ЭМБРИОЛОГИЯ
Биология развития (эмбриология) - наука о закономерностях онтогенеза многоклеточных
организмов, начиная с гаметогенеза и включая послезародышевое развитие. Биология развития изучает строение и функции зародышей на последовательных стадиях развития вплоть до становления взрослых форм и последующего старения организма. Развитие находится под контролем генетических факторов и факторов окружающей среды, оно регулируется на уровне целого организма, зачатков органов и тканей, на клеточном, субклеточном, а также молекулярном уровнях.
Биология развития опирается на достижения смежных наук - цитологии, генетики, молекулярной биологии, эволюционной теории и экологии. Поэтому изложение курса "Эмбриология" дополняется необходимыми сведениями из перечисленных выше дисциплин.
Предмет и история эмбриологии
Предмет эмбриологии, ее связь с другими биологическими дисциплинами. Краткий обзор истории эмбриологии. Воззрения Гиппократа и Аристотеля. Эмбриология XVII-XVIII вв.
Преформисты и эпигенетики. Работы К.Ф.Вольфа. Развитие эмбриологии в XIX веке. Значение работ К. Бэра. Влияние дарвинизма на эмбриологию. Сравнительно-эволюционное направление (А.О. Ковалевский, Э. Геккель, И.И. Мечников). Исторические корни экспериментальной эмбриологии, ее современные задачи. Каузально-аналитический метод, его сильные и слабые стороны. Дискуссия неопреформистов и неоэпигенетиков (В. Гис, В. Ру, Г.Дриш). Основные направления и задачи современной описательной, экспериментальной, сравнительной и теоретической эмбриологии. Ее связь с цитологией, генетикой и молекулярной биологией.
Прикладное значение эмбриологии.
Эмбриология - наука, изучающая индивидуальное развитие многоклеточного организма, а также закономерности изменений его морфофункционального состояния на протяжении всего онтогенеза.
Она включает в себя определенные разделы цитологии, гистологии, генетики и молекулярной биологии. Одним из начал эмбриологии, по-видимому, была акушерская практика (как одна из первых форм медицинской помощи). Второе начало – мировоззренческое (эмпирическое – движение от факта к факту и теоретическое – общее представление о появлении жизни, зарождении, развитии организма).
Первые теории, послужившие в дальнейшем основой для развития науки, появились во времена античности.
Эмпедокл (444 до н.э.) утверждал, что человек формируется с 31 дня по 50. Он полагал, что кости есть земля и вода, сухожилия – земля и воздух и т.п. Также считал, что рождение близнецов или уродов есть результат работы воображения матери. Считал, что зародыш начинает дышать с момента рождения.
Диоген утверждал, что плацента – орган питания зародыша. И высказал идею о последовательном развитии структур.
Гиппократ – первые регулярные знания в области эмбриологии. (460-370 гг. до н.э.) В основном связаны с акушерством и гинекологией. Труды «О диете», «О семени», «О природе ребенка». Он говорит о трёх неотъемлемых свойствах каждого тела – сухость, влажность, тепло. Они никогда не встречаются раздельно. Все процессы в организме Гиппократ сравнивает с процессами в неорганических телах и с трудовой деятельностью.
Он высказал идею о преформации: «Все части зародыша образуются в одно и то же время. Все члены отделяются друг от друга одновременно и таким же образом растут. Ни один не возникает раньше или позже другого, но те, которые по природе своей толще появляются прежде тонких, не будучи сформированы раньше» (Преформизм – всё определено изначально)
Аристотель (384-322 гг. до н.э.) Положил начало общей и сравнительной эмбриологии. Труд «О возникновении животных». Он вскрывал куриные яйца, анатомировал и изучал всевозможных зародышей хладнокровных животных и млекопитающих и даже, возможно, абортивных зародышей человека. (Эпигенез - всё возникает заново)
Аристотель:
1) Предложил классификацию животных по эмбриологическим признакам.
2) Ввел сравнительный метод изучения и заложил представления о различных путях эмбрионального развития; ему было известно яйцерождение и живорождение.
3) Установил различия между первичными и вторичными половыми признаками.
4) Отнес определение пола к ранним стадиям эмбрионального развития.
5) Выдвинул концепцию неоплодотворенного яйца как сложной машины, части которой придут в движение и станут выполнять свои функции, как только будет поднят главный рычаг.
6) Правильно истолковал функции плаценты и пуповины.
7) Связал явление регенерации с явлением эмбриогенеза.
8) Предвосхитил теорию рекапитуляции своим суждением о том, что в процессе эмбрионального развития общие признаки появляются раньше частных.
9) Предложил теорию градиентов формообразования своими наблюдениями о более быстром развитии головного конца зародыша.
10)Установил, что существующие предположения сводятся к антитезе преформация – эпигенез. Сам он настаивал на правильности второго варианта – эпигенеза.
Он также высказал идею 4х причин – материальной, действующей, формальной и финальной. В средние века превалировала четвертая, финальная причина, в силу её связи с идеей божественного начала.
Лишь Френсис Бэкон (1561-1626) доказал. Что с научной точки зрения конечная причина – ненужная концепция. До этого момента со смерти Аристотеля в эмбриологии ничего не менялось.
В 17 веке Антони Ван Левенгук изобрёл микроскоп. Описывал проникновение в матку и трубы сперматозоидов у различных живых организмов.
Полемика между К. Вольфом (Питерская академия наук) и А. Галлером.
Галлер стоял на стороне преформизма, а Вольф показал на примере развития кровеносной, а позже и пищеварительной систем, что сначала системы эти выглядят как листки, затем как желобки, и в конце концов превращаются в трубки. В 1776 составил труд «О формировании кишечника». Авторитет Галлера воспрепятствовал признанию правоты Вольфа, но, со временем, она была признана.
Работы эмбриологов 19 века К. Бэра и Х.Г. Пандера строились именно на признании правоты Вольфа.
К. Бэр. Один из крупнейших естествоиспытателей своего времени. Он развил учение Пндера о зародышевых листках, выделил анимальный (дающий покровы и НС) и вегетативный (дающий сосуды, мышцы, пищеварит. тракт) полюса, зародышевую хорду.
Он сделал выдающееся обобщение, определившее эмбриологию как самомстоятельную науку – сходство в развитии эмбрионов высших и низших животных. Закономерность заключалась в том, что сначала развиваются признаки, характерные для типа, затем класса и т.д.) – Закон Бэра. Он заметил, что онтогенез есть преформированный эпигенез. (Возникает заново, но в предопределенной форме)
Бишоф дал названия зародышевым листкам, сохранившиеся и сегодня (мезо-, энто- и эктодерма) Поставив в основу учение Т.Шванна о клетке. Он показал, что одноименные листки разных животных сходны по гистологическому строению.
Ч.Дарвин подогрел интерес к эмбриологии. Многие эволюционисты пытались использовать эмбриологические данные для подтверждения теории эволюции.
Эрнст Геккель сформулировал основной биогенетический закон «Развитие зародыша есть сжатое и сокращенное повторение эволюционного развития данной группы организмов. Оно тем полнее, чем более сохраняется палингенез (палингенез – признак или процесс в эмбриогенезе, повторяющий соответствующий признак или процесс филогенеза данного вида)
Вейсман (1834-1914) использовал цитогенетический подход, в то время как до этого пользовались лишь сравнительно эволюционным и описательным. Он предложил концепцию о неравномерном делении, о выделении зародышевого пути и о неравно наследственном митозе. Основана на опытах Бовери с аскаридами. Он описывал явление деминуции хроматина (потеря части хромосом в соматических клетках).
