ББК 28.63 пз
Рецензенты:
Кафедра генетики и цитологии Харьковского государственного университета им, А. М, Горького (зав, кафедрой проф. В. Г. Шахбазов) и д-р. биол. наук О. Г. Строева (Институт биологии развития им. Н. К. Кольцова)
Газарян К. Г., Белоусов Л. В.
Г13 Биология индивидуального развития животных: Учебник для биол. спец, вузов.— М.: Высш, шк., 1983. — 287 с., ил.
В пер.: 1р.
Учебник содержит основы современных знаний о закономерностях индивидуального развития животных. В нем систематически изложены цито(гисто)морфологические, биохимические и молекулярно-генетические аспекты индивидуального развития животных. Рассмотрены механизмы индукционных, дифферепцировочпых, морфогенетических процессов, лежащих в основе развития, а также прикладные проблемы в области медицины И сельского1 хозяйства, решаемые с использованием методов биологии индивидуального развития
2005000000-307	ББК 28.63
001(01)—83	59
Издательство «Высшая школам, 1983
r *	ПРЕДИСЛОВИЕ
Биология индивидуального развития — область науки, изучающая закономерности онтогенетического развития организмов. Она сформировалась в последние десятилетия на основе достижений экспериментальной эмбриологии, молекулярной биологии, генетики, цитологии.
Задача биологии индивидуального развития-—исследование макро- и микроморфологических, физиолого-биохимических, молекулярных и генетических процессов, протекающих в развивающейся особи, выяснение факторов и механизмов, управляющих процессами развития на всех этапах онтогенеза животных, растительных организмов, а также одноклеточных форм. Столь широкий охват обусловлен распространенностью элементарных и общих закономерностей процессов развития в живой природе.
Начало разработки проблем, которыми сегодня занимается биология индивидуального развития, восходит к 70—80-м годам прошлого столетия, когда на основе.успехов сравнительной и эволюционной эмбриологии зародились методология и основные тенденции аналитической и экспериментальной эмбриологии, сформировались первые концепции о цитоэмбриологнческих механизмах наследственности. Б начале века был создан фундамент всех тех областей эмбриологии, цитологии, генетики, биохимии, которые в последующем легли в основу биологии индивидуального развития. Бурный прогресс молекулярной биологин создал условия для дальнейшего их объединения, открыв доступ к пониманию наиболее тонких молекулярных механизмов эмбрио-цито-генетических аспектов процесса развития. Б настоящее время знания в этой области продолжают углубляться и расширяться. Это создает трудности в однозначном и четком определении целей, методов и объектов биологии индивидуального развития. Их преодоление связано с дальнейшей разработкой проблем, относящихся к этой области, с учетом особенностей индивидуального развития организмов, отличающихся уровнем организации.
Настоящее издание — первый в нашей стране учебник по биологии индивидуального развития животных, в основу которого положен курс, читаемый для студентов биологического факультета Московского государственного университета им. М. Б. Ломоносова. За основу изложения авторы взяли структуру, типичную для учебников и руководств по общей эмбриологии животных, описывая последовательные стадии индивидуального развития главным образом позвоночных животных с позиций современной описательной и экспериментальной эмбриологии. В то же время от существующих учебников по эмбриологии настоящее издание отличается более широким охватом
3
проблем экспериментальной эмбриологии, решаемых на основе достижений молекулярной биологии, цитологии и генетики.
Поскольку студенты еше недостаточно знакомы с молекулярной биологией, в начале книги дается раздел, посвяшенный этим вопросам.
Задача учебника — помочь студентам приобрести фундаментальные знания о закономерностях индивидуального развития животных в тесной связи с их историческим развитием, определить место этой области науки среди других биологических дисциплин, раскрыть ее методологию и роль в познавательном, идейном и прикладном отношениях. Для рассматриваемой области биологии характерен синтетический подход к изучению процессов развития, так как ее цель — познание закономерностей этих процессов применительно к целостной живой системе, создание единой концепции онтогенеза и разработка способов управления им. Управление онтогенезом — необходимое условие для решения многих актуальных задач медицины и сельского хозяйства, прежде всего животноводства. Биология индивидуального развития животных призвана внести весомый вклад в реализацию задач Продовольственной программы по резкой интенсификации работ, направленных на выведение новых, ценных для животноводства пород сельскохозяйственных животных и их ускоренное воспроизводство. В последние годы в этой области биологии созданы фундаментальные и технические предпосылки для решения таких сложных и актуальных народнохозяйственных задач. На основе достижений экспериментальной эмбриологии, а также клеточной и генной инженерии разрабатываются методы манипулирования с яйцеклетками, эмбрионами сельскохозяйственных Животных и их наследственным аппаратом с целью направленного вмешательства в процессы их воспроизводства и в их наследственность. Состояние и перспективы решения этих прикладных задач специально рассматриваются в заключительном разделе учебника. Успешная реализация этих перспективных возможностей требует подготовки специалистов, способных проводить исследования на стыке эмбриологии, генетики, цитологии, молекулярной биологии.
Авторы сознают, что первый учебник по биологии индивидуального развития не лишен недостатков, и будут признательны всем, кто пришлет свои замечания. Одновременно они выражают сердечную признательность тем, кто уже оказал неоценимую помощь при подготовке данного издания: сотрудникам Института биологии развития им. Н. К. Кольцова О. Г. Строевой, Л. В. Даниловой, В. И. Каиторовой, Т. Б. Айзенштадт, сотрудникам кафедры эмбриологии Московского университета Д. А. Потемкиной, Н. В. Дабагяи, Н. Ю. Сахаровой, М. В. Чунаевой, Л. В. Ши-лейко, В. Н. Мещерякову, а также заведующему кафедрой генетики и цитологии Харьковского университета Б. Г. Шахба-зову,
Авторы
 4
ГЛA BA 1
ИСТОКИ И ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ СТАНОВЛЕНИЯ БИОЛОГИИ ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ
Биология индивидуального развития — это область, формирующаяся в последние десятилетия путем синтеза ряда биологических дисциплин — эмбриологии, генетики, цитологии, биохимии и физико-химических направлений биологии (молекулярная биология, биоорганическая химия, биофизика). Процесс синтеза этих достижений в рамках биологии развития еще продолжается, и пока существует много неясного в вопросах о роли и вкладе той или иной дисциплины, их взаимоотношениях. Возникает, в частности, вопрос, имеется ли у такой широкой по профилю, многоплановой области науки единая методология и единство в понимании целей и задач, необходимых для любой научной дисциплины. Дискуссии по поводу этих вопросов будут продолжаться до тех пор, пока в рамках этой области продолжается объединение методов и знаний разнообразных дисциплин вокруг общей задачи — познания фундаментальных принципов и механизмов индивидуального развития живых существ всех уровней организации и разработка на этой основе методов управления воспроизводством и онтогенетическим развитием.
Как сориентироваться в современной биологии индивидуального развития, в ее методологии, как определить будущее этой науки, выделить главные ее тенденции? Понять будущее науки помогает анализ прошлого, в данном случае — история становления биологии индивидуального развития, выявление ее истоков, роли и вклада в нее отдельных дисциплин. Методология, основные цели и задачи биологии индивидуального развития на протяжении длительного времени формировались главным образом в области эмбриологии с ее многовековой историей борьбы, которую вели сторонники прогрессивной научной мысли. В современную эпоху эмбриология также остается основой биологии развития, потому что ей в наибольшей мере свойственны синтетический подход, понимание значения категорий целостности в индивидуальном развитии. Таким образом, эмбриология, вложив в биологию индивидуального развития основные методологические принципы и объединяя вокруг себя аналитические . науки, направляет их достижения на решение главной задачи — раскрытие закономерностей индивидуального развития целостной живой системы. Остановимся на некоторых этапах истории эмбриологии.
Эмбриология — одна из наиболее древних наук. На протяжении длительной истории эта наука, олицетворяя глубокий интерес человека к тайнам зарождения живых существ, впитывала научно-технические и идейно-философские достижения, способствовала формированию научной идеологии.
5
Вопросы зарождения и развития новых особей были предметом многочисленных религиозных легенд и мифов. Не останавливаясь на этих моментах предыстории, а также на сведениях о примитивных эмбриологических представлениях в Египте и Древнем Востоке, обратимся к Древией Греции — стране, где впервые в истории человечества началась осознанная работа над теоретико-философскими основами наук.
Древнегреческому врачу и философу Гиппократу (460— 377 г. до н. э.) приписывают сборник, в котором содержатся первые научные высказывания о развитии эмбрионов и факторах формообразования. В своих воззрениях Гиппократ основывался на предположении, что зародыш строится под действием «внутреннего огня»; части, более податливые огню, выгорают и на их месте образуются полости, другие — лишь ссыхаются и уплотняются и из них получаются стенки полостей. Б результате возникают, например, органы пищеварительного тракта. По мнению Гиппократа, явления органического развития вполне можно объяснить свойствами неорганической материи. Кроме того, в их основе заложены принципы, которые позже стали характерны для концепций преформизма. Отличительная черта пре-формационных концепций — признание существования изначальных различий между частями зародыша (у Гиппократа — различия в «податливости» к огню) и мнение, что «отделение частей» (дифференцировка) происходит лишь в некоторый начальный момент развития, а в дальнейшем разделившиеся части только растут.
Во многом своеобразными были взгляды одного из величайших мыслителей древности, основоположника естественных наук Аристотеля (384—322 до н. э.). Эмбриологические факты, которыми располагал Аристотель, и его воззрения на развитие жизни подробно изложены в сочинении «О возникновении животных». Аристотель знал о развитии куриного зародыша уже почти все, что можно увидеть без специальной обработки н невооруженным глазом. Он имел немалые сведения по анатомии и физиологии организмов. Однако огромное влияние Аристотеля на последующую науку связано не столько с его фактическими наблюдениями, сколько с теоретико-философскими представлениями. Аристотель счел недостаточными для объяснения развития те, по современной терминологии, «механистические» причины, к которым сводил развитие Гиппократ. По Аристотелю, все природные явления определяются не только наличием нужного «неоформленного» материала («материальная причина») и начальным толчком («действующая причина»), но также «формальной (финальной) причиной» развития. Последняя есть «цель» данного процесса, та форма, к которой этот процесс стремится.
Б противоположность Гиппократу Аристотель считал (и аргументировал конкретными примерами), что органы возникают не все сразу, а постепенно, один вслед за другим из бесструктур-
б
иой вначале массы. Такое представление сделало Аристотеля основателем эпигенеза — противоположного преформизму учения о постеленном развитии, связанном с усложнением организации.
Первые после античной эпохи систематические наблюдения за развитием зародыша цыпленка относятся, по-видимому, к концу XVI в. и принадлежат итальянскому натуралисту У. Аль-дрованди (1522—1605). Вслед за ним еще более подробные описания дали его ученик В. Койтер (1534—1576) н Д. Фабриций (1533—1619). Последний описал и изобразил зародышей многих позвоночных, но его работы имели скорее анатомический характер и не давали представлений о последовательном ходе развития.
Огромное значение для развития эмбриологии, как и всей биологии, сыграло появление в начале XVII в. первых микроскопов. С необозримым миром микроскопических объектов, открывшимся исследователям, знакомились бессистемно. Из числа первых исследователей, применивших микроскоп, были голландцы А. Левенгук (1632—1723) и Я. Сваммердам (1637— 1680), итальянец М. Мальпиги (1628—1694). Одно из важнейших открытий в эмбриологии — обнаружение Левенгуком сперматозоидов в 1677 г. Этот же исследователь изучал партеногенез у тлей. Сваммердаму принадлежат первые работы по метаморфозу насекомых, а Мальпиги — по многим вопросам микроскопической анатомии, а также органогенезу зародыша курицы. Быстрое накопление фактического материала оживило и теоретические аспекты эмбриологии; возникло стремление осмыслить полученные факты. С этого времени и на протяжении более двухсот лет теоретическая работа в эмбриологии концентрировалась вокруг борьбы двух зародившихся еще в античные времена основных идейных течений — преформизма и эпигенеза.
Если представить себе изумление первооткрывателей микромира, увидевших множество тончайших структур там, где невооруженный глаз ничего не различал, а также если учесть специфику развития наиболее доступных для них объектов — метаморфизирующих насекомых, нетрудно понять, почему в этот период, несмотря на огромный по тому времени технический прогресс, предпочтение отдавалось не эпигенезу, а преформизму. Действительно, основной тезис древних эпигенетиков о том, что наиболее ранние зачатки зародыша бесструктурны, легко опровергался данными микроскопии, которые свидетельствовали о существовании микроструктуры в ранних зачатках. В особенно яркой форме детальные микроструктуры, предвосхищающие организацию взрослых особей, обнаруживались в личинках и куколках насекомых, в бутонах растений. Широкое распространение получил рисунок, изображающий внутри сперматозоида готового «человечка» (рис. 1), Первоначально считалось, что авторы рисунка действительно видели в сперматозоиде «чело-
7
матозоид). пыли и
Рис. 1. Фантастические изображения сперматозоидов человека преформистами - анималькулистами (по Дж. Нидхему, 1947)
вечка» со всеми органами, позже возникло мнение о чисто символическом характере таких изображений. Но эти различия не так существенны. Сторонников мнения, что все детали строения предшествуют и предраспределены в сперматозоиде, стали называть преформистами-анималькулистами (animalculum — спер-преформисты-овисты, считавшие, что организация будущей особи полностью представлена в яйце. Поводом к этому послужило открытие партеногенеза.
Итак, преформизм XVII в.— это учение, возникшее в основном благодаря необоснованной экстраполяции только что полученных микроскопических данных и утверждающее, что все детали строения будущего организма предшествуют и предраспределены с самого начала развития в том же пространственном порядке, в каком они расположены у взрослого животного. Преформисты не допускали новообразование частей, а лишь их рост.
Если быть последовательным преформистом, необходимо допустить, что в яйце или сперматозоиде заготовлена структура организма не только ближайшего, но и всех последующих (потенциально бесконечного числа) поколений. Но такое допущение не казалось преформистам абсурдным. Оно было высказано в виде широко распространенной «гипотезы вложения», согласно которой тела потомков действительно вложены друг в друга, как матрешки. Некоторые только что открытые явления, например личиночное (в теле личинки обнаруживали зародыша
будущего поколения), рассматривались как прямое подтверждение этой гипотезы. Сторонником гипотезы вложения был, в частности, немецкий философ и математик Г. Лейбниц.
Решительный поворот в эмбриологии был осуществлен в 1759 г. петербургским академиком Каспаром Фридрихом Вольфом (1734—1794). В этом году Вольф представил свою диссертацию под названием «Теория зарождения».
В те времена господствовало мнение физиолога и анатома А. Галлера о том, что трубчатые и мешкрподобные структуры зародыша (например, его кишечник) с самого начала имеют такую же форму, но это трудно заметить из-за тонкости стеиок и их плотного слипания. Позже происходит их простое раздувание. Такое толкование строго соответствовало преформационной теории.
Вольф установил совершенно иное. Кишечник, а также за
*
размножение у тлей
чаток нервной системы сначала представляют собой пласты, которые лишь позже скручиваются в трубки. В ходе развития образуются новые формы. По сути дела Вольф открыл формообразование и тем самым дал первый позитивный и неопровержимый аргумент в пользу эпигенеза. Судьба этих, казалось бы, столь ясных работ была трудной. Под давлением господствующих авторитетов выводы Вольфа отвергались, и его работы были на некоторое время забыты.
Надо сказать, что еще при жизни Вольфа с весьма остроумными доводами в пользу эпигенеза выступил немецкий профессор И. Ф. Блюменбах (1752—1840). Он впервые указал на несовместимость с преформизмом всевозможных случайных новообразований (например, галлы у растений) или регенерации гидры из любого, произвольно выбранного участка тела. О большой его наблюдательности и прозорливости свидетельствует то, что он обнаружил регуляции формы организма, не связанные с его ростом. Так, целая гидра восстанавливается из своей продольной половинки простым схождением краев разреза, тогда как, по убеждениям преформистов, такой процесс должен быть обязательно связан с ростом. Таким образом, для Блюменбаха, как и для Вольфа, одним из основных аргументов против преформизма было обнаружение «чистого», не связанного с ростом формообразования. Но несмотря на эти единичные догадки уровень естественных наук не позволял еще обрести им прочную основу. Дальнейший прогресс в эмбриологии позвоночных связан с именами М. Ратке (1793—1860), X. Пандера (1794—1865) и К. Бэра (1792—1876). Пандер в 1817 г. впервые описал зародышевые листки. Он иашел, что зародыш цыпленка на определенной стадии состоит из трех пластов: наружного — серозного, самого глубокого — слизистого и промежуточного — кровяного. К. Бэр распространил этот структурный принцип на всех позвоночных, обнаружив такие же листки в развитии рыб, лягушки и черепахи. Однако у зародышей птиц он насчитывал четыре листка, считая за отдельный листок каждый из двух слоев, на которые в ходе развития расслаивается мезодерма. Таким образом, Бэр установил единство плана строения зародышей разных классов позвоночных. Это привело его к важнейшему обобщению — «закону зародышевого сходства». Бэр утверждал, что зародыши разных видов, относящихся к одному типу, более сходны между собой, нежели взрослые формы, и что их видовые различия в ходе развития постепенно нарастают. Иными словами, сначала в развитии проявляются черты типа, потом класса и т. д.
Бэр — автор многих важнейших открытий. Он впервые правильно описал яйцо млекопитающих и человека (1827) и хорду зародышей позвоночных.
В споре преформистов с эпигенетиками Бэр занимал осторожную промежуточную позицию. Всецело соглашаясь с фактическими выводами Вольфа, он выступал против утверждений
о полной «бесструктурности» ранних закладок. Бэр подчеркивал преемственность каждого этапа развития — от более простого к более сложному. По его словам, развитие есть ие пред-образование, ие новообразование, а преобразование. Такая точка зрения полностью подтверждена последующим ходом развития науки.
Следующий важнейший идейный перелом в эмбриологии, как и вообще в биологии, связан с выходом в свет в 1859 г. «Происхождения видов» Ч. Дарйина. Дарвинизм прежде всего подрывал главную опору телеологического мировоззрения, указывая на относительность органической целесообразности и на возможность достижения ее методом «проб и ошибок» (теория естественного отбора). Именно это произвело наибольшее впечатление иа современников. Но не только этим своим аспектом дарвинизм повлиял на развитие эмбриологии, Наряду с палеонтологией и сравнительной анатомией Дарвин обращался к эмбриологии в поисках подтверждения своей эволюционной теории. По его словам, «...в высшей степени вероятно, что зЭ' родышевые или личиночные стадии многих животных более или менее ясно указывают иа строение прародителя всей группы в его взрослом состоянии».
Таким образом, Дарвин предлагал эволюционное истолкование закона Бэра. В более категоричной форме это же положение было выражено в биогенетическом законе Э. Геккеля (1834— 1919): «онтогенез есть краткое повторение филогенеза».
Гипотеза Дарвина оказалась мощным стимулом к эмбриологическим исследованиям. На основе эволюционной теорий ученые разных стран за считанные годы выяснили развитие обширных, ранее совершенно не изученных групп организмов. Среди них первыми были русские эмбриологи А. О. Ковалевский (1840—1901) и И. И. Мечников (1845—1916). Особое значение имели работы Ковалевского по развитию ланцетника и асцидий, в которых были продемонстрированы сходные черты в развитии позвоночных и беспозвоночных животных. Эти исследования способствовали укреплению взглядов на эволюцию как на сквозной монофилетический процесс. А. О. Ковалевский — один из основоположников теории зародышевых листков.
В 70—80-е годы XIX в. зародилось новое направление эмбриологии, явившееся до некоторой степени реакцией на господство филогенетических принципов. В противоположность Геккелю его создатели подчеркивали необходимость изучения непосредственных причин развития с применением специальных экспериментов. Началось формирование аналитической и экспериментальной эмбриологии, внесшей наибольший вклад в изучение факторов и механизмов индивидуального развития. Основоположниками этого направления были немецкие ученые В. Гис (1831 —1904) и В. Ру (1850—1924). Зарождение аналитического направления в эмбриологии связано с деятельностью В. Гиса, анатома и эмбриолога, который первым стал внедрять в эмбри
10
ологию методы химии и физики. Неоценимое значение этих фундаментальных для биологии наук полностью раскрылось в наше время. Так, Гис указывал на важность выяснения механических сил, вызывающих изменения формы развивающегося зародыша, т. е. процессов морфогенеза (см. гл. 8). Ои стремился исследовать самые ранние стадии зародышевого развития (морфогенез которых, как известно сейчас, происходит на уровне макромолекул) и выявить их роль в возникновении зачатков и органов на последующих стадиях. Тем самым В. Гис создал основы аналитической эмбриологии, одна из задач которой—целенаправленный анализ ранних стадий развития органов и тканей, выявление их еще незримых, неоформившихся зачатков. В. Гис считал, что невидимые предшественники будущих органов локализованы в еще недифференцированном зародыше и даже в яйце не беспорядочно, а пространственноупорядоченно, так, что их можно картировать. Это правило применительно к зародышу он назвал принципом органообразующих участков. Тем самым В. Гис способствовал развитию преформистских идей, явившись одним из тех, кто способствовал возрождению этого направления в новых условиях, т. е. появлению неопреформизма. Вместе с тем, говоря, что рост ранних зачатков «...происходит без соответствия с первоначальным отношением размеров», он отступал от крайней формы преформизма.
Следующим этапом в развитии новых тенденций в эмбриологии был каузально-аналитический подход. Его создатель В. Ру — крупнейший экспериментатор, оказавший большое влияние на развитие цитологии, генетики и особенно эмбриологии. В. Ру считал, что для раскрытия механизмов развития недостаточно чисто аналитического описания нормального развития, а необходимы эксперименты, для того чтобы установить причинно-следственные взаимоотношения между частями, выявить факторы, которые определяют, детерминируют пути развития частей зародыша и их дифференцировку. Таким образом, в основу своей методологии В. Ру положил эксперимент, а главной его задачей провозгласил поиск и анализ причинных факторов, определяющих развитие. Ои считал, что факторы, детерминирующие зачаток, могут быть как внутри, так и вне его, и в зависимости от этого механизм их действия неодинаков. В первом случае («самодифференцировка») для развития зачатка достаточно общих благоприятных условий, во втором случае («зависимая дифференцировка») необходимо воздействие фактора извне. Он считал, что нужно выяснить не только локализацию фактора, ио и время его действия, т. е. пространственно-временные параметры действия факторов, определяющих развитие каждого зачатка. Чтобы решить эту задачу, нужно искусственно изменять окружение зачатка. Таким образом, В. Ру разработал теоретические основы проблем детерминации, дифференцировки и их факторов (см. гл. 7, 9).
11
В конкретных исследованиях В. Ру исходил из представления, что развитие зародыша — это высокодетерминированный процесс, где нет места случайному или неопределенному, и задача состоит в том, чтобы, описав все звенья развития, выявить в эксперименте имеющиеся между ними причинно-следственные отношения. Направление исследований В. Ру было материалистическим, но с сильным уклоном в сторону механицизма. Принижая значимость специфики живого, В. Ру внедрил в эмбриологию тот самый каузально-аналитический детерминизм, который сыграл большую роль в развитии точных наук, прежде всего механики, и предложил для своего направления название «механика развития». Несмотря на ограниченность, механика развития достигла огромных успехов в 20—30-е годы нашего столетия. Теоретические основы механики развития и каузально-аналитического метода вообще были близки к преформизму, что определило характер экспериментальных исследований и интерпретацию результатов.
В ранний период своей деятельности, в 1887 г., Ру задался целью выяснить, зависимо ли друг от друга развитие первых двух клеток (бластомеров), на которые делится сразу после оплодотворения яйцо лягушки. Он разрушил раскаленной иглой один из бластомеров и обнаружил, что из второго образуется вполне нормальная, но лишь половина зародыша лягушки. Помимо вывода о независимом развитии двух первых бластомеров этот опыт подтверждал преформистские взгляды н послужил одним из первых оснований «мозаичной теории» В. Ру, согласно которой зародыш — это мозаика из уже готовых зачатков. Эта теория была созвучна представлению Гиса об «органообразующих участках». Хотя на первых порах работы В. Ру сильно укрепили позиции неопреформизма, сам он не был стойким преформистом. Так, отмечая, что развитие — это образование «видимого разнообразия» из невидимого, он в отличие от В. Гиса уклонялся от однозначного ответа на вопрос, задано ли «невидимое разнообразие» с самого начала. Более того, когда в последующем аналогичными экспериментами было выяснено, что «мозаицизм» сосуществует с отсутствием такового, он все больше склонялся к признанию эпигенетического принципа развития.
Укреплению эпигенетического принципа развития в большой мере способствовали эксперименты Г. Дриша (1867—1941), который идеологически занимал прямо противоположную позицию. В одном из экспериментов Г. Дриш воспроизвел опыт В. Ру, но использовал иной технический прием: он отделил друг от друга два бластомера морского ежа, показав, что каждый из них способен развиться в полноценный организм. В последующем аналогичные результаты были получены на множестве других объектов. Способность части зародыша развиться в целостную особь, т. е. компенсировать отсутствующую часть, Дриш назвал эмбриональной регуляцией (см. гл. 7),
12'
Открытие эмбриональной регуляции было событием величайшего значения, но сильно затруднило дальнейшее применение каузально-аналитического подхода. С позиций сегодняшнего дня можно сказать, что оба подхода имели огромное значение и в принципе не противоречили, а дополняли друг друга и, если отбросить крайности, которые были в каждом из них, представляли собой диалектическое единство.
Историческая заслуга Дриша состоит в том, что он проанализировал открытую им эмбриональную регуляцию развивающегося зародыша и сформулировал известный, носящий его имя закон о том, что путь развития части зародыша есть функция положения этой части относительно целого. Однако общее состояние современной Дришу науки не позволило ему продвинуться дальше самых общих формулировок.
Направление, намеченное В. Ру в экспериментальной эмбриологии, наибольшее воплощение нашло в работах школы Г. Шпе-мана (1869—1941). Уже в начале века, в 1901 г., Г. Шпеман в эксперименте по разделению раннего зародыша тритона получил результат, подтверждающий одновременно и мозаичную теорию В. Ру, и концепцию эмбриональных регуляций Г. Дриша. Оказалось, что дальнейшее развитие разделенных частей зависит от того, в какой плоскости зародыш расчленяется. (Подробнее об опытах этого рода и об условности противопоставлений детерминированности и регуляционности развития будет сказано в гл. 7.) В последующие десятилетия Г. Шпеман и его сотрудники провели широкие эксперименты по выяснению значения взаимодействия частей зародыша в определении их будущего пути развития, т. е. фактически продолжали разрабатывать методологию В. Ру и Г. Дриша. Г Шпеман экспериментально продемонстрировал, что именно в процессе взаимодействия частей детерминируется направление их последующей дифференцировки. Как логическое звено этих целенаправленных исследований роли взаимодействия частей зародыша в 1924 г. в лаборатории Г. Шпемана было обнаружено явление эмбриональной индукции (см. гл. 7). Это было одним из крупнейших открытий в биологии первой половины XX в. Как и в первых экспериментах с разделением зародыша, явление индукции показывало, что детерминация и регуляция — два взаимодополняющих фундаментальных принципа индивидуального развития целостной живой системы. Выяснилось, что процесс индивидуального развития зависит от множества переплетающихся внутренних и внешних факторов.
В разработке такого понимания процессов развития, при котором одна и та же система факторов развития зародыша определяет и ее целостность, и ее дифференциацию на части, важная заслуга принадлежит советскому биологу А. Г. Гурви-чу (1874—1954). Он искал такие факторы, действием которых можно было объяснить интегрированность процессов развития, их пространственную организацию.
13
Гурвич начинал свою научную деятельность под сильным влиянием идей Дриша, но не разделял его взглядов на непознаваемость целостных факторов развития. Он описывал эти факторы и их отношения с частями организма в точных математических выражениях, что для того времени (начало XX в,) было новым и непривычным. Гурвич первый ввел статистические методы в эмбриологию и обнаружил явление «нормировки» клеточных делений в целом организме, а также участие случайных событий в развитии. Ему принадлежат первые математические модели развивающихся систем, в ряде отношений предвосхитившие современные. Своей основной целью А. Г. Гур-внч считал построение теории биологического поля, которую он постоянно видоизменял и совершенствовал, стремясь найти все более точные и близкие к физике формулировки взаимодействия частей в развивающемся организме. (Эта теория и ее отношение к современным представлениям рассматриваются в гл. 11.)
Новый этап в изучении механизмов развития связан с исследованиями школы М. М. Завидовского, создавшего направление, названное им динамикой развития. Завидовский придавал большое значение физиологическим аспектам развития, гуморальной среде, гормонам и т. д.
Постепенно формировалось направление «химической эмбриологии» (Дж. Нидхем), интенсивно развивались цитология и генетика индивидуального развития. Все это открывало новые возможности для более детального изучения различных сторон индивидуального развития, для углубления в детали процессов. Вместе с тем основные принципы и категории науки об индивидуальном развитии, ее методология, сформированные в аналитической и экспериментальной эмбриологии, остались непоколебимыми, определяя и в дальнейшем главные направления поисков. Это не означает, что принципы и категории развития, сформированные в рамках экспериментальной эмбриологии, не испытали сильного влияния со стороны других дисциплин. Напротив, такое влияние было значительным и без его рассмотрения нельзя понять истинную историю и логику становления современной биологии индивидуального развития.
Одно из важных направлений эмбриологии, возникшее в СССР, связано с именем Д. EL Филатова (1876—1943), Филатов обосновал сравнительно-морфологический подход в экспериментальной эмбриологии, который был направлен на устранение накопившихся к этому времени противоречий между сравнительно-эволюционной и экспериментальной эмбриологией, Он ввел представление о «формообразовательном аппарате» как системе двусторонних взаимодействий между индуктором и реагирующей тканью, первым отметил иеспецифичность ранних этапов детерминационного процесса, обосновал (одновременно с Г. Шпеманом и Ф. Леманом) принцип комплексности развития. Д, П. Филатов создал крупную школу советских эмбриологов-
14
экспериментаторов, из которых многие (В. В. Попов, Т. А. Дет-лаф и др.) внесли существенный вклад в науку.
Из других выдающихся советских эмбриологов следует отметить П. П. Иванова (1878—1942) — автора теории о ларвальном и пост ларвальном отделах тела первичноротых, которая в наше время успешно применена к позвоночным животным; П. Г. Светлова (1892—1974), высказавшего глубокие идеи о взаимоотношении целостных и «элементаристических» подходов в биологии развития; Г. А. Шмидта, исследовавшего ряд проблем сравнительной эмбриологии беспозвоночных и позвоночных животных; Б. П. Токина, развивающего учение о соматических эмбриогенезах, а также Г. А. Кнорре, Л. Я. Бляхера, Г. В. Лопашова и др.
В отношении формирования современных представлений об индивидуальном развитии большую роль сыграли цитологические и генетические исследования, которые к 30—40-м годам все более тесно смыкались с экспериментально-эмбриологическим направлением.
В конце XIX в. при зарождении экспериментальной эмбриологии, когда создавались первые представления о принципах индивидуального развития, эмбриология, цитология и генетика были неразделимы. Достаточно сказать, что один из основоположников современной генетики, Т. Морган, 20 лет посвятил эмбриологии. Это было время, когда яйцеклетка с ее способностью превратиться в сложную многоклеточную особь приковывала к себе внимание и цитолога, ибо она по структуре и свойствам мало отличима от любой клетки, и специалиста, интересующегося проблемами наследственности, ибо в яйцеклетке заключены потенции к формированию сложного организма, и эмбриолога, ибо с нее начинается индивидуальное развитие. Научной проблемой, вокруг которой сконцентрировались исследования, была проблема природы, происхождения и локализации в яйцеклетке факторов, которые определяют развитие и дифференцировку множества признаков взрослой особи. Первой, сугубо абстрактной рабочей концепцией была гипотеза пангенезиса Ч. Дарвина, предложенная им в 1869 г. в .книге «Изменение животных и растений в домашнем состоянии». Согласно Дарвину, факторы («геммулы»), определяющие будущие признаки, распределены в органах'и тканях взрослой особи, откуда стекаются в половые клетки и воспроизводятся при развитии новой особи. Рациональной в этой гипотезе была идея о том, что в половой клетке содержится набор факторов, определяющих все свойства будущего организма. Эта идея стимулировала дальнейшие изыскания, которые, однако, отвергли предложенный Дарвином механизм происхождения этих факторов. Первым проверил эту гипотезу Ф. Гальтон, который в 1871 г. экспериментально доказал ошибочность предположения об участии органов и тканей в формировании потенций яйцеклетки. Он переливал кровь кроликов с черной окраской кроликам с белой ок
15
раскоЙ, не получив изменений окраски в потомстве реципиента. В работах других исследователей основное внимание было сосредоточено на выяснении природы наследственных факторов. На первом этапе, когда цитология еще накапливала фактический материал о строении клетки, в том числе половых клеток (об их образовании, процессе оплодотворения и т. д.), проблема наследственных факторов решалась с абстрактных позиций. В 1884 г. ботаник К. Негели предложил концепцию «идиоплазмы» — гипотетической субстанции, определяющей наследственные потенции. Исходя из посылки, что сперматозоид и яйцо, сильно отличаясь по массе, обладают одинаковыми наследственными потенциями, он пришел к выводу, что в половых клетках и всех клетках тела, возникающих из них, существуют два типа веществ; идиоплазма, определяющая наследственность (ее количество одинаково в сперматозоиде н в яйцеклетке), и трофоплазма, играющая роль в процессах питания клетки, ее трофики (считалось, что ее количество в разных клетках может быть неодинаковым). Эта идея была подхвачена и вскоре успехи в изучении строения клетки привели к тому, что ядро, точнее хроматин, стал рассматриваться как материальный носитель наследственной субстанции—идиоплазмы. Кстати, одним из тех, кто с отчетливостью установил эту связь, был В. Ру, КО' торый в тот период изучал процесс непрямого деления (митоза). В своей работе «О значении фигур деления ядра» (1884) он указывал на то, что деление — это механизм распределения ядер-ного материала. Он допускал, что механизм деления способен и к равному, и к неравному распределению хроматинового материала ядра, т. е. наследственной субстанции.
Идея о том, что хроматин ядра — носитель наследственных потенций (идиоплазма), нашла свое место в работах О. Герт-вига, Э. Страсбургера (1884), Г. де Фриза и А. Вейсмана. В учении Вейсмана эта идея приобрела наиболее законченную форму, насколько это было возможно в то время. Обобщив достижения предшественников и единомышленников, Вейсман развил ее в своей теории «зародышевой плазмы», В принципе это была та же теория идиоплазмы Негелн, но Вейсман довел ее до законченной формы, дополнив целым рядом новых идей. Первая из них-—это идея о неравноценности половых и соматических клеток, согласно которой «зародышевая плазма» сосредоточена только в половых клетках, а соматические клетки— лишь продукт ее реализации. Особое место в учении Вейсмана занимает идея о «непрерывности» зародышевой плазмы. Эта идея исходила из двух принципов; 1) зародышевая плазма сосредоточена в хромосомах половых клеток; 2) только часть зародышевой плазмы реализуется в течение индивидуального развития в соматических клетках, остальная часть в неизменном виде передается половым клеткам новой особи н далее — в ряду поколений. Из этой концепции, в частности, следовал вывод о ненаследуемости благоприобретенных признаков, кото-
16
рый ближе к сегодняшним представлениям, тогда как предшественники Вейсмана считали, что благоприобретенные признаки наследуются.
Каким же образом зародышевая плазма определяет многочисленные признаки развивающегося организма, его дифференцировку? В этом вопросе Вейсман, как и Ру, большое значение придавал клеточным делениям. Он считал, что существуют два типа делений — «равнонаследственные» и «неравноиаследствеи-ные». При втором типе делений наследственное вещество распределяется по дочерним клеткам неравномерно, что создает между ними различия и дифференцирует их. В результате длительной серии неравнонаследственных делений исходный набор наследственных факторов — детерминантов — распределяется в разных клетках. Суть этой идеи, таким образом, состоит в том, что только половая клетка обладает полным набором детерминантов, тогда как в процессе развития в соматические клетки передается все более ограниченная их фракция и в конечном счете каждая клетка взрослого организма оказывается носителем лишь одной детерминанты, определяющей специфику этой клетки. Противопоставление половых и соматических клеток — главная методологически неверная линия гипотезы Вейсмана.
Идеи Вейсмана о зародышевой плазме, неравнонаследственном распределении детерминантов в основе оказались неверными, но в тот период имели огромное влияние на последующие поколения исследователей в этой области н надолго определили направление экспериментальных исследований. Нельзя не упомянуть и о том, что Вейсман задолго предсказал одно из крупнейших открытий в биологии — редукцию хромосом в половых клетках (см. гл. 3),
Итак, в течение последних десятилетий XIX в. была установлена важная роль ядра в наследственности, что в дальнейшем предопределило одну из центральных проблем биологии — проблему роли ядра и цитоплазмы в развитии. Хотя вывод о том, что наследственные потенции сосредоточены в ядре (хроматине), был верным, эта проблема только начинала разрешаться. Но уже тогда высказывались идеи о том, что цитоплазма также играет определенную роль в наследственности. Ряд исследователей (например, Де Фриз) пришли к выводу, что наследственное вещество — идиоплазма — частично может выходить в цитоплазму и реализовать свои потенции здесь (а не в ядре). Роль цитоплазмы в наследственности раскрылась значительно позднее, а сама проблема о роли ядра и цитоплазмы постепенно преобразовалась в проблему их взаимодействия. Это произошло в 30-е годы, когда вновь повысился интерес к проблемам биологии клетки как к важному аспекту индивидуального развития.
В начале XX столетия резко усилилось внимание к проблемам наследственности. В 1900 г. Г. де Фриз, К- Корренс и К. Чер-ма^цанокст -’сггкрТ)Мги‘-';^акопы наследования дискретных при-
S g	Д з 51 р к д у :i	'
[Зцказ 645	«т
Г1 Б1БЛ1ПТЭКА1 1
i 5 7 2 С 0 4	17
знаков, описанные еще в 1865 г. Г. Менделем и оставшиеся ^неизвестными. Начались исследования в области мутагенеза. В 1906 г. У. Бетсон вводит понятие генетика, а в 1909 г. В. Иогансен — понятие ген, которое сразу же вытеснило не •очень удачные названия единиц наследственности — фактор, детерминант. К этому времени уже не вызывало сомнений, что местом локализации генов являются хромосомы, которые имеют сложное строение, обусловленное характером расположения генов н их распределением в процессе деления. Формировалась цитогенетика, занимающаяся изучением цитологических основ генетики, главным образом морфологии, структуры, функций и изменений хромосом.
Значительный вклад в выяснение роли хромосом в наследственности был внесен трудами эмбриолога Т. Бовери. Еще в 1888 г. он сформулировал теорию индивидуальности и непрерывности хромосом, установив закон постоянства числа хромосом у видов и правило, согласно которому зигота и все соматические клетки содержат наборы материнских и отцовских хро-'.мосом. Он же показал, что хромосомы ие исчезают, а сохраняют свою индивидуальность в фазе покоя клетки.
Мысль о тонкой связи между структурными компонентами хромосомы и наследственностью была отчетливо выражена в книге Э. Вильсона «Клетка в развитии и наследственности» (1896). Автор рассматривал хромосому как нить, построенную из последовательно расположенных, качественно различных элементов, определяющих наследственность. Эти элементы обладают индивидуальностью и генетической непрерывностью. В процессе митоза хромосомная нить продольно расщепляется •и ее материал поровну распределяется между дочерними клетками.
Окончательно роль хромосом как носителей генов утвердилась в хромосомной теории наследственности, создание и дальнейшее развитие которой связано с именем Т. Моргана н его учеников (К. Бриджес, Г. Меллер, А. Стертевант). Созданию этой теории и прогрессу цитогенетики и генетики во многом способствовало широкое использование в качестве объекта дрозофил — быстро размножающихся насекомых, личинки которых содержат «гигантские» (политенные) хромосомы. Возможность визуального изучения участков хромосомы (хромо-мер), размеры которых соизмеримы с размерами генов, особенности биологии (короткий жизненный цикл, возможность массового разведения в лабораторных условиях) этих животных позволили интенсифицировать генетические и цитогенетические исследования. Были сформулированы и обоснованы фундаментальные принципы — линейность расположения генов в хромосомах, сцепление, кроссинговер, аллельность, начата работа по составлению генетических карт хромосом. Вместе с тем именно ® этот период бурного развития генетика сильно отдалилась от проблем индивидуального развития, а проблема реализации
48	
генов в признаках была сведена к схематизированным отношениям «ген» — «фен» (признак), генотип (совокупность генов) — фенотип (совокупность признаков особи). Онтогенетический’ аспект взаимоотношений между генотипом и фенотипом разрабатывался очень слабо, в рамках формализованного направления, получившего название феногенетики (термин введен в 1918 г. В. Геккером). Феногенетика в принципе была важным направлением, установившим взаимосвязи между индивидуальным развитием и генетикой. Однако и эти связи касались главным образом морфологического описания признаков. Проблемы развития еще не могли в полной мере найти свое выражение в-генетике, которая была на пути становления. Прежние взгляды о жесткой детерминированности проявления гена в признаковое меньше оправдывались. Многие факты показывали, что отношения «геи — признак» сложнее и что проявление признака — процесс, проходящий через множество стадий и зависящий от условий. Поэтому признак может проявиться в разной степени. Эти новые представления одним из первых отчетливо выразил Б. Л. Астауров. Еще в 1927 г, он писал: «Реальное положение вещей находится в непримиримом противоречии с представлениями о жесткой запрограммированности процесса развития исходными условиями живой системы и окружающей среды». Как отражение этих новых представлений появились понятия (введенные в 1925 г. Н. В. Тимофеевым-Ресовским) ^пенетрантность» (процент особей в потомстве, несущих признак), «экспрессивность» (степень выраженности признака). Подверглось-сомнению представление и об автономности генов: развитие-признаков стало рассматриваться как результат их взаимодействия. В 1930 г.. Бриджес сформулировал теорию генного баланса, согласно которой в развитии признака важно соотношение, баланс генов. По Бриджесу, отдельный признак возникает в результате совместного действия всех генов. В этих переменах отражался огромный прогресс генетики, ее сближение с проблемами развития.
К этому времени значительного успеха достигли биологические науки, занимавшиеся изучением физико-химических и физиолого-биохимических основ жизни. В исследованиях этого-плана наибольшее внимание привлекали белки, с функциями которых связывались важнейшие, в том числе и наследственные свойства клетки.
В 1913 г. Э. Фишер доказал, что белки —это цепочки из аминокислот, соединенные обнаруженной им пептидной связью. К 1936 г. были открыты все аминокислоты, цз которых построены белки. В 30-х годах началось изучение пространственной структуры белков рентгеноструктурными методами. Огромных успехов достигла энзимология — наука о биокатализаторах. Уже давно было известно, что они представляют собой белки. Поскольку белки выполняют важнейшие функции в клетке, присутствуют и в цитоплазме, и в ядре, казалось очевидным, что 2*	‘ 4	19»
гены тоже должны иметь белковую природу. Это представление, очень скоро превратившееся в догму о белковой природе гена, впоследствии сильно затормозило прогресс в генетике.
Большую роль в формировании истинных представлений о природе гена, механизме его действия сыграли работы в области биохимической генетики. Первой экспериментальной рабо-той, которая положила начало биохимической генетике, были исследования А. Гаррода (1899—1910). Он обнаружил, что у больных алкаптонурией в крови и моче появляется красный пигмент— окисленная форма гомогентнзиновой кислоты (про-межуточный продукт окисления фенилаланина). Он предположил, что из-за генетического дефекта у этих больных отсутст* вует фермент, необходимый для дальнейшего химического превращения гомогентизиновой кислоты. Тем самым обнаружилась связь между конкретной энзиматической реакцией и наследственным дефектом. В дальнейшем эти исследования пополнялись новыми фактами о связи между деятельностью генов и ферментов. Однако биохимическая генетика как наука оформилась лишь с работы Дж. Бидла и Е. Татума, которые в 1940 г. выдвинули тезис «один ген — один фермент». Из него следовало, что каждый геи ответствен за появление в клетке одного определенного фермента и что действие генов опосредовано ферментами. В этой связи следует упомянуть и работы Р. Гольдшмидта. Создавая физиологическое направление в генетике, он способствовал тому, что действие гена стали понимать как физиолого-биохимический процесс. Важнейшей заслугой Р. Гольдшмидта является то, что он рассматривал функцию гена как определенную энзиматическую реакцию: гены ускоряют нли ослабляют скорость этих реакций и тем самым определяют свойства организмов. Одним из первых Гольдшмидт обратил внимание на важность количественной стороны деятельности генов, установив зависимость скорости реакции от «дозы» гена (по современной терминологии). Значение работ Р. Гольдшмидта для генетики очень велико. И хотя в 30—40-е годы еще нельзя было сказать, каким образом ген определяет скорость энзиматических реакций, является ли он сам энзимом или воздействует на него, работы в этом направлении прямо указывали на необходимость выяснения физико-химической природы гена. Прогресс в этой области тормозился отсутствием ясных, научно обоснованных знаний о молекулярных механизмах, лежащих в основе деятельности гена как единицы генетической функции, рекомбинации и мутации.
Физико-химическая природа гена была установлена в 1953 г., когда генетик Г. Уотсон и физик-теоретик Ф. Крик предложили щвою модель молекулярного строения ДНК. К этому времени исследователи были готовы уже отказаться от догмы о белко-.вой природе гена и было накоплено немало веских доказательств тому, что не белки, а нуклеиновые кислоты служат материалом, из которого построены гены.
'20
Нуклеиновые кислоты были открыты в 70-х годах XIX в., но на протяжении последующих десятилетий их изучали без какой-либо связи с проблемами генетики. Первооткрыватель нуклеиновых кислот Ф. Митер был учеником и племянником В. Гиса, который и рекомендовал ему изучать химию ядра и цитоплазмы. В 1869 г. Мишер выделил вещество ядра — нуклеин, а в 1889 г. Р. Альтман показал, что основу нуклеина составляет богатая фосфором органическая кислота, которую он назвал нуклеиновой. Таким образом, у истоков исследований нуклеиновых кислот оказался один из основоположников современной эмбриологии В. Гис. Есть свидетельства тому, что это было не случайно, так как интерес к физико-химическим аспектам биологии был характерен для методологии В. Гиса в целом.
Уже в работах Р. Альтмана, а в последующем А. Косселя было показано, что нуклеиновые кислоты находятся в комплексе с белками («альбумином»). Исследование нуклеиновых кислот не привлекало особого внимания вплоть до конца 40-х годов. К этому времени было выяснено, что существуют два типа нуклеиновых кислот, отличающихся по строению (см. гл. 2): ДНК и РНК. Первая сосредоточена в ядре, вторая — преимущественно в цитоплазме. Впервые о важной роли нуклеиновых кислот исследователи узнали из работ Т. Касперсона и Ж. Браше. Каспсрсон создал спектрофотометры, с помощью которых измерял содержание ДНК в клетке и в хромосомах. Эта техника, метод количественной окраски ДНК, предложенный Р. Фельгеном еще в 1924 г., а позднее биохимические методы определения количества ДНК в ядрах позволили установить одну из важных закономерностей — правило постоянства видового содержания ДНК и его кратного изменения в соматических клетках. В работах Браше было выявлено, что количество РНК в клетке коррелирует с уровнем синтеза белка, что указывало на направление поисков в выяснении функции РНК. Впервые генети* ческая функция нуклеиновых кислот была продемонстрирована в 1944 г. в работе О. Эвери, С. Мак Леода и М. Мак Карти. Еще в 1928 г. Ф. Гриффитс установил, что генетические признаки убитых пневмококков могут быть переданы живым пневмококкам. Это явление получило название трансформации. Позже из пневмококков было выделено вещество, ответственное за трансформацию. О. Т. Эвери н его сотрудники показали, что трансформирующий фактор представляет собой ДНК. Однако поскольку в любых препаратах ДНК содержатся белковые примеси, а догма о белковой природе вещества наследственности была еще сильна, эти результаты не были восприняты как указание на то, что ДНК — химическая субстанция генов. Для такого вывода потребовалось еще 10 лет, в ходе которых нуклеиновые кислоты, прежде всего ДНК, были подвергнуты тщательным химическим и физическим (реитгеноструктурным) исследованиям.
Ж.
Проблема взаимоотношений ядра и цитоплазмы, сформули-* рованиая в общих чертах в трудах цитологов и эмбриологов прошлого столетия, в начале XX в. была сведена к проблеме хромосомной локализации генов и к цитогенетическим аспектам. В 30-е годы начинается новый этап исследований роли ядра и цитоплазмы в механизмах наследственности и развития. В формулировании этой проблемы и ее разработке наиболее важную роль сыграли советские биологи Н. К. Кольцов, Б. Л. Ас-тауров и другие представители этой школы.
Еще в 20-е годы Н. К. Кольцов создал целое направление теоретических и экспериментальных исследований физико-химической природы и механизмов функционирования хромосомы как одного из клеточных органоидов. Его можно считать основоположником биологии клетки, и ему принадлежит заслуга в создании экспериментальной и физико-химической биологии в СССР.
Можно только удивляться, насколько верными, далеко опережающими свое время были методологические принципы, которыми руководствовался Н. К. Кольцов, призывавший к аналитическому исследованию клетки вплоть до молекул, но с обязательным синтезом полученных данных для правильного понимания роли элементарных структур в жизнедеятельности и в развитии целостной системы (клетки). Комплексный подход* глубокое чутье и прозорливость позволили ему в конце 30-х — начале 40-х годов высказать идеи об устройстве и репродукции хромосомы как самовоспроизводящейся гигантской белковой молекулы, способной строить себе подобную нз элементов окружающей среды. Эти идеи предвосхитили будущие открытия принципов матричного синтеза и механизмов редупликации. Он придавал большое значение конкретным физико-химическим условиям, в которых функционирует хромосома,— цитоплазме, призывая использовать достижения цитологии, биохимии и генетики для изучения обмена веществ между ядром и цитоплазмой. В соответствии с современными представлениями Кольцов считал, что ядерный материал может выходить в цитоплазму, придавая ей наследственные потенции («материнский эффект»).. Широта биологического подхода, понимание важности объединения достижений цитологии, биохимии, генетики, экспериментальной эмбриологии и физико-химических направлений, необходимости сочетания исследований на молекулярном уровне и на уровне целостной системы для разработки фундаментальных проблем биологии клетки —все это позволяет считать Н. К. Кольцова одним из создателей современной биологии индивидуального развития.
Идеи и направления работ Н. К. Кольцова успешно развивал его ученик—акад. Б. Л. Астауров, который уже в 30-е годы говорил о необходимости изучения ядерно-цитоплазматических отношений как основы деятельности генетического аппарата. В числе первых Б. Л. Астауров пришел к выводу о том, 22
что проявление гена — это сложный и отнюдь не заданный в полной мере процесс. Заметим, что только те биологи, которые своевременно оценили соотношение между закономерным и случайным в процессе развития и, в частности, в процессе реализации генетической информации, были ближе всех к современной диалектико-материалистической методологии и современным научным представлениям. Б. Л. Астауров был одним нз них.
Заслуга Б. Л. Астаурова состоит в том, что он первый разработал точные экспериментально-генетические подходы к изучению роли ядра и цитоплазмы в развитии признаков животных. Методы искусственного получения партеногенетического, андрогенетического и гиногенетического потомства (см. гл. 4), которые ои начал разрабатывать еще в 40-е годы, вошли в золотой фонд научно-прикладных достижений современной биологии.
В 50—60-е годы началось целенаправленное и широкое экспериментальное исследование роли ядерно-цитоплазматических отношений в развитии.
Усовершенствование микрохирургической техники позволи* ло существенно продвинуть разработку этого вопроса и использовать методы пересадок ядер дифференцированных клеток в яйцеклетки с целью выяснения их потенций в новом окружении. Наиболее важных результатов здесь достигли американские исследователи Т. Кинг, Р. Бриггс и английский эмбриолог Дж. Гердой.
В те же годы продолжалось исследование индукционных связей (С. Тойвоиеи, Л. Саксеи, П. Ньюкуп, К- Гробстайн и др.), был открыт целый ряд так называемых вторичных индукций (см. гл. 8) н интенсивно исследовалась их природа. Логика работ в этом направлении постепенно вела исследователей от межорганных к межклеточным взаимодействиям. Изучение механизмов межклеточных взаимодействий (см. гл. 10) и их роли в морфогенезе, дифференцировке и в осуществлении индукционных связей — одна из наиболее важных отраслей современной биологии, где экспериментальная эмбриология взаимодействует с цитологией и молекулярной биологией.
В 60-х годах произошел окончательный синтез экспериментально-эмбриологических, экспериментально-цитологических, генетических и физико-хнмнческих направлений, связанных с изучением процессов развития, и возникла самостоятельная область— биология индивидуального развития.
ГЛ А ВA 2
МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОЛОГИИ ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ
Молекулярная биология накопила обширную информацию о структуре и свойствах макромолекул, из которых построены клетки органов и тканей живых существ и чьи функции определяют их жизнедеятельность. Главные из этих макромолекул играют основную роль в процессах наследственности, т. е. известны как информационные макромолекулы. Ими являются белки и нуклеиновые кислоты. Сказанное не означает, что значение других химических компонентов клетки меиее существенно. Их свойства детально изучаются в органической химии и биохимии.
Белки
Белки представляют собой линейные полимеры, состоящие из аминокислот, соединенных друг с другом пептидной связью. Белки имеют сложную структурную организацию. Первым уровнем—первичной структурой определяется порядок чередования аминокислот в полипептиде. Следующий уровень-—вторичная структура— представлен двумя типами: а-спиралью и 0-струк-турой. а-Спираль — жесткое образование, скрепляемое продольными водородными связями между ближайшими атомами азота и кислорода карбоксильных и аминогрупп. В результате остов полипептида формирует правозакручениую спираль, а радикалы свободно располагаются вокруг. 0-Структура ~ это аи-типараллельиое расположение двух участков полипептида, сложенных вдвое и скрепленных поперечными водородными связями. В некоторых белках имеется только а-спираль или только 0-структура (в большинстве белков есть оба типа вторичной структуры).
Следующий уровень — третичная структура— трехмерная укладка частей полипептида. В некоторых случаях весь полипептид компактно организован в третичную структуру — глобулу. В ней имеются две основные части. Во внутренней части собираются а-спиральные гидрофобные участки, плотно прилегающие друг к другу и не оставляющие места для молекул воды. Это гидрофобное ядро — основа третичной структуры многих белков, прочно удерживающая ее конформацию от разрушающих действий окружающей среды. Снаружи от ядра расположен слой, где преимущественно находятся группировки, несущие заряд, т. е. участки, которые обеспечивают реакции белка.
Помимо названных гидрофобных сил третичная структура поддерживается водородными связями и силами Ван-дер-Ва-альса. Изредка встречаются ионные связи, возникающие в ре
24
зультате соединения двух цистеинов; образуется S—S-мостик (дисульфидная связь). Примером, где S — S-связи играют важную роль в стабилизации третичной структуры, может служить молекула рибонуклеазы: имеющиеся в ней 8 цистеинов образуют четыре S — S-мостика.
Четвертичная структура образована соединением двух или большего числа полипептидных цепей. Как правило, каждый из полипептидов (субъединиц), входящих в состав белка с четвертичной структурой, имеет все три уровня структурной организации. Лишь в редких случаях четвертичная структура скреплена ионными (дисульфидными) связями (в химотрипсине, инсулине). В большинстве белков с четвертичной структурой субъединицы соединены друг с другом участками с гидрофобными свойствами (гидрофобные площадки) и легко диссоциируют (при изменениях pH, в присутствии мочевины). В поддержании четвертичной структуры определенную роль играют, по-видимому, и водородные связи, а также силы Ван-дер-Ваальса.
Белки способны образовывать более сложные агрегаты, чем те, которые имеются на уровне четвертичной структуры. Эта способность к полимеризации, очень сильно выраженная у многих структурных белков, лежит в основе создания надмолекулярных структур — органоидов клетки, вирусных частиц.
Белки выполняют разнообразные функции, из которых основными являются следующие:
Структурные функции. Белки — составная часть всех органоидов клетки и всех вирусов. Структурные функции белки выполняют в комплексе с другими органическими соединениями— в основном с липидами, нуклеиновыми кислотами.
Защитные функции белка выражаются в том, что иммунная система осуществляет свои функции посредством антител, имеющих белковую природу.
Регуляторные функции. Белки регулируют многие процессы в клетках, хотя эти функции мало изучены.
Каталитические функции. Жизнедеятельность клеток и организмов основана на огромном количестве разнообразных химических реакций, которые ускоряются биокатализаторами — ферментами (энзимами). Химические процессы в клетках осуществляются с участием соответствующих ферментов. Так как ферменты в отличие от химических катализаторов обладают высокой специфичностью (каждый фермент катализирует одну, иногда 2—3 реакции) и в клетке протекают сотни биохимических реакций, в ней одновременно функционирует множество ферментов. Спектр ферментов определяет структурно-функциональные и физиолого-биохимические свойства клеток, а также процессы развития. Функция биокатализаторов зависит от условий среды — ионной силы, pH, температуры, химического окружения. Высокая чувствительность ферментов к условиям среды связана с тем, что они имеют белковую природу, а
25
физико-химические свойства белков (заряд, конформация, реакционная способность групп) весьма лабильны и подвержены изменениям.
Выделяют следующие виды белков.
Простые белки состоят только из полипептидов. Сложные белки — комплексы белков с другими органическими соединениями или с металлами. В образовании гликопротеидов участвуют различные сахара, липопротеиды — комплексы белков с липидами, металлопротеиды ~ с металлами (Zn, Си, Fe). Фосфопротеиды — белки, к которым присоединены остатки фосфорной кислоты. Нуклеопротеиды (НП) — комплекс щелочных белков с дезокси- и рибонуклеиновыми кислотами. Природа белкового компонента в дезоксирибонуклеопротеидах (ДНП) и в рибонуклеопротеидах (РНП) различна. В ДНП они представлены сильно щелочными белками, гистонами и протаминами. Их основная особенность — высокое содержание лизина, аргинина и гистидина, придающих белку значительное количество положительно заряженных группировок. Характер взаимодействия гистонов с ДНК сложен и полностью не раскрыт. В составе ДНП встречаются 5 молекулярных типов гистонов: Н2А, Н2В, НЗ, Н4, Н1. Четыре из них образуют сложную четвертичную структуру — нуклеосому — глобулу, состоящую из 8 молекул гистонов: (Н2А)г, (Н2В)2, (Н3)2, (Н4)2.
Протамины характеризуются еще большим содержанием лизина и аргинина и способны образовывать более прочные комплексы с ДНК в ядрах сперматозоидов, где они замещают гистоны.
Нуклеиновые кислоты
Химическое и физическое строение нуклеиновых кислот. В клетках функционируют два вида нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Они имеют много общего и некоторые важные отличия в строении.
ДНК. ДНК представляет собой линейный полимер, состоящий из мономеров — дезоксирибонуклеотидов, соединенных друг с другом фосфодиэфириыми связями. Дезоксирибоиуклеотид состоит из пятиуглеродиого сахара пентозы — дезоксирибозы, остатка фосфорной кислоты и одного из пуриновых (адении, гуанин) или пиримидиновых (тимии, цитозин) азотистых оснований. Кроме этих «канонических» оснований в ДНК в небольшом количестве (1—2%) встречаются неканонические основания, которые являются метил-(оксиметил) производными цитозина, адеиина. Нуклеотиды соединены между собой фосфодиэфириыми связями в цепи, где фосфорные мостики связывают 3'- и о/-углеродные атомы дезоксирибоз соседних нуклеотидов. В одном конце цепи остается неиспользованным 5'-, на другом — З'-углеродиый атомы. Первый конец полину-
26
структуры молекул
Рис. 2. Двухспиральная молекула ДНК
клеотида обозначается 5'-концом, второй — З'-концом полинуклеотида. Конкретная последовательность оснований от 5'-конца к З'-концу представляет собой первичную структуру полинуклеотида.
За редким исключением молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных полидезоксирибоиуклеотидных цепей. Еще до открытия Г. Уотсоном и Ф. Криком ДНК Э. Чаргафф показал, что в составе ДНК количество аденина (А) равно количеству тимина (Т), а количество гуанина (Г) равно количеству цитозина (Ц). Это послужило одной из отправных точек для построения Уотсоном и Криком модели физического строения двухнитевой молекулы ДНК, согласно которой аденин связан двумя водородными связями с тимином, гуанин — тремя связями с цитозином. Водородные связи (А—Т и Г=Ц) между цепями, а также гидрофобные взаимодействия между плоскостями соседних оснований в каждой цепи поддерживают цепи в составе двухнитевой молекулы ДНК. Таким образом, последовательности оснований, т. е. первичной структуре одной цепи, соответствует вполне определенная (с заменой А иа Т и Г на Ц), или комплементарная, последовательность оснований соседней цепи. Конформация молекулы ДНК, в которой две полидезоксирибонукле-отидные цепи спирально закручены относительно друг друга и стабилизированы водо
родными связями комплементарных оснований, а также межплоскостными взаимодействиями последних вдоль каждой цепи, представляет собой ее вторичную структуру (рис. 2). Параметры. спирали (шаг, число нуклеотидов в витке, расстояние между нуклеотидами) зависят от условий. Известно несколько конформационных типов молекулы ДНК-
С затратой энергии вторичная структура ДНК может быть разрушена. Этот процесс, сопровождающийся разъединением цепей, называют денатурацией ДНК- Разъединенные (денатурированные) цепи в благоприятных условиях (температура, ионная сила) способны вновь образовывать двухцепочечные молекулы в точном соответствии с принципом комплементарности. Воссоединиться могут и исходные пары денатурировавшей молекулы (ренатурация), и комплементарные цепи от разных молекул (молекулярная гибридизация). Способность полидезокси-нуклеотидных цепей образовывать совершенную вторичную структуру (методы реассоциации и гибридизации) широко используется в молекулярной биологии как тест на комплемен-тарность, позволяющий оценивать степень идентичности (гомо
27
логин) цепей ДНК разного происхождения по первичной структуре.
РНК. Полирибонуклеотидная цепь имеет такое же строение, как и полидезоксирибоиуклеотид, ио отличается тем, что вместо дезоксирибозы и тимина здесь присутствуют соответственно рибоза и урацил.
За редким исключением (например, РНК реовирусов) молекулы РНК одноцепочечные, но для всех РНК (в разной степени) характерно образование локальных внутрицепочечиых спиральных участков. Эти спирализованные участки не обладают такой степенью жесткости (и вообще имеют иные параметры), как спираль в ДНК-
Рибосомные РНК (рРНК)- Существуют трн молекулярных вида рРНК: РНК большой субъединицы рибосом (имеет константу седиментации1 — 23S у бактерий и — 28S у эукариот); РНК малой субъединицы рибосом (константа седиментации^ 16S у бактерий и~ 18S у эукариот); низкомолекулярные РНК (~5,8S— имеется только у эукариот и ~5S). Первые две рРНК (у эукариот также 5,85 тип) с самого начала своего синтеза вступают в прочный комплекс примерно с 50 молекулами рибосомного белка, образуя большую (-—'505 у бактерий и — 60S у эукариот) и малую (— 30S у бактерий и — 40S у эукариот) субъединицы рибосом. Последние при определенной концентрации Mg2+ соединяются, образуя рибосому. 5S РНК присоединяется к уже сформированной рибосоме, но не находится с ней в прочной связи.
Транспортная РНК (тРНК)2- Низкомолекулярная РНК (~4,2S). Характерные особенности: 1) значительная молекулярная гетерогенность — в каждой клетке имеется свыше 60 раз-. ных, но близких по молекулярной массе тРНК; 2) наличие значительного количества «неканонических» оснований; 3) постоянная, достаточно жесткая конформация, включающая участки вторичных структур с петлями и определенную укладку всей молекулы. С помощью рентгеноструктурного анализа установлена точная пространственная Структура тРНК- Пока это не сделано в отношении ни одной другой РНК.
Еще одна характерная особенность тРНК; она не находится в постоянном структурном комплексе с белками, а вступает с ними лишь в функциональные связи.
Функция тРНК—присоединение определенной аминокислоты и узнавание участка (кодона) иРНК (см. ниже), который кодирует эту аминокислоту.
Информационная РНК (иРНК) или матричная РНК (мРНК). Характеризуется очень большим разнообразием (со
1 Параметр, характеризующий молекулярную массу и плотность молекулы, определяется по скорости оседания при центрифугировании в градиенте плотности сахарозы.
2 Синонимы: растворимая, адапторная.
28
ответствующим разнообразию генов) молекулярных форм, кодирующих белки.
Структурная организация и функционирование генетического аппарата
Компонентами генетического аппарата являются: 1) хромосома, содержащая расположенные в линейном порядке гены, а также белковые факторы, выполняющие структурные функции и (или) функции обеспечения деятельности генов (ферменты, регуляторные белки); 2) аппарат трансляции — полирибо-сомные комплексы, состоящие из иРНК, рибосом, тРНК, а также факторов трансляции. Если под генетическим аппаратом понимать всю систему, обеспечивающую реализацию заключенной в ней информации (экспрессию), то сюда следует отнести и факторы, ответственные за формирование контролируемых генами фенотипических признаков.
Хромосома. Основу хромосомы составляет молекула ДНК, размер и конформация которой определяют ее основные параметры. Совокупность генов, заключенных в ДНК хромосом, представляет собой геном. У микроорганизмов (бактерий) геном заключен в единственной кольцевой хромосоме, которая структурно не отграничена от цитоплазмы, поэтому бактерии выделены в группу доядерных существ — прокариот. У всех остальных организмов — у простейших, многоклеточных животных и растений — геном заключен в двух или большем числе (до нескольких десятков) хромосом, а хромосомы находятся внутри специального органоида — ядра и отграничены от цитоплазмы ядерной оболочкой. Все организмы, имеющие ядро, объединяют в группу эукариот (истинно ядерных). Геном эукариот — это суммарная длина всего (гаплоидного) набора хромосом, точнее ДНК этих хромосом.
Генетические функции ДНК. Генетический код. Свойство любого генома — линейный характер записи в нем генетической информации, которая закодирована в форме определенной последовательности оснований в цепи ДНК. Еще до открытия ДНК как материальной основы наследственности генетики установили, что гены расположены в хромосоме линейно. Важнейшей заслугой молекулярной биологии является то, что принцип-линейности был подтвержден на молекулярном уровне н получил физическое обоснование: линейность расположения генов основана на линейном характере расположения кодирующих элементов (оснований) в молекуле носителя информации. Генетиками было, установлено также, что гены кодируют белки (ферменты), которые в свою очередь ответственны за все остальные жизненные функции клеток (организма). Молекулярные биологи выяснили, что последовательность аминокислот закодирована в форме последовательности оснований. В соответствии с триплетным кодом, который реализован в природе,
2$
Таблица /. Аминокислотный код
	У	и			А		' Г		
У	УУУ УУЦ УУА УУГ	Фен Лей	УДУ УЦД УДА УЦГ	Сер	УАУ УАД УАА УАГ	Тир Стоп1	УГУ УГЦ УГА УГГ	Цис Стоп Три	У ц А Г
ц	ДУУ ЦУЦ ЦУА ДУГ	Лей	ДДУ ццд ДНА ЦЦГ	Про	ДАУ ЦАЦ ЦАА ЦАГ	Гис Гли	ДГУ цгц ЦГА цгг	Apr	У ц А Г
А	АУУ АУД АУА АУГ	Илей Мет	АДУ АЦЦ АДА АДГ	Тре	ААУ ААЦ ААА ААГ	Асп-н Лиз	АГУ АГЦ АГА АГГ	Сер Apr	У ц А Г
Г	ГУУ ГУД ГУА ГУГ	Вал	ГЦУ гцц ГЦА гцг	Ала	ГАУ ГАД ГАА ГАГ	Асп Глу	ГГУ ГГЦ ГГА ГГГ	Гли	У ц А Г
Стоп-кодоны, прерывающие трансляцию.
каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов (оснований), получившей названия кодона. Для каждой из 20 аминокислот, встречающихся в белках, в геноме имеется от одного до четырех кодонов. В каждом триплете только два первых основания фиксированы, третье варьирует (табл. 1).
Участок цепи ДНК, кодирующий полипептид (вместе с небольшим числом нуклеотидов, граничащих с этим участком с двух сторон), представляет собой функционально неделимую генетическую единицу генома — цистрон. Если молекула белка состоит из одного полипептида, цистрон адекватен гену. Но в большинстве случаев молекула белка включает два (или больше) полипептида и соответственно ген состоит из большего числа цистронов.
Существует линейное соответствие между кодирующим участком цистрона и кодируемым полипептидом с учетом того, что кодирующий участок цистрона содержит в 3 раза больше оснований по отношению к числу аминокислот в полипептиде. В большинстве случаев кодирующий участок цистрона непрерывен, но, как выяснено недавно, в некоторых генах эукариот он разорван на фрагменты (зкзоны), разъединенные некодирующими участками (интронами). Линейное соответствие, вклю-30
чая их соответствие по полярности (наличие начала и конца' у кодирующего участка ДНК и кодируемого полипептида), называют коллинеарностью генов и полипептидов. Если исходить из предположения, что каждый нуклеотид участвует в кодировании какой-либо аминокислоты, то можно оценивать потенциальные генетические возможности данного генома — его информативную емкость (рис. 3). В действительности только часть нуклеотидов входит в состав цистроиов, остальные образуют участки, которые выполняют регуляторные или иные (невыясненные) функции. Следовательно, только часть генома представлена в форме генов, которые выражаются (экспрессируются) в виде фенотипических признаков. Совокупность генов генома данной клетки (организма) представляет собой ее генотип. Фенотипом же называют совокупность признаков клетки.
Рис. 3. Информативная емкость генома прокариот и эукариот
31
(организма), формирующихся в результате реализации генов (см. ниже).
Принцип комплементарности и матричный характер новообразования полинуклеотидов. Репликация ДНК. В основе механизма репликации ДНК (образования ее копии, реплики) лежит принцип комплементарности (А = Т; Г = Ц) и матричный
5' ? у <*' ЭММПОШЩ
3	Реплика
Рис. 4. Репликация ДНК (репликативная вилка). Локальная денатурация молекулы и образование копий (реплик) ее отдельных нитей. Обе копии образуются в виде небольших фрагментов в направлении 5'—3х (т. е. антипараллельно). Отдельные короткие фрагменты цепей соединяются в непрерывные цепи — реплики с помощью фермента ДНК-лигазы
способ синтеза новой молекулы ДНК, Суть механизма состоит в том, что одиночная цепь ДНК, у которой водородные связи оснований не насыщены, служит матрицей, К ее мономерам последовательно присоединяются водородными связями свободные нуклеотиды, между сахарными остатками которых возникают фосфоднэфирные связи, и образуется новая цепь, комплементарная к матричной цепи (рис, 4).
Репликация начинается с определенной точки (точки инициации) двухнитевой молекулы ДНК и происходит одновременно в обоих цепях, которые постепенно разъединяются (локально денатурируют). Новая цепь ДНК синтезируется с помощью ферментов — ДНК-полимераз. Новообразованные цепи тут же, каждая со своей матрицей, образуют двухспиральные структуры. Фронт репликации, постепенно перемещающийся, представляет собой вилку, которая получила название репликативной. Она впервые появляется в точке инициации репликации и перемещается к точке ее завершения.
В каждой хромосоме существует участок (участки) ДНК, являющийся единицей репликации — репликоном. В хромосомах 'бактерий и вирусов вся ДНК представляет собой единственный репликон. Эти хромосомы, следовательно, монорепликонные, У эукариот в каждой хромосоме множество репликонов, т. е. хромосомы этих организмов полиреяликонньсг.
Выражение (экспрессия) информации, записанной в генах. Записанная в цйстронах информация может быть либо в точности скопирована путем синтеза новых нитей ДНК с такой же последовательностью оснований (репликация), либо перекодирована (транслирована) в структуру полипептида. Перенос ин-
32
формации от ДНК к белкам — основа реализации генетической информации, т. е. экспрессии (выражения) генов. В природе не обнаружено случаев, когда бы информация, записанная
в ДНК, переносилась в белок непосредственно, т, е. механизма прямой трансляции не существует. Сначала информация передается от ДНК переносчику, представляющему собой молекулу иРНК-
Образование РНК по матрице ДНК происходит по тому же принципу комплементарности и матричного синтеза, что и образование новых молекул ДНК, за тем исключением, что: 1) новообразованная цепь РНК отделяется от матричной; 2) РНК стро-
Рис. 5. Транскрипция ДНК РНК-полимеразой (стрелкой показано направление, в котором РНК-полн-мераза движется относительно ДНК-матрицы)
ится из рибонуклеотидов, где вместо тимина выступает адекватный ему урацил. Процесс синтеза РНК по матрице ДНК называют ДНК' зависимым синтезом РНК или транскрипцией. Транскрипция начинается с определенной точки ДНК (точка инициации транскрипции). В этом месте цепи ДНК расходятся, происходит локальное расплетание (денатурация) спирали.
Транскрипция кодирующей, -нити ДНК осуществляется ферментом РНК-noлимеразой (рис. 5) и проходит в несколько этапов: 1) присоединение фермента к ДНК, 2) инициация транскрипции; 3) элонгация (удлинение цепи РНК); 4) терминация и отсоединение фермента.
Гены транскрибируются одновременно многими ферментами. Но эффективность считывания разных генов неодинакова и находится под контролем систем регуляции транскрипции (см. ниже). В результате транскрипции информация с генов переносится в синтезирующиеся иРНК.<Так же происходит синтез всех других видов РНК. Синтезированные иРНК, рРНК и тРНК обеспечивают процесс трансляции, т. е, синтеза белка по матрице иРНК-
Процесс трансляции состоит из нескольких этапов (рис, 6)
и осуществляется одновременно многими следующими друг за другом рибосомами. Важнейшее отличие бактерий от эукариот состоит в том, что у первых трансляция иРНК начинается до завершения синтеза молекулы иРНК, т, е. транскрипция и трансляция у бактерий сопряжены (см. рис, 6). По мере удлинения синтезирующейся цепи иРНК к ее свободному концу присоединяются одна за другой рибосомы, в результате чего одновременно с продолжающимся удлинением молекулы иРНК происходит ее непрерывная трансляция — образование белковых
3 Заказ 645
33
Рис. 6. Сопряженная транскрипция и трансляция у прокариот
цепей. Тем самым в зоне функционирующего гена формируется сложный комплекс, включающий все компоненты генетического аппарата: ген, РНК-полимера-зу, иРНК, рибосомы, тРНК, факторы регуляции транскрипции и трансляции, а также новообразующиеся цепи белка. Вся эта система, работающая сопряженно, представляет собой «фабрику белка», где одновременно происходит транскрипция гена и «выдается» готовый белок. Такая система создает высокую эффективность экспрессии.
Перенос информации осуществляется следующим образом:
-> 'tri-
транскрипция трансляция
ДНК-------------* РНК----------> белок
репликация | ДНК
Эта схема, на расшифровку которой понадобилось много усилий, получила название основной догмы молекулярной биологии.
Основная догма незыблема и универсальна для всех существ, но имеет некоторые особенности у онкогеииых РНК-содержащих вирусов животных и человека. Первоначально предполагалось, что у этих вирусов, как и у других РНК-содержащих вирусов^ действует следующая схема:
',	РНК
репликация | t -------->-белок
РНК трансляция
В 1970 г. было выяснено, что в жизненном цикле одной из групп РНК-содержащих вирусов, получивших название ретро-вирусов (онкогенные РНК-содержащие вирусы, вызывающие лейкозы, саркомы), присутствует ДНК, хотя в самой вирусной частице ее нет. Вирусная частица этой группы включает, как и другие РНК-содержащие вирусы, РНК и структурные белки. Но в отличие от других вирусов она имеет специфический фермент — обратную транскриптазу, которая способна синтезировать по матрице РНК комплементарную к ней цепь ДНК, разрушать саму РНК, а затем по матрице ДНК синтезировать комплементарную к ней (следовательно, аналогичную вирусной РНК) цепь ДНК- Обе цепи ДНК образуют двухспиральную молекулу ДНК, которая включается (интегрируется) в состав генома клетки и временно несет функции вирусного генома; с нее считываются иРНК, которые служат матрицей для образования вирусных белков. Таким образом, у онкогенных вирусов реализован следующий принцип переноса информации:
34
обратная транскрипция транскрипция трансляция РНК------------ ДНК----------* РНК--------> белок
Открытие обратной транскриптазы (в отечественной литературе именуется также «ревертазой») не только помогло понять механизм переноса информации у онкогенных вирусов, но и открыло большие возможности для прогресса в области молекулярной биологии и молекулярной генетики, так как оказалось, что с ее помощью можно искусственно создавать ДНК-копии любых РНК, исследовать их структуру, использовать для целей генной инженерии (см. «Заключение»).
Принципы организации и функционирования генов
Наименьшую информативную емкость имеют геномы РНК-содержащих вирусов. В нх единственной цепи РНК находится всего несколько генов: гены структурных белков и гены, кодирующие ферменты репликации и экспрессии. Вирусы, ие обладая собственным аппаратом трансляции, используют системы биосинтеза белка цитоплазмы клеткн-хозяина.
Геномы ДНК-содержащих вирусов включают от нескольких десятков до нескольких сотен генов в одной единственной кольцевой молекуле ДНК. Среди них есть гены, кодирующие белки, входящие в состав вирусной частицы; гены, кодирующие ферменты, либо факторы, необходимые для размножения вирусных частиц в цитоплазме клетки-хозяина; кроме них в геноме имеются участки, не кодирующие белки, а выполняющие регуляторные функции.
У ДНК-содержащих вирусов гены объединены в функциональные группы. После того как вирус попадает в цитоплазму, начинается транскрипция первой группы генов, так называемых предранних и ранних генов, кодирующих вирус-специфические ферменты. С нх помощью реплицируется ДНК фага и образуется множество копий фагового генома. Затем происходит транскрипция другой группы генов (поздние гены), кодирующих структурные белки вирусов.
У бактерий, как и у фагов, геном представлен одной кольцевой молекулой ДНК, которая образует основу бактериальной хромосомы, 20—30 % массы хромосомы состоит из различных белков, связанных с ДНК, в частности ферментов. Кроме того, в цитоплазме бактерий есть небольшие кольцевые молекулы ДНК — плазмиды, которые также содержат гены. Механизм функционирования генов у бактерий сложнее, чем у вирусов. Одна из особенностей этого механизма состоит в том, что бактериальные гены транскрибируются и транслируются одновременно: иРНК начинают транслироваться уже в процессе транскрипции и распадаются. Это сильно ограничивает время жизни иРНК (3—15 мин), что позволяет бактериям быстро
3*	Ж
приспосабливаться к изменяющимся условиям путем смены одних видов иРНК другими.
