Взаимодействие и интеграция

Взаимодействие и интеграция

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

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

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

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

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

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