Опыты Ру с прижиганием половины 4х клеточного зародыша. (Из половины развивалась только пол орг-ма) Однако при изоляции половинок развивались полноценные орг-мы. Опыты Ганса Дриша с гребневиками (и прижигание, и изоляция давали уменьшение числа гребней.) Также выяснилось, что дефект, нанесенный цитоплазме незрелого яйца исправляется, а зрелого – ведет к нарушениям у зародыша. Выяснилось, что при удалении бластомеров у кольчатых червей, моллюсков развивается личинка с невосполнимыми дефектами, а у иглокожих, кишечнополостных, асцидий – нормальный зародыш. Это как бы сочетания преформизма у первых и эпигенеза у вторых.
Казуально - аналитический метод пришел на смену описательному и сравнительному. Стала формироваться экспериментальная и аналитическая эмбриология.
Сильные стороны – возможность получать принципиально новую информацию, данные.
Слабые стороны – (что будет если.. Метод основан на эксперименте, теория подгоняется под результат эксперимента. Этот метод не даёт возможности понять механизм, мы видим лишь результат действия.)
Дриш относился к неоэпигенетикам, Ру к неопреформистам.
Именно Дришу удалось установить эквипотенциальность ядер бластомеров некоторых развивающихся яиц. Он установил, что отличаются они цитоплазмой. В то же время яйца морских ежей давали абсолютно идентичные бластомеры. Дриш заключил, чот судьба бластомеров есть функция их положения в целом. (предвосхищение современных убеждений о позиционной информации). Дриш также сделала вывод, чот проспективная потенция бластомера всегда шире его проспективного значения (может развиться больше всего разного, чем получается при нормальном развитии).
Сегодня эмбриология во многом сопряжена с генетикой, молекулярной биологией и цитологией. Использование методов этих наук позволяет глубже вникать в существующие вопросы и устанавливать ранее недоступные детали. Сегодня эмбриология во многом перешла на микроуровень. Экспериментальная эмбриология в наше время во многом урезана в своих возможностях в связи с ограничениями, накладываемыми биоэтикой.
Гаметогенез
Формирование первичных половых клеток (гоноцитов) у различных групп животных (губки, кишечнополостные, круглые черви, ракообразные, позвоночные).
Гоноцит, или первичная половая клетка - это эмбриональная клетка, из которой впоследствии могут образовываться половые клетки.
У всех животных, имеющих морфологически выраженные гонады, половые клетки закладываются независимо от половой железы (экстрагонадно). С момента обособления и до вселения в гонаду эти клетки и называются гоноцитами.
У некоторых животных половые клетки способны образоваваться из соматических клеток на протяжении всего онтогенеза. К таким животным относятся губки, кишечнополостные и плоские черви. У губок половые клетки образуются из амебоцитов и хоаноцитов. У кишечнополостных половые клетки образуются из интерстициальных (I-) клеток, у плоских и кольчатых червей - из необластов.
Поэтому половые клетки у них могут возникать и в случае регенерации из небольших участков тела взрослых животных при полном удалении половых желез.
У продолжительно голодающих планарий половые клетки могут дедифференцироваться и превращаться в стволовые клетки, используемые для регенерации соматических тканей.
У кольчатых червей происходит раннее обособление зачатка половых клеток, которые образуются из соматических. Таким образом, у них существуют два источника гоноцитов: раннеэмбриональный и соматический.
Согласно современным представлениям, у остальных животных зачаток гоноцитов обособляется на стадии гаструлы или нейрулы. У большинства круглых червей, членистоногих и бесхвостых амфибий половые клетки обособляются уже в процессе дробления.
Так, у двукрылых насекомых еще до начала дробления в заднем полюсе яйцеклетки находятся базофильные гранулы, состоящие из РНК и белка. Впоследствии, половые клетки обособляются именно из этого участка цитоплазмы. У дрозофилы окончательное обособление половых клеток происходит на 13-м делении дробления.
В яйцеклетке веслоногого рака циклопа присутствуют аналогичные гранулы (эктосомы). В результате делений дробления эктосомы распределяются между двумя клетками, которые и дают начало половым. Обособление половых клеток происходит на 5-м делении дробления. Еще раньше (на 4-м делении дробления) половые клетки выделяются у ветвистоусых раков, а также у некоторых выдов круглых червей.
У лошадиной аскариды, в самом начале развития, при делении соматических клеток происходит диминуция хроматина (отторжение в цитоплазму и последующая деградация части хроматина). При образовании гоноцитов диминуции не происходит. Таким образом, половые клетки обособляются от соматических, сохраняя свою тотипотентность.
У рыб гоноциты обособляются в конце гаструляции. Их источником служит первичная энтомезодерма. Возможно, в гонадах взрослых рыб присутствуют первичные половые клетки.
В яйцеклетках амфибий еще в начале периода роста ооцита на вегетативном полюсе обнаруживаются РНК-содержащие структуры, которые следует отнести к половой цитоплазме (безжетлковая цитоплазма, "зародышевая (половая) плазма"). Гоноциты у бесхвостых амфибий выделяются на стадии бластулы, среди бластомеров будущей энтодермы. На стадии поздней гаструлы клетки, содержащие половую плазму, обнаруживаются во внутренней части энтодермы и в области желточной пробки. На стадии хвостовой почки эти клетки располагаются в области дорсальной энтодермы. У молодых личинок они еще некоторое время остаются в составе энтодермы, прежде чем попадут в гонаду.
Формирование гоноцитов у хвостатых амфибий, в отличие от бесхвостых, происходит не автономно, а под влиянием соседних эмбриональных тканей. Гоноциты возникают на стадии гаструлы или нейрулы. Они обособляются из мезодермы под воздействием энтодермы (такое воздействие осуществляется еще на стадии бластулы).
У рептилий первичные половые клетки обнаруживаются во внезародышевой энтодерме.
У птиц первичные половые клетки возникают рядом с задним концом зародыша. Затем они перемещаются вперед, в область головного серпа, все время находясь во внезародышевой области. Когда возникает внезародышевая система кровообращения, гоноциты с током крови перемещаются внутрь тела зародыша.
Половые клетки млекопитающих являются потомками эмбриональных тотипотентных клеток, присутствующих в бластодерме зародыша в период формирования первичной полоски. Затем они попадают в заднюю внезародышевую энтодерму, мигрируют в стенку кишки и в окружающую ее мезенхиму. Далее они перемещаются в дорзальный мезентерий к закладке гонады.
Итак, единственный источник половых клеток у позвоночных, членистоногих и круглых червей - это первичные гоноциты, которые обособляются на ранних стадиях развития. Однако далеко не у всех групп животных гоноциты не могут пополняться за счет соматических клеток на более поздних стадиях развития. У губок, кишечнополостных, некоторых кольчатых червей и полухордовых имеются тотипотентные стволовые клетки, которые в течение всей жизни пополняют запас половых клеток.
Возникновение половых клеток в процессе эволюции - это первая дифференцировка клеток организма. При этом половые клетки сохраняют свою тотипотентность. Такое разделение было важнейшим эволюционным событием, которое позволило перейти от одноклеточности к многоклеточности.
Миграции гоноцитов в гонаду.
Прежде всего гоноциты должны добраться до закладки гонады. Как первичные гоноциты, так и резервные клетки, типа интерстициальных способны двигаться самостоятельно, но значительную часть пусти они проходят пассивно, с током крови. Поблизости от зачатка половой железы гоноциты движутся активно.
На стадии первичных гоноцитов мужские и женские половые клетки, как правило, неотличимы. Различия появляются лишь после их проникновения в половые железы. При этом женские гоноциты заселяют кортикальную часть гонады, а мужские гоноциты - медуллярную.