Как и у ДНК-содержащих вирусов, разные гены бактерий экспрессируются в разное время и с неодинаковой активностью, т. е. дифференциально. Дифференциальная активность генов — универсальный принцип функционирования генов про- н эукариот (см. гл. 9), Схема механизма регуляции активности генов
Оперон
Рис. 7, Регуляция активности генов у бактерий
у бактерий была установлена Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1961 г. Многие гены бактерий сгруппированы в опероны, т. е. в блоки из нескольких генов (цистронов), которые транскрибируются вместе. В результате синтезируется одна, общая для всех генов оперона гигантская полицистроновая иРНК, содержащая одновременно несколько участков, кодирующих полипептиды. В начале оперона, перед первым цистроном, находится ген-опе-ратор, ответственный за функционирование всего оперона, за пределами оперона, в другом участке хромосомы,— ген-регулятор данного оперона. С него считывается иРНК, которая транслируется, образуя регуляторный белок — репрессор. На одной нз половин оператора есть участок, «узнаваемый» репрессором. Еще один участок регуляторной системы — эффектор. Он либо поступает извне, либо является продуктом активности клетки (метаболитом). Эффектор имеет сродство к репрессору и, связываясь с ним, воздействует иа активность оперона.
Существует несколько способов регуляции активности генов у бактерий. Один из иих состоит в следующем (рис. 7). Если в клетке нет или мало молекул эффектора, репрессор не заблокирован и может свободно связываться с оператором, в результате чего РНК'Полимераза не способна связаться со своим 36		.
участком и оперон неактивен, т. е, новых молекул иРНК не образуется. Если в клетке увеличивается количество эффектора, он блокирует репрессор и путь для транскрипции открыт. В этих условиях эффектор выступает в роли индуктора. В действительности механизм регуляции намного сложнее.
Генетический аппарат эукариот имеет еще более сложную организацию и характеризуется следующими особенностями: 1) геном представлен более чем одной хромосомой, которая имеет не кольцевую, а линейную форму; 2) эукариоты — диплоидные организмы, т. е. каждая хромосома имеет свою (гомологичную) пару. Совокупность хромосом, содержащих один полный набор генов, представляет собой гаплоидный набор (следовательно, вирусы и бактерии в отличие от эукариот являются гаплоидными организмами). В жизненном цикле эукариот есть стадии, когда клетки содержат только один (гаплоидный) набор хромосом, а также стадии, когда в клетке имеется минимум два (диплоидный) набора. У низших эукариот большая часть жизненного цикла гаплоидна (гаплофаза), у высших (у всех многоклеточных) гаплоидны только зрелые половые клетки. В соматических (полиплоидных) клетках многоклеточных организмов может содержаться от четырех до порядка тысячи гаплоидных наборов.
У эукариот количество ДНК в геноме и его потенциальная информативная емкость возрастали в ходе эволюции (см. рис. 3): у высших животных и растений величина генома на два-три порядка больше, чем у бактерий, и на порядок больше, чем у низших эукариот. Однако общее число генов на один гаплоидный набор, которое удается определить существующими методами, не возрастает в такой степени. Например, у насекомых имеется 5 (не более 10) тысяч генов, что лишь в 2—3 раза больше числа генов кишечной палочки. Между тем количество ДНК в геноме насекомых на два порядка больше, чем у бактерий, В геноме млекопитающих (и человека) генов всего в 50 раз больше, чем у бактерий, а количество ДНК у первых больше, чем у бактерий, уже на три порядка. Непомерное увеличение количества ДНК по отношению к количеству генов в ходе эволюции эукариот, известное в молекулярной биологии как избыточность ДНК,— одна из нераскрытых пока загадок организации их генома,
Генетическими и молекулярно-биологическими исследованиями установлена другая важная особенность генома эукариот: большое количество повторяющихся (дуплицированных) генов, когда в одном геноме один и тот же ген представлен множеством копий.
Доля генома, состоящая из повторяющихся участков, у разных организмов варьирует от 2 до 80 %, при этом не установлено какой-либо корреляции между этим параметром и эволюционным развитием. Известны два основных класса повторяющихся участков, отличающихся по числу копий: 1) класс мно-
37
гократно (часто) повторяющихся участков — от сотен тысяч до миллионов копий на гаплоидный геном; 2) класс «умеренно» повторяющихся участков — от нескольких десятков до десятков тысяч копий. Неповторяющимися (уникальными) считаются участки, которые состоят из 1 —10 копий. У эукариот лишь незначительная часть генов представлена только одной копией на
,185	285	£П г
Т^"’Ъ-4!аЛЛ, МШЛ’ЛТЯП-----------
х гх
СП?’ 5,85 СП?"
Ар: Лей Арг DO? [5J? (!00?
j....
53 АУЛ 1
Д
, Н! ДЗ Ш2а Н2Ь П?
, И! 52а W5 H2b HP Н!
5j-fZa—ЕЭ—ЕМ2---EZJ-EZ2
Рис. 8. Организация генов у эукариот. А— повторяющая единица рибосомных генов у Drosophila melanogaster (СП1' и СШ" — внутренние спейсеры, СП2 — внешний спейсер); Б — строение гистоновых генов у Drosophila melanogaster (а) и морского ежа (б) (шкала — число нуклеотидных пар, умноженное на 103; стрелками показано направление считывания генов); В — структура [3-глобинового гена кролика. Заштрихованные участки — экзоны, тонкие линии — интроны.
В скобках — порядковые номера аминокислот в р-глобине кролика, которые кодируются триплетами, находящимися на границах экзонов С интронами. Стрелками (снизу) указано положение инициаторного (АУГ) и терминаториого (УАА) кодонов и кодонов (для аргинина и лейцина), расположенных с двух сторон от интронов. Цифры снизу — длины участков (число пар нуклеотидов)
гаплоидный геном. В этом их важное отличие от геномов прокариот, которые практически не содержат повторяющихся генов.
Генетическая природа многих повторяющихся генов пока не выяснена. Повторяющимися генами, функции которых известны, являются гены 28S, 18S, 5S и 5,8S рРНК, гены тРНК, гены, кодирующие гистоны.
Гены рРНК. Гены (цистроны) 28S, 18S и 5,8S рРНК расположены по одной копии внутри сложного участка ДНК, который представлен многими (у разных видов от 50 до 450, у большинства— от 150 до 200) копиями. Их называют повторяющимися единицами рибосомной ДНК (рДНК), В хромосоме они сосредоточены в зоне «ядрышкового организатора» и расположены один за другим, т. е. тандемно. Кроме генов (цистронов) 28S, 18S и 5,8S рРНК, каждая повторяющаяся единица содержит два разделяющих эти гены некодирующих, так называемых «спейсериых» участка. Один из них, внутренний спейсер, расположен между 18S и 28S генами, а внутри этого спейсера находится ген, кодирующий 5,8S рРНК. Второй спейсер, наруж-
38
иый, разделяет соседние повторяющиеся единицы. Внутренний спейсер транскрибируется вместе с 28S, 18S и 5,8S генами, но считанная с него РНК затем распадается (см. ниже), наружный спейсер не транскрибируется. Типичная структура повторяющейся единицы рДНК показана на рис, 8,Л.
Гены, кодирующие 5S рРНК, расположены, как правило, за пределами ядрышкового организатора и повторены в геноме, В некоторых случаях копий этого гена очень много (например, в гаплоидном геноме у шпорцевой лягушки их 24 000). 5S гены расположены не в одном участке хромосомы, а в нескольких местах и отделены друг от друга протяженными (не-транскрибирующимися) внешними спейеерами.
Гены тРНК. тРНК закодированы в генах, которые небольшими группами расположены в разных участках генома. Внутри каждого гена имеются небольшие «лишние» участки, получившие название интронов. Интроны «разрывают» ген на отдельные участки, но РНК, считанная с них, удаляется, т. е. ие входит в состав тРНК, Интроны обнаружены во многих генах, кодирующих белки (см. ниже).
Гистоновые гены. Гены, кодирующие структуру гистоновых полипептидов (см. выше),— единственные известные сейчас повторяющиеся гены, кодирующие белки. Они хорошо изучены у морского ежа н дрозофилы и состоят из десятков или сотен (у разных видов) повторяющихся единиц. У морского ежа каждая такая единица содержит гены всех 5 видов гистонов (всего в геноме 600—800 таких единиц). Гены, кодирующие отдельные гистоиы, разделены некодирующими и нетранскрибирующими-ся спейеерами, но все они расположены на одной цепи ДНК и считываются в одном направлении. У дрозофилы гены гистонов находятся не на одной, а на обеих (комплементарных) цепях ДНК, ио не перекрываются: на одной цепи гены 3'-Н4-Н2в--5', на другой — 3'-Н1-Н2а-НЗ-5' (рис. 8,6). Кроме того, у дрозофилы они считываются в разных направлениях (см. стрелки).
Неповторяющиеся (уникальные) гены. Ряд генов этого класса хорошо изучен. Большинство из них кодирует специфические для дифференцированных клеток белки. В качестве примера рассмотрим гены, кодирующие белок гемоглобина (глобин).
Гемоглобин — комплекс глобина и гема (хромофорная группа)—составляет 95 % белковой массы эритроцитов и выполняет функцию переноса кислорода. Молекула гемоглобина состоит из четырех полипептидов: два a-типа и два р-типа. Каждый полипептид включает примерно 150 аминокислот, т. е. кодируется участком ДНК (а- и p-генами) примерно из 450 нуклеотидов. Внутри гена есть два типа участков: некодирующие (интроны) и кодирующие (экзоны), разделенные интронами, На рис. 8, В показано строение р-глобинового гена кролика.
Экспрессия генов у эукариот
В отличие от прокариот транскрипция и трансляция у эукариот разделены во времени и топографически, поскольку иРНК транслируется только после ее перехода из ядра в цитоплазму. Важная особенность начальных этапов экспрессии у эукариот состоит в следующем, РНК (информационная, рибосомная, транспортная), только что считанные с генов (нх обобщенно именуют первичным транскриптом), структурно и функционально еще не представляют собой полностью сформированные молекулы. Им еще предстоят посттранскрипционные модификации, прежде чем они смогут выполнить свои функции. Совокупность структурных изменений первичных транскриптов, в результате которых онн превращаются в готовые для функционирования молекулы, называют процессингом. Ниже указаны основные виды модификаций, происходящих во время процессинга,
1. Укорочение длины молекулы путем частичного расщепления первичного транскрипта. В большинстве случаев (если не всегда) длина геиа и его первичного транскрипта намного превышает размеры функционально зрелой молекулы иРНК из-за интронов, которые транскрибируются вместе с экзонами. В результате процессинга «лишние» участки РНК, считанные с интронов, «вырезаются» с помощью специальных ферментов, а образовавшиеся концы фрагментов молекулы *иРНК «сшиваются» — сплайсинг.
2. Присоединение к РНК новых структурных элементов — метнльиых групп, «шапочек» (специфических сильно метилированных группировок на 5'-концах), З'-концевых полиаденн-ловых последовательностей (полн А).
Процессинг характерен для всех видов РНК. Так, в рРНК в результате процессинга удаляются последовательности, считанные с внутренних спейсеров, а в генах тРНК~ последовательности, считанные с интронов.
Наиболее сложен и мало изучен процессинг предшественников иРНК, на котором следует остановиться подробнее. В ядре одновременно образуются тысячи видов иРНК, поэтому оно содержит сложную смесь предшественников этих иРНК, находящихся на разных этапах процессинга. Эта смесь молекул разного размера, претерпевающих структурные изменения, получила название гетерогенной ядерной РНК (гяРНК). Она состоит из разного размера цепей, содержащих от нескольких сот до порядка 20 тыс. нуклеотидов (тогда как зрелая иРНК в среднем включает примерно 1000 нуклеотидов). Среди этой сложной массы первичных транскриптов трудно идентифицировать предшественников отдельных видов иРНК и тем более выявить стадии их процессинга. Поэтому современные представления об этом этапе экспрессии генов носят гипотетический характер, Предполагают, что в ядре существует специальный
40
класс ферментов, один из которых «вырезают» «лишние» участки, а другие «сшивают» концы молекулы РНК при сплайсинге. Еще один вид ферментов модифицирует нуклеотиды — присоединяет к ним метильные группы. Уже в процессе образования первичного транскрипта к синтезирующимся цепям РНК присоединяются белки, т. е. образуются рибонуклеопротеиды. После завершения процессинга зрелая нРНК в форме рибонуклеопротеида— информосомы— выходит в цитоплазму, где может либо немедленно присоединить рибосомы и образовать полирибосому, синтезирующую белки, либо храниться в виде свободной информосомы, т. е, резерва иРНК-
Примерно 2—5 % массы полисомной РНК представляет собой иРНК, остальные 95—98 %- рРНК и тРНК иРНК, образовавшая полисому, не утрачивает своих белков. Поэтому, если полисомы осторожно диссоциировать, иРНК отделяется от рибосом в виде рибонуклеопротеида, напоминающего информосо-му. Специфические особенности механизма экспрессии генов эукариот определили ряд принципиальных отличий их иРНК от иРНК бактерий:
1. Функционирование (транслирование) иРНК эукариот не начинается до тех пор, пока не завершится их синтез и они не окажутся в цитоплазме. Ранее предполагалось, что синтез белка может происходить не только в цитоплазме, но и в ядре, но это предположение не подтвердилось. Об отсутствии трансляции в ядре свидетельствует то, что в нем нет полноценных рибосом, так как только что образовавшиеся рибосомные субъединицы переходят в цитоплазму, не образуя в ядре рибосом,
2. иРНК эукариот характеризуются значительно большей метаболической устойчивостью, т. е, функционируют (или хранятся в виде информосом) на протяжении многих, иногда десятков, часов.
Значительная часть молекул иРНК содержит на З'-концах 50—70 адениловых нуклеотидов — полиадениловые последовательности. Такие иРНК называются полиаденилированными или поли (А +) иРНК. Еще одна структурная особенность иРНК — наличие на их 5Z-концах «шапочек», которые формируются после транскрипции во время процессинга. Если бы иРНК состояла только из нуклеотидов, которые участвуют в кодировании белка (полипептида), ее размеры соответствовали бы размеру полипептида. В действительности в любой иРНК, кроме кодирующей (информативной, транслируемой), есть некоднрующне участки, которые располагаются по обе стороны от кодирующего. На рис. 9 дана схема строения типичной эукариотической иРНК. АУГ и УАА (инициаторный и терминаторный кодоны) отделяют с двух сторон кодирующую зону от некодирующих. Размеры кодирующих областей у разных иРНК однозначно определяются размерами кодируемых полипептидов, тогда как размеры некодирующих участков у нРНК варьируют. Назначение некодирующих участков иРНК
41
неизвестно; есть основания полагать, что они выполняют какие-то функции в рамках регуляции процесса трансляции.
Биосинтез иРНК — лишь начало многоэтапного процесса экспрессии генов. Однако спектр синтезирующихся иРНК, их разнообразие, концентрация и распределение в клетке во многом определяют следующие этапы экспрессии — биосинтез белков, формирование с их участием макромолекулярных структур
шапочка»	структуры''''''---
мтГ(5><рф(5’ЖМф(Н"й<р) -К--.Ж--мвА-------------уудухЛИ-ААУААА'ШЦ'А
неиадиру.ющая зона	Т кодирующая зона У Ъ-немдирующа# зона
АУГ	UAA *	|
% .4  .	Рис. 9. Обобщенная структура иРНК эукариот
клетки, биохимические реакции и физиологические процессы, характерные для данной клетки.
Специфика фенотипа каждой клетки обусловлена тем, что гены экспрессируются в разное время и с разной интенсивностью. Механизм, ответственный за эти различия экспрессии генов у эукариот, еще неизвестен. Существует предположение, что активность генов регулируется на всех этапах экспрессии: транскрипции, посттранскрипционного процессинга, переноса иРНК в цитоплазму, образования полисом, трансляции, формирования белковых молекул и т. д. Однако неясно, какие элементы ядра и цитоплазмы выполняют роль регуляторов. Существующие предположения о регуляции транскрипции заключаются в следующем. Считается, что определенную роль в процессах регуляции играют: 1) специальные участки ДНК в начале и в конце каждого гена (участки инициации, терминации транскрипции и модуляции уровня транскрипции); 2) способность .РНК-полимераз «узнавать» этн участки; 3) факторы, влияющие на сродство РНК-полимераз к этим участкам. Так, на расстоянии примерно 30 нуклеотидов от точек инициации транскрипции почти всех генов найден сходный по последовательности участок Т А — Т — А — А, который, как предполагается, «узнается» РНК-полимеразой и определяет точку, откуда должна начаться транскрипция. За пределами генов во внешних спейсерах также обнаружены участки, от которых зависит скорость транскрипции. Предполагается, что степень компактности хроматина в районе гена — один из важных факторов, влияющих на транскрипцию. Известно, что за компактизацию ДНК в хроматине ответственны гистоны, с помощью которых ДНК эукариот организована в повторяющиеся структурные единицы — нуклеосомы.
По две молекулы (Н2а, Н2в, НЗ и Н4) гистонов образуют универсальную октамерную глобулу — коровую частицу нуклео
42
сом. В элементарной хромосомной нити каждая октамерная глобула обвита участком ДНК длиной в 140 нуклеотидов, а между соседними глобулами имеются участки ДНК из 30—40 пар нуклеотидов (линкерные участки).
Пятый гистон, Н1 (богатый лизином), по-видимому, расположен в этой линкерной зоне. Гистон Н1 гетерогенен и состоит по крайней мере из 10 видов молекул. Предполагается, что в разных участках хромосом находятся разные виды Н1 гистона. Этому гистону приписывается роль важного фактора, ком-пактнзации ДНК. Возможно, существуют и другие факторы компактизации, так как известно, что хромосомная ДНК имеет много уровней укладкн.
Помимо гистонов в хромосоме обнаружено большое количество негистоновых белков. В отличие от гистонов онн заряжены слабо отрицательно (поэтому их еще называют кислыми белками) и характеризуются большой гетерогенностью и непостоянством молекулярного состава. По некоторым данным, не-гистоновые белки способны специфически «узнавать» гены и связываться с ними. Спектр и количество этих белков в разных клетках неодинаковы. Предполагается, что негистоновые белки как антагонисты гистонов декомпактизируют (разрыхляют) хроматин, открывая доступ РНК-полимеразе к гену. Если это верно, то спектр негистоновых белков может определять спектр генов, которые будут транскрибироваться в данной клетке.
ГЛАВА 3
;	' ПРЕДЗАРОДЫШЕВОЕ РАЗВИТИЕ
(ГАМЕТОГЕНЕЗ)
Общая характеристика
Животные н растительные организмы размножаются половым и бесполым способами. Прн бесполом размножении новая особь возникает из отдельной части тела (сомы) взрослого z животного путем почкования. При половом размножении особь развивается из половой клетки, обладающей потенцией к формированию новых половых клеток и множества соматических клеток. Является ли такое многообразие потенций (тотипотентность) исключительным свойством половой клетки или тотипотентной может быть и соматическая клетка? Бесполое размножение у некоторых животных и растений свидетельствует о том, что в принципе соматические клетки потенциально могут воссоздать все части тела взрослой особи. Однако при вегетативном размножении новая особь развивается не из отдельной клетки, а из большой группы клеток, поэтому в этом случае ие приходится говорить о тотипотентности отдельной клетки.
43
В условиях эксперимента у растений из одной соматической клетки удается получить полноценный организм, т. е. продемонстрировать ее тотипотентность (см. гл. 10); у животных из одиночной клетки тела получить организм пока не удалось.
Вопрос о сходстве и различиях между половой и соматической клетками был поставлен в конце XIX столетия, став предметом дискуссий и многочисленных исследований на протяжении последующих десятилетий. Столь большой интерес к этой проблеме понятен, так как в ней затронуты основы наследования, и сама эта проблема относится к области, в которой эмбриология смыкается с наукой о наследственности — генетикой. В генетическом плане суть этой проблемы заключается в том, чтобы понять, каким образом разнообразие признаков н свойств многоклеточного организма предопределено. (предетер-минировано) в половых клетках и какими путями эти наследственные задатки реализуются в виде признаков и свойств и передаются половым клеткам потомства. В эмбриологическом плане сущность проблемы заключается в выяснении происхождения половых клеток в процессе индивидуального развития, их взаимоотношений с соматическими клетками, в изучении их тонкой морфологической структуры и особенностей их биохимических и физиологических свойств.
Одним из наиболее спорных аспектов этой проблемы был вопрос о происхождении половых клеток в онтогенезе. В гл. 1 были рассмотрены гипотезы «пангенезиса» Ч. Дарвина, «идиоплазмы» К. Негели, концепция «зародышевой плазмы» А. Вейсмана, в которых эта проблема нашла свое отражение.
Первичные половые клетки (гоноциты)
Впервые Нуссбаум в 1880 г. указал на различия между половыми и соматическими клетками и высказал идею об особом для половых клеток «зародышевом» (зачатковом) пути их образования в онтогенезе, которая была развита А. Вейсманом.
Из идеи зачаткового пути следовало, что линии развития половых и соматических клеток в онтогенезе должы разъединиться очень рано, т. е. предшественники половых клеток обособляются на самых ранних этапах эмбрионального развития. И действительно, были описаны случаи, когда будущие половые клетки эмбриона (первичные половые клетки) очень райо отличались по ряду признаков от остальных (соматических) клеток. Первичные половые клетки (их называют также гоно-цитами) обладают характерными морфологическими признаками: имеют несколько более крупные размеры, чем размеры окружающих соматических клеток, крупное ядро, более выраженную базофилию, отличаются по некоторым гистохимическим показателям (реакция на щелочную фосфатазу). В цитоплазме гоноцитов были обнаружены характерные ультраструк-
44
туры, получившие название э кто сом («половых детерминант», по терминологии А, Вейсмана). В дальнейшем именно их присутствие стало основным признаком первичных половых клеток. Возникла гипотеза, согласно которой эктосомы определяют тотипотентные свойства половых клеток. Эти структуры были детально исследованы на широком круге объектов с применением
электронного микроскопа и цитохимических методов. В их составе была обнаружена РНК, кислые белки. Оказалось, что структуры типа «половых детерминантов» не встречаются в соматических клетках, за исключением низших животных, у которых они обнаружены в особых видах клеток взрослой особи, способных превратиться в половые (см, ниже).
В последние годы большинство исследователей склонны считать, что структуры, известные как «половые детерминанты», можно использовать как признаки («маркеры») для идентификации первичных половых клеток, но вряд ли их следует рассматривать в качестве самих факторов, определяющих (детерминирующих) потенции этих клеток (их тотипотентность). Вопрос о том, какие клеточные компоненты гоноцитов ответственны за их тотипотентность, пока не решен.
Основываясь на цитологических характеристиках и иа результатах экспериментов по удалению, выжиганию, пересадкам участков эмбриона, содержащих клетки с такими призна
ками, в ряде случаев удалось наити места возникновения гоио-цитов в эмбрионе и проследить их последующее развитие. В любом случае половые клетки возникают достаточно рано, т. е. проделывают сложный путь развития, прежде чем станут способны к оплодотворению и дадут начало новой особи.
Этот период собственного развития половых клеток называют гаметогенезом нли предзародышевым развитием. Развитие яйцеклетки названо оогенезом, развитие, сперматозоида — сперматогенезом.
Развитие половых клеток включает следующие этапы (рис. 10): 1. Обособление первичных половых клеток (геноцидов) от других (соматических) клеток организма. 2. Размножение половых клеток, называемых на этой стадии гоннями (женские половые клетки — оогонии, мужские — сперматогонни). 3. Рост, в ходе которого женские половые клетки именуются ооцитами I порядка, а мужские половые клетки — сперматоцитами I порядка; в это время хромосомы обоих типов клеток проходят стадии профазы мейоза. 4. Мейотические деления: после первого деления образуются ооциты и сперматоциты II порядка, после второго — соответственно зрелая яйцеклетка (яйцо) и сперматида. 5. Преобразование сперматид в сперматозоиды (спермиогенез).
Возникновение и развитие гоноцитов в эмбриогенезе
У некоторых организмов на самых ранних стадиях развития удается выявить участки яйца, из которых в дальнейшем разовьются половые клетки. Так, у многих насекомых, например у двукрылых, на заднем полюсе яйца еще до начала развития зародыша видны скопления эктосом («половых детерминант»^ (рис. 11). Этот участок ооплазмы (половая плазма) в результате последующих делений яйца (см. гл. 5) оказывается в первичных половых клетках.
В яйцах лошадиной аскариды (круглые черви) первичная половая клетка полностью обособляется от других — соматиче-
Рис. 11. Раннее формирование половых клеток у насекомых (Miastor americana). А — яйцо на стадии 8 ядер (видны 4 ядра); Б — более поздняя стадия (по Р. Хегнеру, 1912): 1 — ядро будущей половой клетки, 2 — эктосомы («половая плазма»), 3 — первичная половая клетка, 4—цитоплазма яйца, 5 — питающие клетки
46
ских— клеток уже после четвертого деления яйцеклетки (см. рис. 34), у веслоногого рака (циклопа) развивающуюся половую клетку также можно узнать очень рано: по присутствию в ией гранул — эктосом — после первого деления яйцеклетки. При последующих делениях эти гранулы каждый раз попадают лишь в одну из клеток зародыша, а после 6-го деления эктосомы
Рис. 12. Обособление половых клеток в раннем развитии циклопа (по Э. Шар-ниО'Коттон, 1968):
1—9 — последовательные стадии развития оплодотворенной яйцеклетки, э —эктосомы, п — первичные половые клетки
распределяются между двумя дочерними клетками, которые и представляют собой первичные половые клетки, уже отчетливо отличающиеся от соматических (рис. 12),
У позвоночных первичные гоноциты обособляются на несколько более поздних стадиях. Однако у бесхвостых амфибий, как и у насекомых, половая плазма обособляется очень рано, в неоплодотворениом яйце.
У хвостатых амфибий в отличие от бесхвостых в неоплодо-творенном яйце не удается обнаружить структур типа «половых детерминант». Гоноциты у этих животных впервые обнаруживаются значительно позже, чем у бесхвостых амфибий,—
лишь после формирования основных систем органов и незадолго до вылупления личинки. По-видимому, оии дифференцируются из мезодермы так называемой боковой пластинки (см. гл, 8).
У высших позвоночных (рептилий, птиц и млекопитающих) гоноциты были найдены на границе зародышевой и внезароды-
Рпс. 13. Половая особь полипа Clava multicornis на ранней (А) и поздней (Б) стадиях развития (по Бриану, 1968):
1 — эктодерма, 2 — эндодерма, 3 — зачаток медузоида, 4 — интерстициальные клетки
шевой областей эмбриона, на стадиях, когда он состоит нз нескольких тысяч клеток. У млекопитающих, согласно последним данным, гоноциты обособляются значительно раньше.
Являются ли обнаруживаемые в раннем эмбриогенезе первичные гоноциты единственным источником половых клеток половозрелой особи нли половые клетки дополнительно возникают из соматических на более поздних стадиях? У низших животных— губок, кишечнополостных, плоских и кольчатых червей— запас половых клеток пополняется в течение всей жизни. Так, хотя у кольчатых червей первичные гоиоциты рано обособляются, удаление гонад даже у взрослых животных не делает их стерильными, поскольку половые клетки возникают из особых малодифференцироваиных «резервных» клеток — необластов, У ресничных червей раннего образования половых клеток не наблюдается; клетки типа необластов, пополняемые в течение всей жизни животного, могут формировать новые половые клетки. У кишечнополостных также есть резервные клетки типа необластов, способных перемещаться между дифференцированными эпителиально-мышечными клетками экто- и
48
энтодермы, Их называют интерстициальными (i-клетками). Из этих клеток образуются разные типы специализированных клеток, в том числе половые (рис, 13). Как видно из рисунка, i-клетки сначала рассеяны, но затем концентрируются на вершине почки и превращаются в половые клетки. Процесс образования половых клеток происходит в течение всей жизни животного. Удаление гонад или даже целых половых особей медуз у взрослого полипа никогда не приводят к его стерильности: удаленные части быстро регенерируют.
У губок половые клетки образуются в течение всей жизни. По-видимому, они возникают из двух источников: из подвижных амебоидных археоцитов, сходных с i-клетками кишечнополостных и необластами червей, и из специализированных воротничковых жгутиковых клеток — хоаноцитов. Полагают, что хоаноциты, превращающиеся в половые клетки, сначала проходят стадию археоцитов.
Длительное время оставался спорным вопрос о том, являются ли у более высокоорганизованных животных — моллюсков, членистоногих, иглокожих, позвоночных — первичные го-ноцнты единственным, невосполнимым источником половых клеток нли, как и у низших форм, гоноциты могут возникать на более поздних стадиях развития из соматических клеток. На этот вопрос можно ответить лишь экспериментально, выяснив, будет ли организм иметь половые клетки после удаления (разрушения) первичных гоноцитов, например после локального выжигания областей, содержащих гоноциты или соответствующие области ооплазмы. Так, облучением удается выжечь половую плазму в яйцах насекомых и зону первичных гоноцитов в яйцах птиц. Зародыши после таких операций развиваются, но неизменно лишены половых клеток (стерильны)..
Проводились также опыты по пересадке первичных гоноцитов от одной генетической расы шпорцевой лягушки к другой; у реципиента перед этим собственные гоноциты были удалены. Все развившиеся у реципиента половые клетки носили признаки гоноцитов донора. У мышей описана мутация локу-са-Т, которая приводит к гибели все гоноциты во время их миграции. У таких мышей половые клетки в гонаде отсутствуют.
Этн опыты показали, что единственный источник половых клеток у позвоночных и у беспозвоночных, исключая губок, кишечнополостных, плоских и кольчатых червей,— первичные-гоноциты, обособляющиеся на ранних стадиях развития. Иными словами, клетки зародыша дифференцируются на половые и. соматические однократно, на ранних стадиях.
Некоторые авторы и сейчас допускают возможность образования половых клеток (например, у рыб) на поздних стадиях развития или даже у взрослого организма из эпителия гонады, который в литературе часто именуется неудачным термином «герминативный», или зачатковый, эпителий. В ряде случаев описывалось «выселение» из этого слоя половых кле
4 Заказ G45
ток. Рассматривая эти данные, трудно полностью исключить возможность, что авторы имели дело не с первичными половыми клетками, а с потомками первичных гоноцитов, вселившихся некогда в эпителий гонады.
Миграция первичных половых клеток
Каков бы ни был источник половых клеток, они проходят длинный путь развития, прежде чем стать зрелыми, способными к оплодотворению половыми клетками. Во всех случаях, в том числе и у позвоночных, зачатки гонад возникают значительно позже, чем гоноциты, и последние (подобно гоиоцитам тубок и кишечнополостных) перед этим блуждают в теле эмбриона. Как первичные гоноциты высших животных, так и резервные клетки типа интерстициальных (i-клетки кишечнополостных) способны к самостоятельным передвижениям. Гоноциты куриного зародыша часть пути проходят вместе с током крови по эмбриональным кровеносным сосудам; позднее, оказавшись поблизости от места возникновения зачатка гоиады, онн начинают двигаться активно, проползая через стенки сосудов н зачатка половой железы. По данным французских эмбриологов Э, Вольфа н Ф. Дюбуа, на этом этапе движения их привлекают химические вещества (по некоторым последним данным — белковой природы), выделяемые зачатками гонад. Неясно, однако, идет ли речь о прямом привлечении клеток — хемотаксисе или же просто об активации их движений.
Первоначально гоноциты присутствуют в зародыше в небольшом количестве. Они проходят ряд делений, но, начав мигрировать, практически не делятся. После оседания в зачатке гонады и по мере развития последней путем активного размножения гоноциты превращаются в первичные гонии, число которых сильно возрастает. В ходе развития половых желез будущего самца и самки возникают различия в локализации гоноцитов. Уже на ранних этапах, когда в гонаде начинается характерная для данного пола дифференциация тканей, гоноциты в мужской железе вместе с зачатками семенных канальцев перемещаются во внутреннюю зону, в женской — остаются иа периферии, в так называемой корковой зоне. С момента, когда пол зародыша можно определить по гистологической структуре гонады, содержащиеся в них гоиии принято обозначать как первичные сперматогонии и первичные оогонии (хотя по хромосомам пол гоноцитов можно определять значительно раньше (см, гл. 4), Превращение гоноцитов в гонии сопровождается рядом изменений: они становятся крупнее, приобретают округлую форму, теряют амебоидную подвижность и начинают активно размножаться.
Затем деление (пролиферация) оогониев прекращается. К этому времени яичник содержит определенный фонд оогониев, незначительная часть которого в последующем прев
ър
ратится в зрелые яйцеклетки. Остальные оогонии либо погибают, либо дегенерируют в ходе оогенеза. Подсчитано, что у 5-месячного плода человека имеется около 6 800 000 женских половых клеток; позже наступает их массовая дегенерация и к моменту рождения остается около 1 млн., а к семилетнему возрасту — примерно 300 000. У разных видов животных пролиферативная активность оогониев прекращается в разное время, У большинства млекопитающих оии перестают делиться до рождения, у некоторых — непосредственно после рождения. В редких случаях (низшие приматы) оогонии способны размножаться и у половозрелого животного.
Размножение сперматогониев, напротив, происходит в течение всего периода половой зрелости самца непрерывно (теплокровные животные) или с сезонной ритмикой (холоднокровные).
Следующий этап гаметогенеза — сложный процесс превращения сперматогониев и оогониев в зрелые половые клетки — сперматозоиды и яйцеклетки. Этот процесс включает множество' кардинальных изменений ядерного аппарата и цитоплазматических структур, в результате которых оогонии и сперматогоник= приобретают уникальные по морфологии и физиологии черты мужской и женской половых клеток. Основные изменения состоят в следующем.
1,	В развивающейся яйцеклетке синтезируются, а также: транспортируются в нее большие количества макромолекул,, субклеточных структур и питательных веществ, в результате чего ее размеры увеличиваются иногда в миллионы раз; в формирующемся сперматозоиде полностью редуцируется цитоплазма при одновременном синтезе некоторых специфических для него веществ.
2.	Происходит мейоз, включающий два важных в генетическом отношении явления — редукцию числа хромосом и рекомбинацию генов между гомологичными хромосомами (в редких случаях отсутствует). Эти процессы в равной мере характерны для оогенеза и сперматогенеза.
3.	В зрелых гаметах перераспределяются их составные части, что приводит в случае оогенеза к поляризации яйцеклетки,, а в случае сперматогенеза — к формированию типичной формы, сперматозоида.
Сперматогенез
Формирование спермия начинается с того, что гоноциты-(иногда их называют стволовыми зачатковыми клетками) превращаются в сперматогонии I порядка. У разных видов животных они претерпевают от одного до четырнадцати делений и. превращаются в сперматогонии II порядка. Важнейшая особенность этого периода сперматогенеза — то, что цитотомия при? делениях сперматогониев полностью не завершается и между дочерними клетками остаются цитоплазматические мостикш
4*
(фузомы). В результате этого потомство каждого сперматогония 1 порядка представляет собой клон, популяцию клеток общего происхождения, соединенных цитоплазматическими мостиками (рис. 14). В дальнейшем все процессы сперматогенеза протекают внутри каждого клона синхронно: клетки одновременно вступают в профазу мейоза (см. ниже), превращаясь в сперматоциты I порядка. В ядре их начинаются мейотические процессы — сложные изменения хромосом, из которых важнейшие — конъюгация (попарное соединение гомологичных хромосом) и
Рис. 14. Четыре фазы (4 — Г) сперматогенеза в семенных канальцах крысы (по И. И. Соколову):
1 — сперматозоиды, 3 — сперматогонии, 3 — сперматоциты, 4 — сперматиды, 5 — клетки Сертоли	. i	 .
.52	7	.	•	'
затем расхождение по дочерним клеткам гомологичных хромосом, а также кроссинговер— обмен участками между гомологичными хромосомами.
Мейоз	.
Мейоз — процесс редукции числа хромосом (уменьшения их количества от диплоидного к гаплоидному). Он состоит из двух следующих друг за другом делений созревания.
Вслед за последним митотическим делением сперматогоннй переходит в премейотическую интерфазу, в ходе которой подготавливаются условия для начала мейоза. Природа факторов, обусловливающих вступление в мейоз клетки, которая перед этим делилась митотически, неизвестна. Для вступления в мейоз необходим синтез определенных РНК и белков в премейоти-ческой интерфазе. Если предотвратить их синтез с помощью специфических ингибиторов синтеза РНК (актиномицин) и белка (пуромицин), то клетка не переходит в мейоз, а возвращается в митоз. Во время премейотической фазы S происходит репликация ДНК и удвоение хромосом, разделяющихся во время мейотических делений в конце сперматогенеза. Выявлена одна из замечательных особенностей мейоза, отличающая его от митоза; во время премейотической фазы S синтез ДНК не завершается полностью (как происходит обычно в фазе S митоза); 0,3 % всей новообразующейся ДНК синтезируется позднее, когда хромосомы уже хорошо оформлены (см. ниже).
Пройдя фазу S клеточного цикла, клетка вступает в профазу, превращаясь в сперматоцит I порядка. В это время происходит серия характерных изменений хромосом, которые известны как стадии профазы мейоза. Первая стадия — лептоне-ма. На'этой стадии, так же как в самом начале профазы митоза, начинается спирализация интерфазных редуплицированных хромосом, и они становятся различимыми в виде тонких нитей (лепто—тонкая, нема — нить), образующих клубок в ядре.
Следующая стадия—зигонема— характеризуется тем, что гомологичные хромосомы сближаются и конъюгируют. Процесс конъюгации локус-специфичен, т. е. обеспечивает точное спаривание (синапс) всех гомологичных участков хромосом. Механизм столь точного взаимного нахождения гомологов внутри ядра (в котором может быть несколько десятков хромосом) еще не выяснен. На стадии зигонемы происходит небольшой дополнительный синтез ДИК, которую обозначают как 3-ДЫК.
При изучении процесса конъюгации была обнаружена специальная структура, возникающая между конъюгирующими хромосомами,— синаптонемалъный комплекс (синаптонема — нить спаривания). Этот комплекс впервые был описан в 1956 г. при электронно-микроскопическом исследовании сперматогенеза рака. В настоящее время известно, что синаптонемальный комплекс есть в мейотических клетках всех животных и растений,
53

1
но .никогда не встречается в соматических клетках, хотя в ряде случаев конъюгация хромосом (по-видимому, не столь точная, как в мейотических клетках — мейоцитах) происходит в соматических клетках (например, в клетках слюнных желез двукрылых, содержащих гигантские полнтенные хромосомы). Таким образом, синаптонемальный комплекс — признак только половых клеток.
Он представляет собой структуру из трех лентовидных образований, из которых два боковых толщиной 30—60 нм вытянуты вдоль каждого из гомологов, а срединное соединяет боковые множеством поперечных нитей толщиной 2—5 нм. Предполагается, что синаптонемальный комплекс начинает образовываться уже на стадии лептонемы. В это время каждая гомологичная хромосома состоит из двух сестринских хроматид. Своими концами хромосомы прикрепляются к внутренней поверхности ядерной мембраны и могут скользить по ней. Иногда концы всех хромосом, примыкающих к мембране, сближаются и возникает фигура, известная под названием «букета». В результате перемещений каждая пара гомологичных хромосом оказывается рядом и, когда расстояние между ними уменьшается до ~300 нм, боковые ленты гомологов соединяются с помощью поперечных нитей, формирующих срединную ленту. Срединная лента прочно фиксирует расстояние между гомологами, препятствуя их дальнейшему сближению. Предполагается, что 3-ДНК, которая синтезируется в то же время, когда формируется синаптонемальный комплекс, входит в состав последнего.
На стадии пахинемы конъюгировавшие гомологичные хромосомы плотно прижаты друг к другу и продолжают спирализо-ваться. В результате образуется одна укороченная утолщенная мейотическая хромосома (пахи — толстая), в действительности состоящая из четырех хроматид (двух гомологов, каждая из которых состоит из двух сестринских хроматид). Такая хромосома называется бивалентом. На стадии пахинемы синаптонемальный комплекс полностью сформирован и обеспечивает максимальное спаривание гомологов. На этой стадии синтезируется еще одна небольшая фракция ДНК (П-ДНК).
На стадии диплонемы гомологи расходятся, между ними появляются щели, но в отдельных местах хромосомы остаются спаренными. Это участки, в которых возможен кроссинговер — обмен локусами между гомологичными хромосомами. В результате неполного расхождения вся хромосома в целом образует причудливые формы — одиночные, двойные кольца и др. Такие фигуры получили название «хиазм». По мере расталкивания хромосом синаптонемальный комплекс начинает разрушаться, сползая с хромосом. Небольшие его фрагменты сохраняются лишь в местах, где гомологи остаются соединенными (в участках перекреста). Это свидетельство того, что функция синаптонемаль-ного комплекса состоит в обеспечении конъюгации гомологичных хромосом.
54
После этой стадии хромосомные процессы профазы мейоза при сперматогенезе завершаются (в оогенезе имеет место еще одна стадия — диакинез, о которой будет сказано ниже) и сперматоцит готов приступить к первому мейотическому делению. Полностью сформированные профазные хромосомы, каждая из которых состоит из двух сцепленных редуплицированных гомологов, формируют метафазную пластинку — наступает первое деление мейоза. Как и в предшествовавших митотических делениях сперматогониев, цитотомия после I мейотического деления не завершается, и между дочерними клетками — сперматоцитами II порядка сохраняются цитоплазматические мостики. Минуя интерфазу (или после кратковременной интерфазы), сперматоциты II порядка вступают во второе мейотическое деление; образуются сперматиды, содержащие каждая по гаплоидному набору хромосом. Таким образом, первое и второе мейотические деления отличаются: в большинстве случаев в результате первого деления расходятся гомологичные хромосомы, т. е. редуцируется число хромосом (поэтому это деление называют редукционным). Во время второго деления (как при митозе) расходятся Хроматиды (это деление называют эквационным).
Спермиогенез
После вступления в профазу мейоза сперматоциты I порядка некоторое время растут. Обычно их размеры увеличиваются незначительно.
В сперматидах, превращающихся в сперматозоид, осуществляются характерные изменения ядра и цитоплазмы. В ядре происходит дополнительная компактизация хроматина, в результате чего он превращается в плотное образование, в котором прекращаются процессы репликации и транскрипции.
В цитоплазме сперматид формируются характерные для сперматозоида структуры — акросомный аппарат, компоненты шейки и хвостового отдела (рис. 15). Большая часть цитоплазмы при этом отбрасывается.
Акросома — органоид, расположенный в переднем отделе головки, играющий важную роль при его проникновении в яйцо. Акросома образуется из аппарата Гольджи. У разных животных форма и размеры акросом различаются, но построены они одинаково. Между акросомой и ядром имеется пограничная зона из плотного вещества, называемая периакросомным пространством. У некоторых животных акросома не образуется, у других она есть, ио имеет примитивное строение или отсутствует в зрелом сперматозоиде.
Шейка сперматозоида представляет собой цилиндр, в котором по периферии располагаются митохондрии. В дистальной по отношению к ядру части находится центриоль. Иногда имеется и проксимальная центриоль — на границе между ядром и шейкой. Дистальная центриоль, выполняя роль базального тела,
56
формирует жгутик — основу хвостовой части. У подавляющего большинства животных жгутики сперматозоидов имеют одинаковый, типичный план строения. Их осевой комплекс состоит из
9 пар
периферических и одной центральной пары микротрубо-
А
б
/5
/4
/б
8
9
10
И
/2
Рис. 15. Строение зрелого сперматозоида. А — головка; Б —хвост:
1 — акросомная шапочка, 2 — экваториальный сегмент, 3 — постакросомная область, 4~ шейка, 5 — средняя часть, f — основная часть, 7 — концевая часть, 8 — содержимое акросомы, 9 — плазматическая мембрана, 10 — внутренняя акросомная мембрана, II — наружная акросомная мембрана, 12 — ядро, 13 — слой митохондрий, 1'4 — осевые филаменты, 15 — волокнистая оболочка
чек, образующих цилиндр. Наряду езтим у многих животных появляются дополнительные микротрубочки — 9 одиночных фибрилл по периферии осевого комплекса. В состав жгутиков входят белки актомиозинового типа, белок, подобный миозину, динеин (как и миозин, он обладает АТФ-азной активностью, т. е. расщепляет АТФ, вырабатываемую митохондриями). При расщеплении АТФ (АТФ->-АДФ 4-Н-Ф) освобождается энергия, которая необходима для функционирования сократительных белков.
По мере формирования этих отделов сперматозоида и отбрасывания остатков-цитоплазмы вместе с межклеточными мостиками завершается синцитиальный период сперматогенеза; сперматиды превращаются в индивидуальные зрелые сперматозоиды (рис. 16).
У некоторых беспозвоночных половые клетки развиваются в целомической полости или в полости ацинусов (отсеков) гоиады. У других на протяжении всего развития мужские половые клетки находятся в тесном контакте с окружающими соматическими клетками семенника, где эти клетки образуют «цисты» или канальцы. Например, у млекопитающих в стейке канальца наименее зрелые формы (сперматогонии) располагаются у базальной мембраны; по мере созревания клетки смещаются к просвету. Клетки Сертоли — соматические клетки — имеют
крупные размеры и простираются от базальной мембраны семенного канальца почти до его просвета. По мере созревания половые клетки все более тесно прилегают к поверхности клеток Сертоли,, скользя по ней к просвету. Головка форг мирующегося сперматозоида постепенно внедряется в цитоплазму клеток Сертоли и от нее получает питательные вещества, необходимые для формирования. На конечных этапах спермиогенеза не вошед-
56
Рис. 16. Некоторые виды жгутиковых (Л — Д) и безжгутиковых (£) сперматозоидов (по Б. И. Балийскому, 1965). А—жабы; Б— морского ежа; В — рыбы рода Tetrodon; Г — морской свинки; Д—опоссума; Е— речного рака
шие в состав зрелого сперматозоида части цитоплазмы сперматозоида поглощаются клетками Сертоли.
Морфология зрелых сперматозоидов может сильно различаться. У некоторых животных они лишены жгутика (некоторые беспозвоночные, например круглые черви, высшие раки, моллюски), но содержат микротрубочки, которые обеспечивают движение безжгутиковых сперматозоидов — спермиев. У других животных, обладающих жгутиковыми сперматозоидами, микротрубочки в головке сперматозоида в ходе спермиогенеза элиминируются и образуется хвост.
У млекопитающих сперматогенез протекает непрерывно в течение всего периода поло-возрелости. У животных с сезонным размножением в периоды между циклами сперматогенез прекращается на стадии пахинемы профазы мейоза.
Значительная часть созревающих сперматозоидов обнаруживает аномалии и гибнет. Основные виды аномалий — большее число жгутиков и отклонение от нормального содержания ДНК в ядре. Первое — следствие неограниченного размножения центриолей; второе — результат неправильного расхождения хромосом в мейозе. .
Оогеиез
После окончания периода размножения оогонии переходят к стадии роста, становясь рядка.
Во время роста ооцит накапливает большое количество органелл, запасы питательных веществ и источников энергии. Размеры ооцита возрастают и могут достигать огромных величин (например, у птиц нагруженное желтком яйцо в миллионы раз превышает исходные размеры ооцита).
Ооцит дрозофилы за три дня увеличивается в 90 000 раз.
теперь ооцитами первого по-
57'
У лягушки диаметр молодого ооцита около 50 мкм, а зрелого — до 2000 мкм, что соответствует увеличению объема в 64 000 раз. Рост ооцита у нее идет сравнительно медленно: только двухлетние особи достигают половозрелости. Несравненно быстрее растет яйцо у птиц. Например, у курицы за последние шесть дней перед выпадением ооцита из яичника объем яйца возрастает в 200 раз. Яйца млекопитающих меньше по размеру; диаметр яйца мыши возрастает от 20 до 70 мкм, что соответствует увеличению объема более чем в 40 раз.
Рост ооцита неравномерен. Вначале он незначительный, этот период называют малым ростом (превителлогенез, или цитоплазматический рост). За ним следует период большого роста (вителлогенез, или трофоплазматический рост). Превителлогенез начинается с момента вступления оогония в мейоз и протекает на фоне его профазы. В это время ооцит растет за счет собственного синтеза, увеличивающего количество РНК, белков, рибосом, митохондрий. Важная особенность малого роста — пропорциональное увеличение массы ядра и цитоплазмы, сохранение типичного для обычных клеток ядерно-цитоплазменного соотношения. Вителлогенез характеризуется резкой интенсификацией процессов роста цитоплазмы ооцита и изменением ядерно-цитоплазмеиного соотношения. В этот период продолжается (большая или меньшая) синтетическая активность ооцита, но в целом масса цитоплазмы нарастает за счет поступления веществ извне. В период вителлогенеза в ооллазме накапливаются запасные питательные вещества: белки (желток), углеводы, жиры, липиды, витамины, минеральные солн. Хотя РНК (и их компоненты), митохондрии, мембраны и другие цитоплазматические структуры также откладываются в резерв, в основе большого роста лежит накопление желтка. Все запасы затем используются на ранних стадиях развития эмбриона. В некоторых случаях их хватает на значительный отрезок эмбрионального развития животного.
Резервирование компонентов аппарата трансляции. У многих животных в оогенезе интенсивно накапливаются огромные запасы компонентов аппарата трансляции. Так, в зрелом яйце амфибий количество рибосом и тРНК соответствует их количеству в сотнях и тысячах обычных (диплоидных) соматических клеток.
Однако в отличие от соматических клеток ооциты не используют подавляющую часть накапливаемых в цитоплазме рибосом, тРНК, 5S РНК, иРНК, а резервируют их для эмбриона. Есть некоторые структурные отличия между функционирующими и резервированными структурами. Например, активные рибосомы только в полисоме представлены в форме 80S частиц — вне полисом они находятся в виде отдельных субъединиц (40S и 60S). Резервированные рибосомы ооцита хранятся в виде 80S частиц (каким-то образом заблокированных). Резервные формы 5S РНК и тРНК представляют собой нуклеопротеиды, то
58
гда как функционирующие формы этих РНК не содержат прочно связанных с ними белков.
В исследованиях, проведенных на ооцитах шпорцевой лягушки (Xenopus laevis), показано, что по крайней мере у этого вида отсутствует обычная для соматических клеток жесткая корреляция в количестве новообразующихся 28S, 18S и 5S рибосомных РНК (см. гл. 2). В период малого роста ооцита интенсивно накапливаются 5S РНК (и тРНК), а запасание рРНК заметно отстает. Лишь к концу периода малого роста темп накопления рРНК начинает возрастать, но в это время уже наблюдается значительная диспропорция между количеством 28S и 18S рРНК, с одной стороны, и 5S РНК —с другой. В последующем в результате интенсивного накопления 28S и 18S рРНК молярное соотношение между количеством рибосомных и 5S РНК приходит в соответствие с тем, которое имеется в соматических клетках. Следовательно, в оогенезе функционирование механизмов, контролирующих координированный синтез рибосомных РНК, может проявляться иначе, чем в соматических клетках, где таких диспропорций не возникает. В ранний период оогенеза шпорцевой лягушки очень интенсивно накапливается и неактивная форма тРНК. Молярное содержание тРНК в соматических клетках ие столь точно (как 5S РНК) скоррелировано с содержанием 28S и 18S рРНК: тРНК составляет 8—10 % суммарного количества РНК клетки. В ооците в период малого роста тРНК вместе с 5S РНК (благодаря непропорционально активному их накоплению в это время) составляет до 90 % всей РНК- В конце оогенеза доля тРНК оказывается даже меньшей, чем в обычных клетках 2%). Это следствие интенсивного накопления рибосомных (28S и I8S) РНК в период большого роста, когда темп синтеза ядрышковых РНК достигает огромных величин. Так, в ооците Xenopus laevis в это время образуется 2 пг рРНК в час, что в 200 тыс. раз превышает темп синтеза рРНК б печеночной клетке. Достаточно отметить, что в период кульминации процесса в ооците формируется приблизительно 300 тыс. рибосом в секунду. Благодаря столь высоким темпам накопления рРНК диспропорции, которые были до этого между количеством рибосомных и транспортных РНК. исчезают. Однако у других видов животных таких диспропорций может не быть, поэтому преждевременно рассматривать эти наблюдения как закономерности, характерные для оогенеза.
Во время оогенеза интенсивно синтезируется иРНК- Определенная часть ее поступает в рибосомы и транслируется, обеспечивая белковые синтезы, непрерывно происходящие в это время, другая часть депонируется.
Изучение синтеза и накопления иРНК в ооците сильно затруднено тем, что эта РНК составляет лишь небольшую (2—5 %) долю суммарной РНК (см. гл. 2). Сведения о темпах накопления и содержания иРНК в ооците косвенны и пока не очень точны. Показано, что иРНК синтезируется на протяжении всего ооге
59
неза, но наиболее интенсивно — в поздний период, когда хромосомы в ядре ооцита (на стадиях пахинемы, ранней диплонемы) приобретают характерную конфигурацию «ламповых щеток» (см. ниже). Наряду с иРНК, которая транслируется в процессе оогенеза, в ооците резервируется большое количество «заре-прессированиой» иРНК, которая накапливается в ооплазме в форме рибонуклеопротеидов — информосом.
В ряде работ сделаны попытки оценить содержание нРНК в ооците на разных стадиях оогенеза. По некоторым данным, в ооците Xenopus laevis иРНК на раиних стадиях оогенеза составляет 2 % от общей РНК, или 42 иг. На более поздних стадиях в зрелом яйце 6—7 % от общей РНК предположительно информационная. В яйцах морского ежа иРНК составляет 4—5 % общей РНК- Накапливаемая в ооците иРНК представлена большим разнообразием видов. Полагают, что в яйце амфибий хранится по крайней мере 4*104 разновидностей иРНК, считанных с уникальных генов. Кроме них в яйце могут быть также иРНК, считанные с повторяющихся генов. При этом каждая разновидность иРНК может быть представлена множеством копий. Часть иРНК, накапливаемой в ооците, содержит на 3'-концах поли А последовательности (поли А (Ч-)-иРНК). Некоторые иРНК, видимо, находятся в цитоплазме в форме ииформосом. Определенная часть запасаемых РНК обнаруживается в ядре ооцита (см. ниже).
Накопление белков в ооцитах. В период цитоплазматического роста (малый рост) в ооците синтезируется тот же набор белков, который уже имелся исходно, т. е. в это время не появляется новых видов белка (за исключением желтка и, видимо, регуляторных белков в период трофоплазматического роста, см. ниже), а увеличивается количество' предсуществовавших белков ядра и компонентов цитоплазмы. В соматических клетках гистоны не накапливаются, ибо онн синтезируются строго координированно с репликацией ДНК. Оогенез — уникальный случай накопления в цитоплазме больших запасов гистонов.
В предыдущем разделе показано, что ооцит, создавая огромные резервы рибосом, нуждается, следовательно, в больших количествах структурных белков рибосом, а также специфических белков, образующих комплексы с резервируемыми 5S РНК, иРНК и тРНК.
В зрелом ооците Xenopus laevis белки рибосом составляют 4 мкг от общего содержания белков ооплазмы, или 16 % от всех белков, синтезируемых ооцитом. В период наиболее активного синтеза рРНК в ядрышке доля рибосомного белка от всего белка, синтезируемого ооцнтом, может превышать 30 %. Предполагают, что синтез рибосомных белков и рРНК скоординирован; однако еще неясен механизм координации. Другой важный для клетки белок, накапливаемый ооцитом,— тубулин. Его количество возрастает пропорционально росту ооцита» достигая 1 %
60
всего растворимого белка ооплазмы. В ходе оогенеза увеличивается также количество цитоплазматических мембран и митохондрий, Примерно 90 % белков, входящих в состав митохондрий, синтезируется вне их, на полисомах цитоплазмы, а иРНК для них образуется в ядре. В процессе оогенеза отмечен значительный синтез этих белков в цитоплазме, которые, по-видимому, используются для построения новых митохондрий. В ооците синтезируется и много других видов белка, однако конкретных сведений о темпах и соотношении этих синтезов пока мало.
В состав желтка, накапливаемого в ооците, входит примерно 90 % всего белка. Это относится к видам животных, в яйцах которых содержится большое количество желтка,— птицам, рептилиям, амфибиям, рыбам и многим беспозвоночным. Желток — сложный комплекс, состоящий из липофосфопротеидов, которые, кристаллизуясь, откладываются в ооплазме в форме крупных гранул и иногда пластинок. Хорошо изучено строение компонентов желтка в желточных пластинках амфибий.
Структурной единицей желтка является комплекс из двух соединений: липа вителлина и фосвитина. Липовителлии — липопротеид с молекулярной массой 400000, в состав которого входит ~ 20 % липидов. Фосвитин — фосфопротеин с молекулярной массой 40000, состоящий из белка и фосфата (8,4%). Каждая молекула липовителлина представляет собой димер. Одна молекула лнповителлина и две молекулы фосвнтина образуют комплекс, представляющий собой структурную единицу желточной пластинки. Эта пластинка имеет плотную центральную зову и более рыхлую периферическую. Снаружи она окружена тонкой осмиофильной мембраной. Плотная зона представлена гексагональной кристаллической решеткой, образуемой молекулами фосвитина. У рыб желток оформлен в виде гранул примерно такого же строения, ио у них, особенно у морских форм, содержание фосфата может быть пониженным.
Источники органелл и макромолекул, . -накапливаемых в ооците
Значительное накопление продуктов синтетической активности в оогенезе насекомых, амфибий, рыб, птиц предполагает соответствующие механизмы обеспечения ооцита этими продуктами. Запасаемые в ооците структуры и вещества могут формироваться: 1) самим ооцитом, 2) специальными клетками яичника, примыкающими к ооциту,— питающими клетками (трофоцитами) и 3) вне гонад — в разных органах, откуда они поступают в яичиик и ооцит.
В основе синтетической активности клетки лежит транскрип-
ты
5
ция генов. Накопление таких резервов сопряжено либо с длительным интенсивным функционированием генов, либо с увеличением числа копий соответствующих генов (увеличением «дозы» генов), а иногда с тем и другим. В последние 10—15 лет с помощью цитобиохимических и молекулярно-биологических методов выяснено, что в ядрах ооцитов происходят процессы, повышающие активность синтеза РНК.
Амплификация рибосомных генов — способ интенсификации накопления рибосом в ооците. У многих животных в ооците в короткие сроки накапливается огромное количество рибосом за счет временного избирательного увеличения числа рибо-сомиых генов (p-генов). Это явление получило название амплификации или экстракопирования генов. Наиболее детально амплификация изучена у бесхвостых амфибий и насекомых. Суть амплификации заключается в следующем. При обычной репликации ДНК удваивается вся хромосома, тогда как при амплификации копируются только избранные, в данном случае р-гены. Как известно, рибосомные гены у животных и растений представлены наборами из тандемно расположенных (т. е. следующих Друг за другом) повторяющихся единиц рДНК, каждая из которых содержит по одному гену (цистрону) для 18S и 28S рРНК и «спейсерный» участок (см. гл. 2). При амплификации вся рДНК копируется, а вновь образованные копии рДНК отделяются от хромосомы, формируя свободные ядрышки, «плавающие» в кариоплазме (экстраядрышки). Как показано иа ооцитах шпорцевой лягушки, образование дополнительных рДНК начинается в период лептонемы —зигонемы и особенно интенсивно в период пахинемы. В результате формируется 1000—1500 дополнительных ядрышек (экстраядрышек), которые интенсивно продуцируют рибосомы. Благодаря амплификации способность продуцировать рибосомы у ооцита возрастает на 3 порядка. К концу оогенеза амплифицированная ДНК разрушается и вскоре отбрасывается (согласно одному из предположений, небольшая часть экстра-рДНК сохраняется в яйцеклетке и затем передается гоиоцитам, выполняя роль матриц для новых амплификаций во время последующего оогенеза).
Наибольшую активность новообразованные ядрышки приобретают в начале большого роста. У животных, у которых происходит амплификация р-геиов, это важнейший источник накапливаемых в ооците рибосом.
Накопление 5S РНК и тРНК — также результат собственной транскрипционной активности ооцита. Высокий уровень синтеза этих РНК обусловлен тем, что гены, кодирующие их, многократно повторены. Число копий генов 5S РНК в ооцитах Xenopus laevis достигает порядка 25 тыс. Гены тРНК состоят из сотен копий. Очевидно, число копий этих генов в хромосомах, а также высокая интенсивность образования тРНК (благодаря их малым размерам) и, наконец, большая продолжительность оогенеза достаточны для формирования необходимых запасов 5S РНК
и тРНК в яйце, поэтому амплификации этих генов не происходит.
Синтез информационных РНК. Хромосомы типа «ламповых щеток». В профазе мейоза происходит спирализация хромосом ооцита — состояние, при котором их транскрипционная активность ие может быть высокой. Между тем ооцит синтезирует большую часть иРНК, которая резервируется. После завершения периода малого роста, в течение которого проходят фазы лептонемы, диплонемы и пахинемы, перед тем как войти в метафазу (т. е. максимально спирализоваться), хромосомы временно частично деспирализуются (фазы диплонемы, диакинеза), приобретая вид «ламповых щеток». В этот период во всех хромосомах наблюдается необычайно высокая транскрипционная активность.
Существенная особенность структурного состояния «ламповых щеток» — такая степень деспирализации хромосом, при которой обеспечивается активная транскрипция, но при этом они не выходят из состояния, характерного для профазы (хромосомы различимы даже в световом микроскопе). Основу хромосомы образует центральная ось — нить ДНК с утолщениями (хромомеры), от которой отходят петлевидные образования, состоящие из более тонкой нити, иа которой синтезируется РНК. Каждая петля — участок ДНК, с которого считывается гигантская цепь РНК, к которой уже присоединены белки. Предполагается, что каждая петля представляет собой отдельную единицу транскрипции, т. е. ген. В конце диакинеза (эта стадия может быть очень продолжительной) хромосомы вновь спирализуются, петли подвергаются регрессии, обретая внд, характерный для хромосом, вступающих в метафазу. Хромосомы типа «ламповых щеток» первоначально были обнаружены у амфибий, хрящевых рыб и птиц, а в последующем — в ооцитах всех животных и человека, а также во многих случаях в сперматоцитах. Сейчас известны многие детали их тонкого строения.
Вителлогенез внутри ооцита (эндогенный желток). Некоторая часть желтка образуется из предшественников, синтезированных в ооците. Иногда его называют «аутосинтетическим» или эндогенным желтком. Остальная часть желтка формируется из готовых макромолекул — предшественников, поступающих в ооцит извне («гетеросинтетический», или экзогенный, желток). У многих беспозвоночных (турбеллярии, ракообразные н некоторые рыбы) доля эндогенного желтка значительна.
Эндогенный желток формируется в аппарате Гольджн из белков, синтезирующихся в эндоплазматическом ретикулуме. У низкоорганизованных животных, у которых желток образуется только эндогенно, аппарат Гольджи и эндоплазматический ретикулум очень хорошо развиты. Еще в начале века высказывались предположения о превращении митохондрий в желток. В последнее время выяснено, что в некоторых митохондриях действительно откладываются компоненты желтка, однако о происхож-
63
дении этих белков нет единого мнения. Первоначально между наружной и внутренней мембранами митохондриальных крист образуются желточные гранулы. По мере того как их размеры увеличиваются, митохондриальные кристы исчезают и со временем возникает желточная гранула. Такая картина описана пока у немногих животных, но и этого достаточно для утверждения,
Рис. 17. Питание ооцитов у губок (по Тюзе, 1968). А —ооциты до начала активного роста; Б, В — интенсивно растущие ооциты; фк—фагоцитированные клетки
что митохондрии участвуют в запасании желтка. По некоторым сведениям, у лягушки до 20 % митохондрий могут перерождаться в желточные структуры.
Вителлогенез за счет поступления веществ извне (экзогенный желток). В большинстве случаев собственная активность ооцита не в состоянии обеспечить необходимое для него количество депонируемого материала. Кроме того, у многих животных амплификация p-генов не выражена либо отсутствует. .Поэтому в ходе эволюции были выработаны различные механизмы, обеспечивающие поступление синтезированных вне яичника веществ в ооцит.	
64-	‘	.	.	
Рис. 18. Ооцит жука-плавунца с группой клеток-кормилок (трофоцитов) (по И. И. Соколову, 1966)
Способы обеспечения ооцита материалом извне у разных животных неодинаковы и зависят от уровня их эволюционного развития.
Существуют следующие формы обеспечения ооцита питательными веществами — фагоцитарный, нут-риментарный (с участием питающих клеток — трофоцитов, расположенных в гонаде н родственных ооциту) и экстрагонадный (поступление в ооцит веществ из других органов через фолликулярный эпителий). При отсутствии гонад (у низкоорганизованиых форм — губок, кишечнополостных, ресничных червей) ооциты развиваются в разных участках тела (диффузный оогенез), активно перемещаясь и фагоцитируя другие клетки (рис. 17). Фагоцитоз—основной путь поступления веществ, необходимых для роста ооцитов этих животных. У губки Pelroblonia обнаружены первые признаки использования других клеток в качестве питающих: ооцит присоединяет к себе так называемую клетку-иосительницу, которая захватывает и поглощает хоаноциты ближайшего жгутикового канала.
Продукты их распада проникают в ооцит. У кишечнополостных (пресноводная гидра) оогонии, сформировавшиеся из i-клеток, . располагаются тесными группами, и лишь одна из них превращается в ооцит: она растет, поглощая сестринские клетки Позже несколько ооцитов сливаются в один, и все их ядра, кроме одного, дегенерируют.
Такой способ питания, уже не связанный с передвижением «ооцита-хищника», представляет собой переход к нутриментар-ному типу, распространенному среди разных групп червей и членистоногих.
Система «ооцит — трофоциты». Ооцит и трофоциты образуют систему родственных (происходящих из оогониев), структурно и физиологически тесно связанных между собой клеток. Они хорошо изучены у насекомых, где расположены группами в яйцевых трубочках (овариолах). Различают овариолы паноистиче-ского и мероистического типов. В последних по соседству с ооцитами имеется группа питающих клеток — трофоцитов, снабжающих ооцит продуктами синтетической активности, главным образом рДНК (рис. 18, 19).
Рассмотрим процесс их возникновения на примере предста-
5 Заки 645
65 .
вителя двукрылых — дрозофилы. В результате четырехкратного деления каждого оогония возникает 16 клеток, причем цитотомия при делениях не завершается и между сестринскими клетками сохраняются цитоплазматические мостики. Все 16 ооцитов вступают в начальные стадии профазы мейоза, однако в последующем лишь один из них продолжает оогеиез, остальные 15 превращаются в питающие клетки — трофоциты. В отличие от
Рис. 19. Дифференцировка группы оогониев в ооцит и в трофоциты у Drosophila melanogasier. А — оогонии; Б — ооцит (сверху) с группой трофоцитов; В — ооцит, поглощающий трофоциты
ооцита, масса которого интенсивно увеличивается за счет преимущественного роста цитоплазмы, в трофоцитах интенсивно растут и ядро и цитоплазма, причем ядро опережает в росте цитоплазму. Следовательно, для ооцита и трофоцита характерны обратные ядер ио-цитоплазменные отношения и это обусловлено тем, что цитоплазма ооцита использует продукты синтетической активности ядра трофоцита.
Другое отличие состоит в том, что на протяжении всей профазы ооцит остается тетраплоидным, тогда как в трофоцитах хромосомы проходят множество редупликаций, достигая высоких степеней плоидности. Трофоциты интенсивно синтезируют РНК и, возможно, белки и транспортируют их через цитоплазматические мостики в ооплазму. У животных с развитой системой «ооцит — трофоциты» собственная активность ооцита невелика: в его ядре происходят в основном мейотические процессы.
В гонадах улитковой пиявки на один растущий ооцит приходится около 2000 вспомогательных клеток, которые связаны с ооцитом специальной зоной (рахис). Интересно, что в этом случае питающие клетки не полиплоидизируются: видимо^ ввиду их большого числа необходимость в этом отсутствует.
Фолликулярный эпителий. Фолликулы. Наиболее распространенный тип питания яйцеклеток связан с функцией фолликулчр-66
ных клеток,, окружающих ооцит. У насекомых этот тип питания сочетается с нутриментарным, в их яичниках фолликулярные клетки окружают ооцит вместе с его питающими клетками. У позвоночных питание с участием фолликулярных клеток является единственным источником экзогенных веществ. В отличие от трофоцитов фолликулярные клетки по своему происхождению соматические.
У зародышей млекопитающих оогонии лежат в корковом слое яичника, окруженные соматическими клетками, которые превращаются в фолликулярные клетки; затем формируются фолликулы— ооциты, расположенные внутри слоя фолликулярных клеток (рис. 20, 4). Стенки фолликул вначале однослойные, но затем в результате размножения фолликулярных клеток становятся многослойными. Фолликулярные клетки выделяют жидкость, которая скапливается внутри фолликула. Часть клеток внутри фолликула резорбируется — образуется полость, заполненная жидкостью. На заключительной стадии развития ооцита образуются крупные фолликулы с объемистой полостью, заполненной фолликулярной жидкостью. По имени впервые открывшего их Де Граафа, такие зрелые фолликулы с завершившим рост ооцитом называют граафовыми пузырьками (рис. 20, Б). Фолликулярный эпителий за редким исключением (головоногие моллюски) не снабжает ооцит продуктами собственной синтетической активности. Но он играет большую роль в процессах, связанных с поступлением в ооцит веществ экстраго-иадиого происхождения.
Экстрагонадиый синтез веществ для обеспечения роста ооцита характерен для ряда беспозвоночных (главным образом, насекомых) и для позвоночных животных. У насекомых эти вещества синтезируются в жировом теле, у ракообразных — в гемолимфе и в гематопанкреасе, у птиц и млекопитающих — в печени. Из этих органов вещества поступают в гемолимфу (у беспозвоночных) или в кровь (позвоночные), а оттуда через фолликулярный эпителий в ооцит. Фолликулярный эпителий, выполняющий множество функций (защитных, барьерных, регуляторных), обеспечивает также перенос в ооцит веществ, синтезированных вне гонады.
Между фолликулярными клетками и ооцитом ие устанавливается прямых цитоплазматических связей, как между ооцитом и трофоцитами. В зоне контакта (периооцитное пространство) от фолликулярных клеток в сторону яйцеклетки направляются длинные выросты — микроворсинки, которые внедряются в поры ее оболочки снаружи. В свою очередь на поверхности ооцита также возникают микроворсинки, которые внедряются в поры оболочки фолликулярных клеток изнутри. Транспортируемые вещества попадают сначала в периооцитное пространство, а оттуда активно (путем пиноцитоза) захватываются ооцитом. Таким способом в ооцит поступает вителлогенин (липофосфопротеид), из которого строится желток.
5*
67
Большой интерес представляет вопрос о механизмах, обеспечивающих селективность переноса веществ в ооплазму, в частности факторов, индуцирующих пиноцитоз. Многочисленными экспериментами показано, что не все вещества способны перейти из крови (либо гемолимфы) в ооцит. Для этого они должны сначала пройти через барьер, образуемый фолликулярным эпителием, и затем проникнуть в периооцитное пространство — на границе между мембранами фолликулярных клеток и ооцита.
Следующий этап — транспорт веществ в ооцит — по-видимому, зависит от ряда факторов. По некоторым данным, на поверхности мембраны ооцита имеются специфические рецепторы, «узнающие» вещества, которые должны быть перенесены в ооцит (вителлогенин). Сначала в этих участках создается (благодаря сродству к рецепторам) повышенная концентрация переносимого вещества, что, видимо, индуцирует пиноцитоз: возникает углубление в мембране, края мембраны смыкаются—формируется пиноцитозный пузырек (20—30 нм) с заключенным в нем концентрированным вителлогенином. Пузырьки погружаются в ооплазму, сливаются друг с другом, захватывая также пузырьки аппарата Гольджи. В таком объединенном пузырьке и образуется примордиальная (зачаточная) желточная гранула. Это происходит следующим образом: вителлогенин распадается
Рис. 20. Ооциты и фолликулярные клетки в яичнике млекопитающих. А — ранняя стадия — формирование фолликулов:
1 — ооциты, 2 — скопление фолликулярных клеток, 3 — однослойный фолликул
68
на липовителлин и фосвитин, а из них вновь образуются комплексы, характерные для структурных единиц желтка. Если нарушить целостность фолликулярного эпителия или изолировать ооцит (отделить его от фолликулярного эпителия), селективность и скорость транспорта уменьшаются. В этих условиях в ооцнт могут проникать также чужеродные белки и соединения, которые обычно в него не попадают. Правда, внутри ооцита они быстро разрушаются. Таким образом, фолликулярный эпителий играет сложную и важную роль в процессе транспорта вешеств в ооцит.
Б — молодой ооцит, окруженный несколькими слоями фолликулярных клеток: / — клетки фолликулярного эпителия. 2 — оболочка ооцита (zona pellucida), 3 — отростки фолликулярных клеток, 4 — встречные выросты (микровнлли) ооцита, о — ядро ооцита, 6 — эндоплазматический ретикулум
69
Созревание ооцита
Это период от первого митотического деления до образования яйца. При оогенезе у многих животных мейоз начинается на более ранних стадиях индивидуального развития, чем при сперматогенезе. Так, у мыши все оогонии синхронно прекращают деление на 14-й день эмбриогенеза и вступают в прелептонем-ную интерфазу и далее в профазу мейоза. С момента вступления в профазу оогоний превращается в ооцит I порядка. Профаза мейоза у разных животных имеет неодинаковую продолжительность: у мышей она длится 5 дней, у крыс —10, у кроликов — 20 дней. Ооциты, прошедшие диплонему, не вступают сразу в прометафазу, а переходят в стадию диакинеза, которая имеет неодинаковую у разных животных продолжительность. У мышей ооциты вступают в эту стадию на 4—5-й день после рождения, у крыс—на 5—7-й день. На стадии диакинеза течение мейоза замедляется (возникает блок).
Выход из диакинеза и начало делений созревания (мейоти-ческих делений) приурочены к моменту половозрелости, когда ооциты завершают все процессы подготовки к созреванию. Это происходит под влиянием регулирующих оогенез механизмов, среди которых большую роль играют гормоны и взаимодействие ооцита с окружающими клетками.
Рассмотрим некоторые, наиболее важные изменения в ядре и цитоплазме во время созревания ооцита. Переход к созреванию ооцитов, прошедших профазу мейоза, осуществляется под влиянием гонадотропных гормонов (см. гл. 10) передней доли гипофиза. На конечных этапах роста фолликула фолликулярные клетки способны реагировать иа действие гонадотропных гормонов гипофиза. Лишь после этого специфического стимула в фолликуле начинается созревание ооцита. В специальных опытах с очищенными гонадотропными гормонами, меченными радиоактивными изотопами, было показано, что в этот период в ответ на действие гонадотропного гормона фолликулярный эпителий продуцирует другой (стероидный) гормональный агент — прогестерон (или его аналог), который поступает в ооцит и индуцирует в нем процессы созревания. Процесс созревания хорошо изучен у амфибий, рыб и млекопитающих, что оказалось возможным благодаря разработке методов, позволивших воспроизвести процессы созревания вне организма.
В естественных условиях гонадотропные гормоны выделяются в кровь лишь в определенные периоды цикла размножения: у животных с сезонным циклом — перед наступлением времени откладки яиц, течки; у приматов и животных с несезоиным размножением— в определенный момент полового цикла либо провоцируется спариванием. Появление в крови гонадотропинов (точнее, их определенная концентрация) индуцирует в фолликуле, достигшем соответствующей стадии, процессы созревания. В условиях эксперимента созревание фолликулов, готовых к
7@.
восприятию гормонального стимула, можно спровоцировать инъекцией гормона. Число реагирующих на гормон фолликулов в какой-то мере зависит от концентрации гормона, поэтому, вводя его в больших количествах, можно индуцировать созревание несколько большего числа ооцитов, чем происходит у них в естественных условиях.
Рис. 21. Деления созревания (мейотические деления) в ооците (по Вильсону, 1940): А—метафаза первого деления созревания; Д В — выделение первого полярного тельца Г, Д— метафаза и анафаза второго деления созревания ооцита (одновременно делится 1-е полярное тельце); Е— выделение второго полярного тельца (2)
Изменения в ооците в период созревания. В ооците, готовом к созреванию, ядро, часто именуемое «зародышевым пузырьком», занимает различное положение: 1) в центре; 2) в зоне аии-мального полюса, но вдали от поверхности; 3) вблизи от поверхности у анимального полюса. Оно содержит ядрышки, кариоплазму, хромосомы на стадии диплонемы. Вскоре после воздействия гормона (прогестерона) начинается первое меметическое деление (рис. 21). Ядро мигрирует к поверхности яйца у анимальиого полюса, после чего мембрана ядра разрушается, кариоплазма смешивается с ооплазмой, а хромосомы конденсируются. В тех случаях, когда хромосомы в ооцитах перед созреванием имеют вид «ламповых щеток», их петли исчезают. Од-
71
повременно с разрушением ядерной мембраны происходит регрессия ядрышек —из ннх исчезает РНК (но сохраняется материал ядрышкового организатора). Хромосомы располагаются в плоскости, перпендикулярной к оси веретена,— формируется метафаза. Весь этот период —от разрушения ядерной мембраны, которая знаменует начало периода созревания, До появления метафазы I — называют прометафазой 1-го мейотического деления. Ядро содержит набор 2 п хромосом (по количеству ДНК-4С). Вслед за этим происходит редукционное деление: расхождение гомологичных хромосом, т. е. редукция их числа. Сестринские наборы концентрируются у полюсов веретена так, что один из них непосредственно оказывается у мембраны анималь-Ного полюса. Во время телофазы из пего формируется ядро, которое вместе с небольшим слоем окружающей цитоплазмы и центриолью выводятся из ооцита, располагаясь на аннмальном полюсе снаружи от плазматической мембраны ооцита, но под его первичной оболочкой (см. ниже). Эта небольшая клеточка носит название 1-го полярного тельца (полоцита), а ооцит получил название ооцита 2-го порядка. Его ядро содержит уже гаплоидный редуцированный набор хромосом (н), но по количеству ДНК “Каждая нить еще двойная (2С),
Вслед за тем хромосомы ооцита 2-го порядка и 1-го полярного тельца без какой-либо подготовки вновь выстраиваются в метафазную пластинку. Начинается второе деление созревания — эквацнопное расхождение сестринских хроматид. Вся последовательность процессов повторяет первое деление. У анималь-ного полюса появляются три полярных тельца: два — в результате деления первого полоцита, одно —при разделении хроматид внутри ооцита 2-го порядка. Но первое полярное тельце может дегенерировать раньше, чем успеет еще раз разделиться.
