоло-
гии млекопитающих были связаны лишь с опытами на за*
родышах, находящихся на предимплантационных стадиях
вне материнского организма.
3. Пересадка яиц, близнецы и химеры
Оплодотворенные яйца млекопитающих можно извле*
кать хирургическим путем из фаллопиевых труб и культи-
вировать в теплых солевых растворах. В этих условиях они
обычно хорошо дробятся и образуют бластоцисту, но для
дальнейшего развития приходится создавать особые усло-
вия. Если такое яйцо вскоре снова поместить в матку при*
емкой матери, оно продолжает нормально развиваться. Ис-
пользуя такие приемы, можно попытаться ответить на два
вопроса. Во-первых, зародышей на стадиях дробления, по-
ка они находятся вне тела матери, можно подвергать раз-
личным экспериментальным воздействиям и изучать влия-
ние этих воздействий на дальнейшее развитие. Оказалось,
например, что разрушение одного бластомера на 2-кле-
точной стадии может привести к развитию совершенно
нормального животного. Так, было показано, что яйца мле-
копитающих способны к регуляции, о чем предполагали
еще раньше, исходя из факта существования идентичных
близнецов. Была даже доказана возможность развития
целой мыши из одного бластомера, взятого на 8-клеточной
стадии. Однако самыми поразительными опытами, прове-
денными на яйцах млекопитающих, явились опыты по
слиянию зародышей мыши на ранних стадиях дробления,
в результате чего возникали химеры, которых затем пере-
саживали в матку приемной матери. Если генетическими
маркерами составляющих частей таких химер служили,
скажем, аллели окраски покровов, то у получившегося жи-
вотного на протяжении всей жизни сохраняются явные
82
Глава 8
признаки его «двойного» происхождения (фиг. 20). Такие
эксперименты особенно важны при анализе развития ге-
нетически контролируемых различий, в том числе половых.
Фиг. 20. Получение химерных мышей.
Два зародыша на стадии дробления освобождаются от оболочек и куль-
тивируются вместе in vitro, где и происходит их слияние. Получившиеся
зародыши (химеры) позднее помещают в матку приемной матери. Если
зародыши принадлежат к двум линиям мышей, различающихся по окрас-
ке, то развившиеся мышата при рождении будут иметь явные признаки
их химерной природы (по Б. Минтцу).
Если для получения химер берут два компонента, принад-
лежащих зародышам генетически разного пола, то у химер
в некоторых случаях соматические клетки половых желез
могут иметь один генетический пол, а мигрирующие в же-
лезы половые клетки — другой. Основываясь всего лишь
на нескольких случаях, известных в настоящее время, мы
можем считать вероятным, что у химер XX/XY, гонады
которых имеют характер семенников, первичные половые
клетки с комплексом хромосом XX не превращаются в
сперматозоиды. Если этот факт удастся подтвердить, то он
будет противоречить данным, полученным на других жи-
вотных, у которых комплекс половых хромосом в первич-
ных половых клетках сам по себе, вероятно, не играет ре-
шающей роли при образовании из них ооцита или спер-
матоцита.
Второй вопрос, ответ на который можно получить с по-
мощью метода пересадки яиц, — это вопрос о том, как
Млекопитающими человек
88
влияет окружающая среда на развитие млекопитающих.
Например, если реципрокные гибриды между двумя ин-
бредными линиями мышей сохраняют устойчивые разли-
чия по ряду признаков, то сами собой напрашиваются два
возможных объяснения. Поскольку гибридные ядра не от-
личаются друг от друга, следовательно, различается окру-
жающая их среда. В качестве окружающей среды можно
рассматривать либо цитоплазму яйца, либо матку материн-
ского организма, либо то и другое вместе. Для того чтобы
определить, какое влияние оказывает та или иная среда,
можно воспользоваться методом пересадки яиц, причем
гибриды, имеющие цитоплазму яйца одной линии, следует
поместить в матку животных другой линии. В тех случаях,
когда такие опыты были поставлены, результаты их по-
казали, что влияние матки — более важный фактор в раз-
витии зародыша; в качестве примера сошлемся на опыты,
в которых определяли количество (7 или 8) предкрестцо-
вых позвонков у гибридных мышей двух различающихся
по этому признаку линий.
Конечно, не обязательно пересаживать яйца в тот ор-
ган, где они, как правило, развиваются, т. е. в матку. На-
против, перенося их в различные части организма, можно
выяснить некоторые важные вопросы, касающиеся усло-
вий, необходимых для нормального развития. И в естест-
венных условиях имплантация яиц у млекопитающих и
человека происходит иногда в фаллопиевых трубах, а не в
матке, экспериментатор же по собственному желанию мо-
жет выбрать любое место в организме. Такие опыты позво-
лили лучше понять роль трофобласта в функции плацен-
ты, а кроме того, поставили новый вопрос, касающийся од-
ного из главных парадоксов в жизни млекопитающих:
почему материнский организм не отторгает свой плод как
инородное .тело, каковым он по существу является?