Половые клетки, попавшие в зачатки гонаду и приступившие к размножению, называются гониями (сперматогонии и оогонии).
У многих животных существуют особые стволовые клетки, продуцирующие гонии в течение долгого периода времени (или даже всей жизни). Известны два типа стволовых клеток. Одни из них делятся ассиметрично, вследствие чего одна из дочерних клеток остается стволовой, а другая вступает на путь дальнейшего развития. Так, например, происходит у дрозофилы.
В других случаях (например, у круглых червей) стволовые половые клетки делятся симметрично, и судьба каждой из них определяется тем, какое положение они случайно займут в гонаде.
Оогенез, его основные периоды: размножение, рост, созревание яйцеклеток.Типы питания яйцеклеток: фагоцитарный, нутриментарный, фолликулярный. Связь яйцеклетки с питательными клетками при разных типах питания; поступающие в яйцеклетку вещества. Превителлогенез и вителлогенез. Профаза мейоза, протекающие в ней цитологические и биохимические перестройки. Амплификация генов. Синтез рРНК и мРНК. Поляризация яйцеклетки. Особенности делений созревания яйцеклетки.
Как уже было сказано, попав в гонаду, гоноциты приступают к размножению путем обычных митотических делений. На этой стадии женские половые клетки называются оогониями . Оогонии прекращают размножаться еще в эмбриональном периоде, задолго до наступления половозрелости самки. У пятимесечного плода человека имеется 6-7млн. женских половых клеток. Потом наступает их массовая гибель путем апоптоза. В результате, к моменту рождения остается около 1 млн. клеток, а к моменту половой зрелости - менее 400 000 клеток. К 50 годам у женщины остается всего около 1 000 половых клеток.
Женская половая клетка, прекратившая размножение, называется ооцит I порядка . Начинается своеобразный, свойственный только этой клетке, период роста. Он связан с поступлением в яйцеклетку питательных веществ извне и с рядом синтетических процессов в самой яйцеклетке. Увеличение яйцеклетки в период роста может быть колоссальным. Так ооциты дрозофилы за 3 дня увеличиваются в 90 000 раз. У млекопитающих ооциты увеличиваются в объеме более чем в 40 раз. Рост яйцеклетки млекопитающего может длиться десятки лет. Например у человека - до 30 лет.
Рост ооцитов принято разделять на два периода. Период малого роста (превителлогенез или цитоплазматический рост) и большого роста (вителлогенез, трофоплазматический рост).
Для периода малого роста характерно относительно малое и пропорциональное увеличение ядра и цитоплазмы, при котором ядерно-цитоплазматическое отношение не изменяется. Весь период превителлогенеза проходит на фоне подготовки клетки к последующим делениям созревания. На этой стадии ооцит I порядка вступает в S-фазу, то есть в фазу удвоения ДНК. После этого наступает профаза 1-го деления мейоза. На этой стадии происходят коньюгация хромосом, образование синаптонемального комплекса, кроссинговер. В ядре ооцита последовательно проходят этапы лептотены, зиготены, пахитены и диплотены. На стадии диакинеза наступает стационарная фаза, при этом дальнейшее течение мейоза сильно замедляется или прекращается полностью. Этот блок мейоза продолжается до достижения особью половозрелости. Однако на этой стадии ДНК ооцита является активной. Она выполняет роль матрицы для синтеза всех видов РНК. Эти молекулы РНК, в основном, синтезируются для использования их яйцеклеткой уже после оплодотворения.
Синтез рРНК связан (28S и 18S) с явлением амплификации генов, кодирующих данные виды РНК. Амплифицированные участи обособляются в виде ядрышек, которых может быть несколько тысяч. Амплификация идет, в основном, на стадии пахитены. После созревания ооцита ядрышки входят в цитоплазму клетки и там лизируются.
Синтез 5S-рРНК и тРНК происходит без амплификации, за счет того, что кодирующие их гены многократно повторены.
Синтез мРНК связан с приобретением хромосомами ооцита структуры "ламповых щеток". При этом период "ламповых щеток" наблюдается у ооцитов с солитарным и фолликулярным типами питания. В других случаях этот период сокращен или отсутсвтует. Молекулы мРНК, запасенные для развития оплодотворенной яйцеклетки, присутствуют в цитоплазме ооцита в виде информосом - комплекса мРНК с белками.
Период большого роста характеризуется сильным ростом цитоплазматических компонентов. Ядерно-цитоплазматическое отношение при этом уменьшается. В течение данного периода в ооците I порядка откладывается желток (лат. вителлус) в виде гранул, а также другие питательные вещества: жиры и гликоген.
По количеству откладываемого желтка яйцеклетки делят на:
ñ полилецитальные (многожелтковые), встречаются у большинства членистоногих, рыб и птиц;
ñ мезолецитальные (со средним количеством желтка), встречаются у амфибий и осетровых;
ñ олиголецитальные (маложелтковые), встречаются у большинства червей, у моллюсков и иглокожих;
ñ алицетальные (безжелтковые), встречаются у млекопитающих и некоторых форм беспозвоночных.
Количество жедтка в клетке строго определено генетически и почти не зависит от условий питания самки.
По характеру расположения желтка яйцеклетки классифицируют на:
ñ изолецитальные (олиго- и мезолецитальные)
ñ телолецитальные (полилецитальные - костистые рыбы, мезолецитальные - амфибии)
ñ центролецитальные (полилецитальные - насекомые)
По способу образования желток делят на:
ñ экзогенный желток, строится на основе белка-предшественника - вителлогенина, поступающего в ооцит извне (у позвоночных он синтезируется в печени матери и находится под гормональным контролем: гипоталамус выделяет гормон люлиберин, под влиянием которого гипофиз выделяет ФСГ и ЛГ в кровь, в ответ на это клетки фолликула синтезируют эстроген, который регулирует синтез вителлогенина клетками печени как на уровне транскрипции, так и на уровне трансляции) . Желточные гранулы формируются уже внитри самого ооцита. При формировании гранул желтка вителлогенин расщепляется на сильно фосфорилированный белок фосвитин, содержащий 8% фосфата, и белок липовителлин, содержащий до 20% липидов. Структурная единица желточной пластины образована одной молекулой липовителлина и двумя молекулами фосфитина.
ñ эндогенный желток, который синтезируется из низкомолекулярных предшественников внутри самого ооцита. Лишь немногие типы яйцеклеток развиваются исключительно за счет эндогенного желтка.
В ходе эволюции наблюдается переход от факультатиыной гипертрофии клетки-родоночальника будущего организма - к обязательной гипертрофии.
Выделяют следующие способы питания яйцеклеток:
ñ диффузный (фагоцитарный) описан у губок и пресноводной гидры. Растущий ооцит поглощает более мелкие клетки путем фагоцитоза. Некоторое время ядро фагоцитированных клеток может сохранять синтетическую активность, снабжая ооцит копиями мРНК. Затем поглощенные клетки гибнут путем апоптоза. Основной биохимический процесс в цитоплазме такого ооцита - синтез гидролитических ферментов для переваривания фагоцитированного материала, который откладывается в фаголизосомах. При таком типе питания не образуется настоящих желтковых гранул.
ñ солитарный (одиночный) типа питания встречается в том случае, когда ооцит не связан непосредственно с какими-либо другими клетками и получает все необходимые вещества из окружающей среды в низкомолекулярной форме. Данный тип питания встречается у колониальных гидроидных полипов, морских звезд, ланцетника и других видов. В данном случае, желток и все типы РНК синтезируются самим ооцитом, то есть, желток является эндогенным.
