Животные анализируют мир - Юрий Симаков

Но продолжим опыт с морским ежом. Подождем, пока яйцо разделится на восемь бластомеров (рис. 11), и встряхнем пробирку. На этот раз ни из одного бластомера не получится нормальное животное. Каждый из восьми некоторое время будет делиться дальше, но потом погибнет. Значит, вот оно — начало, когда клетки становятся неодинаковыми, то есть дифференцируются. Попробуем разобраться, что же в них произошло.

Рис. 11. Дробление яйца морского ежа (А — F - стадии дробления)

Даже не начавшее делиться неоплодотворенное яйцо устроено очень сложно. От верхнего до нижнего его полюса (как говорят биологи, от анимального до вегетативного) природа словно разложила по полочкам вещества, которые понадобятся для закладки различных органов. Через эти два полюса и проходят первые два деления. Первая борозда дробления делит яйцо пополам, вторая как бы разделяет на четыре части, и все по меридианам. Следовательно, в каждый бластомер понемногу попадает всего, что необходимо. А вот третье деление проходит по экватору, поэтому набор веществ в четырех верхних бластомерах отличается от набора веществ в четырех нижних бластомерах. В каждой четверке некомплект, поэтому полноценное животное не может развиться.

В таком случае можно поставить эксперимент и перераспределить порядок веществ, заложенных в яйцеклетку. Тогда можно будет утверждать, что этот первичный порядок веществ в яйце и есть основа дальнейшей дифференцировки клеток. Эксперимент, подтверждающий это предположение, легко осуществим. Центрифугирование поможет по-новому взглянуть на эту проблему. Известно, что в сепараторе сливки отделяются от молока. Сделаем что-то похожее — поместим в центрифугальную пробирку яйцеклетку морского ежа и приступим к центрифугированию. Пигментные гранулы отойдут к нижнему полюсу — они самые тяжелые, выше лягут белковые гранулы и, наконец, легкие капли жира окажутся на самом верху. Настоящий слоеный пирог сделали из яйца. Из таких «центрифугированных» яиц, видимо, уже ничего не разовьется.

Но ничего подобного. Развитие идет нормально, а отделенные бластомеры также дают правильно сформированные зародыши. Где же тогда центры, управляющие пространственным развитием?

Значительная часть ученых склоняются к мысли, что руководящая роль в дифференцировке клеток принадлежит организационному (организующему) центру. Остановимся детальнее на этой гипотезе.

Посмотрим, как идет дифференцировка клеток у зародыша. Развитие его начинается с одной оплодотворенной клетки. Однако несмотря на то что произошло оплодотворение яйцеклетки (в нее проник сперматозоид, и его ядро слилось с ядром яйцеклетки, привнеся свою генетическую программу), это послужило только толчком к развитию. Из нового генетического набора, возникшего после оплодотворения, поначалу не поступают никакие команды. Все развитие зародыша идет под контролем программы, заложенной в материнскую клетку еще до оплодотворения.

Когда американские исследователи Райт и Оно получили межвидовые гибриды, то оказалось, что изначальная материнская программа работает довольно долго, у амфибий, например, до тех пор, пока у зародыша не разовьются мышцы и не начнется сердцебиение, а у рыб и птиц отцовская программа молчит до самых поздних стадий развития зародыша. И связано это с тем, как полагают ученые, что не в ядро, а в цитоплазму яйцеклетки вложен организующий центр, который управляет развитием зародыша на ранних стадиях, до тех пор, пока не скажет своего слова генетическая программа зиготы. К этому времени зародышевая клетка много раз разделится, и в эмбрионе будут заложены все основные органы.

Значит, раннее развитие идет под контролем организующего центра, полученного непосредственно от материнского организма. Когда же образуются органы, клетки уже объединяются плотно друг с другом и обмениваются специальными веществами — органными индукторами, ингибиторами, стимуляторами и гормонами.