Продолжительность мейотических делений у разных видов животных варьирует. Как правило, продолжительность первого деления больше. После завершения второго деления в ооците остается один редуцированный гаплоидный набор хромосом, который формирует иитерфазное ядро, называемое женским про-нуклеусом. Одновременно происходят характерные изменения в цитоплазме яйцеклетки: она обводняется, повышается внутриклеточное давление (тургор), поверхностный слой цитоплазмы приобретает свойства сократимости (имеющее большое значение при последующем дроблении яйца), понижается проницаемость, повышается чувствительность к температурным воздействиям, появляется способность к цнтотомии. Периферический слой яйца при созревании приобретает свойства, необходимые для осуществления характерных реакций при оплодотворении . (кортикальная реакция, см. ниже), в ооците появляются факторы преобразования ядра сперматозоида в мужской пронуклеус.
Все эти изменения в ядре н цитоплазме представляют собой цепь взаимосвязанных процессов, в которых принимают участие
72	, '		.
как факторы, подготовленные на предыдущих этапах развития и роста ооцита, так и те, которые возникают непосредственно в период созревания. За последние годы было проведено множество экспериментов с целью выявить эти факторы и понять, в какой последовательности и взаимообусловленности в ооците,
Рис. 22. Свойства, приобретаемые ооцитом в процессе созревания (по Т. А. Детлаф, 1977). Обозначены свойства цитоплазмы, из которых часть приобретается уже в период созревания, а другая — только в начале развития, т._ е. в ооците возникает лишь способность к ним. Показаны свойства, в становлении которых кариоплазма не участвует (сплошные стрелки), и свойства, возникающие с участием компонентов кариоплазмы (пунктирные стрелки) ’
индуцированном к созреванию, протекают биохимические и молекулярные процессы. Благодаря этим исследованиям удалось выяснить, какую роль играют в созревании основные структурные элементы системы — железы внутренней секреции, регулирующие созревание, фолликулярный эпителий, ядро и цитоплазма ооцита. В результате всех этих процессов яйцо снабжается (кроме запасов питательных веществ, компонентов ап
73
парата транскрипции и трансляции, энергетических ресурсов н т. д.) и набором специфических регуляторных факторов чаще всего невыясненной природы, но выясненного назначения. Эти факторы либо накапливаются на предшествующих стадиях оогенеза, либо синтезируются непосредственно в период созревания, Рассмотрим некоторые из этих факторов (рис. 22).
Один из важных моментов при созревании — разрушение ядерной мембраны (которое рассматривается как основной морфологический показатель начала созревания)—происходит под действием фактора дезинтеграции ядерной оболочки. Он появляется в цитоплазме ооцита под действием прогестерона, и для его возникновения не требуется участия ядра ооцита (это было показано в опытах, в которых из ооцита удалялось ядро). Его активность обнаруживается перед тем, как ядерная мембрана разрушается, а после разрушения активность снижается. Если цитоплазму ооцита на этой стадии инъецировать в незрелые ооциты, то в них и без гормональной индукции разрушается ядерная мембрана. Фактор не специфичен: он дезинтегрирует мембраны ядер ооцитов отдаленных видов. Фактор имеет, по-видимому, белковую природу (термолабилен, инактивируется протеолитическими ферментами) и способен амплифицироваться в цитоплазме. Предполагается, что первоначально под влиянием прогестерона в ооплазме синтезируется вещество, получившее название инициатора. Для его появления не требуется синтез новых РНК, но необходим незначительный белковый синтез. Под влиянием инициатора активируется фактор дезинтеграции ядерной мембраны.
После разрушения ядерной мембраны в ооците начинает действовать важный для созревания фактор, вызывающий конденсацию хромосом. В его появлении участвуют и ядро и цитоплазма, т. е. он возникает только при смешивании кариоплазмы с ооплазмой. Механизм его формирования пока не ясен. Действие фактора неспецифично. Он вызывает конденсацию хромосом любых (например, нервных) клеток, если их ядра инъецировать в ооцит с разрушенной ядерной мембраной.
В созревающем ооците возникают также факторы, без которых ядро сперматозоида не преобразуется в пронуклеус и в ием не активируется синтез ДНК перед дроблением. Появление этого фактора также связано с участием ядра и цитоплазмы ооцита. В процессе созревания в цитоплазме образуется фактор, ответственный за цитотомию во время дробления яйца: без него не происходит дробления. Выяснено, что этот фактор формируется в ядре ооцита на довольно ранних стадиях оогенеза и хранится в нем до момента, когда начинается созревание. После разрушения ядерной мембраны ооцита он вместе с другими компонентами кариоплазмы переходит в цитоплазму. Так, в опытах на амфибиях и севрюге было показано, что если до разрушения ядерной мембраны удалить из ооцита ядро, ооциты не приступают к дроблению, но если в ооцит инъецировать мате
74
риал кариоплазмы, взятый из созревшего или незрелого ооцита, произойдет дробление. Следовательно, фактор цитотомии присутствует в ядре до созревания и для проявления его активности необходимо, чтобы он перешел из ядра в цитоплазму (это в норме и происходит после разрушения ядериой мембраны при созревании).
У многих животных на определенном этапе созревания ооцита (например, у позвоночных на стадии метафазы II деления созревания) наступает очередной блок мейоза. У амфибий вскоре после разрушения ядерной мембраны в ооцнте появляется фактор, ответственный за блок мейоза на стадии метафазы II. Фактор сохраняет активность вплоть до оплодотворения (или искусственной активации) яйца, после чего обратимо инактивируется. Он получил название цитостатического фактора, т. е. фактора, блокирующего деление. Однако попытки подтвердить эти данные пока не увенчались успехом.
У разных животных блок мейоза возникает на разных стадиях и снимается процессом оплодотворения. Известны четыре варианта блокирования.
I.	Мейоз блокируется на стадии диакинеза, т. е. до начала созревания. К этой группе относятся в основном представители беспозвоночных: губки, некоторые виды плоских, круглых и кольчатых червей, моллюсков, щетинкочелюстных, морские звезды. Однако (что крайне неожиданно) такой способ блокирования и оплодотворения обнаружен и у трех видов млекопитающих: лошади, собаки и лисицы.
2.	Блокируется метафаза I, оплодотворение происходит на этой стадии. Этот вариант типичен для насекомых и описан у некоторых моллюсков, червей (кольчатых и немеретин) и губок.
3.	Блокируется метафаза II, что характерно для подавляющего большинства изученных в этом отношении позвоночных.
4.	Мейоз не блокируется. Яйцо останавливается в развитии после завершения мейоза, когда сформирован женский пронуклеус (некоторые кишечнополостные и иглокожие—морские ежи).
В большинстве случаев блок мейоза снимается после активации яйца при оплодотворении или путем искусственной активации (см. ниже). Механизм блока мейоза пока не выяснен..
Овуляция
На стадии развития, соответствующей началу оплодотворения, ооцит высвобождается из фолликула — происходит овуляция. Процесс овуляции, тесно скоррелированный с созреванием и оплодотворением, у позвоночных осуществляется под контролем гормональных механизмов, индуцирующих разрыв фолликулярного эпителия. У животных этой группы мейоз блокируется на стадии метафазы II, и овуляция происходит на этой же стадии. Оплодотворение следует непосредственно после овуля-
75
ции и внутреннего осеменения в яйцеводах (как у’млекопитающих) либо во внешней среде после откладки свежеовулирован-ных янц и наружного осеменения.
Овуляция и физиологические механизмы, связанные с ней, хорошо изучены у млекопитающих и амфибий. Этот процесс, как и созревание, контролируется гормонами.
Структурная организация и физиологические особенности яйцеклетки
Тесная взаимообусловленность конечных этапов созревания ооцита и начальных процессов раннего эмбриогенеза вызывает вопрос: что называть зрелым яйцом? Действительно, у многих животных ооцит при незавершенном процессе созревания уже оплодотворяется. Если овулировавший ооцит (яйцеклетка) не оплодотворяется в течение короткого времени, в нем интенсивно происходят процессы «старения» — уменьшается способность к нормальному оплодотворению и к последующему развитию. Яйцо, таким образом,— весьма нестабильная система и для сохранения его жизнеспособности необходима своевременная активация к развитию.
Проблема длительного сохранения яйцеклеток млекопитающих решена лишь в последние годы: в присутствии криопротекторов (веществ, влияющих на процесс кристаллизации воды) их удается заморозить и хранить при —190 °C. Замороженные яйцеклетки после размораживания способны нормально развиваться.
В ходе оогенеза резервируется большое количество компонентов, которые необходимы для раннего эмбриогенеза. Одновременно в яйцеклетке формируется программа последовательного использования этих компонентов в ходе раннего эмбриогенеза. Отсутствие или недостаток какого-либо фактора нарушает согласованную цепь последовательных и взаимозависимых процессов, что чаще всего приводит к нарушениям и к остановке развития. Важное значение имеет организация зарезервированных структур и факторов в яйце, ибо она специфична для каждого вида и определяет последовательность и взаимообусловленность процессов раннего развития. Рассмотрим основные структурные и физиологические особенности яйца к моменту овуляции.
1.	Ядро яйцеклетки, небольшое по размеру (за редким исключением), не активно ни в отношении транскрипции, ни в отношении репликации, содержит набор хромосом, характерный для времени наступления блока мейоза у данной группы животных.
2.	Помимо компонентов аппарата трансляции, структурных белков, о которых говорилось выше, в яйце есть резервы многих ферментов, необходимых для ранних стадий развития. К ним относятся ферменты синтеза ДНК. и РНК (ДНК- н РНК-поли-
76
( < -
меразы). Резервы этих ферментов могут быть очень значительны. Например, в яйце Xenopus laevis содержится такое количество ДНК-полимераз, которого хватило бы для репликации ДНК ядер зародыша до стадии 200 клеток. Дж. Гердон инъецировал в яйцо этих животных большое количество ядер из соматических клеток. В сотнях ядер, введенных в яйцо, происходила репликация ДНК- Было показано, что помимо обычных типов ДНК-полимераз яйца содержат особый вид фермента, отсутствующий в других клетках. Предполагается, что эти специфические ДНК-полимеразы необходимы для обеспечения высокой скорости репликации ДНК!, характерной для дробящихся яиц многих животных (см. ниже).
Для репликации ДНК, кроме указанных ферментов, требуется система энзимов синтеза дезоксинуклеозидтрифосфатов (фосфокиназы, редуктазы и др.). Эти ферменты также резервируются в овулировавшем яйце либо в готовом и уже активном виде, либо в неактивной форме. Таким образом, в период раннего эмбриогенеза процессы репликации ДНК полностью обеспечены резервами, заготовленными в яйце.
Ферменты транскрипции, включающие ДНК-зависимую РНК-иолимеразу, ферменты синтеза полиаденнлатов, рибонуклеозидтрифосфатов и другие компоненты системы синтеза РНК, также запасаются в яйцах животных. Например, в яйцах амфибий содержится такое количество ДНК-зависимых РНК-полимераз, какое содержится во всех клетках головастика (приблизительно 400 тыс. клеток).
3.	В яйце имеется множество факторов, выполняющих разнообразные регуляторные функции. Они необходимы для активации запасенных в яйце ферментов, рибосом, иРНК, тРНК, процессов синтеза ДНК и РНК, для быстрой н правильной сборки нуклеосом и т. д. и обеспечивают координированное функционирование всех заготовленных компонентов физиолого-биохимических систем начинающего развиваться зародыша. О некоторых из них (факторе превращения ядра сперматозоида в мужской пронуклеус, факторе цитотомии и др.) уже упоминалось в разделе, посвященном процессам созревания ооцита. В действительности число регуляторных факторов весьма велико и они еще слабо изучены. Некоторые из них, будучи уже в ооците, начинают функционировать позже, например при гаструляции. В настоящее время описан один из интересных представителей таких «дальнодействующих» регуляторных факторов (О+ белковый фактор) в ооците аксолотля. Он синтезируется на стадии хромосом типа ламповых щеток. После разрушения ядерной мембраны О+ фактор смешивается с ооплазмой и остается в яйце. Затем в зародыше он влияет иа развитие. Подробнее об этом факторе будет сказано ниже (гл. 5).
Энергетические резервы. В процессе оогенеза у многих животных (амфибии, рыбы) ооцит накапливает значительные запасы углеводов. Этих запасов хватает на обеспечение энергией
.	* .	77
всех клеток эмбриона вплоть до той стадии, когда личинка начинает самостоятельно питаться. Показано, что в то время как ооцит интенсивно накапливает гликоген, ранний эмбрион расходует углеводы. Это означает, что направленность функций энзиматических систем обмена углеводов в ооците и в раннем эмбрионе противоположна, что служит одним из важных показателей перестройки биохимических (энзиматических) систем после завершения оогенеза. В оогенезе наблюдается также значительное усиление дыхания: так, ооциты вьюна в конце вителлогенеза потребляют в 70 раз больше кислорода, чем в его начале. За это же время количество митохондрий возрастает в 200 раз.
Кортикальный слой яйцеклетки. Поверхностный слой иито-плазмы яйца по химическому составу и структурной организации сильно отличается от остального содержимого яйца. Этот слой вместе с плазматической мембраной яйца называют кортикальным слоем (кортекс). Основу цитоплазматической части кортекса образуют волокна (микрофиламенты), состоящие из белка актина. Они придают кортикальному слою характерную для него высокую вязкость. Актиновые структуры кортекса возникают постепенно в ходе оогенеза. Кроме того, в состав кортекса большинства яйцеклеток входят кортикальные гранулы (например, морской еж) или кортикальные альвеолы (рыбы). Кортикальные гранулы или альвеолы содержат кислые или нейтральные мукополисахариды, различные структурные белки и ферменты. Они играют важную роль в кортикальной реакции яйцеклетки при оплодотворении (см. гл. 4).
Яйцевые оболочки. Различают первичную, вторичную н третичную оболочки. Первичная оболочка (иногда называемая желточной) синтезируется самим ооцитом и до момента оплодотворения плотно прилегает к поверхностному слою цитоплазмы. Вторичная оболочка продуцируется фолликулярными клетками, а третичная (нередко состоящая из нескольких слоев различной структуры) — железами яйцевода, по которому продвигается яйцо перед откладкой. Первичная оболочка имеется у яйцеклеток всех животных. Для яйцеклеток млекопитающих характерна плотная оболочка, называемая zona pellucida, внутренняя часть которой синтезируется самим ооцитом, а внешняя — фолликулярными клетками. Иначе говоря, zona pellucida совмещает в себе и первичную, и вторичную оболочки. Сходным образом построены оболочки яйцеклеток у рыб. У многих из них внутренняя часть zona pellucida пронизана микроворсинками яйцеклетки, а снаружи — макроворсннкамн фолликулярных клеток, отчего она при большом увеличении выглядит исчерченной и называется zona radiata.
Если яйцо покрыто более нли менее прочной вторичной оболочкой, в ней есть одно или несколько отверстий, которые называются микропиле. Эти отверстия, как правило, имеют воронкообразную форму н заканчиваются концевым каналом на поверх-78
ности цитоплазмы. Диаметр канала соответствует диаметру головки сперматозоида, и поэтому микропиле, позволяя сперматозоиду проникнуть в яйцо, ограничивает численность сперма-* тозоидов, входящих в яйцеклетку.
Третичная оболочка выделяется железами яйцевода во время прохождения по нему овулировавшей яйцеклетки. У ряда групп-, позвоночных (химеровые рыбы, рептилии, птицы) третич-
Рис. 23. Строение яйца курицы;
/ — белковын мешок, 2 — халаза. 8 — желтый желток, 4 —-белый желток, 5 — бла-стоднск, 6 — желточная мембрана, 7 — латебра, 8, 9 — подскорлупоаые оболочки. 10 — воздушная камера, Н — скорлупа
на-я оболочка хорошо выражена, имеет сложное строение. У птиц она представлена несколькими плотными слоями белка, двумя подскорлуповыми пленками, скорлупой и надскорлуповой оболочкой. Поразительной сложности строения достигают третичные оболочки у акуловых и химеровах рыб. Обычно они имеют вытянутую форму, и яйцо в начале развития заполняет лишь часть пространства внутри плотной роговой третичной оболочки. Последняя похожа на «люльку», размеры которой точно подогнаны к размеру и форме зародыша перед вылуплением. Железы, секретирующие различные компоненты третичной оболочки, расположены в яйцеводе последовательно. Двигаясь по яйцеводу, яйцо вращается благодаря сокращениям гладкой мускулатуры стенок яйцевода и постепенно покрывается выделениями желез. У птиц яйцо сначала покрывается белком, потом под-скорлуповымн оболочками и в конце — веществом скорлупы (рис. 23). Вращение яйца вызывает винтообразную закручен-ность плотных тяжей белкового вещества, так называемых халаз, на которых яйцеклетка, как на поплавках, плавает в жидкой белковой оболочке. Интересно, что передне-задняя ось будущего зародыша всегда располагается перпендикулярно к направлению движения яйца по яйцеводу, а направление от головы зародыша к хвосту совпадает с направлением вращения яйца.
Количество желтка в яйцеклетке и ее поляризация. Яйцеклетки животных отличаются между собой как по количеству
желтка, так и по характеру его распределения. Рассмотрим общепринятую классификацию яйцеклеток по количеству желтка. (Классификация яйцеклеток по характеру распределения желтка будет разобрана в гл. 4, посвященной процессам дробления.)
1.	Многожелтковые, нли полилецитальные, яйца, к которым относят яйца большинства членистоногих (в том числе всех насекомых), костистых рыб, рептилий, птнц и яйцекладущих млекопитающих.
2.	Яйца со средним содержанием желтка, или мезолецит аль-ные (яйца осетровых рыб, амфибий).
3.	Маложелтковые, илн олиголецитальные, яйца (моллюсков, иглокожих, большинства червей).
4,	Яйца «безжелтковые», или алецитальные, содержащие отдельные малочисленные гранулы желтка,— яйца плацентарных млекопитающих и отдельных беспозвоночных (некоторых первичнотрахейных, паразитических перепончатокрылых). В яйцеклетках некоторых плацентарных млекопитающих (корова) очень небольшое количество желтка вначале все же содержится, но в ходе развития яйцеклетки весь желток выталкивается за пределы зиготы.
Некоторые авторы предлагают другие схемы классификации яйцеклеток. Так, С. Г. Соин справедливо отмечает, что для хода дальнейшего развития более важно, обособлен желток от цитоплазмы или не обособлен, нежели абсолютное содержание желтка В/яйцеклетке. Яйцеклетки, в которых желток погружен в цитоплазму и не обособлен от нее в виде отдельной фракции, С. Г. Соин предлагает назвать плазмолецитальными. В таком случае к категории плазмолецитальных относятся мезо- и олиголецитальные яйца. Только яйца с обособленной от желтка цитоплазмой (как у костистых рыб) по этой классификации предлагается называть телолецитальными.
Желток в яйцеклетке часто (уже с самого начала его отложения) распределяется неравномерно. Как правило, на том полюсе яйцеклетки, где желтка меньше, впоследствии (при ее созревании) выделяются полярные тельца. Этот полюс получил название анимального. Противоположный полюс, возле которого концентрируется наибольшее количество желтка, называется вегетативным. Полярное распределение желтка —лишь внешнее проявление более тонких процессов поляризации яйцеклетки, осуществляющихся, по-виднмому, в кортикальном слое яйцеклетки и прилежащих к нему цитоскелетных структурах.
То, что поляризация ооцита стойко закреплена именно в кортикальном слое, следует из опытов по центрифугированию только что отложенных яйцеклеток: в них можно полностью сместить весь желток и другие цитоплазматические включеийя с типичного положения, но дробление и последующие процессы развития сохранят полярность. Окончательно полярность яйцеклетки закрепляется (причем также в кортикальном слое)
80
при выделении полярных телец (откуда н их название). Структурные основы кортикальной полярности пока неизвестны.
В некоторых случаях яйцеклетка приобретает в оогенезе не только полярную, ио н билатеральную организацию: в ней возникает одна плоскость симметрии, что проявляется в эксцентричном положении ядра н асимметричном расположении цитоплазматических включений (яйца ящерицы) или жира (ооцит млекопитающих). В противоположность стойкой анимально-вё-гетативной полярности устанавливающаяся в оогенезе билатеральная организация еще очень лабильна и, как будет сказано позже, в ходе оплодотворения ее можно изменить действием разных факторов. Однако в тех случаях, когда дополнительные «переопределяющие» воздействия отсутствуют (например, партеногенетическое развитие без оплодотворения), по-видимому, именно установившаяся в оогенезе асимметрия яйцеклетки закрепляется и служит основой для морфологической асимметрии взрослого животного.
Таким образом, в период вителлогенеза происходит не только запасание компонентов цитоплазмы и желтка, но и их пространственное перераспределение. В этот период намечается пока основной элемент пространственной организации яйцеклетки.— ее полярность.
Совокупность ...процессов, приводящих к возникновению внутренней’разнокачественности разных участков яйца, имеющей большое значение для последующего эмбрионального развития,, называют орплазматической сегрегацией.
ГЛ А ВА 4
ОПЛОДОТВОРЕНИЕ И ПАРТЕНОГЕНЕЗ г ‘ \	»	.	. г,  .
Процесс слияния половых клеток называют оплодотворением. Он сопровождается восстановлением диплоидной генетической структуры и активирует яйцеклетку к дальнейшему развитию. Образующаяся в результате оплодотворения диплоидная клетка называется зиготой. Зигота — начальный этап развития нового организма. Отметим, что завершение гаметогенеза и переход к эмбриогенезу может осуществляться и без оплодотворения в результате партеногенеза (естественного или искусственного, см. ниже), но для любого животного, даже при естественном партеногенезе, оплодотворение является обязательным (постоянным или чередующимся с партеногенезом) процессом в индивидуальном развитии.
Процесс оплодотворения складывается из трех последовательных фаз: 1) сближения гамет, 2) активации яйцеклетки и 3) сингамии. У примитивных форм организмов мужские и женские половые клетки имеют одинаковые или близкие размеры
6	Заказ 645	’	.	..
(изогаметы). Они равноценны не только в генетическом плане, но и в отношении роли цитоплазматических структур в формировании зиготы; в этих случаях процесс слияния гамет именуется не оплодотворением, а копуляцией.
Период времени первой фазы оплодотворения — с момента готовности сперматозоида и яйцеклетки к осуществлению взаимодействия до контакта между ними. Продолжительность этого периода зависит от особенностей биологии размножения вида. Однако во всех случаях эта фаза лимитирована во времени ввиду ограниченной жизнеспособности созревших половых клеток.
Дистантные взаимодействия между яйцеклеткой и сперматозоидом
Первоначально предполагалось, что движение сперматозоида к яйцу носит целенаправленный характер и происходит благодаря хемотаксису. Для этого требовался бы механизм, включающий: 1) выделение яйцом химического аттрактанта (привлекающего вещества) и 2) способность сперматозоида совершать поступательные движения в направлении повышения концентрации этого вещества. Предположение о хемотаксическом механизме сближения не подтвердилось, за исключением отдельных случаев, описанных у .некоторых видов гидромедуз и высших споровых растений. Хемотаксис у гидромедуз был продемонстрирован опытами, в которых экстракты из яиц набирали в пнпетку, вслед за чем сперматозоиды скапливались у отверстия пнпетки. Но эти случаи — исключения из общего правила. Сближение сперматозоида с яйцом обеспечивается совокупностью следующих неспецифических факторов, повышающих вероятность их столкновения,
1.	Координирование процессов гаметогенеза у самца и самки и одновременность наступления стадии готовности к оплодотворению.
2.	Приспособления, связанные с осеменением н совокуплением, обеспечивающие попадание созревших половых клеток в места, где происходит процесс оплодотворения.
3.	Избыточная продукция сперматозоидов по сравнению с числом женских половых клеток. Вследствие массовой гибели по пути в зону, где осуществляется оплодотворение, подавляющая часть сперматозоидов гибнет. Такая расточительность (в конечном счете в процессе воспроизводства млекопитающего в оплодотворении принимает участие лишь несколько сперматозоидов нз сотен миллионов, подготовленных самцом) биологически оправдана и является одним из основных факторов, обеспечивающих своевременный контакт с яйцом (в настоящее время в животноводстве благодаря разработке и использованию техники искусственного осеменения коэффициент использования «спермы самцов сильно повышен).
182
4.	Крупные размеры яйца, способствующие повышению вероятности столкновения со сперматозоидом, Не исключено, что существуют и другие факторы, однако и перечисленных достаточно, чтобы обеспечить оплодотворение всех овулировавших яиц животного.
Яйцеклетки и сперматозоиды вырабатывают химические вещества, которые косвенно участвуют в обеспечении их сближения и взаимодействия. Описан ряд веществ такого рода, известных под названием гамонов (гормоны гамет): гиногамоны, (гормоны яйцеклеток) н андрогамоны (гормоны сперматозоидов). Их природа и биологические свойства выяснены недостаточно, Яйцеклетки выделяют в среду два типа гамонов, ненаправленно воздействующих на поведение сперматозоидов,— гиногамоны I и гиногамоиы II. Гиногамоны I — низкомолекулярные вещества небелковой природы, которые выделяются яйцевыми оболочками. Они активируют движения сперматозоидов и тем самым повышают вероятность их встречи с яйцеклеткой. Гиногамоны II (фертилизины, нзоагглютинииы) —видоспсцифическне вещества белковой природы (по-видимому, гликопротеиды), которые вызывают склеивание сперматозоидов путем реакции с выделяемым мужскими половыми клетками комплементарным гиногамо-нам веществом — аидрогамоиом II (аитифертилизином). Его молекулы встроены в поверхностную оболочку сперматозоида. Биологический смысл этой реакции агглютинации сперматозоидов,, возможно, состоит в предохранении яйцеклетки от проникновения в нее избыточного числа мужских половых клеток.
Сперматозоиды выделяют также андрогамон I — вещество небелковой природы, являющееся антагонистом гиногамона I и подавляющее подвижность сперматозоидов. Наконец, известна группа веществ, локализованных в акросоме сперматозоида и вызывающих растворение оболочек яйца. Это спермолизины — вещества, относящиеся к протеолитическим ферментам. У млекопитающих, например, имеется фермент гиалуронидаза, растворяющий оболочку яйца и способствующий рассеиванию венца фолликулярных клеток, окружающих ооцит после овуляции, Этому помогает также необходимая концентрация гиалуронидазы, вырабатываемой в половых путях самки.
Контактные взаимодействия сперматозоида с поверхностью ооцита
До недавнего времени считалось, что реакция активации, происходящая во время контакта гамет, присуща только яйцеклетке. Позже использование методов фазово-контрастной и электронной микроскопии показало, что специфическая контактная реакция характерна и для многих сперматозоидов. Эта реакция получила название акросомной. Акросомная реакция происходит при контакте сперматозоида ие только с оболочкой яйца, ,но и с любой твердой поверхностью. Она сводится к очень быстрым
6*
83
{занимающим не более 10—20 с) изменениям в акросомном аппарате головки сперматозоида, приводящим к высвобождению веществ (ферментов) акросомной гранулы (рис. 24) и выбрасыванию акросомиой нити в сторону твердого субстрата или поверхности яйца. Электронно-микроскопические исследования
Рис. 24. Акросомная реакция у сперматозоида кишечиодышащего Saccoglossus kowalevskyi. А —акросома неактивированного сперматозоида; Б — выделение акросомных гранул; В, Г — последовательные стадии выбрасывания акросом-Hoii нити; Д — контакт акросомной нити с поверхностью яйца (по Б. И. Балийскому, 1965):
1 — ядро сперматозоида. 2 — акросома, 3 — кортикальные гранулы поверхности яйца
акросомной реакции у аннелид и кишечнодышащего Saccoglos-stis выявили последовательные стадии этой реакции: наружная мембрана, покрывающая акросому, разрывается и высвобождаются вещества акросомы (спермолизины), которые быстро растворяют яйцевые оболочки в месте контакта со спермием. К моменту растворения оболочки яйца к этому месту подрастает одна наиболее длинная акросомная трубочка, которая образуется выпячиванием внутренней мембраны акросомы, и вступает в контакт с плазматической мембраной яйца. Плазматические мембраны в месте контакта яйца и акросомной иити сперматозоида сливаются, образуется цитоплазматический мостик, и происходит плазмогамия — объединение цитоплазм обеих гамет (рис. 25), Затем по цитоплазматическому мостику в цитоплазму яйца переходят ядро и центриоль сперматозоида. Акросомная реакция завершается встраиванием мембраны сперматозоида в мембрану яйцеклетки. Несмотря на то что мембрана сперматозоида занимает ничтожную часть поверхности яйца, ее присутствие имеет, 84	'	-- ’ 1
по-видимому, решающее значение для процессов активации яйцеклетки ввиду ее повышенной проницаемости для Na+ (см. ниже). Этот участок мембраны сохраняется в зародыше долгое время, вплоть до личиночной стадии.
Реакция активации яйцеклетки выражена у разных видов неодинаково, но во всех случаях она связана со сложными структурными и физико-химическими изменениями яйцеклетки. Мы
Рис. 25. Последовательные стадии (А — Е) проникновения в цитоплазму - яйцеклетки сперматозоида кишечнодышащего Saccoglossus kowalevskyi
ознакомимся с изменениями поверхностного слоя на примере тех видов, у которых эти изменения сопровождаются видимыми ми-кроморфологическими перестройками — кортикальной реакцией. Эта реакция отчетливо выражена у беспозвоночных, например у морского ежа, а среди позвоночных — у костистых рыб и амфибий. Стимулирует кортикальную реакцию прикосновение сперматозоида к поверхности яйца. Если спустя несколько секунд сперматозоиды удалить, кортикальная реакция тем не менее осуществится до конца.
Тонкие физико-химические перестройки, составляющие сущность реакции активации, наиболее подробно изучены в последние годы на яйцеклетках морских ежей. Сразу же после завершения акросомной реакции, когда проницаемый для Na + участок мембраны сперматозоида встроился в поверхность яйца, в него начинается слабый приток ионов Na+. Это приводит к тому, что мембранный потенциал яйцеклетки из отрицательного становится слабо положительным. Например, у морского ежа Slrongylocentrotus purpuratus до начала активации трансмембранный потенциал составлял —60 мВ, а через несколько, секунд после ее начала 4-10 мВ, Примерно через 10 с после
85
начала активации увеличивается содержание ионов Са2* в цитоплазме яйцеклетки за счет его высвобождения из внутриклеточных депо, природа которых точно неизвестна. Это возрастание инициировано притоком Na+ и представляет собой автокаталитическую реакцию, которая распространяется в виде сплошной волны из точки соприкосновения гамет. Волна высвобождения Са2+ ие связана с волной экзоцитоза (растворения) кортикальных гранул: первая волна распространяется быстрее второй н идет даже в том участке яйца, из которого кортикальные гранулы экспериментально оттеснены путем центрифугирования. Волна высвобождения Са1+, по-видимому, главный момент в реакции активации яйцеклетки. Через 60 с концентрация Са 2+ падает до прежнего уровня, и начинается экзоцитоз кортикальных гранул, распространяющийся волной во все стороны от точки вхождения сперматозоида. Обнаружено, что при экзоци-тозе кортикальных гранул из них высвобождаются следующие вещества: 1) протеолитический фермент, разрывающий связи между желточной оболочкой и плазматической мембраной яйцеклетки — вителлиновая деламиназа; 2) протеолитический фермент, который освобождает осевшую на желточной оболочке сперму от связей с этой оболочкой (сперм-рецепториая гидролаза); 3) гликопротеид, втягивающий воду в пространство между желточной оболочкой и плазматической мембраной, вызывая их расслоение, в результате чего между желточной оболочкой и плазматической мембраной возникает обширное пространство, называемое перивителлиновым; 4) фактор, способствующий затвердению желточной оболочки (которую теперь называют оболочкой оплодотворения); 5) структурный белок гиалин, участвующий в формировании гиалинового слоя, расположенного над плазматической мембраной.
Процесс экзоцитоза кортикальных гранул занимает у морского ежа 60 с, у осетра 3 мин, у белуги 5 мни. Это соответствует скорости распространения кортикальной реакции, равной примерно 5 мкм/с. Для сравнения укажем, что эта скорость в 800 000 раз меньше скорости распространения нервного импульса.
Через 6—8 мин после соприкасания гамет начинается активация синтеза белка в цитоплазме яйцеклетки. Предполагается, что эта активация связана с повышением внутриклеточного pH (начинающимся уже через 2 мин после соприкосновения гамет). В свою очередь, повышение pH может зависеть от выхода ионов Н+ из яйцеклетки и входа в иее ионов Na4 Во всяком случае синтез белка активируется на трансляционном уровне, не требует участия ядра и происходит также в энуклеированной (лишенной ядра) яйцеклетке (зиготе). Это понятно, так как все звенья аппарата для белкового синтеза (иРНК, рибосомы, источники энергии) были заготовлены еще в оогенезе, но до активации яйцеклетки находились в инактивированном состоянии. В первые же секунды после оплодотворения они активируются:
86
молекулы иРНК вступают во взаимодействие с компонентами аппарата траисляции, формируются полирибосомы.
Таким образом, активация яйца ~ чрезвычайно быстрая н широкая по своему охвату реакция, вовлекающая самые различные компоненты яйца,
Сингамия. Поведение мужского и женского ядер в яйце
У большинства животных сперматозоид -входит в яйцо целиком, включая хвостовую часть; у некоторых жгутик остается на поверхности. Но и в тех случаях, когда жгутик сперматозоида входит внутрь яйца, он отделяется и рассасывается, ие играя роли в дальнейших перемещениях компонентов спермия внутри яйца! эту роль берет на себя центриоль. В период завершения женского мейоза компактизоваииое ядро головки сперматозоида преобразуется в своеобразное ядро, называемое мужским пронуклеусом. При этом оно постепенно увеличивается в объеме, набухает, хроматин разрыхляется и приобретает тонко-гранулярное строение. Начинается погружение мужского пронуклеуса, при этом центриоль занимает положение впереди ядра в направлении погружения, а вокруг возникает характерное «полярное» сияние. Судя по всему, центриоль превращается в орган движения мужского пронуклеуса внутри яйца.
Сходные изменения — набухание и разрыхление хроматниа — происходят в гаплоидном, формирующемся после мейоза ядре яйцеклетки — в женском пронуклеусе. Прежде чем сблизиться, пронуклеусы проделывают сложные движения, которые иногда называют «танцем пронуклеусов». Сначала мужской пронуклеус движется внутрь яйца перпендикулярно к поверхности н независимо от положения женского пронуклеуса. Этот отрезок пути называется «путем проникновения». В процессе движения прэнуклеусов и разрыхления хроматина в каждом из них реплицируется ДНК. Иначе говоря, в начале сближения пронуклеусов в каждом из них содержится один набор хромосом и 1С ДНК, а перед завершением сближения в каждом из проиу-клеусов количество ДНК возрастает вдвое. Конечная стадия сближения пронуклеусов — образование метафазной пластинки деления зиготы. После того как это первое деление зиготы совершится по митотическому типу, в образовавшихся ядрах первых двух клеток зародыша (их называют бластомерами) объединяются мужские и женские хромосомы. Каждое такое ядро диплоидно, т. е. содержит 2п хромосом и 2С ДНК.
Проблема полиспермии
В большинстве случаев процессы осеменения и оплодотворения отрегулированы так, что вероятность проникновения в яйцо более одного сперматозоида сведена к минимуму. У иекото-
87
рых групп животных, например акуловых рыб, рептилий, птиц, проникновение нескольких сперматозоидов не приводит к нежелательным последствиям: наблюдается естественная или физиологическая полиспермия. Как правило, в их яйцеклетку проникает до нескольких десятков сперматозоидов, но с ядром яйцеклетки всегда взаимодействует только один. Остальные либо некоторое время делятся с участием своих центриолей, рано или поздно погибая, либо рассасываются, ие начиная деления. Предполагается, что у птиц эти избыточные спермин несут трофическую функцию до образования соответствующей специализированной тканн зародышу. У других (морской еж) оболочка оплодотворения становится непроницаемой так быстро, что в яйцеклетку успевает проникнуть лишь один сперматозоид. Полиспермия у таких животных редкость, а если она проявляется, то нарушает нормальное развитие.	'•
Перемещения компонентов яйца
‘	после оплодотворения.
Ооплазматическая сегрегация	””
Непосредственно после проникновения сперматозоида (или воздействия партеногенетического агента) в яйцах разных групп животных начинаются интенсивные перемещения составных ча-
Рис. 26. Процессы ооплазмэтической сегрегации до начала дробления яйца. Л1—Д3 — смещение вещества полярной плазмы в яйце прудовика (по X. Равену, 1946); Б]—Бз—ооплазматическая сегрегация в яйце асцидии (по Э. Конклину из Б. И, Балицского, 1965): Б[— неоплодотворенное яйцо, БЕ — яйцо срезу после вхождения сперматозоида, Б3— яйцо перед первым делением дробления; В — вхождение сперматозоида и образование серого серпа в яйце лягушки; Л— Г2 — Г3 — ооплазматическая сегрегация в оплодотворенном яйце хвостатой амфибии Discoglossus pictus (по А. Юббельс, Р. Хенгсту и И. Клагу, 1975):
ан — .ацимальный, вег — вегетативный полюс, д — дорсальная, в — вентральная сторона, д.п.с,— дорожка проникновения сперматозоида, с,с,— зона серого серпа
88
стей цитоплазмы яйца (ооплазмы). Иногда прн этом наблюдается расслоение, сегрегация составных частей — ооплазматиче-ская сегрегация. Эти процессы создают определенную пространственную организацию будущего зародыша. Ооплазматическая сегрегация у разных видов протекает неодинаково: у некоторых она завершается до начала дробления, т. е. в созревающем яйце и зиготе, у других продолжается н в период дробления.
У некоторых кишечнополостных сегрегация ограничивается расслоением ооплазмы на внешний ободок эктоплазмы (иногда окрашенной разными пигментами и бедной питательными включениями) и внутреннюю массу эндоплазмы, богатую желтком и другими питательными включениями. Уже такое достаточно простое расслоение влияет на последующие процессы развития, определяя в ряде случаев радиальное расположение веретен делений дробления,
У брюхоногого моллюска Lymnaea (прудовик) на вегетативном полюсе яйцеклетки вскоре после оплодотворения формируется четко отграниченный сектор так называемой вегетативной полярной плазмы (рис. 26, А, /); сразу после делений созревания вещества полярной плазмы быстро растекаются под поверхностью яйцеклетки в направлении аннмальиого полюса (рис, 26, А, 2, 3). Но наиболее существенные сегрегационные процессы у моллюсков связаны с дроблением,
У морского ежа до оплодотворения по всей поверхности яйца рассеян красный пигмент — эхинохром. После оплодотворения он концентрируется в виде пояска в экваториальной зоне яйца.
В перечисленных случаях сегрегационные процессы симмет-' ричны по меньшей мере относительно полярной оси яйца. Теперь рассмотрим такие случаи, когда сегрегация нарушает полярную симметрию и способствует выделению в яйцеклетке меридиональной плоскости, соответствующей сагиттальной плоскости будущего зародыша. Самыми наглядными примерами этого рода могут служить яйца асцидий (подтип оболочников) и амфибий.
В яйцах асцидий процессы сегрегации хорошо заметны благодаря разной окраске составных частей яйца. Неоплодотворен-ное яйцо асцидии содержит гомогенно рассеянные по всему кортикальному слою желтые гранулы (рис. 26, Б, /). После оплодотворения они активно движутся, направляясь сначала к вегетативному полюсу, а затем несколько поднимаются вверх по той стороне яйца, куда проник сперматозоид (рис. 26, Б, 2). Там они располагаются под экватором в виде так называемого женатого серпа (рис. 26, Б, 3). На противоположной стороне яйца появляется другой серп, состоящий нз светло-серого компонента цитоплазмы. Вегетативное полушарие заполняется ооплаз-мой, богатой Желтком и митохондриями, а анимальное — прозрачной безжелтковой цитоплазмой, Каждый из этих компонентов ооплазмы впоследствии входит в состав клеток, которые
89
дадут начало определенной структуре зародыша: желтый серп — мезодерме, серый серп —хорде. Через середины этих серпов проходит сагиттальная плоскость; цитоплазма вегетативного полушария соответствует энтодерме, анимального — эктодерме.
Менее сложная сегрегация, ио также выделяющая сагиттальную плоскость, осуществляется в яйцах амфибий (рис. 26,. В, Г). В аиимальном полушарии яиц непосредственно под плазматической мембраной, в кортикальном слое, лежат гранулы пигмента. При вхождении в яйцо сперматозоид увлекает за собой часть гранул, расположенных поблизости от точки его проникновения. Это вызывает отток гранул с противоположной стороны яйца. Сильнее всего отток в плоскости вхождения сперматозоида. Поэтому участок кортекса, расположенный в этой плоскости напротив места вхождения сперматозоида н на границе анимального и вегетативного полушарий, более всего светлеет и приобретает серый оттенок. Этот участок имеет серповидную форму и называется серым серпом. Зависимость между сперматозоидом и серым серпом была показана еще В. Ру: поднося сперматозоиды в пипетке к определенным точкам поверхности яйца, он наблюдал образование серого серпа на противоположной стороне. Интересно, что аналогичное действие на яйцеклетку оказывает и введенная с помощью пипетки взвесь разрушенных сперматозоидов.
Ооплазматнческая сегрегация в яйцах амфибий не ограничивается поверхностным слоем, а захватывает и желток: желточные гранулы разных размеров сегрегируются.
Аналогично оболочникам серый серп амфибий также намечает плоскость сагиттальной симметрии: она проходит через его середину. Это связано с тем, что из материала серого серпа ‘^последствии возникает так называемая дорзальная губа бластопора—центр зарождения процесса гаструляции и «первичный организатор» осевых зародышевых органов. (Подробнее об этом будет сказано ниже.)
Проблема соотношения кортикальных и эндоплазматических перестроек в процессах ооплазматнческой сегрегации — одна из центральных для раннего развития. Большинство исследователей считают, что проморфологическая организация, возникающая под действием сегрегационных процессов, закреплена именно в кортикальном слое. Основной довод в поддержку этой точки зрения — опыты по центрифугированию яиц. Если с помощью центрифугирования изменить нормальное распределение веществ ооплазмы, то у большинства видов яйцеклеток серьезных нарушений развития не произойдет, а выведенные из нормального расположения компоненты ооплазмы вновь займут приблизительно прежние места. Это объясняется тем, что центрифугирование не нарушает той основы яйцеклетки, которая ответственна за размещение компонентов яйца.
Однако механизм взаимодействия эндоплазмы с кортексом..
90
так же как внутренний механизм самой ооплазматической сегрегации, до сих пор неизвестны.
Процессы ооплазматической сегрегации привлекали большое внимание исследователей уже при зарождении механики развития, так как они рассматривались как довод в пользу неопреформизма. Предполагалось, что в этих процессах, происходящих в начале развития, н сосредоточена вся его «загадка». В дальнейшем некоторые ученые доказывали, что кортикальный слой или сегрегированная ооплазма представляет мозаику областей, содержащих внутри себя все факторы обеспечения последующего развития зародыша, В настоящее время эмбриологи не склонны придавать кортикальному слою и ооплазматической сегрегации столь исключительной роли, хотя не вызывает сомнения, что в них сосредоточены важные для последующего развития морфогенетические факторы.
Партеногенез, гиногенез, андрогенез	.	1
В отдельных случаях (иногда — массовых) развитие может происходить без оплодотворения. Это случаи естественного партеногенеза и гиногенеза (от греч. «партенос»— девственница). При партеногенезе развитие идет прн участии только женского пронуклеуса. Если его формированию предшествует нормальный мейотический процесс с редукцией числа хромосом, яйцеклетка получает гаплоидный набор хромосом и из иее, в случае успешного развития, формируется гаплоидная особь. Обычно в начале дробления партеногенетических зародышей число хромосом удваивается и формируются диплоидные особи. Существует несколько способов диплоидизации, о которых вкратце будет сказано ниже,
Естественный партеногенез - -явление редкое. Лишь в исключительных случаях оно представляет собой значимый для вида способ размножения, например, у летних поколений некоторых ракообразных и коловраток. Ои обнаружен также у пчел, ос, ряда чешуекрылых. Партеногенез не может быть единственной формой размножения вида: он либо чередуется с половым размножением, либо встречается у отдельных рас.
У позвоночных партеногенетическое размножение известно только среди пресмыкающихся. В 1957 г. И. Даревский описал естественный партеногенез у трех рас скальной ящерицы (Lacerta saxicola), обитающих в Армении, которые состоят из одних самок.
Развитие без оплодотворения в естественных условиях описано и для индеек. Свыше 40 % яиц, отложенных в отсутствие самцов, могут начать развиваться, однако лишь в единичных случаях развитие доходит до конца (обычно оно останавливается из-за различных аномалий). Это явление нельзя рассматривать как способ размножения, а, скорее, как отклонение от Нормального размножения посредством оплодотворения.
91
У других видов позвоночных естественное партеногенетическое развитие неизвестно.
Искусственный партеногенез возможен, по-видимому, у всех видов животных, однако их яйца различаются по способности развиваться без оплодотворения и в отношении факторов и условий, стимулирующих в них партеногенез. Разработка методов партеногенетического развития — важная в научном и прикладном отношениях проблема. О прикладных аспектах партеногенеза речь пойдет ниже (см. «Заключение»),
Впервые искусственный партеногенез был вызван русским ученым А. А. Тихомировым в 1886 г. у шелкопряда обработкой яиц разведенным раствором серной кислоты. Позднее именно шелкопряд оказался тем объектом, на котором этот метод продемонстрировал исключительные возможности управления процессами размножения вида в искусственных условиях. Начиная с 30-х годов Б. Л. Астауров и его школа разработали эффективную технологию партеногенетического размножения шелкопряда в лабораторных и производственных условиях. Суть этой технологии состоит в том, что неоплодотворенные яйца подвергают воздействию разных физических и химических факторов, которые одновременно активируют и диплоидизируют их. Существует два основных механизма диплоидизации при партеногенезе: амейотический и мейотический. Первый состоит в том, что под влиянием тех или. иных условий в ходе мейоза женской половой клетки выпадает стадия редукции числа хромосом (а в случае естественного партеногенеза — самопроизвольно), в результате чего формируется яйцеклетка с диплоидным пронуклеусом.
У шелкопряда в естественных условиях партеногенез встречается с частотой 0,001 — 0,0001 %. В 40-х годах Б. Л. Астауров с сотрудниками разработал простой и эффективный метод массового амейотического партеногенеза. В результате 18-мвнут-ной обработки неоплодотвореиных яиц температурой 46°C 90 % яиц партеногенетически развиваются в нормальных диплоидных личинок исключительно женского пола (см. ниже). Режим термической обработки подобран так, что в ходе созревания не происходит редукции числа хромосом. Позднее В. А. Струнников разработал метод низкотемпературной активации амейотического (300—330 мин при —11 °C) партеногенеза и создал метод стимуляции мейотического (120 мин при —5—И °C) партеногенеза. В этом случае мейоз протекает нормально, стимулируется развитие неоплодотвореиных яиц и днплоидизация происходит во время первого деления. Партеногенетическое потомство, полученное этим способом, состоит из одних самцов, которые продуцируют больше шелка, чем самки.
Много работ по искусственному партеногенезу, направленных на изучение механизмов активации, проведено на яйцах морского ежа, В 1886 г. А. А. Тихомиров впервые показал, что обработка зрелых яиц морского ежа хлороформом или стрихни-92-	.	v	.	.....
ном может стимулировать начальные стадии их развития. Позднее на этом объекте был испытан широкий спектр физико-химических факторов и было показано, что партеногенетическая активация достигается самыми разными воздействиями: растворами солей (NaCl, КО, СаС12, MgCl2), гипертонической и гипотонической морской водой, жирорастворителями (этиловый спирт, бензол, ацетон, эфир), детергентами (мочевина), органическими кислотами (молочная и т. д.), кратковременным воздействием высоких или низких температур, действием УФ-лучей и многих других. Такое разнообразие агентов свидетельствует о том, что способность к партеногенезу присуща самому яйцу, а внешние факторы лишь неспецифическим образом способствуют реализации этих потенций. У амфибий партеногенетическое развитие индуцируется простым проколом поверхности яйца иглой, смоченной в крови, или введением в него разрушенных клеток или клеточных органелл.
Истинный механизм партеногенетической активации пока ждет своего выяснения.
Гиногенез — разновидность партеногенеза, происходящего в результате незавершающегося оплодотворения. В данном случае оплодотворение играет роль лишь агента, активирующего яйцо к развитию, но мужской пронуклеус в нем ие участвует. ; Гиногенез чаще всего происходит при оплодотворении яиц спер-мой другого (родственного) вида, которая активирует яйцо, но не вносит свой генетический материал в геном зародыша. Например, лица серебряного карася могут быть стимулированы к развитию спермой сазана, плотвы, обыкновенного карася. Гииогеиез может быть вызван искусственно термошоком или облучением яйцеклетки. У мышей гиногенез удалось получить путем микрохирургического удаления из зиготы мужского пронуклеуса. Такие активированные яйца, содержавшие только женский пронуклеус, затем помещали в среду с цитохалазином В, который предотвращал цитотомию первого деления, и яйцо становилось диплоидным. Из таких яиц получены мыши женского пола.
Аидрогенез — явление, противоположное партеногенезу. , В этом случае яйцеклетка развивается только с участием муж-ского ядра. Естественный андрогеиез встречается у табака и кукурузы, иногда у тутового шелкопряда.
Андрогеиез может быть вызван искусственно. Еще в начале века были поставлены опыты по оплодотворению фрагментов яиц морского ежа, лишенных собственного ядра. Такую разновидность искусственного андрогенеза, когда, оплодотворяется фрагмент яйца, называют мерогонией. Опыты по мерогонии были использованы для решения важнейшего вопроса генетики: передается ли наследственность только через ядро или также через цитоплазму. Так как сперматозоид практически не содержит цитоплазму, то в случае если аидрогенетический организм будет нести только отцовские признаки, следует исклю
93
чить цитоплазматическую передачу наследственности. Для опытов по мерогонии брали самца и самку разных видов морских ежей с разными типами строения скелета. У полученных андро-тенстиков действительно наблюдался скелет чисто отцовского типа, тогда как у истинных гибридов скелет был промежуточной формы.
Широкую известность приобрели опыты Б. Л. Астаурова по искусственному андрогенезу у тутового шелкопряда, имеющие не только теоретическое, но и прямое практическое значение. В этик опытах ядро яйца инактивировалось кратковременным прогревом или облучением. После этого яйца оплодотворялись. Проникшие сперматозоиды формировали проиуклеусы, два из которых сливались, образуя диплоидный набор хромосом (могли быть получены и полиплоиды). Теоретическое значение этих опытов — получение доказательств того, что все наследственные свойства особи определяются факторами, сосредоточенными в ядрах половых клеток.
При партено(гиио) генетическом и аидрогенетическом способах размножения соотношение мужских и женских особей отличается от обычного (1: 1), что позволяет использовать эти варианты размножения для регуляции пола.
Генетическое (хромосомное) определение пола
Пол зародыша зависит от набора гоносом (половых хромосом), который образуется в результате соединения гаплоидных хромосомных наборов отца и матери. У партеногенетических, гиногенетических и аидрогенетических особей пол определяется гоносомами только матери или отца и исход зависит от того, какой пол, мужской или женский, у данного вида — гетерога-метный (т. е. определяется двумя ’ разными гоносомами XY; WZ) или гомогаметный (определяется двумя одинаковыми хромосомами XX; ZZ).
Хромосомная формула, определяющая пол у разных видов животных
9 XX	d XY
-	гетерога метни й пол
ZW	мужской ZZ
гетерогамет-ный пол	
же некий	
Примеры
Большинство млекопитающих, некоторые амфибии (например, Напа pipi-ens —леопардовая лягушка), некоторые насекомые (например, Drosophila)
Птицы, рептилии, некоторые амфибии (например, Xenopus laevis — шпорцевая лягушка), некоторые насекомые (например, Bombyx— шелкопряд)
Если гетерогаметен мужской пол, для обозначения гоносом используют символы: XX — женский пол (знак 9) и XY — мужской пол (знак J). Если гетерогаметен женский пол, используют символы: ZZ (d), ZW (9).
94
В генетическом плане механизм определения пола может быть разным даже в случаях, когда хромосомная формула одинакова. У млекопитающих Y-хромосома содержит гены, определяющие мужской пол (см. гл. 10). Однако есть виды (Hemiptera), у которых Y-хромосома отсутствует и мужской пол определяется одной Х-хромосомой. У дрозофилы пол детерминируется отношением набора аутосом к половым хромосомам. У некоторых млекопитающих есть два типа Х-хромосом, и клетки самок содержат набор Х1Х1Х2Х2, а самца — X]X2Y. Среди млекопитающих имеются также виды с двумя типами Y-хромосом (9ХХ, JXY1Y2)-
Все эти примеры характеризуют генотип диплоидных организмов, к которым относится подавляющая часть животных. Отклонения от этого правила — естественные или искусственные— ведут либо к нормальному определению пола при нормальной или иной хромосомной формуле, либо к разным формам аномалий (в этих случаях формулы хромосом атипичные). Рассмотрим случаи, когда у вида, размножающегося половым способом, образуются особи с участием хромосом только одного родителя, т. е, партеногенез, гиногенез и андрогеиез без дип-лоидизации.
В действительности партено(гино)генез и андрогеиез без диплоидизации зиготы ие реализуются (развитие останавливается и а ранних стадиях). Гаплоиды встречаются в природе как исключение, но у таких видов сложный механизм определения пола. Один из интересных случаев — червецы. У этих животных во всех клетках самца происходит гетерохроматинизация всего отцовского набора хромосом. В клетках самок этого не происходит. Поэтому их самцы — факультативные гаплоиды. У пчелы медоносной самцы — истинные гаплоиды, а самки-— диплоиды. Определение пола у партено(гино)генетических и андрогенетических диплоидов показано ниже.
Пол партеяо(гино)генетического и] андрогенетического потомства Партеногенез (мейотический) или гиногенез
		Гетерогаметный пол:	
Мужской	Гаметы	X после диплоидизации	XX самки
		X »	»	XX »
Женский	»	Z >	»	ZZ самцы
		W »	»	WW детальны
Партеногенез амейотический (не происходит редукции	хромосом)
Гетерогаметный пол: 1 Женский Гаметы WZ без диплоидизации	WZ	самки
Андрогеиез Гетерогамегный пол: Мужской Гаметы X после диплоидизации XX	самки
Y »	»	YY детальны - Женский	»	Z »	»	ZZ самцы	
W »	»	WW детальны	
95
ГЛA BA 5
ДРОБЛЕНИЕ И ФОРМИРОВАНИЕ БЛАСТУЛ
Общая характеристика дробления
. После объединения хромосомных наборов обоих пронуклеу-•сов тотчас начинается митотическое деление ядра зиготы. За этим первым делением следует серия следующих делений, так называемых делений дробления, объединенных рядом общих свойств: 1) разделившиеся клетки зародыша не растут, т. е. в-промежутке между делениями их масса не увеличивается — суммарный объем и масса всех возникших клеток не превышают объема и массы яйцеклетки сразу после оплодотворения; 2) количество ДНК в ядрах удваивается после каждого деления, как при обычном митозе (таким образом, количество ДНК, приходящееся на зародыш, постоянно увеличивается).
В период дробления из-за отсутствия роста клеток после делений их размеры непрерывно уменьшаются. Дробление завершается формированием бластулы, поэтому клетки дробящегося яйца называют бластомерами.
Таким образом, отсутствие прироста цитоплазмы и удвоение количества ДНК после каждого деления приводят к тому, что в tрезультате дробления постепенно возрастает отношение количеств'аТДНК к количеству цитоплазмы в каждом бластомере. Это способствует восстановлению нормального ядерио-цитоплазм этического отношения, нарушенного в оогенезе. Ядерно-цитоплазматическим отношением называется отношение масс (в приближенных расчетах — объемов) ядериого и цитоплазматического вещества клеток. В ходе роста ооцита из-за увеличения вещества цитоплазмы ядерно-цитоплазмати-ческое отношение падает в несколько десятков или даже сотен раз. Чтобы клетки многоклеточного зародыша приобрели нормальную функциональную (и в первую очередь синтетическую) активность, ядерно-цитоплазматическое отношение в них должно стать таким, которое было до начала роста ооцита. Нетрудно подсчитать, сколько для этого потребуется делений дробления. В ооцитах морского ежа ядерно-цитоплазматическое отношение до начала роста составляет 7б, в зрелом ооците — 7sso; в ооцитах веслоногого рака циклопа соответственные величины разны Vis и 71260- В первом случае ядерно-цитоплазматическое отношение необходимо увеличить примерно в 91 раз, во втором—в 84 раза. Для этого потребуется 6—7 делений дробления (2fi = 64; 27 — 128).
Возникающее в зрелом яйце соотношение массы ядра (точнее, массы генетического материала) и массы цитоплазмы несовместимо с нормальной жизнедеятельностью эмбриональной клетки. Одна из функций дробления состоит в восстановлении типичных для соматических клеток ядерно-цитоплазма-£6
тических отношений путем быстрого увеличения числа ядер при сохранении исходного количества цитоплазмы.
Несоответствие величины ядерно-цитоплазматического отношения зиготы величинам, характерным для соматических клеток, служит одним из факторов, побуждающих активированную яйцеклетку к дроблению. Это видно из сравнения числа делений дробления у диплоидных и гаплоидных зародышей лягушек, аксолотля и костистых рыб; объемы зигот (т. е. количество цитоплазмы) у диплоидов и гаплоидов одинаковы, а количество ядерного вещества у гаплоидов, естественно, вдвое меньше. Оказалось, что у гаплоидов по сравнению с диплоидами иа одно деление дробления больше, что и позволяет в обоих случаях восстановить в каждом бластомере нормальную для данного вида величину ядерно-цитоплазматического. отношения.
Первоначально закономерности процесса дробления, свой* ства бластомеров и формирующихся бластул изучались в основном путем описания морфологии и геометрии дробления и изучения различий в потенциях к дальнейшему развитию с помощью методов экспериментальной эмбриологии (главным образом, разделения бластомеров). В последующем ранний эмбриогенез стал исследоваться с помощью биохимических, молекулярно-биологических и генетических методов и более усовершенствованных экспериментально-эмбриологических приемов. 
Пространственная организация н морфология дробления
Общие закономерности. За редкими исключениями бластомеры дробящихся яиц располагаются в строгом порядке относительно друг друга и относительно полярной оси яйца. Кроме того, размеры бластомеров закономерно различаются (обычно поярусно). Эти проявления пространственной организации определяются в основном следующими процессами: 1) закономерным расположением интерфазных ядер в бластомерах; 2) закономерной ориентацией веретен последовательных делений дробления (которая, в свою очередь, определяет Локализацию плоскостей цитотомии); 3) движениями бластомеров на разных фазах клеточных циклов.
На проявление этих закономерностей влияют количество, плотность и характер распределения желтка и активной цитоплазмы в яйце.
Зависимость геометрии дробления от количества и распределения желтка. На первые два процесса (которые раньше считались единственными факторами, влияющими на пространственную организацию) сильное влияние оказывает расположение желтка в яйцеклетках. Правила зависимости между расположением желтка и положением ядер и веретен были сформулированы в конце XIX в. немецким эмбриологом О. Гертвигом
7	Заказ G45	-	97
по аналогии с правилами Ю. Сакса для растительных меристем. Ю. Сакс отметил, что в верхушечных меристемах растения ядра располагаются в геометрических центрах клеток, а веретена ориентируются по их наиболее длинным поперечникам. О. Герт-виг модифицировал эти правила для яиц, содержащих желток, сформулировав два положения (правила Сакса — Гертвига): 1) клеточное ядро стремится расположиться в центре свободной от желтка" цитоплазмы,"^) веретено клеточного деления — в_ иаправлёншГнайбольшей протяженности свободной"от желтка цитоплазмы. '	...
Рассмотрим, как происходит дробление разных типов яиц согласно этим правилам.
Уже говорилось, что по количеству желтка различаются яйцеклетки поди-, мезо-_, бошдеци-тальны-е й~~алецит адьщ^Г ДруГбЙ~ттривнак, по которому их классифицируют,— расположение желтка относительно полярной (анимально-вегетатив-ной) оси яйца. По этому признаку яйцеклетки принято делить на тело-, гомо (изо) - и центролецитальные. Телрлециталъные яйцеклетки отличаются четкой полярностью в расположении желтка: его количество постепенно "илй"резк6~на’раст'ает~в анй-~’’ мально-йегетативном направлении. В гомо (изо)лециталъных яйцеклетках желток распределен равномерно. Наконец, к централецитальному типу относятся яйцеклетки, с самого начала обладающие (благодаря развитию в яйцевых трубочках) эллипсоидной формой. Полярность в обычном смысле слова у этих яйцеклеток не выражена, так как место выделения редукционных телец непостоянно и не связано с осями яйца. Вместо анимального и вегетативного полюсов у этих яиц говорят о переднем и заднем полюсах. Ядро занимает центральное положение и окружено островком свободной от желтка цитоплазмы. По периферии яйца также расположен ободок свободной от желтка цитоплазмы. -Центр и периферия яйца связаны тонкими цитоплазматическими мостиками, а все промежуточное пространство заполнено желтком. К этому типу относятся только яйца членистоногих.	~~"
Полилецитальные яйца по распределению желтка могут быть центролецитальными (членистоногие) и телолецитальны-ми (костистые рыбы, рептилии, птицы). Все мезолецитгльные яйца по этому признаку относятся к телолецитальным (осетровые рыбы, амфибии). Наконец, олиголецитальные яйца принято относить к изо (гомо) лецитальным, хотя у них иногда более или меиее выражены полярные различия в распределении желтка.
Согласно первому правилу Сакса — Гертвига только в изолецит ал ьных яйцах ядро располагается в _ ^термётрйческом ^цёнгие; _в''Ч'ёлолеЩггальных яйцах' ядро окажется более или менее смешенным, к, анимальному полюсу. В центролециталь-ных яйцах членистоногих, согласно первому правилу Сакса — Гертвига, после слияния проиуклеусов ядро яйца делится на
 W
много ядер, которые по цитоплазматическим мостикам переходят во внешний слой свободной от желтка цитоплазмы (периплазму) и равномерно там распределяются. Здесь ядра еще несколько раз синхронно делятся, из округлых становятся овальными и в них появляются ядрышки. Затем деления становятся асинхронными, формируются клеточные перегородки
Рис. 27. Последовательные стадии поверхностного дробления яйца насекомого (4—Г) (по Б. И. Балйнскому, 1965)
и образуется базальная мембрана, отделяющая периплазму от центральной массы желтка.
В полилецитальных яйцах телолецитального типа свободная от желтка цйто ила з маГ"“ра‘с подоЖён тон кйм ' сл оёмГ"110 эт о му, несомненно, что согласно второму правилу Сакса — Гертвига веретена первых делений дробления будут расположены параллельно поверхности яйца, т. е. тангенциально. Так будет продолжаться до тех пор, пока тангенциальные поперечники бластомеров не сравняются с радиальными поперечниками; обычно это наблюдается уже к концу дробления.
Огромный по сравнению с чистой цитоплазмой объем желтка в полилецитальных яйцах бороздами не расчленяется. Таким образом, в полилецитальных яйцах дробление охватывает лишь свободную от желтка цитоплазму; Такой тип дробления называется частичным или мёробластическим. Борозды дробления ие распространяются на область, “занятую желтком; это связано с тем, что борозды активно растут по поверхности желтка. Например, в яйцах сумчатых, где содержится небольшое количество желтка, уже в первом делении борозда дробления
99
огибает желток и тем самым полностью отделяет его от первых двух бластомеров. Поэтому уже первых два бластомера сумчатых обладают характерной для всех млекопитающих алеци-тальностью.
Дробление центролецнтальиых яиц, сводящееся к разделению на бластомеры поверхностного слоя цитоплазмы, называют поверхностньсм (рис. 27). В телолецитальных яйцах рыб и птиц дробится тонкий диск цитоплазмы, расположенный на анимальном полюсе. Такой тип дробления называют диско-, идальным (рис. 28, 29). Мезо- и олиголецитальные яйца дробятся целиком; сравнительно небольшое количество желтка включается в вегетативные бластомеры. Такой тип дробления называют голобластическим.
Наиболее общая закономерность голобластического дробления — взаимная перпендикулярность (ортогональность) первых трех борозд, причем две первые проходят по меридианам яйца. Исключения из этого правила есть, но оии редки. Для мезо-
лецитальных яиц ортогональность непосредственно выводится из правил Сакса— Гертвига; в таких яйцах веретено первого деления дробления располагается параллельно экватору яйца. В данном случае говорят, однако, не о тангенциальном, а о широтном направлении, так как веретено находится не под самой поверхностью. Соответственно борозда первого деления располагается меридионально (рис. 30, Л, Б). Веретёна двух вторых делений по тому же правилу расположены в той же плоскости, ио под прямым углом к первому веретену; легко видеть, что именно эти направления теперь примерно соответствуют наибольшей протяженности бедной желтком
Рис. 28. Последовательные стадии (Д — Д) дисковдальнего дробления яйца костистой рыбы (по Б. И. Балийскому, 1965). Скопление бластомеров (бл) лежит на нераздробленном желтке (ж)
100
цитоплазмы. В результате яйцо делится двумя меридиональными бороздами, расположенными под прямым углом (рис. 30, В). Первые четыре бластомера мезолецитальиых яиц равны между собой и иногда обозначаются как квадранты яйца.
После этого направление наибольшей протяженности чистой цитоплазмы в каждом квадранте уже совпадает с меридианами яйца, так как широтные поперечники квадрантов
Рис. 29. Последовательные стадии (А — Г) днскоидалыюго дробления яйца курицы. Вид на зародышевый диск сверху (по Б. И.
Балинскому, 1965)
короче меридиональных. Поэтому все четыре веретена третьих делений дробления располагаются меридионально. Вместе с тем их центры остаются смещенными к анимальному полюсу, так как вегетативная область в большей мере занята желтком. Поэтому борозды третьих делений дробления расположены по широте яйца, смещенной в анимальную сторону от экватора. Образуются четыре более мелких анимальных бластомера (микромеры) и четыре более крупных вегетативных бластомера (макромеры), содержащие весь желток (рис. 30, Г). Позже дробление утрачивает общую правильность, ио аиимальные бластомеры все время остаются мельче вегетативных (рис. 30, Д, Е).
Закономерности дробления ' ' е	олиголецнтальных яйцеклеток
В олиголецнтальных яйцеклетках наблюдается несколько типов расположения бластомеров, из которых отметим лишь главные.
Радиальный ти/клрдбления присущ хордовым (ланцетник, круглоротые, осетровые, амфибии), иглокожим и некоторым другим группам с голобластическим типом развития. При этом типе дробления бластомеры разных широтных ярусов распола-. гаются, по крайней мере на ранних стадиях, довольно точно один над другим, так что полярная ось яйца является осью радиальной симметрии. Радиальный тип дроблений в его идеальном варианте выводится из ортогональности веретену Этот тип дробления рассмотрен иа примере яйца лягушки (рис. 30). Равномерное радиальное дробление протекает в яйцах иглокожих (рис. 33).
10!
Спиральный тип дробления, наблюдающийся наиболее четко у М75 л л юсков, коль ч ат ых и ресничных червей (все эти формы объединяются в группу Spiralia), отличается лево-правой диссимметрией (энантиоморфизм) уже на стадии четырех (иногда двух) бластомеров. В основе этого типа дробления, так же как
Рис. 30. Последовательные стадии (4—Е) дробления яйца лягушки (по
Б. И. Балинскому, 1965)
и радиального дробления, лежит ортогональность последовательных делений, а лево-правая диссимметрия возникает из-за того, что в анафазе каждого, последующего деления дробления только что разделившиеся бластомеры поворачиваются вокруг
Рис. 31. Спиральное дробление в декстральных яйцах брюхоногого моллюска Lymnaea stagnalis (А—Г) и в синистральпых яйцах брюхоногого моллюска Physa acuta (Д, Е) (по В. Н. Мещерякову, 1976). Везде вид с анимального полюса; Г — вид сбоку (/—1-е — деление дробления, II— 2-е деление дробления)
оси веретена в противоположные стороны 1(рис. 32). Направление этих поворотов детерминировано генетически: у большинства видов или рас моллюсков ближайший к наблюдателю бластомер каждой пары поворачивается по часовой стрелке.
Рис. 32. Взаимные повороты сестринских бластомеров при спиральном дроблении (по В. Н. Мещерякову, 1976). А— вид сверху; Б — вид сбоку. Слева — поворот против часовой стрелки, справа —поворот по часовой стрелке
102
Эти формы называют декстральными. У других моллюсков, например у Physa acuta, ближайший к наблюдателю бластомер каждой пары поворачивается против часовой стрелки — синист-ральные формы. Направление поворота бластомеров определяется исключительно геномом матери и не зависит от генома, вносимого самцом при оплодотворении («материнский эффект»,
Рис, 33. Последовательные стадии (Л—£) радиального дробления яиц иглокожих. А, В — Е — вид сбоку; Б — вид сверху; Е — целобластула (бц — бластоцель)
см. ниже). При этом ген декстральности доминантный. Это свидетельствует о том, что направление поворота бластомеров определяется какими-то структурами (вероятнее всего, микрофиламентами), синтезированными еще в оогенезе.
Опишем повороты бластомеров на дробящихся яйцеклетках. Одновременный поворот двух пар сестринских бластомеров в анафазе второго деления дробления (рис. 31, А, 32, направление
Рис. 34. Дробление яйца аскариды (из П. П. Иванова, 1937). А, Б — стадии двух бластомеров с веретенами следующих делений; В — стадия четырех бластомеров до поворота вегетативной пары бластомеров; Г — ромбическая фигура из четырех бластомеров после завершения поворота бластомеров
поворотов показано стрелками, номера борозд — римскими цифрами) приводит к винтовому скручиванию борозды первого деления дробления. При завершении формирования второй борозды это скручивание закрепляется (рис. 31, Б). При переходе от четырех бластомеров к восьми такое же скручивание у декстральных яиц приводит к повороту четверки (квартета)
О
более мелких аиимальных бластомеров (микромеров) относительно квартета вегетативных макромеров (рис. 31, В, Г\ чер-
точки показывают направления отделения микромеров от макромеров). В синистральных яйцеклетках стадии четырех и восьми бластомеров показаны иа рис. 31, Д и Е.
Кроме радиального и спирального известны и некоторые другие типы голобластического дробления, хотя они встречаются реже. Так, у некоторых групп беспозвоночных существуют
Рис. 35. Анархическое дробление у медузы Oceania- (по К. Н. Давыдову,
разные типы так называемого б и лагера л ьног о дробления. Для этого типа "'"характерна одна плоскость симметрии.
В качестве примера рассмотрим дробление круглого червя — аскариды (рис. 34). В отличие от дробления у большинства других групп животных веретено первого деления дробления у аскариды ориентировано меридионально,/ и поэтому первая борозда" проходит приблизительно экваториально (рис. 34, Д). Затем ани-мальный бластомер делится меридиональной бороздой, а вегетативный — широтной (рис. 34, Б). В результате получается Т-образная фигура из четырех бластомеров, лишенная поворотной симметрии, но имеющая плоскость симметрии отражения, совпадающую с плоскостью рисунка. Затем путем поворота вегетативной пары бластомеров Т-образная фигура преобразуется в ромбическую (рис. 34, В, Г). Этот поворот происходит не во время цитотомии, как при спиральном дроблении. а в промежутке между делениями, в иитерфазе. Иитер-фазные движения бластомеров — явления другого порядка, чем описанные перед этим днесимметричные анафазные повороты. Интерфазные движения разнообразны. У других круглых червой они выражаются в том, что две первые пары бластомеров,
поначалу ориентированные крест-накрест, затем поворачиваются так, что тоже оказываются в одной плоскости, образуя ромб. Нередко наблюдаются интерфазные движения типа наползания бластомеров друг на друга. Они отмечаются как в самом раннем развитии, на стадии двух бластомеров, так и в более позднем развитии, когда они связаны с дифференцировкой бласто^^ров^^^,^™™.^^,,^^	.
“некоторых низших бесиоЭвойочных (кишечнополостные, паразитические плоские червн) наблюдается анархическое дроб-. леиие, когда бластомеры слабо связаны между собой и вначале располагаются неправильными цепочками (они порой даже распадаются под ударами волн морского прибоя, но из отдельных участков тем не менее образуются полноценные зародыши) — рис. 35. Позже бластомеры объединяются и в конце
104
концов образуют плотное скопление — морулу. В этом типе дробления интерфазные движения бластомеров также играют большую роль.
Итак, простраиствеииая организация дробления в основном определяется: 1) расположением ядер и ориентацией веретен согласно правилам Сакса — Гертвига; 2) в случае спирального дробления — диссимметричными аиафазными поворотами бластомеров; 3) в ряде других случаев — разнообразными интерфазными движениями бластомеров.
Ооплазматическая сегрегация в ходе дробления
вегетативном полюсе имеется называемая полярная плазма.
л	б	в
Рис. 36. Попадание вегетативной полярной плазмы в один из первых двух бластомеров моллюска Mytilus edulis в результате неравномерного первого' деления дробления (по Дж. Ибсрту, 1968), А — выделение полярных телец; Б — формирование полярной лопасти; В —первое деление (полярная лопасть попадает в правый бластомер)
В ходе делений дробления многих яиц, особенно с так называемым детерминативным (мозаичным) дроблением (см. ниже), продолжается начавшаяся ранее ооплазматическая сегрегация.
Среди форм со спиральным дроблением ооплазматическая сегрегация особенно наглядна у некоторых кольчатых червей — Tubifex и моллюсков llyanassa и Dentallum, в яйцах которых еще до начала дробления на ооплазма особого вида, так У моллюсков она периодически, в ходе каждого деления дробления, выпячивается в виде лопасти, отчего и получила название полярной лопасти (рис. 36, А, Б). Борозда первого деления дробления и нескольких последующих делений при нормальном развитии никогда не рассекает полярную плазму, а огибает ее, причем, по-видимому, произвольно (рис, 36, В). Здесь проявляется свойство борозды проходить на границе между разными фазами ооплазмы, В результате после третьего деления дроб
ления полярная плазма попадает в бластомер, расположенный в вегетативном полушарии зародыша на его будущей спинной стороне. Этот бластомер принято обозначать символом 1D. Затем она распределяется между его потомками, попадая по преимуществу в расположенный ближе к анимальному полюсу бластомер 2d и в находящийся ближе к вегетативному полюсу бластомер 4d. Их потомки образуют большую часть органов личинки. Потомки 2d остаются на поверхности тела, и из них развивается большая часть эктодермы, а из потомков 4d, кроме прочего,— целомическая мезодерма (см. гл. 6). Если удалить полярную лопасть на стадиях первого или второго деления дробления, то
105
появляются личинки, лишенные мезодермы и некоторых других (эктодермальных) закладок.
Биохимический анализ содержимого полярной лопасти показал, что оно сильно обогащено АТФ: 40 % имеющейся в яйце АТФ сосредоточено в этой плазме. Для чего нужна такая высокая концентрация АТФ в полярной лопасти и какое,это имеет отношение к дальнейшему развитию судьбы бластомера 4d, пока неизвестно.
Таким образом, вещества полярных плазм закономерно распределяются по бластомерам в ходе дробления и, несомненно, влияют на дифференцировку бластомеров. Однако, что лежит в основе этих влияний — неизвестно. Постепенно накапливается все больше данных о том, что влияния эти не прямые, а передаются через ряд последовательных звеньев. Показано, например, что полярные плазмы влияют на скорость деления тех бластомеров, в которых они содержатся. У моллюсков llyanassa и Lytnnaea бластомеры с полярными плазмами дробятся заметно быстрее других бластомеров, у моллюсков Patella и Trochus — медленнее, а после удаления полярных плазм различия в темпе делений разных бластомеров исчезают, так же как различия в их дифференцировке. Между тем длительность клеточного цикла может влиять на дифференцировку.
Интересный случай закономерной региональной локализации определенного вещества (аскорбиновой кислоты) в яйце описан у моллюска Aplysia. Первоначально в незрелом яйце аскорбиновая кислота в составе гранул распределена по всей цитоплазме, но в ходе созревания она локализуется в узкой зоне в виде пояска над экватором. Если яйцо подвергнуть центрифугированию и сместить гранулы к вегетативному полюсу, то через некоторое время они вновь поднимаются, концентрируясь в узкой зоне над экватором. Это наглядный пример, демонстрирующий фазовую негомогеннбсть внутрияйцевой среды, которая играет немалую роль в неравномерном распределении компонентов, их сегрегировании.
Активация репликации и особенности клеточных делений при дроблении
Вскоре после оплодотворения в пронуклеусах начинается репликация ДНК. Так как ооплазма содержит в большом количестве все факторы синтеза ДНК, отсутствие репликации до активации яйца обусловлено какими-то механизмами, которые подавляют синтез ДНК до этого момента. Одна из возможных причин этого заключается в особом состоянии хромосом, в частности в заблокированности точек инициации синтеза ДНК в репликонах (см. гл. 2). Другая возможная причина — в том, что компоненты системы синтеза ДНК находятся в связанном состоянии. Для активации синтеза ДНК в мужском пронуклеусе, по-вндимому, требуется дополнительный фактор, способ-
10в
ствуюший набуханию и подготовке к репликации компа ктизо-ванной ДНК ядра сперматозоида. Этот фактор появляется в процессе созревания (см. гл. 3). При его отсутствии ядро сперматозоида не подвергается декомпактизации и структурным перестройкам, которые создают условия для возобновления функций ДНК, из которых первая — репликация. В присутствии этих факторов перестройки завершаются спустя несколько минут после пребывания ядра в ооплазме.
Синтез ДНК начинается в обоих пронуклеусах одновременно, и в каждом из них удваивается свой (отцовский или материнский) набор хромосом. Это одна из особенностей зиготы, так как во всех других клетках гомологичные наборы хромосом редуплицируются, находясь внутри одного ядра, т. е. одной системы репликации.
Так как ядро сперматозоида не привносит в яйцо своих факторов репликации ДНК, оно целиком использует систему репликации яйца — ДНК-полимеразы, нуклеозидтрифосфаты, факторы инициации синтеза ДНК, гистоны для сборки нуклеосом, пегистоновые белки и т. д. Все они проникают в ядро сперматозоида из ооплазмы.