ñ алиментарный , то есть, осуществляемый с помощью вспомогательных клеток. Подразделяется на:
u нутриментарный тип питания появляется в различных группах червей и достигает наивысшего развития у членистоногих. В данном случае ооцит окружен специальными питающими клетками - трофоцитами, связанными с ооцитом цитоплазматическими мостиками. Трофоциты и ооциты возникают от одного и того же гнезда размножающихся оогониев. Судьба оогониальных клеток определяется количеством связей (цитоплазматических мостиков) с другими клетками. Основная функция трофоцитов - синтез рРНК, поступающей в ооцит. К синтезу желтка трофоциты отношения не имеют. Основная часть желточных белков при нутриментарном способе питания синтезируется в соматических клетках и поступает в ооцит посредством пиноцитоза.
u фолликулярный тип питания является наиболее распространенным и совершенным и встречается у ряда беспозвоночных и большинства хордовых. Особенного развития он достигает у млекопитающих. Данный тип питания связан с образованием из соматических клеток гонады одного или нескольких слоев фолликулярного эпителия, окружающего ооцит. Ооцит вместе с фолликулярным эпителием, который отделен от ооцита периооцитным пространством, называется фолликулом. Фолликулярный тип питания может сочетаться с нутримернатным (например, у насекомых). Универсальной функцией фолликулярного эпителия является роль избирательно проницаемого барьера для белков, поступающих из кровеносных сосудов в периооцитное пространство. Благодаря этой функции вокруг оофита создается повышенная концентрация вителлогенинов, поглощаемых ооцитом путем пиноцитоза. Также, на поздних стадиях оогенеза, фолликулярные клетки могут выделять белки, идущие на построение вторичной оболочки яйцеклетки. Кроме этих функций, фолликулярные клетки могут выполнять и специфические функции: синтез рРНК (рептилии и птицы), синтез желточных белков (головоногие моллюски), синтез андрогенов и эстрогенов, находящийся под контролем гонадотропных гормонов гипофиза (позвоночные).
Фолликулярные клетки образуются из коркового слоя яичника и окружают ооцит. Образовавшиеся сферические структуры, содержащие плоские фолликулярные клетки, называются примордиальными фолликулами . Далее фолликулярные клетки становятся квадратными, и фолликул называется первичным однослойным . Однослойные фолликулы, в результате размножения фолликулярных клеток становятся многослойными. Затем фолликулярные клетки начинают выделять жидкость и постепенно резорбироваться. На их месте возникают полости (вторичный фолликул ), сливающиеся в конце концов в одну. В результате образуется зрелый третичный фолликул или Граафов пузырек . Затем стенка Граафова пузырька лопается, яйцеклетка освобождается и выходит из яичника в яйцевод, окруженная слоем фолликулярных клеток (лучистый венец - corona radiata). Данный процесс называется овуляцией . После овуляции ооцит приступает к делениям созревания.
Созревание ооцита - это процесс последовательного прохождения двух делений мейоза (делений созревания). Выход из фазы диакинеза и начало собственно делений созревания приурочены к достижению самкой половозрелости и определяются половыми гормонами: гонадотропные гормоны гипофиза воздействют на фолликулярный эпителий, который в ответ выделяет прогестерон и его аналоги. Гормоны фолликулярного эпителия поступают в ооцит и стимулируют его созревание.
Из двух делений созревания первое является редукционным, при этом каждая из образовавшихся клеток приобретает половинный набор хромосом. Поскольку 1-му делению созревания предшествовала S-фаза, каждая из разошедшихся хромосом состоит из двух идентичных хроматид. Эти хроматиды и расходятся по сестринским клеткам во втором делении созревания, которое является эквационным.
Основная особенности делений созревания в ооцитах состоит в том, что эти деления резко неравномерны. Перед первым делением созревания ядро ооцита мигрирует к его поверхности. Та точка поверхности ооцита, к которой ближе всего располагается ядро, названа анимальным полюсом. Противоположная точка - вегетативный полюс. В результате первого деления созревания половина хромосомного набора выталкивается в очень маленькую клетку, которая называется первым редукционным или полярным тельцем .
Яйцевая клетка после выделения I редукционного тельца называется ооцитом II порядка . Второе деление созревания осуществляется путем выделения II редукционного тельца таких же размеров, как и I. После его выделения ооцит II порядка превращается в зрелое яйцо.
Лишь у некоторых видов (некоторые кишечнополостные, морские ежи) мейоз доходит до конца бещ участия сперматозоида, внедряющегося в яйцеклетку. У большинства животных течение мейоза останавливается на некотором этапе созревания. Возникает блок мейоза , и для дальнейшего его протекания требуется активация яйцеклетки.
Различают три типа блока мейоза:
1. Мейоз останавливается на стадии диакинеза профазы 1-го деления, т.е. участие сперматозоида необходимо для протекания обоих мейотических делений. Этот тип мейоза наблюдается у губок, некоторых представителей плоских, круглых и кольчатых червей, моллюсков. Сюда же относятся собака, лиса и лошадь.
2. Мейоз останавливается на метафазе 1-го деления созревания. Такой блок отмечен у некоторых губок, немертин, кольчатых червей, моллюсков и почти у всех насекомых.
3. Мейоз останавливается на метафазе 2-го деления созревания. Сюда относятся почти все хордовые. У летучих мышей блок мейоза происходит на анафазе 2-го деления созревания. Именно на этих стадиях происходит овуляция яйцеклетки.
Как уже говорилось, у яйцеклетки выделяются анимальный и вегетативный полюса. Эта анимально-вегетативная поляризация решающим образом ориентирует последующие морфогенетические процессы: за редкими исключениями первые две борозды делений дробления проходят по взаимно перпендикулярным анимально-вегетативным мередианам, пересекаясь на анимальном и вегетативном полюсах. У взрослых животных передне-задняя ось тела либо совпадает с анимально-вегетативной осью яйцеклетки (позвоночные), либо перпендикулярна ей (членистоногие).
Первые морфологические проявления поляризации яйцеклетки приурочены к периоду вителлогенеза: у большинства яйцеклеток желток откладывается приемущественно в вегетативном полушарии, а ядро оттесняется в анимальное полушарие. Но только во время второго деления созревания поляризация становится устойчивой и необратимой.
Материальные носители полярности яйцеклетки до сих пор полностью не выявлены, но судя по всему, они локализованы в плазматической мембране, а не в цитоплазме яйцеклетки. В последнее время были получены данные о наличии электрических полей, ориентированных от одного полюса яйцеклетки - к другому. Такие поля связаны с неравномерным распределением ионных каналов по мембране. Утверждается, что расположение насосов и ионных каналов однозначно определяет полярность яйцеклетки.
Кроме плазматической мембраны яйцо может быть окружено еще несколькими оболочками. Различают следующие оболочки:
ñ Первичные (желтковые), представляющие собой производные мембраны яйцеклетки. Они присущи яйцеклеткам почти всех животных (кроме губок и большинства стрекающих), но особенно хорошо развиты у позвоночных. Первичная оболочка млекопитающих называется блестящей оболочкой (zona pellucida). Первичная оболочка образована гликопротеинами, обеспечивает видовую специфичность адгезии спермия при оплодотворении. Возможно, внешняя часть данной оболочки образована выделениями фолликулярных клеток.
ñ Вторичные оболочки (хорион) образуются как продукт выделения фолликулярных клеток. Лучше всего выражены у насекомых. В хорионе имеется одно или несколько отверстий (микропиле), через которое сперматозоид проникает в ядро.