4. Плод — привилегированный гомотрансплантат
Живые ткани, пересаженные от одного взрослого по-
звоночного животного другому животному того же вида,
обычно разрушаются не позже чем через несколько не-
дель. Отторжение таких трансплантатов представляет со-
бой иммунологическую реакцию, о чем свидетельствует
м
Глава 8
более быстрое отторжение тканей при повторной пересад-
ке ткани от того же донора тому же реципиенту. Некото-
рые исключения из этого правила обусловлены генетиче-
ским подобием донора и реципиента; успешные пересадки
ткани возможны между идентичными близнецами и меж-
ду особями высокоинбредных линий — трансплантаты у
них приживаются на неопределенно долгий срок. Генети-
ческое сходство матери и ребенка редко бывает-достаточ-
ным для того, чтобы их ткани при пересадке были совме-
стимы. У ребенка образуются антигены, определяемые ал-
лелями, унаследованными от отца, с ними-то материнский
организм и будет обходиться как с чуждыми, т. е. реаги-
ровать на них. И хотя организм матери, как правило, от-
торгает любую ткань, пересаженную ей от только что ро-
дившегося детеныша, тем не менее во время беременности
материнский организм находился с этим детенышем (пока
еще плодом) в самом тесном физиологическом контакте.
Это нельзя отнести за счет временной потери материн-
ским организмом способности к иммунологическим реак-
циям, хотя у некоторых видов наблюдается незначитель-
ное снижение этой способности во время беременности.
Нельзя это также объяснить и тем, что ткани плода ли-
шены антигенности, так как при пересадке этих тканей
другому животному или даже собственной матери тран-
сплантат отторгается. Тем не менее-характер отторжения
постнатальных трансплантатов показывает, что мать не
обладает иммунитетом к плоду. Постнатальные трансплан-
таты разрушаются таким же образом и в те же сроки, ко-
торые характерны для первичных, а не для вторичных
трансплантатов. Поэтому мы можем предполагать, что
матка как место для пересадки характеризуется ка-
кими-то особыми свойствами, так что трансплантирован-
ные в нее ткани не способны иммунизировать реципиента.
Это предположение не подтверждается эксперимен-
тально. Ткани взрослого животного, пересаженные в мат-
ку, отторгаются, хотя не всегда так быстро, как это проис-
ходило бы в любой другой области тела. Это заставляет
нас обратиться к исследованию роли самого плода. Быть
может, он не «позволяет» своим антигенам достигать ма-
теринских тканей? Если это так, то будет ли он проявлять
подобные свойства, развиваясь не в матке? Похоже, что
Млекопитающие и человек
85
ответ на этот вопрос положительный, поскольку при пере-
садке целых зародышей не происходит ни отторжения их,
ни иммунизации приемных матерей.
Однако можно иммунизировать самку тканевыми
трансплантатами и затем поместить в ее матку зародыша,
который по своей генетической конституции и антигенно-
му составу был бы идентичен отторгаемому трансплантату.
В этих условиях беременность все же может протекать
нормально. По-видимому, отторжение плода предотвраща-
ет плацентарный барьер, действуя в двух направлениях —
не позволяя антигенам проникать в материнский организм,
а также блокируя материнские клеточные агенты, посред-
ством которых осуществляется иммунологическая атака
на плод.
Что касается антител, то это справедливо не для всех
их видов. Некоторые виды антител, образующиеся в ор-
ганизме матери и циркулирующие в крови, способны
проникать через плацентарный барьер. Благодаря этому но-
ворожденные у человека, кролика и ряда других млекопи-
тающих уже обладают пассивным иммунитетом в отноше-
нии многих антигенов, с которыми сталкивался материн-
ский организм. Это, вероятно, помогает новорожденным
справляться с инфекциями сразу после рождения, но это
таит в себе и определенную опасность. Ведь если в орга-
низме матери появятся антитела к антигенам плода и эти
антитела, циркулируя по кровеносной системе матери, про-
никнут через плаценту, то могут возникнуть серьезные
повреждения плода.
И действительно, это довольно часто наблюдается у че-
ловека, в частности когда эритроциты плода несут резус-
антигены (плод резус-положительный), отсутствующие в
материнском организме (если мать резус-отрицательна).
Если некоторые из этих клеток проникнут через плаценту
и иммунизируют материнский организм, то у матери обра-
зуются антитела, которые могут вызвать у плода поврежде-
ние клеток крови, угрожающее его жизни.
Что касается иммунологических реакций между ма-
терью и плодом, то в этой области предстоит еще многое
выяснить. Возможно, будет доказано, что они играют зна-
чительно более важную роль в гибели или повреждении
плода, чем это сейчас нам представляется.
86
Глава 8
5. Культивирование зародышей
млекопитающих in vitro
Один из способов исследовать отношения матери и пло-
да — культивирование зародышей млекопитающих in vitro.
В настоящее время разработаны методы оплодотворения с
последующим дроблением яйца вне тела матери; однако об-
разующиеся зародыши, хотя и остаются некоторое время
Фиг. 21. Зародыш крысы в начале (А) и в конце (В) периода
культивирования in vitro, продолжавшегося 5 суток (опыт Д. Ниу).