Первоначально объем ядра сперматозоида значительно меньше, чем у женского пронуклеуса. Вскоре после проникновения в ооплазму ядро сперматозоида набухает за счет поступления в него материала ооплазмы и увеличивается в размере в 20 раз. Так, у морского ежа, живущего в теплых морях, уже через 20 мин после оплодотворения завершаются не только все эти подготовительные процессы, но и репликация ДНК в обоих пронуклеусах, которые готовы вступить в первое деление дробления. Запасов факторов репликации в яйце значительно больше, чем требуется для активации мужского пронуклеуса. Об этом можно судить по наблюдениям за поведением ядер сперматозоидов при полиспермии, а также по опытам Дж. Гердона, который вводил в неоплодотвореиное яйцо множество ядер из соматических клеток или большое количество очищенной ДНК-Во всех случаях дополнительная'ДНК, оказавшаяся ооплазме, начинает реплицироваться. Даже если в. ооплазму ^ввести .ядра соматических клеток, которые в норме (в своей цитоплазме) не синтезируют „ДНК, например ядра головного мозга, эритроцитов, птиц", в них также,и с некоторой задержкой, начинает-ся синтез ДНК.
" В случаях полиспермии синтез ДНК активируется во всех пронуклеусах, однако в процессах развития зародыша принимает участие только один из пронуклеусов, остальные дегенерируют. Факторы репликации, видимо, распределены в ооплазме равномерно, так как во всех бластомерах их достаточно для обеспечения репликации ДНК. Это особенно важно для периода синхронных делений дробления, когда все клетки делятся одновременно. Факт инициации синтеза ДНК во всех сперматозоидах при полиспермии также свидетельствует о том, что фак
107
тор bi, необходимые для этого, имеются в яйце в избытке и распределены в нем так, что ядро сперматозоида может активироваться в любом его участке.
После удвоения числа хромосом в пронуклеусах начинается первое деление дробления зиготы. К этому времени веретено уже сформировано, ядерные мембраны разрушаются и хромосомные наборы объединяются. Иногда гомологичные наборы хромосом смешиваются до наступления метафазы, ио в ряде случаев даже в метафазе они располагаются несколько обособленно.
Одна из загадок механизма подготовки к делению активированного яйца — происхождение центриоли. Предполагается, что в большинстве случаев центриоль привносится сперматозоидом, так как яйцеклетка лишена ее. В соответствии с этим предположением партеногенетическое развитие у многих животных невозможно нз-за отсутствия центриоли.
Особенности клеточных делений в период дробления.	ч
Синхронное и асинхронное дробление .	'
У многих видов первые деления дробления идут синхронно. Затем наступает период асинхронных делений. Синхронные и асинхронные деления отличаются по параметрам клеточных циклов, особенностям цитотомии и биохимических процессов. Синхронные деления — это быстропротекающие укороченные одинаковые циклы. Они не нуждаются в новых синтезах макромолекул, увеличении объема цитоплазмы и ядра, но им требуется репликация ДНК и, по-видимому, синтез некоторой части гистонов. ^Благодаря тому что в яйце сосредоточены факторы и компоненты для большого числа клеток, возникающих в ходе синхронных делений дробления, процесс сводится в основном к синтезу ДНК, сборке хромосом (отчасти, видимо, за счет ново-образуюгцихся гистонов) и к цитотомии. При синхронных делениях клеточные циклы сильно укорочены за счет практически полного отсутствия фазы G1 и фазы G2, а также за счет сильного укорочения фазы S и собственно митоза (фазы М). Например, весь цикл деления в яйцах морского ежа длится 30—40 мин (речь идет о теплолюбивых видах) с продолжительностью S-фазы всего 15 мин, в яйцах аксолотля цикл длится около 90 мин. Наиболее короткие циклы наблюдаются у насекомых, они не превышают 10 мин, причем S-фаза занимает лишь 3,5 мин. Такие сильно укороченные циклы отчасти объясняются тем, что в период синхронных делений у насекомых отсутствует цитотомия. Ни в каких других клетках животных и растений иет столь высоких темпов деления, как в яйцах в период синхронных делении. Такие темпы возможны благодаря следующим особенностям этих делений.
108
1. Синтетические процессы, которые обычно подготавливают очередное деление клетки, сведены к минимуму: подавляющая часть продуктов, образующихся при этих синтезах, уже есть в зрелом яйце, поэтому процессы роста перед делениями отсутствуют, Фазы G1 н G2, в ходе которых осуществляются эти синтетические процессы, при синхронных делениях редуцированы, а фаза S сильно сокращена.
2. Столь значительное укорочение цикла деления нельзя объяснить только вышеуказанной причиной, так как синтез ДНК и сборка хромосом при синхронных делениях осуществляются в полном объеме. Укорочение S-фазы достигается иным механизмом: синхронизацией начала репликации во всех реп-ликонах генома. Остановимся подробнее на этом механизме.
Напомним, что клетки эукариот в отличие от бактерий представляют собой полирепликоиную систему. Число репликонов — автономно реплицирующихся участков ДНК (генома) — определяется числом точек инициации репликации, т. е. средним расстоянием между ними (размерами репликонов и суммарной длиной ДНК в геноме). Время полной редупликации ДНК генома зависит от числа репликонов (точек нннциацин), скорости продвижения репликационной вилки (собственно репликации) и степени синхронности начала репликации в разных реп-ликонах.
Измерения показали, что в ядрах синхронно дробящихся яиц скорость продвижения репликационной вилки обычная, ио у них значительно больше точек инициации и в отличие от других клеток инициация синтеза ДНК во всех репликонах происходит одновременно (синхронно). Подобной ситуации нет ин в одних других видах клеток. Таким образом, при синхронных делениях общее время репликации ДНК в ядре совпадает с временем удвоения одного (притом укороченного) репликона. В обычных клетках снитез ДНК в репликонах происходит асинхронно потому, что в фазе S продолжаются другие внутриядерные процессы и, в частности, транскрипция. В синхронно делящихся клетках яйца транскрипция практически отсутствует (см. ниже) и невозможна в этих условиях. Следовательно, в период синхронных делений полирепликонный эукариотный геном редуплицируется как монорепликонный геном бактериальной клетки.
Данные показывают, что сборка нуклеосом во время репликации ДНК не может служить лимитирующим фактором, если не ограничен приток всех типов гистонов в нужном количестве к местам репликации. В обычных клетках резерва гистонов не образуется, они синтезируются во время S-фазы координированно (кроме гистона Н1) с репликацией ДНК и немедленно используются.
В яйцах запасаются все фракции гистонов. Вместе с тем сразу же после начала дробления в цитоплазме иа резервированных иРНК начинается синтез новых молекул гистонов. Так,
109
в неоплодотвореиных яйцах морских ежей наряду с некоторыми запасами гистонов обнаружена неактивная форма иРНК для всех пяти гистоновых фракций. Такие же иРНК обнаруживаются в полисомах дробящихся яиц. Предполагается, что после оплодотворения яйца запасенные иРНК активируются, образуют полисомы и на этих матрицах синтезируются de novo все гистоновые фракции. Скорость синтеза гистонов и ДНК в период синхронных делений дробления одинаково высока. Так, на 200-клеточной стадии в эмбрионе морского ежа в I мин образуется 1,5 мкг ДНК и 1,3—2,3 мкг гистона. Однако в отличие от других клеток синтез гистонов и ДНК как в оогенезе, так и в раннем эмбриогенезе не скоординирован ни по фазам клеточного цикла, ни в количественном отношении.
Сборка надмолекулярных структур из уже синтезированных белков играет важную роль в процессе цитотомии. Цитотомия при дроблении кроме обычного (разделение цитоплазмы посредством мембран) имеет особое морфогенетическое значение, так как является фактором, определяющим тип. дробления.
В процессе цитотомии можно выделить фазу, связанную с образованием перетяжки между бластомерами в результате сокращения уже имевшейся мембраны, и фазу синтеза, точнее, сборки новых участков клеточной мембраны, формирующей перегородку между вновь возникшими бластомерами. Первая фаза протекает в норме на поздних стадиях данного митотического деления — в период анафазы и телофазы, вторая фаза — после завершения деления, в период интерфазы.
В настоящее время различают два типа цитотомии — сократительный и ростовой. Первый тип в наиболее «чистой» форме встречается в яйцах со сравнительно малым количеством желтка (иглокожие, моллюски). У них образование перетяжки между бластомерами обусловлено работой сократимого кольца из микрофиламентов, собранного примерно к стадии анафазы в плоскости будущей перетяжки. Сборка этого кольца из более мелких субъединиц (мицелл) происходит за несколько десятков минут под прямым влиянием полюсов митотического веретена, т. е. центриолей и полярных лучистостей. Ядерные структуры для этого не нужны: перетяжки могут образовываться в энуклеированных (лишенных ядер) яйцеклетках, так же как в яйцеклетках, содержащих ядро. С другой стороны, если митотическое веретено механическим путем (сдавливанием яйца между стеклянными пластинками) сдвинуть с его обычного положения, то перетяжка между бластомерами возникнет в необычном для нее месте поверхности яйца, но точно посередине между полюсами веретена. Таким образом, из обоих полюсов веретена исходят какие-то неизвестные, достаточно направленные влияния (их распространение может быть связано с микротрубочками, образующими полярные лучистости); в той плоскости, где эти влияния от противоположных полюсов встречаются (в субкортикальном слое), и происходит сборка кольца из
110
микрофиламентов. После того как это кольцо собралось, оно уже работает автономно, независимо от полюсов веретена, и перетяжка между бластомерами продолжает углубляться.
Вслед за сократительной цитотомией, уже в интерфазе, обязательно наступает период синтеза (точнее, сборки из субъединиц, синтезированных в цитоплазматических органеллах бластомеров) новых участков клеточной поверхности. Эти участки формируют зону контакта между бластомерами, которая непосредственно после завершения цитотомии очень мала, но затем увеличивается (бластомеры как бы слипаются друг с другом). Таким образом, при сократительной цнтотомии образование перетяжки между бластомерами и синтез новой контактной поверхности между ними разъединены во времени.
В яйцах с большим количеством желтка (мезо- и особенно полилецитальных) сокращение микрофиламентарного кольца не* может полностью осуществить цитотомию, которая в этом случае осуществляется по ростовому типу. Решающее значение приобретает своеобразный, малоизученный процесс активного роста вершин борозд дробления, как бы врезающихся в яйцо. Врезающиеся борозды проходят по границам между отдельными фазами ооплазмы, тем самым закрепляя и завершая ооплазматическую сегрегацию. В случае сильных искусственных нарушений процесса сегрегации борозды могут даже ветвиться, что полностью дезорганизует ход дробления.
Сразу же по завершении цитотомии бластомеры олиголеци-тальных яиц остаются связанными между собой лишь тоненькими мостиками. Именно в это время их легче всего разделить. Однако через некоторое время поверхность контакта между ними увеличивается. Это происходит в результате встраивания новых субъединиц плазматической мембраны в поверхность бластомера. Процесс встраивания достаточно активен. Подсчитано, что в яйцах шпорцевой лягушки (Xenopus laevis) после первого деления дробления за 1 мин образуется 4-103 мкм2 новой мембраны. В результате встраивания новых участков мембраны бластомеры начинают плотно соприкасаться. Как правило, особенно во время ранних делений дробления, бластомеры увеличивают контактную поверхность симметрично. Однако бывает и так, что один из контактирующих бластомеров как бы натекает на другой, остающийся округлым.
При дроблении многих типов яиц оба вида цитотомии сочетаются. Например, в яйцеклетках рыб борозды начинают образовываться путем врастания, а на последующих стадиях образования борозд участвует сократительное кольцо. У шпорцевой лягушки первая борозда дробления начинает формироваться в анимальной части яйцеклетки посредством сократительной цитотомии, а дальнейшее ее углубление внутрь яйца осуществляется благодаря ростовой цитотомии.
Переход к асинхронным делениям сопровождается утратой названных выше особенностей клеточных делений, характер-
111
пых для синхронного периода: появляются фазы G1 н G2, увеличивается продолжительность всех фаз,
В начале асинхронного периода деление бластомеров нередко распространяется в виде волны от анимального к вегетативному полюсу яйцеклетки: сначала делятся анимальные бластомеры, а затем бластомеры, расположенные ближе к вегетативному полюсу. Иногда этот отрезок дробления называют метахронным. В дальнейшем такая временная организация делений утрачивается, и они становятся полностью независимыми друг от друга (асинхронными). Относительная продолжительность синхронного и асинхронного периодов у разных видов неодинакова. Относительно длинный синхронный период — 7 первых делений дробления — наблюдается в яйцах иглокожих. В яйцах амфибий (аксолотль) все бластомеры делятся синхронно вплоть до четвертого деления дробления (стадия 16 бластомеров). Затем, с 5-го по 11-е деления наблюдаются «волны дробления»: сначала делятся самые аннмальные бластомеры, затем расположенные на экваторе яйца, после этого вегетативные. При этом анимальные бластомеры сохраняют синхронность деления относительно друг друга до 10-го деления включительно. Начиная с 11-го деления, дробление становится повсеместно асинхронным.
В яйцах многих групп животных — круглых червей, некоторых моллюсков, млекопитающих — периода синхронных делений нет: начиная со 2-го деления, дробление идет асинхронно.
Бластуляция	i
Период позднего асинхронного дробления, когда в клеточных циклах бластомеров появляется фаза G1, называют периодом бластуляции. В этот период или даже раньше внутренние стенки бластомеров начинают расходиться и между ними возникает сначала небольшая, а затем все увеличивающаяся полость дробления (бластоцель). Максимальных размеров бластоцель Достигает на заключительном этапе дробления. Бластомеры к этому времени перестают быть округлыми, у них увеличиваются поверхности взаимного контакта, в связи с этим стенка зародыша эпителизируется — приобретает вид эпителиального пласта. Эпителизация стенки зародыша — одна из важнейших предпосылок более тесных взаимодействий между клетками и их координированных движений в ходе дальнейшего развития.
Зародыш, прошедший все названные превращения, называется бластулой.
Типы бластул. Строение бластулы зависит от типа дробления яйца, а тнп дробления в значительной мере определяется количеством и расположением желтка в яйце.
Яйцеклетки с малым количеством желтка формируют бластулы с тонкими однослойными стенками и обширным бласто-полем — целобластулы. Наиболее типичны целобластулы игло-
112
Рис. 37. Типы бластул, А — целобла-стула (морской еж); Б— амфибластула (амфибии); В, Г—диско бластула* (костистые рыбы, птицы)
кожих, почти сферические по форме (рис. 37, Л). У кишечнополостных с анархическим типом дробления целобластулы имеют вытянутую или неправильную форму. У некоторых кишечнополостных бластоцель вообще не образуется и дробление заканчивается на стадии плотного комка клеток — морулы..
'Бластула со стенкой равномерной толщины и очень маленьким, центрально расположенным бластоцелем (некоторые кишечнополостные, моллюски, черви, а также млекопитающие) называется стерро-
I бластулой.	~ ~ ’
*—““Чем больше в яйце желтка, тем церавномернее дробление, тем крайнее вегетативные бластомеры и тем толще образованное ими вегетативное дно бластулы. В мезолецитальных яйцах осетровых рыб и амфибий дно бластулы занимает все вегетативное полушарие, а < бластоцель смещен в ан им а ль -ноё п о лу ша р йе~'О и покр ы т
сверху Значительно более тонкой крышей бластулы, сложенной из двух-трех слоев мелких бластомеров. Бластулу такого строе-
1 ния называют амфибластулой (рис. 37, Б). Амфибластула встре-^Тга^ётся и у некоторых других форм, например у малощетинковых червей. В этом случае бластоцель еще меньше, чем у амфибий, крыша тоньше, а вегетативное дно толще.
В полилецнтальных яйцах рыб, пресмыкающихся и птнц. дробление дискоидальное. В результате образуется состоящий из нескольких клеточных слоев диск, лежащий на нераздроблен-ной массе желткаУДиск несколько выгибается над Желтком, Г И между ними возникает полость, которую также называют бластоцелем, а иногда подзародышевой полостью. Это диско-бластула (рнс. 37, В, Г).	'	""
В центролецитальных яйцах насекомых (и других членистоногих) после миграции ядер на поверхность и образования клеточных стенок формируется клеточный слой, окружающий' желток,— перидерма. Это, .перибластула.. Ядра, оставшиеся в желтке, участвуют в его расщеплении и носят название вителло-фагов.
- Активация и функционирование генов в период дробления
За редким исключением (аскарида), ядро яйцеклетки и зиготы транскрипциоино неактивно, и синтез РНК в ядре дробящегося яйца начинается после оплодотворения. У разных видов
8 Заказ 645
113:
.животных он наблюдается на разных стадиях раннего периода развития. Определить первые признаки синтеза РНК в дробящемся яйце очень трудно из-за его крайне слабой активности (современные методы измерения синтеза РНК еще недостаточно чувствительны). В зависимости от того, на какой стадии развития начинается синтез РНК, изученные виды животных под- . разделяют на две группы.	'
К первой группе относятся животные с большим количеством желтка. У них синтез РНК начинается наиболее поздно— перед образованием бластулы (у яиц с синхронным дроблением начало активного синтеза РНК приурочено к периоду асинхронизации делений). До этого периода синтез РНК в бластомерах либо отсутствует, лйбо протекает на очень низком, трудно определимом уровне. Обнаружение ядерного синтеза РНК в ранний период затруднено еще н тем, что в цитоплазме яиц этой группы животных имеется много митохондрий, которые содержат собственную ДНК. Более того, количество митохондриальной ДНК может в сотни и тысячи раз превышать ее содержание в ядре. Так как синтез РНК происходит и в митохондриях, отдифференцировать и измерить синтез ядерной РНК достоверно не удается.
Ко второй группе относят животных, у которых яйца содержат малое количество запасенных макромолекул, органелл и желтка. Это яйца червей, моллюсков, млекопитающих. Синтез РНК в яйцах этой группы начинается уже на самых ранних стадиях дробления, У аскариды синтез РНК, по-видимому, не прерывается в конце оогенеза, так как он обнаруживается даже ; в пронуклеусах. У млекопитающих синтез РНК начинается со стадии двух бластомеров и в дальнейшем, к стадии бластоцисты, возрастает по крайней мере в 10—20 раз.
Хорошо изучена динамика активации синтеза РНК и природа синтезирующейся РНК в раннем эмбриогенезе насекомых, (дрозофилы), морского ежа, амфибий и рыб, Так, у насекомых в течение всего периода дробления ядра в центральной зоне, когда еще отсутствуют клеточные границы, синтез РНК биохимическими методами не обнаруживается. Он выявляется лишь после стадии, когда ядра мигрируют на поверхность, образуя бластодерму.
У морского ежа синтез РНК начинается па стадии 16—32 бластомеров.
Много данных свидетельствует о том, что у амфибий и рыб синтез РНК начинается на стадии ранней бластулы (если только у них нет более раннего синтеза, достоверно пока не обнаруженного), Изучение динамики активации синтеза РНК в раннем эмбрионе очень важно, так как в период раннего эмбриогенеза начинают устанавливаться прерванные перед этим (в конце гаметогенеза) функциональные ядерно-цитоплазмати-ческие отношения. Начало транскрипционной активности в эмбриогенезе — свидетельство постепенного восстановления ге
114
нетической роли ядер в клетках зародыша. Запасание в ооплаз-ме большого количества продуктов генной активности предшествующего периода (оогенез) делает ооплазму относительно самостоятельной, способной определенное время обходиться без ядра.
ГЛ А В А 6
ГАСТРУЛЯЦИЯ, НЕЙРУЛЯЦИЯ,
'	ОБРАЗОВАНИЕ ПРОВИЗОРНЫХ ОРГАНОВ
После прохождения стадии бластулы в зародыше начинаются интенсивные передвижения как отдельных клеток, так и обширных участков стенкн бластулы, приводящие в конце концов к тому, что более или менее однородный перед этим зародыш расчленяется на два или три-слоя, которые называют заро-д ы шевыми л и ст к а ш-1. С а мый внутренний зародышевый лиыик — 'Энтодерма, внешний — эктодерма. Эти листки образуются у зародышей всех многоклеточных животных, лишь у губок дальнейший ход развития листков настолько необычен, что некоторые авторы избегают говорить применительно к ним об экто-и энтодерме. У всех животных, кроме губок н кишечнополостных, формируется еще и третий, средний зародышевый листок — мезодерма, располагающийся между двумя первыми.
Процесс расчленения зародыша на зародышевые листки называется гаструляцией, а сам зародыш на стадии расчленения — гаструлой. Способы гаструляции довольно разнообразны. Отчасти они связаны со строением бластулы, но эта связь далеко не однозначна. Рассмотрим основные типы гаструляции тех зародышей, которые испытывают полное дробление, т. е. принадлежат к голобластическому типу развития.
Способы гаструляции у зародышей с голобластическим типом дробления
Особенно разнообразны способы гаструляции у низших беспозвоночных— кишечнополостных. У ннх распространен иммиграционный тип гаструляции, который был открыт в 1884"г. И. И. Мечниковым у некоторых .гидромедуз и считается эволюционно наиболее древним. Этотл!роцесс~свЬдится к вселению (иммиграции) в полость бластоцеля отдельных клеток, выклинивающихся из стенки бластудФь Иммиграция, происходящая без особого порядка по всей поверхности бластулы, называется мультиполярной (рис. 38, Л). Большей же частью вселение идет ~с одного определенного полюса (униполярная иммиграция} (рис. 38, Б} — £3). Известна также биполярная иммиграция, когда вселение идет с двух противоположных полюсов.
8*	В .	1-^
У^^сшпечнополостны^, дробление которых заканчивается сплошной морулой без полости, наблюдается другой тип гаструляции— деламинация (расслоение). Он ограничивается эпите-лизацией клеток наружного слоя. Вдоль их выровненных внутренних поверхностей формируется мембрана, отделяющая этот внешний клеточный слой (эктодерму) от внутренней массы клеток, которая вся становится энтодермой (рис. 38, Bi, В2).
Рис. 38. Типы гаструляции (по П. П. Иванову, 1937). А—мультиполярная иммиграция; Б\ — Б$ — последовательные стадии униполярной иммиграции; Bi, В2— деламинация у гидроидного полипа Clava multicornis\ Гi—гаструля-ция у сцифомедузы Aurelia flauidula-, Г2— у Aurelia marginalise Д1, Д2—.последовательные стадии гаструляции у морского ежа; Е— эпиболия у малощетинкового червя Rhynchelmisz
,аах — стенка архентерона, бп — бластопор, бц — бластоцель, г. сл.— гиалиновый слой, покрывающий зародышей морского ежа, гц — гастроцель, мез — эмбриональная мезенхима, мезод — целомическая мезодерма, зкт — эктодерма, эн.т — энтодерма
116
Таким образом, при деламинацин клеточные перемещения практически отсутствуют.
Наконец, у некоторых высших кишечнополостных (сцифоидные медузы, коралловые полипы) наблюдается тип гяструля-ции, широко распространенный у представителей других типов животных: впячивание, или инвагинация. В этих случаях внутрь бластоцеля входят не отдельные клетки, а целый участок клеточного пласта, не утративший эпителиальной структуры. Впрочем, у кишечнополостных этот способ гаструляции легко заменяется другими, более примитивными. Так, у сцифомедузы Aurelia flavidula наблюдается более или менее выраженная инвагинация (рис. 38, Л), У A. marglnalis— мультиполярная иммиграция (рнс. 38, Г2), а у A. aurita — нечто вроде униполярной иммиграции с последующей эпителизацией иммигрировавших клеток. У некоторых видов гидроидных полипов тоже существуют различные сочетания иммиграционных и деламн-национиых процессов или же последовательно протекают оба процесса. Во всяком случае, гаструляционные процессы у кишечнополостных крайне вариабельны.
У других типов животных деламинационные и иммиграционные процессы имеют сравнительно меньшее значение для гаструляции, хотя также наблюдаются. Например, у иглокожих путем иммиграции с вегетативного полюса закладывается так называемая первичная мезенхима, из которой потом формируются некоторые временные органы личинки (скелет, органы выделения). В целом же/процесс гаструляции приобретает более организованный характер и осуществляется обычно путем инвагинации вегетативной стенки бластулы (рнс. 38, Дь Д2). Полость, которая образуется внутри зародыша при вворачивании вегетативной стенки бластулы, называется гастроцелем, а ведущее в нее отверстие — бластопором (первичным ртом)'. ' Края бластопора именуются губами,
Так как при инвагинации механическая целостность стенкн бластулы ие нарушается, очевидно, что вворачивание дна бластулы должно сопровождаться более или менее значительным смещением клеточного материала боковых стенок в вегетативном направлении (вегетопетально). Действительно, такие движения всегда происходят, и скорость их, как правило, не меньше скорости вворачивания. Вегетопетальные движения клеток на поверхности гаструлы называют эпиболией (обрастанием). Известны случаи чисто эпиболнческой гаструляции, когда инвагинация невозможна из-за малых размеров бластоцеля илн инертности крупных, богатых желтком вегетативных макромеров. Например, у ряда малощетинковых червей макромеры просто накрываются наползающими на ннх микромерами (рис. 38, Е).
Материал, оставшийся на поверхности зародыша после завершения гаструляции, представляет собой наружный зародышевый листок, или эктодерму. Что касается погрузившегося
- - П7
(любым способом) внутрь материала, то лишь у кишечнополостных он представляет собой чистую эктодерму —внутренний зародышевый листок, формирующий впоследствии стенку .пищеварительного тракта с его производными. У всех вышестоящих систематических групп этот материал, кроме энтодермы, содержит еще и материал будущего среднего зародышевого листка — мезодермы, который рано или поздно отделяется от энтодермы.
Способы закладки мезодермы у разных групп животных
Различают два принципиально отличных типа закладки мезодермы. Первый ~те_лобластическ,ий — в наиболее чистом виде встречается у спирально дробящихся форм, относящихся к первичиоротым животным. В предыдущей главе упоминалось о бластомерах 2d и 4d, получивших в ходе деления дробления всю полярную плазму. Две крупные клетки — производные бластомера 4d, симметрично расположенные в полости бласто-целя в области губ бластопора, дают начало всей так называемой целомической мезодерме личинки. Эти бластомеры называются мезобластами или мезотелобластами. Более мелкие мезодермальные клетки отпочковываются от этих крупных бластомеров путем серии последовательных делений. В результате возникает пара мезодермальных полосок. Позже они под-разделяются на парные отдельности — сомиты, внутри которых
Рис. 39. Способы закладки мезодермы (по В. В. Малахову, 1976). А — тело-бластический; Б — энтероцельный; В —деламииапионный; Г — пролиферацион-ный. Затемненные участки — целомическая мезодерма
путем расхождения клеток образуются участки вторичной полости тела, или целома, Способ формирования полостей путем расхождения клеток называется шизоцельиыц кавитационным.	л '
Таким образом, при телобластическом способе закладки целомическая мезодерма возникает из двух бластомеров со строго определенной генеалогией (рис. 39, Л). Мезодерма при этом никак не связана с энтодермой, образующейся из других бластомеров.
Закладка мезодермы из отдельных, предназначенных к тому
118
бластомеров наблюдается также у большинства круглых червей, некоторых ракообразных и у ряда мелких групп первичноротых животных. В разных случаях генеалогия порождающих мезодерму бластомеров неодинакова,
А Принципиально другой — энт^роцельный — способ закладки *5 \/ мезодермы свойствен вторичноротым животным (иглокожие, низшие хордовые) и в зачаточной форме—некоторым червеобразным (плеченогне). Здесь материал будущей мезодермы вворачивается вместе с энтодермой в составе единого гастрального впячивания (рис. 39, Б), и в процессе инвагинации граница между обеими закладками, как правило, неразличима. Только прослеживая путь развития закладок в ретроспективном порядке, т. е, идя от поздних стадий развития назад, к ранним, можно выяснить, что материал будущей мезодермы локализован в верхней части гастрального впячивания.
Такое впячивание, стенка которого включает материал как энтодермы, так и мезодермы (а у хордовых — еще и хорды), называется первичным кишечником или архентероном. Соот-ветственно_гастроцель_в этих случаях называется полостью первичной кишки илн полостью архентерона. Мезодерма выделяется из архентерона путем выпячивания его стенок и отшнуровки возникших выпячиваний, реже путем деламинации стенок архентерона (рис. 39, В) или иммиграции клеток из них (рнс. 39, Г). После отделения мезодермы и хорды в составе стенки архентерона остается чисто эктодермальный материал и архентерон превращается в полость вторичной (дефинитивной) кишки. В редких случаях (некоторые низшие хордовые — кишечно-дышащие) целомическая мезодерма отшнуровывается от эктодермы.
Так же, как полость сомитов первичноротых, полость отшну-ровавшихся мезодермальных пузырьков (часть бывшей полости архентерона) называется целомом или вторичной полостью тела. Дальнейшая дифференцировка мезодермы будет рассмотрена ниже.
Как уже говорилось, телобластический и энтероцельный способы закладки мезодермы в чистом виде встречаются сравнительно у немногих форм. И если эти способы все же считаются основными, то главным образом потому, что обладающие ими систематические группы стоят у основания двух главных ветвей животного мира — первично- и вторнчноротых животных. Первнчиоротыми называют животных, у которых отверстие бластопора непосредственно превращается в ротовое отверстие, вторнчноротыми — животных, у которых ротовое отверстие закладывается вторично, на стороне тела, противоположной бластопору (бластопор же нередко превращается в анальное отверстие).
«Сердцевину» ствола первичноротых образуют Spiralia . с телобластпческой закладкой мезодермы. Огромный тип членистоногих, у которых телобластичность почти утрачена, есте
119
ственно, выводится из типичных Spiralia — кольчатых червей. С другой стороны, у основания ствола вторичноротых следует поставить иглокожих с ярко выраженной энтероцельностью. Хордовые, у большинства которых энтероцельность затушевана, несомненно, относятся к тому же стволу.
Гаструляции у амфибий	‘
Гаструляции амфибий — сложный комплексный процесс, состоящий из множества разнородных клеточных движений. Основные его компоненты — эпиболия и инвагинация — имеют составной' характер и дополняются процессами иммиграции и деламинации. Вегетативная стенка бластулы амфибий образована крупными, богатыми желтком макромерами. Поэтому на
Рис. 40. Последовательные стадии гаструляции амфибий (по Б. И. Балийскому, 1965). А— бластула; Б— ранняя гаструла; В—средняя гаструла', Г — поздняя гаструла. / — сагиттальные разрезы; /У —половинки тех же зародышей, повернутые на 90°:
бц — бластоцель, гц — гастроцель, д.г.— дорсальная губа бластопора, е.г.— вентральная губа бластопора, яс,мр.—желточная пробка, ак —- анимальный полюс, вег — вегетативный полюс
вегетативном полюсе не может возникнуть такое впячивание, как у иглокожих и ланцетника. Но, по-видимому, хотя бы некоторые из богатых желтком наружных макромеров погружаются внутрь зародыша. Эти движения иммиграционного типа получили название предгаструляционных.
В результате этих движений светлая непигментированная вегетативная зона на поверхности зародыша сокращается в размерах, а темная (пигментированная) анимальмая зона соответственно расширяется. Этот процесс можно рассматривать как первую пассивную фазу эпиболии.
120	. 	;	’
Собственно гаструляция начинается в области уже известного серого серпа. В этой области стенкн нескольких примыкающих друг к другу клеток выравниваются в линию, а затем по этой линии возникает идущая вглубь узкая щель — зачаток бластопора (рнс. 40). Щелевидное впячивание углубляется и вовлекает в себя все новые клетки с поверхности зародыша, принимая вид ..серповидной бороздки. Анимальный край этой бороздки называется спинной или дорсальной губой бластопора, так как с этой стороны будет расположена спинная поверхность зародыша. Полость щелевидной бороздки несколько расширяется и превращается в зачаток первичной кишки, или архен-терона.
Дальнейший ход гаструляции связан, прежде всего, с подворачиванием клеточного материала через дорсальную губу бластопора: клетки анимальных областей смещаются в вегетативном направлении (вегетопетально) вплоть до губы бластопора и, подвернувшись через нее, образуют дорсальную выстилку углубляющегося архентерона. Таким образом клеточный состав дорсальной губы бластопора непрерывно обновляется.
Вегетопетальные движения клеток наружной поверхности гаструлы в направлении дорсальной губы бластопора продолжают движения эпиболии, в результате чего бластопор смещается в вегетативном направлении, л площадь поверхности, занимаемая анимальными клетками, все время увеличивается. Эпи-болия, в свою очередь, происходит главным образом благодаря активному движению в сторону дорсальной губы клеток, расположенных поблизости от нее. Кроме того, эпиболии способствует размножение клеток крышн бластоцеля и, возможно, вдвижение клеток внутренних слоев крыши бластоцеля между клетками ее наружного слоя.
Процесс эпиболии постепенно распространяется с дорсадц: ной стороны зародыша на боковые и вентральную стороны. Это легко заметить снаружи благодаря увеличению площади, занимаемой темными анимальными клетками и уменьшению светлой площади, занимаемой вегетативными клетками. Одновременно бластопор продолжает не только углубляться, но и расти в стороны, охватывая светлую вегетативную зону сначала полукольцом, а потом и полным кольцом (рис. 40). Заключенный внутри кольцевидного бластопора светлый вегетативный клеточный материал называется желточной пробкой. В ходе гаструляции кольцо бластопора постепенно сужается до узкого отверстия н желточная пробка втягивается внутрь. В кольцевидном бластопоре кроме известной уже нам дорсальной губы различают вентральную губу- (участок, противолежащий дорсальной губе) и боковые губы. Через эти губы тоже идет подворачивание клеток, но бйб'несравненно слабее, чем подворачивание через дорсальную губу.
Втянувшийся внутрь клеточный материал стенки архенте-роиа продвигается сплошным слоем по внутренней поверхности
121
стенки бластоцеля, постепенно оттесняя сам бластоцель в вент7 ральном направлении и в конце концов вытесняя его полностью. В целом это движение называют инвагинацией, но так же, как и движение эпиболни, оно слагается из целого ряда компонентов, и его принято делить на две фазы.
.Первая фаза инвагинации связана с образованием узкой щели архентерона в чрезвычайно плотном клеточном скоплении. Здесь существенное место занимают процессы иммиграции клеток, а сама щель архентерона образуется благодаря расхождению клеток. Вторая фаза инвагинации представляет собой довольно быстрое расползание предварительно сконцентрированного материала по внутренней поверхности стенки бластоцеля. Перед этим внутренняя поверхность бластоцеля сглаживается. Такая поверхность представляет удобный субстрат для движения по ней инвагннирующих клеток.
Нейруляция у зародышей амфибий
Вслед за стадией гаструляции у зародышей всех позвоночных без существенного перерыва наступает стадия, нейруляции. В этот период формируются_осевые органы позвоночных, обра-зуготцие^яптовуТ[х ""строен ня у нер вн а я трубка.(отсюда “на зва-
ние д'анн'ои”стадии развития)хорда и мезодермальные,.сюматы. Одновременно с этим идет превращение первичной кишки во вторичную.
В данной главе процесс нейруляции рассматривается на примере зародышей амфибий. В течение всей нейруляции происходят строго определенные интенсивные формообразовательные движения. В целом эти движения сводятся к конвергентному (сходящемуся к спинной средней линии зародыша) смещению материала эктодермы и мезодермы в центро-дорсальном направлении. При этом дорсальная сторона зародыша’растягивается в передне-заднем направлении и несколько сжимается в поперечном направлении. Дорсальная эктодерма смещается назад значительнее, чем мезодерма. Все эти движения в наибольшей степени выражены в туловищной области зародыша. В головной области вентро-дорсальных движений почти не наблюдается. Мезодерма в этой области, напротив, смешается в вентральном направлении (подробнее об этом в гл. 8).
Формирование нервной трубки из иейроэктодермы представляет собой часть этих движений. Сначала нейральная эктодерма уплощается и превращается в нервную пластинку, которая в головной части зародыша шире, чем в туловищной (рис. 41). Края пластинки приподнимаются и образуют нервные валики, окаймляющие пластинку в виде подковы. Затем поверхность нервной пластинки начинает довольно быстро сокращаться в поперечном направлении, преимущественно за счет погружения ее наружных клеток в ее же внутренние слои. Одновременно она начинает прогибаться по средней линии,.
образуя углубление нервной пластинки, которое называется нервным желобком. Еще чуть позже края нервной пластинки смыкаются, и формируется нервная трубка, полость которой называется невроцелем. Передняя расширенная часть нервной трубки превращается в головной мозг, а ее невроцель — в полость мозгового пузыря. Более узкая туловищная часть трубки
Рис. 41. Последовательные стадии нейруляции у амфибий (Д—В) (по Б. И. Балийскому, 1966). А — сагиттальные разрезы; Б — вид с дорсальной стороны; В — поперечные разрезы:
бц — остаток бластоцеля, бп — бластопор, мезод — мезодерма, и.в,— нервные валики, н.пл.—> нервная пластинка, н.тр.— нервная трубка, п.к.— полость кишечника, пр.х.— пре-зумптивная корда, х — хорда, экт — эктодерма, энт — энтодерма
превращается в спинной мозг, а его полость — в спинно-мозговой канал. Передний конец нервной трубки некоторое время остается незамкнутым и называется передним невропором. Ее задний конец также оканчивается отверстием — задним невропором. Вскоре окружающая ^эктодерма смыкается над ним и лежащим поблизости бластопором, образуя провизорный орган — нервно-кишечный канал, соединяющий полость мозга с полостью вторичной кишки. Впоследствии этот канал зарастает.
На самых ранних стадиях нейруляции точно по средней линии зародыша из общей массы мезодермы обособляется хор
да. По бокам от нее расположен материал будущих сомитов, а нейтральнее сомитов — мезодерма боковой пластинки. Позже боковая пластинка расчленяется параллельно поверхности тела на два листка: париетальный, прилежащий к эктодерме, и висцеральный, прилежащий к энтодерме. Образующаяся между ними узкая щель представляет собой вторичную полость тела — целом.
Морфогенез сомитов тесно связан с происходящим в течение нейруляции удлинением зародыша в передне-заднем направлении. Это удлинение обусловлено активным растяжением как хорды, так и скручивающейся нервной пластинки в процессе их образования.
Клетки мезодермы сомитов, вытянутые до того в поперечной плоскости тела, разворачиваются на 90° (возможно, под влиянием растяжения скрепленной с ними хорды и нервной пластинки) и ориентируются вдоль длинной оси тела. Сразу же вслед за этим поворотом наступает метамеризация мезодермальной массы: она рассекается поперечными бороздами на парные группы клеток—сомиты. Процесс метамеризации идет постепенно в направлении спереди назад.
Нейруляция в передней (расширенной) части нервной пластинки тоже существенно влияет на морфогенез прилежащего к ней головного отдела. Под влиянием иейруляционных движений головная область обособляется от туловищной, формируются ротовые структуры. Энтодерма передней части кишки (глотки) особенно активна: она участвует наряду с эктодермой в образовании жаберных щелей, а также формирует печеночный вырост. (Подробнее эти процессы рассматриваются в гл. 8.)
Карты презумптивных зачатков амфибий
Положение и окончательную судьбу той или иной области бластулы по завершении гаструляции можно установить, нанося метки в различные пункты бластулы и прослеживая их последующие движения и превращения. Результаты такого исследования выражают, отмечая по схеме бластулы или ранней гаструлы окончательную судьбу меченой области. Такие схемы называют картами презумптивных (будущих или, в более точном переводе с латинского, предполагаемых) зачатков. Первым такие карты ^Оставил немецкий эмбриолог В. Фохт в 20-х годах. Он пропитывал кусочки агар-агара красящими веществами,, которые поглощались живыми тканями и были для них безвредны (так называемые витальные краски — нильский голубой, нейтральный красный и др.), прижимая эти кусочки к различным областям поверхности бластулы. Краска диффундировала в зародыш, и определенный его участок окрашивался. Прослеживая перемещения окрашенного участка, можно было узнать, где этот участок окажется после гаструляции и в какой зачаток превратится.	.	1
124
По Фохту, перед началом гаструляции все закладки зародыша расположены на поверхности, точнее, выходят на поверхность. Как видно из рис. 42, непосредственно под дорсальной губой бластопора находится зачаток так называемой прехор-дальиой пластинки (по завершении гаструляции, в основном образующей выстилку ротовой полости), анимальнее ее — за-
Рис. 42. Карты презумптивных зачатков на бластуле амфибий (по В. Фохту из Л. Саксена и С. Тойвонена, 1963). А — вид сбоку; Б — вид с вегетативною полюса:
х — хорда, п.экт.~ покровная эктодерма, энт — энтодерма, б.пл.~ боковая пластинка, мезод — осевая мезодерма, хв.мезод,— мезодерма хвостовых сомитов, я.в.— материал нервных валиков, к.экт.— нейроэктодерма, пх —- прехордальная пластинка
чаток будущей хорды, непосредственно над ней — презумптив-иая эктодерма нервной системы, а в вентро-анимальной половине— эктодерма покровов тела. Две последние закладки и по завершении гаструляции остаются на поверхности- тела зародыша. Вегетативнее нх последовательно располагается материал осевой мезодермы (идущей иа образование сомитов), боковой пластинки (несегментироваиная часть мезодермы) и, наконец, энтодермы. Прехордальная пластинка, хорда, мезодерма в энтодерма в ходе гаструляции погружаются внутрь зародыша. При этом первые две закладки подворачиваются через дорсальную губу, мезодерма — через латеральные и вентральную губы, а энтодерма накрывается сходящимися губами бластопора.
Согласно этим представлениям, ввернувшийся материал хорды и мезодермы непосредственно контактирует с полостью археитерона, образуя ее дорсальную стенку. Иными словами, считалось, что у амфибий строение стенки археитерона полностью соответствует (гомологично) строению этой же стенки у ланцетника или (за исключением хорды) у иглокожих.
Последующие работы Т. А. Детлаф, С. Левтрупа и Р. Келлера внесли некоторые уточнения в эту схему. Оказалось, что
126
у бесхвостых амфибий материал хорды, осевой мезодермы и боковой пластинки никогда (даже до начала гаструляции) не
выходит на поверхность зародыша, а с самого начала локализован во внутренних слоях многослойной амфибластулы. В этих
слоях он испытывает движения
Рис.. 43, Карта презумптивных зачатков на сагиттальном срезе через раннюю гаст-рулу шпорцевой лягушки (по Р. Келлеру, 1976, несколько упрощено):
а.г.— дорсальная губа бластопора, бц — бла-стоцель, бп — бластопор. в.г.— вентральная губа бластопора, к.к,— колбовидные клетки; редко запунктирована эктодерма, густо зanyактирована мезодерма, светлая область — энтодерма
подворачивания через губы бластопора, вполне аналогичные описанным ранее, но ни на одной стадии развития не образует выстилки гастральной полости (архентерона) (рис. 43). В противоположность архентеро-ну ланцетника и иглокожих архентерон бесхвостых амфибий с вентральной и с латеральных сторон с самого начала выстлан энтодермой, , а с дорсальной стороны — тонким листком (гипохордой), непосредственно переходящим в энтодерму.
Вместе с тем подтверждено, что материал мезодермы и хорды расположен примерно на тех же уровнях, что и на картах Фохта, хотя н во внутренних слоях стенки бластулы. Поэтому классические карты Фохта мож-
но считать правильными, за исключением того, что верхний слой клеток презумптивной хорды в действительности даст начало гипохорде. <
 f	Раннее развитие костистых рыб
Яйца костистых рыб относятся к полилецитальиым по количеству желтка и к телолецитальным по его распределению. Дробление частичное (меробластическое), дискоидальиого типа: на анимальном полюсе яйца возникает диск из бластомеров (рис. 44). Примерно на 4—5-м делениях дробления митотические веретена ориентируются вертикально, в результате чего бластомеры разделяются на поверхностные и внутренние. Внутренние бластомеры, находящиеся непосредственно иа желтке, погружаются в него, формируя так называемый желточный синцитий (перибласт). Наружные бластомеры образуют плотный слой, под которым и располагается рыхлая масса внутренних бластомеров. Все скопление бластомеров называют бласто-диском. Центр бластодиска приподнят над желтком, между ним и желтком возникает подзародышевая полость, гомологичная
126
бластоцелю. Бластодиск . постепенно обрастает весь желток, смыкаясь на вегетативном полюсе яйца (процесс эпиболии). При этом перибласт образует выстилку желточного мешка. Желточный мешок —важный временный (провизорный) орган, существующий у зародышей рыб, рептилий, птиц и млекопитающих.
Основная функция желточного мешка у рыб, птиц и рептилий трофическая. В его клетках происходит первичная переработка желтка, а впоследствии желточный мешок становится частью кишечника и в конце эмбрионального развития или'
Рнс. 44. Строение бластодиска костистой рыбы (из Б. И. Балинского, 1965). Виден плотный слой наружных бластомеров и рыхлое скопление внутренних бластомеров:
бц — полость бластоцеля, ж — желток, п — перибласт, и. ж.— цитоплазматический слой на поверхности желтка
уже на стадии личинки втягивается внутрь организма. Кроме того, в стенке желточного мешка возникают первые кроветворные островки, из которых образуются стенки кровеносных сосудов и клетки крови. В связи с этим желточный мешок несет дыхательную функцию. Наконец, его клетки представляют собой барьер, не пропускающий или обезвреживающий токсичные для зародыша вещества.
Задолго до завершения обрастания желтка в анимальной части бластодиска осуществляются основные процессы, формирующие тело зародыша. До недавнего времени полагали, что у костистых рыб истинная гаструляции происходит путем подворачивания заднего края бластодиска. Считалось, что из подвернувшегося материала (который сначала был на поверхности) формируются хорда и осевая мезодерма. Роль внутренних бластомеров оставалась неясной. *
/Такой взгляд на гаструляцию у костистых рыб оказался неправильным. Уже некоторое время назад С. Г. Соиным были обнаружены своеобразные черты развития карпозубой рыбы нотобранха, обитающей в пересыхающих водоемах тропических стран. Весь слой поверхностных бластомеров зародышей этой рыбы затрачивался на формирование оболочки, предохраняющей яйца от высыхания (подобие амниотических оболочек высших позвоночных). Таким образом, наружные бластомеры выключались из развития тела зародыша и асе органы формировались исключительно из массы внутренних бластомеров.
Работы американского эмбриолога В. Болларда на зародышах форели показали, что такой способ развития не исключение, Путем тщательного мечения участкщн-бластодиска частичками мела, введенными на разную глубину, он установил, что
127
подворачивания поверхностного слоя в области заднего полюса бластодиска нет. Поверхностный слой участвует лишь в эпибо-лических движениях н впоследствии образует только покровы зародыша. Все же остальные закладки возникают из массы внутренних бластомеров. Когда дробление заканчивается, они начинают перемещаться в радиальных направлениях, но вскоре траектории их движений начинают конвергировать к заднему полюсу (показаны сплошными стрелками на рис. 45, А, Б).
Рис 45. Ранние стадии развития форели (по В. Болларду). Объяснения в
— • тексте
Тем временем клетки поверхностного слоя продолжают обрастать зародыш, двигаясь в направлении вегетативного полюса (рис. 45, Б, пунктирные стрелки). На рис. 45, Б горизонтальные полуокружности обозначают последовательные уровни обрастания яйца зародышевым диском, справа показано расположение сформированного зародыша. Презумптивиые клетки хорды, сомитов и нервной системы с самого начала лежат на разных уровнях, так что карта презумптивных зачатков должна быть с самого начала трехмерной (рис. 45, В). На карте частым пунктиром показан презумптивиый зачаток нервной системы, более редким — презумптивиый зачаток хорды, еще более редким — зачаток мезодермы. Зачатки осевого комплекса костистых рыб отделяются друг от друга путем деламинации. При нейруляции также не происходит движений скручивания: пре-зумптивные клетки нервной системы сначала конвергируют к медиальной линии, а затем в этой клеточной массе шизоцель-ным путем (т. е. путем расхождения клеток) формируется полость невроцеля.
Сопоставление развития костистых рыб с ранее рассмотренным развитием амфибий показывает, что такие основные формообразовательные процессы, как гаструляция и нейруляция, идут у них по-разному. Однако на стадии сформированного осевого комплекса (завершенной иейруляции) между зародышами рыб и амфибий существует глубокое сходство (гомология). То же можно сказать и о других классах позвоночных.
128	'	-
Общие черты развития амниот
Приспособление высших позвоночных (рептилий, птиц и млекопитающих) к наземной среде обитания прежде всего связано с появлением ряда адаптивных черт в их эмбриональном развитии: образованием плотной кожистой или известковой скорлупы у яйцекладущих форм, специальных эмбриональных оболочек — амниона н серозы (представляющих собой складки бластодермы) и особого зародышевого органа — аллантоиса (вырост задней кишки зародыша).
Для всех амниот характерно разделение материала зародыша на две части: собственно зародышевую, из которой формируется взрослый организм, и окружающую его виезароды-шевую, которая и превращается в зародышевые оболочки или гомологичные им части зародыша млекопитающих. На примере нотобранха было показано, что выключение части поверхностного материала из развития в качестве приспособления к условиям высыхания встречается и у анаминй. Таким образом, предпосылки к выделению зародышевых оболочек прослеживаются уже у днамний.
Раннее развитие птиц
Яйца птиц, как и яйца костистых рыб, полилецнтальны по количеству желтка и телолецитальны по его расположению. Следовательно, дробление у них тоже дискоидальное. Зародышевый диск (бластодиск) гораздо тоньше, чем у рыб. Централь-ная часть бластодиска, из которой впоследствии развивается сам зародыш, называется зародышевым щитком. Из более периферической части бластодиска развиваются внезародышевые органы. Внешний край бластодиска называется краем обрастания. Клетки края обрастания стелются по желтку и частично погружены в него.
Формирование зародышевых листков у птиц. Наиболее характерный признак гаструляции у амниот — ее двухфазность: в первой фазе гаструляции от бластодиска внутрь отчленяется гипобласт, который, по современным представлениям, дает начало внезародышевой части энтодермы. После отчленения гипобласта верхний слой бластодиска уже называют эпибластом. Во второй фазе гаструляции от эпибласта отделяется мезодерма, а также зародышевая энтодерма. После этого в составе эпибласта остается лишь одна эктодерма.
. Первую фазу гаструляции у птиц проследить трудно, так как у курицы она протекает еще в яйцеводах до откладки яйца. Более или менее полные данные на этот счет были получены лишь недавно. У одного из краев зародышевого щитка (который впоследствии окажется задним) происходит усиленное отделение клеток будущего гипобласта. Вначале они расположены несколькими изолированными скоплениями, в дальней-
3 Заказ 645	129
шем сливающимися в одно. Это явление может быть названо миожественной инвагинацией или множественной иммиграцией клеток гнпобласта. Эти клетки распространяются затем под всей поверхностью бластодиска.
В дальнейшем наиболее важные процессы происходят в эпибласте. По периферии
Рис, 46. Схема морфогенетических движений, связанных с образованием мезодермы в области первичной бороздки куриного зародыша.
Сплошные стрелки — движение клеток эпибласта*, пунктирные линии — движение клеток, погрузившихся под поверхность зародыша в области первичной бороздки и распространяющихся между эпибластом и гипобластом
его наблюдаются сложные движения клеток, из которых преобладает конвергенция (схождение клеток) к заднему концу бластоднска; там появляется сгущение клеток эпибласта в виде продольного тяжа — первичной полоски (рис. 46). На переднем конце первичной полоски формируется особенно плотное клеточное сгущение — гензе-иовский узелок. По новейшим данным, конвергенция клеток представляет собой ритмический процесс, связанный с периодическими сокращениями бластодиска. Волны этих сокращений исходят из заднего конца первичной полоски.
Первичная полоска по клеточному составу непостоянна: к ней непрерывно подтекают спереди и сбоку все новые клетки эпибласта, но они в ней не задерживаются, а мигрируют из нее вглубь, на этот раз распространяясь в промежутке между эпибластом и гипо-бластом (см. рис. 47). При подворачивании клетки бывшего эпибласта утрачивают связи между собой и расползаются по внутренней поверхности эпибласта в виде отдельных клеток мезенхимного характера. Вселение клеток эпибласта происходит по средней линии первичной полоски и особенно интенсивно на ее переднем конце. Поэтому уже через несколько часов после возникновения полоска приобретает желобок по средней линии, а па месте гензеновского узелка появляется первичная ямка. Первичная полоска с желобком называется первичной бороздкой. Мате-’"рнал бывшего эпибласта, проходящий внутрь .. через переднюю часть первичной бороздки и первичной ямки, мигрирует затем преимущественно вперед от первичной ямки, материал же, вселяющийся через среднюю и заднюю части первичной бороздки,— в стороны, а затем вперед.
зкт мезод п.5.
ант
Рис. 47. Направление миграции клеток будущего среднего зародышевого диска из области первичной бороздки (из И. Бодемера, 1971}; экт — эктодерма, мезод — мигрирующие клетки презумптивной мезодермы. п.б,— первичная бороздка, знт — энтодерма

Дальнейшая судьба клеточного материала, прошедшего через первичную бороздку и первичную ямку, такова. Раньше всего из передней части первичной бороздки мигрирует материал энтобласта. Он смещается в виде узкой полосы к самому перед-
нему концу зародыша и образует впоследствии головную кишку. Позже часть этого материала смещается назад и участвует в образовании среднего и заднего отделов кишечника.
Вслед за ним через первичную ямку и переднюю часть первичной бороздки переходят клетки мезобла-ста, которые также мигрируют вперед и располагаются между эпибластом и зародышевой энтодермой. Центральная часть мезобласта дает начало головной ме-
Рис. 48. Карта презумптивных зачатков зародыша курицы перед началом гаструляции (по Г. Роэенквисту, 1966, и Ж- Николе, 1970):
г — зачаток головной мезодермы, ж.м.~ зачаток энтодермы желточного мешка, х — зачаток хорды, энт — энтобласт (зачаток головной кишки)
зодерме и хордальному выросту, впоследствии превращающемуся в хорду. Более латеральные области мезобласта дают начало мезодерме будущих сомитов (осевой мезодерме). Через
центральные части первичной бороздки подворачиваются клетки будущей мезодермы боковой пластинки (также мигрирующие вперед и располагающиеся сбоку от материала осевой мезодермы). Наконец, через задний участок первичной бороздки подворачивается материал виезародышевой мезодермы, мигрирующий затем латерально вплоть до края обрастания.
По мере ухода клеток из первичной бороздки она все более
укорачивается и материал гензеновского узелка смещается все более назад по бластодиску. В конце концов он оказывается на заднем конце зародыша.
Таким образом, вторая фаза гаструляции птиц (и других амниот) явно гомологична гаструляции анамний. Первичную бороздку можно гомологизировать с бластопором, ее края— с боковыми губами бластопора, геизеновский узелок (первичную ямку)—с дорсальной губой. Материал энтобласта гомологичен прехордальной пластинке амфибий. Гомология гензеновского узелка дорсальной губе бластопора амфибий подтверждается и экспериментально: геизеновский узелок обладает действием так называемого первичного индуктора (см. гл. 7).
Гомологичность структуры гаструлы и хода гаструляции у
9*
131
должают обрастать желток, фор: добный таковому костистых рыб.
амфибий и птиц особенно ясна при сравнении карт их презумп-тивных зачатков (рис. 48; сравнить с рис. 42, 43).
Тем временем внезародышевые части, т. е. гипобласт и эпн-бласт, расположенные на периферии зародышевого диска, про* 1руя желточный мешок, по-J пространство между гипобластом и эпибластом желточного мешка внедряются клетки внезародышевой мезодермы. Они	образуют
скопления — так называемые кровяные	островки.
Наружные клетки этих скоплений образуют эндотелиальные стенки сосудов внезародышевой части системы кровообращения, а из тех клеток, которые оказались в просвете сосудов, образуются форменные элементы крови. Впоследствии сосуды внезародышевой системы кровообращения служат не только для газообмена, но и для транспорта питательных веществ желточного мешка к зародышу и удаления продуктов обмена.
Формирование осевых органов у птиц. В конце первых суток инкубации в передней части бластодиска становятся видны нервные валики. Расположенная между ними эктодерма представляет собой нервную пластинку. В течение вторых суток инкубации нервная пластинка путем скручива-
ния преобразуется в нервную трубку. Нервные валики смыкаются в направлении спереди назад. Передний отдел нервной трубки с самого начала сильно расширен — из него образуется передний мозговой пузырь (рис. 49). На самом переднем конце нервной трубки остается долго незарастающее отверстие — невропор. В конце первых суток инкубации начинается также подъем переднего конца зародыша над поверхностью бластоднска. Этот конец отделяется от бластодиска узкой впадиной — головной складкой. Края этой складки постепенно распространяются все далее назад, окаймляя зародыш с боков и отделяя его от
Рис. 49. Зародыш курицы после 30 ч инкубации (по Б. И. Балийскому, 1965).
4 — вид сверху; Б — вид с левого бока, объемная реконструкция:
г.к.— головная кишка, г.скл,— головная складка, гл.п,— глазной пузырь, г.у.— гензеновский узелок, ж.в.— желточные вены, н.пл,— нервная пластинка, н.тр,— нервная трубка, с — сердце, сом — сомиты, х — хорда,	п.М.п.— передний
мозговой пузырь, с.м.п.— средний мозговой пузырь, з.м.п.— задний мозговой музьтрь
132
распластанной по желтку внезародышевой части. Эти боковые складки (непрерывно связанные с головной складкой) называются туловищными. Одновременно с приподниманием над бластодиском переднего конца зародыша от желтка начинает
Рис. 50. Последовательные стадии (Л—В) замыкания зародышевых оболочёк у цыпленка на поперечных срезах (из Б. И. Балинского, 1965):
ам — амниотическая оболочка, амн.п.— полость амниона, в.м,— висцеральный листок мезо--дермы, дт — дерматом, мт — миотом, п.м,— париетальный листок мезодермы, ц— целом зародыша, акт — эктодерма, энт — энтодерма, эц — экзоцелом
133
отделяться передняя часть энтобласта. Прн этом она образует карманообразное выпячивание, переходящее сзади в пока еще распластанный по желтку энтобласт. Это выпячивание называется головной кишкой (рис. 49), а вход в него сзади — передними кишечными воротами.
Развитие зародышевых оболочек и аллантоиса птиц. В конце вторых суток инкубации зародыш курицы с головного конца начинает покрываться зародышевыми оболочками. Они фор-
Рис. 51. Схема строения куриного зародыша с зачатком аллантоиса (по Б. И. Балансному, 1965): алл — аллантоис, амн.п,— амниотическая полость, ам — амниотическая оболочка, С.к.— головная кишка, Ж.м..— желточный мешок, сер — серозная оболочка, эц— экзоцелом, э.к.— задняя кишка
мнруются как складки внезаро-дышевой эктодермы и примыкающего к ней париетального листка мезодермы. Эти складки удлиняются и смыкаются над телом зародыша по его средней линии, после чего шов между ними исчезает и обе складки объединяются (рис. 50, Л — В). В результате возникают две расположенные друг над другом оболочки. Нижняя, ближайшая к зародышу оболочка называется амниотической, а верхняя, лежащая над
амниотической,— серозной.	По-
лость между зародышем и амниотической оболочкой называется полостью амниона, а полость между амниотической и серозной оболочками — полостью внезароды-шевого целома или экзоцеломом. Такое название дано ей потому, что она выстлана внезародышевой мезодермой.
На ранних стадиях развития внезародышевый целом широ-
ким просветом связан с теми участками целома, которые позже войдут в состав зародыша, но с ростом туловищной складкн этот просвет сужается и зародышевые участки целома обособляются от экзоцелома.
По мере развития зародыша головная кишка удлиняется и передние кишечные ворота все далее смещаются назад, отделяя от желтка новые участки энтобласта. Через 51—56 ч инкубации на противоположном конце зародыша аналогичным образом формируется задняя кишка, спереди заканчивающаяся задними кишечными воротами (рис. 51). К четвертым суткам развития задние и передние кишечные ворота почти смыкаются, оставляя узкий просвет между кишечником зародыша н желточным мешком— желточный стебелек. Перед вылуплением зародыша через желточный стебелек остаток желточного мешка втягивается в полость тела.
К концу третьих суток инкубации куриного зародыша появляется новый эмбриональный орган, характерный для всех амниот,— аллантоис. Он образован энтодермой н прилежащим
134
к ней висцеральным листком мезодермы и представляет собой вырост задней кишки зародыша (рнс. 51). У аллантоиса три основные функции. Во-первых, он работает как зародышевый орган выделения (вплоть до вылупления зародыша), так как в нем накапливаются продукты обмена. Во-вторых, он является органом дыхания зародыша. Это обусловлено тем, что в мезодермальной оболочке аллантоиса развивается сеть кровеносных сосудов, а по мере развития зародыша аллантоис сильно разрастается и в конце концов начинает занимать всю полость виезародышевого целома, тесно примыкая к серозной оболочке и через нее—к подскорлуповой оболочке яйца. При этом мезодерма аллантоиса сливается с мезодермой серозной оболочки и кровеносная сеть в обеих оболочках еще более разрастается, что создает наилучшие условия для газообмена через поверхность яйца. Наконец, аллантоис выполняет функцию питания, поскольку переваривает остатки белковой оболочки.
Аллантоис, так же как амниотическая и серозная оболочки, относится к внезародышевым органам. При вылуплении большая часть аллантоиса отпадает, а меиьшая часть втягивается внутрь зародыша, образуя мочевой пузырь.
Раннее развитие высших млекопитающих
У высших (плацентарных) млекопитающих яйца алециталь-ные: очень небольшое количество желтка в бластомерах все же имеется, но желток этот впоследствии выталкивается. Дробление полное, неравномерное, но его нельзя отнести ни к одному нз известных типов, например радиальному илн спиральному. Бластомеры связаны довольно слабо и могут поворачиваться один относительно другого. С самого начала дробление асинхронное. Очень рано по сравнению с низшими позвоночными и беспозвоночными — уже на стадии 2—4 бластомеров - начинает проявляться действие генома зародыша, и со стадии 8 клеток трансляция белков идет полностью на зародышевых, а не на материнских матрицах (см. гл. 5). Для млекопитающих характерно также раннее образование обширных зон контактов между бластомерами — компактизацня бластомеров.
В результате дробления образуется плотная морула, состоящая из 16—32 клеток (рнс. 52, А). В моруле очень скоро (у зародышей мыши на стадии 16 бластомеров) выделяется слой светлых наружных клеток и более темная плотная масса внутренних клеток. Из. наружного слоя впоследствии развивается особая внезародышевая ткань — трофобласт, а из внутренней массы эмбриобласта или зародышевого узелка формируются сам зародыш и его провизорные органы (рис. 52, Б), На рассматриваемых стадиях судьба каждого бластомера еще не детерминирована н может быть экспериментально изменена, Например, если у зародыша мышн взять одни бластомер на
135
стадии 4 бластомеров и поместить его на поверхность другого зародыша, то из пересаженного бластомера разовьется трофобласт, а если такой же бластомер поместить внутрь, он войдет в состав зародышевого узелка и может образовать впоследствии часть тела зародыша. Этот результат — яркий пример за-
А	б
Рис. 52. Морула (А) и бластоциста (5) летучей мыши (по Б. И. Балийскому, 1965):
зл/.— зародышевый узелок, тр — трофобласт
висимости пути развития бластомера от его положения в зародыше.
В конце процесса дробления (у мыши — на стадии 32 бластомеров) в моруле возникает обширная полость (бластоцель). На этой стадии зародыш называется бластоцистой (рис. 53). Однослойная стенка бластоцисты и представляет собой трофобласт. У анимального полюса бластоцисты располагается клеточная масса зародышевого узелка (эмбриобласт). Вслед за этим в эмбриобласте обособляется внутренний, обращенный в полость бластоцисты слой, Он вполне гомологичен гнпобласту зародышей птиц. Эта гомология подкрепляется еще и тем, что краевые клетки гипобласта распространяются по внутренней поверхности трофобласта, обрастая полость бластоцисты и формируя стенку так называемого желточного мешка. В желточном мешке млекопитающих желтка, конечно, нет, но по способу своего образования он вполне гомологичен желточному мешку птиц и рептилий. Его появление у млекопитающих следует считать ярким примером рекапитуляции — проявления черт развития эволюционных предков.
Одновременно с образованием желточного мешка или вскоре вслед за этим начинает формироваться полость амниона (рис. 54). Лишь у немногих млекопитающих (хищные, копытные) она развивается примерно так же, как у низших амниот,—
136
Рис. 53. Формирование гипобласта в бластоцисте обезьяны (по Б. И. Балинскому, 1965). А — общий вид; Б — зародышевый узелок под большим увеличением:
гп — гипобласт, гр — трофобласт
путем смыкания складок трофобласта над зародышевым узелком. У большинства видов млекопитающих полость амниона возникает иначе: она формируется в толще зародышевого узел-
Рис. 54. Схематическое изображение соотношений зародышевых и внезароды-шевых частей у различных млекопитающих (из Б. И. Балинского, 1965). А—-землеройки; Б — летучей мыши; В — человека и Г — мыши:
амн.п.— амниотическая п©лостьг алл — аллантоисt ус.м,— желточный мешок, эц — экзоце-л<ж
137
ка кавитационным или шизоцельным путем, т. е. благодаря расхождению его клеток. Дно возникшей таким образом полости амниона (примыкающее к гипобласту) представляет собой зародышевый щиток, а крыша гомологична амниотической оболочке (гомологом серозной оболочки следует считать трофобласт).
Зародыш развивается из зародышевого щитка аналогично низшим амниотам (проходя через стадии первичной полоски,
первичной бороздки с гензеновским узелком и т. д.). У некоторых млекопитающих (летучие мыши, морские свинки) возникает, как у рептилий, мезодермальный мешочек, у других вместо него, как у птиц, вперед от ген-зеновского узелка растет плотный хордальный вырост.
После образования первичной полоски часть выселившихся из нее мезодермальных клеток проникает между трофобластом и энтодермой желточного мешка, становясь вне-зародышевой мезодермой. У приматов аналогичная закладка (первичная мезенхима)
Рис. 55. Схематическое изображение зародыша млекопитающего с эмбриональной плацентой (из Б. И. Балийского, 1965):
алл — аллантоис, амн.п.— амниотическая полость, ам — амниотическая оболочка, ж.м.— желточный меток, х — хорион, в — ворсинки хориона, вн.мез,— вне-зародышевая мезодерма, эц — экзоцелом
формируется еще раньше — одновременно с трофобластом и независимо от еще не обособившегося к этому времени зародышевого щитка. В массе внезародышевой мезодермы (мезенхимы) появляются лакуны, которые затем сливаются между собой, образуя полость внезародышевого целома (экзоцелома — рис. 54, 55). На поверхности трофобласта к этому времени развиваются многочисленные выросты — первичные ворсинки, в которые затем врастают клетки внезародышевой мезодермы (мезенхимы), образуя там кровеносные сосуды. Ворсинки трофобласта с вросшими в них кровеносными сосудами называются вторичными, а сам трофобласт со вторичными ворсинками — хорионом (рис. 55).
Несколько позже у зародышей млекопитающих возникает структура, сходная с аллантоисом, иногда ее называют аллантоидной ножкой. Аллантоидная ножка построена исключительно из внезародышевой мезодермы н в противоположность ал-
13®
лаитоису птиц и рептилий энтодерма в ней отсутствует. Из нее формируются кровеносные сосуды, подрастающие изнутри к ворсинкам хорнона.
Вторичные ворсинки хориона и аллантоидная ножка входят в состав плаценты — важнейшего внезародышевого органа млекопитающих, который связывает кровеносные системы плода и матери и тем самым служит для питания зародыша.
Имплантация	’
Типы плацент. Для высших млекопитающих характерно более или менее плотное прикрепление зародыша к стенкам матки, наступающее через несколько дней после начала развития (у мыши на 6-е, у человека на 7-е сутки), когда зародыш находится на стадии бластоцисты. В основе процесса прикрепления, называемого имплантацией, лежит погружение вторичных ворсинок хориона в стенку матки. В результате образуется особый орган — плацента, имеющая зародышевую часть (ворсинки хорнона) и материнскую часть (более или менее измененная стенка матки). К зародышевой части плаценты можно отнести также аллантоидную ножку, которая имеет особое значение для кровоснабжения у низших млекопитающих (сумчатые), где материнская часть плаценты неразвита.
У высших млекопитающих по глубине погружения ворсинок хориона зародыша и степени их проникновения в слизистую оболочку матки различают следующие типы плацент (рис. 56).
Полуплацента (эпителиохориальная плацента) встречается у ряда копытных, лемуров и китообразных. Ворсинки хориона ие прободают даже эпителиальной выстилки матки, а лишь погружаются в складки ее слизистой оболочки, как пальцы в перчатку (рис. 56, А).
Десмохориальная плацента жвачных устроена так, что ворсинки хориона в месте контакта разрушают слизистую оболочку матки и внедряются в ее соединительный слой, но не достигают стенок кровеносных сосудов матки (рис. 56, Б).
При эндотелиохориальной плаценте хищных между сосудами плода и матери устанавливается контакт, ворсинки хориона проникают через весь соединительнотканный слой слизистой оболочки матки и отделяются от ее сосудов только эндотелиальной стенкой последних (рис. 56, В).
И, наконец, наиболее тесная связь сосудов плода и матери осуществляется в гемохориальной плаценте приматов и некоторых других отрядов (насекомоядные, рукокрылые), Здесь ворсинки хориона прободают также эндотелий кровеносных сосудов слизистого слоя матки и непосредственно соприкасаются с материнской кровью (рис. 56, Г). Таким образом, кровь матери н плода разделена между собой лишь тонкой наружной оболочкой ворсинок хориона и стенками капиллярных сосу
139
дов зародыша. Установлено, что клетки ворсинок хориона активно заглатывают путем пинопитоза целые капельки крови матери,
Кроме вышеприведенной гистологической классификации плацент существует их анатомическая Классификация, основанная на расположении ворсинок по поверхности хориоиа. Согласно этой классификации различают: 1) диффузные плаценты; ворсинки образуются по всей поверхности хориоиаз
б
Рис. 56. Типы плацент. А — эпителиохориальная; Б— десмохориальяая; В» эндотелиохориальная; Г — гемохориальная
140
2)	множественные плаценты; ворсинки хориона собраны в группы, которым соответствуют определенным образом трансформированные участки слизистой оболочки матки (плаценто-мы); 3) зонарные (поясковые) плаценты; ворсинки хориона расположены по его поверхности в форме пояса или кольца;
4)	дискоидальные плаценты; ворсинки сконцентрированы в одном участке, имеющем форму диска.
Анатомические типы плацент примерно соответствуют гистологическим типам, перечисленным в том же порядке. Так, зонарные плаценты являются в то же время десмохориальпымн, дискоидальные — гемохориальными и т. д.
Функции плаценты. Выделяют следующие основные функции плаценты.
1.	Функция газообмена между плодом и матерью. Посредником газообмена служит особый фермент — трансферин. Он переносит молекулы кислорода от гемоглобина материнской крови к гемоглобину плода. Последний (фетальный гемоглобин) обладает большим сродством к кислороду, чем гемоглобин матери.
2.	Функция питания. На ранних стадиях развития после имплантации ворсинки хориона получают питательные вещества от клеток слизистой оболочки матки, разрушенных при имплантации и образовании плаценты (гистотрофика). Затем основной функцией плаценты становится получение питательных материалов из материнской крови (гемотрофнка). Помимо питательных веществ через плаценту в кровь плода могут поступать инородные вещества. При этом отмечается высокая избирательность в отношении проникновения различных веществ: одни из них проникают в кровь плода (например, антибиотики тетрациклинового ряда), другие — иет.
3.	Антитоксическая функция. Плацента способна удалять ряд токсических веществ и ядов как за счет деятельности ферментов (аналогичных ферментам печени), так и просто путем выброса токсинов в кровь матери. Плацента, как правило, защищает плод от инфекции — через нее ие проходят бактерии, грибки, опухолевые клетки.
4.	Гормонообразовательная функция. Хорион плода представляет собой мощную эндокринную железу. Здесь вырабатываются гонадотропин, адренокортикотропный гормон, соматотропин (способствующий увеличению массы матки и плода) и другие гормоны, поступающие в кровь материнского организма. К плоду не поступают стероидные гормоны хориона,- эстроген, андроген н прогестерон. Во второй половине беременности плацента становится основным источником гормонов, обеспечивающих нормальное протекание беременности и родов.
5.	Кровосвертывающая функция. Плацента выделяет как вещества, способствующие свертыванию крови, так и фибринолитические вещества, исключающие образование тромбов.
Молекулярные и генетические аспекты раннего развития
Одно из важнейших направлений в биологии индивидуального развития состоит в выяснении закономерностей проявления генов на разных этапах онтогенеза. Это направление на стыке эмбриологии и генетики (см. гл, 1) сформировалось уже давно. Основоположниками его были как генетики, проявлявшие интерес к процессам развития, так и эмбриологи, понимавшие важность привлечения генетики к выяснению механизмов развития, В настоящее время этн науки обогатились исследованиями в области молекулярной биологии развития, благодаря которым была изучена молекулярная организация клеток, нх генетического аппарата, механизмы экспрессии генов.
Раннее развитие — одна из областей, где особенно тесно взаимодействуют эмбриология и генетика. Это понятно, так как в этот период начинается проявление заложенных в гаметах генетических потенций, закономерностей формирования зародыша, превращение одноклеточной системы в многоклеточную, начало днффереицировочных и морфогенетических процессов. Раскрытие роли генов в этот период — важная и трудная задача. Она сложна потому, что продукты активности многих генов, функционирующих в ходе гаметогенеза, накапливаясь в ядре и цитоплазме, начинают проявляться лишь в этот ранний период развития эмбриона, в то время как у самих генов транскрипционная активность низкая. Создается видимость отсутствия генного контроля процессов раннего развития, видимость того, что в этот период развитие контролируется цитоплазматическими факторами. В гл. 1 уже говорилось о роли ядра и цитоплазмы в процессах наследственности и что правильное понимание этой проблемы связано с выяснением взаимодействия ядра и цитоплазмы, взаимообусловленности их функций-. Исследование взаимодействий ядра и цитоплазмы было и остается одной из важнейших задач биологии индивидуального развития.
Роль генов в раннем развитии. Одно из доказательств того, что гены сосредоточены в ядре, было получено при биохимических н цнтофотометрнческих анализах распределения клеточной ДНК в ядре и цитоплазме. Исследования такого плана на соматических клетках показали, что ДНК клетки сосредоточена в ядре (в хромосомах), за исключением небольшой фракции, которая обнаруживается в цитоплазме. Первоначально эти результаты рассматривались как доказательство существования в цитоплазме автономных наследственных потенций - «цитоплазматической наследственности» (см. гл. 1). Этому в очень сильной степени способствовал анализ содержания ДНК в ооцитах и яйцеклетках. Оказалось, что ооциты и яйцеклетки многих животных содержат огромные количества ДНК (табл, 2), которое в сотни и тысячи раз превышает уровень, соответ-142 '	,
Таблица 2. Содержание ДНК в яйцеклетках животных
Вид животных	В яйце, мкг	В ядре диплоидной соматической клетки, мкг	В яйце (в диплоидных эквивалентах ’)
Иглокожие			
Морской еж	2,6-10—5	2-10—6	13
Насекомые			
Дрозофила	4,9-10—3	4,8-Ю-в	10s
Рыбы			
Осетр Вьюн	1,8-10—1 5,8-10—3	4,6-10-а 4,8-10-6	4-Ю* 1-10а
Амфибии			
Жаба Шпорцевая лягушка	3 2-10-а 6,6-10—3	7,3-10-6 6,3.10-6	4.10s 1-10’
Птицы			
Курица	360	2,0-10-6	1,8-Ю3
1 Количество, соответствующее диплоидному числу хромосом.
ствующий размеру их ядерного генома. Очевидно, эта избыточная ДНК локализована в цитоплазме.
Локализация цитоплазматической ДНК выяснена: она сосредоточена в митохондриях, пластидах, в базальных телах жгутиков. В яйцах многих животных имеются большие запасы митохондрий, чем и объясняется высокое содержание ДНК в их цитоплазме.
Эта ДНК не играет определяющей роли в процессах развития. Важная роль в процессах развития принадлежит продуктам активности генов ядерной ДНК.
В этой связи важно выяснить, каково значение тех продуктов активности генов ядра, которые накапливаются в оогенезе (материнский эффект), по сравнению с продуктами активности генов, образующихся в раннем эмбриогенезе. Исследование этих вопросов включает несколько подходов:
1.	Молекулярно-биологический анализ продуктов активности генов (РНК, структурные белки, ферменты) в раннем развитии.
2.	Экспериментально-генетические исследования по выяснению дифференциальной роли ядра и цитоплазмы на разных этапах раннего развития путем выключения ядра (энуклеация, воздействие радиационных излучений, инактивация с помощью ингибиторов) н отделения фрагментов цитоплазмы.
3.	Выяснение изменений потенций ядра и роли цитоплазмы в опытах по разделению бластомеров, слиянию зародышей, пересадки ядер из соматических клеток.
143
4.	Анализ процессов раннего развития зародышей с Измененным набором хромосом (гаплоиды), с нарушениями в наборе хромосом, с мутациями.
Активация в раннем зародыше запасенных компонентов аппарата трансляции и матричных РНК. Сразу же после оплодотворения свободные рибосомы, иРНК, тРНК, 5SPHK ооплазмы, функция которых была ингибирована, вовлекаются в процессы синтеза белка; из них формируются полисомы. Белки, образующиеся в этот период, по своей природе практически не отличаются от тех, которые уже имеются в цитоплазме, т. е. были синтезированы в ходе гаметогенеза. Следовательно, основное назначение этих новых синтезов — продолжать обеспечение раннего эмбриогенеза белками, прерванное в зрелом яйце.
Исследования показали, что белки, образующиеся в раннем эмбрионе, не запасаются, а включаются наряду с ранее образованными аналогичными белками в формирующиеся клеточные структуры. Например, несмотря на присутствие в цитоплазме больших запасов всех пяти фракций гистонов, в хромосомах дочерних клеток дробящегося яйца (например, морского ежа) обнаруживаются как запасенные, так и новооб-разующиеся гистоны. Это означает, что новообразованные белки входят в тот же запас, в котором были ранее синтезированные, а клетки черпают из них белки по мере необходимости независимо от времени их синтеза. Этот вывод, по-видимому, справедлив для большинства видов белка, используемых в раннем эмбриогенезе. Наряду с этим в эмбрионе возможен синтез таких белков, которых не было ранее.