ñ Третичные оболочки выделяются железами яйцевода. Очень сильно они развиты у химеровых рыб, амфибий, рептилий и птиц. У птиц третичные оболочки представлены белком, двумя слоями подскорлуповой пергаментной оболочки и скорлупой.
При прохождении яйца по яйцеводу оно вращается. Интересно, что передне-задняя ось зародыша расположена всегда перпендикулярно направлению движения яйца по яйцеводу, а направление от хвоста зародыша к голове совпадает с направлением вращения яйца.
Характерные особенности сперматогенеза. Спермиогенез.
Мужские половые клетки, как и женские, возникают из первичных гоноцитов. При сперматогенезе непосредственными потомками гоноцитов являются стволовые сперматогенные клетки (у млекопитающих их называют сперматогониями типа А ). Они присутствуют не только у зародышей, но и у половозрелых самцов. В семенниках млекопитающих они располагаются в пристеночном слое семенных канальцев. Стволовые клетки нерегулярно делятся. Некоторые из них перемещаются ближе к центру канальца, их деления становятся более регулярными (сперматогониальные деления), а после каждого деления изменяется форма и величина клеток. Такие клетки называют сперматогониями (сперматогониями типа В ).
Сперматогониальные деления происходят постоянно у половозрелых самцов. Число делений сперматогония определено для каждого вида (4 для человека).
После определенного числа делений сперматогоний передвигается еще ближе к просвету канальца и вступает в профазу 1-го деления созревания. На этой стадии он называется сперматоцитом I порядка .
В результате первого деления созревания сперматоцит I порядка делится на два одинаковых сперматоцита II порядка , которые делятся на двесперматиды , в результате второго деления созревания.
Далее каждая сперматида преобразуется в сперматозоид . Этот сложный цитологический процесс, не сопровождающийся клеточными делениями, называется спермиогенезом . Процесс спермиогенеза продолжается несколько дней (у человека - 23 дня).
Как сперматогонии, так и сперматоциты и сперматиды всех исследованных видов животных связаны между собой цитоплазматическими мостиками, образуя синцитии. Этим объясняется высокая степерь синхронности делений сперматогониев и сперматоцитов. Между сперматидами по таким мостикам могут проходить мРНК.
Важное значение для сперматогенеза имеют соматические клетки, расположенные в стенках семенных канальцев - клетки Сертоли. Клетки Сертоли снабжают сперматогониальные клетки питательными веществами и гормонами, способствуют высвобождению сперматозоидов в просвет канальцев, фагоцитируют неполноценные сперматозоиды.
Клетки Сертоли не контактируют друг с другом на уровне базальной мембраны. Их контакт находится выше, над слоем сперматогоний. У плода и новорожденных между клетками Сертоли имеются лишь щелевые контакты. На протяжении пропубертатного периода происходит образование плотных контактов.
Как уже было сказано, после прохождения делений созревания образуется сперматида, которая является идентичной сперматозоиду генетически, но не цитологически. Основные процессы, происходящие во время спермиогенеза:
ñ ядро сперматиды сильно уплотняется, хроматин конденсируется и становится синтетически неактивным.
ñ происходят перемещения органелл: аппарат Гольджи смещается на апикальный конец сперматозоида (вперед от ядра) и формирует акросому, содержащую ферменты - спермолизины; центриоли смещаются на противоположный полюс ядра.
ñ из дистальной центриоли начинает расти жгутик. Вокруг основания жгутика располагаются спиралевидные митохондрии. Однако, у некоторых видов животных сперматозоиды лишены жгутика (круглые черви, ракообразные).
ñ почти вся цитоплазма отторгается.
Оплодотворение
Оплодотворение – вызываемое сперматозоидом побуждение яйца к развитию с одновременноц передачей яйцеклетке наследственного материала отца.
Дистантные взаимодействия гамет.
Дистантные взаимодействия – взаимодействия гамет при осеменении, осуществляющиеся до соприкосновения гамет. К ним относятся хемотаксис, стереотаксис и реотаксис.
Реотаксис – способность сперматозоидом передвигаться против тока жидкости в половых путях самки. Стереотаксис – способность двигаться по направлению к более крупному. чем сам сперматозоид, объекту – яйцеклетке.
К дистантным взаимодействиям можно также отнести реакцию капацитации сперматозоида, происходящую в половых путях самки. (1. Альбумины в половых путях самки связывают холестерин из мембраны сперматозоида, в результате чего уменьшается соотношение холестерин: фосфолипиды. Это приводит к дестабилизации акросомного пузырька. 2. Освобождение активных центров галактозилтрансфераз, ферментов, узнающих N-ацетилглюкозаминовые остатки в молекуле гликопротеина, расположенного на поверхности прозрачной оболочки яйцеклетки и представляющего, по сути, рецептор сперматозоида).
Биология развития изучает способы генетического контроля индивидуального развития и особенности реализации генетической программы в фенотип в зависимости от условий. Под условиями понимаются различные внутриуровневые и межуровневые процессы и взаимодействия – внутриклеточные, межклеточные, тканевые, внутриорганные, организменные, популяционные, экологические.
Очень важными являются исследования конкретных онтогенетических механизмов роста и морфогенеза. К ним относятся процессы пролиферации (размножения) клеток, миграции (перемещения) клеток, сортировки клеток, их запрограммированной гибели , дифференцировки клеток, контактных взаимодействий клеток (индукция и компетенция), дистантного взаимодействия клеток, тканей и органов (гуморальные и нервные механизмы интеграции). Все эти процессы носят избирательный характер, т.е. протекают в определенных пространственно-временных рамках с определенной интенсивностью, подчиняясь принципу целостности развивающегося организма. Поэтому одной из задач биологии развития является выяснение степени и конкретных путей контроля со стороны генома и одновременно уровня автономности различных процессов в ходе онтогенеза.
Большую роль в процессах онтогенеза играет деление клеток, поскольку:
– благодаря делению из зиготы, которая соответствует одноклеточной стадии развития, возникает многоклеточный организм;
– пролиферация клеток, происходящая после стадии дробления, обеспечивает рост организма;
– избирательному размножению клеток принадлежит заметная роль в обеспечении морфогенетических процессов.
В постнатальном периоде индивидуального развития благодаря клеточному делению осуществляется обновление многих тканей в процессе жизнедеятельности организма, а также восстановление утраченных органов, заживление ран.
Исследования показали, что количество циклов клеточных делений в ходе онтогенеза генетически предопределено . Однако известна мутация, которая изменяет размеры организма за счет одного дополнительного клеточного деления. Эта мутация описана у Drosophila melanogaster, она наследуется по рецессивному сцепленному с полом типу. У таких мутантов развитие протекает нормально на протяжении всего эмбрионального периода. Но в тот момент, когда нормальные особи окукливаются и начинают метаморфоз, особи-мутанты продолжают оставаться в личиночном состоянии еще дополнительно 2–5 суток. За это время у них происходит 1–2 дополнительных деления в имагинальных дисках, от количества клеток которых зависит размер будущей взрослой особи. Затем мутанты образуют куколку вдвое крупнее обычной. После метаморфоза несколько удлиненной по времени стадии куколки на свет появляется морфологически нормальная взрослая особь удвоенного размера.
Описан ряд мутаций у мышей, вызывающих снижение пролиферативной активности и следующие за этим фенотипические эффекты – микрофтальмия (уменьшение размеров глазных яблок), отставание роста и атрофия некоторых внутренних органов из-за мутаций, затрагивающих центральную нервную систему.
Таким образом, деление клеток является чрезвычайно важным процессом в онтогенетическом развитии. Оно протекает с разной интенсивностью в разное время и в разных местах, носит клональный характер и подвержено генетическому контролю. Все это характеризует клеточное деление как сложнейшую функцию целостного организма, подчиняющегося регулирующим влияниям на различных уровнях: генетическом, тканевом, онтогенетическом.
