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.

 

Индукция и появление структуры

При поверхностном наблюдении за все возрастающей сложностью развивающихся зародышей можно заметить появление хорошо знакомых черт данного животного: различных органов, зубов, конечностей, глаз. Однако эмбриологи нередко оказываются примерно в таком положении, как капитан Ричард, главный герой книги Эрнста Дженджера (Е. Juenger) «Стеклянные пчелы». Столкнувшись с непостижимыми творческими способностями Цаппарони и его хитроумных автоматов, стеклянных пчел, он мог только пробормотать: «Я был вынужден принять эти новые создания такими, какие они есть - я не в состоянии был объяснить их. Почти то же самое мы испытываем, стоя на скале и наблюдая за морскими животными: мы видим рыб и крабов и даже узнаем медуз, но внезапно из глубины всплывают какие-то создания, задающие нам неразрешимые и волнующие загадки».

Одна из таких загадок - очевидный эпигенез, опосредованный индукционными взаимодействиями. Очень большую роль в понимании природы индукции и ее функций в процессе развития сыграли работы Ганса Шпемана (Н. Spemann) и его сотрудников, проведенные после первой мировой войны. Шпеман пересаживал эктодермальные клетки, взятые с поверхности одного зародыша тритона, в поверхностный слой другого такого зародыша. В качестве доноров и реципиентов он использовал виды Triturus, имеющие разную окраску, так что трансплантаты можно было легко отличать от тканей хозяина по наличию или отсутствию пигментных гранул на отдельных участках поверхности химерных зародышей. Если в качестве доноров использовали зародышей на стадии ранней гаструлы, то клетки из разных участков эктодермы развивались в соответствии с дифференцировкой той области реципиента, в которую они были пересажены. Если же донорами служили зародыши, закончившие гаструляцию, то в большинстве случаев наблюдалась иная картина: оказывалось, что пересаженные клетки уже детерминированы, так что, например, презумптивные клетки нейральной эктодермы дифференцировались в нервную ткань независимо от того, в какой участок реципиента они были пересажены. Эти эксперименты дали очень ценные сведения. Они показали, что направление детерминации эктодермальных клеток у амфибий не запрограммировано в самих этих клетках: будет ли данная клетка развиваться в направлении эпителиальной или нервной ткани, зависит от ее местоположения в зародыше во время гаструляции.

Решающий эксперимент - один из самых впечатляющих и значительных для дальнейшего развития эмбриологии - провела ученица Шпемана, Хильде Мангольд (Spemann, Mangold, 1924); она непосредственно показала существование индукционной системы, обусловливающей детерминацию осевых структур. Как это часто бывает с действительно плодотворными работами, экспериментам Мангольд суждено было породить ряд других волнующих загадок.

Как показано на рис. 5-1, во время гаструляции клетки, лежащие на поверхности бластулы амфибии, перемещаются внутрь, проходя через бластопор. В результате образуется двуслойный зародыш. Такая двуслойная организация - необходимая предпосылка для крупных начальных индукционных процессов. Однако, как установили Шпеман и Мангольд, спинная губа бластопора играет некую особую роль. В области спинной губы происходит инвагинация клеток при гаструляции, и, хотя функция этой области до начала гаструляции не проявляется, она обособляется вскоре после оплодотворения, что выражается в образовании серого серпа.

Проведенный Мангольд эксперимент был очень прост: она пересаживала кусочек спинной губы бластопора из ранней гаструлы на боковую поверхность зародыша-реципиента. Однако, в отличие от того, что наблюдалось в более ранних экспериментах с пересадками кусочков эктодермы, пересаженные клетки не развивались в этом случае в соответствии с участком, в который их пересадили. Вместо этого они вызвали образование добавочного набора осевых органов, т.е. получились сиамские близнецы (рис. 5-2). У добавочного эмбриона не было головы (в первых экспериментах Мангольд), но были хорда, парные сомиты и нервная трубка, а также кишка и почечные канальцы. Поскольку для пересадки использовались клетки, отличавшиеся по пигментации от клеток реципиента, можно было установить, какие части добавочного зародыша происходят из пересаженных клеток, а какие - из клеток реципиента. Оказалось, что хорда целиком образована пересаженными клетками, а нервная трубка, сомиты и другие структуры состоят в основном из клеток зародыша-реципиента.