Чтобы ансамбль клеток работал как одно целое, каждая клетка должна знать, что творится с другими клетками. Действительно, так и происходит. Чем более дифференцируются клетки, тем теснее становится их кооперация через промежуточную межклеточную среду или же при непосредственном контакте. Так, английскому ученому Ю. Канно удалось показать, что между клетками эпителиальных (покровных) тканей устанавливается плотный контакт, появляются уже известные нам мостики (десмосомы), через которые идет обмен электролитами и даже нуклеиновыми кислотами. Но знание клеток о состоянии своих соседей значительно обширнее, чем мы думаем. Ведь клетки развивающегося организма не только знают, где они находятся в теле, но даже знают, в какую часть органа они должны развиться, если их пересадить в необычное для них место. Это так называемая позиционная информация, с которой подробнее познакомимся позднее.

Совершенно иначе ведут себя клетки при нарушении дифференцировки. Один из примеров такого нарушения — злокачественный рост. Это ведь тоже потеря клетками специализации. В этом случае клетки обособляются и не получают информации от соседних клеток. Поэтому клетки злокачественной опухоли больше похожи на эмбриональные, хотя дальнейшие судьбы их в корне различны: эмбриональные клетки рано или поздно сформируют нормальный организм, а опухоль образует бесформенный комок клеток с отростками.

Причина, видимо, кроется все в том же организующем центре, который с самого начала руководит развитием зародыша и специализацией клеток. Сформированный взрослый организм такого центра уже не имеет.

Однако есть животные, у которых даже опухолеродные клетки могут превратиться в нормальные. Так, тритону можно привить опухоль или вызвать ее образование, вводя под кожу канцерогенные вещества. У части животных опухоль, уже начавшая развиваться, может через некоторое время рассосаться. Завидное свойство, которым не обладаем мы, люди. Но если тритону с опухолью удалить хвост (который, как известно, регенерирует), то опухоли исчезают чаще. Регенерационные процессы способствуют превращению злокачественных клеток в нормальные. Повышенная способность к регенерации у тритонов сама по себе загадочна. Можно провести аналогию между эмбриональными клетками и тканями тритона, как бы сохранившими материал организационного центра.

Дело в том, что у живых существ, способных отращивать недостающие части тела, восстановление того или иного пораженного органа чаще всего идет либо из сохранившихся в их теле малодифференцированных клеток, либо клетки дедифференцируются, то есть как бы возвращаются к эмбриональному состоянию. Затем эти специализированные клетки наращивают массу, а потом приступают к дифференцировке заново. Из них как бы вылепляется и развивается в пространстве недостающая часть.

С понижением регенерационной способности падает способность клеток дедифференцироваться.

Однако не всегда нарушение дифференцировки приводит к развитию злокачественных опухолей. Известно, что у человека и у животных одна ткань может превратиться в другую, твердо специализированную. Правда, мы мало что знаем о механизме такого превращения. Описаны случаи, когда зубы и челюсти иногда развиваются в желудке. А исследователю диких кавказских козлов К. Н. Россикову приходилось встречать животных с сердцем, покрытым волосами. Это типичные случаи нарушения клеточной дифференцировки. Но во всех этих случаях есть одно неоспоримое отличие от клеток злокачественных опухолей. Клетки «забыли», какой орган они должны строить, они «спутали», но не утратили вовсе специализации, не стали независимым образованием, а работают согласованно, образуя, например, зуб или же целый плавник на голове ската, — иногда ихтиологи находят таких скатов при разборке улова со дна морского.

А можно ли вообще заставить работать генетическую программу заново и повторить развитие сначала, если взять ядро клетки, прошедшее значительный путь дифференцировки?

На этот вопрос, как известно, дан положительный ответ. Английскому ученому Гёрдону удалось вырастить вполне жизнеспособную лягушку из икринки, в которой собственное ядро было заменено ядром, взятым из кишечника, вернее, из одной клетки кишечника. Затем таких же лягушек вырастили, подсаживая в икринку ядра из клеток перепонок лапок. Но исследователи не остановились и на этом. Они пошли дальше. Р. К. Маккиннэлл со своими сотрудниками канцерогенными вирусами вызвал опухоль почки у лягушки, а затем взял из этой опухоли ядра и подсадил в икринки лягушек. Будут ли нормальными головастики? Головастики оказались нормальными (рис. 12).

Рис. 12. Пересадка в икринку лягушки клеточных ядер эпителия кишечника и из опухоли почки