Миграция клеток имеет очень большое значение, начиная с процесса гаструляции и далее в процессах морфогенеза. Нарушение миграции клеток в ходе эмбриогенеза приводит к недоразвитию органов или к их гетеротопиям , изменениям нормальной локализации. Все это представляет собой врожденные пороки развития. Например, нарушение миграции нейробластов приводит к возникновению островков серого вещества в белом веществе, при этом клетки утрачивают способность к дифференцировке. Более выраженные изменения миграции приводят к микрогирии и полигирии (большое число мелких и аномально расположенных извилин больших полушарий), либо к макрогирии (утолщение основных извилин), или же к агирии (гладкий мозг, отсутствие извилин и борозд больших полушарий). Все эти изменения сопровождаются нарушением цитоархитектоники и послойного строения коры, гетеротопиями нервных клеток в белом веществе. Подобные пороки отмечены и в мозжечке.
Для миграции клеток очень важны их способность к амебоидному движению и свойства клеточных мембран. Все это генетически детерминировано, следовательно, и сама миграция клеток находится под генетическим контролем, с одной стороны, и влияниями окружающих клеток и тканей – с другой.
В процессе эмбриогенеза клетки не только активно перемещаются, но и «узнают» друг друга, т.е. образуют скопления и пласты только с определенными клетками. Значительные координированные перемещения клеток характерны для периода гаструляции. Смысл этих перемещений заключается в образовании обособленных друг от друга зародышевых листков с совершенно определенным взаимным расположением. Клетки как бы сортируются в зависимости от свойств, т.е. избирательно . Необходимым условием сортировки являются степень подвижности клеток и особенности их мембран.
Агрегация клеток зародышевых листков с себе подобными объясняется способностью к избирательному слипанию (адгезии ) клеток одного типа между собой. Одновременно это является проявлением ранней дифференцировки клеток на стадии гаструлы.
Избирательная сортировка клеток возможна за счет того, что контакты между подобными клетками сильнее, чем между чужеродными клетками из-за различий в поверхностном заряде их мембран. Установлено, что поверхностный заряд клеток мезодермы ниже, чем клеток экто- и энтодермы, поэтому клетки мезодермы легче деформируются и втягиваются в бластопор в начале гаструляции. Есть также мнение, что контактные взаимодействия между одинаковыми клетками основываются на антигенных свойствах их мембран.
Избирательная адгезия клеток определенного зародышевого листка друг с другом является необходимым условием нормального развития организма. Примером потери клетками способности к избирательной сортировке и слипанию является их беспорядочное поведение в злокачественной опухоли. По-видимому, в обеспечении сортировки клеток важное место принадлежит генетическим механизмам.
Дифференцировка клеток – это постепенное (на протяжении нескольких клеточных циклов) возникновение все больших различий и направлений специализации между клетками, происшедшими из более или менее однородных клеток одного зачатка. Этот процесс сопровождают морфогенетические преобразования, т.е. возникновение и дальнейшее развитие зачатков определенных органов в дефинитивные органы. Первые химические и морфогенетические различия между клетками, обусловленные самим ходом эмбриогенеза, обнаруживаются в период гаструляции.
Процесс, в результате которого отдельные ткани в ходе дифференцировки приобретают характерный для них вид, называется гистогенезом. Дифференцировка клеток, гистогенез и органогенез совершаются в совокупности, причем в определенных участках зародыша и в определенное время. Это свидетельствует о координированности и интегрированности эмбрионального развития.
В настоящее время общепринятой считается точка зрения на дифференцировку клеток в процессе онтогенеза как на результат последовательных реципрокных (взаимных) влияний цитоплазмы и меняющихся продуктов активности ядерных генов. Таким образом, впервые прозвучала идея о дифференциальной экспрессии генов как основном механизме цитодифференцировки. Уровни регуляции дифференциальной экспрессии генов соответствуют этапам реализации информации в направлении ген → полипептид → признак и включают не только внутриклеточные процессы, но и тканевые и организменные.
Эмбриональная индукция – это взаимодействие частей развивающегося зародыша, при котором один участок зародыша влияет на судьбу другого участка. В настоящее время установлено, что первичным эмбриональным индуктором является хордомезодермальный зачаток в спинной губе бластопора. Но явления индукции многочисленны и разнообразны. Кроме первичной индукции, различают вторичные и третичные , которые могут происходить на более поздних, чем гаструляция, этапах развития. Все эти индукции представляют собой каскадные взаимодействия , потому что индукция многих структур зависит от предшествующих индукционных событий. Например, глазной бокал возникает только после развития передней части головного мозга, хрусталик – после формирования бокала, а роговица – после образования хрусталика.
Индукция носит не только каскадный, но и переплетающийся характер, т.е. в индукции той или иной структуры может участвовать не одна, а несколько тканей. Например, глазной бокал служит главным, но не единственным индуктором хрусталика.
Различают два вида индукции. Гетерономная индукция – когда один кусочек зародыша индуцирует иной орган (хордомезодерма индуцирует появление нервной трубки и всего зародыша в целом). Гомономная индукция – индуктор побуждает окружающий материал к развитию в том же направлении, что и он сам. Например, область нефротома, пересаженная другому зародышу, способствует развитию окружающего материала в сторону формирования головной почки, а прибавление в культуру фибробластов сердца маленького кусочка хряща влечет за собой процесс образования хряща.
Для того чтобы воспринять действие индуктора, компетентная ткань должна обладать хотя бы минимальной организацией. Одиночные клетки не воспринимают действие индуктора, а чем больше клеток в реагирующей ткани, тем активнее ее реакция. Для оказания индуцирующего действия иногда достаточно лишь одной клетки индуктора. Установлена химическая природа индукторов – это могут быть белки, нуклеопротеиды, стероиды и даже неорганические вещества. Но специфичность ответа прямо не связана с химическими свойствами индуктора.
Таким образом, генетический контроль онтогенеза очевиден, однако в процессе развития зародыш и его части обладают способностью к саморазвитию, регулируемому самой целостной развивающейся системой и не запрограммированному в генотипе зиготы.
2. Ведущая роль ядра в регуляции формообразования
Реализация наследственной информации в онтогенезе многоступенчатый процесс. Он включает в себя различные уровни регуляции – клеточный, тканевый, организменный. На каждом этапе развития организма функционирует большое количество генов. Каждый из них контролирует ход той или иной биохимической реакции и через нее принимает участие в осуществлении формообразовательных процессов. Локализация генов в хромосомах ядер определяетведущую роль ядра в регуляции формообразования. Однако по этому поводу длительное время происходили дискуссии, в особенности между эмбриологами и генетиками. Первые отводили основную роль цитоплазме, вторые – ядру. Затем был найден компромиссный вариант, согласно которому ядро отвечает за видоспецифические признаки организмов, а цитоплазма – за более общие признаки.
Правота генетиков была продемонстрирована лишь в 30-е годы ХХ века в опытах физиолога растений Г.Хеммерлинга. Он обнаружил, что у одноклеточной водоросли АсеtаЬulаriа форма шляпки (зонтика) – органа размножения, развивающегося на верхушке стебля, зависит только от ядра. Так, если у водоросли одного вида – АсеtаЬulаriа mediterranea удалить содержащий ядро ризоид и срастить со стебельком ризоид с ядром другого вида – А. wettsteini или А. crenulata, то образуется шляпка, свойственная А. wettsteini или А.crenulata , и наоборот (рис. 15).