Рис. 5-1. Использование метода маркировки зародыша прижизненными красителями для составления карты перемещений клеток во время гаструляции у жерлянки (Bombinator). А-В. Участки клеток, помеченные прижизненными красителями, втягиваются внутрь зародыша через бластопор. Г. Внешний вид окрашенных зародышей на стадии нейрулы. Д. Поперечный срез зародыша на стадии замыкания нервной трубки; видно распределение окрашенных клеток внутри зародыша. Благодаря этому методу Фогт получил возможность составить первые карты презумптивных зачатков для амфибий (Vogt, 1929).

Рис. 5-2. Пересадка клеток спинной губы бластопора от зародыша-донора на брюшную сторону зародыша-реципиента. В результате трансплантации у реципиента образуются добавочные осевые органы (Hadorn, 1974).

Образование большей части тканей, формирующихся в результате пересадки спинной губы, из клеток реципиента показывает, что эти клетки были индуцированы к дифференцировке в измененных направлениях под действием того, чему Шпеман дал название первичного организатора. Это организующее начало находится в клетках спинной губы, которая после инвагинации дает начало крыше первичной кишки, а та в свою очередь, индуцирует образование хорды. Возникновение индуцируемых осевых структур происходит в четко выраженном передне-заднем направлении. Эксперименты с пересадкой кусочков крыши передней кишки показали, что упорядоченность структур центральной нервной системы детерминируется индукторами, которые продуцируются соответствующими участками крыши первичной кишки. Хордомезодерма, действуя снизу вверх, не просто индуцирует в вышележащих тканях развитие нейральных структур: различные участки этой мезодермы продуцируют индукторы, различающиеся по своей информационной специфичности.

В отношении индуцирующих систем можно сделать два обобщения. Индуцирующая ткань должна быть способна вырабатывать необходимое в данном конкретном случае индуцирующее вещество, а ткань-мишень должна обладать соответствующей компетентностью, чтобы реагировать на него. Эти необходимые свойства отражают динамику морфогенетических процессов. Образование индуцирующих веществ и способность реагировать на них - свойства преходящие, и относительное расположение индуцирующей и индуцируемой тканей изменяется по мере течения морфогенеза.

Хрусталик позвоночных - специализированная структура, функция которой состоит в преломлении падающего света. Его развитие начинается с образования презумптивной тканью хрусталика сферического зачатка хрусталика. Затем клетки этого зачатка вытягиваются, превращаясь в волокна хрусталика, которые, ориентируясь определенным образом, формируют преломляющее тело хрусталика. В процессе этих превращений волокна утрачивают ядра и митохондрии, так что хрусталик становится прозрачным. Морфологическая дифференцировка сопровождается клеточной дифференцировкой. Клетки хрусталика, как это пишет в своем обзоре Бломендаль (Bloemendal), начинают синтезировать главным образом группу специализированных белков хрусталика - α-, β- и γ-кристаллины. Синтез этих белков, по-видимому, составляет свыше 80% всего белкового синтеза клеток хрусталика и обеспечивается долгоживущими кристаллиновыми мРНК.

Хрусталик образуется из эпидермальных клеток ограниченного участка головы, однако оказалось, что у амфибий можно индуцировать развитие хрусталика из почти любого участка эпидермиса зародыша. Для этого достаточно либо пересадить глазной пузырек в необычное для него место, либо заменить эпидермис, предназначенный для образования хрусталика, кусочком эпидермиса из другой части тела. Глазной пузырь - вырост переднего мозга, дающий начало зрительному нерву и сетчатке, - служит главным, но не единственным, индуктором дифференцировки хрусталика.

Особенно ценные данные о динамичном характере индукционных взаимодействий получил Джекобсон (A. G. Jacobson), исследовавший процесс индукции хрусталика у зародышей амфибий. Морфогенез, происходящий в процессе развития, сопровождается очень значительными перемещениями тканей относительно друг друга. Так, презумптивный эпидермис, из которого развивается хрусталик, во время гаструляции лежит над энтодермальной стенкой будущей глотки, как это показано на рис. 5-3. Эта энтодерма фактически служит первым индуктором хрусталика. По мере дальнейшей гаструляции сердечная мезодерма перемещается вперед, до тех пор пока ее передний край не окажется лежащим под презумптивным хрусталиком и она также не начнет действовать как индуктор. Далее во время нейруляции нервная пластинка замыкается, превращаясь в нервную трубку, и на ее переднем конце начинают выпячиваться глазные пузыри. В результате замыкания нервной трубки клетки будущего хрусталика приходят в соприкосновение с презумптивной сетчаткой, и начиная с этого времени главным индуктором хрусталика служит сетчатка. Степень участия каждой из этих тканей в индукции хрусталика Джекобсон оценивал на основании экспериментов, в которых он удалял ту или иную из индуцирующих тканей, наблюдая при этом за уровнем дифференцировки хрусталика. В экспериментах, в которых сетчатку удаляли, так что индукторами служили только энтодерма и сердечная мезодерма, у 42% зародышей все же формировались хрусталики. Джекобсон пришел к выводу, что в сумме энтодерма и мезодерма равноценны сетчатке в смысле индукции хрусталика. В развитии других органов, таких как нос и ухо (рис. 5-4), также участвует по нескольку индукторов. (Результаты этих и других аналогичных опытов сильно зависят от вида животного и условий эксперимента, и предлагаемая здесь интерпретация не получила пока общего признания.- Прим. ред.)