Основная масса белков — это строительный материал или ферменты, необходимые для репродукции клеток. Наряду с этим в клетке есть меныпая по массе категория регуляторных белков. Казалось бы, что эти белки должны синтезироваться только на тех стадиях, на которых они нужны. Факты показывают, что это не так: они могут также запасаться и начать действовать на более поздних стадиях.
Приведем пример. У аксолотля обнаружена мутация ova deficient (рис. 57), обозначаемая индексом «О»; у гомозиготных особей «00», у гетерозиготных — «4-/0». Она выражается в том, что развитие зародышей, гомозиготных по этой мутации, останавливается на стадии гаструлы. Развитие останавливается и в том случае, если гомозиготных самок скрещивать с нормальными самцами, т. е. когда зародыш содержит мутантный генотип матери и нормальный — отца. Это означает, что фактор, которого недостает у мутантов, синтезируемся не в период эмбрионального развития, а в оогенезе (его отсутствие в яйце гомозиготной самки не восполняется в раннем эмбриогенезе в присутствии нормальных генов отца). Эксперименты подтвердили, что продукт этого reiia накапливается в оогенезе: если в яйцо гомозиготной самки инъецировать цитоплазму нор-
144
мального ооцита, то мутация не проявляется (рис. 57). Было выяснено, что продукт этого гена сначала образуется в ядре, а затем выходит в цитоплазму, Мутация «ОО» — это отчетливый и пока редкий пример, на котором видна роль ядра в возникновении в ооплазме факторов, важных для раннего развития («материнский эффект»),
Как же выяснить роль белков, образующихся в оогенезе и в раннем развитии? Было предложено несколько способов прекращения новых белковых синтезов. Один из них—использо-
о/о
Рис. 57. Мутация ova deficient (00) у аксолотля:
0/0 — гомозиготные мутанты, +/0 — гетерозиготные мутанты, +/+ “ нормальные особи-(объяснение и тексте), ч-гибель зародыша на стадии гаструлы, N — нормальное разви-
тие
Ю Заказ 645	, t 14Б-
вание ингибиторов синтеза белка (пуромицина, циклогексимида). С помощью этого подхода показано, что хотя в цитоплазме достаточно резервов белков, развитие зародыша в. присутствии этих ингибиторов угнетается. Это свидетельствует о том, что в цитоплазме отсутствуют какие-то важные белки, которые образуются только в раннем эмбриогенезе. Одиако эти вопросы еще недостаточно изучены.
Врегчя роста дацита 3 мес
Созревание в течение 15 ч
Рис. 58. Относительные скорости синтеза нуклеиновых кислот в ходе развития амфибий (по Дж, Гердону, 1974). Фракция 4S-PHK содержит в основном тРНК, фракция иРНК—гяРНК
Виды РНК, синтезирующиеся в раннем эмбриогенезе в период активации транскрипции. У разных видов животных транскрипционная активность повышается неодновременно. У животных с большими резервами РНК и белков транскрипция активируется не сразу. В большинстве случаев выделяют две фазы; 1) активация транскрипции (низкий уровень процесса); 2) резкое повышение уровня транскрипции. У вьюна (представителя костистых рыб) первая фаза приходится иа период до стадии гаструлы, после чего наступает вторая фаза.
> До енх пор речь шла об общем уровне транскрипции. Исследования показали, что существует определенная последовательность в инициировании синтеза разных видов РНК и разная динамика последующего изменения интенсивности их синтеза. Этот вопрос впервые был хорошо изучен Дж. Гердоном на примере раннего развития Xenopus laevis (рис. 58). На рис. 58 видно, что; 1) в период созревания все гены неактивны; 2) после оплодотворения до стадии бластулы синтез РНК не удается обнаружить (у шпорцевой лягушки); 3) первыми активируются гены, ответственные за синтез гяРНК и тРНК; 4) спустя некоторое время (поздняя бластула — ранняя гастру-ла) одновременно начинается синтез 28S, /18S и 5SPHK;
U6
5) в последующем синтез 28S, 18Sh5SPHK идет координирован-' но, т. е. эти РНК образуются в эквимолярных количествах. Это характерно для всех клеток, за исключением ооцитов, в которых, напомним, синтез 5SPHK не скоординирован с синтезом 28S и 18S рРНК: сначала накапливается в больших количествах 5SPHK (в форме рибонуклеопротеидов — РНП), а затем усиленно накапливаются 28S и 18S рРНК (в форме рибосомных субъединиц). Лишь в конце оогенеза соотношение этих РНК н 5S РНК выравнивается до эквимолярного (напомним, что эти виды РНК в клетке необходимы в эквимолярных количествах, так как в каждой рибосоме присутствует по одной молекуле 28S, 18S и 5S РНК).
Динамика биосинтеза основных классов РНК в предзаро-дышевом и в раннем зародышевом развитии указывает на существование механизмов, регулирующих их транскрипцию. Кроме того, процессы биосинтеза различных РНК в ходе гаметогенеза скоординированы, т. е. эти два важных периода индивидуального развития находятся под контролем единого механизма регуляции. Однако об этом механизме пока ничего не известно.
Эксперименты с выключением функции генома с помощью ингибиторов транскрипции. Опыты по выключению синтеза новых видов РНК в раннем эмбриогенезе с одновременным измерением активности белковых синтезов позволяют определить, какая часть белковых синтезов и на протяжении какого времени осуществляется с использованием иРНК, запасенных в оогенезе. Для предотвращения синтеза РНК обычно используют ингибитор транскрипции" актиномицин нли факторы, разрушающие ядра, например радиацию. В опытах на яйцах морского ежа было показано, что, если актиномицин добавить в среду с самого начала эмбрионального развития, белковые синтезы продолжаются в клетках эмбриона. Это означает, что и РНК, синтезирующиеся в раннем эмбриогенезе, ие играют существенной роли в этот период, а будут функционировать на последующих стадиях.
Одна из важнейших задач молекулярных исследований раннего развития н заключается в выяснении того, на каких стадиях синтезируются и на каких стадиях начинают функционировать те или иные виды РНК н белков. Другая задача этих же исследований — выяснить, есть ли качественные различия в синтезе РНК и белков в разных бластомерах или частях зародыша, в разных зародышевых клетках и т. д. В настоящее время имеются лишь отдельные указания на то, что такие региональные различия как в синтезе белков, так и в синтезе РНК существуют. Но эти данные преимущественно свидетельствуют о количественных различиях (в общем уровне синтеза РНК и белков) и пока не ясно, существуют ли (и какие) отличия между наборами РНК, синтезирующимися в разных клетках раннего зародыша.
ю*
147
Эксперименты по энуклеации яиц. В многочисленных опытах роль Ядра и цитоплазмы выясняется путем микрохирургического удаления ядра из яйца или его разрушения физическими воздействиями, Существует несколько способов получения цитоплазмы, лишенной ядра. Например, яйцо морского ежа можно центрифугированием разделить на две половинки — «ядерную»и «безъядерную». Ядерная развивается нормально (хотя и получаются эмбрионы меньшего размера), безъядерная способна дробиться, в ней начинается синтез белка, но развития нет.
В последние годы' разработана техника микроманипуляций с яйцами млекопитающих. Разработан метод рассечения яйцеклетки мыши на ядерный и безъядерный фрагменты. Кроме того, с помощью микроманипулятора из зиготы мышн удается удалить один или оба пронуклеуса. Эти опыты еще недостаточно полно использованы в исследованиях роли ядра и цитоплазмы, но ясно одно: цитоплазма без ядра способна дробиться, образуя некоторое количество безъядерных бластомеров, ио развития ие происходит. Этими опытами показано также, что зависимость цитоплазмы от присутствия ядра в разных типах яиц проявляется неодинаково. В тех случаях (например, у амфибий, рыб), когда в цитоплазме много резервов, а транскрипция активируется не сразу, цитоплазма дробится и образуется подобие бластулы. Напротив, у млекопитающих, у которых синтез РНК начинается уже на стадии двух бластомеров, зависимость цитоплазмы от ядра значительно большая.
В 1959 г. А. А. Нейфах предложил метод инактивации ядра с помощью радиации и провел множество экспериментов по выяснению роли ядра в раннем эмбриогенезе.
Ядро и цитоплазма сильно различаются по чувствительности к ионизирующей (и ультрафиолетовой) радиации. Эти различия столь велики, что, облучая яйцо определенными дозами, можно полностью разрушить ядро, существенно не повредив цитоплазму. С помо'щью облучения рентгеновскими лучами было показано, что несмотря на разрушение ядра яйцеклетка, будучи активирована, дробится, но бластомеры не содержат ядер (или содержат сильно поврежденные ядра). Развитие таких зародышей останавливается перед гаструляцией, из чего был сделан вывод, что для нее необходимо нормальное функционирование ядра в предгаструляционном периоде.
Если облучать эмбрионы в разное время до гаструляции, то обнаруживается стадия, после которой облучение не способно предотвратить гаструляцию, В этом случае развитие останавливается, но на более поздних стадиях. Облучая зародыши на разных стадиях раннего эмбриогенеза, А. А. Нейфах определил периоды раннего развития, в течение которых необходимо сохранение целостности ядра, для того чтобы развитие продолжалось дальше. Эти периоды были названы «периодами проявления морфогенетической функции ядра». Так как при облучений рентгеновскими лучами ядро не просто инактивировалось, а
148
физически разрушилось, что могло иметь побочные эффекты, эти эксперименты были повторены, а результаты воспроизведены с использованием (вместо облучения) актиномицина, который подавляет синтез РНК, не разрушая ядра. На рис. 59 приведены результаты определения «морфогенетических» периодов активности ядра в раннем развитии вьюна.
Эти эксперименты хотя и не лишены некоторых недостатков (например, облучение все же затрагивает цитоплазму, а
актиномицин подавляет не только синтез РНК, но и клеточные деления и оказывает множество иных «побочных» эффектов), дали ценную информацию о различной роли ядра и цитоплазмы в раннем развитии. Они показали, что у видов, на которых проводились эти опыты, все факторы, необходимые для раннего развития вплоть до формирования бластулы и начальных этапов га-
Рис. 59. Периоды морфогенетической функции ядер в раннем развитии зародыша вьюна (по А. А. Нейфаху и
М. Я. Тимофеевой, 1978): а — дробление, б — бластула, в — гаструля-ция, г — органогенез
струляции, имеются в ооплаз-ме, и для прохождения этих стадий функционирование ядра в этот период не обязательно. Но в период гаструляции функционирование ядра необ-
ходимо. Однако пока не ясно, в чем состоит эта функция ядра; или под его контролем вырабатываются «морфогенетические» факторы, или какие-либо иные структуры, необходимые для жизне
деятельности клеток.
Раннее развитие гаплоидных и гибридных зародышей. Гаплоидные и гибридные зародыши — внутри- и межвидовые — ценная модель для изучения роли отцовских и материнских геномов в раннем развитии. Так, они позволяют выяснить, какое участие в развитии принимают факторы, вносимые в яйцо сперматозоидом. Так как сперматозоид вносит два компонента — ядро и центриоль, то по существу речь идет о выяснении роли ядра,т. е. отцовских .генов, Выше говорилось о замечательных результатах, полученных на андрогенетически развивающихся особях у шелкопряда. У других животных андрогенети-ческие особи имеют низкую жизнеспособность, но для выясне
ния роли отцовских генов в раиием развитии получение таких зародышей имеет определенную ценность, поскольку андроге-нетические зародыши некоторое время развиваются.
Много важной информации дали опыты с межвидовыми гибридами, У некоторых животных (например, у рыб) удается получить гибриды даже между представителями семейств, у других— только между разными видами. В подавляющем болыпин-
149
стве случаев гибриды не выживают, но гибель наступает на разных стадиях развития. Анализ гибридов иглокожих и низших позвоночных показал, что отцовские гены начинают функционально проявляться лишь перед гаструляцией (у морских ежей — на стадии мезенхимной бластулы). Эти результаты соответствуют тем, которые были получены в опытах по удалению ядра яйцеклетки. Напомним, однако, что у других видов, например у млекопитающих (и, по-видимому, у некоторых беспозвоночных), ситуация иная: с самого начала дробления яйца ядро начинает функционировать, а при его отсутствии развитие немедленно останавливается.
Все эти эксперименты имеют общий недостаток: экспериментатор манипулирует не с отдельными генами, а с целым геномом. Подобный обобщенный подход хотя и сыграл немалую роль в разработке рассматриваемой проблемы, должен сочетаться с методами, которые позволяют анализировать функцию отдельных генов или групп генов. Один из наиболее точных и эффективных методов такого рода — использование мутантов и анализ последствий отсутствия продукта дефектного гена.
Анализ мутаций, влияющих на процессы раннего развития. В настоящее время генетика располагает интересной информацией о роли генов в процессах развития, полученной путем анализа мутаций, проявляющихся в эмбриогенезе. Эта информация, как правило, касается поздних этапов развития: лишь в редких случаях удается наблюдать мутации в раннем развитии, Один из примеров этого рода — изучение мутаций рибосомных генов. Такие мутации были обнаружены у шпорцевой лягушки (Xenopus laevis). Эти мутанты были лишены части или всех рибосомных генов («мутации Опп»), 'Цитологически это проявлялось в полном или частичном отсутствии ядрышка. В гомозиготном состоянии (когда мутация имеется и в отцовском и в материнском геномах), обозначаемом как «О/Опи», зародыши полностью нежизнеспособны, так как у них не образуется новых рибосом. Но, поскольку в яйце есть запасенные рибосомы, зародыш развивается до тех пор, пока отсутствие но-вообразующихся рибосом не приводит его к гибели. Гибель «О/Onu» зародышей наступает на стадии выклева. Тот факт, что зародыши так долго развиваются — дополнительное свидетельство того, что в яйцах Xenopus laevis значителен запас рибосом, У гетерозигот «+/Опи» (потомство, получаемое при скрещивании мутантной и нормальной особей) развитие протекает нормально, так как одного набора рибосомных генов достаточно для обеспечения зародышевых клеток рибосомами. Наряду с мутантами, полностью лишенными рибосомных генов, были обнаружены мутанты с частичным выпадением этих генов. Если животное с частичной мутацией скрестить с полным мутантом, зародыши погибают, но на более поздних стадиях, чем гомозиготные, так как присутствие некоторого числа рибосомных генов «оттягивает» время наступления гибели.
150
Аналогичная мутация (делеция в области ядрышкового организатора) известна у дрозофилы (мутация bobbed). Изучение этих мутантов показало также положительную корреляцию (до известного предела) между числом оставшихся в геноме рибосомных генов и жизнеспособностью мутантной особи. Анализ ядрышковых мутантов — яркий пример прямой зависимости развития от функции гена.
.Морула	бластоциста
Ранний яйцевой
Яйцевой
цилиндр
цилиндр
Сформированный зародыш
Поздний яйцевой цилиндр
----------►
Рис. 60. Нарушение ранних стадий эмбриогенеза мыши в результате действия мутантных генов Т-локуса, Пунктирные стрелки показывают эффекты мутант-
ных генов
Известен целый ряд мутаций, затрагивающих раннее развитие у мышей. Особый интерес в этой связи представляют мутации сложного локуса Т 17-й хромосомы. Локус Т состоит из множества аллелей, обозначаемых знаком t и дополнительными индексами (t1, t2... и т. д.), Известно более 100 t-генов, значительная часть которых (~30 %) при мутации вызывает гибель гомозиготных зародышей на разных стадиях развития, начиная от периода дробления (рис. 60, t12), стадии имплантации (tw73) и т. д.
Известен также ген Ау (yellow), мутация которого вызывает распад раннего зародыша мыши до стадии прикрепления к матке. Существуют и другие мутации с фенотипическим проявлением в раннем развитии, изучение которых дает много ценных сведений о роли генов в этот период (табл. 3).
151
Таблица 3. Мутантные гены, обусловливающие снижение пролиферативной активности клеток и дефекты у мышей
Мутантный ген	Пораженная клеточная система или ткань	Время действия гена	Конечные эффекты гена
Fidget (fi>	Центральная нервная система и сетчатка	С 9-х суток эмбриогенеза	Микрофтальмия и ненормальное поведение
Ocular retardation (or)	Сетчатка	С 10-х суток эмбриогенеза	Микрофтальмия
Leaner (tgla)	Центральная нервная система	С 5—6-го дня после рождения	Отставание роста и атрофия некого-
Short-ear (se)	Хондробласты и скелетогенная мезенхима	С 13-х суток эмбриогенеза ЯП	Замедленное восстановление костей после перелома и дефекты скелета
Flexed-tail (f)	Гемопоэтические клетки	С 13-х суток эмбриогенеза до 7 дней после рождения	Транзиторная анемия
Dominant spotting (W)	Первичные половые к стволовые гемопоэтические клетки	С 12-х суток эмбриогенеза	Бесплодие и макроцитарная анемия |&j
Diabetes (db)	р-Клетки поджелудочной железы	После рождения	Сахарный диабет [
ГЛАВА 7
ДЕТЕРМИНАЦИЯ, ЭМБРИОНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ И ИНДУКЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В РАННЕМ РАЗВИТИИ
Основные понятия
Одна из основных задач экспериментальной эмбриологии — изучение процесса детерминации клеток и многоклеточных зачатков. Детерминация — это определение пути дальнейшего развития ' (или, как часто говорят эмбриологи, судьбы) некоторого участка зародыша (его отдельной клетки илн группы клеток), который условно назовем «материальным элементом» или, короче, элементом зародыша. Первый вопрос, который встает в связи с детерминацией данного материального элемента,— когда в ходе развития наступает детерминация, второй вопрос — чем она обусловлена. Первый вопрос достаточно обширен, и значительная часть экспериментально-эмбриологических исследований в первой половине XX в. была посвящена его выяснению. В этом отношении принципиальным оказалось установл.е-
152
ние того факта, что ни один элемент зародыша не детерминирован «изначально», всегда можно найти период начального развития, когда судьба элемента еще не определена (не детерминирована) . Существование такого периода послужило основанием для введения понятий потенция элементов и регуляция путей их развития. Потенции — это максимальные возможности элементов зародыша, т. е. те направления их развития, которые могли бы осуществиться; в норме реализуется лишь одно из них, а остальные могут быть выявлены в эксперименте. Наличие периода развития, когда элементы еще не детерминированы, показывает, что изначальные их потенции, как правило, шире, чем те, которые реализуются. Это лежит в основе явлений эмбриональных регуляций, открытых немецким эмбриологом Г. Дришем. Эмбриональные регуляции — этр_восстановле-ние нормально го'хода развития целого зародыша или зачатка после его искусственного или естественного нарушения; такое восстановление достигается благодаря изменению путей развития отдельных элементов. Эмбриональные регуляции не только свидетельствуют о существовании периода недетерминированности, но и показывают, каким образом совершается переход из этого состояния в состояние детерминации. Детерминация, как правило, идет от целого к частям: сначала детерминируется целый зачаток зародыша, но судьба отдельных его элементов (клеток) еще не определена, затем постепенно или путем скачкообразных переходов детерминируются отдельные элементы.
Вопрос — чем определяется судьба элементов — еще труднее для однозначного ответа, нежели вопрос — когда она определяется. Лишь в сравнительно немногих случаях на первый вопрос удалось дать ответ, да и то он не является исчерпывающим. Речь идет об опытах, в которых было показано детерминирующее (или, как чаще говорят, индуцирующее) воздействие одного эмбрионального зачатка на другой. Опыты по индуцирующим воздействиям привели к необходимости ввести еще одно понятие: компетенция элемента зародыша. Компетенция— это способность элемента воспринимать индуцирующие воздействия. Как правило, компетенция приходится на заключительную фазу периода иидетерминации.
Эксперименты по выявлению эмбриональных регуляций. Регуляционные н мозаичные яйца
Как уже говорилось, эксперименты по выявлению сроков детерминации в раннем развитии разных видов животных привели к понятию эмбриональных регуляций, В экспериментах использовались следующие основные методические приемы: 1) удаление части материала еще не дробящейся яйцеклетки (отсасывание ооплазмы, отрыв фрагмента яйцеклетки путем центрифугирования), отдельных бластомеров на стадиях дробления, участков бластулы или гаструлы, 2) добавление избы-
153
точного материала путем слияния яйцеклеток или зародышей, сращивания бластомеров и т. п., 3) перемешивание материала яйцеклетки или зародыша (центрифугирование ооплазмы, разъединение и произвольное соединение бластомеров). При этом выяснялось, изменяются ли пути развития элементов зародыша, Во многих случаях оказалось, что, несмотря иа эти экспериментальные воздействия, путем эмбриональных регуляций возникали целые нормальные зародыши (что было бы невозможно, если хотя бы некоторые элементы не изменяли пути своего развития).
До начала дробления на яйцеклетках было сделано множество опытов, в которых от них отрывали часть содержимого путем сильного центрифугирования, отсасывали часть ооплазмы пипеткой или, наоборот, сливали две или несколько яйцеклеток в одну. За очень редкими исключениями (яйца насекомых, где не регулировалась уничтоженная или отторгнутая половая плазма, см. гл, 2) отрыв или отсасывание даже значительного фрагмента (3/4—]/3 яйцеклетки) не препятствовало дальнейшему нормальному развитию целого, хотя и уменьшенного в размерах организма. Такие результаты' были получены иа яйцеклетках многощетииковых червей, моллюсков, асцидий, кишечнополостных, иглокожих. Следовательно, накопленные в оогенезе вещества не предраспределены в яйцеклетке каким-то единственно возможным для развития образом. Этот вывод подкреплен также большим количеством опытов по разделению, сращиванию и полной «перетасовке» бластомеров дробящихся яиц. На основе полученных данных В, Ру разделил яйцеклетки всех изученных в этом отношении животных на две группы: регуляционные и мозаичные. К первой группе были отнесены яйцеклетки, способные к регуляции, ко второй — яйцеклетки мозаичные, состоящие из жестко детерминированных участков цитоплазмы или бластомеров, не способных изменять ход своего развития и тем самым осуществлять регуляцию. Последующие опыты показали, что качественной разницы в яйцеклетках этих групп нет, но времените и количественные различия в способностях к регуляции-между ними имеются.
Одними из наиболее «регуляционных» являются яйца многих гидромедуз, например Aegineta. У этого вида нормальная особь развивается из ‘/32 яйца (из одного бластомера на стадии 32 бластомеров). Таковы и яйца морских ежей, у которых нормальный зародыш развивается из меридионального сектора в Va, ’А или Даже */а яйца иа любой стадии дробления до бластулы включительно — лишь бы этот сектор включал в равной пропорции как аиимальные, так и вегетативные зоны. Из яиц с резким преобладанием анимального или вегетативного материала нормальные зародыши ие получаются: из аиимальных фрагментов образуются покрытые ресничками бластулы, далее не развивающиеся, а из вегетатйвиыЗГучастков — напротив, зародыши с преобладанием энтодерм а льного материала и недо-154
развитыми эктодермальными частями. Эти данные указывают на какую-то неоднородность дробящегося яйца по аинмально-вегетативной оси (см. подробнее гл. 5).
Нормальных личинок морского ежа удается получить даже из разделенных, а затем перемешанных в беспорядке бластомеров. При этом ход регуляционного процесса еще более, чем в рассмотренном выше примере, отклоняется от нормального развития. Например, кишечник образуется не инвагинацией, а
Рис. 61. Опыты Г. Шпемана по перешнуровке яиц тритона по фронтальной (А) и сагиттальной (J5) плоскостям. В—формирование недифференцированного комка тканей из вентральной части; Г— развитие полноценного зародыша из дорсальной части, содержащей серый серп; Д — полноценные зародыши, возникающие после сагиттальной перешнуровки
шизоцельным путем из плотной клеточной массы. Иногда даже личиночный скелет возникает раньше, чем покровы личинки, и последние затем образуются вокруг него. Это удивительное свойство развития приходить совершенно разными путями к одному и тому же конечному результату называется эквифиналь-ностъю. Эквифинальность можно рассматривать как одно из важнейших свойств регуляционных процессов.
Рассмотрим регуляционные способности яиц амфибий (рис. 61). Борозда первого деления дробления у них либо рассекает серый серп, либо лежит в стороне от него. Если отделить друг от друга два первых бластомера путем перешнуровки, то в первом случае из обоих разовьются совершенно нормальные зародыши. Во втором случае целый организм образуется только из бластомера, содержащего серый серп, а из другого получится так называемый «брюшной комок»; неоформленный материал энтодермы, одетый также недифференцированной эктодермой. Таким образом, для нормального развития достаточна хотя бы
155
половина серого серпа. Именно этот факт, открытый немецким эмбриологом Г, Шпеманом, подвел его к обнаружению индукционных явлений (см. с. 161).
За последнее время в связи с разработкой методов культивирования в искусственных средах яйцеклеток млекопитающих открылись возможности испытания и даже использования на практике их регуляционных способностей. Оии оказались очень высокими. Например, нормальный зародыш мыши развивается из каждого бластомера двухклеточной стадии. Кроме того нормальное развитие-наблюдается и после слияния 2— 3 эмбрионов.
Яйца асцидий, гребневиков, круглых червей н спирально дробящихся форм традиционно относили к мозаичным. Действительно, у первых трех из перечисленных видов изолированные бластомеры дают те же зачатки (и не больше), что и при нормальном развитии. Очень четко это показано у гребневиков, обладающих в норме восемью рядами гребных пластинок, расположенных по меридианам через равные углы. При развитии зародыша из яйца получается только 4 ряда гребных пластинок, при развитии из *4 — только 2 ряда и т. д. Отсюда можно сделать вывод, что у этих форм в период ооплазматической сегрегации достигается достаточно жесткая, необратимая расстановка структур. Что же касается спирально дробящихся яиц, то представление об их изначальной мозаичности сильно поколеблено данными последнего времени.
У спирально дробящихся яиц один из бластомеров может иметь полярную лопасть. Формообразовательные потенции таких бластомеров резко повышены по сравнению с бластомерами, лишенными полярной плазмы. Потомство последних не может образовать мезодерму н ее производные. Бластомеры с полярной плазмой после своей изоляции, по крайней мере до стадии 4 бластомеров включительно, способны образовать полноценный зародыш. Если материал полярной плазмы равномерно распределить между двумя первыми бластомерами, то из каждого получится целый зародыш, в результате чего возникают сро-щенные двойники. Значит, во всех остальных отношениях, кроме наличия или отсутствия полярной лопасти, бластомеры яиц спирально дробящихся форм равноценны.
В полной мере это относится к яйцам Spiralia, лишенным полярной плазмы или лопастей. Целый зародыш у них может быть получен из любой */2 яйца. Положение дорсальной и вент-* ральной сторон, а следовательно, и судьба левых и правых бластомеров изначально не определены, а зависят от положения веретена первого деления дробления. Это означает, что детерминирующую роль у спирально дробящихся форм играет не столько предшествующая дроблению ооплазматическая сегрегация, сколько сам процесс дробления.
Регуляционные способности бластул — ранних гаструл амфибий— испытывались в опытах по пересадкам сравнительно
156
Рис. 62. Карта потенций ранней гаструлы тритона, составленная на основании опытов по эксплантации отдельных участков (по И, Гольтфретеру, из Л. Саксена и С. Тойвонена, 1963):
/ — эпидермис, 2 — нервная ткань, 3 — мистомы, 4 — хорда, 5 — боковая пластинка
небольших участков из одного положения на зародыше в дру* гое и их вырезанию из зародыша и помещению в физиологический раствор (эксплантация). Хотя эти опыты неравноценны, все они подтверждают способность практически всех участков зародыша изменять путь своего развития.
Систематические опыты по эксплантациям проводил И. Гольтфретер. На основе своих результатов он составил «карту потенций» ранней гаструлы амфибий (рис. 62), которую можно сопоставить с картами презумптивных зачатков (см, рис. 42, 43). Любой участок презумп-тнвной мезодермы и хорды может дать при эксплантации практически любую структуру анимального полушария. Область презумп-тивиой покровной и нейральной эктодермы при эксплантации не дает ничего, кроме участков покровной эктодермы (причина этого будет рассмотрена позже). Однако если участки презумптнвной эктодермы пересадить в область мезодермы или хорды, они дифференцируются в точном соответствии со своим новым положением, т, е. встраиваются в местные хордальные или мезодермальные структуры, Аналогично изменяется мезодерма, если ее участки пересадить в область презумптнвной эктодермы.
Участки презумптнвной энтодермы при пересадке также иногда превращались в хорду и мышцы, т. е. в типичные мезодермальные производные. Обмен участками в пределах пре-зумптивиой энтодермы приводил на названных стадиях к четкому развитию «по положению»: участок презумптнвной передней кишки, пересаженный иа место задней, развивался в заднюю и наоборот.
Таким образом, практически все участки бластулы — ранней гаструлы амфибий — способны развиваться в разных направлениях и при пересадках дифференцируются в соответствии со своим новым положением.
Какие же выводы следуют из опытов по регуляциям? Во-первых, эти опыты показывают, до какого момента развития судьба тех или иных частей зародыша еще не детерминирова-
157
на, и тем самым помогают выявить, на каком этапе осуществляются основные детерминирующие процессы. Было уже показано, что такие процессы могут происходить как в оогенезе, так и в период дробления и еще позже. Во-вторых, явления регуляций позволили выявить целостный контроль над детермииа-
Рпс. 63, Схема регуляционного процесса s меридионально разрезанной целобластуде морского ежа (объяснение в тексте)
цией элементов, т. е. механизмы, подчиняющие судьбу части целому. Г. Дриш сформулировал этот вывод так: «Проспективное значение каждого элемента... (т. е. то, как ои будет развиваться дальше) ’ сстЬ функция его положения в целом».
Разберем, что это значит, на примере развития целого зародыша из половинки бластулы морского ежа, разрезанной по меридиану (рис. 63). Если нанести на схему бластулы карту основных презумптивных зачатков (эктодерма бесцветна, энтодерма боковых стенок архентерона отмечена точками, а материал целомической мезодермы — штрихами — рис. 63, Дь Да), то очевидно, что при регуляционном замыкании полубласту-.лы в маленькую сферическую бластулу (рис. 63,	Б2) ма-
териал окажется расположенным примерно так, как на рис. 158
63, Б2 (упрощенно принимаем, что замыкание полубластулы будет происходить точно в плоскости рисунка, хотя на самом деле это трехмерный процесс). Если бы материал и дальше развивался в точном соответствии со своим исходным значением, то из Б2 возникло бы нечто вроде В3, т, е. асимметричное образование, где материал анимального полюса, (в норме образующий хохолок ресничек) был бы расположен по соседству с краем целомической мезодермы. В действительности формируется совершенно нормальный, хотя и уменьшенный зародыш (рис. 63, Бь). Очевидно, для этого исходные судьбы клеток должны измениться примерно так, как показано стрелками на рис, 63, Б 4. оставшаяся снаружи презумптивная энтодерма «эктодермали-зуется» (стрелка 7), ввернувшаяся внутрь презумптивная эктодерма, напротив, «энтодермализуется» (стрелка 2) или «ме-зодермализуется (стрелка 3), а часть презумптивной мезодермы «энтодермализуется» (стрелка 4).
Какому закону подчинены все эти преобразования? Чтобы сформулировать этот закон, Дриш приписал отдельным клеткам зародыша определенные координаты относительного целого, например — широты относительно анимально-вегетативной осн. Тогда ясно, что каковы бы ни были промежуточные микропроцессы, все клетки, расположенные анимальнее экватора ( в частности, на широте аа, рис. 63, Б2), должны в конце концов стать эктодермой, а клетки, расположенные примерно между 0—50° вегетативной широты (на широте вв, рис. 63, Б2),— стать мезодермой вне зависимости от их прошлого. Это и означает, что судьба клеток определяется их положением в целом. Особо подчеркнем, что судьба любой клетки определяется ее положением именно в координатах целого, а не относительно любой отдельной наперед заданной клетки. Действительно, после замыкания разрезанной половинки бластулы взаимные положения всех клеток настолько сильно отличаются от нормальных (например, клетки анимального и вегетативного полюсов расположены не напротив друг друга, а рядом), что отсчет положения каждой клетки от любой заранее выделенной другой клетки ие мог бы восстановить нормальную структуру зародыша,
Но как может «положение в целом» влиять на путь развития клеток? Во времена Дриша такие влияния казались совершенно непонятными и даже стоящими вне рамок науки, Дриш тоже склонялся к мысли о непознаваемости «фактора целого», и это надолго затормозило дальнейшие поиски в этом направлении.
Сейчас уже привычно представлять живую природу в виде системы из многих взаимовлияющих уровней организации, где высшие уровни как целое влияют на более низшие (отношения «популяция — организм», «организм — орган», «орган — клетка» ivt. д.). Закон Дриша кажется теперь совершенно естественной формулировкой одного из таких законов соподчинен-ности части и целого, хотя и сейчас не до конца ясно, что же лежит в основе этой соподчиненности (см, гл, 11).
159
Явления регуляций в нормальном развитии
Изложенные данные показали, что в условиях экспериментов клетки зародыша способны изменять свою судьбу, А насколько точно детерминирована судьба клеток прн нормальном развитии? Всегда ли неизменен весь путь морфогенетических движений какой-либо клетки зародыша? Иными словами, у всех ли зародышей данного вида все эмбриональные клетки занимают в точности одинаковые места?
Многочисленные наблюдения неопровержимо показывают, что такая «поклеточная точность» встречается, лишь в виде исключений. Она установлена, например, у коловраток, круглых червей и некоторых других животных. Они действительно состоят из строго определенного числа клеток, каждая из которых расположена на определенном месте и выполняет определенную функцию. Например, у коловратки Hydatlna senta кожа состоит из 301 клетки, глотка — из 165, половой аппарат — из 19, мускулатура — из 122, нервная система — из 247, выделительная— из 24, а все тело животного — иэ 959 определенным образом расположенных клеток. Но такие случаи — лишь любопытные исключения. У подавляющего большинства организмов клеточная точность утрачивается либо в ходе дробления, либо на последующих стадиях. Так, у кишечнополостных при анархическом дроблении положение каждого бластомера явно случайно. Можно сказать, что анархическое дробление — самой природой поставленный опыт по перемешиванию бластомеров. Но и у форм с детерминированным дроблением встречаются как неточности в расположении бластомеров, ие препятствующие дальнейшему развитию, так и просто несколько разных, ио равноправных способов их взаимного расположения (например, у круглых червей).
Насколько различными путями может идти гаструляция, мы уже знаем иа примере медуз рода Aurelia. Но даже если этот процесс проходит однотипно, движение отдельных клеток может быть в известной мере случайным (мезенхимные клетки зародышей морских ежей). У зародышей амфибий своеобразной меткой бластомера могут служить желточные гранулы. Найдено, что хотя бластомеры с гранулами определенного типа располагаются, как правило, сомкнутыми группами, нередки и «ошибочные» (однако не вредящие дальнейшему развитию) вклинивания между ними бластомера из другой зоны.
Подобных примеров можно привести очень много, особенно если рассматривать процессы более позднего развития. Однако и приведенные факты показывают, что клетки отнюдь не движутся по жестко заданным наперед «формообразовательным траекториям»: их поведение может быть более или менее неодинаковым и даже независимым друг от друга (что видно на примере процессов гаструляции). Однако такая многовариантность не сбивает развитие зародыша с основного пути к конечной
160
цели. Важно, что ие только в эксперименте, где искусственно нарушается нормальный ход развития, ио и в естественных условиях ход развития клеток регулируется согласно их положению в целом. Вероятно, такой гибкий регуляторный характер развития имеет существенные адаптивные преимущества: если какое-либо одно звено будет подавлено нли полностью выпадет, сохраняются шансы на достижение нормального конечного результата. С другой стороны, в экстремальных условиях резерв изменчивости может стать источником эволюционных преобразований.
Первичная эмбриональная индукция у амфибий
В опытах по перешнуровке яиц амфибий было показано, что целый зародыш возникал лишь из тех бластомеров, которые включали в себя хотя бы часть материала серого серпа. Из бластомеров, лишенных этого материала, ие развивалось ничего, кроме недифференцированной энтодермы и покровов тела, и таким образом осевые органы нацело отсутствовали. Между тем в норме из материала серого серпа образуются лишь хорда, прехордальная пластинка и часть осевой мезодермы (хордомезодермы). Чем же объяснить отсутствие нервной системы при развитии из бластомеров, лишенных материала серого серпа? Г. Шпеман сделал смелое предположение, что хотя она и не возникает из материала серого серпа, но индуцируется им, т. е. формируется из индифферентной эктодермы под его влиянием.
Для проверки этого предположения надо было зачаток, развивающийся из материала серого серпа, т. е. хордомезодерму, привести в контакт с таким материалом, из которого нервная система в норме никогда не развивается, например с эктодермой вентральной стороны тела. Таким образом, следовало пересадить зачаток хордомезодермы в вентральную область зародыша. При этом надо было исключить возможность случайного занесения вместе с хордомезодермой участка презумптив-ного материала нервной системы. Между тем это нелегко сделать, потому что на карте презумптивных зачатков (см. рис. 42) материал нервной системы прилегает к материалу хордомезодермы, и никакой видимой границы между ними на живом зародыше нет.
Для отведения возможных возражений Шпеман применил метод гетеропластики. Он взял трансплантат зачатка хордомезодермы (дорсальной губы бластопора) от зародыша гребенчатого тритона, ткани которого были лишены пигмента, и пересадил 'его под брюшную эктодерму зародыша обыкновенного тритона с пигментированным# тканями. После окончания опыта по распределению пигментированных и непигментированных клеток на срезах тканей зародыша можно было видеть, что
Н Заказ 645
161
произошло от трансплантата, а что возникло из тканей хозяина (рис. 64) .
Результаты этого замечательного опыта, поставленного в 1924 г., были таковы. Примерно через сутки после пересадки дорсальной губы на брюшной стороне зародыша хозяина развились отчетливые осевые структуры: нервная трубка, сомиты, хорда, а также зачатки эмбриональных почек. Измени-
Г
Рис. 64, Схема опыта Г. Шпемана и Г. Мангольд (по Г. Шпеману, из Л. Саксена и С. Тойвонена, 1963, и Б. И. Балинского, 1965). А, Б — операция по пересадке хордомезодермального зачатка; В — внешний вид полученного зародыша; Г — разрез через зародыш после операции (см. предыдущий рисунок):
и.з.— индуцированный зародыш на вентральной стороне
лась даже прилежащая энтодерма: в ией появилась полость кишечника. Анализ материала, вошедшего в состав всех этих структур, показал, что большинство их возникло из клеток зародыша хозяина: почти вся нервная трубка, а также часть мезодермальных тканей. Таким образом, произошла настоящая индукция — глубокое изменение свойств местной ткани, которая в норме дала бы только покровную эктодерму и, возможно, некоторое количество мезенхимных клеток. Сама же пересаженная хордомезодерма, которую теперь называют индуктором, образовала, как и следовало ожидать, хорду, часть мезодермы, а также небольшой участок нервной трубки.
Очень интересный побочный результат этого опыта состоит
162
в том, что структура органов осевого комплекса оказалась чрезвычайно точной, хотя клетки трансплантата и хозяина заняли в них в общем случайные положения. Фактически в опыте Шпемана произошла ие только индукция, но и регуляция, аналогичная тем, что были в опытах с перемешиванием клеточного материала. Но главное внимание исследователей всего мира вызвал ясно доказанный факт индукции одной закладки другой, а именно — нервной трубки хордомезодермой. Это явление позже назвали первичной эмбриональной индукцией. Уже тогда были известны индукционные процессы в более позднем развитии, которые были названы вторичными и третичными; более ранних индукционных процессов у позвоночных тогда известно не было. Одиако, как было показано позже, есть и более ранние индукционные процессы.
Надо заметить, что сам Шпеман использовал термин не индукция, а организация и назвал хордомезодерму первичным организатором или организационным центром, а не индуктором, как теперь принято. Эти различия в терминологии, которые могут показаться незначительными, отражают сложную и драматическую историю дальнейших работ по этой проблеме. Прежде чем перейти к их разбору, рассмотрим, насколько широко распространены явления первичной индукции среди хордовых животных (у беспозвоночных нервная система закладывается совершенно иначе и прямых параллелей здесь быть не может), как формируется индукционная способность самой хордомезодермы по мере ее развития и каковы различия в индукционном действии разных участков хордомезодермы.
; Первичная индукция в других классах хордовых.
- Понятие компетенции эмбриональной ткани
УУже вскоре после открытия Шпемана была продемонстрирована индукционная способность дорсального края бластодиска рыб. Несколько позже было показано, что и геизеновский узелок у птиц (который надо считать гомологом дорсальной губы бластопора амфибий) проявляет индукционное действие: будучи пересажен в любое место зародышевого диска, он вызывает образование над собой целого дополнительного зароды* ша. В 60-х годах эмбриологи Тунг и Тунг провели очень тонкий опыт по имплантации в бластоцель ранней гаструлы ланцетника дорсальной губы от другого зародыша ланцетника. Он оказал на окружающие ткани совершенно такое же индуцирующее действие и вызвал образование дополнительной нервной трубки.
Позже было отмечено, что опыты по индукции у ланцетника ставились при температуре несколько выше нормальной для этих животных и что при нормальной температуре нервная система у них может развиваться и без воздействия индуктора. Если это верно, то можно сделать вывод: индуктор требуется
11*	163
ланцетнику лишь в качестве дополнительной «подстраховки» в экстремальных условиях.
Интересными оказались результаты опытов на зародышах асцидий. Основные зачатки у этих животных детерминируются еще в период дробления. Картирование яйца асцидий иа стадии 8 бластомеров показало, что как материал хордомезодер-мы, так и основная часть нейрального материала локализованы в одном и том же заднем вегетативном бластомере и поэтому недоступны разделению. Однако небольшая часть нейрального материала, формирующего головной ганглий, расположена в заднем анимальиом бластомере, лежащем как раз над задним вегетативным. Существуют ли индукционные влияния заднего вегетативного бластомера иа задний анимальный? Чтобы это проверить, анимальный ярус бластомеров поворачивали иа 180° так, чтобы задний анимальный бластомер терял контакты с задним вегетативным, но взамен последний оказался бы в контакте с передним анимальиым бластомером, из которого в норме возникал только покровный эпителий. По аналогии с амфибиями в переднем аиимальном бластомере следовало бы ожидать возникновения индуцированного головного ганглия; однако этого ие произошло. Быть может, у асцидий головной ганглий возникает совершенно автономно от хордоме-зодермальиого материала? Тогда он должен был бы развиться из перемещенного задие-анимальиого бластомера. Но ие наблюдалось и этого: ганглий нигде не появился. Из этого интересного опыта следуют сразу два вывода: 1) для возникновения головного ганглия у асцидий требуется воздействие хордомезо-дермалъного материала, которое можно уподобить индукционному, но 2) никакой материал, кроме того (задне-анимального), который в норме образует этот ганглий, воспринять эти воздействия не в состоянии. Этот результат хорошо объясним, если привлечь понятие компетенции, которое было сформулировано в начале главы. Изменение хода развития возможно лишь в том случае, если компетентная к образованию некоторой закладки область шире, чем область, из которой эта закладка в норме развивается. Именно так происходит у амфибий: к формированию нервной системы компетентна вся покровная эктодерма. Аналогично дело обстоит во всех других классах хордовых, кроме асцидий, У последних же область компетенции не шире размеров нормальной закладки, отчего индукцию из другого материала получить не удается. В дальнейшем в ходе эволюции хордовых произошло расширение областей и удлинение срока компетенции, И то и другое — признак существенного эволюционного прогресса.
Компетенция эмбриональных тканей, по всей видимости, служит отражением каких-то относительно автономных внутренних процессов в клетках, характер и темп которых трудно или просто невозможно изменить экспериментальными воздействиями. Например, независимо от того, произойдет ли гастру-164
ляция или первичная индукция, компетенция к восприятию действия индуктора возникает в эмбриональной эктодерме к началу стадии гаструлы и прекращается к концу гаструляции. Иногда говорят об автономных «часах компетенции» в тканях,
рис. 65. Схема опыта П. Ньюкупа по индукции мезодермы из прсзумптив-нон эктодермы под влиянием энтодермы у зародышей хвостатых амфибий. Д — бластула до операции: 1, // — презумптивная эктодерма, III — презумптивная мезодерма, IV — презумптивная энтодерма; Б — индукция в эктодерме мезодермальных свойств' (стрелки) после удаления зоны 111
связывая компетенцию с какими-то внутриклеточными синтетическими процессами. Однако сведения об этом еще очень скудны.
Возникновение индукционных свойств в ходе развития
Голландский эмбриолог П. Ньюкуп вырезал из бластулы тритона область презумптивной мезодермы (зону III на рис. 65, X) и сращивал то, что осталось,—энтодерму (зону IV) с эктодер-мой (зоны / и //). Такие «укороченные» в анимально-вегетатив-ном направлении зародыши развивались нормально; хордомезо-дерма с нормальной способностью к индукции восстанавлива-лась из той части эктодермы, которая оказалась теперь в контакте с энтодермой. Ньюкуп полагает, что продемонстрировал еще более ранний индукционный процесс, чем первичная индукция Шпемана,— активацию в эктодерме мезодермальных свойств под влиянием контакта с энтодермой (этот предполагаемый процесс показан стрелками иа рис. 65, Б).
Таким образом, в опытах Ньюкупа свойство быть индуктором показано на материале, вовсе не происшедшем из зоны серого серпа. Добавим сюда еще новые данные шведского эмбриолога С. Левтрупа. Ему удалось заново получить серый серп с индукционными свойствами в вентральной половине яйца амфибий, помещенного в условия довольно крутого градиента аэрации (снабжения кислородом): серп возник на более аэрированной стороне. Напомним, что дополнительный серп можно получить простым переворачиванием яиц амфибий до начала дробления. Следовательно, такая, казалось бы, уникальная структура, как серый серп, и происходящая в норме лишь из него хордомезодерма могут быть получены из разных участков яйца, разными путями и даже на разных стадиях развития:, то, что в норме детерминируется путем ооплазматической сегрегации еще до начала дробления, в опытах Ньюкупа воспроиз
165
водится уже иа уровне межклеточных взаимодействий на стадии бластулы. Таким образом, формирование особенно важных для организма структур «страхуется» более чем одной системой последовательных взаимодействий (принцип «двойного обеспечения»).
Региональиость индуктора и индуцируемой нервной системы
Из карт презумптивных зачатков амфибий видно, что материал дорсальной губы бластопора раиней гаструлы в ходе инвагинации погрузится глубже всего и подстелет собой будущую переднюю часть нервной пластинки, которая превратится в передний мозг, материал же дорсальной губы средней и поздней гаструлы подстелет собой среднюю и заднюю части пластинки — будущий спинной мозг. Зависит ли региональиость нервной системы от ее внутренних свойств или от различий в индуцирующих свойствах ранней и поздней дорсальных губ, иными словами, от регпоиальности индуктора? Поставленные Г. Шпеманом опыты по исследованию индукционных свойств дорсальной губы бластопора ранней и поздней гаструлы показали, что такие различия действительно имеются: губа раиней гаструлы, т. е. передняя часть хордомезодермы, индуцировала преимущественно структуры переднего мозга (рис. 66, /), а губа поздней гаструлы — преимущественно структуры спинного мозга, а также значительное количество мезодермальной ткани (рис. 66, 2) хвоста зародыша. Так возникло представление о том, что первичный индуктор состоит из двух частей: передне-мозгового, вызывающего образование чисто нейральных структур, и спиино-хвостового, вызывающего образование из компетентной эктодермы, кроме спинномозговых нейральных структур, хвостовой мезодермы. Позже удалось идентифицировать химические факторы, примерно соответствующие по своему действию этим двум индукторам (см. ниже).
Оказалось, однако, что к региональности нервной системы приложим принцип «двойного обеспечения». Ставились опыты по повороту всей хордомезодермы на 180° (передним концом
Рис. 66. Региональность индуктора (объяснение в тексте): /--головноП отдел, индуцированный губой бластопора ранней гаструлы, 2— хвостовой отдел, индуцированный губой бластопора поздней гаструлы
назад) и по полному перемешиванию клеток индуктора. В обоих случаях возникали хорошо организованные нервные пластинки с нормальной региональностью. Опыты такого рода ясно показывают, что в индуцируемой нервной пластинке есть собственные внутренние факторы организации- Эти свойства еще ярче выступают в процессах вторичных индукций (см. гл. 8, 10).
Все сказанное приводит к убеждению, что процесс первичной эмбриональной индукции нельзя понять исходя только из внутренних свойств самого индуктора: ? для его нормального осуществления требуется по меньшей мере компетентность реагирующего материала, а также какие-то другие его свойства, проявляющиеся в способности к самоорганизации. Это видно, например, из опытов английской исследовательницы Э. Дюкар. Она установила, что одиночные клетки не воспринимают действие индуктора и чем больше клеток в реагирующей ткани, тем активнее ее реакция. При этом уже индуцированные клетки могут передавать индукционное действие своим соседям. С другой стороны, для оказания индуцирующего действия достаточно лишь одной клетки индуктора.
\	- Механизмы индукции
Когда Шпеман открыл явление индукции, исследователи обратились к поискам механизма этого явления. Вначале су-шествовало мнение, что механизм заключен в каких-то тонких, сугубо прижизненных свойствах индуктора (или, по Шпемаиу, организатора). Однако уже через несколько лет обнаружилось, что мертвая (убитая нагреванием или фиксацией) ткань индуктора также может вызывать образование нейральных структур в компетентной эктодерме. Это вызвало целый поток работ по испытанию индуцирующего действия совершенно чуже-' родных тканей, а также различных химических веществ. Исследования, проводившиеся в конце 20-х и в 30-е годы, показали, что индукторами могут быть вытяжки из разных ткаией беспозвоночных и позвоночных животных, а также из растений. Индуцирующее действие проявили и некоторые неорганические вещества, например хлорид лития, который способствовал превращению компетентной эктодермы не в нейральную ткаиь, а в мезодерму и отчасти в энтодерму. Поэтому его назвали мезодер малнзующим или вегетализующим фактором.
Некоторое недоумение вызвали данные американского эмбриолога Л. Барта, который в 1940 г. описал явление «само-нейрализации»: в эктодерме зародыша аксолотля, помещенной в физиологический раствор, нейральные структуры возникали без всякого индуктора. Позже это объяснили тем, что при эксплантации ткани часть ее клеток гибнет, и из них высвобождаются индукторы, которые присутствовали там в скрытом виде. Широкое распространение иеспецифических индукторов и явле-
157
иия самонейрализации показывают, насколько сама по себе компетентная энтодерма зародыша близка к тому, чтобы вступить иа путь нейральной или мезодермальной дифференцировки.
Другое направление в изучении индукции связано с поисками «специфических индукторов» — таких веществ, которые вызывают индуцирующее действие в ничтожных концентрациях. Финские эмбриологи, руководимые С. Тойвоненом, в 30—40-х годах обнаружили, что такие индукторы могут быть получены из костного мозга, печени и почек млекопитающих. Вытяжки из печени индуцировали преимущественно передне-мозговые структуры (т. е. действовали сходно с головным индуктором), а вытяжки из костного мозга —преимущественно мезодермальные (подобно туловищному индуктору). Если в бластоцель подопытного зародыша имплантировать оба эти индуктора, то получится более или менее нормальный зародыш. Позднее немецкий биохимик X. Тидеман получил еще более активные индукторы из тканей куриных зародышей. Ему удалось более, чем кому-либо другому, приблизиться к’выяснению химической природы индукторов. Мезодермализующий индуктор оказался белком, а наиболее сильное нейрализующее влияние обнаружилось у фракции нуклеопротеидов. Тидеман обнаружил также, что лишь мезодермальный индуктор проникает в индуцируемую ткань, а нейральному индуктору достаточно подействовать на клеточные мембраны, чтобы началась нейральная дифференцировка. Это очень важный факт, свидетельствующий о значении перестроек мембраны в клеточной дифференцировке. В настоящее время интенсивно изучаются молекулярные механизмы действия индукторов (см. гл. 10).
ГЛАВА 8
ОРГАНОГЕНЕЗЫ И ЦИТОДИФФЕРЕНЦИРОВКА
В этой главе описано развитие основных систем органов позвоночных животных и дифференцировка нх клеток. При этом отдельные органы будут рассмотрены согласно принятому в курсах эмбриологии принципу, т. е. в порядке их преимущественной принадлежности к одному из трех зародышевых листков— энтодерме, мезодерме и эктодерме. Подчеркнем, что лишь немногие органы построены из производных одного какого-нибудь зародышевого листка. Большинство органов образует* ся из производных двух зародышевых листков и по мере развития вступает в контакт с другими листками или при своем возникновении и дифференцировке испытывает индукционные воздействия со стороны производных другого листка. Понятно поэтому, что принцип разделения органов па зародышевые ли-168
стки до некоторой степени условен. Однако этот принцип удобен для изложения и с некоторыми оговорками его можно применять.
Развитие производных энтодермы и связанных с ними закладок
Кишечная трубка и ее дифференцировка. К производным энтодермы относятся пищеварительная система и ее производные. Эволюционно она наиболее древняя и возникает в онтогенезе одна из первых. В разных классах позвоночных (см. гл. 4) кишечная трубка формируется неодинаково. У бесчерепных (ланцетник), круглоротых, хвостатых амфибий и рептилшГ на определенных стадиях разаития гастроцель представляет собой истинный археитерон, так как Материал хорды и мезодермы непосредственно гранниит г ппла^и1аи?астрлпр.ля. Лишь позже эти закладки-отделяются от полости гастроцеля наползающим с вентральной стороны слоем энтодермы и архентерон превращается в дефинитивный (окончательный) кишечник. В других группах позвоночных — птиц, млекопитающих, по-видимому, у всех рыб, а также бесхвостых амфибий — стенка гастроцеля с самого начала состоит из энтодермального материала; в связи с этим закладки хорды й мезодефмы~"йШсбгда'"’нёД,раничат с полостью кишечника. Таким образом, в этих случаях гастральное впячиваиие с самого начала представляет собой дефинитивный кишечник. Дальнейшее развитие и дифференцировка дефинитивной кишки в общих чертах сходны у всех позвоночных. Специфические особенности амниот, связанные с закладкой у них передней и задней кишки и их последующим объединением, были разобраны ранее (гл. 6).
Сформировавшаяся кишечная трубка позвоночных может быть разделена на три_отдел.а: переднюю, среднюю и заднюю кишки (рис. 67, 68). Наиболее сложно и.подробно дифференцируется, передняя кишка. Относительно долгое время она представляет собой слепой вырост, так как ротовое отверстие прорывается на сравнительно поздних стадиях. До этого времени пёредняя-ЖШка успевает.дифференцироваться надуютку, зачаток желудка и зачаток, печени. Зачаток печени возникает из печеночного выроста. Кроме того, за счет материала передней кишки впоследствии формируются большая часть двенадцатиперстной кишки и поджелудочная железа. На более поздних стадиях развития из вентральной стенки передней кишки образуются зачатки легких. Они появляются непосредственно сзади глотки па вентральной стороне пищеварительного канала в виде парных выпячиваний. Дальнейшее развитие этих зачатков рассматривается в этой же главе.
Одна из наиболее характерных черт зародышей всех позво-
169
ночных — образование в стенке глотки жаберных карманов, часть которых превращается в сквозные жаберные щели (рис. 67). Наибольшее число жаберных щел ей _ формируется у низших позвоночных. Например, у круглоротых их 14. У зародышей" амфибий~закладывается пять пар жаберных карманов, из которых четыре задних открываются во внешнюю среду в
таё.ш. 5 т, H/Пп.
зп
Рис. 67. Зародыши амфибий на стадии ранней хвостовой почки в сагиттальной проекции. Д—вид с удаленной покровной эктодермой; Б — вид разреза в сагиттальной плоскости:
ан — анальное отверстие, сл.».—слуховой пузырь, гл.п.— глазной пузырь, гл.ст.— глазной стебелек, жаб.щ,— жаберные щели, ж.энт,— желточная энтодерма, зач.гип,— зачаток гипофиза, з.к,— задняя кишка, м — мозг, мезод — мезодерма, н.тр,— нервная трубка, п.м.~ передний мозг, я.передняя кишка, печ.в.— печеночный вырост, р— место будущего рта, пр — пронефрос, с — сердце, сом — сомиты, Ср.к.— средняя кишка, х — хорда, эп. — эпидермис (покровная эктодерма), жаб,д.— жаберные дуги, ср.м,— средний мозг
виде жаберных щелей, а передний так щ_о_£Га.ется слепым выростом. При прорыве жаберных щелей покровная эктодерма соединяется с энтодермой передней кишки.
У зародынIёй~~амниот закладываются четыре пары жаберных карманов, из которых три передних на короткое время превращаются в жаберные щели но впоследствии снова зарастают. Первая пара карманов превращается р евстахиевы трубы, соединяющие подоети—среднего уха с ротовой полостью. Из_д^у-гих жаберных карманов развиваются железы "внутренней сек-
ЩЕ’Л'Ж П,
Рис. 68. Развитие органов пищеварения и их производных у амфибий. А — фронтальный, Б — сагиттальный разрез зародыша на стадии ранней хвостовой почки, В—схема строения передней части кишечника на более поздней стадии развития (сагиттальная проекция):
гл — глотка, ал.к,—глоточные карманы, де.к.—двенадцатиперстная кишка, ж — желудок, желчи.п.— желчный пузырь, л — зачаток легкого, п — зачаток печени, пен.в — печеночный вырост, л.нк>—полость передней кишки ср.к.— средняя кишка, х— хорда
170
первой и второй жаоерными ду-
де
\ Р.З.
Рис. 69. Зачаток зуба зародыша саламандры:
з.с.—зубной сосочек, р.э.— ротовой эпителий, э.о.— эмалевый орган
рецин: третья пара карманов дает начало парному зачатку зоб-ной жел езы _(тиму су) / четвертая — паращитовидным” железам.
'""Все эти железы образованы преимущественно эндодермальной ныстилкои_жабе р н ы х карманов Из^энтодермы дна_г.лотки в виде непарного выпячивания_межд гами формируется ^щитовидная железа.
В промежутках между жаберными щелями,_з.а клад дываются хрящевые жаберные " дуги; ^о бра зующйе—в и с-цёральный скелет. Они строятся нз ‘переместившихся сюда клеток нервного гребня (эта закладка описана ниже). Чем выше организа^ ция позвоночного, тем больше сокращается число жаберных дугщсоторые в ходе развития подвергаются все большим преобразованиям. У круглрр оты х и акуловых рыб_закладывае.тся семь пар ДУ£,__ У других рыб — пять пар. Хрящи первой пары превращаются у рыб в челюстные дуги, хрящи второй пары —jb таки азы в ГёЯую~п о д ъ яз ы ч н у ю дугу. У наземных позвоночных щГсчет хрящей первых-д-в-ух itap вОз14ккают, кроме того, слуховые косточки (см. ниже). За счет остальных дуг у высших позвоночных формируются хряши трахей. Кроме того, клетки дорсальных концов жаберных. дуг участвуют в образовании головных нервных ганглиев.
Ротовое впячивание (стомодеум)—также производное эктодермы. Оио'появляется уипозв.аношшж-сравннтедьно_Д1оздно и вначале отделено..от. полости глотки .ротоглоточной-мембраной, которая’затем прорывается. Еще до соединения с полостью глотки дорсальная часть ротового впячивания (карман Ратке) соприкасается^ Дном промежуточного" мозга. Впоследствии карман Ратке полностью отшнуровывается от ротового впя-чиваиия н образует~пёредн1ою н промежуточную доли важнейшей эндокринной железы — гипофиза. Задняя, нейральная, доля гипофиза возникает ^з~дна7Ч1ром^Жуточного мозга под индукционным воздействием кармана Ратке.
, Зубы развиваются из общего эпителиального утолщения
эктодермального происхождения и из мезенхимной ткани, в которую это утолщение вдается (рис. 69). Мезенхима зубного зачатка берет начало из клеток нервного гребня (см. ниже). Из эпителиального утолщения, врастающего в подлежащую
171
мезенхиму, формируется тяж — зу^йта^ищдашщка. На ее внут-'ренйеи^пбверхности появляются колбовидные выросты, нз которых возникают эмалевые органы. Навстречу каждому из них в виде зубного сосочка расте,т„мез,еюшца. Эмалевый орган имеет форму колпачка. Внутренний, прилежащий к мезенхиме слой колпачка состоит из цилиндрических эпителиальных клеток (амелобластов), выделяющих на своей поверхности белковые вещества, называемые зубной эмалью. Эпителиальные зачатки зубов 1га^шаютсТ~^ХпёвышГЖб’лпТчкамн или эмалевыми органами. Вдающаяся в эмалевые колпачки мезенхима образует зубные сос.очкнГ Мезенхимные, клетки наружных? принадлежащих к эмалевым колгщёпШ£ххещо^	сосочков, дифферен-
цируются, превращаясь в преодонтобласты. Эти клетки синтезируют ’ й секретя р ую Гденш о.вый^к о л л аген?~ дентиновые фосфопротеины, гликопротеиды, из которых вначале формируется предентин, который, минерализуясь, превращается в дентин — твердое вещество, составляющее основу зуба. .Из зубного совочка развивается зубная мякоть, куда позже прораст а ют и ер -
^ЛыТГкровёносные сосуды.	~ ~~~
XJ5e~ части зубных зачатков — эпителиальная и мезенхимная — дифференцируются на основе тесных взаимодействий. В эпитслии зубного зачатка в изоляпия^изд-меадяхдты на проходят. Даже самые ранние стадии ..дифференцировки: он орогове-вает и погибает. С другой стороны, эпителий, взятый даже из другого отдела за роды ша~7йа Пример, покровная эктодерма из области зачатка конечности), iy контакте с мезенхимой зубного зачатка рбр_а^Х-ЭМдлевьшг-орган. Мезенхима зубных сосочков индуцирует в эпителин-синтез эмалевых, белков, а также оказывает на зачаток зуба и более общее формативное воздействие, определяя _его‘ специфику (возникновение из данного зачатка коренного зуба или резца). Но в изоляции от эпителия мезенхима зубного зачатка не способна „синтезировать дентин. Таким образом, в зачатке зуба"эпителий и.мезёнхйма взаимодействуют между собой.
Морфологическая дифференцировка легких, печени и поджелудочной железы. В морфологической .дифференцировке этих, органов немало общегру в Общих чертах она сводится к последовательному ветвлению первоначальных зачатков — выступов кишечного эпителия — на все более тонкие выросты, вклинивающиеся в окружающую их мезенхиму. Как морфологическая, так и последующая цитологическая дифференцировка зачатков легких, печени и поджелудочной железы (так же, как и более мелких желез пищеварительного тракта — больших слюнных желез) невозможна без взаимодействия эпителия с окружающей его мезенхимой (эти взаимодействия будут рассмотрены в гл. 9).
Морфологическая дифференцировка легкого начинается с развития в каждой из его половин так называемого бронхиальною древа — системы последовательно и дихотомически 172
ветвящихся слепых эпителиальных выпячиваний — бронхов. На концах бронхов образуются концевые альвеолы, которые позже подразделяются на вторичные альвеолы. Кроме них на стенках мелких бронхов возникают боковые альвеолы. Окончательная дифференцировка альвеол наступает после заполнения легких кислородом, т. е. уже после рождения плода.
Зачаток печени (непарный печеночный вырост) подразделяется затем на две части: переднее выпячивание, образующее собственно зачаток печени, н заднее — зачаток желчного пузыря. Выпячивание печени, имеющее вначале вид плотного тяжа, в дальнейшем многократно разветвляется на многочисленные печеночные тяжи, которые, переплетаясь друг с другом и разрастаясь, образуют железистую паренхиму. В дальнейшем между ними врастают мезенхимная ткань и кровеносные сосуды.
В ходе последующего развития дифференцируются гепатоциты с нх характерной внутриклеточной структурой. Небольшая часть гепатоцитов на поздних стадиях развития становится полиплоидной (тетра- или октаплоиды). Клетки печени синтезируют н выводят ряд важных веществ: вителлогенин (у самок), фетопротеин (см. гл. 9), сывороточный альбумин.
Поджелудочная железа развивается из двух выпячиваний кишечной трубки: дорсального и возникающего несколько позже вентрального. В дальнейшем благодаря повороту двенадцатиперстной кишки вокруг своей оси оба зачатка сближаются и в конце концов срастаются, открываясь в кишку единым протоком. В поджелудочной железе образуются два типа специализированных клеток: эндокринные (вырабатывающие инсулин) и экзокринные (синтез липазы, амилазы). Первый тип клеток — р-клетки островков Лангерганса. Они развиваются из клеток эпителия кишки под индуцирующим влиянием мезодермы. Выделен н очищен мезодермальный индуктор (см. гл. 10). Интересно, что синтез инсулина начинается задолго до морфологической дифференцировки р-клеток. Затем, когда клетки сформируются (у крыс — на 15— 16-е сутки эмбрионального развития), синтез инсулина возрастает примерно в 200 раз. Синтез экзокринных ферментов также начинается на низком уровне и лишь спусти 3—4 дня повышается на несколько порядков.
Роль эпнтелиальио-мезснхимных взаимодействий в дифференцировке эктодермальных зачатков. Для дифференцировки энтодермальных-зачатков требуются непосредственные контакты сП^С^ермрХ'Прй'"этом на ранних стадиях развития достаточны менее специфические, а для окончательной дифференцировки — более специфические контакты. Так, для формирования выроста легкого из эпителия передней кишки достаточен контакт эпителия с мезенхимой этого же зачатка. Добавление чужеродной мезенхимы может полностью изменить направление развития зачатка: под влиянием мезодермы желудка легочная энтодерма будет образовывать структуры, сходные с железами же
173
лудка, под влиянием мезодермы печени—‘печеночные тяжн. Для начальных стадий морфогенеза зачатка печени необходим его контакт с мезодермальными клетками зачатка сердца, а для дальнейшей биохимической дифференцировки клеток печени — контакт с собственной, печеночной мезодермой. Присутствие специфической мезодермы необходимо также для полной дифференцировки и функционирования щитовидной железы. Несколько менее специфические влияния требуются при развитии поджелудочной железы:; для нормальной дифференцировки эпителия поджелудочной железы в клетки, секретирующие гормоны (в том числе инсулин), также необходим контакт с мезенхимой, но в условиях эксперимента собственная мезенхима поджелудочной железы может быть заменена чужеродной мезенхимой слюнных желез или вторичной почки.
Отметим, что для мезодермального фактора, выделенного не из зачатка поджелудочной железы, а нз целого эмбриона, характерна высокая индуцирующая способность. Промежуточное положение по степени специфичности эпителиально-мезенхимных взаимодействий занимают ткани слюнных желез. Для дифференцировки железистой паренхимы слюнных желез из эпителиальной выстилки стомодеума (закладки глотки) необходим контакт с окружающей мезенхимой: без этого не может даже начаться образование железистых трубочек. Однако более или менее нормальная дифференцировка околоушной слюнной железы может проходить не только под влиянием собственной мезенхимы, но и под воздействием мезенхимы подчелюстной железы и даже легкого. С другой стороны, под действием мезенхимы желудка и поджелудочной железы возможна лишь самая ограниченная дифференцировка.
Развитие производных мезодермы
, Осевая мезодерма. У всех позвоночных имеются осевая и //боковая мезодермы, причем-осевая мезодерма подразделяется 'на сомиты (метамернзуется). Способ закладки и дифференцировки сомитов в разных классах хордовых неодинаков. У ланцетника сомиты формируются в виде энтероцельных выпячиваний архентерона и с самого начала содержат участок целомической полости. У большинства позвоночных сомиты сначала закладываются в виде сплошных скоплений мезодермальных клеток и лишь позже в них возникают полости путем расхождения этих клеток.
В ходе дальнейшего развитиия сомита из его клеток образуются три основные закладки (рнс. 70) /’Наружная, обращенная к эктодерме стенка сомита формирует кожный листок, или дерматом. Из его клеток впоследствии возникает соединительнотканная часть кожи, представленная преимущественно фибробластами:0 Внутренняя часть сомита, примыкающая к хорде (низшие позвоночные) или к хорде и нервной трубке (высшие
' 174
позвоночные), образует склеротом— зачаток осевого скелета, вскоре распадающийся ’на отдельные клетки. Часть сомита, расположенная между дерматомом и склеротомом,— миотом— зачаток всей поперечно-полосатой мускулатуры. В разных классах позвоночных соотношение н темпы развития этих частей сомита неодинаковы. У низших позвоночных основная часть сомитов, как правило, представляет собой мнотомы. У высших позвоночных сомиты вначале подразделяются на дерматом и массу склербтомных клеток, а миотом (точнее, скопление эмбриональных мышечных клеток — миобластов) появляется позже на внутренней поверхности дерматома. Некоторые авторы полагают, что миобласты возникают путем размножения клеток дерматома, другие —что они перемещаются на его поверхность из более внутренних областей, отделяясь от массы склеротомальных клеток. ,
Рис, 70, Четыре последовательные стадии (Л—Г) развития производных мезодермы (из А. А. Заварзина, 1935):
а — аорта, в.кг— вольфов канал, в.м.~ висцеральный листок мезодермы, гл — гломус, дт — дерматом, мт — миотом, нет— нефростом, нт — нефротом, п,м,— париетальный листок мезодермы, х — хорда, ц — целом
175
Вначале осевая мезодерма метамеризуется не только в туловищной, но и в головной части тела зародыша. Однако во взрослом состоянии лишь у ланцетника в области головы сохраняется метамерная структура. У других позвоночных голов-
ные сомиты распадаются вскоре после своего возникновения. Основная часть их клеток образует парные хрящевые заклад-
ки задней части черепа — так называемые парахордалии
Рис. 71. Схема расположения закладок черепа у зародыша позвоночного:
(рис. 71). Таким образом, эта клеточная масса по своим потенциям соответствует "склеротомам. Передние концы парахор-' далий, как и передний конец хорды, находятся на уровне вентральной мозговой складки (см. ниже). Спереди от нее возникают еще две парные Г-образные хрящевые закладки черепа — трабекулы. Их задняя часть строится из мезенхимы пре-хордальной пластинки, а передняя — из клеток нервного гребня (как и висцер-
* а льный скелет).
Туловищные (сомиты всех позвоночных в конце концов также распадаются, но намеченная ими метамерия тела у взрослых животных сохраняется, так как сомиты определяют расположение спинальных нервных ганглиев (в промежутках между сомитами) и кровеносных сосудов, а склеротомы дают начало телам
г — гипофиз, г. к,— глазная капсула, о,к.— обонятельная капсула, пх— парахордалия. сл,к.—слуховая капсула, тр — трабекула
ПОЗВОНКОВ,
Возникающие из хрящевых клеток склеротомов тела позвонков располагаются всегда между спинальными ганглиями. Зависимость расположения позвонков
от расположения ганглиев подтверждена экспериментально. Каждый позвонок образует пару дорсальных отростков, смыкающихся в окружающую спинной мозг нейральную дугу и пару вентральных отростков, которые в хвостовой области смыкаются в гемальиую дугу, а в грудной области образуют ребра.
Сомиты соединяются с боковой пластинкой посредством ножек— иефротомов (рис. 70); из иих развиваются сегментарные органы выделения, имеющиеся иа определенных стадиях развития у зародышей всех позвоночных, ио функционирующие во взрослом состоянии только у низших позвоночных (см. ниже).
Дифференцировка клеток поперечнополосатой скелетной мышечной ткани. В определенных участках сомитов — миото-мах — накапливаются миобласты. Для них характерна вытянутая форма, слегка базофильная цитоплазма. Специфических, сократительных белков миобласты еще не содержат.
Считается, что непосредственным предшественником мио
176
бластов является интенсивно пролиферирующая самоподдер-живающаяся популяция стволовых миогенных клеток.. В ходе дифференцировки мышц количество стволовых клеток уменьшается. Однако есть основания полагать, что небольшое количество малодиффереицированных элементов сохраняется в виде так называемых сателлитных клеток — небольших плоских клеток, прижатых к мышечному волокну между его плазматичё* ской -щ базальной мембранами. Предполагают, что у взрослого животного сателлитные клетки служат источником клеточного материала при регенерации (см. гл. 13).
Следующий этап в формировании скелетной мышцы связан с образованием миосимпластов (многоядерных клеток). Происходит это либо путем амитозов, либо путем слияния миобластов. Позднее формируются мышечные трубочки — мио-тубы. В отличие от миосимпласта в ннх появляются миофибриллы с характерной поперечнополосатой исчерченностью; однако ядра продолжают оставаться в центральной зоне. При последующей дифференцировке миотубы превращаются в структурный элемент соматической мышцы — мышечное волокно.
В ходе этого превращения увеличивается количество миофибрилл, занимающих центральное положение, ядра перемещаются иа периферию волокна. Между миофибриллами развивается мощная сеть цистерн и каналов эндоплазматического ретикулума, осуществляющего функцию обмена ионов при мышечном сокращении.
Слияние клеток — один из наиболее важных процессов при дифференцировке скелетных мышц. Ойо связано с серьезными перестройками в строении н физиологии клеток. Именно на этой стадии клетки перестают синтезировать ДНК и делиться, в них накапливаются продукты специфических генов (табл. 4), возрастает количество митохондрий, выявляются крупные полисомы, содержащие порядка 50 рибосом, синтезирующие актии и миозин. Возникают актиновые (в результате полимеризации) и миозиновые фибриллы, которые, соединяясь в определенном порядке, образуют актомиозиновые нити. По мере увеличения количества этих нитей формируются продольные пучки миофибрилл с характерной поперечной исчерченностью — элементы поперечнополосатой мускулатуры. На конечных этапах формирования клетки иннервируются аксонами двигательных нервов.
Хондрогенез (образование вещества хряща). Хондрогеиез происходит не только в склеротомах сомитов, но и в других частях зародыша, в том числе в зачатке конечности. Первоначально в зоне будущего хоидрогенеза уплотняются склеротомные элементы — хондроциты. Их цитоплазма содержит хорошо развитый эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджн. Они синтезируют и секретируют вещество внеклеточного матрикса — аморфную электрониопрозрачную субстанцию мукопо-
12 Заказ G45	177
Таблица 4. Характеристика мышечных белков
Белки	Молекулярная масса	Содержание относительно всех белков, миофибрилл, %
Структурные белки Миозии	500 000	50—60
Актин	45 000	20
Тропомиозин	70 000	7—10
Тропонин	80 000	2—5
а-Актинин 6S	160 000 1	
ct-Актинин 25S	3 200 000 J	
Р-Актинин	130 000	1—20
Ферменты		
Креатинкиназа Фосфорилаза а		
лисахаридной природы с небольшим количеством фибриллярного материала.
У хондроцитов, окруженных секретируемыми продуктами, снижается пролиферативная активность, хотя по соседству с ними находятся зоны миогенных клеток, где эта активность еще достаточно высока. Постепенно количество секретируемого мукополисахарида возрастает и хондроциты оказываются погруженными в сплошной матрикс.
Особенность хондрогенеза состоит в том, что дифференцировка хондроцитов сопряжена с индукцией со стороны нервной > трубки и хорды. Факторы, индуцирующие - дифференцировку хондроцитов в почках конечностей, еще недостаточно выяснены.
Развитие органов выделения. У анамний последовательно развиваются два сменяющих друг друга органа выделения: головная почка, или предпочка (пронефрос), и туловищная, или первичная почка (мезонефрос). У взрослых анамний функционирует обычно мезонефрос, хотя у личинок и даже у взрослых круглоротых и некоторых костистых рыб пронефрос также участвует в функции выделения.
У амниот вслед за пронефросом и мезонефросом развивается расположенная каудальнее тазовая почка — метанефрос, которая и функционирует (хотя у сумчатых млекопитающих вплоть до достижения половой зрелости действует мезонефрос). Все три типа почек образуются из мезодермы, находящейся в области ножек сомитов. Пронефрос развивается из ножек немногих передних сомитов, мезонефрос — из ножек почти всех туловищных сомитов, а метанефрос — из расположенного каудальнее скопления нефрогенной мезенхимы.
Наиболее четко метамернзация выражена в развитии пронефроса. Стенкн его канальцев образуются непосредственно из
стенок сомитных ножек. Поэтому канальцы пронефроса открываются своими, внутренними концами в полость целома. Эти концы имеют вид воронок, покрытых ресничками,-—нефростомов (рис. 70, 72). Противоположные концы канальцев загибаются назад н сливаются друг с другом в парные продольные тяжи, из которых развиваются вольфовы каналы, или первичные
Рис, 72. Схема выделительных и половых органов зародыша позвоночного;
а — аорта, в.к,— больфов канал, в.п,— вольфов проток, гл — гломерулус, к — кишечник, 41, п,— мюллеров проток, мт — миотом, п.в.— половой валик, гг.скл.— половая складка, ц — целом
мочеточники. Вольфовы .каналы продолжают расти назад, индуцируя образование мезонефрических канальцев в более задних сегментах тела.
Канальцы мезонефроса также возникают из мезодермы сомитных ножек, ио у большинства позвоночных ко времени образования мезонефрических канальцев мезодерма ножек отшну-ровывается от сомитов и преобразуется, в мезенхимную ткань. Из этой ткани и формируются метамерные мезонефрические канальцы, у которых впоследствии появляются многочисленные изгибы и ответвления. У зародышей анамний внутренние концы' мезонефрических канальцев вторично соединяются с целомом посредством ресничных воронок, а у высшнх позвоночных канальцы слепо заканчиваются в мезенхиме. Наружные-концы канальцев открываются в первичный мочеточник, который индуцирует само образование канальцев.
У высших позвоночных от мезонефроса остаются лишь небольшие придатки половых желез — так называемый эпоофо-рон у самок и эпидидимис у самцов. Функционирующей почкой у высших позвоночных, как уже говорилось, является метанефрос (тазовая почка). В строении метанефроса не остается уже никаких следов метамерии, и он не связан с целомом ни на одной стадии развития. Тем не менее нефрогенная мезенхима, из
12*
179
5
которой метднефрос построен, произошла из того же источника, что и материал про- и мезонефроса,— из ножек сомитов.'
Важную роль в развитии тазовой почки играет первичный мочеточник (рис. 72, в. /с.). От него к скоплению нефрогенной мез(енхимы растет отросток с расширенным концом. Сам отросток превращается во вторичный мочеточник, а его расширенный конец— в почечную лоханку. На поверхности лоханки также образуются выпячивания, из которых развиваются верхние отделы выводных путей почки. Позже оиН открываются в мочевые 1 канальцы, которые образуются уже из нефрогенной мезенхимы, но под индукционным воздействием вторичного мочеточника. Мочевые канальцы тесно соприкасаются с клубочками кровеносных капилляров, образуя вместе с ними мальпигиевы тельца — органы фильтрации высших позвоночных.