В 50-е годы ХХ в. Б.Л.Астауров использовал для доказательства ведущей роли ядра в развитии животных разную чувствительность ядра и цитоплазмы к действию радиации – ядро во много раз чувствительнее к облучению, чем цитоплазма. Исследования проводились на яйцах тутового шелкопряда. Яйца, лишенные женского ядерного аппарата (путем облучения высокой дозой рентгеновских лучей), при оплодотворении необлученной спермой образуют ядро дробления посредством слияния ядер двух спермиев. Соответствующие особи всегда самцы и их легко узнают при помощи генетической маркировки. Если, используя эту методику, соединить цитоплазму яиц одного вида с ядром яиц другого вида тутового шелкопряда, отличающимся по многим морфологическим, физиологическим признакам и поведению, то оказывается, что развивающийся организм целиком и полностью подобен отцовскому, т.е. соответствует информации, содержащейся в ядре.
Аналогичные исследования проводились и с позвоночными животными. Первым этот вопрос исследовал французский эмбриолог К.Гальен-младший. Он использовал метод трансплантации ядер в яйцеклетки амфибий, который, как считают, разработан американскими эмбриологами Бриггсом и Кингом в 50-е годы прошлого столетия и позднее усовершенствован английским ученым Джоном Гердоном. В действительности этот метод был разработан еще в 40-е годы ХХ в. русским ученым, основоположником отечественной экспериментальной эмбриологии Георгием Викторовичем Лопашовым. Суть метода заключается в том, что собственное ядро яйцеклетки удаляется и чужеродное ядро–донор впрыскивается в яйцеклетку.
Именно путем межвидовых пересадок ядер Гальен получил ядерно-цитоплазматические гибриды с разной конституцией. Начиная со стадии ранней гаструлы, у них обнаруживались тяжелые нарушения развития. Однако небольшое число таких гибридов (около 2%) достигает взрослого состояния. Все особи по своим признакам подобны представителям того вида, от которого взято трансплантированное ядро.
Таким образом, можно утверждать, чтоспецифические особенности индивидуального развития контролируются клеточным ядром .
Ядро, несущее наследственный материал, в котором записана программа индивидуального развития, характеризуется следующими особенностями:
– играет ведущую роль в регуляции формообразовательных процессов.
– осуществляет эту роль посредством ядерно-цитоплазматических взаимоотношений, т.е. разная цитоплазма индуцирует разные функциональные состояния находящегося в клетке ядра.
– в ходе регуляции индивидуального развития проявляет периодичность морфогенетической активности.
Рис. 15. Эксперименты Хеммерлинга, доказывающие выработку ядром ацетобулярии вещества, необходимого для регенерации шляпки (Л.И.Корочкин,1999)
Следует отметить наблюдаемые на этой стадии различия между регенерацией и эмбриональным развитием. Для реализации регенерации необходима иннервация. Без нее может проходить дедифференцировка клеток, но последующее развитие отсутствует. В период эмбрионального морфогенеза конечности (в ходе клеточных дифференцировок) нервы еще не сформированы.
Помимо иннервации на ранней стадии регенерации требуется действие ферментов металлопротеиназ. Они разрушают компоненты ма-трикса, что позволяет клеткам разделиться (диссоциировать) и активно пролиферировать. Контактирующие между собой клетки не могут продолжать регенерацию и отвечать на действие ростовых факторов. Таким образом, в ходе регенерации наблюдаются все варианты межклеточных взаимодействий: путем выделения паракринных факторов, диффундирующих от одной клетки к другой, взаимодействия через матрикс и при непосредственном контакте клеточных поверхностей.
В стадии дедифференцировки в клетках культи экспрессируются гомеозисные гены HoxD8 и HoxDlO, а с началом дифференцировки - гены HoxD9 и HoxD13. Как было показано в п. 8.3.4, эти же гены активно транскрибируются и в эмбриональном морфогенезе конечности.
Важно отметить, что в ходе регенерации утрачивается дифферен-цировка клеток, а их детерминация сохраняется. Уже на стадии недифференцированной бластемы закладываются основные черты регенерирующей конечности. При этом не требуется активация генов, обеспечивающих спецификацию конечности (Tbx-5 для передней и Tbx-4 для задней). Конечность формируется в зависимости от локализации бластемы. Ее развитие происходит так же, как и в эмбриогенезе: сначала проксимальные отделы, а затем дистальные.
Проксимально-дистальный градиент, от которого зависит, какие части растущего зачатка станут плечом, какие - предплечьем, а какие - кистью, задается градиентом белка Prod 1. Он локализован на поверхности клеток бластемы и его концентрация выше у основания конечности. Этот белок играет роль рецептора, а сигнальной молекулой (лигандом) для него является белок nAG. Он синтезируется шванновскими клетками, окружающими регенерирующий нерв. При отсутствии этого белка, который через лиганд-рецепторное взаимодействие запускает активацию необходимого для развития каскада генов, регенерации не происходит. Это объясняет феномен отсутствия восстановления конечности при перерезке нерва, а также и при врастании в бластему недостаточного количества нервных волокон. Интересно, что если нерв конечности тритона отвести под кожу основания конечности, то образуется дополнительная конечность. Если его отвести к основанию хвоста - стимулируется образование дополнительного хвоста. Отведение нерва на боковую область никаких дополнительных структур не вызывает. Все это привело к созданию концепции регене-рационных полей.
Многочисленные эксперименты свидетельствуют, что некоторая компонента ССИ не побочный продукт метаболизма, но может играть функциональную роль и является основой некоторых нехимических взаимодействий биосистем. Об этом свидетельствовали еще известные опыты А.Г. Гурвича с корешками лука [Гурвич, 1945] и другие его работы по митогенетическому излучению.
Феномен дистантных, т.е. без непосредственного контакта и неопосредованных химически, межклеточных взаимодействий (ДМВ) был строго установлен и исследован В.П. Казначеевым с сотрудниками в опытах с «зеркальным» цитопатическим эффектом [Казначеев и др., 1979, 1980; Казначеев и Михайлова, 1981, 1985]. Находящиеся под воздействием экстремальных факторов физической, химической или биологической природы клетки вызывали в клеточной культуре- реципиенте (помещенной в соседнюю с первой изолированную камеру и не подвергаемой воздействию этих факторов) морфологические изменения, аналогичные изменениям в первой клеточной культуре- индукторе (с достоверным значением вероятности 70-78 %). Взаимодействие клеточных культур осуществлялось только посредством сверхслабого электромагнитного излучения самих клеток через кварцевую (или слюдяную) пластинку, прозрачную в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. В этих опытах впервые удалось полностью исключить химическую компоненту ДМВ. ДМВ были исследованы также в модели, позволяющей рассмотреть роль электромагнитного излучения в жизненном цикле клетки в отличие от модели экстремального воздействия на клеточную систему. По мере разнесения культур или при утолщении кварцевых и слюдяных подложек эффективность связи падает, что означает, что эффективность проявления зеркального цитопатического эффекта зависит от поглощения и рассеивания электромагнитных волн - носителей информации. Отметим следующие свойства зеркального эффекта [Там же]: 1. Зеркальный цитопатический эффект максимально проявляется в парах из гомологичных клеточных культур, слабее - в близкородственных клетках, в гетерогенных, генетически далеко отстоящих друг от друга зеркального цитопатического эффекта нет. 2. Здоровые клетки, воспринявшие информацию пораженных клеточных культур, будучи в контакте со следующей новой здоровой культурой, способны передавать ее дальше; зеркальный эффект обладает способностью пассироваться с постепенным угасанием до 3-4 пассажа. 3. Проявление эффекта зависит от географической широты, солнечной активности и геомагнитной обстановки.