вполне здоровыми, погибают, не достигая того возраста,
когда происходит их имплантация при нормальном разви-
тии. Если же удалить зародыши из матки сразу после им-
плантации, то их можно культивировать в течение не-
скольких дней при создании определенных условий
(фиг. 21). В течение этого времени они растут и почти
нормально проходят ранние стадии зародышевого разви-
тия. Конечная цель — доведение до «рождения» — еще да-
лека, однако мы можем быть уверены, что она будет до-
стигнута. Даже если мы никогда пе будем испытывать
необходимости или желания постоянно производить млеко-
питающих таким образом, область исследования процессов
развития человека и домашних животных благодаря этому
расширится и охватит все его этапы.
ЛИТЕРАТУРА
Balinsky В. I. (1970). An Introduction to Embryology, W. B. Saun-
ders Co., Philadelphia and London.
Blackler A. W. C. (1966). Embryonic sex cells of amphibia, Advances
in Reproductive Physiology, Vol. I, Logos Press, London.
Bodemer C. W. (1968). Modern Embryology, Holt, Rinehart and Win-
ston, New York and London. (Ч. Бодемер, Современная эмбрио-
логия, изд-во «Мир», М., 1971.)
Bonner J. (1965). The Molecular Biology of Development, Oxford
University Press, Oxford. (Дж. Боннер, Молекулярная биоло-
гия развития, изд-во «Мир», М., 1967.)
Bracket J. (1960). Biochemistry of Development, Pergamon Press,
Oxford. (Ж. Браше, Биохимическая эмбриология, ИЛ, М.,
1961.)
Ebert J. D. (1966). Interacting Systems in Development, Holt, Rine-
hart and Winston, New York and London. (Дж. Иберт, Взаимо-
действующие системы в развитии, изд-во «Мир», М., 1968.)
Goss R. J. (1969). Principles of Regeneration, Academic Press, New
York and London.
Gurdon J. B., Woodland H. R. (1968). The cytoplasmic control of
nuclear activity in animal development. Biol. Rev., 43.
Horstadius S. (1969). The Neural Crest, Oxford University Press,
Oxiord.
Paul J. (1967). Cell Biology, Heinemann Educational Books Ltd.,
London.
Raven С. P. (1966). An Outline of Developmental Physiology, Perga-
mon Press, Oxford.
Saxen L., Toivonen S. (1962). Primary Embryonic Induction, Logos
Press, London. (Л. Саксен, С. Тойвонен, Первичная эмбриональ-
ная индукция, ИЛ, М., 1963.)
Trinkaus J. Р. (1969). Cells into Organs: The Forces that Shape the
Embryo, Prentice-Hall, New Jersey and Hemel Hempstead.
(Дж. Тринкаус, От клеток к органам, изд-во «Мир», М., 1972.)
Т witty V. С. (1966). Of Scientists and Salamanders, W. H. Freeman,
San Francisco and London.
Waddington С. H. (1956). Principles of Embryology, George Allen
and Unwin, London.
Waddington С. H. (1966). Principles and Problems of Development
and Differentiation, Collier-Macmillan, New York.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие к русскому изданию 5
Предисловие автора..................................... 6
Глава 1. Введение ....................................... 7
1. Почему животные развиваются?.................... 7
2. Во что обходится животным половое размножение? 8
3. Программа развития..................... . . 8
4. Биологические особенности развития ..... 9
5. Краткое описание развития...................... 16
Глава 2. Проблемы клеточных родословных ...... 23
1. Методы изучения................................ 23
2. Первичные половые клетки, помеченные самой
природой .......................................... 30
3. Нервный гребень — мультипотентная эмбриональ-
ная ткань.......................................... 32
Глава 3. Ядро и цитоплазма.............................. 37
1. Роль нехромосомного материала сперматозоида в
развитии .......................................... 38
2. Цитоплазма яйца........................... 39
3. Пересадка ядер ............................... 44
Глава 4. Проблемы взаимодействия между клетками ... 47
1. Регуляция и детерминация.................. 47
2. Эмбриональная индукция.................... 50,
3. Эндокринная регуляция дифференцировки ... 54
Глава 5. Рост и его контроль....................... 58
1. Размеры и рост............................ 58
2. Контроль роста............................ 61
3. Изменение числа клеток....................... 62
Глава 6. Химическая эмбриология.................... 67
1. Метаболизм зародыша....................... 67
2. Происхождение химического разнообразия .... 68
3. Молекулярная биология развития............ 70
Глава 7. Процессы развития в постэмбриональной жизни . . 72
1. Восстановление и замещение ткани.......... 72
2. Регенерация.................................. 74
Глава 8. Млекопитающие и человек................... 78
1. .Прикладная биология развития............. 78
2. Особенности развития млекопитающих........ 79
3. Пересадка яиц, близнецы и химеры .............. 81
4. Плод — привилегированный гомотрансплантат . . 83
5. Культивирование зародышей млекопитающих
in vitro.......................................... 86
Литература ............................................. 87
23 коп.