Половые железы и половые протоки. Стенки половых желез позвоночных развиваются из утолщения висцерального листка блоковой пластинки на уровне ножек сомитов. Эти утолщения получили не совсем удачное название герминативного эпителия (рис. 72, 73, Л). Недостаток этого укоренившегося термина состоит в том, что он как бы подразумевает происхождение половых клеток из этого эпителия. На самом деле половые клетки возникают из первичных гоноцитов и лишь позже заселяют половые железы. Герминативный эпите-
Рис. 73. Схема гистологической дифференцировки гонады у высших позвоночных (поперечный разрез эмбриона). А — половой валик; Б — индифферентная гонада; В—семенник, Г — яичник
180
лиЙ —это соматическая ткань, образующая стенку половой железы. Сама железа на ранних стадиях своего развития представляет собой складку, вдающуюся в полость тела,—так называемую половую складку. Эта складка постепенно заполняется окружающей мезенхимой, за. счет которой развивается внутренняя (мозговая) часть железы. Вплоть до определенной стадии развития железа имеет одинаковое для обоих полов строение (рис. 73, Б), Затем под влиянием проникших в нее первичных половых клеток, а также в зависимости от гормонального баланса организма железа дифференцируется либо в семенник (рис. 73, В), либо в яичник (рис. 73, Г). Для яичника характерно преимущественное развитие корковой части (из которой впоследствии образуется фолликулярный эпителий, окружающий ооцп’ты), для семенника — мозгового слоя. Неодинаково в зародышах разного пола идет и . развитие выводных протоков половых желез. У самцов семенные канальцы, где проходит сперматогенез, соединяются с вольфовыми каналами, которые принимают на себя функции семяпроводов. У амниот вынос семени — единственная функция вольфовых каналов, так как связанный с тазовой почкой вторичный мочеточник развивается из специального выроста вольфова канала. У анамний, где функционирующей почкой является мезонефрос, вольфовы каналы объединяют функции мочеточника й семяпровода.
В эмбриогенезе позвоночных появляется еще'одна, пара каналов, идущих параллельно вольфовым,— мюллеровы каналы (рис. 72). У самцов они позже дегенерируют, а у самок сохраняются и превращаются в яйцеводы. У многих анамний по крайней мере верхние отделы мюллеровых каналов развиваются за счет клеток резорбирующегося пронефроса. Поэтому этн каналы открываются в полость тела (целом) одним из нефростомов пронефроса, превратившегося в воронку яйцевода (это. хороший пример субституции — замещения функций, что, по мнению ряда авторов, является одним из главных путей эволюции органов). При овуляции яйцо выходит сначала в полость тела и уже затем захватывается воронкой яйцевода (мюллерова канала).
Механизм , определения пола. Развитие гонады в семенник нли в яичник детерминируется генетически — факторами половых хромосом (гоносом). У млекопитающих, у которых мужской пол гетерогаметен и клетки содержат XY-хромосомы, важная роль в ранней' дифференцировке гонад принадлежит Х-х'ромосоме, точнее ее генам, которые определяют появление в. клетках так называемого «Н — Y» антигена. Присутствие «Н — У» антигена на поверхности клеток еще недифференцированной половой железы служит причиной такого типа взаимодействий между клетками, в результате которых формируются канальцы, т. е,образуется семенник. Если же в клетках «Н—Y» антигенов нет, т. е. когда половые хромосомы в клетках зачатка гонады представлены ХХ-хромосомами, канальцы не формиру
181
ются и этого достаточно, чтобы начали формироваться фолликулы, а_ зачаток превратился в яичник. Следовательно, особых генов, необходимых для формирования яичника из недифференцированной гонады, по-видимому, нет. Однако для полноценного развития яичника необходимо, чтобы в периферической зоне зачатка гонады уже были гоноциты. При их отсутствии янчннк дегенерирует.
Второй ген в системе определения пола, функция которого ' связана с развитием мужской половой системы, локализован в Х-хромосоме. Он контролирует синтез рецепторов, которые располагаются на поверхности клеток, являющихся мишенями андрогенов (см. гл. 10) —гормонов, вырабатываемых семенником и регулирующих формирование системы протоков (половой системы самца — см. выше). Таким образом, продукты генов «Н — Y» и второго гена действуют последовательно н обеспечивают специфические межклеточные взаимодействия, необходимые для развития мужской половой системы: первый определяет пол путем контактных взаимодействий в гонаде, второй путем дистантных взаимодействий обеспечивает развитие протоков.
Производные боковой пластинки. Расположенная нейтральнее ножек сомитов боковая пластинка очень райо разделяется на париетальный и висцеральный листки. Между ними находится вторичная полость тела (целом), и оба листка образуют ее выстилку. Соответственно своему положению париетальный листок формирует внешнюю выстилку целома, а висцеральный листок — внутреннюю. Оба листка соединяются друг с друком по средней линии тела посредством спинной и брюшной брыжеек.
Рассмотрим сначала развитие производных висцерального листка. К ним относят сердце, кровеносные сосуды и клетки крови. Кроме того, по данным П. Ньюкупа, у хвостатых амфибий из висцерального листка образуются первичные половые клетки (гоноциты). Все эти закладки для полноценного развития нуждаются в контакте с энтодермой. Так, пре^умптивная кроветворная мезодерма не формирует кровяных островков в отсутствие контакта с энтодермой. Развитие сердца может идти и вне контакта с энтодермой, но наличие таких контактов ускоряет этот процесс.
Развитие сердца. У птиц парный зачаток сердца возникает в середине вторых суток инкубации в виде двух симметрично расположенных утолщений висцерального листка мезодермы, который тесно связан с энтодермой. Левый и правый зачатки соединяются лишь после сворачивания энтобласта в трубку головной кишки, причем нейтральнее последней (рис. 74). Из объединившихся трубок висцеральной мезодермы возникает мышечная стейка сердца — миокард. Внутренняя оболочка сердца— эндокард —также получается в результате слияния двух трубчатых зачатков, образованных мигрировавшими пр энто-
182
бласту н миокарду мезенхимными клетками. Единая сердечная трубка переходит в широкие желточные вены, несущие кровь от внезародышевой системы кровообращения со стенки желточного мешка. Сердечная трубка лежит в широкой перикардиальной полости, являющейся частью целома.
Рис. 74, Последовательные стадии (А —Г) формирования сердца цыпленка из парных зачатков с вентральной стороны, полусхематично (из Б, И. Балийского, 1965):
мио — -зачатки миокарда, энд — зачатки эндокарда, ж.в.~ желточные вены
Точно так же, как у цыпленка, развивается сердце у всех других амниот.
В отношении цитодифференцировки сердечная мцшца отличается от скелетной тем, что здесь не сливаются миобласты и не образуются мышечные волокна. На протяжении всего гистогенеза эта ткань сохраняет клеточное строение.
Кровеносные сосуды позвоночных развиваются, по-видимому, исключительно из мезенхимы. Они закладываются в виде отдельных, не связанных друг с другом кровяных островков — клеточных скоплений, внутри которых позже образуются просветы. Затем отдельные трубочки сливаются в рыхлую сеть. Эти стадии развития особенно хорошо видны на краю бластодиска и во внезародышевых частях зародышей птиц, но по существу не отличаются и у других позвоночных. Наружные клетки островков — ангиобласт — уплощаются и вступают в контакт друг с другом, образуя эндотелиальную стенку сосуда, а внутренние клетки (гемобласт) превращаются в клетки крови.	" ''А.
Первые крупные сосуды зародыша — парные желточные вены, впадающие в трубчатый зачаток сердца сзади н несущие (у амниот) к сердцу кровь от внезародышевых частей, а также выходящий из переднего конца зачатка сердца ствол аорты, разделяющийся на два артериальных ствола. Расположение возникающих в дальнейшем кровеносных сосудов в основном определяется окружающими нх морфологическими структурами. Так, в головной области зародышей всех позвоночных вна
183
чале образуются шесть парных дуг аорты — по числу жаберных дуг. У высших позвоночных большинство этих сосудов впоследствии дегенерирует. Вообще в начале развития возникает избыточное количество мелких сосудов, часть которых в дальнейшем запустевает или превращается в капилляры. Лишь те сосуды, направление которых соответствует анатомическим особенностям тела взрослого животного и через которые проходит достаточно мощный кровяной поток, превращаются в раз-

Самшодершдиющаяся попул.чция стволвйых О 0 клеток (костный мозг) v
0Л
стохастически I
0
_____о	о гормон I	I	I
"----- г—	Мег3.
карио-
Тимцс Фабрициеба । сумка
Зритрс- Гра-позз	пула- ... .
.	позз позэ
III
Зритра- ytdmpo- Макроцит саза- tpoe зезини-фил
' Лим/ро- В V дзаг J
А (MtDtpoipat)
у о
Плазматическая клетка (продуцирует антитела)
Взаимодействие
Рис, 75, Схема путей развития эритроцитов и лимфоцитов из стволовых клеток крови	,	-
витые кровеносные стволы. Именно изучая развитие кровеносной системы, В. Ру впервые пришел к принципу эквифинально- / стн, о котором уже говорилось (гл. 7): один и тот же план строения кровеносной системы взрослого организма создается разными путями из беспорядочных, вариабельных «узоров» / эмбриональных кровеносных сосудов.
Кроветворение. Кровь представляет собой тканевую систему позвоночных, состоящую из плазмы и форменных элементов. К форменным элементам относятся эритроциты, лейкоциты и тромбоциты (кровяные пластинки). Рассмотрим пути развития эритроцитов и лимфоцитов (рис. 75).
Эритроциты развиваются из стволовых клеток крови, которые под влиянием гормона эритропоэтина (см. гл. 9 и 10) превращаются в так называемые коммитированные клетки — непосредственные предшественники эритробластов. Эти ранние формы не удается распознать по их морфологии, поэтому их характеристики основаны на косвенных данных. Коммитирован
184
ные клетки превращаются в проэритробласты — первую морфологически узнаваемую эритроидную форму, которая, пройдя несколько стадий, превращается в эритроцит. Весь этот период ~ от проэрнтробласта до эритроцита — называют периодом терминальной дифференцировки эритроидных клеток. В ходе дифференцировки изменяются общая морфология и строение клетки, химический состав, метаболизм, функция генов. В результате этих изменений появляется узкоспециализированная клетка, в которой вместо десятков тысяч разнообразных белков присутствует в основном одни внд специфического белка — гемоглобин.
Важная особенность эритроидной системы — то, что существуют разные виды эритроцитов, которые отличаются между собой по морфологии, наличию нли отсутствию ядра и по структуре гемоглобина. Однако физиологическая функция всех эритроцитов одна — газообмен. Свойства эритроцитов меняются в ходе индивидуального развития путем смены генераций эритроцитов, -отличающихся деталями морфологии, физиологии и типом гемоглобина. Первая генерация появляется на ранних стадиях эмбрионального развития (у цыпленка в середине вторых суток развития, у мыши — на 8-й день эмбрионального развития) в желточном мешке. Эта популяция эритроидных клеток зарождается и развивается синхронно, и в них образуется так называемый эмбриональный тип гемоглобину (НЬЕ). На последующих стадиях эта генерация эритроцитов исчезает, появляется новая генерация клеток, которые содержат плодный (фетальный) тип гемоглобина (HbF). Эти эритроциты развиваются в печени, селезенке. Наконец, и этот тип эритроцитов исчезает, а на смену ему приходит дефинитивны^/тип эритроцн-.  тов, которые образуются в костном мозге. Дефинитивные эритроциты начинают формироваться в конце эмбрионального — начале постэмбриоиального периодов развития и в последующем представляют собой основной вид эритроцитов взрослого организма, Они содержат третий — дефинитивный вид гемоглобина (НЬА и НЬАз).
Смена генераций эритроцитов характерна как для низших, так и для высших позвоночных животных, но число генераций может быть разным и, кроме того, у них различаются типы гемоглобина. Например, у амфибий две генерации эритроцитов: личиночная и дефинитивная, появляющаяся после метаморфоза. У млекопитающих имеется по крайней мере три:Генерации. На рнс. 76 схематически показаны смена типов гемоглобина в онтогенезе человека и состав их полнпептидных цепей.
В клетках начальных стадий, вступивших на путь пролифе-f рацион дифференцировки, гемоглобин еще отсутствует, он начинает накапливаться со стадии базофильного эритробласта. 'Перед этим в клетке индуцируется активность генов, кодирующих гемоглобиновые полипептиды, и в полисомах появляется иРНК этих белков.
185
о /26	36 Месяцы
Ромдение^
Рис. 76. Смена типов гемоглобина в индивидуальном развитии человека, а, р, у, 6, в, 2—иолипептидные цепи гемоглобина, присутствующие в эритроцитах. HbF — фетальный гемоглобин; НЬА, НЬА2 — дефинитивные гемоглобины
У млекопитающих на стадии ортохромного эритробласта ядро вначале пнкнотизируется, а затем выталкивается из клетки, и безъядерная клетка — ретикулоцит — выходит в кровь. У птиц и низших позвоночных ядро в ретикулоцитах и эритроцитах сохраняется, но сильно уменьшается в размерах, а хроматин конденсируется. В ретикулоцитах продолжается синтез гемоглобина (другие белки практически не синтезируются) и завершается формирование зрелого эритроцита. £ Безъядерный эритроцит практически лишен внутриклеточных структур (встречаются отдельные митохондрии), а его содержимое представляет собой плотный раствор гемоглобина, заключенного в мембрану, которая содержит небольшой набор рецепторных белков.
В настоящее время еще не ясно, как происходит сме- . на очагов эритропоэза и являются ли сменяющие друг
друга генерации эритроидных клеток производными одной ветви стволовых клеток (которые переселяются из желточного мешкав печень, селезенку, затем в костные пазухи) или же разные генерации— это производные независимо образующихся стволовых клеток.
Лимфоциты, обеспечивающие иммунные функции, не возникают так рано, как эритроциты. Иммунная система также начинает функционировать позднее. На эмбриональных стадиях развития еще нет иммунологической реакции на чужеродные белки. Так же, как в случае эритроидных клеток, дифференцировка клеток иммунной системы не завершается в эмбриогенезе, а непрерывно длится и во взрослом организме^ .
Формирование иммунной системы — один из наиболее сложных процессов дифференцировки стволовых клеток крови. Важная особенность этой дифференцирующейся системы состоит в том, что развивается крайне гетерогенная в функциональном отношении (миллионы клеток, отличающихся по типу продуцируемого белка — антитела), но морфологически неразличимая популяция клеток. Поэтому процесс дифференцировки этих клеток изучается в основном специальными биохимическими и иммунологическими методами.
Существуют две иммунные системы, защищающие организм от инфекции и от раковых клеток. Соответственно формируется н две линии клеток (рис. 75): лимфоциты, проходящие через тимус (зобная железа) —Т-лимфоциты и лимфоциты, кон-Г	*
136
тактирующие с клетками фабрициевой сумки птиц либо с клетками ее аналогов,— В-лимфоциты. У млекопитающих, лишенных фабрициевой сумки, В-лимфоциты формируются в лимфоидных органах, в лимфоидных фолликулах стенки кишечника, в аппендиксе. Те и другие происходят из самоподдержнвающей-ся популяции стволовых клеток лимфопоэза (лимфоцнтообра-зования). Длительное время был не совсем ясен генезис этих стволовых клеток. Рассматривались две возможности: 1) существует единственный, общий и для эритропоэза н для лимфопоэза тип стволовых клеток крови, находящихся у взрослых животных в костном мозге, от которых ответвляется популяция стволовых клеток лимфопоэза; 2) стволовые клетки лимфопоэза имеют независимое происхождение. Эксперименты последних лет дали убедительные свидетельства в пользу первого предположения.
После выхода из тимуса н фабрициевой сумки (или ее аналогов) Т- и В-лимфоциты заселяют вторичные лимфоидные органы (лимфоузлы, селезенку). Здесь происходит их дальнейшая дифференцировка. На этой стадии лимфоциты уже чувствительны к антигенам, т. е. их митотическая активность стимулируется антигенами. Здесь также важную роль играет микроокружение, причем для Т- и В-клеток оно различно. Чувствительность к антигенам — проявление способности лимфоцитов распознавать их и дифференцироваться в специализированные, продуцирующие антитела плазматические клетки.
Путь антигена к лимфоциту в лимфоидных органах сложен и до конца не выяснен. Сначала антиген поглощается макрофагами, затем каким-то образом передается ретикулярным клеткам,, где он располагается на концах длинных отростков. Т- и В-лимфоциты, взаимодействуя друг с другом, вступают в контакт с антигенами отростков ретикулярных клеток, в результате чего в них индуцируется дифференцировка в направлении формирования антнтелообразующей клетки. Сначала образуются плазмобласты— клон антителообразующих клеток, состоящих из 250—1000 молодых плазматических клеток, теряющих способность делиться. В небольшом количестве антитела начинают синтезироваться уже в плазмобластах по мере формирования клона. В зрелых плазмоцитах, образующихся из плазмо-бластов, их синтез резко возрастает, В результате за двое суток, которые составляют продолжительность их жизни, они продуцируют большое количество антител (за час примерно 10 млн. молекул). Каждый клон плазматических клеток специализирован на синтез антитела одной специфичности. Это определяется взаимодействием антигена и иммуноглобулиновых рецепторов, предварительно синтезирующихся в В-лимфоцитах.
Таким образом, в лимфоците сначала синтезируется множество иммуноглобулинов, которые располагаются на поверхности клетки. Затем в результате взаимодействия конкретного антигена с комплементарным ему иммуноглобулином происхо-
W

Рис. 77. Последовательные стадии (А, Б) развития почки конечности земноводных:
мез — мезенхима почки конечности, париетальный листок мезодермы, экт — эктодерма
Парные конечности позвоночных
стей имеют вид обособленных
днт селекция и образование клона, продуцирующего антитела к этому антигену. При этом В-лимфоцнт вступает в сложные взаимоотношения с микроокружением' лимфоидной ткани, а для индуцирования процесса образования плазмобластов важно кроме взаимодействия с антигеном влияние на них Т-лимфоцитов. Кроме этого, необходима кооперация В-клеток с еще одной категорией клеток — А-клетками, отличающимися высокой адгезией (прилипанием к субстрату). Роль этих клеток пока не ясна.
Важное место в дифференцировке лимфоцитов занимают фибробласты, которые создают специфическое микроокружение в органах, где происходит лимфопоэз. Предполагается, что эти фибробласты (стромальные меха-ноциты) костного мозга, селезенки, тимуса, лимфоузлов, хотя и не отличимы морфологически, но гетерогенны по своим потенциям и способности создавать разное микроокружение для лимфоцитов.
Развитие парных конечностей.
развиваются из мезенхимных клеток, выселившихся из париетального листка мезодермы и покровной эктодермы. У зародышей амфибий ранние зачатки конечно-бугорков (рис. 77). У зародышей
амниот вначале формируются длинные скдадки, растянутые в передне-заднем направлении"*(вольфовы гребни),-которые позже рассасываются в своей средней части; ,из их передних и задних концов развиваются соответственно передние и задние конечности.
На самых ранних стадиях роста конечностей их эктодермальный эпителий пассивно растягивается размножающейся мезенхимой; вскоре и эктодерма начинает активно участвовать в росте конечности. У амниот эктодерма верхушки конечности утолщается, образуя так называемый апикальный гребешок.
По мере роста конечности меняется ее форма: ее апикальная часть расширяется и уплощается, зачаток конечности скручивается вокруг своей длинной оси. На апикальной поверхности появляются зачатки пальцев. У амниот обособление пальцев связано с гибелью клеток в промежутках между их зачатками.
Одновременно с внешней дифференцировкой конечности формируется ее внутренний скелет путем образования хрящей из
188'
сгущений мезенхимных клеток. Первым выделяется зачаток проксимального хряща — стилоподия, из которого в передней конечности разовьется плечевая кость, а в задней — бедренная. Затем образуются хрящи следующей в дистальном направлении части — зигоподия (локтевой и лучевой хрящи в передней конечности, большой и малый берцовый — в задней) и, наконец, аутоподия (хрящи кисти или стопы н фаланг пальцев). Хрящи плечевого н тазового поясов формируются позже стилоподиев, но раньше аутоподиев. В конечность прорастают кровеносные сосуды и миобласты из сомитов.
При дифференцировке парных конечностей происходят интенсивные эпнтелнально-мезодермальные взаимодействия. На начальных стадиях развития конечности, по-видимому, основным является воздействие мезодермы на эктодермальный эпителий. Под влиянием мезодермы эпителий утолщается н начинает активно расти. В дальнейшем нормальную дифференцировку дистальных отделов конечности (образование пальцев) определяют обратные влияния, исходящие от утолщенного эпителия верхушки почки конечности (уже упоминавшегося ранее апикального гребешка), на мезенхиму конечности. При удалении апикального гребешка фаланги не дифференцируются, а при его пересадке на /лрезумптивную мезодерму проксимальной части конечности (из которой в норме должны были бы дифференцироваться бедренный или плечевой отделы) нз нее развиваются дистальные части конечности — плюсна (или кисть) н фаланги. Интересно, чдо ' проксимальная мезодерма конечности не пассивно «прочитывает» сигналы, исходящие из гребешка, а как бы интерпретирует их «по-своему»: если мезодерму проксимальной части задней конечности (ноги) зародыша курицы пересадить под гребешок передней конечности (крыла), то она образует^’дистальную частьJ но не крыла, а задней конечности. Значит, в «интерпретации» ’ индукционного воздействия определенную роль сыграла природа самого реагирую-, щего материала, взятого от задней конечности.
Другая морфогенетнческн активная зона зачатка конечности— небольшая область на ее заднем крае, около основания. Если эту так называемую «зону поляризующей активности» пересадить на передний край конечности, то произойдет ее зеркальное удвоение: спереди появится второй задний край с соответствующими пальцами. Поэтому данную зону можно рассматривать как индуктор задней части конечности.
Развитие производных эктодермы
Развитие кожи и ее придатков. Кожа позвоночных развивается из двух зародышевых листков — эктодермы и мезодермы. Эмбриональная эктодерма сначала превращается в двухслойный, а затем в многослойный эпителий — кожный эпидермис. Его внутренний, прилежащий к мезодерме слой (ростковый,
189
или мальпигиев, слой) в течение всей жизни организма сохраняет функции камбия: в нем происходят клеточные деления, и вновь образующиеся клетки перемещаются во внешние слои эпидермиса, где дифференцируются. У всех наземных позвоночных дифференцированные клетки внешних слоев эпидермиса (кератоциты) синтезируют роговое вещество — белок кератин. Дифференцировка клеток, синтезирующих кератин, сопровождается их инактивацией, они заполняются кератином, уплощаются, теряют ядро и формируют поверхностный омертвевающий слой кожи.
Мезодермальный слой кожи (дерма) образуется соединительноткаными клетками, происходящими из кожных листков сомитов (дерматомов). За счет деятельности клеток дермиса формируются коллагеновые, эластические и ретикулярные волокна.
К роговым придаткам кожи относят чешун н щнткн рептилий и птиц, перья птиц, рога и волосы, млекопитающих. Рассмотрим вкратце развитие пера и волоса. Оба зачатка вначале представляют собой эпидермальные плакоды — лиизовидные утолшения эпидермиса. При развитии пера под плакодами вскоре возникают сгущения дермальных клеток, которые как бы приподнимают эпидермис, придавая ему внд бугорка, обращенного вершиной назад. Из дермальных клеток формируется мякоть пера, а из эпидермиса — его поверхностный ороговеваю-щий слой.
При развитии волоса эпидермальная плакода глубоко вдается в подлежащую дерму, образуя волосяной узелок. Наружные слои узелка дают начало влагалищу волоса и сальным железам, а внутренние слои — собственно волосу. На дне волосяного узелка имеется камбиальная зона, поддерживающая рост волоса. Дно узелка вогнутое, и в эту вогнутость вдается дермальный сосочек, куда прорастают нервы и питающие волос кровеносные сосуды.
Работами французского ученого Ф. Санжеля и других исследователей установлено, что дифференцировка кожи и ее придатков зависит от индукционных воздействий дермы на эпидермальную часть. Даже нормальная многослойная структура эпидермиса может появиться лишь при его контакте с дермой. Такой контакт необходим также для образования перьев и волос. Более того, если взять эпидермис куримого зародыша с участка, в норме лишенного оперения, и подостлать его дермой с оперенного участка, то образуются перья, структура которых соответствует тому участку тела, откуда была взята дерма.
Начальные этапы формирования кожных придатков можно индуцировать дермой, взятой от зародышей других классов амннот. Например, если неоперенный участок эпидермиса куриного зародыша срастить с дермой покрытых волосами участков зародыша мыши, то из эпидермиса возникнут зачатки перьев, правда, не достигающие полного развития. Дерма яще-
190
рнцы индуцирует образование зачатков волос в эпидермисе мыши. Таким образом, начальные индукционные стимулы для развития кожных придатков одинаковы для всех амниот, что свидетельствует о гомологнчности этих придатков. Однако для их полной дифференцировки необходим контакт с дермой животных своего класса. Например, у зародышей курицы полноценные перья развиваются из участков эпидермиса, подостланных дермой утки, и наоборот.
Рис. 78. Развитие (А—В) головного мозга зародыша позвоночного:
е.м — воронка мозга, в.ж.с.— вентральная мозговая складка, м.и,— мозговой изгиб, з.м.— затылочный изгиб, нк.нервно-кишечный канал, нп — нсвропор, л.логе—первичный мозговой пузырь, х — хорда, т.н.— теменной изгиб
5^
Дерма индуцирует не только развитие определенных придатков, но и определяет порядок их возникновения и окончательное расположение. Однако воспринимающий индукционные воздействия эпидермис не полностью индифферентен: характерный наклон перьев назад определяется какнми-то внутренними свойствами эпидермиса и не изменяется, например, при повороте подстилающей дермы на некоторый угол.
Развитие центральной нервной системы и органов чувств. Нервная трубка зародышей всех позвоночных вскоре после своего замыкания состоит из более широкого переднего и более узкого заднего отделов. Расширенный передний отдел называют первичным мозговым пузырем — первичным головным мозгом— archencephalon (рнс. 78). Первичный головной мозг открывается наружу невропором, а задний отдел посредством нервно-кишечного канала связан с задним отделом гастроцеля (в области дорсальной губы бластопора). Невропор и нервнокишечный канал впоследствии зарастают.
Нервная трубка по средней линии подстилается хордой, простирающейся вперед вплоть до задней границы первичного головного мозга. Последний подстилается тканью, происшедшей из прехордальной пластинки. Как правило, задняя граница первичного головного мозга также отмечена резкой складкой вентральной стенки нервной трубки (вентральная мозговая склад- / ка), спереди от которой вентральная стенка первичного мозгового пузыря образует воронкообразный выступ — infundibulum, нли воронку мозга, Вентральная мозговая складка и воронка
191
формируют чрезвычайно характерный для всех позвоночных теменной, или среднемозговой, изгиб. В дальнейшем передняя часть нервной трубки дифференцируется на три мозговых пузыря: самый передний — prosencephalon,расположенный спереди от вентральной складки, следующий за ним средний — mesencephalon, над этой складкой, и задний — rhombencephalon, без резкой границы переходящий в спннной мозг. У зародышей высших позвоночных уже на стадии трех мозговых пузырей при взгляде сверху отчетливо видны боковые выступы переднего мозгового пузыря, впоследствии дающие начало глазным зачаткам.
Позже передний мозговой пузырь подразделяется на два отдела: передний мозг — telencephalon и промежуточный мозг — diencephalon. Из боковых стенок последнего в дальнейшем развиваются глазные зачатки. Средний мозговой пузырь в дальнейшем не расчленяется, а первичный задний мозговой пузырь подразделяется на задний мозг — metencephalon, и продолговатый мозг — myelencephalon, переходящий без резкой границы в спинной мозг. У низших позвоночных эти отделы мозга лежат примерно в одной плоскости, а у высших позвоночных головной мозг вскоре после формирования названных отделов образует новые резкие изгибы: затылочный и мостовой. Затылочный изгиб находится на месте перехода спинного мозга в продолговатый и направлен в ту же сторону, что и теменной. Мостовой изгиб располагается в области заднего мозга и назван так потому, что в вентральной стенке этого мозгового пузыря впоследствии возникает варолиев мост. Этот изгиб направлен в сторону, обратную двум другим изгибам. Все мозговые изгибы особенно хорошо выражены у высших млекопитающих и человека.
Дальнейший ход развития головного мозга высших позвоночных будет изложен лишь в общих чертах.
Уже на ранних стадиях развития разные отделы мозга отличаются друг от д£уга неравномерным утолщением своих стенок. Утолщение стенок — прямой результат интенсивности клеточного размножения в них. В области переднего мозга разрастаются передне-боковые стенки, что приводит к образованию пары выступов — зачатков полушарий головного мозга. Особенно сильно полушария головного мозга развиваются у высших позвоночных, где они, разрастаясь, накрывают собой все находящиеся сзади отделы мозга вплоть до мозжечка. Неравномерное разрастание их поверхности приводит к появлению глубоких борозд. У низших позвоночных полушария переднего мозга развиты значительно слабее. Из них образуются лишь обонятельные доли мозга.
Из боковых стенок промежуточного мозга выпячиваются зачатки глаз — глазные пузыри. Утолщения боковых стенок промежуточного мозга образуют зрительные бугры. Дно промежуточного мозга формирует глубокое выпячивание — воронку мозга. Из ее инжиего конца возникает нейральная часть важней-
*" '***	-
192
шей железы внутренней секреции — гипофиза. Железистая часть гипофиза развивается из выступа стомодеума — так называемого кармана Ратке. Из стенки промежуточного мозга, расположенной сзади от воронки, образуется подбугровая область мозга — гипоталамус, а в области тонкой дорсальной стенки промежуточного мозга — эпифиз, илн шишковидная железа.	,	,,
Рис. 79. Стадии развития нейронов центральной нервной системы, А—ранняя стадия, пролиферация нейроэпителиальных клеток; Б — поздняя стадия, формирование нервных клеток
По гистологическому строению стенка нервной трубки (нейроэпителий) относится к ложномногослойным эпителиям. Это означает, что ядра слагающих ее клеток — нейробластов — находятся иа разных уровнях, но все нейробласты прикреплены к внутренней поверхности нервной трубки (к поверхности нев-роцеля). Во время деления нейробласты округляются и их ядра смещаются в сторону невроцеля; в промежутках между делениями нейробласты вытягиваются, а ядра смещаются в сторону наружной поверхности нервной трубки. Таким образом ядра нейробластов совершают как бы челночные движения. На более поздних стадиях развития, перед началом дифференцировки, иейробласты отрываются от внутренней поверхности нервной трубки и выходят из нейроэпителия наружу, образуя рыхлую 13 3aK,„G45	'	W
Рис, 80. Стадия глазного бокала у куриного зародыша:
пр.м.~ полость промежуточного мозга, с — зачаток сетчатки, п — зачаток пигментного эпителия, хр — зачаток хрусталика
клеточную массу — мантийный слой (рис. 79). В этом слое ней-роб ласты приобретают характерные для нервных клеток отростки— дендриты (обращенные внутрь) и аксоны (направленные наружу), превращаясь таким образом в дифференцированные и не способные к клеточным делениям нейроны. Следующие поколения иейробластов, выходящих в мантийный слой, дифференцируются в клетки нейроглии —’опорной ткани нервной системы. Клетки, оставшиеся во внутреннем (прилежащем к невро-целю) слое нервной трубки, образуют эпендимную выстилку полостей головного и спинного мозга.
Та часть нервной трубки, где расположены клеточные тела нейронов и нейроглии, называется серым веществом головного и спинного мозга. Этот слой неоднороден: в определенных местах нейлоны могут концентрироваться (передвигаясь по мантий--ному слою параллельно его поверхности) и образовывать нервные ганглии (в области спинного мозга) или так называемые яд/ю...(в,.области головно
го мозга). Снаружи от серого вещества находится слой, образованный отростками нейрогдиалъных.дглетрк и._аксинами нейронов,— белое вещество.
Развитие глаз. Глаза позвоночных формируются из парных боковых выпячиваний зачатка промежуточного мозга. По мере развития эти выпячивания — глазные пузыри — все более от-шнуровываются от зачатка промежуточного мозга, но полностью от него не отделяются, оставаясь соединенными с ним узким каиалом — глазным стебельком.
Глазные пузыри растут немного назад и кнаружи, по направлению к покровной эктодерме и затем соприкасаются с иею. В этом месте покровная эктодерма утолщается, образуя зачаток хрусталика — хрусталиковую плакоду. Та часть глазного пузыря, которая оказывается в контакте с хрусталиковой плакодой, начинает впячиваться, в результате чего глазной пузырь превращается в двухслойный глазной бокал (рис* 80, 81). Инвагинация начинается в передне-нижней части пузыря, захватывая глазной стебелек. По мере углубления впячивания края глазного бокала начинают расти по направлению друг к другу, но некоторое время между ними остается щель, называемая глазной зародышевой щелью. Внутренний слой глазно
194
го бокала становится зачатком нейральной сетчатки, а иаруж-ный—зачатком пигментного эпителия. Край глазного бокала (место перехода наружного листка во внутренний) становится зачатком радужки и цилиарного тела. Деление клеток приводит к утолщению и .увеличению площади развивающегося зачатка сетчатки. Клетки же наружного листка истончаются и уплощаются, становясь зачатком пигментного эпителия.
Перед тем как превратиться в сетчатку, внутренний слой глазного бокала должен пройти несколько этапов дифференцировки, Вначале клетки этого зачатка имеют одинаковое строение, сходное со строением клеток исходного мозгового зачатка;-все они интенсивно делятся. Первыми прекращают деления и вступают на путь специфической дифференцировки ^^хиальнь^ элементы сетчатки, ядра которых занимают наиболее центральное положение в зачатке. Эти клетки называют мюллеровыми. Их отростки выходят на обе поверхности сетчатки и формируют ее наружную и внутреннюю пограничные мембраны. Следующими начинают дифференцировку будущие ганглиозные клетки, которые располагаются под внутренней пограничной мембраной. Аксоны ганглиозных клеток укладываются рядами вдоль внутренней поверхности сетчатки и, соединясь в ее центре, выходят нз глаза по глазной зародышевой щели, а позже, после ее замыкания, — по глазному стебельку. Эти аксоны образуют зрительный нерв, подрастающий к первичному зрительному центру — крыше будущего среднего мозга.
Вслед за ганглиозными клетками дифференцируются ки внутреннего ядерного слоя — биполяры, амакрины, горизонтальные клетки. Аксоны бнполяров и амакриновых клеток вступают в контакт с отростками (дендритами) ганглиозных клеток, формируя внутренний сетчатый слой. Далее дифференцируется наружный ядерный слой сетчатки. Ядра его клеток располагаются под наружной пограничной мембраной, отростки же (аксоны) направляются в сторону внутреннего ядериого слоя и вместе с дендритами этого слоя образуют наружный сетча?.. тый слой. Наружные отростки наружного ядерного слоя (по происхождению дендриты) преобразуются в наружные сегменту фоторецепторов — палочек и колбочек. Эти сегменты, прохо-' дя сквозь поры наружной пограничной мембраны, располагаются в узкой щелевидной первичной полости глаза — в том ее остатке, который сохранился после инвагинации глазного пузыря.
Пэ мере впячивания глазного бокала утолщенная часть покровного эпителия (хрусталиковая плакода) сама впячивается в полость глазного бокала (она же -- вторичная полость глаза), а затем полностью отшнуровывается от покровного эпителия. Возникает хрусталиковый пузырек — зачаток глазного хрусталика (рис. 81). Клетки внутреннего, обращенного к сетчатке слоя зачатка хрусталика сильно вытягиваются и превращаются в первичные хрусталиковые волокна, а клетки внешнего слоя сохраняют высокую пролиферативную активность и дру-
13*
195
свойства эмбрионального эпителия. Из этих клеток в течение всей жизни организма возникают новые (вторичные) хрусталиковые волокна. Они образуются из краевых клеток хрусталикового эпителия, которые при этом вытягиваются и утрачивают ядро.
В них начинают синтезироваться специфические белки — а-, |3- н у-кристаллины. Перед этим в клетках активируются гены и синтезируются иРНК кристаллинов. Позже клетки, накопившие кристаллины, отмирают и их остатки в виде волокон выталкиваются в центр хрусталика, где формируется прозрачное хрусталиковое ядро.
Расположенный над хрусталиком покровный эпителий тоже испытывает сложные гистологические изменения, приводящие к тому, что он истончается, теряет пигмент и становится роговичным эпителием. Мезенхима, подстилающая покровный эпителий, дифференцируется в строму роговицы, выделяющую боуменову мембрану. Изнутри роговица выстлана тонким клеточным слоем—- десцеметовым эпителием, который- также является производным мезенхимы.
Наконец, в построении глаза участвуют и клетки эмбриональной мезенхимы, происходящие частично из среднего зародышевого листка — мезодермы, но главным образом из нервного гребня (см. ниже). Эти клетки образуют сосудистую оболочку глаза — облегающие его кровеносные сосуды, а также склеру — опорную оболочку глазного яблока.
В ходе развития части, из которых формируется глазной зачаток, вступают между собой в сложные индукционные взаимодействия. Еще в начале нашего столетия было открыто, что у зародышей амфибий развитие хрусталика из покровной эктодермы индуцируется глазной чашей. Под влиянием пересаженной глазной чаши хрусталик может возникнуть на совершенно необычном месте, например развиться из брюшной или боковой эктодермы. Такая же индукция наблюдается при развитии гла* за птиц и млекопитающих. Впрочем, у некоторых амфибий (зеленая лягушка) индуцировать развитие хрусталика глазной чашей не удалось. Однако, как показал Д. П. Филатов, это зависит не от отсутствия индуцирующих свойств у глазной чаши, а от более ранней детерминации покровной эктодермы. Действительно, у зародышей зеленой лягушки к моменту образования глазного пузыря эктодерма туловищной части зародыша уже утратила компетенцию к восприятию индукционных воздействий со стороны глаза. У этого вида амфибий индукция хруста-
Рис. 81. Последовательные стадии (4 — Е) формирования хрусталика и дифференцировка глазного бокала у хвостатой амфибии (по Г, Шпеману, 1Р36Ц с — сетчатка, р — роговица, хл,- хрусталиковая плакода, х. у.— хрусталиковый эпителий, х.в,— хрусталиковые волокна, фр — фоторецепторы, п.э.—пигментный эпителий, лез—мезенхима
197
лика происходит на более ранней стадии развития, причем индуктором служит передний конец хорды.
На более поздннх стадиях развития н даже во взрослом состоянии глаз способен оказывать еще одно индукционное воздействие: он вызывает просветление покрывающей его эктодермы, превращая ее в роговицу.
Развитие и дифференцировка самого глазного зачатка (глазной чаши) в свою очередь испытывает разнообразные воздействия со стороны окружения. Некоторое влияние на рост и форму глазного зачатка оказывает зачаток им же индуцированного хрусталика: удаление зачатка хрусталика ведет к прекращению роста глазного зачатка. Если же к глазному зачатку подсадить более крупный хрусталик от зародыша другого вида, то глазной зачаток соответственно увеличивается в объеме.
Дифференцировка стенок глазной чаши в сетчатку и в пигментный эпителий в значительной степени контролируется мезенхимным окружением. Та часть стенки глазного зачатка, которая (в норме или в опыте) окружена мезенхимой, дает начало пигментному эпителию; напротив, в сетчатку развивается та часть, которая лишена контактов с мезенхимой и утолщается в ходе развития.
Развитие органа слуха. Орган слуха позвоночных, так же как орган зрения, имеет составное происхождение; в его образовании участвуют покровная эктодерма и головная мезенхима (рис, 82). Из покровной эктодермы формируется основная часть органа слуха — внутреннее ухо, Развитие внутреннего уха начинается с образования парных утолщений покровной эктодермы на уровне заднего мозга — слуховых плакод. Подобно хрусталиковым плакодам, слуховые плакоды впоследствии впячиваются и почти полностью отшнуровываются от эктодермы, образуя слуховые пузырьки. Каждый слуховой пузырек некоторое время связан с внешней средой узким эндолимфатическим каналом; при дальнейшем развитии у большинства позвоночных этот канал замыкается. Слуховой пузырек подразделяется иа верхний и нижний отделы, между которыми имеется слабый перехват. В верхнем отделе образуются три полукруглых уплощения, первоначально расположенные в вертикальной плоскости, а затем в трех взаимноперпеидикулярных плоскостях. Каждое из них позже прорывается посередине и превращается „в полукружный канал. Полукружные каналы представляют собой органы равновесия позвоночных, В нижней части слухового пузырька появляется мешковидное вздутие п на самом его конце — слепой вырост. У высших позвоночных этот вырост удлиняется и закручивается в канал слуховой улитка. В стенке этого канала развивается орган слуха — кортиев орган.
Образование слухового пузырька индуцируется продолговатым мозгом. Под воздействием самого пузырька из окружающей мезенхимы формируется хрящевая слуховая капсула. Эта 198 .
апсула в точности повторяет сложную форму внутреннего уха, в частности полукружных каналов н улитки. В то время как стенка внутреннего уха образует внутренний, или перепончатый, лабиринт, слуховая капсула формирует подобный ей по форме внешний скелетный лабиринт.
Развитие органа обоняния. Органы обоняния позвоночных развиваются нз обонятельных плакод — парных утолщений
А	В	Г	Д	£	Ж-
Рис. 82, Развитие внутреннего уха позвоночного. А — Г — отшнуровка слухового пузырька; Д — Ж—формирование полукружных каналов и ул»;7ни: экт — эктодерма
эктодермы в передней части головы. Эпителий обонятельных плакод (обонятельный эпителий) содержит нерв но-чувствительные клетки, которые посредством аксонов связаны с обонятельным отделом головного мозга. В результате разрастания обонятельного эпителия плакоды превращаются в обонятельные мешки, открывающиеся наружу уже упоминавшимися обонятельными ямками.
Нервный гребеиь и его производные. Прн смыкании нервной трубки клетки нервных валиков располагаются над ее дорсальной частью. Образованная ими структура называется нервным гребнем. Уже в процессе замыкаиня нервной трубки клетки нервного гребня выходят нз состава нервных валиков и мигрируют в разных направлениях, проявляя удивительно широкие формообразовательные потенции. Некоторые клетки нервных валиков мигрируют назад, распространяются между клетками эктодермы н превращаются в первичные пигментные клетки — меланоциты. Часть клеток нервного гребня мигрирует в вентральном направлении н, располагаясь межсегментно, образует скопления медуллобластов, дифференцирующихся в биполярные нейроны. Медуллобласты, мигрирующие в глубь тела зародыша, формируют ганглии симпатической и парасимпатической нервной системы, а также клетки шванновских оболочек нервов. Из головной части нервного гребня выселяются клетки, превращающиеся в хряшевые, мышечные и соединительнотканные. Они строят хрящн висцерального скелета (рис. 83), мышцы кожи и ресничного тела глаза, рыхлую соединительную ткань лица, языка и нижней челюсти, входят в состав аденогипофиза,
199
паращитовидных желез н мякоти зуба. Таким образом, клетки нервного гребня проявляют способность формировать такие закладки (например, хрящи), которые в других случаях возникают из мезодермы. По современным данным, выбор того или иного путы дифференцировки клеток нервного гребня частично определяется их происхождением, а частично — окружением, в которое они попадают. Так, клетки головного отдела нервно-
м«.с.
Рис 83, Последовательные стадии (Л —В) миграции клеток нервного гребня (заштрихован) у зародышей саламандры:
ж.Д — жаберные дуги, г — подъязычный хрящ, м.с,— мандибулярные, мкс.-- максилляркие скопления клеток нервного гребня, ел.п,—слуховой пузырек
го гребня всегда дифференцируются в хрящевые, мышечные и соединительнотканные клетки, даже если этот отдел пересадить в другую область (например, в туловищную). Дифференцировка же клеток, выселяющихся из туловищных отделов нервного гребня, зависит в основном от того, куда эти клетки попадут. Например, клетки, концентрирующиеся поблизости от хорды, независимо от своего происхождения превращаются в нейроны, синтезирующие катехоламины.
Вторичные индукции при органогеиезах
Многочисленные индукционные зависимости, контролирующие развитие зачатков органов, принято называть вторичными индукциями в отличие от первичной индукции центральной нерв-noil системы хордомезодермой. (Уже отмечалось, правда, что есть основания и эту индукцию не считать «первичной», так как ей предшествует открытая П. Ньюкупом индукция мезодермы энтодермой, но данная терминология устоялась и нет смысла ее менять.) Вторичные индукции чрезвычайно разнообразны, однако об их механизмах и о том, как достигаются конечные результаты вторичных индукций и образуются органы специфической формы и структуры, известно еще очень мало, Действие вторичных индукторов при органогенезак — частный случай межклеточных взаимодействий, которые рассматриваются в гл. 9.
Клеточные процессы, лежащие в основе формирования органов
Движения и изменения формы клеток. Эти процессы играют в органогенезах исключительно важную роль. Рассмотрим отдельно движения мезенхимных и.эпителиальных клеток.
Клетки мезенхимного типа не образуют между собой стойких контактов и поэтому наиболее подвижны. Самые дальние движения совершают клетки нервного гребня, о которых уже говорилось. Для мезодермальных мезенхимных клеток особенно характерна способность создавать сгущения, увеличивая поверхности своего контакта с соседними клетками. Различные типы таких сгущений возникают при образовании сомитов в осевой мезодерме, зачатков хрящей (например, в почке конечности), а также канальцев выделительной системы. Как правило, вначале эти канальцы возникают в виде плотных тяжей, а затем внутри них появляются просветы.
Эпителиальные клетки хотя и менее подвижны, чем мезенхимные, но также способны к перемещениям. В многослойных пластах нейральных зачатков они совершают челночные движения из области размножения у внутренней стенки пласта к его наружной стенке и обратно. Утолщения эпителиальных пластов (образование плакод) происходят благодаря увеличению поверхностей контактов между соседними клетками. Наиболее сложные типы движений и деформаций эпителиальных клеток наблюдаются при изгибах клеточных пластов. Изгибы пластов являются результатом как сокращений поверхностей клеток на вогнутой стороне изгиба, так и вытяжения и передвижения клеток по направлению к выпуклой стороне.
Наиболее важная и интересная особенность движений эпителиальных клеток — нх организованность и согласованность. Любой изгиб клеточного пласта в ходе того или иного органогенеза — результат согласованной коллективной работы многих десятков или даже сотен клеток. Механизмы этой согласованности лишь начинают изучаться.
Размножение клеток. Почти все органогенетические проиес-сы сопровождаются размножением клеток. Размножение клеток необходимо, например, для создания сгущений мезенхимных клеток при образовании .хрящей или сгущений дермальных клеток при образовании перьевых зачатков. Вместе с тем само по себе размножение клеток почти никогда не придает зачаткам органов окончательную форму или структуру: эти функции выполняют движения клеток и изменения их формы.
Факторы клеточного размножения при органогенезах изучены недостаточно. Некоторые сведения о химических факторах* стимулирующих или угнетающих клеточное размножение, приводятся в гл. 12. По-видимому, наряду с химическими факторами на теми клеточного размножения существенно влияют морфогенетические движения клеток и сопутствующие им процессы.
Ж
Так, по данным А. Кертиса, растяжение клеток (обычно сопровождающее их движение) стимулирует клеточное размножение.
Гибель клеток. Некоторую, хотя и ограниченную, роль в формообразовании может играть гибель клеток. Как уже упоминалось, зачатки пальцев зародышей птиц и млекопитающих разъединяются потому, что клетки в промежутках между ними гибнут. Известны мутантные расы млекопитающих, у которых гибели клеток не происходит и фаланги ие разъединяются. Возможно, что гибель клеток участвует и в кавитационном образовании полостей и канальцев, Однако в целом процессы гибели клеток лишь «дорисовывают» то, что было ранее намечено. Так, гибель межфалаиговых клеток происходит уже после того, как сформировались хрящи фаланг и произошло утолщение покровного эпителия.
Мутации и хромосомные аномалии, . затрагивающие органогенезы
У дрозофилы известен класс мутаций гомейозисного типа, которые проявляются в форме аномалий в закладках органов, развивающихся из имагинальных дисков. Особенность этих мутаций состоит в том, что их проявление зависит от условий развития (температуры и т. д.) и они выражены не в одинаковой степени и не у всех особей потомства. Другая их особенность связана с самим характером фенотипического проявления: отклонение от нормального развития выражается в формировании иных структур вместо типичных. Например, при мутации, именуемой aristopedia, из имагинальных дисков, в норме формирующих усики (аристы), развиваются конечности со всеми члениками. Другая мутация этого типа — bithorax. Мутации этого локуса выражаются в серии изменений морфогенеза сегментов тела мухи; например, одна из мутаций вызывает превращение передней части заднегруди в переднюю часть средне-груди, другая — превращение первого брюшного сегмента в заднегрудь и в результате — образование восьми ног вместо шести.
Органогенез — период, когда в действие вступает множество генов, поэтому мутации проявляются в этот период в наибольшей мере. В результате экспрессии мутантных генов у человека, например, возникает свыше 120 форм нарушений органов слуха (наследственная глухота). Это понятно, если учесть, что развитие уха контролируется совокупным действием сотен генов. То же самое относится к развитию конечностей, глаз, нервной системы и т. д. Развитие каждого из них обеспечивается взаимодействием нескольких сот генов. У человека известно 250 наследственных болезней глаз, 150. аномалий развития скелета. У мышей описано около 30, у кур — около 20 различных нарушений конечностей (рис. 84). Мутации затрагивают все этапы развития конечностей. Они могут возникать либо в виде
202	-	'	
дефектов в самих клетках, которые изменились (например, мутация геиа chondrodysplasia ведет к нарушению синтеза коллагена в хондроцитах), либо вследствие изменений в соседних клетках, которые должны осуществить индукцию. Мутация wg (бескрылость — wingless) вызывает дефекты в развитии мезодермы почки крыла (нарушаются ее индукционные взаимодействия с эктодермой и крыло не развивается). У человека изве
стно 18 генов, дефекты которых нарушают нормальную дифференциацию пола — развитие половых желез, способность реагировать на гормоны.
Многие нарушения обусловлены хромосомными аномалиями — изменениями в хромосомном наборе.
Аномалии.в наборах хромосом (аберрации) — следствие либо неправильного расхождения хромосом в мейозе (приводящие к увеличению числа какой-либо хромосомы в одних и к уменьшению в других половых клетках), либо повреждения или утраты хромосом. Рассмотрим некоторые наиболее распространенные виды хромосомных изменений.
Механизм возникновения гаплоидов рассмотрен в гл 6. Полиплоидия — это резуль-
307
Рис. 84. Мутации, нарушающие развитие элементов конечности у мышей и кур. Стрелками указаны места, в которых проявляются мутации (обозначены латинскими буквами)
тат выпадения процесса редукции хромосом в мейозе либо цитотомии, например в ходе первого деления зиготы. В результате возникают
триплоиды или тетраплоиды.
В природе полиплоидия встречается редко. Например, у лабораторных мышей среди 3000 проанализированных эмбрионов (А. Дыбан и В. Баранов) был обнаружен всего одни тетра-плоид. Полиплоидия может быть получена искусственно: у млекопитающих кратковременной обработкой зигот цитохалазином (ие происходит цитотомия в ходе первого деления), в результате чего 40—70 % эмбрионов удается превратить в тетраплоиды.
Б. Астауров и его сотрудники подробно изучили возможности искусственного получения полиплоидов (три- и тетраллой-дов) у шелкопряда: получены партен©генетически развивающие-
203
ся расы полиплоидов. Полиплоиды не способны размножаться обычным половым путем, поэтому их приходится размножать иными способами. Кроме того, у млекопитающих (мыши) полиплоиды плохо развиваются, у их эмбрионов понижен уро-вень пролиферативной активности, меньше число клеток. У шелкопряда полиплоиды развиваются без ощутимых аномалий.
Моносомия, трисомия—-.случаи анэуплоидии, когда хромосома в диплоидном наборе представлена только одной (моносомия) или тремя (трисомия) гомологами. Эти случаи — следствие либо нерасхождения гомологов, либо утраты одной из хромосом в мейозе (мужском, женском) или в раннем эмбриогенезе.
У млекопитающих спонтанные моно- и трисомии — редкое явление, у человека их зарегистрировано несколько больше, чем, например, у мыши. Существует много способов искусственного индуцирования таких аномалий, которые здесь не будут рассматриваться. Эти нарушения вызывают серьезную патологию развития, которая у млекопитающих приводит к прерыванию беременности. Значительная часть спонтанных абортов обусловлена этой аномалией. В клинической практике известен ряд патологий, связанных с нарушением половых хромосом.
При синдроме Тернера все клетки содержат только одну Х-хромосому (ХО). Клиническая картина синдрома заключается в том, что женские вторичные половые признаки не оформлены, яичник и гоноциты недоразвиваются и дегенерируют перед рождением. Результат — бесплодие.
При синдроме Клейнфельтера клетки содержат ХХУ набор хромосом. Фенотипически преобладают признаки женского пола с некоторыми аномалиями вторичных половых признаков. Результат — бесплодие.
Г *-
ГЛАВА 9	‘
МЕХАНИЗМЫ КЛЕТОЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ
Дифференцировка — это совокупность процессов, в результате которых между клетками общего происхождения возникают стабильные морфологические, физиологические и функциональные различия. Процессы дифференцировки идут на всех этапах развития. В предзародышевом развитии в яйцеклетке происходит ооплазматическая сегрегация, которая, как уже говорилось, у ряда видов животных определяет направления развития бластомеров. В дальнейшем в ходе гаструляции, закладки и развития органов протекают все более разнообразные процессы морфологической, физиолого-биохимической и функциональной дифференцировки клеток. В то же время дифференцирующиеся клетки становятся все более зависимыми друг от друга и от
W
организма как целостной системы, так как, специализируясь, оказываются все менее способными к самообеспечению. Диффе-ренцировочные процессы осуществляются и во взрослом организме и лежат в основе обновления многих тканей (физиологическая и репаративная регенерация, см. гл. 13). Таким образом, способность к дифференцировке характерна не только для клеток развивающегося организма, но в скрытом виде сохраняется и в клетках взрослой особи. Это предполагает существование общего механизма дифференцировки, который передается в ряду поколений всем клеткам зародыша, а затем и взрослого организма.
Разнообразие возникающих в результате дифференцировки клеточных типов, отличающихся по морфологии, структуре, физиолого-биохимическим свойствам и функции, не поддается точной количественной оценке, так как трудно избрать критерии для их классификации. Помимо сильно выраженных и явных различий между клетками существует много тонких различий. Кроме того, метаболическое и функциональное состояние клеток постоянно меняется. Основываясь на наиболее явных морфологических, физиолого-биохимических и структурно-функциональных тестах в организме позвоночного животного, можно выделить примерно 100 типов дифференцированных клеток, которые детально описываются в учебниках гистологии.
У низших форм число типов дифференцированных клеток не столь велико. В ходе эволюции число клеточных типов и степень различий между ними возрастают, что служит показателем прогрессивного усложнения видов. Тело млекопитающего построено нз сотен миллиардов клеток. Говоря о 100 типах дифференцированных клеток, следует иметь в виду, что каждый из этих типов неоднороден. (Процесс возникновения различий между клетками в ходе органо- и гистогенезов описан в гл. 8). Важнейшая задача биологии индивидуального развития — выяснение того, какие механизмы обусловливают возникновение различий между клетками в каждом конкретном случае и каковы общие закономерности дифференцировочного процесса. Эти проблемы разрабатываются на молекулярно-генетическом и клеточно-тканевом уровнях. "
Молекулярно-генетический уровень деятельности механизмов клеточной дифференцировки
Генетические методы изучения процессов дифференцировки используются уже давно (см. гл. 1), а в последние 30 лет они. все шире сочетаются с молекулярно-биологическими. Одно нз основных положений, которые молекулярная биология внесла в эту проблему, состоит в том, что клеточная дифференцировка основана на различиях в наборе белков (структурных белков, ферментов), которые определяют остальные различия между клетками. Поскольку спектр белков определяется набором
205
функционирующих в клетке генов, первопричина дифференцировки клеток — появление различий в спектрах активных генов. Таким образом, молекулярная биология конкретизировала проблему клеточной дифференцировки, акцентировав внимание на изучении структуры и функции генов, точнее на их изменениях в связи с дифференцировкой и на механизмах, регулирующих изменения организации и экспрессии генов.
В связи с этим возникают следующие вопросы: 1) действительно ли спектр белков в дифференцирующихся клетках становится неодинаковым, и если становится, то 2) чем обусловлены эти различия — изменениями структуры генов (генома) или же изменениями их функции при сохранении одинаковой организации генов. Рассмотрим первый вопрос.
Качественные и количественные отличия между наборами белков в разных типах клеток. Биохимические анализы показали, что подавляющая часть белков даже у клеток, сильно отличающихся по морфологии и функции, качественно не отличается. Это белки, необходимые для жизнедеятельности любой клетки (из иих построены клеточные органеллы, ферменты энергетического обмена, транспорта, обмена веществ). Данную категорию белков общего типа, необходимых любой клетке, называют иногда «белками домашнего хозяйства». Качественно различается лишь небольшая фракция узко специализированных белков, каждый из которых присутствует только в одном типе клеток, но зато количественно доминирует. Эта категория белков не нужна для поддержания жизнедеятельности самих клеток, отчего их иногда называют «белками роскоши», к ним относятся гемоглобин в эритроцитах, иммуноглобулины в клетках иммунной системы, кристаллины в волокнообразующих клетках хрусталика, кератин в клетках эпителия кожи, сывороточный альбумин в гепатоцитах, мышечный актин, миозин и тропомиозин, разнообразные ферменты, секретируемые в желудочно-кишечный тракт, и многие другие белки.
Хотя белки общего типа есть в каждой (за редким исключением) клетке, их содержание варьирует, что вносит дополнительные различия между клетками. Это относится, например, к ферментам, которые обусловливают различия в уровнях биохимических реакций. Кроме того, существуют разные молекулярные формы одного и того же фермента — изоферменты- (изо-энзнмы, изозимы). Например, фермент лактатдегидрогеназа — белок, состоящий нз двух типов субъединиц (А и В). Каждая молекула фермента содержит 4 субъединицы, которые образованы всеми возможными сочетаниями А- и В-субъединиц. Таких сочетаний возможно 5 и соответственно в клетках существуют 5 молекулярных форм фермента. Участие А- и В-субъединиц в образовании четвертичной структуры этого белка зависит от концентраций этих субъединиц, которые могут быть неодинаковыми .в разных клетках. Вследствие этого соотношение молекулярных форм лактатдегидрогеназы в клетках различно. Изо-
206		•'	.	.
зимные формы характерны для многих ферментов, что создает широкие и тонкие различия между клетками.
Вопрос о том, на каком уровне — структуры генов или их функции — определяются различия в фенотипах дифференцирующихся клеток, возник уже давно. В своей концепции о «не-равнэнаследствеииом» характере распределения детерминантов в ходе клеточных делений при развитии А. Вейсман предположил, что наборы генов разных клеток неодинаковы. Позднее Т. Морган пришел к выводу, что состав генов одинаков, а различна их функция. Только в последние 20—30 лет этот вопрос стал разрешаться экспериментами с применением физико-химических, цито-эмбриологических и молекул ярко-генетических методов анализа. С их помощью определяется количество ДНК в разных клетках и сравниваются спектры ДНК и РНК, т. е. степень общности структуры генов н считываемых с них РНК-С помощью разных подходов оценивались генетические потенции ядер клеток разной степени дифференцировки. Проблему еще нельзя считать разрешенной, но уже накоплена обширная информация. В первом приближении выводы из полученных данных подтверждают концепцию Т. Моргана, которая была, в частности, основана на хромосомной теории наследственности, т. е. на идентичности гаплоидных наборов хромосом во всех дифференцированных клетках (в которых их удавалось определить). Ценная информация, свидетельствующая в пользу вывода об идентичности спектра генов в разных тканях, получена и цитогенетиками при изучении политеииых хромосом двукрылых, главным образом дрозофилы.
Политенные хромосомы имеют характерную поперечную ис-черчениость, т. е. множество участков, которые отражают неравномерность распределения ДНК по длине хромосомы: участки с большим содержанием ДНК — хромомеры (диски) — чередуются с участками с очень низким содержанием ДНК (меж-хромомериЫе участки, междиски). В результате многочисленных цитогенетических и генетических исследований показано, что число дисков примерно совпадает с числом генов у этих животных. Поэтому хромомеры приравнивают к генам. Действительно, если в каком-либо гене возникает мутация, то это может сопровождаться изменением морфологии хромосомы, что позволяет определить на морфологической карте гигантских хромосом гены, ответственные за признаки, мутации которых исследовались. В настоящее время созданы детальные морфологические и генетические карты гигантских хромосом дрозофилы (и других организмов). Анализируя политенные хромосомы и исходя из положения о соответствии между характером распределения дисков вдоль хромосомы и линейной последовательностью генов в хромосомной ДНК, можно сопоставлять генотипы клеток разных тканей (слюнных желез, мальпигиевых желез желудочно-кишечного тракта, кожных покровов), где имеются политенные хромосомы. Сопоставление дисков в хромосомах
207
этих тканей показало, что и набор и расположение дисков в хромосомах исследованных тканей совпадают (рис. 85), т. е. дифференцировка разных тканей не сопровождается потерей генов. Но одного лишь цитогенетического подхода для решения данной задачи недостаточно, так как во многих дифференцированных клетках ядра находятся в интерфазе и, кроме того, необходим прямой анализ ДНК. Для этих целей были использованы два теста — количественный и качественный.
Слюнная железа
Сряг.ая кшшка
Средняя кашка
Рис. 85. Сопоставление дискоидальногО строения 3-й хромосомы клеток разных органов личинки мотыля (Chironomus tentans). Буквами и цифрами обозначены участки цитологической карты хромосомы
МальпигиеН сосуд

Сравнение количества ДНК в ядрах разных тканей. Биохимическими и цитофотометрическими методами показано, что даже в сильно специализированных в результате дифференцировки клетках (например, в эритроцитах птиц, амфибий) количество ДНК в ядре не менее чем вдвое превышает его содержание в сперматозоиде и всегда кратно ему. Это означает, что в ходе специализации клеток количество ядерной ДНК не уменьшается. Однако этот вывод следует принимать с учетом точности методов, который составляет ±5 %.
Методом молекулярной гибридизации (см, гл. 2) выяснено? что ДНК разных тканей одинакова по нуклеотидным последовательностям, это указывает на сходство (гомологию) их первичной структуры. Однако чувствительность и этого метода невелика, и 10—15 % отличий могут им не улавливаться. Анализами установлено, что! подавляющая часть нуклеотидных последовательностей половых клеток передается всем дифференцированным клеткам. Будущие исследования с применением более точных методов покажут, есть ли различия между клетками в рамках той небольшой фракции ДНК, которую не удается проанализировать сейчас. Наряду с этим известны отдельные случаи некратного изменения содержания ДНК в клетках.
Случаи изменений структуры генома в ходе индивидуального развития .
Результаты цитогенетических и молекулярно-генетических’ исследований показывают, что в процессе индивидуального развития механизмы репликации ДНК обеспечивают равное распределение хромосом во всех клетках. Этим и обусловлено сходство в количестве и наборах нуклеотидных последовательностей в разных клетках.
В то же время между клетками могут возникать различия в содержании ДНК из-за того, что в разных участках хромосомы ДНК может реплицироваться неодновременно (асинхронно).
Возможны случаи, когда при политенизацин гетерохроматиновая ДНК реплицируется меньшее число раз, чем эухромати-новая. Так происходит, например, в политенных -хромосомах слюнных желез двукрылых. Еще один механизм репликации, приводящий к различиям числа генов в разных тканях,— амплификация. В оогенезе она приводит к многократному увеличё'-" нию числа рибосомальных генов и к различиям по этому гену между ооцитами, сперматоцитами и соматическими клетками. В последнее время показано, что амплифицироваться могут (хотя это уникальное явление) и нерибосомные гены. Так, показано, что у Drosophila melanogaster амплифнцируется группа1 генов, кодирующих структуру белков хориона яиц.
В рассмотренных случаях изменяется не спектр, а доза генов. Но известны и случаи, хотя и крайне редкие, когда происходит качественное изменение генома. Если исключить мута-.14 Заказ 645	’	209
•ции и рекомбинации генов, которые носят случайный характер я поэтому не имеют никакого отношения к механизмам дифференцировки, то заслуживают внимания лишь два типа запрограммированных качественных изменений генома: 1) перестройки иммуноглобулиновых генов в связи с дифференцировкой лимфоцитов, 2) случаи диминуции (уменьшения) хромати-

2
-4-----
—
-3750
на и элиминации хромосом в раннем эмбриогенезе некоторых видов.
Перестройки иммуноглобулиновых геиов. Иммуноглобулиновые гены —
Г —
с
-СЖЭ-
инового? £ единственный, известный фоцита.1 .'сейчас случай, когда в .....ходе дифференцировки
перестраивается ген, ко-  дирующий специфический белок — антитело. Эта перестройка представляет собой основу молекуляр-
Рис. 86. Перестройка иммуноглобулинового гена в ходе дифференцировки лим(
V, С — участки, кодирующие вариабельную' -и константную области иммуноглобулинов;
7 — соединительный фрагмент:
/—до. 2 — после дифференцировки. Стрелками обозначена область, которая элиминируется при дифференцировке. Цифры снизу — размеры участ-коз сформированного гена в парах нуклеотидов (объяснение см. в тексте)
но-генетического механизма дифференцировки лимфоцита (его превращение в специализированную антителообразующую клетку). Суть процесса перестройки гена показана на ряс. 86. Иммуноглобулиновый ген состоит из множества вариабельных (V) и серии константных (С) участков, которые в геноме эмбриональных клеток расположены далеко друг от друга. В процессе дифференцировки лимфоцита один из вариабельных (V) генов’сближается с константным (С), формируется ген, кодирующий определенный вид антитела.
Элиминация участков хромосом или отдельных хромосом. Еще в 1887 г. Т. Бовери обнаружил, что в ходе первых делений дробления яиц лошадиной аскариды происходит отбрасывание (диминуция) части хромосом в соматических клетках эмбриона. В будущих половых клетках сохраняется весь геном. Эти данные были использованы А. Вейсманом в пользу концепции о неравноиаследственном распределении генов в ходе дробления. В дальнейшем было показано, что в клетках, подвергающихся .диминуции, количество ДНК действительно уменьшается, но эта ДНК содержит главным образом повторяющиеся последовательности. Диминуция хроматина происходит также в ходе первых делении'дробления яиц циклопа (Cyclops strennus).
Имеются случаи элиминации целых хромосом. У комара в ходе первых делений дробления из соматических клеток элиминируются три аутосомы, а также одна половая хромосома у 'самки и обе-—у самца. У одного из представителей сумчатых из соматических клеток самки элиминируется Х-хромосома, а из соматических клеток самца отбрасывается Y-хромосома, В результате соматические клетки самки и самца сохраняют по одной Х-хромосомс, а в половых клетках, как обычно, сохра-
ню
няются нормальные, т. е. XX (самки) п XY (самцы) гоноссмьы У насекомых рода Sciara большая часть хромосом в ходе раннего развития также элиминируется.
Таким образом, уменьшение количества ДНК в геноме в результате запрограммированного отбрасывания фрагментов хромосом или целых хромосом (иногда значительного их числа) — явление, хотя и редко, но все же встречается в раннем развитии у беспозвоночных (черви, насекомые) и реже у позвоночных. Из соматических клеток утрачиваются как аутосомы, так и половые хромосомы (гоносомы). Первичные половые клетки5 сохраняют полный набор хромосом, что естественно, так как в следующих поколениях не было бы материала для элиминации. Было выяснено, что элиминируются участки генома, которые не несут информации (сателлитные ДНК и другие вилы ДНК, содержащие часто повторяющиеся последовательности-' нуклеотидов), т. е. что генотип не изменяется. Однако этот вопрос (не отбрасываются ли хотя бы отдельные гены) нельзя считать решенным. Причина элиминации хромосом у отдельных видов неизвестна. Предполагают, что элиминируемая ДНК выполняет-какую-то роль в половых клетках этих видов, а из соматических отбрасывается за ненадобностью.
Хотя вопрос о связи степени дифференцировки клеток в процессе индивидуального развития с изменением структуры генома и генов нуждается в более детальном изучении, из того, что' уже известно, можно заключить, что набор, структура нерасположение в геноме генов, которые исходно представлены в; зиготе, сохраняются такими же во всех дифференцированных" клетках... Исключение представляют те случаи, когда в результате дифференцировки клетка специализируется настолько1 узко, что гибнет, теряя перед этим весь геном .'(эритроциты млекопитающих). Эти факты свидетельствуют о том, что фенотипические отличия разных клеток обычно возникают как результат дифференциального функционирования генов в разных: клетках, а не их структурных изменений.
Функциональные подходы к оценке генетических потенций дифференцирующихся клеток
Для суждения об изменениях генов в ходе дифференцировки одних только структурных исследований недостаточно. Наряду с этим проводятся опыты по выяснению генетических потенций ядер соматических клеток. У растений соматическая клетка, прошедшая" длительный путь дифференцировки, подобно половым клеткам, способна развиваться в полноценный организм, т. е. является тотипотентной (рис. 87).
У животных соматические клетки после стадии бластулы (у многих видов — еще более ранних стадий), как правило, не-проявляют свойств тотипотентности. Одна из главных причин-этого — сильные изменения в цитоплазме соматической клетки.
14*		'		'	.	:	211'
Вопрос сохранения исходных потенций ядер соматических кле-
ток животных решается, в частности, путем их переноса в цитоплазму яйцеклетки (ооплазму).
Выяснение генетических потенций ядер соматических клеток путем их переноса в ооплазму. Впервые эксперименты по выяс-
Ркс. 87. Тотипотентность клеток корня моркови, проявляющаяся при их культивировании в специальных средах:
.'—срез корня, помещенный в питательную среду, 2 — пролиферирующие клетки культуры, 3 — клетка, изолированная из культуры. 4 — ранний зародыш, сформировавшийся из одиночной клетки, 5 — более лоздиян зародыш, 6 — молодое растение, 7— взрослое растение
нормальный зародыш. Ясно, что этого
пению потенций ядер клеток (бластомеров) развивающегося эмбриона были осуществлены Г. Шпеманом на тритонах (рнс. 88). Накладывая лигатуру (волосяную петлю) на оплодотворенное яйцо (зиготу), Шпеман придал ему гантелеобразную форму; в одной половинке находилось ядро. Дробилась лишь та часть яйца, которая содержала ядро. Когда дробящаяся половника достигла стадии 16 бластомеров, Шпеман ослабил лигатуру и пропустил ядро ближайшего бластомера в безъядерную часть яйцеклетки. Там тоже началось дробление, и в итоге каждая из половин яйца образовала не могло бы произойти,
если ядра каждого из 16 бластомеров не содержали бы одинаковые наборы наследственных детерминант (генов), достаточных для развития всех структур зародыша. Таким образом, по крайней мере вплоть до стадии 16 бластомеров ядро по потенциям
эквивалентно ядру зиготы, т. е. тотипотентно.
Ряс. 88, Опыт Г. Шпемана по выяснению потенций ядер дробящейся яйцеклетки тритона. Л, Б — дробление правой (содержащей ядро) половины яйца; В — проникновение одного из ядер в левую (безъядерную половину); Fh Г2 — нормальные зародыши, развившиеся из обеих половинок яйца
212
Однако эти опыты не выясняют, сужаются ли потенции ядер на более поздних стадиях развития. Для ответа на этот вопрос была разработана техника микрохирургического переноса (трансплантации) ядер соматических клеток в яйцеклетки. Впервые систематически та-	5
кие опыты были успешно проведены в 50-х годах в США. Т. Кингом и Р. Бриг
гсом, а затем широкие исследования в этом направлении развернул английский биолог Дж. Гердон. Операции проводились на зародышах амфибий, а впоследст-ствии на насекомых (дрозофила) и рыбах. Лишь несколько процентов яйцеклеток с пересаженными в них соматическими ядрами развиваются нормально до взрослых особей. Основные результаты этих экспериментов следующие (рис. 89).
L Если в яйцеклетки амфибий, насекомых, рыб, ядра которых предварительно удалить с помощью микрохирургической операции или облучения (ионизирующее, ультрафиолетовое), внести ядра из клеток раннего эмбриона (бластулы, гаструлы), в определенном проценте случаев развиваются полноценные взрослые особи, по всем признакам не отличимые от особи, полученной в нормальных условиях. .Следовательно, до стадии гаструлы ядра содержат такой
же набор генов, какой имеется в половой клетке.
2. Если в яйцеклетки переносить ядра из клеток более поздних зародышей, то
Рис. 89, Пересадка ядер соматических клеток в яйцеклетки у амфибий (по Дж. Гердону, 1977). А — зародыш лягушки иа стадии бластулы (донор ядра); Б— неон л од отворенная яйцеклетка — реципиент (стрелка показывает удаление женского пронуклеуса); В—головастик, развившийся из яйцеклетки с замененным ядром.
На оси ординат — процент пьокившнх осо-беП, достигающих стадий, указанных па оси абсцисс, как функция возраста донора:
I— бластула, // — гаструла. Ill — нейрула, /V — появление мышечной реакции, V — начало сердечной деятельности и вылупление, К/ — активное плавание
На оси абсцисс — стадии развития: / — ранняя гаструла, 2— ненрула, 3 — плавающий головастик, 4— питающийся головастик
развитие останавливается на ранних стадиях, причем чем позднее стадия донорного зародыша, тем раньше прекращается развитие опытных зародышей.
Как показывает анализ зародышей, развивающихся из яйце-

клеток с пересаженными в них ядрами, их клетки содержат множество хромосомных аномалий. Но это не единственная причина остановки развития. Ядра дифференцированных клеток не могут перестроить свой аппарат репликации ДНК, которая в них протекает асинхронно, тогда как в дробящихся яйцеклетках в период синхронных делений вся ДНК реплицируется одновременно (см. гл, 4).
В отдельных экспериментах, проведенных Дж. Гердоном, и его сотрудниками на шпорцевой лягушке, удалось получить полноценные взрослые особи из яйцеклеток, в которые были пересажены ядра из дифференцированных клеток кишечного эпителия головастика и кожи лягушки. Это показывает, что дифференцированные клетки в принципе способны сохранить тотипотентность. Однако таких данных пока крайне мало.
Опыты по трансплантации соматических ядер дали немало информации, касающейся деталей ядерно-цитоплазменных отношений. Гердон в своих опытах по пересадкам ядер выяснил, что синтетическая активность клеточного ядра зависит от влияний, исходящих из цитоплазмы. Так, ядро клетки головного мозга взрослой лягушки, в норме совершенно не способное к дальнейшим делениям и к репликации ДНК, начинает синтезировать ее, будучи пересажено в энуклеированную (лишенную собственного ядра) яйцеклетку. Позже в пересаженных ядрах, начинают образовываться различные виды РНК- Для изучения перестроек функции генов под влиянием цитоплазмы ядра тран-плантируют также в цитоплазму ооцита. Оказалось, что в этом случае синтез ДНК не активируется, но изменяется спектр образующихся РНК — прекращается синтез РНК, характерных для соматических клеток — доноров ядра и начинается синтез РНК, характерный для ооцита, т. е. цитоплазма ооцита определяет функцию ядра. Необходимо учитывать, что эта способность цитоплазмы влиять на ядро обусловлена продуктами генов, которые накапливаются на предшествовавших стадиях развития яйца, в оогенезе.
Дифференциальная активность генов — основа *•’ ; клеточной дифференцировки
Фактов, показывающих, что гены в разных клетках функционируют «дифференциально», довольно много, но большинство их трудно объяснить однозначно. Наиболее прямым подходом было бы визуальное определение уровня транскрипции генов в электронном микроскопе. Пока это удалось сделать для отдельных генов — рибосомных генов, генов хромосом типа ламповых щеток, а также генов хромосом эмбриона дрозофилы. На электронограммах отчетливо видно, что активные гены одновременно транскрибируются многими РНК-полимеризами, причем один гены транскрибируются активнее, чем другие, Хорошо различимы и неактивные гены.	.
214	1	'	-
Другом показатель дифференциальной экспрессии генов — качественные и количественные различия между РНК, синтезируемыми в разных тканях, позволяющие оценить долю транскрибирующегося генома.
Доля генома, транскрибирующегося в клетке. Долю генома, которая транскрибируется в клетке, оценивают на основании гибридизации всей клеточной РНК с ядерной ДНК. Оказалось, что независимо от стадии развития эмбриона транскрибируется порядка 10 % ДНК. Сравнение разных тканей показало, что s/io из этих 10 % активного генома одинаковы, что согласуется с данными по сравнению белков: подавляющая часть их представлена одинаковым набором во всех клетках организма.
Функциональная морфология хромосом. У эукариот с крупными хромосомами о различиях в функциональной активности генов можно судить по характерным морфологическим признакам соответствующих участков хромосом. Существуют два таких 'Показателя: различия в плотности хроматина (гетерохроматин и эухроматин) и пуф фин г (деспир алйзацйя отдельных хромомер).
Активация генов проявляется в деспирализации соответствующих участков хромосомы (эухроматинизация). Однако дес-пирализованное состояние еще не означает, что данный участок хромосомы активен, в то время как гетерохроматиновая морфология всегда свидетельствует о неактивном состоянии генов. Вместе с тем внутри гетерохроматинового района небольшие участки хромосом могут быть деспирализованы и активны, ио не различимы в световом микроскопе. В этих случаях может казаться, что гетерохроматинизированный участок хромосомы активен. Выявить гетерохроматиновое или эухроматиновое состояние отдельных генов и даже групп генов трудно, поэтому этот критерий мало результативен, за исключением тех редких случаев, когда гетерохроматинизируется целая хромосома или весь набор хромосом. Например, у червеца во время шестого деления дробления (будущий самец), гетерохроматинизируется весь отцовский набор хромосом. Интересно также явление гетерохроматинизации одной из Х-хромосом в половых клетках самок млекопитающих.