Один из возможных общих подходов к постановке и исследованию вопросов данного рода выдвинут В.П. Казначеевым. Согласно концепции В.П. Казначеева [Там же], биосистема (клетка) может быть представлена как неравновесная фотонная констелляция, существующая за счет притока энергии извне. Чисто химический механизм межклеточной и внутриклеточной связи может быть не первичным, а следствием более сложных процессов. Функционирующая клетка является источником и носителем сложного электромагнитного поля, структура которого порождается биохимическими процессами, и управляет всей метаболической деятельностью клетки. (Мембраны можно рассматривать как основную структуру - носитель неравновесной фотонной констелляции.) Фотонные констелляции могут рассматриваться как первичный субстрат самой жизни, не как проявление вторичного способа передачи биологической информации. Данная констелляция имеет высокую степень надежности и является информационно- регулирующей системой клетки. Предположительно в макромоле- кулярной белково-нуклеиновой форме живого вещества (клеток) присутствуют другие - квантово-полевые - формы живого вещества, обладающие способностью перемещаться в оптической среде в другие непораженные макромолекулярные белково-нуклеиновые организации, изменять их состояние и вновь перемещаться, при этом из одной клеточной культуры в другую осуществляется поток предполагаемой формы живого вещества. Таким образом, суть живого вещества полевая. Это значит, что материальный поток в существующей электромагнитной земной среде в своем движении, попадая в заселенное атомами и молекулами пространство, при соответствующих физико-химических условиях строит из них вторичную сложную макромолекулярную структуру. Эти структуры могут мигрировать при соответствующих условиях из одной мак- ромолекулярной структуры (клетки, живые организмы) в другую, взаимодействовать друг с другом, изменять вторичные биохимические свойства.
Заметим, что эту концепцию подтверждают результаты экспериментов Л. Монтенье (пп. 2.2).
Дистантные взаимодействия, опосредуемые ССИ в диапазоне от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного, воздействуют на активность энзимов [Баскаков и Воейков, 1996], активность и морфологию клеток и тканей [Казначеев и Михайлова, 1985], жизненный цикл клетки [Там же], регулируют локомоцию и взаимную ориентацию клеток , определяют скорость развития эмбрионов и их морфологические черты [Бурлаков и др., 1999а, 1999b], участвуют во взаимодействии нейтрофилов и образцов цельной крови . Дистантные взаимодействия (ДВ) не ограничиваются односторонним действием одной биологической системы на другую, но включают в себя и двустороннее взаимодействие двух химически изолированных биологических систем [Там же], а также «самовоздействие» [Бурков и др., 2008]. ДВ обнаружены между клетками не только эукариот, но и бактерий [Николаев, 1992]. ДВ имеют место на организменном уровне , на уровне популяций [Бурлаков и др., 1999; Volodyaev and Beloussov, 2007] и, возможно, экосистем .
Следует отметить, что ДВ достаточно слабы, зависят от многих факторов и в ряде случаев возникают трудности с контролем условий экспериментов и воспроизводимостью их результатов. Тем не менее излучение для самой биосистемы может служить ее внутренней системой передачи информации, «атрибутом жизни» [Казначеев и Михайлова, 1985]. С этой точки зрения изучение ДВ важно для понимания координации именно внутриклеточных молекулярных процессов, контроля активности протеинов и координации генетической и биохимической систем, поддерживающих гомеостаз.
Вопрос о функциональной роли ССИ до сих пор дискуссионный, но в любом случае установлено, что ССИ отражает биологическое состояние организмов и их популяционных взаимодействий .
Межклеточные взаимодействия - это взаимодействия клеток друг с другом. Могут быть как дистантными, на расстоянии, так и контактными. Дистантные взаимодействия осуществляются при помощи растворимых веществ, секретируемых клетками в окружающую их среду и воздействующих на другие клетки. Эти вещества называются медиаторами, или посредниками. В качестве медиаторов могут выступать гормоны, биогенные амины, антитела и многие другие биологически активные вещества, эти вещества воздействуют на репепторный аппарат клеток, с которыми взаимодействует выделившая медиатор клетка. Следовательно, дистантные межклеточные взаимодействия опосредуют действие на клетки гормонов, имеют место при иммунном ответе, эмбриональном развитии (эмбриональная индукция, см. эмбриологию) и при многих других важных клеточных реакциях.
Кроме того, в многоклеточном организме все клетки связаны между собой при помощи межклеточных контактов (контактные межклеточные взаимодействия). Контактные взаимодействия состоят из нескольких фаз и включают как начальный этап дистантные взаимодействия:
1. Узнавание одной клеткой другой клетки (может быть дистантным при посредстве медиаторов и контактным при посредстве рецепторов).
2. Установление между клетками непрочных связей.
3. Формирование устойчивых межклеточных контактов. Вторая и третья фазы осуществляются при помощи молекул клеточной адгезии.
Все межклеточные контакты делятся на три основных типа (рис. 3.15, 3.16):
1. Адгезионные контакты, которые механически соединяют клетки между собой. Основной тип адгезионных контактов - десмосомы. Бывают трех типов:
- точечные десмосомы (пятно десмосомы). Они скрепляют клетки в отдельных местах. При этом с внутренней стороны клеточных мембран двух
клеток находится электрошюплотная пластинка, связанная с сетью кератиновых микрофиламент. Эти филаменты заканчиваются в пластинке или проходят мдоль ее поверхности. Прилегающие друг к другу пластинки двух клеток соединены через межклеточное пространство волокнами из белка неизвестной природы. В межклеточном пространстве есть электронноплотный материал;
- опоясывающие десмосомы (зоны десмосомы). Они идут вблизи апи-кального конца клеток по их периметру в виде полосы. Эта полоса состоит из пучков актиновых филаментов, локализующихся со стороны цитоплазмы. В межклеточном пространстве есть электронноплотный материал;
- полудесмосомы. Представляют собой как бы половинку точечной десмосомы. Прикрепляют эпителиальные клетки к базальной мембране.
В функционировании адгезионных контактов важную роль играют адгезионные молекулы, такие, как Е-кадгерин, дссмоколлины, десмоглеины и др.
 |
2. Плотные контакты. Это разновидность замыкающих контактов. Данный тип контактов не только механически связывает клетки друг с другом, но и препятствует прохождению между ними молекул. В плотных контактах клеточные мембраны подходят друг к другу на расстояние до 5 нм и связываются друг с другом при помощи специальных белков.
3. Проводящие контакты. В этих контактах может осуществляться передача малых молекул из одной клетки в другую. При этом мембраны двух клеток подходят друг к другу на расстояние до 3 нм и образуют каналы - коннексоны. Через коннексоны между клетками осуществляется свободный обмен низкомолекулярными веществами (электролитами, витаминами, нуклеотидами, АТФ, сахарами, аминокислотами и др.). Таким образом, этот тип контактов играет важную роль не только в механической, но и в химической коммуникации клеток. Пример таких контактов - щелевые контакты: нексусы между мышечными клетками в гладкой и сердечной мускулатуре. При этом возбуждение передается с одной клетки на другую. Второй пример - синапсы - контакты между нервными клетками.
 |
Кроме этих основных видов межклеточных контактов, выделяют также интердигитации - или межпальцевые соединения, когда цитоплазма с покрывающей ее цитолеммои одной клетки в виде пальца вклинивается в цитоплазму другой клетки и наоборот. Интердигитации резко увеличивают прочность межклеточных соединений, а кроме того, увеличивают площадь межклеточных взаимодействий, благодаря чему возрастает межклеточный обмен метаболитами.