В тех случаях (млекопитающие, насекомые), когда самки содержат две Х-хромосомы, а самцы только одну, у самок каждый ген Х-хромосомы представлен парой, а у самца — лишь одним геном, т. е. клетки самца содержат одинарную дозу каждого гена этой хромосомы. Это неравенство «нивелируется» у разных видов животных неодинаково. Например, у дрозофилы в клетках самца Х-хромосома функционирует вдвое активнее, чем каждая Х-хромосома у самки. Это явление получило название дозоеой компенсации. Иной механизм дозовой компенсации обнаружен у млекопитающих: в .оогенезе и в период дробления яиц с генотипом XX активны обе Х-хромосомы, а в рапном эмбриогенезе (у мыши на 4-й день развития) одна из
215
них гетерохроматинизируется. За редчайшим исключением (о котором сказано ниже) в каждой клетке эмбриона с равной вероятностью гетерохроматинизируется либо отцовская, либо материнская Х-хромосома. Гетерохроматииизироваиная Х-хромосома в интерфазном ядре имеет вид плотного сгустка, расположенного близ ядерной мембраны,— «тельце Барра». Гетеро-хроматинизация Х-хромосомы — признак ее инактивации. По-видимому, это верно в отношении многих генов гетерохромати-мизированных Х-хромосом. Однако есть свидетельства тому, что какие-то гены таких хромосом (возможно, не всегда) функционируют в клетках женской особи. Так, при полном отсутствии одной из Х-хромосом в клетках женской особи (генотип ХО) происходят серьезные нарушения, известные как синдром Тернера (см. гл. 8), но если от инактивированной Х-хромосемы сохраняется небольшой фрагмент — ее короткое плечо, синдром Тернера не развивается.
Пуффы (деспирализованные хромомеры) в политениых хромосомах и петли в хромосомах типа ламповых щеток отчетливо демонстрируют уровень активности генов. В хромосомах типа ламповых щеток хорошо различимы зоны петель, в которых происходит активная транскрипция, а между ними находятся компактные неактивные гены-хромомеры. В ходе развития и функционирования слюнной железы личинок дрозофилы пуффы появляются и исчезают в определенных местах и в определенном порядке, демонстрируя дифференциальную активность генов. .
Генотип и формирование фенотипа дифференцирующейся клетки
Белки, кодируемые генами,— лишь звено в совокупности фенотипических признаков, которые изменяются при дифференцировках. У прокариот анализа спектра белков достаточно, чтобы более или менее полно охарактеризовать фенотип. У эукариот большая часть фенотипических признаков проявляется в сложных морфологических образованиях, в физиолого-биохимических процессах, в поведенческих реакциях, причинная связь которых с белками пока плохо прослеживается.
Разнообразная и сложная структурная организация дифференцированных клеток во многом определяется особенностями внутриклеточного скелета и мембран, возникающими под влиянием различных факторов, которые изменяют их конформацию, физико-химические и биологические свойства. В качестве примеров сложных морфогенезов при цитодифференцировке иа рис. 90 показаны слуховая клетка саранчи и фоторецепторная клетка дрозофилы. На первой видны правильные вздутия дендрита, напоминающие ярусы высотной башни. Под поверхностью клетки находятся несколько правильно расположенных чувствительных члеников. Не менее сложно строение фото-
216
мембраны, формирующихся
Рис. 90, Примеры сложных цитодиф-фсрсицировок (по К. Уоддингтону, 1964, несколько упрощенно). А — слуховая клетка саранчи; Б — фоторецепторная клетка дрозофилы:
J — чувствительная ресничка, 2 — дендрит, 3 — тело клетки, 4 — ядро, 5 — рабдомер, 6 — пограничные «пузырьки» рабдомера, 7 — верхушка рабдомера
рецепторной клетки. Здесь тоже выделяется чувствительный членик — рабдомер, к нему примыкает полоска пигментных гранул, остальная часть клетки имеет дугообразную поверхность. Рабдомер ретинальной клетки дрозофилы представляет собой серию складок наружи постепенно в ходе онтогенеза из первоначально гладкой поверхности. В исследованиях иа позвоночных показано, что эти складки (которые появляются в фоторецепторах глаза) образуются как следствие воздействия на мембрану низкомолекулярного вещества — ре-тиналя (эфира витамина А). Один из важнейших факторов, изменяющих свойства мембран дифференцирующейся клетки,— встраивание в них новых видов молекул, прежде всего рецепторов, благодаря которым мембраны разных клеток приобретают способность специфически реагировать на малые концентрации регуляторов — медиаторов, гормонов, витаминов (см. гл. 10).
Специфические белки, будучи синтезированы, могут длительное время не выполнять своих функций, пока не займут своего места во внутренней организации клетки. Этот процесс может быть отделен во времени от синтеза белка и, вероятно, имеет свои собственные регуляторные механизмы.
Несомненно, что в ходе клеточной дифференцировки осуществляется координированная перестройка самых разных молекулярных и надмолекулярных структур, связанная с движениями молекул, надмолекулярных образований и целых органелл внутри клетки. Какие факторы ответственны за эти сложные изменения?
Согласно современным представлениям гены определяют все уровни структурной организации белков, а следовательно, и их функции и свойства, благодаря которым они участвуют во всех процессах, определяющих фенотип. Однако, говоря о роли генов, следует помнить, что клетка всегда возникает из другой клетки, а не заново из продуктов активности ее генов. Иначе
'	... W
говоря, в образовании новой клетки важную роль играет организация материнской клетки, так как многие клеточные структуры (например, митохондрии) воспроизводятся на основе пред-существующих. Поэтому механизм клеточной дифференцировки невозможно попять, ограничиваясь только рассмотрением структуры и экспрессии генов; необходимы исследования и на клеточном уровне, т. е. анализ поведения клеточных органелл, клеток и клеточных популяций. Кроме того, поскольку, как правило, фенотип клетки меняется в ходе дифференцировки без изменения (с позиций сегодняшних знаний) генотипа, механизмы, управляющие дифференцировкой, находятся в основном на эпигенетическом (постгенетическом) уровне. Это послужило основанием для введения понятия эпигенотип клетки—совокупность эпигенетических факторов, определяющих фенотипическое изменение при дифференцировке.
Клеточный уровень проявления механизмов дифференцировки
Клеточное деление и дифференцировка. В дифференцированные процессы вовлекается множество клеток общего происхождения, т. е. механизм дифференцировки в большинстве случаев включает как элемент клеточные деления. Много исследований посвящено выяснению взаимоотношения между делением н дифференцировкой клеток, между отдельными фазами клеточного цикла и процессами дифференцировки. Обычно эти взаимоотношения складываются следующим образом. На начальных этапах дифференцировки клетки интенсивно размножаются, а дифференцировочные процессы проходят в промежутках между делениями, преимущественно в фазе G1. По мере того как клетки становятся все более специализированными, частота и скорость клеточных делений уменьшаются, удлиняются промежутки между делениями (увеличивается длительность G1), а дифференцировочные процессы усиливаются. На конечных этапах дифференцировки деления прекращаются,, клетки остаются в фазе G1 (или переходят в фазу GO) и специализация завершается. Эта схема действует во всех дифференцирующихся системах. В результате клеточного деления образуются однотипные и разнотипные клеткв общего происхождения. Во втором случае клеточное деление является обязательным компонентом дифференцировочного процесса, поэтому такое деление называют «дифференцирующим».
Клеточные клоны и дифференцировка. По мере развития зародыша в дифференцировочные процессы вовлекается все большее число клеток. Однажды возникнув, направление дифференцировки в результате детерминации сохраняется в ряду поколений, несмотря на увеличение числа клеток, формирующих определенную ткань. Один нз важных выводов из этого состоит в том, что и элементы механизма дифференцировки — 218	’7‘
компетенция, детерминация, стадия дифференцировки — не утрачиваются при клеточном делении, а передаются клетками их потомству. Так как фенотип, приобретаемый при дифференцировке, в точности передается дочерним клеткам в процессе делений, наряду с генотипической существует и эпигенотшшче-скал наследственность клетки. Генотипическая и эпигенотипи-ческая наследственность определяют преемственность и сохранение изменений, происходящих в ряду клеточных поколений—~ клонов. Считается, что клеточные популяции, из которых формируются ткани и органы,— это клоны, возникшие из единичных стволовых клеток или клеток-родоначальниц.
Некоторые клоны известны давно: это половые клетки, образующиеся из первичных гоноцитов, клетки крови, формирующиеся из стволовых клеток. Первичные половые клетки генетически детерминированы к превращению в яйцеклетки, или сперматозоиды. Однако даже в этом случае этих генотипических потенций недостаточно: для их реализации необходимо соответствующее влияние окружающих соматических клеток, контактные и дистантные взаимодействия, которые действуют на эпигенетическом уровне. При отсутствии этих условий может развиться альтернативный пол, когда половые клетки с мужским набором хромосом превращаются в яйцеклетки, и наоборот (случаи инверсии пола у амфибий, птиц).
Известный советский биолог М. М. Завадовский добился в этом направлении замечательных результатов. Он удалял единственный функционально развитый левый яичник у взрослых кур, вследствие чего начиналось компенсаторное развитие рудиментарного правого яичника. Однако ввиду изменившихся условий развития (в норме яичник формируется в эмбриогенезе, гормональный статус которого сильно отличается от такового у взрослого организма) рудиментарный яичник превращается в семенник, а гоноциты, несмотря на их «женскую» хромосомную конституцию (у птиц XX),— в сперматозоиды. Вслед за этим у оперированных кур изменялись вторично-половые признаки— голос, соответствующие наружные признаки самца.
Детерминация и трансдетерминация в клеточных клонах имагинальных дисков насекомых. Имагииальные диски оказались очень удобными объектами для исследования процессов клеточной детерминации, дифференцировки и анализа клонов. В опытах с ними получены результаты, имеющие общебиологическое значение.
В лаборатории швейцарского биолога К. Хадорна имаги-нальиые диски дрозофилы извлекали из личинок, разделяли на клетки, и эти клетки инъецировали в полость тела взрослого насекомого. Там имагииальные клетки размножались, но не дифференцировались, так как для их дифференцировки необходим гормон экдизон, отсутствующий у взрослых насекомых, но имеющийся в личинках (см. гл. 10). Оказалось, что можно многократно последовательно переносить размножившиеся има-
219
гпнальиые клетки из одной взрослой особи в другую, продолжать культивирование годами и на протяжении всего этого периода клетки не дифференцируются. Если же эту клеточную культуру трансплантировать в личинку, в ней появляется способность к дифференцировке и в большинстве случаев — в тот самый орган, для формирования которого клетки были предназначены в норме, т. е. в соответствии с их исходным детерминированным состоянием. Иными словами, состояние детерминации проносится через многие поколения, передаваясь от клетки к клетке в ходе многочисленных митотических делений.
Таким образом, на основе этих фактов можно говорить о чрезвычайно устойчивой детерминации потенции каждого има-пшального диска. Однако наблюдения К- Хадорна показали, что в некотором проценте случаев после длительного культивирования происходит трансдетерминация: клетки одного диска дают начало другому органу. Так, клетки антенналь?юго диска могут дать начало ноге, крылу или глазу; клетки глазного диска —крылу; крылового диска — мезотораксу и т. д. Некоторые трансдетерминации обратимы, другие —слабо обратимы или вовсе необратимы. Процесс трансдетерминации происходит скачкообразно, без образования промежуточных форм. При этом для каждого диска существуют предпочтительные направления трансдетерминации. Своеобразной «ловушкой» оказался мезоторакс, в который постепенно и необратимо трансдетерминировались клетки всех дисков.
Из этих фактов следуют два важных вывода: 1) детерминированное состояние весьма устойчиво и может без изменений передаваться потомству иа протяжении многих клеточных делений; 2) акт детерминации, по крайней мере в имагинальных дисках, не исключает полностью, а делает крайне маловероятной дифференцировку в иных направлениях, т- е. сохраняет эти потенции в скрытом виде,что прямо указывает на то, что детерминация осуществляется на уровне не генотипа, а элигепотииа.
Из сказанного следует, что клетка данного диска и ес потомство «помнят», к какому диску они относятся. А «знает» ля каждая клетка свое предназначение внутри диска, т. е. представляет ли диск с самого начала мозаику из клеток, детерминированных, предположим (в случае диска ноги), к образованию лапки, бедра илн голени и не способных заменить другие клетки в случае их отсутствия? Получено много данных о том, что имагинальный диск не является подобной мозаикой к его клетки взаимозаменяемы. Оказалось, что на достаточно ранних стадиях развития диски способны к регенерации в случае удаления некоторой их части, или же к удвоению своих частей после продольного расщепления. Все это несовместимо с представлением о строгой мозаичности: внутри диска развитие носит регуляционный характер.
В большинстве случаев клоны не удается выявить и изучить при нормальном развитии, так как клетки разных клонов
220
мало отличаются друг от друга или не отличаются вовсе. Выявление клонов возможно, если в стволовой клетке возникнет мутация или соматический кроссинговер, вследствие чего весь клон наследует это изменение в генотипе. Такое генотипическое изменение может проявиться фенотипически или выявиться па уровне структуры хромосомы или генома, по оно происходит редко. Мозаики с генотипическими различиями между клетками можно получать искусственно.
Искусственное получение химерных животных путем слияния зародышей с разными генотипами. В. Тарковский (1961) и Б. Минц (1962) разработали способ слияния эмбрионов мышей, в результате которого развиваются полноценные «химерные» животные, т. е. животные, состоящие из клеток двух генотипов. Создание химер —одно из выдающихся достижений современной эмбриологии, внесшее крупный вклад в генетику и в биологию индивидуального развития. Для получения генетических химер сливают зародыши, отличающиеся по генотипу,— чаще всего один зародыш с нормальным, другой — с мутантным генотипом. Мутация подбирается с учетом возможности ее выявления на целом организме или тканях и клетках. В литературе встречаются три способа обозначения таких животных — «химеры», «аллофенные животные» и «мозаичные животные».
Метод слияния зародышей состоит в следующем (рис. 91, .4). Два (можно три) эмбриона 8-клеточной стадии, отличающиеся По генотипам, обрабатывают протеолитическим ферментом и освобождают из оболочек. Затем их некоторое время прижимают друг к другу, что способствует их слиянию. Полученные двойные (или тройные) зародыши культивируют некоторое время и затем трансплантируют в матку «приемной» матери. В результате такой операции рождаются особи, ткани и органы которых построены из клеток-потомков обоих (трех) эмбрионов, которые ввиду их генетических отличий можно распознать. Следует отметить, что масса тела химерных животных не больше, чем у обычных, т. е. в период развития она подвергается действию механизмов эмбриональной регуляции (см. гл. 7).
Соматические клетки с разным генотипом в организме химеры иногда равномерно чередуются, свидетельствуя о пропорциональном участии клеток обоих зародышей в формировании клонов для всех органов и тканей. Например, при слиянии зародышей белой беспородной мыши и мышей с черной окраской (C57BI) были получены мыши с равномерным чередованием черных и белых полос от головы до кончика хвоста. Каждая полоса — клон. Чаще клетки с разным генотипом располагаются нерегулярно, что отражает непропорциональное участие клеток зародышей в закладке органов и тканей. Это объясняется тем, что проявление пролиферативных и морфогенетических потенций клеток зависит от многих факторов, в том числе и от генотипа. Зародыши с мутантным генотипом, как правило,
^развиваются хуже, поэтому клоны нормального' зародыша вытесняют или компенсируют их недостаточно эффективное участие в процессе органогенеза. Есть, видимо, много других причин непропорционального вклада клонов, о которых пока ничего неизвестно. Несмотря на указанные недостатки, метод получения химерных животных в сочетании с подбором мутантных
Рис 91. Способы получения мозаичных (химерных, аллофенных) мышей. А — -способ, основанный на слиянии эмбрионов 8-клеточной стадии, отличающихся но окраске шерсти; Б — получение «инъекционных» химер путем введения клеток в бластоцель (по Э. Мак Ларей, 1979)
генотипов внес существенный вклад в проблему клеточных клонов. Рассмотрим некоторые нз достижений в этой области.
У мышей известна мутация дегенерации сетчатки, которая проявляется в том, что сетчатка сначала развивается нормально, но начиная с 7-го дня после рождения происходит распад фоторецепторов. Путем слияния зародышей этого мутанта и -нормальных мышей были получены химеры, анализ сетчатки которых показал следующее: у мышей наблюдалась дегенерация не всех рецепторов, а 5 сегментов, перемежающихся с 5 участками, сохраняющими нормальные фоторецепторы. На этой модели наглядно видно участие клеточных клонов, проис-222
ходящих из нормального и мутантного зародышей. Вывод таков: фоторецепторы сетчатки построены из 10 идентичных клонов — производных 10 клеток-родоначальниц. В химерном животном в закладке сетчатки чередуются по 5 клонов нормального и мутантного зародышей. Аналогично путем подбора соответствующих мутантов были сделаны выводы относительно числа клонов, формирующих различные ткани и органы.
Согласно данным разных авторов в формировании каждого-сомита участвуют по крайней мере два клона, в формировании печени —20 клонов, проксимальных отделов почечных канальцев— 4—5 клонов. Популяция меланоцитов, расселяющаяся по всему телу, закладывается, по одним данным, 34 клетками (по 17 на левой и правой сторонах), по другим данным, число стволовых клеток-родоначальниц меланоцитов может быть больше (32—100).
Приведенными данными не исчерпываются результаты, полученные на основании анализа химер. Не столь важно, что оценки числа клонов, участвующих в формировании органов, не очень точны и будут уточняться. Важно, что этот метод незаменим, как подход к маркированию клеточных клонов, он совершенствуется и еще далеко не исчерпал себя.
Широко используется «инъекционный» метод получения химер, предложенный Р. Гарднером (рис. 91, Б). Метод основан на инъекции клеток другого генотипа, которые принимают участие в закладке части тканей, в бластоцель эмбриона. Этим методом в зародыш клетки удается вводить не только ранних эмбрионов, но и более дифференцированные клетки.
В последние десятилетия новые методы выявления и анализа клоиов, в частности в области экспериментальной эмбриологии и генетики развития млекопитающих и насекомых, повысили интерес к клонам. В ряде случаев стали чрезмерно схематизировать процесс развития организма, рассматривая его как набор клонов, а ранние зачатки, например зародышевые листки,— как совокупность стволовых клеток, каждая из которых затем дает клон. Очевидно, не следует индивидуальное развитие сводить к закладке n-ного числа клеток-родоначальниц и далее к появлению из них клонов, взаимодействие которых создает организм, ибо такой подход чрезмерно индивидуализирует клетку и не учитывает, что развивающийся организм — целостная система (см. гл. 11).
Стабильность дифференцированного состояния клетки
Итак, детерминированное состояние, приобретаемое клеткой,, стабильно и может передаваться в ряду поколений через множество клеточных делений. Возникает вопрос: какова стабильность конечного, дифференцированного состояния клетки, т. е. состояния, к которому приходит в результате развития детс-р-
22а
минированная клетка? В норме дифференцированная клетка находится в условиях, способствующих сохранению ее морфофизиологического состояния н выполнению ее специфической функции. Однако в изменившихся условиях это состояние может измениться. Клетка либо утрачивает признаки дифференцировки, т. е. дедифференцируется, либо может перейти в иное дифференцированное состояние,— этот процесс называют трансдифференцировкой.
Дедифференцировка. Если кусочек или разъединенные клетки дифференцированной ткани поместить в среду для культивирования, они адаптируются к новым условиям. Адаптация проходит в несколько фаз. Первая фаза — утрата признаков, которые они приобрели в ходе дифференцировки. Например, в клетках молочной железы в течение первых суток полностью прекращается синтез лактозы (молочный сахар), а в течение 6 суток на 80 % снижается образование лактоглобулина (белок молока). Следующая фаза — приобретение признаков и физиологических свойств, отвечающих новым условиям. Если условия способствуют интенсивному размножению, клетки непрерывно делятся. Большинство клеток утрачивают признаки дифференцировки полностью или практически полностью, их основной функцией становится размножение. Изменяется и морфология клеток. Если дифференцированные клетки разнообразны по морфологии, то клетки, длительно размножающиеся в культуре, независимо от происхождения становятся похожими. При этом в культуре доминируют два клеточных типа: 1) фибробластоподобный и 2) эпителиеподобный. Они характерны для клеток, длительно живших вне организма в условиях, специально подобранных для максимального проявления их способности к размножению. Адаптация к условиям интенсивного роста сближает клетки не только морфологически, но также биохимически и физиологически.
Таким образом, для сохранения дифференцированного состояния необходимо, чтобы внутри организма были условия для жизнедеятельности клеток.
Об устойчивости дифференцированного состояния клеток свидетельствует то, что даже вне организма, в условиях, когда они лишены регулирующего влияния других клеток и внутренней среды, нередко сохраняются признаки их дифференциации. В некоторых случаях такие признаки наблюдаются в непрерывно делящихся клетках (например, синтез коллагена в фибробластах), но, как правило, их появление сопровождается угнетением процесса размножения. Изменяя условия культивирования, можно усиливать либо процессы дифференцировки, либо размножения. Большое значение имеют состав среды, особые добавки. Так, в среду для культивирования клеток обычно добавляют (кроме аминокислот, углеводов и витаминов) 20 % сыворотки крови крупного рогатого скота. В этих условиях клетки интенсивно размножаются, но не дифференцируют-224-
ся. В отсутствие сыворотки происходит дифференцировка: изменяются морфология и биохимия клеток в направлении, характерном для нейронов. Если в среду снова добавить сыворотку, процессы дифференцировки подавляются. Важный фактор, способствующий дифференцировке,— условия, важные для осуществления межклеточных взаимодействий: плотность клеток, культивирование на субстратах (в суспензии клетки лишены возможности для нормального взаимодействия). Важен также характер поверхности субстрата.
Обратимся к некоторым, хорошо изученным случаям, когда от действия тех или иных факторов зависит стабильность дифференцированного состояния клеток.
Малигнизация. Малнгнизация •—процесс, при котором клетка in vivo утрачивает многие признаки и свойства, которыми она наделена в норме, выходит из-под контроля регулирующих систем организма и начинает усиленно размножаться. Малиг-низация связана с сильной перестройкой биохимии (например, резко усиливается гликолиз), физиологии (изменяется проницаемость мембран, их рецепторные свойства), хромосом (анэ-уплоидия, транслокации и т. д.). Тем не менее многие виды опухолевых клеток сохраняют некоторые признаки дифференцировки. Среди опухолей наибольший интерес для биологии развития и, в частности, проблем дифференцировки представляют тератомы (тератокарциномы, эмбриокарциномы),— малиг-низацйя' ранних эмбрионов. В этом случае малнгнизация сочетается с хаотичной дифференцировкой тканей и зачатков органов,-которые могут возникать иногда (очень редко) самопроизвольно в семенниках и яичниках. Такие опухоли можно получать искусственно, подсаживая под капсулу почки и других органов ранние зародыши. В них нарушается нормальное развитие листков и формирование зачатков. Тератомы можно также получить, пересадив кусочек раннего зачатка половой железы (уже содержащей гоноциты) в семенник. В этих условиях гоноциты начинают размножаться, закладываются ткани типа эктодермы и энтодермы и затем образуются хаотично расположенные ткани. Наряду с дифференцированными тератомы содержат недифференцированные клетки. Во многих случаях формируются дефинитивные структуры — зубы, волосы и т. д.
Важным в общебиологическом плане результатом исследований с эмбрнокарциномными клетками явились опыты по получению из ннх нормальных тканей после пересадки в бластоцисты, т. е. опыты по получению инъекционных химер. Этим путем в ряде лабораторий, в частности в лаборатории Б. Минтц в США, были получены химерные животные, у которых некоторые ткани, нормальные во всех отношениях, развились из эыбриокарциномных клеток, инъецированных в бластоцисту. В опытах Б. Минтц и К. Ильменей было показано, что из производных эмбриокарциномных клеток могут образовываться даже гоноциты, способные дать начало новой особи. Все это
15 Заказ 645
225
свидетельствует о сохранении у эмбриокарцином потенций не только к росту, но и к нормальной дифференцировке, несмотря на продолжительное пребывание в необычных условиях. Информация, полученная в результате исследования тератом, подтверждает представления о высокой стабильности системы цитодифференцировкн, включающей детерминацию и ее воплощение в признаки и свойства дифференцированной клетки.
Синтез сс-фетопротеинов в дифференцированной клетке. В конце 60-х годов в СССР Г. И. Абелев и его сотрудники обнаружили, что в опухоли печени (гепатоме) появляется необычный белок. Этот белок (независимо найден и в другой лаборатории в сыворотке плода человека) получил название а-фето-протеина (а-белок плода).
а-Фетопротеин — специфический белок сыворотки эмбрионов млекопитающих и человека — напоминает сывороточный альбумин взрослых. Первоначально он начинает синтезироваться эктодермальными клетками желточного мешка, а затем — клетками эмбриональной печени- После рождения синтез этого белка снижается, практически прекращаясь к концу третьей недели. В печени взрослого организма в норме он не образуется, а в печени, превращающейся в гепатому, под действием химических канцерогенов (соединений, вызывающих малигнизацию) синтез а-фетопротеииа возобновляется. Он начинает продуцироваться в печени и при ее регенерации, после гепатэктомии или отравлении ССЦ.
Признаки дифференцированности, проявляемые культивируемыми опухолевыми и неопухолевыми клетками
Опухолевые клетки
.Меланома радужной оболочки и сетчатки
Тучные клетки
Опухолевые клетки надпочечников
Эритролейкемичные клетки
Глиома (малигнизированные глиальные клетки)
Гепатома
Малигнизированные мышечные клетки
Клетки опухоли гипофиза Нейробластома
Эмбриокарциномные клетки
Нормальные дифференцированные клетки в культуре
Клетки надпочечников
Хрящевые клетки
Клетки сердечной мышцы
Клетки кожи
Клетки хрусталика
226
Фенотипические признаки
Меланин
Гистамин
Стероидные гормоны под действием адренокортикотропного гормона
Гемоглобин
Синтез специфических белков (белок S-100) глиальных клеток нервной системы
Сывороточный альбумин
Образование многоядерных клеток (мнотубов)
Гормон роста
Фактор роста нерва, ацетилхолинэсте-раза
а-Фетопротеин
Фенотипические признаки
Стероидные гормоны
Хондроитинсульфат и коллаген (специфичный для хрящевых клеток)
Спонтанные ритмические сокращения Кератин
Кристаллин
Меланоциты
Миобласты	.	'
Клетки щитовидной железы Фибробласты
Лимфоциты
Пигментсодержащие меланосомы
Слияние и образование многоядерных клеток, синтез мышечных белков (актина, миозина), сократимость, образование миофибрилл
Тиреоидные гормоны
Коллаген, мукополисахариды, миозин Иммуноглобулины
ГЛАВА 10
МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Межклеточные взаимодействия играют важную роль на всех этапах индивидуального развития. Способы межклеточных взаимодействий весьма разнообразны, но для удобства рассмотрения выделяют два основных — контактные и дистантные. К контактным относятся взаимодействия между клетками посредством прямых контактов, Непосредственно контактирующие клеточные мембраны обычно находятся на расстоянии порядка 0,02 мкм. К этой категории следует относить и клетки, расположенные на большом расстоянии и вступающие в контакт посредством ворсинок, отростков (нервные клетки). В ряде случаев от клетки отделяются пузырьки, окруженные фрагментом клеточной мембраны, которые на некотором расстоянии могут вступить в контакт с другой клеткой.
В настоящее время выделяется и третий тип взаимодействий клеток, осуществляемый через посредство внеклеточного матрикса — вещества, выделяемого из клеток на их поверхность. В этих случаях расстояние между взаимодействующими клетками может быть большим, но все же такие связи нельзя относить к дистантным.
Дистантные взаимодействия осуществляются посредством легко диффундирующих в тканях и циркулирующих в крови веществ — физиологически активных соединений, гормонов.
Контактные межклеточные взаимодействия
Взаимодействия однородных клеток при их движении. Контактная ориентировка. Движение клеток в развивающемся зародыше (и во взрослом организме)—один из факторов, способствующих множеству изменяющихся межклеточных контактных взаимодействий. Вместе с тем благодаря движению в контакт могут вступить клетки, расположенные в самых разных частях организма. Во многих морфогенетических процессах отдельные клетки движутся по мембранам, покрывающим клеточные слои. Таковы движения клеток стенки первичной кишки, ползущих при гаструляции по выстилке стенки бластоцеля, клеток мезенхимы зачатка сердца, движущихся по стенке кишки,
15*	W
клеток нервного гребня, распространяющихся по внутренней поверхности эктодермы и по стенке нейрального эпителия, и многих других типов клеток. Большинство из этих движений имеет достаточно точную направленность. Это можно объяснить тем, что решающая роль в ориентации клеточных движений принадлежит характеру микроскопической структуры поверхности субстрата — наличию в нем ориентированных пучков мицелл или бороздок. Такие представления возникли благодаря наблюдениям за движением клеток культур тканей по искусственным субстратам. Более 50 лет назад австрийский биолог П. Вейсс высадил культуру эмбриональных соединительнотканых клеток (фибробластов) на каплю плазмы крови, которая перед этим была растянута как пленка между сторонами стеклянного треугольника. По законам физики наибольшая сила поверхностного натяжения была приложена к пленке по линиям, соединяющим центр пленки с серединами сторон стеклянного треугольника, а наименьшая — по линиям, соединяющим центр пленки с углами треугольника. Помещенные на каплю фибробласты расползлись к серединам сторон, т. е. по линиям наибольшего натяжения субстрата. Вейсс сделал вывод, что важны не линии натяжения сами по себе, а то, что вдоль них ориентируются частицы (мицеллы) плазмы крови. Фибробласты ориентировались именно по этим микроструктурам и двигались вдоль них. То же происходило с фибробластами, выселенными на твердую микроструктурнрованную подложку (например на рыбью чешую)-—они ориентировались и двигались вдоль структур. На неструктурированной подложке, например на ненатянутой пленке, фибробласты перемещались беспорядочно.
Позже было выяснено, что на фибробласт влияет не только структура плоского субстрата, ио и его кривизна. Так, если посадить фибробласты на внешнюю поверхность капилляра радиусом 54 мкм, они ориентируются вдоль него («избегают» слишком большой кривизны субстрата в поперечном направлении). И только если взять капилляр радиусом 127 мкм, его кривизна будет слишком мала для восприятия фибробластами и они расползутся по капилляру во всех направлениях.
Открытое им явление ощущения клеткой поверхности Вейсс назвал «contact guidance» (не вполне точный русский перевод — контактная ориентировка). Контактная ориентировка проявляется при движении клетки не только по структурированному субстрату, но и по поверхности другой клетки. Благодаря контактной ориентировке могут возникнуть обширные скопления одинаково ориентированных клеток. Это служит предпосылкой для закономерно направленных морфогенетических движений.
Возможно, что в какой-то мере принцип контактной ориентировки играет роль и в определении направления роста нервных волокон — аксонов. Аксоны часто , растут иа значительные расстояния от тела нервной клетки до рецептора или эффектора, 228
который они иннервируют, или же до другого нервного центра; при этом они могут безошибочно находить иннервируемые ими клетки в случае пересадок последних в новые положения. Направленный рост аксонов в значительной степени обусловлен структурой поверхности субстрата, по которому они растут. Возможно, что кроме того существуют и какие-то специфические химические механизмы распознавания нервом «своего» рецептора, эффектора или центра. В настоящее время их природа исследуется. Уже выделен и достаточно хорошо изучен фактор, стимулирующий рост нервных отростков (см. ниже).
Другой тип взаимодействий, описанный в культурах одиночных клеток (эмбриональных фибробластов), называется контактной ингибицией. Различают контактное ингибирование движений, делений и других видов клеточной активности. Так, при встрече двух свободно движущихся фибробластов под некоторым углом друг к другу тот из них, который соприкоснется передним полюсом с поверхностью другого фибробласта, немедленно останавливается, а через несколько минут начинает двигаться в обратном направлении. Контактная ингибиция клеточных делений выражается в том, что контакты между фибробластами понижают их митотическую активность, а освобождение от контактов повышает ее. Механизм этих явлений не вполне ясен, но предполагают, что первичным звеном служат какие-то быстрые перестройки плазматической мембраны фибробластов, зависящие от установления или разрыва контактов с соседними фибробластами. Вслед за тем появляются признаки понижения синтетических процессов. Аналогичные процессы могут происходить при нормальном развитии, а также при регенерации, в ходе заживления ран. Так, известно, что находящиеся на краю раиы эпителиальные клетки активно двигаются вплоть до смыкания краев раны. Тогда их движение прекращается (они не ползут друг по Другу), возможно, вследствие контактной ингибиции.
Взаимодействия разнородных клеток: избирательная сортировка (сегрегация) клеток. В 30-х годах И. Гольтфретер ставил опыты по смешиванию диссоциированных клеток разных зародышевых листков амфибий. Вначале клетки смешивались беспорядочно и контактировали друг с другом случайно. Затем, однако, происходила избирательная сортировка, или сегрегация, клеток: клетки одного листка отмешивались от клеток другого листка, так что клеточный агрегат вновь становился слоистым. При этом иногда взаимное расположение соответствовало нормальному, а иногда было извращенным (рис. 92). Так, при смешивании диссоциированных эктодермальных и энтодермальиых клеток (рнс. 92, А) первые в конечном счете оказываются снаружи, а вторые —внутри агрегата. При смешивании мезодермальных и эктодермальных клеток все мезодермальные клетки оказываются внутри (рис. 92, Б). То же самое происходит при смешивании мезодермальных клеток с эктодермальными (рис.
229
92, В). Если смешать клетки всех трех листков, внутри оказываются энтодермальные и мезодермальные (рис. 92, Г).
Работы Гольтфретера послужили стимулом для большого количества аналогичных исследований, выполненных на разных типах эмбриональных тканей. В опытах смешивались клетки, которые в норме никогда не встречаются: например, клетки хряща и глазных зачатков и многие другие. При этом всегда на-
Рис. 92. Избирательная сортировка диссоциированных и перемешанных эмбриональных клеток (по П. Таунсу н И. Гольтфретеру, 1955). А—энтодермальные (светлые) и эктодермальные (темные) клетки; Б— мезодермальные (темные) и эктодермальные (светлые) клетки; В — эктодермальные (темные) и мезодермальные клетки (внутри агрегата); Г — эктодермальные (темные), мезодермальные и энтодермальные (светлые) клетки. Сверху вниз — последовательные стадии сортировки
блюдался феномен отмешивания. Особый интерес явления сортировки стали вызывать после того, как было обнаружено, что раковые клетки не способны отсортировываться от нормальных. С этим связывают агрессивность раковых клеток, их свойство активно проникать в разнообразные чужеродные ткани.
Никаких специфических (например, хемотаксических) факторов для ориентировки движений и агрегации клеток, подоб-
230
ных акразину слизистых грибов (см. ниже), у многоклеточных животных в подобных экспериментах не обнаружено.
О возможных механизмах этих явлений выдвинут ряд предположений. Большинство из них сводится к тому, что сортировка клеток — процесс стохастический. Вначале клетки устанавливают неизбирательные контакты с любыми соседними клетками, но контакты с однородными клетками оказываются прочнее или же поверхность контакта обширнее, чем с чужеродными клетками. В результате разнородные клетки постепенно от-мешиваются. При этом клетки с более прочными взаимными связями концентрируются внутри клеточных агрегатов, а с более слабыми связями — па поверхности.
Относительно участия процессов клеточной сегрегации в нормальном развитии существуют разные мнения. Некоторые авторы приписывают им существенную роль в морфогенезе, другие рассматривают их скорее как резервные механизмы, которые могут упорядочить расположение клеток после его нарушения.
Интересно отметить, что если у низших животных видовая специфичность клеток как бы перекрывает органную, то у высших животных наблюдается обратное. Уже давно известно, что если перемешать клетки разных видов губок, они отмешивают-ся в соответствии со своей видовой принадлежностью. Но если перемешать клетки разных органов зародышей птиц или млекопитающих, принадлежащих к двум разным видам, то клетки от-мешаются не по видовой принадлежности, а в соответствии с принадлежностью к тому или иному органу.
Контактные взаимодействия и индукция. Уже говорилось, что первичная индукция осуществляется, вероятнее всего, путем диффузии молекул индуцирующих веществ от индуктора к реагирующей ткани. Участвует ли диффузия во вторичных индукциях? Чтобы это выяснить, между индуктором и реагирующей тканью вставляли фильтр с канальцами разного диаметра и извилистости и исследовали, при каких условиях произойдет индукция.
Было обнаружено, что фактор индукции поджелудочной железы (в данном случае индуктором была мезодерма слюнных желез, но может быть и индуктор другого происхождения) способен распространяться через тонкие извилистые поры. Этот фактор очишен и состоит из молекул гликопротеида (см. ниже), которые, видимо, диффундируют в направлении реагирующей тканн. Показано, что для индуцирующего эффекта он не должен проникнуть в клетку, достаточно контакта с ее поверхностью. На другой системе, которая тоже исследовалась при помощи фильтров (индукция почечных канальцев из нефрогенной мезенхимы спинным мозгом зародыша), эффект достигался лишь при установлении контактов между отростками клеток индуктора. Это один из немногих изученных примеров индукции посредством контактных межклеточных взаимодействий.
Индукция через посредство внеклеточного матрикса типична
ж.
для взаимодействий между эпителием и мезенхимой. Выше (гл. 8) говорилось, что индукция эпителия зубных зачатков зависит от выделения мезенхимой зубных сосочков коллагенового слоя. Если подавить синтез коллагена, то даже при наличии контактов между мезенхимой н эпителием последний в зубной зачаток не развивается. По-видимому, многие воздействия мезенхимы на энтодерм ал ьный эпителий, в результате которых из последнего формируются канальцы желез, также связаны с коллагеновой подстилкой, образуемой мезенхимой. Механизмы многих индукций пока неизвестны. Так, нет определенных данных о механизме наиболее известной и ранее всего открытой вторичной индукции — индукции хрусталика глазным зачатком.
Межклеточные взаимодействия (а также взаимодействия клеток с субстратом) влияют иа самые разные процессы в клетках, в том числе на синтетические. Например, обнаружено, что при отрыве клеток эпителия хрусталика от коллагенового субстрата, к которому они были прикреплены, в них немедленно понижается синтез РНК и ДНК. Для образования выпячиваний и веточек эмбрионального легкого или слюнной железы эпителиальные клетки также должны быть подостланы коллагеном. Межклеточные взаимодействия и вызываемая ими активация синтезов могут быть неодновременными. Например, при развитии зубов индукционные воздействия на несколько лет опережают синтез эмали и дентина.
Роль межклеточных взаимодействий как факторов индукции клеточной дифференцировки и активации специфических генов хорошо демонстрируется на примере диссоциированных клеток сетчатки (ретины) зачатка глаза куриного эмбриона. Диссоциированные ретинальные клетки дифференцируются либо в клетки нейронального типа, синтезирующие специфический фермент холинацетилтрансферазу, либо трансдифференциру-ются в линзовые клетки, синтезирующие кристаллины. Как показали опыты Окада и его сотрудников, если диссоциированным клеткам дать возможность немедленно агрегировать и культивировать их в виде агрегатов, в них начинаются процессы, специфичные для нейронов (синтез холинацетилтрансфера-зы), если же клетки культивировать, ограничивая их контакты, они трансдифференцируются в линзовые клетки ( синтез кристаллинов). Несомненно, что во многих случаях микроокружение (ближайшее окружение) клеток в процессах развития определяет характер их детерминации и дифференцировки, но механизм этих явлений ясен лишь в общих чертах. Несмотря на многочисленные попытки выделить химические вещества с избирательным индукционным воздействием, пока можно указать лишь на единичные достоверные факты такого рода:
1.	Вегетализующий фактор, выделенный Тидеманом, который действует на эмбриональную эктодерму и трансформирует ее в энтодерму.
2.	Мезенхимный фактор, выделенный Раттером из гомоге-
232	 •
патов целого эмбриона, который стимулирует дифференцировку ацинарных клеток поджелудочной железы. Это гликопротеид, который индуцирует пролиферацию и дифференцировку, не проникая в клетки. Он должен оказывать свое действие не кратковременно, а в ходе всего процесса дифференцировки ацинарных клеток.
3.	Гликопротеид, который секретируется клетками хорды, входит в состав матрикса, располагающегося между хордой и сомитами, и индуцирует хондрогенез в сомитах.
Участие реагирующей ткаии в индукционном процессе. «Директивные» и «разрешающие» индукции. Реагирующую на индуктор ткань нельзя представлять себе как бы чистым листом бумаги, на который индуктор накладывает информацию о возникающем органе; реагирующая ткань всегда сама принимает большее или меньшее участие в выработке индуцированной структуры. В еще большей степени это относится ко вторичным индукциям. В зависимости от степени участия индуктора и реагирующей ткани в выработке окончательной модели индуцируемого органа финский эмбриолог Л. Саксен предложил разделить индукционные процессы на «директивные» и «разрешающие».
При директивных''"Индукциях индуктор вызывает образование в ткани таких структур и синтез таких молекул, которые не были «предусмотрены» историей развития реагирующей ткани, и никогда бы не возникли в ней без индуктора. Наиболее яркий пример директивной индукции — первичная индукция центральной нервной системы из эмбрнональной покровной эктодермы. К директивным индукциям можно отнести также индукцию эмалевого органа зуба мезенхимой зубного сосочка или индукцию кожных придатков дермой. Объект действия директивных индукций — по большей части эмбриональная эктодерма.
Индукции, направленные. ..на мезодерму, являются обычно разрешающими. Это означает, что Ьии эффективно действуют лишь на заранее подготовленную ткань. Например, мочеточник или спинной мозг вызывает индукцию почечных канальцев только в мезенхиме тазовой почки и пи в какой другой. Эпителиальная часть зубного зачатка стимулирует синтез дентина только в мезенхиме зубного сосочка. Видный эмбриолог Б. И. Ба-линский открыл удивительный факт индукции дополнительной конечности слуховым пузырьком, пересаженным на бок зародышу тритона. При этом конечность возникла только из мезенхимы боковой области, а в головной мезенхиме тот же слуховой пузырек (как это установил раньше Д, П. Филатов) вызывал образование другого органа — слуховой капсулы.
При развитии производных энтодермы (см. гл. 8) наблюдаются как директивные, так и разрешающие индукции. Как правило, вторые наступают вслед за первыми.
При разрешающих индукциях важная роль реагирующей
233
ткани не подлежит сомнению. Однако и при директивных индукциях реагирующая ткань играет далеко не пассивную роль. Это особенно четко выявляется, если индуктор и реагирующая ткань взяты от разных видов или классов животных. Структура индуцированного образования всегда определяется генотипом реагирующей ткани, а не индуктора. Известно, например, что передняя часть выстилки глотки амфибий индуцирует образование из покрывающей ее эктодермы ротовых придатков, имеющих разное строение у бесхвостых и хвостатых амфибий. Если передний конец глотки зародыша тритона накрыть брюшиой эктодермой зародыша лягушки, то из трансплантата формируются ротовые придатки головастика: ряды роговых зубчиков на переднем конце тела тритона. Таким образом, индукционные воздействия от переднего конца глотки зародыша тритона были «прочитаны» трансплантатом в соответствии с его собственным генотипом.
Дистантные межклеточные взаимодействия
Непосредственные контакты клеток и контакты, опосредованные матриксом, не могут обеспечить все усложняющиеся по мере развития структурные и физиолого-биохимические взаимосвязи между клетками и тканями. Кроме них выработался механизм, обусловливающий дистантное взаимодействие между клетками посредством специальных факторов. К числу последних относится аттрактивное (хемотаксическое) вещество — фактор агрегации акразиевых грибов, фактор роста нервных отростков, различные нейромедиаторы дистантного действия, гормоны и т. д. (см. ниже). Эти факторы отличаются по характеру и механизмам действия, которые не во всех случаях хорошо изучены. Из низкомолекулярных веществ, выполняющих роль посредников дистантных взаимодействий между клетками, наиболее хорошо изучен фактор агрегации миксамеб у акразиевых грибов.
Фактор сближения и агрегации миксамеб у акразиевых грибов. Строго говоря, этот пример не относится к проблеме межклеточных взаимодействий в индивидуальном развитии животных, поскольку акразиевые грибы — низшие растения со своеобразным жизненным циклом. Однако они весьма удобны как модель для изучения возможных способов дистантных взаимодействий клеток, обусловливающих интегративные связи между отдельными клетками. Развитие этих организмов начинается с прорастания спор и образования мигрирующих клеток — миксамеб, которые затем агрегируют, образуя так называемый псевдоплазмодий. Вещество, концентрация которого определяет постепенное сближение и агрегацию миксамеб с образованием мигрирующего слизевика или плодового тела, ранее называвшееся акразином, как теперь выяснено, представляет собой циклический 3', 5'-аденозинмонофосф ат (3х, 5'-цАМФ). Кдждая микс-234
амеба выделяет цАМФ не непрерывно, а импульсами, следующими один за другим через 5—8 мин и передающимися от одной миксамебы к другой. При этом цАМФ не только ориентирует движение амеб к центру агрегации, но и создает условия для их агрегации, индуцируя в них способность к слипанию. Разберем подробнее, как это происходит.
Сначала в популяции миксамеб выделяются отдельные амебы-инициаторы, которые начинают продуцировать цАМФ. цАМФ диффундирует в среду и достигает обращенного к инициатору ближайшего полюса соседней миксамебы (назовем ее амеба 2). Как только это произошло, амеба 2 продвигается в направлении, откуда был выделен цАМФ. Приблизившись к амебе-инициатору, амеба 2 через 5—8 мин сама выделяет порцию цАМФ, на которую таким же образом реагирует амеба 3, и т. д. Поскольку амеба-инициатор окружена плотным скоплением амеб., то имеется не одна, а целое кольцо равноотстоящих от нее амеб 2, кольцо амеб 3 и т. д. Эти кольца амеб продвигаются к инициатору толчками с промежутками 5—8 мин. В конце концов все амебы собираются в псевдоплазмодий. Способность миксамеб воспринимать действие цАМФ как сигнал обусловлена появлением на их поверхности специфических рецепторов — антигенов гликопротеидной природы (подробнее о рецепторах см. ниже). Если приготовить специфические антитела к этим антигенам и обработать ими клетки, они утрачивают способность агрегировать. По-видимому, имеется не менее трех видов гликопротеидов, выполняющих эту роль. Выделены мутантные виды миксамеб, которые не содержат поверхностных антигенов и не способны агрегировать.
Низкомолекулярные стимуляторы физиолого-биохимических процессов. Существует множество разных по структуре и механизму действия низкомолекулярных физиологически активных соединений, вырабатываемых клетками и регулирующих жизнедеятельность одноклеточных форм, клеток эмбрионов и взрослых многоклеточных организмов. Эти вещества могут быть или регуляторами, физиологических процессов внутри самой клетки, или соединениями, выделяемыми клеткой в среду, откуда они действуют через рецепторы мембраны на эту же или на другие клетки. В последнем случае они выступают в роли посредника межклеточных взаимодействий. В отличие от матрикса эти вещества способны диффундировать и оказывать свое влияние на некотором (более значительном, чем толщина матрикса) расстоянии от секретировавшей клетки. От гормонов они отличаются тем (см. ниже), что область их действия ограничена небольшим участком ткани, тогда как гормоны разносятся кровотоком по всему организму. По этой причине такие физиологически активные регуляторы иногда называют локальными гормонами. Среди них особый интерес представляют соединения типа нейромедиаторов — ацетилхолин, серотонин н катехоламины (норадреналин, дофамин, адреналин), роль которых в нейро-
235
гуморальной регуляции взрослого организма хорошо известна. Оказалось, что соединения этого типа вырабатываются многими одноклеточными организмами, беспозвоночными животными и клетками эмбрионов задолго до формирования нервной системы, Их возможная роль как посредников межклеточных взаимодействий еще не совсем ясна. Однако существует немало данных, позволяющих считать, что они могут выступать в роли факторов, определяющих уровень физиолого-биохимической активности (дыхание, интенсивность синтетических процессов) и пролиферации клеток.
Гормоны
Гормоны — это соединения, которые вырабатываются специализированными клетками (клетками эндокринной системы) и оказывают самые разные воздействия иа процессы пролиферации, дифференцировки и функционирования клеток. В отличие от физиологически активных соединений типа медиаторов, вырабатываемых в раннем эмбриогенезе неспециализированными (для их синтеза) клетками, гормоны, а также нейромедиаторы, действующие на более поздних этапах индивидуального развития (и во взрослом организме), являются продуктами активности узкоспециализированных видов клеток. По этой причине гормоны образуются на поздних стадиях развития, когда завершается процесс дифференцировки этих клеток.
Химическая природа гормонов. В химическом отношении гормоны представлены двумя типами веществ: 1) белково-пептид-ными и 2) стероидными. Существует также группа гормонов, образованных из аминокислот, различным образом модифицированных.
Ниже перечислена небольшая группа хорошо изученных белково-пептидных гормонов.
Инсулин — белок из 52 аминокислот, вырабатывается в поджелудочной железе, регулирует уровень сахара в крови.
Тимозин — белок из 105 аминокислот, вырабатывается тимусом, регулирует пролиферацию лимфоцитов.
Паратиреоидный гормон — белок из 84 аминокислот, вырабатывается паращитовидной железой.
Пролактин — белок с молекулярной массой 25 тыс., вырабатывается в передней доле гипофиза, регулирует секрецию молока в молочной железе.
Гормон роста, соматотропин — белок из 188 аминокислот, вырабатывается в передней доле гипофиза, стимулирует пролиферацию клеток и белковые синтезы.
Тиреотропин — гликопротеид с молекулярной массой 30 тыс., вырабатывается в передней доле гипофиза, стимулирует рост и дифференцировку щитовидной железы.
Адренокортикотропный гормон — пептид из 39 аминокислот, синтезируется в передней доле гипофиза.
236	.	
Окситоцин, вазопрессин — циклические пептиды из 9 аминокислот, синтезируются в задней доле гипофиза.
Особую группу образуют релизинг-гормоны — факторы высвобождения гормонов из вырабатывающих их клеток. Они представлены короткими пептидами, вырабатываемыми клетками гипоталамуса.
Функции некоторых стероидных гормонов приведены в табл. 5.
Таблица 5. Характеристика некоторых стероидных гормонов
Стероид	Главный источник	Главные ткани-мишени	Гормональная функция
Эстроген	Яичник	Матка, влагалище, грудная железа, гипоталамус Семенные пузырьки, простата, семени ни	Развитие женских половых признаков
Тестостерон	Семенник 		Развитие мужских половых признаков
Прогестерон '	Яичник, плацента	Матка, яйцевод	Сохранение беременности
Гидрокортизон	Кора надпочечника	Все клетки	Регуляция использования энергии
Альдостерон	Кора надпочечника	Почка	Регуляция баланса
Холестерин	Пища, печень	Неизвестны	Метаболический предшественник всехсте-
		1	роидов
Молекулярный механизм действия гормонов. Специфичность гормонов выражается в том, что каждый гормон действует на определенную категорию клеток, способных воспринять его эффект («ткани-мишени»). Один и тот же гормон может иметь множество мишеней и, напротив, одна и та же клетка может быть мишенью не одного гормона (особенно в разные фазы физиологического или дифференцировочиого состояния).
В настоящее время установлено, что непременным и первичным звеном механизма действия любого гормона является рецептор — белковая молекула специфической конформации, находящаяся в клетке-мишени. Именно рецептор делает клетку мишенью данного гормона. По существу, молекула гормона и молекула рецептора — одна система, конформационио подогнанная (подобно ключу и замку), но вырабатываемая разными и находящимися далеко друг от друга клетками. Обладая взаимным сродством, они легко взаимодействуют, обеспечивая дистантные взаимодействия вырабатывающих их (т. е. гормон и рецептор) клеток. Если гормон имеет не один, а несколько типов клеток-мишеней, то в процессе его действия все соответствующие клетки-мишени интегрируются в единую систему, деятельность которой координируется клетками, вырабатывающими гормон. Поскольку такие клетки сами находятся под контролем
237
часто других гормонов или нервной системы, в координацию в конечном счете вовлекаются все типы клеток организма.
В настоящее время выяснены многие детали молекулярного механизма действия гормонов. Сначала как пептидные, так и стероидные гормоны присоединяются к рецептору (образуется гормон-рецепторный комплекс), но этот процесс для тех и других гормонов неодинаков. Рецепторы пептидных гормонов (рис, 93) локализованы на поверхности клеток-—погружены в
плазматическую мембрану, тогда как участок, связывающий гормон, выступает над ней. С внутренней стороны мембраны к рецептору примыкает фермент аденилатциклаза, который катализирует образование циклической аденозинмонофосфорной кислоты (цАМФ). Для многих гормонов (адренокортикотропный гормон, глюкагон, лютеинизирующий гормон) показано, что их взаимодействие с рецептором сопровождается активацией каталитической функции аденилатциклазы, очевидно, в результате изменения конформационного состояния каталитического центра фермента. В результате в клетке быстро увеличивается концентрация цАМФ, который, в свою очередь, служит посредником между многими ферментами, фосфорилирующими определенную группу белков и изменяющими их свойства и тем самым свойства клетки. В описанном механизме цАМФ выполняет роль важнейшего посредника. Помимо аденилатциклазы в клетке содержится фермент фосфодиэстераза, который разрушает цАМФ, переводя его в АМФ. Таким образом, количество цАМФ в клетке зависит от активности двух ферментов — аденилатциклазы и фосфодиэстеразы, причем активность первой регулируется гормонами, В этом механизме существует еще много
238
неясных деталей. Так, инсулин в отличие от перечисленных выше гормонов не активирует, а ингибирует (там, где есть его рецептор) аденилатциклазу.
Рецепторы стероидных гормонов локализованы не в мембране, а в цитоплазме, и сами гормоны в этом случае проникают внутрь клетки (рис. 94). Они растворимы в липидах — свойство, которое, по-видимому, как-то связано с их способностью
Рис. 94. Схема действия стероидных гормонов (из М. С. Мицкевича,
1978)
проникать в клетку через мембрану. Проникнув в клетку, моле-кула гормона соединяется с рецептором, конформация которого изменяется. Не все детали изменений, претерпеваемых рецептором, связавшим гормон, выяснены, ио так или иначе рецептор приобретает способность проникнуть (в форме гормон-ре-цепторного комплекса) в ядро, где он связывается с хроматином. Предполагается, что каждый гормон-рецепторный комплекс имеет сродство к определенным локусам хромосом, взаимодействуя с которыми, он активирует в них транскрипцию. Многочисленными экспериментами с использованием меченых гормонов (например, 3Н или ИС эстрадиола) прослежены этапы пути гормона из цитоплазмы в ядро вплоть до хроматина и показано, что вслед за проникновением гормона в клетке активируется транскрипция, повышается уровень синтеза РНК и изменяется спектр синтезируемых РНК. Оказалось, один и тот же гормон одновременно индуцирует синтез многих видов РНК, в том числе рибосомных. Это означает, что стероидный гормон действует подобно эффектору, индуктору генной активности, инициируя действие сразу большой группы генов. Сейчас еще неизвестно, каким образом гормон-рецепторный комплекс активирует гены, что определяет его специфичность и т. д. Показано, что меченый гормон-рецепторный комплекс имеет сродство к хроматину, присоединяется к нему, входя в состав фракции негистоновых
239
белков. Поэтому есть предположение, что он как-то действует на негистоновые (кислые) белкн хроматина, а последние активируют транскрипцию. Однако это пока лишь гипотеза.
Таким образом, кратко рассмотрев вопрос о • молекулярных механизмах действия гормонов, следует подчеркнуть существенно разный механизм действия пептидных и стероидных гормонов. Первые (кроме того, что они не проникают в клетку и их рецепторы вынесены на поверхность), изменяя активность ферментов, фосфорилирующих белки (киназ), действуют в основном на физиолого-биохимические и, возможно, на структурноморфологические свойства цитоплазмы. Стероидные гормоны влияют на хромосомы, регулируя генную активность. Однако следует отметить, что сфера деятельности пептидных гормонов шире и включает ядерные процессы. В частности, известно, что фосфорилироваиие-дефосфорилирование (с помощью киназ) ядерных белков (гистонов, негистоновых белков хромосом) изменяет функцию хромосом, в том числе их транскрипционную активность и интенсивность процессов трансляции и т. д. Следовательно, прямо или косвенно оба типа гормонов регулируют функцию генетического аппарата клеток.
Некоторые гормонально регулируемые процессы индивидуального развития. Гормоны и другие химические регуляторы роста и развития действуют на энергетику, биосинтез нуклеиновых кислот и белков, пролиферацию, дифференцировку и специализацию клеток. Гормоны, влияющие на индивидуальное развитие, можно подразделить на 2 группы в зависимости от их источника:
1. Гормоны, синтезируемые в материнском организме, среди которых существенна группа гормонов, регулирующих репродуктивную функцию (процессы гаметогенеза, овуляции, и раннего эмбриогенеза). У млекопитающих ввиду внутриутробного характера развития эти гормоны, проникая через плаценту, могут оказывать воздействие не только на процессы гаметогенеза, но и на зародышевое развитие.
2. Гормоны, вырабатываемые эндокринной системой развивающегося организма и регулирующие рост, дифференцировку и специфическую физиолого-биохимическую деятельность клеток на конечных этапах их дифференцировки.
Гормональный контроль процессов предзародышевого развития. Оогенез н сперматогенез. Процессы созревания половых клеток носят циклический или сезонный характер. И параметры циклов, и сезонная активность гаметогенеза регулируются гормонами, продуцирующимися яичником и семенником. В свою очередь гормональная активность гонад находится под контролем гонадотропинов — гормонов гипофиза. Благодаря системной регуляции гормонами гаметогенез и процессы созревания ооцитов скоординированы с деятельностью всех гисто-физиологических элементов половой системы, включая подготовку и синхронизацию процессов, обеспечивающих оплодотворение со
240
зревших половых продуктов а у млекопитающих — подготовку условий, необходимых для эмбриогенеза). В оогенезе гормоны в наибольшей степени контролируют период большого роста ооцитов, их созревание и овуляцию (см. гл. 3),
Гормональный контроль некоторых органогеиезов и гистогенезов. В период закладки зародышевых листков и зачатков основных органов собственные гормоны еще не продуцируются эмбрионом и регуляция процессов развития осуществляется в результате индукционных взаимодействий контактирующих клеток и клеточных слоев. Во время органо- и гистогенезов появляются гормоны, роль которых постепенно возрастает. Роль, гормонов в органо- и гистогенезах хорошо изучена не во всех случаях, но есть основания полагать, что все органы и тканевые системы на том или ином этапе своего развития испытывают их регулирующее действие, необходимое для координированного роста, цитофизиолог'ической дифференцировки и функционирования. Рассмотрим некоторые примеры органо- и гистогенезов, в которых роль гормонов хорошо продемонстрирована.
Роль гормонов в развитии репродуктивных органов. Развитие мужских и женских репродуктивных органов (см. гл. 8), гонад,, системы выводящих протоков и наружных половых органов-представляет собой хороший пример гормонального контроля оргаио- и гистогенезов. Рассмотрим, как осуществляется этот контроль у млекопитающих.
У млекопитающих гормоны определяют развитие только системы протоков репродуктивных органов самца; при отсутствии гормонов во всех случаях (в том числе и у генетически детерминированных самцов) развивается женская система протоков,, т. е. из мюллерова протока формируется яйцевод, а мезонефрос и вольфов проток дегенерируют. В развитии мужских выводящих протоков играют роль два гормональных фактора, вырабатываемых клетками эмбрионального семенника: тестостерон, продуцируемый интерстициальными клетками (клетки Лейднга) и фактор, продуцируемый .клетками Сертоли. Тестостерон — ответствен за развитие семявыносящего протока из вольфова-канальца и наружных половых органов, а фактор, вырабатываемый клетками Сертоли,— за дегенерацию мюллерова протока (при его отсутствии мюллеров проток у самца сохраняется).
В развитии женских половых протоков гормоны не участвуют. Предполагается, что такой принцип (зависимое от гормонов развитие мужских и иезависнмое от гормонов развитие женских протоков) служит приспособлением, связанным с внутриутробным характером развития млекопитающих, у которых женские гормоны легко проникают через плаценту и даже вырабатываются в самой плаценте. Если бы гормоны-эстрогены влияли, на половую дифференциацию, они бы препятствовали развитию репродуктивных органов самцов в утробе матери.
Таким образом, развитие характерных для самца репродук-
16 Заказ 645	'	241г:
тивных органов связано с совокупным последовательным действием двух факторов: 1) генетического, т, е. продукта активности гена Y-хромосомы (Н — У-антиген), который стимулирует клетки мозговой части недифференцированной половой железы к образованию канальцев семенника; 2) гормонального — тестостерона и фактора, вырабатываемого клетками Сертоли, которые побуждают вольфов проток и верхний отдел мезонефроса к формированию системы семявыносящих протоков; одновременно эти гормоны вызывают дегенерацию мюллерова протока. В дальнейшем под влиянием тестостерона развивается и система наружных половых органов самца.
Развитие молочной железы. Развитие молочной железы и индукция в ее альвеолах синтеза и секреции молока также пред-ставляет собой яркий пример сложной гормональной регуляции процесса развития органа и его гисто-физиологического и функционального созревания, У новорожденных животных (или человека) млечные железы представлены еще недоразвитой системой протоков — эктодермальными углублениями в подлежащую мезенхиму. С наступлением половой зрелости в крови повышается уровень эстрогена, который индуцирует дальнейшее разветвление и увеличение массы протоков железы. Но окончательная .гисто-цитологическая дифференцировка и формирование секретирующих альвеол в конечных отделах протоков происходят в период беременности под влиянием большой группы гормонов — прогестерона, пролактина и лактогена, а в дальнейшем — в период кормления — высокий уровень пролактина поддерживает процесс лактации.
Гормональная регуляция системы синтеза компонентов яйца в яйцеводе птиц. Железистые клетки яйцевода птиц — хорошо изученная модель гормонального контроля за гисто-физиологической дифференцировкой синтеза специфических белков. Детальная морфологическая дифференцировка клеток, вырабатывающих, например, овальбумин (яичный белок), начинается лишь в период половозрелости под влиянием гормонов. В яйцеводе птиц последовательно расположены отделы, в которых клетки специализированы на секрецию разных составных частей сложной оболочки яйца,— белка, подскорлуповых оболочек, скорлупы, В яйцеводе неполовозрелых животных эти отделы не функционируют. Однако, если животным ввести эстроген, клетки эпителия яйцевода начинают пролиферировать и дифференцироваться, образуя трубчатые железы. В свою очередь клетки желез синтезируют и секретируют компоненты яичного белка. Эстроген вызывает также дифференцировку специализи-рованных клеток следующего отдела (гоблетовские клетки), синтезирующих овидин, но для индукции его синтеза необходимо присутствие прогестерона. В настоящее время хорошо изучены молекулярно-биологические аспекты индукции и синтеза овальбумина, детально исследована структура и экспрессия гена этого белка.
242	*
Гормональная регуляция метаморфоза амфибий и насекомых. Развитие имагинальных органов при метаморфозе амфибий, насекомых и их гисто-цитологическая дифференцировка регулируется гормонами — тироксином и трииодтиронином, которые секретируются щитовидной железой под воздействием тиреотропина — гормона передней доли гипофиза.
В конце личиночного периода развития, видимо, под влиянием внешних факторов уже имеющийся в крови в небольшой концентрации тиреоидный гормон стимулирует в гипоталамусе, синтез тиреотропин-релизинг-гормона, который в свою очередь возбуждает секрецию тиреотропина в передней доле гипофиза, а последний усиливает секрецию гормонов щитовидной железы. Затем следует новый цикл стимуляции, в результате чего достигается ступенчатое повышение уровня тиреоидного гормона, регулирующего процессы метаморфоза. Постепенное повышение уровня гормонов важно для координированной индукции многочисленных процессов резорбции, а также для новых синтезов, которые происходят в разных частях тела. Следует обратить, внимание на то, что координацию разнонаправленных процессов распада, синтеза, морфогенеза и т. д. обеспечивают всего два гормона довольно простого строения. Это хорошая модель для изучения механизмов и факторов, определяющих специфичность гормональной регуляции.
Каким образом один гормон может обусловить множество разных процессов дифференцировочного, морфогенетического и физиологического плана? В настоящее время известно, что это возможно при условии, что в каждой клетке- или ткани, в которой индуцируется изменение, подготовлена программа этих изменений в результате предшествовавшей деятельности генетического аппарата и, в частности, программа появления системы рецепторов и других внутриклеточных факторов, приводимых в действие гормон-рецепторным комплексом (см. выше). Эти факторы, в частности рецепторы, появляются непосредственно перед метаморфозом и, видимо, их количество наращивается постепенно, поэтому необходимо также постепенное увеличение концентрации гормона, индуцирующего метаморфоз. Если ввести большое количество тиреоидного гормона в самом начале метаморфоза, нарушается его координированность. В частности, более быстрыми темпами резорбируется хвост, не успевают сформироваться имагииальные органы. В каждой ткани, которой предстоит измениться, подготавливаются определенные условия для индукции гормоном именно тех процессов, которые должны там начаться: в клетках хвоста — высокая активность гидролитических ферментов, в эритроидной ткани — дифференцировка нового типа эритроцитов с дефинитивным гемоглобином, в кишечнике — резорбция части тканей и индукция синтеза новых пищеварительных ферментов и т. д. Все сказанное свидетельствует о том, что гормон (по крайней мере в данном случае) представляет собой не первопричину регулируемых им
16*	'	243
сложных процессов, а лишь звено в единой программе, где он выполняет роль пускового устройства (триггера) и координатора всей этой программы. Видимо, такова роль всех гормонов, ибо между их химической и физической природой и природой тех процессов, которые они индуцируют, нет прямой причинно-следственной связи. Следовательно, причины, лежащие в основе процессов, которые индуцируются гормоном, лежат глубже и охватывают в том числе и деятельность самих гормонов, как звеньев запрограммированного процесса развития. О том, что факторы, ответственные за метаморфоз, заключены в клетках, воспринимающих гормон, а не в гормонах, свидетельствует следующий эксперимент. Если перед метаморфозом в основание хвоста пересадить зачаток глаза, то в последующем хвост полностью резорбируется, а зачаток глаза сохраняется.
У насекомых метаморфоз связан с еще более коренными перестройками. У личинки лишь отдельные органы сохраняются после метаморфоза, но и те претерпевают изменения. Индивидуальное развитие насекомых состоит из двух хорошо разграниченных периодов: сначала формируется система личиночных, а затем дефинитивных органов, которые образуются из имагинальных дисков. Данных о том, играют лн какую-либо роль гормоны в первом периоде, нет: факторы, ответственные за формирование личиночных органов и зачатков имагинальных органов, заключены в яйце, т. е. вырабатываются в материнском организме.
Личиночные линьки и метаморфоз осуществляются под контролем набора гормонов: первый из них — экзиотропин— вырабатывается нейросекреторными клетками мозга и стимулирует в проторакальной железе образование другого гормона — экдизона (гормона линьки). Экдизон контролирует не только линьку, но и связанный с ней рост личинки. Третий гормон — ювенильный— вырабатывается околомозговой железой. В метаморфозе насекомых основное значение имеет не отдельный гормон, а изменение гормонального баланса. После серии линек, происходящих под контролем экдизона, наступает метаморфоз, при котором индуцируются образование имагинального типа кутикулы (вместо личиночного), а также дифференцировочные и морфогенетические процессы в имагинальиых дисках.
Факторы, регулирующие процессы роста. Рост (см. гл. 12), как и многие процессы индивидуального развития, контролируется факторами гормональной природы. Основным гормоном, регулирующим процессы роста, является гормон роста, или соматотропин. Соматотропин — пептидный гормон, синтезируемый в передней доле гипофиза. Как и другие гормоны пептидной природы, он действует на поверхностные рецепторы клетки. Повышенная концентрация соматотропина может привести к гигантизму или к непропорциональному росту отдельных частей тела, например скелета дистальных частей конечностей при акромегалии. Действуя на клетки, гормон роста повышает в них
244	'	‘ '
синтез белка. Рост скелета под действием соматотропина происходит опосредованно, так как этот гормон стимулирует образование в печени и выход в кровь соматомедина— фактора, повышающего усвоение сульфата. Соматомедин — смесь белков, которые представляют собой инсулиноподобные вещества. Соматомедин как посредник соматотропина стимулирует пролиферацию хрящевых клеток, усвоение сульфата, имитирует действие инсулина и даже способен взаимодействовать с мембранными рецепторами, специфичными к инсулину. Помимо . соматотропина стимулирующим рост действием обладают многие другие гормоны — инсулин, тироксин, гидрокортизон, тестостерон и эстрадиол. Они активируют процессы роста либо непосредственно, либо путем образования соматотропина.
Фактор роста нервов открыт более 25 лет назад в опухолевых тканях мыши, которые были имплантированы в зачаток конечности цыпленка. Это один из наиболее изученных факторов, стимулирующих рост отростков симпатических и чувствительных нейронов. Важные свойства этого специфического фактора — присутствие в самых разных тканях и сходство его структуры со структурой проинсулина — предшественника инсулина. В больших количествах он содержится в змеином яде, обнаружен в подчелюстной железе самцов мышей (но не самок). Подчелюстная железа мыши стала основным источником получения фактора для разнообразных исследований. Он обнаружен также в сердце, почке, селезенке, в культивируемых in vitro клетках мыши, в опухолях. По химической природе фактор является белком, состоящим из 118 аминокислот. Механизм его действия неизвестен. Он не только стимулирует рост отростков нейронов, но и повышает их жизнеспособность в культуре. Большинство данных свидетельствует о том, что его эффект связан с взаимодействием с поверхностными рецепторами нейрона, а не с проникновением в клетку.
Фактор, стимулирующий рост эпителиев, выделен из подчелюстной железы (сопутствует фактору роста нейронов) и из мочи беременных женщин. В условиях in vitro стимулирует рост эпителиев. Имеет белковую природу.
К факторам роста можно отнести также эритропоэтин, сти-' мулирующий продуцирование красных кровяных клеток, и тромбопоэтин, способствующий образованию тромбоцитов. Эритропоэтин — соединение гликопротеидной природы, предположительно вырабатывается в почках и активирует эритропоэз, действуя, по-видимому, на начальные этапы терминальной дифференцировки эритроцитов. Его концентрация сильно возрастает при анемиях (снижение титра эритроцитов в крови). Полагают, что образование и выход эритропоэтина в кровь стимулируется продуктами разрушения эритроцитов, т. е. концентрация этого фактора — звено в механизме поддержания (путем активации эритропоэза) количества эритроцитов в крови.
Зз последние годы из числа ингибиторов роста наибольшее г
245
внимание привлекли кейлоны, подавляющие деление клеток тех тканей, в которых они синтезируются. Согласно предположениям, кейлоны — это звенья в цепи обратной связи, контролирующей массу ткани (органа). Если количество клеток данной ткани уменьшается, то, согласно гипотезе, уменьшается и количество кейлона, что приводит к пролиферации и увеличению массы ткани. Считается, что именно понижение уровня кейлонов при удалении одного из парных органов (например, почки) приводит к компенсаторному росту оставшегося органа. Известны кейлоны эпидермиса, эритроцитов, фибробластов, гранулоцитов, волосяных фолликулов, почки, печени, лимфоцитов, меланоцитов. Будучи тканеспецифичными, кейлоны, однако, не видоспецифичны.
Ингибиторы роста обнаружены и у ряда беспозвоночных (кишечнополостные, кольчатые и плоские черви). Они выделяются обычно головными отделами тела и подавляют образование таких же структур в других тканях. Предполагается, что ингибиторы переносятся у этих организмов направленно, от передних отделов к задним.
.  * * *  .
Таким образом, гормоны характеризуются следующими свойствами.
1.	Гормоны управляют физиолого-биохимическими процессами, обеспечивающими репродуктивную функцию, запуская и координируя деятельность всех процессов, органов и систем, ответственных за своевременное и согласованное созревание половых клеток (предзародышевое развитие) и оплодотворение.
2.	По-видимому, гормоны не принимают непосредственного участия в процессах эмбриогенеза вплоть до периода органогене-зов, или их роль в этот период ограничена.
3.	Участие гормонов, вырабатываемых самой развивающейся особью, в процессе развития начинается в период органогенезов и гистогенезов и затем неуклонно возрастает, при этом вместе с нервной системой гормоны создают единый регуляторный механизм, обеспечивающий взаимосвязь всех частей организма и их координированный ответ на изменения внешней среды, т. е. гомеостаз и адаптацию.
4.	Один и тот же гормон способен одновременно воздействовать на многие ткани и индуцировать любой вид клеточной активности, прямо или косвенно затрагивая и генетические и эпигеномные уровни клеточной деятельности.
5.	Универсальное звено первичного действия гормонов — рецептор — белковая молекула с изменяющейся при присоединении гормона конформацией; рецептор располагается либо на поверхности (у гормонов пептидной природы), либо в цитоплазме (у гормонов стероидной природы).
6.	При действии на генетический аппарат один и тот же
246
гормон способен одновременно активировать функцию многих геноз,
7.	Причины изменений, происходящих под действием гормонов, заложены в самой клетке, точнее в программе развития, реализация которой начинается с помощью гормона. Программа развития включает индуцируемые клетки, в которых подготавливается все необходимое для ее реализации, и клетки, секретирующие гормон. В этом смысле действие гормона аналогично эмбриональной индукции с той разницей, что в данном случае индукция осуществляется дистантно и опосредована гормоном — продуктом активности индуктора. Принципиальной разницы между эмбриональной и гормональной индукциями нет, и поэтому в обоих случаях применимы понятия «компетенция» (готовность индуцируемой ткани), «индуктор» — контактирующая клетка или гормон как составные части вырабатывающей его клетки — индуктора и, наконец, «индукция»- (процесс их взаимодействия). Отличия между гормональной и эмбриональной индукциями состоят в следующем. При эмбриональной индукции индуцируемая система и индуктор представляют собой ткани — определенный минимум клеточной ассоциации; при гормональной индукции как индуктором, так и объектом индукции может быть отдельная клетка. Действие эмбрионального индуктора и компетеитиость индуцируемой системы кратковременны: через некоторое время оба теряют эту способность. При гормональной индукции обе системы могут длительно взаимодействовать.
ГЛАВА 11
ПРОБЛЕМА ЦЕЛОСТНОСТИ РАЗВИТИЯ
В современной биологии развития преобладают аналитические подходы. Их цель — разложение непосредственно наблюдаемого процесса развития организма на отдельные слагаемые. Эти подчиненные процессы могут протекать в пределах весьма малых (по сравнению с целым организмом) образований — клеток, надмолекулярных структур и наконец, молекул. В их изучении достигнуты большие успехи, которые не раз отмечались на протяжении данного курса. Однако встает вопрос: можно ли, изучив по отдельности даже все существенные микропроцессы, воссоздать на их основе ход развития целого организма? Или при аналитическом исследовании из поля зрения ускользают некоторые важные факторы, интегрирующие эти мпкропроцессы воедино и делающие возможным организованное развитие?
К настоящему времени имеется несколько категорий данных, показывающих, что факторы целостного контроля за хо
247
дом развития существуют объективно. Важнейшие из них следующие.
1.	Развитие на уровне целого организма или достаточно крупных его составных частей (зачатков органов) происходит весьма упорядоченно, несмотря на то что слагающие его микропроцессы, как правило, такой упорядоченностью не обладают и могут совершать «ошибки». Как уже отмечалось (гл. 9), лишь в редчайших случаях.зачатки органов обладают «поклеточнойточностью», т. е. состоят из определенного числа клеток, каждая из которых находится в единственно предписанном ей месте. Как правило, число клеток в зачатке, темп их размножения, перемещения отдельных клеток не являются абсолютно точными. Создать из таких «ошибающихся» элементов упорядоченное целое без целостного контроля — все равно, что пытаться вслепую построить сложное архитектурное сооружение из неотесанных камней. Наличие макропорядка в развитии при возможном отсутствии микропорядка — один из доводов в пользу целостного контроля.
2.	Как показывает сравнительная эмбриология, особи различных и даже удаленных друг от друга видов с заведомо отличающимися геномами обладают, если они относятся к одному и тому же типу, важными сходными чертами в ходе развития и в возникающем на его основе плане строения. Эти сходные черты также макроскопические; они были известны биологам еще до появления современных микроскопов. Такая общность на макроуровне при заведомо различных геномах и контролируемых ими микропроцессах — еще один довод в пользу целостного контроля развития.
В последнее время получены новые данные, расширившие этот довод. Было обнаружено, что мутации, влияющие иа развитие тех или иных морфологических структур, например щетинок, антенн или конечностей насекомых, оставляют незыблемым некоторый общий для всей данной систематической группы план строения, который в англоязычной научной литературе именуется «препаттерн» (наиболее близкий русский перевод — прообраз). Можно исключить одно из звеньев препаттерна (например, получить мутацию бескрылых мух или мух с антеннами на месте ног), но не удается исказить сам препаттерн, т. е. изменить, например, относительные положения развивающихся структур. Механизмы возникновения и стабилизации препаттернов— важная и нерешенная проблема феногенетики, которая нуждается в разработке представлений о целостном контроле.
3.	Наиболее яркое и прямое доказательство целостного контроля— эмбриональные регуляции и связанные с ними явления (например, процессы регенерации), рассмотренные в гл. 13. Возможность образования одних и тех же целостных структур' из разного эмбрионального материала или с участием различных промежуточных процессов еще в конце прошлого века привела эмбриологов к идее о целостном контроле за развитием..
248
Следует иметь в виду, что целостный контроль осуществляется при чрезвычайно сильном усложнении организации развивающегося зародыша на всех уровнях. Именно сочетание упорядоченности с усложнением отличает живые развивающиеся системы от наиболее простых физико-химических систем, где тоже наблюдается упорядоченность на макроскопическом уровне (процессы кристаллизации). Поэтому долгое время считалось, что проблема упорядоченного усложнения и связанные с ней вопросы целостного контроля — специфически биологиче--ские проблемы.
Однако к настоящему времени обнаружен и интенсивно изучается обширный класс неживых систем, обладающих свойством самоорганизации. Создана также особая физико-математическая наука, занимающаяся такими системами,— синергетика. Между синергетикой и работами по целостному контролю в биологических системах существует довольно тесное взаимодействие. Созданные синергетикой методы привлекаются к анализу проблемы целостного контроля развития живых систем.
В настоящее время разрабатываются следующие основные подходы к проблеме целостного контроля развития:
1.	Концепция физиологических градиентов Ч. Чайльда и вытекающие из иее более поздние представления о позиционной информации (positional information).
2.	Концепции морфогенетических полей.
3.	Модели диссипативных структур, возникшие в рамках только что упоминавшегося синергетического подхода.
Теории физиологических градиентов и позиционной информации
Теорию физиологических градиентов в начале XX в. предложил американский ученый Ч. Чайльд. Он обратил внимание на то, что у многих животных (особенно низших беспозвоночных — червей, кишечнополостных) обнаруживаются градиенты интенсивности обмена веществ и совпадающие с ними градиенты повреждаемости тканей, причем те и другие обычно падают от переднего полюса животного к заднему. Это и есть физиологические градиенты Чайльда. Согласно концепции Чайльда физиологические градиенты устанавливаются раньше, чем начинается морфогенез и клеточная дифференцировка, и определяют пространственное расположение этих последних. Судьба части зародыша есть функция от соответствующего ей уровня физиологического градиента. Возникновение же самих градиентов определяется гетерогенностью внешней среды. Чайльд приводил ряд примеров развития зародышей в неоднородной среде. Так, яйцеклетки и ранние зародыши, как правило, развиваются при наличии градиентов снабжения питательными веществами, аэрации и т. п. Эти градиенты иногда возникают из-за того, что яйцеклетка только одним полюсом прикреплена к стенке
249
Рис. 95. Схема двойного градиента в яйцеклетке амфибий. Вертикальные стрелки направлены в сторону убывания количества желтка (от вегетативного полюса к анимальному). Кривые, сгущающиеся к точке серого серпа (с.с.), определяют гипотетический дорсовентраль-ный градиент (по А. Дальку, 1938)
гонады или к фолликулярным клеткам; развивающиеся во внешней среде яйцеклетки или зародыши также находятся в условиях неравномерной аэрации или освещенности; наконец, на все организмы односторонне действует сила тяжести. Любое из этих условий или их совокупность может, по Чайльду, «навести» на яйцеклетки или ранние зародыши физиологический градиент. Этот первичный градиент,, как правило, будет соответствовать анимально-вегетативиой оси яйца. Под некоторым углом к этому градиенту может возникнуть вторичный градиент, также созданный внешними факторами. Например, в яйцеклетке амфибий такой градиент порождается сперматозоидом и имеет свою высшую точку в области серого серпа. Система из двух несимметричных градиентов создает на поверхности сферы некоторое скалярное поле, в котором каждая пара то-,чек, симметричная относительно плоскости, проходящей через оба градиента, имеет свою собственную определенную координату (рис. 95).
Функцией этой координаты и является, по Чайльду, судьба клетки, оказавшейся в данной точке сферы (например, бластулы). Если игнорировать лево-правые различия (как имеющие совершенно особую природу или управляемые некоторым тре
тьим градиентом), то подобная двухградиентная система в принципе достаточна для описания сколь угодно сложной пространственной структуры. Теория Чайльда привлекает своей простотой и ясностью и опирается на многочисленные факты. В его книге «Планы строения и проблемы развития» (1941) перечисляются многие физиологические градиенты и связи между их нарушениями и последующими морфологическими аномалиями. Большой интерес представляет один из частных выводов Чайльда: верхний (доминирующий) конец градиента выделяет некоторые факторы, подавляющие развитие таких же (головных) структур из других клеток зародыша. Это явление «физиологической доминантности» было многократно подтверждено. В некоторых случаях найдены вещества (ингибиторы развития), передающие это действие. И тем не менее рассматривать теорию Чайльда как универсальное объяснение пространственной организации развития нельзя. Прежде всего часто не удается обнаружить необходимый, с точки зрения Чайльда, гетерогенности внешней среды, окружающей яйцеклетку или зародыш,
250
или же морфогенез последних не ориентирован в соответствии с этой гетерогенностью. Такие факты отмечены, в частности, при развитии кишечнополостных. Еще пример: сагиттальная плоскость в яйце амфибий может возникать при партеногенезе или при введении сперматозоида точно в анимальный полюс яйцеклетки; в обоих случаях отсутствует внешний фактор, порождающий второй градиент, и тем не менее развитие таких зародышей не отличается от нормального. Далеко не всегда в ходе развития установление физиологических градиентов пред-' шествует появлению морфологических неоднородностей: встречается и обратная последовательность. Таким образом, концепция Чайльда чересчур упрощает проблему целостности развития, хотя и отражает некоторые ее существенные черты.
Представления современного английского биолога Л. Воль-перта о позиционной информации можно рассматривать как одно из направлений разработки закона Дриша (см. гл. 7) и теории Чайльда. Принимая вслед за этими авторами, что каждая клетка зародыша каким-то образом должна «ощущать» свое положение в целом организме или зачатке, Вольперт полагает, что положение определяется концентрацией некоторых веществ — «морфогенов» и что морфогены распределены вдоль оси целого зародыша или его зачатка по определенному градиенту. Связанная с концентрацией морфогена информация о положении данной клетки (это и есть, по Вольперту, «позиционная информация») весьма проста и может быть одинаковой для самых разных организмов. Однако то, как клетка «прочитает и интерпретирует» эту информацию, зависит, по Вольперту, от генома данной клетки н всей прерыдущей истории ее развития.
Если, по Вольперту, позиционная информация меняет своп значения вдоль некоторой оси (подобно градиентам Чайльда),  то, по представлениям современных американских биологов П. Френча и Б. Брайанта, позиционная информация есть функция полярных координат клетки. Модель Брайанта получила название циферблатной, так как в ней позиционная информация как бы соответствует показаниям часовой стрелки. Брайант высказал гипотезу, что именно такого рода позиционная информация определяет процессы дифференцировки и регенерации имагинальных дисков насекомых, а также асимметрию поперечных сечеиий конечностей позвоночных.
Концепции позиционной информации (особенно циферблатная модель) позволяют дать формальную интерпретацию некоторым регуляционным и регенерационным явлениям. Однако они еще очень далеки от общей теории целостности. Фактически база данных построений продолжает оставаться недостаточной: ии один из постулируемых «морфогенов» до сих пор достоверно не обнаружен.
От рассмотренных концепций несколько отличается точка зрения английского биолога Б. Гудвина. Принимая гипотезу морфогенетических градиентов, он предполагает, что градиенты
251
Рис. 96. Моделирование морфогенеза головного мозга зародыша курицы (по А. Г. Гурвичу, 1977)
представляют собой стойкие следы некоторых периодических процессов (волн), распространяющихся вдоль развивающегося зачатка (см. гл. 10). Гипотеза Гудвина интересна тем, что обращает внимание на морфогенетическое значение периодических распространяющихся процессов. Тем не менее и эта гипотеза еще не приобрела форму законченной теории.
Концепции морфогенетических полей и тополого-геометрические модели морфогенеза
Разобранные концепции физиологических градиентов и позиционной информации не уделяли внимания изменениям формы зародыша и его частей в ходе развития, считая, что впоследствии их можно будет вывести из различий в относительных значениях гипотетических «морфогенов» в разных точках зародыша. Такая точка зрения, по-видимому, ошибочна: форма целого зародыша или зачатка более сложна, чем предшествующие различия (паттерн) химического порядка (если последние имеются). Кроме того, (как уже говорилось в гл. 9, 10), форма и структура зачатка способны оказать обратное действие на биохимические процессы в его клетках. Таким образом, изменения формы зародыша в ходе развития могут определяться самостоятельными факторами и законами.
Задача концепции морфогенетических полей и состоит в отыскании законов формообразования в индивидуальном г з-
витии. Наиболее последовательно эту линию исследований проводил советский биолог А. Г. Гурвич, который еще в начале 20-х годов предложил первые в мировой литературе математические модели формообразования. Наиболее разработанная модель Гурвича основывалась на предположении о дистантных векторных взаимодействиях между всеми клетками зародыша. В некоторых случаях эта модель позволяла выводить последующую форму зачатка из предыдущей (рис. 96), что было недостижимо для любой другой теории морфогенеза. Например, моделировался переход эмбрионального головного мозга из стадии одного пузыря в стадию трех пузырей, причем модель исходила из гипотезы об отталкивающих взаимодействиях между противоположными стенками зачатка. На рис. 96 эти взаимодействия приближенно отображены тремя векторами: одним, перпендикулярным к поверхности зачатка, и двумя другими,
252
перпендикулярными к первому. Принималось, что такие векторы приложены ко всем точкам (например, A, А2) исходного внутреннего контура зачатка. При последовательном проведении такого построения внутренний контур переводится во внешний (стадия трех мозговых пузырей).
Одиако до сих пор для подавляющего большинства развивающихся организмов отсутствуют данные о направленных дистантных взаимодействиях клеток (выше отмечалось, что такие данные были получены только для акразиевых грибов,-причем и среди них взаимодействия носят не совсем тот характер, какой предполагался в модели Гурвича). Поэтому моделирование формообразования по Гурвичу отражает несколько иные (возможно, не дистантные, а контактные) типы взаимодействия клеток. Наиболее важный вывод из теории Гурвича состоит в том, что эмбриональное формообразование — в значительной мере самодетерминируемый и самоконтролируемый процесс: предыдущая форма зачатка определяет характерные черты его последующей формы.
Интересны представления Гурвича о действии морфогенетических полей на молекулярном уровне. Еще в 30-х годах он указал на важную роль неравновесных надмолекулярных структур в живых системах; по его мнению, характер и функционирование этих структур определяются приложенными к ним векторами поля. Экспериментальное исследование роли таких структур в дифференцировке и морфогенезе — актуальная задача будущих исследований.
В последние годы К- Уоддингтон и Р. Том предприняли попытку создать более обобщенную концепцию морфогенетического векторного поля, которая должна была включать в себя не только формообразование в узком смысле слова, но и любые изменения состояний развивающихся систем. Эта концепция основана на заимствованных из математики идеях структурной устойчивости и неустойчивости процессов. Сходные идеи лежат в основе теории диссипативных структур.
Модели диссипативных структур и самоорганизации морфогенеза
Может ли протекать примитивный морфогенез и самопроизвольное (не «спечатываемое» с неоднородностей внешней среды) усложнение структуры в небнологических системах? В настоящее время известен целый ряд таких систем. Их характерное свойство — энергетическая открытость: самопроизвольное возникновение, поддержание устойчивости и некоторая эволюция структур наблюдаются лишь тогда, когда система непрерывно получает энергию извне. При этом часть поступившей энергии рассеивается. Поэтому возникающие в таких системах структуры называются диссипативными (от лат. dissipatio— рассеяние).
253
Один из первых и наиболее хорошо изученных примеров образования диссипативных структур — химическая реакция Б. П. Белоусова — А. М. Жаботинского. При катализуемом ионами церия (Се) окислении лимонной кислоты броматом калия наблюдаются стойкие колебания концентрации как ионов Вгд так и отношения Се4+/Се3+. Эти колебания совершаются как во времени, так и в пространстве сосуда, где происходит реакция. Сочетание пространственных и временных колебаний — 'характерная черта диссипативных структур.	;
Если реакцию Белоусова — Жаботинского провести в тон- ) ком двухмерном слое, например на поверхности чашки Петри,  то возникают причудливые спиральные волны концентраций реагирующих веществ, постепенно растущие и распространяющиеся в стороны. В подобных системах также происходят колебания концентрации, причем могут выделиться центры с наибольшей частотой колебаний, которые окажутся «ведущими» (исходящие из них волиы будут доминировать). Диссипативным структурам такого типа посвящена обширная литература (см. Ю. Романовский и др., 1975; Г. Николис и И. Пригожин, 1979), Некоторые авторы полагают, что явления такого рода имеют непосредственное отношение к биологическому морфогенезу. Однако правильнее было бы думать, что для понимания биологического морфогенеза наибольшее значение имеют не эти явления сами по себе, а созданная для их объяснения математическая теория.
Независимо от упомянутых работ в 1952 г. английский математик А. Тьюринг предложил математическую модель некоторого абстрактного физико-химического процесса, в ходе которого должны возникать устойчивые пространственные (а также временные) диссипативные структуры. Исходя из чисто математических соображений, Тьюринг предложил следующую химическую реакцию.
Пусть имеются исходные вещества А и В, концентрации которых поддерживаются постоянными. Пусть, далее, вещество А превращается в X: А-+Х, а В, вступая в реакцию с X, дает вещества Y и С: В + X—XY -j- С. Синт''г* X — процесс автокаталитический: 2Х + Y-+3X. Наконец, X спонтанно разлагается, превращаясь в ft: X-+R. В этой модели принципиально важно предположение о диффузии как X, так и У вдоль сосуда— реактора (который принимается одномерным, имеющим вид трубки или замкнутого кольца). Скорость диффузии пропорциональна коэффициентам диффузии Ьх или Dy и второй производной от концентрации данного реагента по длине сосуда.
Уравнения Тьюринга имеют вид
— = AH-.W - (В+1) X+Dx—\ —=ВХ - X3Y +Dy—.
dt	х dr' dt	r dr*
Главное свойство процессов, описываемых этими уравнениями, состоит в том, что их решения неустойчивы к колебаниям
концентраций метаболитов X и У, имеющим определенную дли" ну волны Z (сложным образом зависящую от введенных в уравнение параметров). Иными словами, если накладывать на систему сколь угодно малые колебания концентраций с длиной волны А,, то они, ввиду внутренних свойств такой системы, закрепятся, усилятся и превратятся в достаточно устойчивые (существующие и после снятия внешних воздействий) колеблющиеся или стационарные диссипативные структуры (закономерно расположенные максимумы концентраций X или У). Колебания же-концентраций с другими длинами волн не возбудят таких структур и угаснут, как только прекратится их подача извне. То же самое свойство можно выразить- так: система Тьюринга способна создавать структуры из шума. Действительно, если наложить на такую систему «концентрационный шум», т. е. колебания концентраций любых произвольных длин волн, то система «выберет», усилит и сделает устойчивым колебание с длиной' волны а другие колебания угаснут сразу же после снятия воздействия.
С помощью модели Тьюринга было предпринято немало* попыток объяснить морфогенетические процессы, особенно связанные с возникновением периодических структур (мезодермальные сомиты, пальцы конечностей, щетинки на покровах тела насекомых, пятнистый или полосатый рисунок покровов тела). Одна из наиболее разработанных моделей морфогенеза, основанных иа принципах Тьюринга, принадлежит немецким, ученым А. Гиреру и X. Мейихардту. В их модели принцип Тьюринга дополнен идеей полярности зародыша и взрослого организма.
Рассмотреть данную модель удобно на примере пресноводной гидры. Гирер и Мейнхардт исходили из предположения (подтвержденного некоторыми экспериментальными данными),, что головной отдел тела гидры является источником двух морфогенетически активных веществ — активатора а и ингибитора h, соответственно активирующих и подавляющих морфогенез. Принимается, что изменение концентрации активатора da/dt зависит от скорости его образования р, являющейся константой, скорости распада ра, которая также константна, и коэффициента его диффузии по телу гидры Dad2a/dX2; кроме того, допускается, что процесс синтеза активатора автокатали-чен и зависит от имеющейся концентрации активатора а и ингибитора h согласно выражению k(a2/h) (где k — коэффициент). Кроме того, вводится член, описывающий синтез ингибитора как функцию концентрации активатора (са2), и член, описывающий спонтанный распад ингибитора (—v/z). Таким образом, уравнение скорости изменения концентрации активатора имеег вид
5а . . а“ . п д*а
at	h	дл*
255:
Аналогичное уравнение составляется для ингибитора:
6Л 2 I, ( п
—=ca^—vh-}-Dh—^. dt	дх
'Здесь первый член правой части выражает автокаталитичность накопления ингибитора в зависимости от концентрации активатора а, второй члеи — распад ингибитора, третий член — ..диффузию ингибитора по тканям гидры.
Решение этих уравнений показывает, что равномерное распред ел ерше активатора и ингибитора по телу гидры при данных условиях неустойчиво: оба вещества накапливаются до высоких концентраций в отдельных точках, вокруг которых располагаются области более низких концентраций.
Таким образом, если принять, что головной отдел гидры возникает в области высокой концентрации, то он окружен зоной низких концентраций, в которых аналогичные головные структуры возникнуть не могут. Этот вывод соответствует принципу доминантности Чайльда, о котором говорилось выше.
Оценивая данные результаты, следует иметь в виду, что в области моделирования морфогенеза как самоорганизующегося процесса сделаны лишь самые первые шаги. Модель Гирера — Мейнхардта и другие, подобные ей, содержат целый ряд допущений, которые экспериментально еще не проверены. Тем не менее общие принципы, позволяющие описать образование структур из исходно однородного состояния, представляют большой интерес и должны войти как важная составная часть в еще не созданную общую теорию морфогенеза.
Таким образом, современные концепции целостности развития носят пока фрагментарный характер и более или менее освещают то одну, то другую сторону развития. Однако проблема целостности поставлена, и можно надеяться на ее интенсивную разработку в ближайшие годы.
ГЛАВА «Я / /
РОСТ
Типы ростовых процессов
Рост — это поступательное (ациклическое) изменение показателей массы и размеров организма. Как правило, рост связан с увеличением массы и размеров, но исследователи, подходящие к нему с самых общих точек зрения, включают сюда и уменьшение массы (размеров), закономерно происходящее у некоторых организмов при старении.
Прирост массы может осуществляться как за счет увеличения неорганических веществ, аккумулируемых организмом (например, рост скелета, набухание тканей), так н непосред-256	.	.	.	.
ствеино живой цитоплазмы. Иногда эти процессы протекают раздельно. Например, увеличение массы растений путем всасывания воды происходит в тот период развития, когда клеточные деления уже прекратились, и объем живой цитоплазмы не возрастает; рост скелетных игл многих беспозвоночных тоже не связан с увеличением числа клеток-склеробластов. С другой стороны, увеличение живой массы в эмбриональный или ранний постэмбриоиальный периоды слабо или вовсе не связано с аккумуляцией минеральных веществ. Существуют, однако, случаи, когда рост живой и рост омертвевающей массы взаимосвязаны. При этом имеется камбиальная зона, где клетки размножаются, и зона ороговения или минерализации клеток. Так растут раковины, рога и зубы.
Рост происходит либо путем увеличения размеров клеток, которые при этом не делятся, или же связан с клеточным размножением. Первый (более редкий) тип роста называется ауксетияным, второй (более обычный) — пролиферационным.
Ауксетичный рост наблюдается у коловраток, круглый червей, личинок насекомых. У этих форм число клеток остается постоянным (явление эвтелии). При этом рост размеров отдельных клеток нередко связан с полиплоидизацней клеточных ядер.
Пролиферационный рост известен в нескольких формах, из которых будут рассмотрены мультипликативный и аккреционный.
Мультипликативный рост характеризуется тем, что обе клетки, возникшие от деления некоторой родоначальной клетки, снова вступают в деление (см. рис. 97, Л). Число клеток # растет в геометрической прогрессии: если п — иомер деления, то
= (1)
Этот механизм дает наибольший вклад в увеличение массы растущего организма. Об этом свидетельствует следующая оценка. Если допустить, что ие происходит потерь клеток, все клетки делятся с одинаковой скоростью и размер клетки не изменяется, то зиготе массой 10-э г и ее потомкам достаточно 42 последовательных делений, чтобы сформировать организм массой 100 кг, а новорожденному ребенку, который весит 3—4 кг, достаточно 4—5 актов деления, чтобы превратиться во взрослую особь. Однако мультипликативный рост в чистом виде либо не встречается в природе, либо быстро заканчивается.
У позвоночных увеличение размеров клеток путем полиплои-дизации не вносит заметного вклада в процессы роста. Полиплоидия встречается здесь лишь в некоторых органах (например, в печени). Если принять во внимание, что полиплоидия ведет к прекращению репродукции, то очевидно, что она тормозит потенциальный рост.
Аккреционный рост в простейшем случае связан с тем, что после каждого последующего деления лишь одна из клеток снова делится, тогда как другая деления прекращает. При этом
. Заказ 645
257
уисло клеток растет линейно: если п — номер деления, то
=	(2)
Рост большинства организмов в эмбриональный и ранний постэмбриональный периоды больше всего соответствует мультипликативному росту. Аккреционный рост связан с разделением органа на камбиальную и дифференцированную зоны, и с постоянным переходом клеток из первой зоны во вторую, причем сохраняются постоянные соотношения между размерами зон. Он характерен для органов, где происходит прирост или обновление клеточного состава в течение всей постэмбриоиаль-иой жизни особи (см. гл. «Физиологическая регенерация»). Аккреционный тип роста свойствен таким системам, как эритроидная, слизистые покровы кишечника, дыхательные пути и др. (клетки, выходящие из зоны размножения, пройдя определенный путь дифференцировки, гибнут и разрушаются), а также системам, в которых выходящие из зоны размножения клетки омертвевают, но сохраняются в форме рогов, зубов, раковин.
Из всех компонентов развития рост доступнее всего количественному описанию. В значительной мере это связано с тем, что рост можно считать самым длительным в онтогенезе, относительно монотонным и лишенным разрывов процессом. Поэтому он сравнительно легко может быть представлен в виде непрерывных функций таких фундаментальных переменных, как время (возраст) и (или) масса (размеры). С другой стороны, работа в этом направлении ясно показала, что даже точное математическое описание процесса еще не равнозначно его объяснению. Большинство так называемых уравнений роста, которые будут рассмотрены, создавались как чисто феноменологические и лишь позже появились некоторые общие принципы.
Процессы роста можно рассматривать в двух аспектах:
1. Как чисто скалярные процессы увеличения массы. Такое рассмотрение приводит, в частности, к построению уравнений абсолютной скорости роста во времени.
2. Как пространственно организованный процесс. При этом исследуются различия в относительных скоростях роста между частями организма, между частью и целым, между разными направлениями внутри одного и того же зачатка. Эти процессы также описываются рядом уравнений в которых время обычно не участвует.
Рост как скалярный процесс.
Уравнения мультипликативного роста
Лишь в очень редких случаях при исследовании роста многоклеточных животных необходимо подсчитать общее число клеток: как правило, интерес представляет усредненный прирост массы зачатков, состоящих нз очень большого числа клеток.
258
Поэтому уравнение (1) практического применения обычно ие имеет, но из него заимствуется лишь принцип автокаталитического'роста, т. е. размножения каждой единицы живой массы. Соответствующее уравнение в дифференциальной форме имеет вид
- -	(3)
dt
т. е. скорость роста пропорциональна массе. Удобна и такая форма записи:
11 \ fdW \	,
— •---- =Л
W \ <1* / выражающая постоянство скорости удельного роста (роста единицы массы ткани). Интегрируя (3), получаем в логарифмической форме
1	(4)
или, потенцируя,
(4а)
Коэффициент k называется скоростью роста. Как видно из (4), при постоянном k в полулогарифмических координатах рост будет выражаться прямой линией.
У большинства организмов скорость мультипликативного роста в ходе развития снижается. В связи с этим кривая скорости роста часто имеет S-образиый характер (рис. 97, А). Основные усилия исследователей, разрабатывающих теории роста, были обращены на описание и объяснение именно вто
Рис. 97. Некоторые графики роста. А — рост лабораторных крыс (из М. В. Мины и Г. А. Клевезаль, 1976); Б — графики аллометрического роста некоторых растений (из Дж. Гексли, 1931);
! — S-образная кривая при нормальных условиях питания, 2 — рост в условиях голодания. 3 — компенсаторный рост после прекращения голодания
Погарифм массы корня
17*
259
рой ветви этой кривой (период замедления роста). Здесь можно выделить по меньшей мере два направления, которые в некоторых точках пересекаются и во всяком случае не исключают  одно другое:
1.	Представление о росте как о саморегулнруемом процессе. Это по преимуществу теоретическое направление вело к построению уравнения, где скорость роста рассматривалась как функция достигнутых размеров или времени.
2.	Экспериментальные поиски ингибиторов и стимуляторов роста. Рост в этом случае рассматривается как процесс, управляемый извне.
Первое направление представлено довольно пестрым набором математических концепций роста, из которых некоторые носят явно феноменологический характер, другие же содержат указания на биологический смысл рассматриваемых величин.
Одним из первых было предложенное Т. Робертсоном так называемое логистическое уравнение скорости роста:
> =	„ли
df \ L )	di J \ L
где L — конечная масса органа илн организма в целом. Долгое время это уравнение было чисто эмпирическим; в последнее время делаются попытки истолковать его на более общих основаниях. (Подробности см. в книге А. И. Зотииа, 1974.)
Уравнение аккреционного роста имеет весьма простой вид:
(6)
аг
т. е. скорость роста постоянна.
(5)
Пространственная организация роста и видовая форма
Аллометрия мультипликативного роста. Уравнения аллометрического мультипликативного роста могут быть выведены путем исключения времени из уравнений (3, За).
Напишем, например, уравнения (3) для масс или линейных размеров х и у двух разных частей организма: dx/d£=&ix; dyldt=^k2y.
Разделив второе иа первое и приравняв k^ki — k, получаем
(7) ах х
или в интегральной логарифмической и потенцированной формах:
1пу—k lnx-Ып b,	(8)
y=bxk.	(8a)
Константу k называют коэффициентом аллометрического роста. Очевидно, что если fe>l, то у растет быстрее х и наобо
260
рот. В логарифмических координатах коистатный аллометрический рост выразится прямой линией.
Аллометрические уравнения были предложены Дж. Гексли в 1924 г., и их справедливость была проверена им и другими исследователями на обширном материале. Линейность аллометрических соотношений выдерживается в весьма широких пределах (рис. 97, Б). Показательно, что она соблюдается не только при какой-либо одной, оптимальной абсолютной скорости роста, но и при любых незакономерных ее вариациях, вызванных, например, колебаниями внешних условий.
Интересно, что аллометрические соотношения приложимы не только к весовым, но и к размерным показателям. Так, х н у в аллометрических уравнениях могут выражать, например, массы правой и левой клешней краба, или массы клешни и целого краба. Но они могут обозначать также ширину и длину растущего краба, листа или плода растений. Очевидно, что во всех подобных случаях при &=А1 пропорции зачатка по мере роста будут монотонно меняться. Такой наиболее обычный тип роста называют константно-анизометрическим. Постоянство k выдерживается обычно весьма точно иа достаточно длительных отрезках развития, так что различия порядка второго десятичного знака являются уже устойчивыми, генетически детерминированными расовыми или видовыми признаками.
Вот значения k для соотношения продольного и поперечного прироста листьев нескольких видов растений:
. Lysimachia nummularia	—	0,78
Antirrhinum majus var. Catileya — 1,02 Antirrhinum majus var. Twilight — 1,07 Linaria vulgaris	—	1,28
Anarachis canadensis	—	1,43
Marica sp.	—	1,58
Таким образом, аллометрический рост — одно из основных средств достижения видоспецифической формы. Его биологический смысл можно видеть в том, что организму в ходе роста надо сохранять не геометрическое, а физическое подобие, т. е. не превышать определенных отношений между массой тела и размерами опорных (элементы скелета) и двигательных (мышцы) органов. Поскольку с ростом тела масса возрастает в третьей степени, а сечения костей — лишь во второй степени, то для того, чтобы растущий организм не был раздавлен собственной тяжестью, кости должны расти в толщину непропорционально быстро: если в уравнении (8—8а) у — ширина кости, ах — ее длина, то k должно быть больше 1. Поэтому коэффициенты аллометрического роста могли подвергаться отбору и наследственно закрепились, вероятно, наиболее выгодные из них.
Градиенты роста. Хотя значение коэффициентов k аллометрического роста и остается постоянным для достаточно обширных областей зародыша и отрезков развития, все же они имеют
261
неодинаковые величины в разных отделах тела. Например, значения k вдоль конечностей членистоногих и позвоночных образуют довольно плавные градиенты.
Так, у краба, если принять k промежуточного сегмента конечности за 1, то для дистального района k— 1,05, а для проксимального— 0,9. Это означает, что рост усиливается в проксимально-дистальном направлении. В конечностях овцы измерен обратный градиент с высшей точкой в проксимальном районе. Подобные же градиенты описаны для целых животных. Иногда они весьма велнки: так, у жука-оленя k падает от 2,4 до 1,0 в передне-заднем направлении от мандибул до торакса; иногда малы, но заметны (задне-передний градиент роста у крабов).
ГЛАВА 13
РЕГЕНЕРАЦИЯ
Слово регенерация (от лат, regeneratio) означает возобновление или восстановление. В биологическом смысле регенерацией называют восстановление организмом утраченных или поврежденных частей. Существует физиологическая и репаративная регенерация, а также целый ряд явлений, в той или иной мере сходных с регенеративными.
< Физиологическая регенерация
Физиологической регенерацией называют постоянные восстановительные процессы, связанные с разрушением внутриклеточных структур и с гибелью клеток в ходе нормальной жизнедеятельности организма. В разных тканях и органах повреждаемость внутриклеточных структур и самих клеток неодинакова и зависит от многих факторов: режима функционирования, степени спецгг чизированности, действия повреждающих факторов и т. д. Интенсивная деятельность клетки сопровождается разрушением ее структур, истощением энергетических ресурсов и т. д., которые должны восполняться активной работой внутриклеточного биосинтетического аппарата. Если в результате дифференцировки клетка частично или полностью теряет биосинтетический аппарат (например, эритроцит), то она не в состоянии восполнить утрачиваемые элементы и ресурсы и погибает. Другая причина гибели клеток, восполняемых в результате физиологической регенерации, — прямое повреждающее действие внешних физических и химических агентов, отравление продуктами метаболизма самой клетки или других клеток. Таким образом, существуют два уровня физиологической регенерации;
1. Восстановление количества внутриклеточных элементов с
2G2
помощью биосинтетического аппарата — регенерации на молекул яр но-су б клеточном уровне. Этот тип физиологической регенерации характерен для всех тканей и органов, но его значимость особенно велика для тканей, утративших способность к регенерации путем клеточного размножения. Так, клетки нервной ткани (за редким исключением) восстанавливаются только на молекулярно-субклеточном уровне, ибо нх способность к делению проявляется только в некоторых экспериментах и в патологических случаях.
2. Пролиферативная регенерация обеспечивает восполнение численности клеток путем деления дифференцированных клеток или клеток эмбрионального типа.
Во многих тканях, особенно в соединительной и эпителиальной, существуют специальные камбиальные клетки н очаги нх пролиферации: крипты в эпителии тонкой кишки, костный мозг, пролиферативная зона в эпителии хрусталика и эпидермисе кожи. Названные ткани имеют чрезвычайно высокий уровень пролиферативной физиологической регенерации. Это обусловлено тем, что эритроциты, клетки кишечного эпителия, хрусталика, кожи в результате узкой специализации утрачивают биосинтетический аппарат и способность к регенерации на молекулярно-субклеточном уровне. Эти клетки обречены на гибель после непродолжительного функционирования. Например, среднее время жизни эритроцита теплокровного животного составляет 2—4 месяца; в течение этого времени вся популяция эритроцитов крови гибнет и замещается новой. Еще выше темп обновления у эпителия тонкой кишкн теплокровных. Продолжительность жизни ее клеток определяется временем их нахождения в ворсинке, т. е. всего двумя сутками. Иначе говоря, каждые двое суток животное сбрасывает в просвет кишки весь старый эпителий и замещает его новым. В результате регенерации эпителия кишки, клеточные потерн огромны, но непрерывно возмещаются благодаря интенсивной пролиферации клеток крипт. Непрерывно регенерирует также сперматогенная ткань семенника, связанная с продукцией огромного числа сперматозоидов. Выше указывалось, что темп и характер физиологической регенерации определяются интенсивностью н условиями функционирования ткани, т. е. ее физиологическими особенностями (отсюда название «физиологическая регенерация»). Поскольку в ходе эволюции позвоночных происходила интенсификация функций многих (видимо, всех) тканей и соответственно совершенствовалось физиологическое обеспечение этих функций, изменялась и активность их физиологической регенерации. Поэтому интенсивность функционирования органов и тканей н их физиологической регенерации у теплокровных значительно выше, чем у холоднокровных животных. Например, темп обновления кишечного эпителия у рыб и амфибий неизмеримо ниже, чем у птиц н млекопитающих. Усиление механизмов физиологической регенерации, как -молекулярно-субклеточной, так и
263
пролиферативной, на фоне общей интенсификации метаболических процессов у высших (теплокровных) животных — одно из важных проявлений их прогрессивной эволюции.
Репаративная регенерация
Репаративной регенерацией называют восстановление части организма взамен поврежденной, искусственно удаленной (в редких случаях — естественно отброшенной). Сюда же относятся случаи восстановления целого организма из его части, что наблюдается во время бесполого размножения, присущего простейшим, губкам, кишечнополостным, плоским и кольчатым червям, мшанкам и оболочникам. Бесполым размножением называется естественное (не связанное с удалением или внешней травмой какого-либо участка) образование новой особи на теле старой. В большинстве случаев возникшие путем бесполого размножения особи сохраняют морфологическую и физиологическую связь между собой, образуя колонии. Бесполое размножение сходно с регенерацией тем, что в некоторых случаях оио связано с распадом размножающегося организма (кишечнополостные, черви и т. д.) на отдельные части, т. е. как бы с его самокалечением.
Регенерационные процессы, которые осуществляются в ответ на травму, охватывают у разных организмов неодинаковые по объему участки тела и протекают несходно. На этих различиях основаны попытки классификации типов репаративной регенерации. Наиболее хорошо известна регенерация целого органа из его небольшого остатка, когда новообразующая часть формируется на раневой поверхности. Классический пример этого способа — регенерация конечности хвостатых амфибий. Восстановительные процессы локализованы в зоне раны и образуют так называемую регенерационную бластему, четко отграниченную от прочих, не вовлеченных в регенерацию областей. Такой тип регенерации носит название эпиморфоза (что иногда переводится как отрастание). В других случаях (при разрезании на части низших животных — гидр, планарий) нанесенная травма вызывает перестройку всего тела животного. Хотя и здесь наблюдается отрастание, но оно обеспечивается не только элементами раневой зоны, но и мобилизацией элементов всего организма. Такой тип регенерации носит название реорганизации (морфаллаксиса). Иногда (например, в конечности насекомых) регенерация осуществляется путем комбинирования эпиморфоза с морфаллаксисом.
По своим масштабам и значимости регенерационные процессы неодинаковы; они могут носить локальный характер и не влиять существенно на жизнедеятельность особи, но могут охватить весь индивидуум.
Известны процессы особенно глубокой реорганизации, когда целая особь возникает как бы заново: из небольшого участка
264
взрослой особи (целая асцидия — из участка жаберной корзинки взрослой асцидии), из скопления диссоциированных клеток (губки, кишечнополостные) и даже из одной дифференцированной клетки взрослого организма (образование растения из одиночной соматической клетки). Некоторые авторы предлагают отделить эти процессы от собственно регенерационных и обозначают их как процессы реституции (Г. Дриш) или «соматического эмбриогенеза» (Б. П. Токнн и Г. П. Короткова). Б. П. То-кин и Г. П. Короткова относят к соматическому эмбриогенезу те случаи, когда морфологическая ось особей возникает заново, а к регенерации — лишь те восстановительные процессы, при которых старая ось сохраняется.
Наконец, существует тип реакции на повреждения, именуемый эндаморфоза.м (регенерационная гипертрофия) или диффузной регенерацией, наиболее типичный для теплокровных животных.
Клеточные источники регенерации
Один нз нерешенных вопросов, касающихся механизмов регенерационного процесса,— вопрос о происхождении клеток, из которых строится новообразующаяся часть тела. Регенерация происходит в уже сформированном организме, где процессы дифференцировки, а во многих тканях н процессы деления клеток ослаблены или прекращены. Каким образом и из каких клеток в этих условиях возникают структуры регенерата? В современной литературе (см. Л. Д. Лиознер, 1975) указывается на три источника клеток для регенерации.
1.	Малодифференцированные клетки, сохранившиеся в ходе эмбриогенеза (стволовые, камбиальные и т. д.). Имеется в виду, что регенерацию обеспечивают представители тех же популяций стволовых клеток, которые в ходе эмбриогенеза являются предшественниками клеток, формирующих ткани и органы. Предполагается, что небольшая часть стволовых клеток сохраняется в виде резерва во взрослом организме. Действительно, известны случаи регенерации с участием резервных клеток. Однако отчетливо такой способ регенерации продемонстрирован пока только у низших животных — кишечнополостных и червей. Как уже говорилось в гл. 3, у кишечнополостных есть так называемые интерстициальные клетки, расположенные в обоих зародышевых листках поблизости от базальной мембраны. Это резервные камбиальные элементы, которые при регенерации скапливаются вблизи раневой поверхности. Из них могут возникать все остальные типы клеток (например, у гидры — эпителиально-мышечные, нервные, железистые, стрекательные и др.). У плоских червей источником регенерационного материала служат необласты.
Другие случаи участия в' регенерации резервных малодифференцированных клеток менее достоверны. В скелетной муску
265
латуре обнаружены так называемые сателлитные клетки, которые, как предполагают, служат источниками клеток при регенерации.
2.	Де- и редифференцнровка клеток дефинитивных тканей. Один из путей образования новых дифференцированных клеток — это дедифференцнровка и последующая редиффереици-ровка. Этот способ хорошо продемонстрирован на примере регенерации конечности хвостатых амфибий и во многих других случаях.
Как уже говорилось, регенерация конечности идет по типу эпиморфоза. На раневой поверхности образуется конусовидное скопление недифференцированных клеток — бластема, в которой заново дифференцируются скелетные элементы, мышцы, кровеносные сосуды и соединительная ткань. Вопросу об источниках регенерационного материала при восстановлении конечности было посвящено много работ, но до сих пор эта проблема окончательно не решена. Несомненно, в регенерационной бластеме происходит дедифференцировка множества клеток, которые затем участвуют в формировании новых тканей. Весьма вероятно, что дедифференцнровка идет не до конца и каждый тип клеток в ходе реднфференциации воспроизводит только самого себя.
3.	Трансдифференцнровка и метаплазия при регенерации. Еще один путь обеспечения регенерационного процесса — превращение одного типа дифференцированных клеток в другие (трансдифференцировка). Крайний случай трансдифференцировки— метаплазия — состоит в превращении производных одного зародышевого листка в производные другого листка. Такне процессы описаны у ряда беспозвоночных животных — кольчатых червей, немертин, кишечнополостных, асцидий. Так, немертнна Linens полностью восстанавливается из переднего участка тела, лишенного энтодермы. При этом клетки кишечника образуются из мезенхимных элементов. Чрезвычайно сильная метаплазия наблюдается при регенерации и бесполом размножении таких сравнительно высокоорганизованных животных, как асцидии. Уже говорилось, что целая асцидия может восстановиться из участка жаберной корзинки — органа эктодермального происхождения. При бесполом размножении асцидий все органы тела могут заново возникать из так называемого эпикарда — выроста кишечника, или из клеток мезенхимного типа.
К метаплазии можно отнести и глубокую трансдифферен-цпровку клеток края колокола медуз, недавно описанную швей-нарскнм биологом Ф. Шмидом. Он установил, что из изолированной поперечнополосатой мускулатуры может возникать гладкая мускулатура, стрекательные, пищеварительные и интерстициальные клетки, а при наличии контактов с энтодермой — и нервные клетки.
Трансднфференцировкн, не выходящие за пределы одного
2&6
зародышевого листка, довольно широко распространены среди позвоночных. Классический пример такой трансдифференцировки— восстановление удаленного у взрослого тритона хрусталика нз верхнего края радужной оболочки глаза. Этот процесс, получивший название вольфовской регенерации (по имени немецкого анатома Г. Вольфа, описавшего его в 1895 г), в последующем был детально исследован. Было установлено, что воль-фовская регенерация начинается с глубокой дедифференцировки клеток края радужки, выбрасывания из них пигментных гранул, повышения содержания РНК и пробуждения способности к митотическим делениям и перемещениям. После того как эти клетки образуют морфологически различимый зачаток хрусталика, в них в нормальной последовательности синтезируются типичные для хрусталика белки — кристаллины, т. е. происходит истинная траисдифференцировка на молекулярном и клеточном уровнях.
У хвостатых амфибий и осетровых рыб удаленная сетчатка может регенерировать из клеток пигментного эпителия и цилиарного зачатка. При этом также происходит глубокая перестройка клеток, пробуждение в них митотических делений, а затем и синтеза белков, специфичных для сетчатки. По данным О. Г. Строевой, у крыс превращение пигментного эпителия в сетчатку возможно только в ранний эмбриональный период. Эта способность исчезает между 16 сутками беременности и рождением. Интересно отметить, что способность эмбрионального пигментного эпителия к дифференцировке в сетчатку является причиной тяжелой эмбриональной аномалии строения глаза— колобомы, возникающей при задержке срастания краев глазной щели в ходе замыкания глазного бокала.
В последние годы явления трансдифференцнровки отмечены и в ходе регенерации, конечности тритона и аксолотля (превращение соедннительнотканых клеток в мышечные и мышечных— в хрящевые). Эти данные получены в опытах по пересадке в регенерирующую конечность клеток хряща или мышц, взятых от триплоидных или меченных радиоактивным тимидином животных. Триплоидные или меченные тимидином ядра в обоих случаях были обнаружены и в хряще, и в мышцах регенерата. Эти и подобные нм опыты указывают на возможность метаплазии в бластеме регенерирующей конечности. Однако степень участия этих процессов в регенерации конечности бесхвостых амфибий пока неясна.
Интерес к проблеме регенерации неизменно возрастает и, если ранее она разрабатывалась на отдельных излюбленных моделях, то теперь круг использованных объектов сильно расширился как в гисто-анатомическом, так и в онто-филогенетическом отношениях. В последние десятилетия в центре внимания исследователей стоят процессы регенерации у высокоорганизованных животных, главным образом млекопитающих.
267
Регенерация у млекопитающих
У млекопитающих нет способности не только к регенерации J целого организма из его частей, но и к регенерации сложных Я органов — конечностей, глаз и т. д. Предполагается, что у высо-неорганизованных животных регенерационная способность как Я механизм пассивного способа адаптации снизилась, но зато выработались и усилились активные способы приспособления, связанные с функцией органов движения, ориентации и с высшей нервной деятельностью. Однако имеются и противники представления о снижении значения регенерационных явлений у высших животных (А. Н. Студитский, 1954). Этот спор нельзя i считать разрешенным. Реакция органов и тканей млекопитаю- ] щих (и человека) на повреждения сложна и еще далеко не изучена. Это обстоятельство, а также большая прикладная значимость этой проблемы для медицины (травматологии, ортопедии, транспланталогни и т. д.) стимулировали широкие исследования способности к регенерации у млекопитающих и человека. Еще в 20-е годы в нашей стране А. В. Румянцевым были начаты работы по изучению восстановительных способностей клеток и тканей in vivo и in vitro, которые легли в основу современных представлений о механизмах регенерации, В настоящее время установлено, что с помощью различных факторов можно оказывать стимулирующее действие на восстановительные процессы. В этом плане, особенно в СССР (А. Н. Студитский, М. А. Воронцова, Л. Д. Лиознер, Б. П. Токнн, Л. В. Полежаев и др.), достигнуты значительные успехи в стимуляции регенерации мышечной и печеночной ткани, костей черепа и некоторых других тканей и органов. Ведутся исследования по стимуляции регенерационных способностей сердечной мышцы. Однако эти работы сопряжены со значительными трудностями и пока рано де-. лать какие-либо принципиальные выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Фундаментальные задачи биологии индивидуального развития
Необходимо еще раз выделить фундаментальные проблемы, разработка которых в ближайшие 10—15 лет создаст основу для значительного прогресса в биологии развития. Прежде всего это выяснение молекулярно-генетических механизмов развития. В настоящее время эта задача решается, а в ближайшие годы будет решаться все более широко с использованием новейших достижений молекулярной генетики и генной инженерии.
Генная инженерия — это комплекс методов, разработанных в молекулярной генетике, позволяющих манипулировать с генами. В результате этих манипуляций исследователь получает возможность выделить в чистом виде и размножить любой геи, исследовать его структуру, выяснить, какие области кодируют белок и какие участвуют в процессах регуляции. Такие изолированные гены с установленной структурой вводят в бактериальную клетку, соматические клетки животных и человека, культивируемые вне организма, и исследователь получает возможность изучать закономерности их экспрессии и структурно-функциональных взаимоотношений с другими генами и с геномом в целом. В последнее время разрабатываются подходы к введению таких генов в развивающийся эмбрион, а следовательно, во взрослый многоклеточный организм, т. е. открываются перспективы для генной инженерии эукариотических организмов. Сейчас ясно, что наиболее перспективен путь введения генов в яйцеклетки и ранние эмбрионы многоклеточного организма, когда будущий организм представлен одной или несколькими клетками, которые в генетическом отношении адекватны взрослой особи. Иначе говоря, зародилось направление генной инженерии высших организмов, которое развивается на стыке эмбриологии н молекулярной генетики и получило иаз-
269
ванне эмбриогенетики. Речь идет об эмбриогенетнческой инженерии, открывающей большие перспективы в изучении структуры, функции и механизмов регуляции генов и генетического аппарата в индивидуальном развитии и во взрослом организме животных (и человека). Уже известны примеры успешных попыток ввести гены вирусов в животный организм вышеописанным способом, однако реализация возможностей этого направления только начинается. Это направление обещает дать очень многое для разработки общебнологнческой проблемы — раскрытия принципов регулирования функций генов у эукарнот.
Проблема роли наследственности в индивидуальном развитии не ограничивается молекулярно-генетическим аспектом. Уже говорилось о важном значении эпигенетических (эпигеномных) механизмов в клеточной наследственности, раскрытие которых необходимо для выяснения природы факторов компетенции, детерминации и их реализации в виде конкретных дифференциро-вочных программ.
Фундаментальное значение для понимания закономерностей индивидуального развития имеет выяснение механизмов и роли межклеточных, межтканевых и межсистемных взаимодействий. Сейчас известно, что эти взаимодействия лежат в основе как дифференцировочных, так и интегративных процессов. Иначе говоря, межклеточные взаимодействия — это механизмы, которые, включая молекулярно-генетический и клеточный уровни, формируют следующий по сложности уровень (клеточно-тканевый, органный и организменный) механизмов, регулирующих индивидуальное развитие. Познание межклеточных механизмов дает ключ к поннмаиню таких процессов, как индукция, дифференцировка, морфогенез. Более того, оно открывает и путь к пониманию природы целостности развивающейся особи —высшего уровня механизмов индивидуального развития. Сформулированную еще в конце прошлого века проблему целостности, несмотря на ряд ценных идей и экспериментальных фактов, до сих пор не удалось существенно продвинуть вперед.
Решение всех этих и других фундаментальных задач есть путь к главной цели биологии индивидуального развития — созданию единой теории индивидуального развития организмов.
Прикладные задачи биологии индивидуального развития
В настоящее время в биологии индивидуального развития создаются предпосылки, которые позволят разрешить многие прикладные проблемы медицины и сельского хозяйства. Остановимся на некоторых важных прикладных задачах.
Неоценим вклад нашей отечественной науки в области регенерации костей и внутренних органов. Сотни людей, страдавших от переломов или врожденных дефектов конечностей, излечены методом Г. А. Илизарова. Эмбриологи внесли н вносят большой вклад в разработку и совершенствование методов искусственного размножения животных. В практику рыбоводства прочно вошел «русский метод» искусственного оплодотворения икры, методы искусственного осеменения сельскохозяйственных животных хранящейся в замороженном виде спермой высокопородных самцов. Искусственное осеменение в рыбоводстве и животноводстве — лишь первые шаги на пути создания технологии, которая позволит не только воспроизводить, но и управлять размножением животных. Это важно не только для решения задач животноводства, но и для увеличения численности диких животных, особенно редких и вымирающих видов. Суть этих разрабатываемых подходов состоит в умении стимулировать созревание большого числа ооцитов для получения яйцеклеток в тех случаях, когда их число в норме ограничено (например, у млекопитающих). Это позволяет сохранить их жизнеспособными, оплодотворить и получить нз них потомство. У млекопитающих решение такой задачи связано с умением трансплантировать оплодотворенную яйцеклетку или эмбрион в матку тон же самки, от которой они получены, или другим самкам. В любом случае самка-реципиент должна находиться в той фазе полового цикла, когда ее матка готова к имплантации зародыша. Любая половозрелая самка может быть искусственно путем специальных гормональных воздействий переведена в эту фазу начала беременности, но без зачатия; таких самок называют «ложно беременными». Эмбрионы, трансплантированные в матку ложно беременных самок, способны нормально имплантироваться и развиваться. Этот метод известен как метод трансплантации эмбрионов и основан на умении управлять (с помощью гормонов) половым циклом самок и манипулировать ооцитами, яйцеклетками н ранними эмбрионами (предим-плантационными). Этот метод уже используется в экспериментальных и племенных хозяйствах для быстрого размножения ценных пород крупного и мелкого рогатого скота, свиней, пушных зверей. Например, с помощью этих операций можно за один прием вызвать до 60 овуляций и трансплантировать полученные зиготы или (что надежнее) эмбрионы на стадии морулы десяткам самок-реципиентов любой породы. При этом в матку одной коровы можно трансплантировать по два эмбриона (по одному в каждый рог), получая таким образом двойню. В рам-
271
ках метода трансплантации число двоен в потомстве удается повысить до 70 %. 10—20-кратное увеличение численности потомства нужной родительской пары с помощью техники трансплантации уже реальное, но дорогое мероприятие, т. е. экономически недостаточно рентабельно. В настоящее время этим способом получают десятки и сотни тысяч сельскохозяйственных животных. Одна из причин низкой эффективности метода — ограниченная жизнеспособность яйцеклеток и эмбрионов, что сопряжено с необходимостью их немедленной пересадки после вымывания из половых путей. Поэтому самки-реципиенты должны быть заранее подготовлены. Эта трудность уже преодолевается, зародыши можно культивировать некоторое время в питательных средах, их можно законсервировать путем глубокого замораживания в присутствии специальных консервантов и хранить на протяжении многих месяцев. При этом 40—70 % эмбрионов сохраняет способность к дальнейшему нормальному развитию. Метод криоконсервации позволяет существенно улучшить данный способ размножения: можно создавать банки эмбрионов, перевозить их в другие хозяйства и т. д. Перевозка эмбрионов позволяет преодолеть многие трудности в племенной работе, связанные с ограничениями ( и дороговизной) ввоза (или вывоза) племенных животных.
Другая проблема, решение которой таит в себе большие возможности для животноводства,— это создание с помощью эмбриологических манипуляций методов получения генетических копий (клонов) животных. Животные за редким исключением размножаются половым способом. В результате объединения в зиготе мужского и Женского геномов возникают новые генотипы, и даже потомство одной родительской пары генетически неоднородно. Тем самым половой процесс, обеспечивая необходимое для жизнеспособности вида генетическое разнообразие, создает трудности в точном воспроизводстве и размножении выдающихся по своим породным качествам особей сельскохозяйственных животных, которые создаются в результате длительной селекционной работы. Нужно найти возможность получать потомство, которое было бы точной генетической копией подобной особи, ее клоном. Половым размножением клонирование обеспечить невозможно, необходимы «вегетативные» способы размножения. У бактерий, большая часть жизненного цикла которых представлена гаплоидной фазой, обычный способ размножения (деление) ведет к образованию клонов. У растений наряду с половым широко распространено вегетативное размножение, что также позволяет размножить генотип одной особи. Кроме того, половозрелое растение может быть выращено из одной соматической клетки, благодаря чему может быть получена целая популяция растений — клон.
У животных в настоящее время не удается заставить соматическую клетку развиваться в многоклеточный организм, поэтому проблема создания генетических копий животных связана 272
с преодолением больших научных и технических трудностей. Однако уже существует ряд методов клонирования. Так, с помощью амейотического партеногенеза у шелкопряда получают в массе генетически идентичных самок, а с помощью мейотиче-ского партеногенеза и аидрогенеза — самцов. Таким образом, эти методы позволяют иметь генетические копии и одновременно^ регулировать пол, т. е. решать еще одну важную прикладную задачу. У млекопитающих партеногенетическое развитие зародышей останавливается иа ранних стадиях, и этим путем еще не удалось получить взрослых животных. Причины нх нежизнеспособности не выяснены. Однако известно, что они связаны не с отсутствием в зародыше хромосом самца, а с тем, что яйцеклетки, которые не прошли через стадию нормального оплодотворения, недоактивированы. Если же яйцеклетку мыши оплодотворить, а затем с помощью микрохирургической операции удалить мужской пронуклеус, оставив женский, то такой зародыш, культивировавшийся некоторое время в среде, содержащей цитохалазин В, развивается до взрослого состояния, Цитохалазин В блокирует цитотомию, не препятствуя удвоению хромосом. В его присутствии женский пронуклеус удваивается, но-цитотомии не происходит, и гаплоидный зародыш преобразуется в диплоидный — развивается гиногенетическая особь. Этим способом в 1979 г. К. Ильменей и П. Хоппе впервые получили ги-ногенетическое потомство у мышей. Как и следовало ожидать, В' потомстве были одни самки (каждая особь содержала ХХ-пары голосом, возникших в результате удвоения Х-хромосомы на стадии, когда под влиянием цитохалазина В произошла диплоиди-зация клеток зародыша).
Поскольку однояйцевые близнецы являются точными генетическими копиями, ио в природе очень редки, разрабатываются подходы к их искусственному получению в больших количествах. Если двухклеточиый эмбрион мыши поместить в среду с ферментом проназой, расщепляющим белки, оболочка размягчается, бластомеры разъединяются и способны развиваться до. стадии бластоцисты. Хотя генетически такие близнецовые эмбрионы идентичны, они отличаются по массе (числу клеток).. Однако до сих пор еще не удалось получить взрослых мышей-близнецов, так как такие зародыши погибают после трансплантации. Недавно в Англии с помощью этого приема впервые-удалось получить 5 пар близнецов-ягнят и близнецов крупного рогатого скота.
Но один из наиболее перспективных подходов — это клонирование путем трансплантации ядер соматических клеток в энуклеированные яйцеклетки. Эта задача недавно технически решена на млекопитающих (мыши). К- Ильменей и П. Хоппе трансплантировали ядра из внутренней клеточной массы раннего эмбриона мыши в энуклеированные яйцеклетки, получили из них бластоцисты и трансплантировали их в матку «приемной» матери. Подобные операции, по-видимому, удастся осуществить и на
18 Заказ 645	27В
сельскохозяйственных животных, т. е. клонировать их. Специалисты считают, что эта задача будет решена в ближайшем будущем. .
Существуют важные медицинские аспекты работы с яйцеклетками и эмбрионами. Один из них — оказание помощи женщинам при некоторых формах бесплодия (непроходимость труб). Впервые в Англии, а затем и в других странах успешно проведены операции по извлечению из яичника женщины ооцитов, их выращиванию в пробирке, оплодотворению и трансплантации в матку матери. Эти операции завершились рождением нормальных детей.
Благодаря методу трансплантации яйцеклеток, начиная с 1978 г. (когда в Англии родилась первая девочка Лесли Броун), во всем мире появились на свет 150 вполне здоровых детей. К концу 1983 г. ожидается рождение еще по крайней мере 200 детей, прошедших стадию раннего развития вне материнского организма. Эта техника за короткий срок из уникальной стала обычной клинической процедурой, хотя не каждая операция завершается успешно.
Культивирование яйцеклеток и эмбрионов вне организма впервые открыло перспективу исследования малоизвестного предимплантационного периода раннего развития человека. Ввиду того что в естественных условиях информацию об этом периоде развития получить трудно, недостаточно изучено и действие лекарственных соединений и других факторов на состояние зародыша в предимплантациоиный период. Культивирование же позволяет восполнить этот пробел, более эффективно разрабатывать контрацептивные средства, выяснять причины бесплодия, связанные с функцией яйцеводов, и т. д.
Культивирование ранних зародышей открыло также возможность раннего определения (пока с целью отбора для трансплантации) эмбрионов нужного пола. В этом направлении достигнуты уже некоторые успехи на сельскохозяйственных животных. Оказалось, что если на стадии бластоцисты от трофобласта отделить небольшое число клеток, то это не влияет на последующее развитие эмбриона. Удаленные же клетки некоторое время можно культивировать в питательных средах, затем из них готовят препараты метафазных пластинок и по хромосомам определяют пол эмбриона. Все это время эмбрионы можно сохранять жизнеспособными (например, путем криоконсервации) и после определения пола отбирать те, которые нужны для трансплантации. Этот подход будет иметь большое практическое значение в животноводстве.
Манипулирование эмбрионами открывает большие возможности и для решения других медицинских, и медико-биологических проблем (например, в онкологии, тератологии, в лечении наследственных заболеваний). Так, представляют интерес опыты с инъекциями тератокарциномных клеток в бластоцисты мышей (получение «инъекционных химер»), проведенные в ла
274
боратории американской исследовательницы Б., Минц, Оказалось, что в некоторых случаях тератокарцнномные клетки, введенные в бластоцисту, принимают участие в дифференцировке-нормальных тканей — «нормализуются» в ходе развития. Несмотря на то что эти интересные результаты еще.не всегда поддаются объяснению, можно ожидать, что это направление работ откроет возможности диагностики некоторых видов рака путем введения малигнизированных клеток в бластоцисты и последующего анализа потомства этих клеток в органах и тканях взрослого организма. Подобный биологический тест мог бы позволить отсортировать клетки, полностью утратившие способность к нормальному развитию, от тех, функция которых еще может быть восстановлена. В этом плане развивающийся эмбрион-—наиболее адекватная система для проверки потенций клетки, а механизмы эмбриональной регуляции, создающие для нее максимально благоприятные условия, способствовали бы нормализации нарушений, возникших в результате малвгниза-ции. Однако эти возможности, если они реализуемы, могут быть использованы нескоро.
Есть основания предполагать, что с помощью методов эм-бриогеиетической инженерии можно будет решить и задачу терапии генов. В настоящее время в генофонде человечества уже зарегистрировано свыше 2000 дефектных генов, которые продолжают накапливаться и служат причиной наследственных болезней. Эти болезни не поддаются кардинальному излечению, и дефектные гены в неизменном виде передаются потомству. Современные медицинские средства способны лишь облегчить страдания больных, охватывая весьма ограниченный ряд таких болезней (например, случаи, когда из-за дефекта в гене в организме отсутствует какой-либо гормон или другой продукт, который может быть восполнен введением извне). Однако негативные последствия от присутствия в геноме дефектных генов преодолеть таким путем в большинстве случаев невозможно. Таковы многочисленные генные мудацни, которые проявляются в эмбриогенезе и приводят к нарушениям развития органов и тканей.
Теоретически, исходя из современных представлений, избавиться от дефектного гена можно лишь путем его замены нормальным геном, что уже реализуется с помощью генетической трансформации на микроорганизмах. В настоящее время показано, что у животных генетическая трансформация, по-видимо-му, будет осуществляться путем введения нормальных генов в нх яйцеклетки (зиготы). Ожидается, что уже в ближайшее время этим способом удастся заменять дефектные гены у животных, которые также имеют наследственные болезни. Будет ли такая же возможность когда-либо реализована в медицинской генетике, сказать трудно, поскольку это всегда связано с решением не только научно-технических, но и морально-этических проблем.
! 8*	•.	275-
Таким образом, современная эмбриология открывает новые возможности для решения прикладных задач, ио осуществление этих возможностей зависит от прогресса фундаментальных исследований, которые проводятся в лабораториях.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Аптер М. Кибернетика и развитие. М„ 1970.
Астауров Б. Л. Партеногенез, андрогеиез и полиплоидия. М-, 1977,
Баглай Е. Б. Формирование представлений о причинах индивидуального развития. М-, 1979.
Белоусов Л. В. Введение в общую эмбриологию., М., 1980.
Бляхер Л. Я. Аналитическая и экспериментальная эмбриология.— В кн.! История биологии с начала XX века до наших дней. М-, 1975.
Бодемер Ч. Современная эмбриология. М., 1971.
Гайсинович А. Е. К. Ф. Вольф и учение о развитии организмов. М-, 1961.
Газарян К. Г., Тарантул В. 3. Геном эукариот. Молекулярная организация и экспрессия. М,, 1983.
Гердон Дж. Регуляция функции генов в развитии животных. М., 1977.
Гинзбург А. С. Оплодотворение у рыб и проблема полиспермии. М., 1968.
Дьюкар Э. Клеточные взаимодействия в развитии животных. М., 1978,
Зотин А. И. Термодинамический подход к проблемам развития, роста и старения. М,, 1974,
Зуссман М. Биология развития. М., 1977.
Иберт Дж- Взаимодействующие системы в развитии. М., 1968,
Игнатьева Г. М. Раиннй эмбриогенез рыб и амфибий. М., 1979,
Иммуногенез и клеточная дифференцировка. М., 1978,
Кафиани К. А., Костомарова А. А. Информационные макромолекулы в раннем развитии. М., 1978.
Конюхов Б. В. Генетика развития позвоночных. М., 1980.
Межклеточные взаимодействия. М„ 1980.
Мещеряков В. Н. и Белоусов Л. В. Пространственная организация дробления. Итоги науки и техники. Сер. Морфология человека и животных. Антропология, 1978, т. 8.
Мацкевич М. С. Гормональная регуляция в онтогенезе животных. М., 1978.
Мина М. В. и Клевезаль Г. Д, Рост животных. М., 1976.
Нейфах А. А, и Тимофеева М. Я. Молекулярная биология процессов развития. М., 1977,
Нейфах А. А, и Тимофеева М. Я- Проблема регуляции в молекулярной биологии развития. М., 1978.
Николас Г. и Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М„ 1979.
Объекты биологии развития/Под ред. Г. А. Детлаф. М,, 1975.
Происхождение и развитие половых клеток в онтогенезе позвоночных и некоторых групп беспозвоночных. Л., 1968.
ж
Страница отсутствует
A	с/	с/
Страница отсутствует
A	с/	с/
Нуссбаум М, 44
Ныокуп П. 23, 165
Пандер X. 9
Полежаев Л. В. 268
Попов В, В. 15
Ратке М. 9
Раттер В, 232
Ру В. 10—13, 16, 17, 184
Сакс Ю, 98
Саксен Л. 23, 233
Санжель Ф. 190
Сваммердам Я. 7
Светлов П. Г. 15
Соин С. Г. 127
Стертевант А. 18
Страсбургер Э. 16
Строева О. Г. 267
Струнников В. А. 92
Студитский А. Н, 268
Тарковский В. 221
Татум Е. 20
Тидеман X, 168, 232
Тимофеев-Рссовский Н. В. 19
Тихомиров А. А. 92
ТоЙвонен С, 23, 168
Токин Б. П. 15, 265, 268
Том Р. 253
Тьюринг А. 254
Уоддингтон К- 253
Уотсон Г. 20, 27
Фабриций Д. 7
Фельген Р, 21
Филатов Д, П. 14, 233
Фишер Э. 19
Фохт В, 124, 125
Френч П. 251
Хадорн К. 219, 220
Хоппе П. 273
Чанльд Я. 249—251
Чермак К. 17	‘
Шмид Ф, 266
Шмидт Г. А. 15
Шпеман Г. 13, 14, 156, 161, 163, 167, ш
Эвери О. 21
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Акразиевые грибы 234
Акросома 55, 83
Акросомная реакция 83—85
Активация яйцеклетки 81
Аллантоидная ножка 138	(
Аллантоис 129, 134, 135
Амакрины 195
Амелобласты 172
/Амнион 129
Амниотические оболочки 134, 135
Амплификация генов 62
Амфибластула 113
Андрогамоны 83
Апдрогепез 91, 93, 94
Андрогены 182
Ангиобласты 183
Антигея Н —У 181
Апикальный гребешок 188, 189
Археоциты 49
Аутоподий 189
Белки, функции
—	структурные 25
—	защитные 25
—	каталитические 25
Бняоляры 195
Бластоциста 126, 127
Бластомеры 96—106, 135
Бластопор 87, 120—122
Бластоцель 112, 113
Бластоциста 136
Бластула 96, 112, 113
Бластуляция 112, 113
Боковая пластинка 124, 182
Висцеральный листок мезодермы 182
Висцеральный скелет 171, 199
Вителлогенез 58, 63, 64, 113
В незародышевая мезодерма 132, 134
Вольфовы каналы 179
Ворсинки вторичные 138
—	первичные 138
Гаметогенез 43—81
Гастроцель 117
Гаструла 115, 120
Гаструляция у амфибий 120—122 — типы 115—118
Геном 29, 37
Гемобласт 183
Гемоглобин 39, 185
Ген-оператор 36
Ген-регулятор 36
Генетический код 29
Гензеновский узелок 130, 131
Генотип 216, 218
Гепатоциты 173
Гетерохроматин 215, 216
Гиногамоны 83
Гнногенез 91, 93, 95	* 
Гипобласт 129
Гипоталамус 193
Гипофиз 171, 193
Гистоны 26
Глаз, развитие 194—198
Глазной бокал 194
—	пузырь 194
Головная кишка 134
—	складка 132
Гомейозисные мутации 202
Гонадотропные гормоны 70
Гоносомы 211
Гоноциты 44—51, 225
Горизонтальные клетки 195
Гормои-рецепторный комплекс 238
Граафов пузырек 67
Градиенты физиологические 249—251
Губы бластопора 117, 121
Дедифференцнровка 224
Деламипация 116
Деления созревания 70
Дерматом 174—190
Десцеметов эпителий 197 Детерминация 152—168 Диакинез 70
Диминуция хроматина 210
Диплонема 54
Дискобластула 113
Диссипативные структуры 253—255
Дифференцировка 204—226
ДНК
—	вторичная структура 24, 27
—	первичная структура 24, 27
ДНК-полимераза 32
Дозовая компенсация генов 215
Дорсальная губа бластопора 121, 161
Дробление 96—114
—	анархическое 104
—	билатеральное 104
—	голобластическое 100
—	дискоидальное 100—121
281
—	меробластическое 99 — поверхностное 99—100 — радиальное 101—102 — спиральное 102—104 — синхронное 108—Ш
Жаберные карманы 170
—	щели 170, 171
Желток
—	отложение 63, 64, 67
•	— распределение в яйцеклетке 79, 80, 97, 98
Желточная оболочка 78
—	пробка 121
Желточные вены 183
Желточный мешок 127, 132, 136, 185
Закладка мезодермы телобластпче-ская 118
—	энтероцельная 119
Закон Дриша 13, 157—159
Зародышевого сходства закон 9
Зародышевые листки 129, 134
Зародышевый щиток 129, 138
— узелок 135, 136
Зигонема 53
Зигоподпп 189
Зигота 81, 271
Зобная железа 171
Зубной зачаток 171, 172, 232
Избирательная сортировка клеток 229—231
Изгибы головного мозга 192
Изоферменты 206
Имагииальные диски 219, 220
Иммиграция мультиполярная 115
— униполярная 115
Имплантация 139
Инвагинация 117, 121, 122
Индукторы 166—168	*
Индукция первичная 13, 161—165
Индукции вторичные 197, 200, 231—
234
Интерстициальные клетки кишечнополостных 49, 265
Интроны 30, 39—40
Информационная емкость генома 31
Информационные макромолекулы 24
Информосома 41
Кавитация 118
Карман Ратке 171, 193
Каузально-аналитический подход 11
Кейлоны 246
Клоны клеточные 218, 223
Кодой 29, 41
инициаторный 41
Кожа, развитие 189—191
Колобома 267
Компетенция 153, 197
282
Комплементарная последовательность 27
Контактная ингибиция 229
Контактная ориентировка 188, 189
Конечности, развитие 188, 189
Кортиев орган 198
Кортикальная реакция 83—87
Кортикальный слой 78, 80
Край обрастания 129
Кристаллины 197, 222
Кровеносные сосуды, развитие 183
Кровяные островки 132, 183
Лактоген 242
«Ламповые щетки» 35, 36
Легкое, дифференцировка 172, 173
Лептонема 753
Лимфоциты 186—188
Малигнизация 225
Медиаторы 217
Медуллобласты 199
Межклеточные взаимодействия дне-тантные 234—236 — контактные 227—233
Мезодерма 115, 122
— целомическая 105
Мезодермальный индуктор 173, 174
Мезонефрос 178
Мейоз 51—55, 75
Меланоциты 199, 223
Метанефрос 178
Метаморфоз 243
Метаплазия 266
.Микропиле 78
Миобласты 176
/Миокард 182
Миотом 175
Миотубы 177
Мозговые пузыри 192
Морула 105, 113, 135, 271
Морфаллаксис 2G4
Морфогенез 11, 270
Мюллеровы каналы 181
— клетки 195
Нсвропор 123
Невроцель 123
Негистоновые белки 43
Нейробласты 193
Нейроглия 194
Нейруляция 122—124
Необласты 48
Нервная пластинка 122
— трубка 122, 191 —193, 199
Нервный гребень 171, 199, 2Q0
— желобок 123
Нефрогенная мезенхима 180
Нефростом 179
Нефротом 176
Нуклеопротеиды 26
Нуклеосома 26, 42
Нутриментарный тип питания 65
Оболочка оплодотворения 86
Оболочки яйцеклетки вторичные 78
—	первичные 73
—	третичные 78, 79
Обонятельные плакоды 199
Обратная транскрипция 34
Овуляция 75
Онкогенные вирусы 34
Оогенез 46, 51, 57—61, 240
Оогонии 46
Ооцит 57—75
Оперон 36
Оплодотворение 89—95
Орган слуха, развитие 198, 199
Ортохромный эритробласт 186
Пангенезиса гипотеза 15
Парахордалии 176
Паращитовидные железы 171
Париетальный листок мезодермы 182
Партеногенез 81, 91—95
Пахинема 54
Пенетрантность 19
Первичная бороздка 130
— полоска 130
Перибласт 126, 127
Перибластула 113
Псривителлиновое пространство 86
Печень, дифференцировка 173, 226
Пигментный эпителий 195
Пиноцитоз 67, 68
Плазматические клетки 139—141
Плазмобласты 187
Повторяющиеся гены 37
Поджелудочная железа, дифферен-
цировка 173, 174
Полисомы 42
Полиспермия 87, 88, 107
Половая цитоплазма 46
Половые железы, развитие 180
Полярная лопасть 105
— плазма 105
Поляризация яйцеклетки 80, 81
Полярные тельца 72
Посгтранскргшциониые модификации РНК 40
Правила дробления Гертвяга ~ Сакса — 98
Презумптивных зачатков карты
124—126, 131
Преформизм 6—12
Прехордальная пластинка 125, 176
Прогестерон 70, 237, 242
Пролактин 242
Пронефрос 178
Пронуклеусы 72
Протамин 26
Процессинг 40
Проэритробласты 185
Пуффы хромосом 216
Регенерация репаративная 264, 265
— физиологическая 262—264
Регуляции эмбриональные 12, 153—
161
Релизинг-гормон 237
Репликативная вилка 32
Репликация 32, 34
Реплнкон 30
Репрессор 36
Ретикулоцит 186
Ретровирусы 34
Рецептор 237, 238, 246
РНК-полимераза 32
Рост 256—262
— аккреционный 257, 260
—	аллометрический 260—262
-	— ауксетнчный 257
—	мультипликативный 257, 258-260
—	пролиферационный 257
Рост, градиенты 261
—	уравнения 258—260
Сегрегация ооплазматическая 88—91
Сердке, развитие 182, 183
Сероза, серозная оболочка 129
Сертоли клетки 56, 57
Серый серп 90, 155
Сетчатка 195—198
СинаптояемальныЙ комплекс 354 •
Сингамия 87
Склера 197
Склеротом 175, 176
Слуховая улитка 198
Слуховой пузырек 198
Слуховые косточки 171
—	плакоды 198
Соматомедин 245
Соматотропин 244
Сомит 128, 131, 174, 255
Сперматида 55, 56
Сперматогенез 51—53
Сперматозоид 7, 8, 51 55—57 87—
91, 240, 250
Сперматогонин 46, 50—52
Сперматоциты 51—55
Спермиогенез 55—57
Спермолизины 84
Спсйсер 38, 39, 40
Сплайсинг 40
Стерробластула 113
Стилоподпй 189
Стомодеум 171
Тератомы 225, 226
Тестостерон 241
283
Тироксин 243
Тотипотентность ядер 210, 212
Трабекулы 176
Трансдетерминация 219, 220
Трансдифференцировка 224
Транскрипция 32
Трансляция 32
Тромбопоэтин 245
Трофобласт 135
Трофоциты 65
Туловищные складки 133
Феногенетнка 19
Фенотип 216, 218
Фетопротеин 226
Фибробласты 188, 228
Фолликул 66, 182
Фолликулярные клетки 66—69, 250
Халазы 79
Хемотаксис 82
Химеры (генетические) 221
Хондрогенез 177
Хондроциты 177
Хорда 123, 128, 198, 200
Хорион 138
Хромосома
—	прокариот 29, 35
—	эукариот 29
Хрусталик 194—196
Целобластула 112, ИЗ
Целом 118, 179, 182
Цистрон 30
Цитотомия 108, ИО, 111, 273
Щитовидная железа 171
Эквифинальность 155, 184
Экдизон 244
Экзиотропин 244
Экзон 30, 39
Экспрессивность 19
Эктодерма 115
Эктосомы 46, 47
Эмалевые органы 172
Эмбриокарцинома 225, 226
Эндокард 182
Эндоморфоз 265
Энтобласт 129
Эпиболия 117, 120, 121
Эпигенез 7—12
Эпигенотип клетки 218, 219
Эпиморфоз 264, 266
Эпифиз 193
Эпоофорон 179
Эритропоэтин 184, 245
Эритроциты 184
Эстроген 242
Эукариоты 29, 37
Эухроматин 215
. =4Овейиявный гормон 244
Яйцеклетка 76—81
Яйцеклетки алецитальпые 80
— гомолецитальные 98
—	изолецитальные 98
—	мезолецитальные 80
—	олиголецитальные 80
—	плазмолецитальные 80
—	полилецитальные 80
—	телолецитальные 80, 98
—	центролецитальные 98
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие .	д ,л	3
Глава 1. Истоки и основные этапы становления биологии индивидуального развития...................................................   5
Глава 2. Молекулярно-генетические основы биология индивидуального развития........................  .	............................24
Белки............................................................24
Нуклеиновые кислоты	.	..............................26
Структурная организация и функционирование генетического аппарата .........................................................-	29
Принципы организации и функционирования генов . Экспрессия генов у эукариот	ж	4Q
Глава 3. Предзародышевое развитие (гаметогенез) ........
Общая характеристика ...	....................43
Первичные половые клетки (гоноциты)...........................
Возникновение и развитие гоноцитов в эмбриогенезе ,	.	.	, Ш
Миграция первичных половых	клеток............................  W
Сперматогенез .................................................  51
Мейоз............................................................53
Спермиогенез .........................’..........................55
Оогенез ..................................................,	57
Источники органелл и макромолекул, накапливаемых в ооците .	. Ш
Созревание ооцита......................	...	.............70
Овуляция.......................................................  75
Структурная организация и физиологические особенности яйцеклетки 76
Глава 4. Оплодотворение и партеногенез .............................81
Дистантные взаимодействия между яйцеклеткой н сперматозоидом	82
Контактные взаимодействия сперматозоида с поверхностью ооцша	83
Сингамия. Поведение мужского и женского ядер в яйце ...	87
Проблема полиспермии...........................................  87
Перемещения компонентов яйца после оплодотворения ....	88
Ооплазматическая сегрегация ............	88
Партеногенез, гиногенез, андрогенез .........	91
Генетическое (хромосомное) определение пола .......	94
Глава 5. Дробление н формирование бластул.........................  96
Общая характеристика дробления ...........	96
Пространственная организация и морфология дробления ....	97
Х	286
Закономерности дробления олиголецитальных яйцеклеток .	.	.	101
Ооплазматическая сегрегация в ходе дробления.....................105
Активация репликации и особенности клеточных делений при дроблении .	...........................................	106
Особенности клеточных делений в период дробления ..	.	108
Синхронное и асинхронное дробление .	..............	.	108
Бластуляция .	................................. 112
Активация и функционирование генов в период дробления	.	.	.	113
Глава 6. Гаструляция, нейруляция, образование провизорных органов 115
Способы гаструляции у зародышей с голобластическим типом дроб-
ления ....	*......................................  .	115
Способы закладки мезодермы у разных групп животных .	.	118
Гаструляция у амфибий ....................................,	120
Нейруляция у зародышей амфибий .	...	.	.	.	>	.	.	122
Карты презумптивных зачатков амфибий .	,	.	.	- <.	.	124
Раннее развитие костистых рыб	s /.................126.
Общие черты развития амниот .	.... л ч t ...	.	129
Раннее развитие птиц.........................’.................129
Раннее развитие высших млекопитающих.........................  135
Имплантация ...............................................  .	139
Молекулярные и генетические аспекты раннего развития .	.	-	142
Глава 7. Детерминация, эмбриональная регуляция и индукционные процессы в раннем развитии ......................................... 152
Основные понятия ..............................................152
Эксперименты по выявлению эмбриональных регуляций ....	153
Регуляционные и мозаичные яйца.................................153
Явления регуляций в нормальном развйтии......................160
Первичная эмбриональная индукция у амфибий.....................16Т
Первичная индукция в других классах хордовых. Понятие компетенции эмбриональной ткани .....	  163
Возникновение индукционных свойств в ходе развития .	.	.	.	165
Региона л ьность индуктора и индуцируемой нервной системы	.	.	166
Механизмы индукции...................................	.	.	.	167
Глава 8. Органогенезы и цитодифференцировка .......	168
Развитие производных энтодермы и связанных с ними закладок .	169
Развитие производных мезодермы ................................174
Развитие производных эктодермы	, \	.	189
Вторичные индукции при органогенезах ’’ .	*	;	;	200
Клеточные процессы, лежащие s основе формирования органов	.	201
Мутации и хромосомные аномалии, затрагивающие органогенезы	.	202
Глава 9. Механизмы клеточной дифференцировки ....................204
Молекулярно-генетический уровень деятельности механизмов клеточной дифференцировки .	................................205
Случаи изменений структуры генома в ходе индивидуального развития	209
Функциональные подходы к оценке генетических потенций дифференцирующихся клеток............................................  211
Дифференциальная активность генов — основа кдеточцой дифференцировки .	.	.............................................214
Генотип и формирование фенотипа дифференцирующейся клетки	.	216
Клеточный уровень проявления механизмов дифференцировки .	.	218
Стабильность дифференцированного состояния клетки ....	223
Глава 10. Межклеточные взаимодействия .	.	.	.	227
Контактные межклеточные взаимодействия.........................227
286
Дистантные межклеточные взаимодействия
Гормоны ...........................  .
234
236
Глава 11. Проблемы целостности развития...............................247
Теории физиологических градиентов и позиционной информации .	249
Концепции морфогенетических полей и тополого-геометрические модели морфогенеза...................................................252
Модели диссипативных структур и самоорганизации морфогенеза 253
Глава 12. Рост	..........................., $  *	4 256
Типы ростовых процессов............................	.	.	256
Рост как скалярный процесс. Уравнения мультипликативного роста 258
Пространственная организация роста и видовая форма ....	2G0
Глава 13. Регенерация.....................................  ..	,	262
Физиологическая регенерация	(	,,	, ...	.. 262
Репаративная регенерация .	.	, г, -	\	,7 264-
Клеточные источники регенерации	,	. L. .	», 265
Регенерация у млекопитающих .	.	. w	266
Заключение .	.............................................Y 269
Фундаментальные задачи биологии индивидуального развития .	269
Прикладные задачи биологии индивидуального, развития	.	.	.	271
Рекомендуемая литература...............................	.	277
Именной указатель............................................... 279-
Предметный указатель . - .	» s k 281