Рис. 5-3. Последовательные индукционные взаимодействия, необходимые для образования хрусталика у зародыша амфибии (Jacobson, 1966).

Рис. 5-4. Последовательные индукционные взаимодействия, детерминирующие развитие носа и уха у амфибий (Jacobson, 1966).

Сети индукторов могут играть важную роль в канализации развития, обеспечивая нормальное течение органогенеза, даже если один из компонентов индуцирующей системы не сумеет произвести сигнал нужной силы. И, как понял Джекобсон, многочисленность индуцирующих тканей может иметь решающее значение для точного установления места формирования данного органа. Джекобсон провел ряд экспериментов, в которых либо полоску головной эктодермы, образующую в конечном итоге нос, хрусталик и ухо, либо лежащую под ней нервную пластинку поворачивали на 180° на разных стадиях развития. Результаты этих экспериментов ясно показали, что, хотя головной мозг оказывает наиболее сильное индуцирующее действие, необходимое для полного развития этих структур, местоположение носа, хрусталика и уха действительно частично детерминируется более ранними индукционными событиями при участии энтодермы и проспективной сердечной мезодермы.

 

Диссоциабельность индукционных взаимодействий, происходящих при морфогенезе и цитодифференцировке

Для происходящих в процессе эволюции морфологических трансформаций необходима возможность независимых изменений взаимосвязи между отдельными процессами онтогенеза, которую можно назвать диссоциабельностью. Концепция диссоциабельности зародилась еще в XIX в., хотя наиболее обстоятельно ее изложил Нидхем (Needham) в 1933 г.:

«При развитии зародыша того или иного животного, протекающем нормально и при оптимальных условиях, составляющие его основные процессы образуют превосходно интегрированное единое целое. Они подогнаны друг к другу таким образом, что конечный продукт развития возникает в результате точно скоординированных реакций и событий. Однако, по-видимому, во всем этом важную роль играет одно обстоятельство, которое, вероятно, недооценивается: эти фундаментальные процессы неразделимы лишь в нашем представлении; на самом деле их можно экспериментально диссоциировать (разобщить) или нарушить существующую между ними координацию. Эта концепция нарушения координированности пока еще не получила удовлетворительного названия, но за неимением лучшего термина мы в дальнейшем изложении будем пользоваться словами диссоциабельность или разобщение. Уже ясно, что можно приостановить рост зародыша, не нарушая его дыхания, и что, наоборот, в известных условиях рост и дифференцировка могут, вероятно, продолжаться в отсутствие нормальных дыхательных процессов. Известно также немало примеров, когда рост и дифференцировку можно разобщить, так что, хотя их механизмы остаются неповрежденными, тот или другой из них „работает вхолостую“».

Диссоциабельность - ключевой элемент в изменениях морфологии, достигаемых при помощи одного (особенно важного) способа модификации. Важную роль диссоциации между возрастом, ростом и формой (т. е. независимое изменение этих параметров) путем изменения относительных сроков морфогенетических процессов при эволюции новых форм подчеркивает Гулд (Gould). И такое подчеркивание вполне уместно: относительные изменения сроков служат одним из самых могущественных и в то же время самым доступным механизмом эволюции формы. Гетерохрония, ее механизмы и ее последствия рассматриваются в гл. 6.

Но дело не только в гетерохронии. Важные морфологические изменения могут возникать не в результате изменений, затрагивающих главным образом сроки, а в результате диссоциации, т. е. разобщения, процессов интеграции. Интересно, что некоторые из них были включены Нидхемом в категорию диссоциаций при дифференцировке (двумя другими выделяемыми им крупными категориями были метаболизм и рост). Нидхем перечисляет процессы, где диссоциация может иметь место: локализация в яйце морфогенетических детерминантов, цитодифференцировка и индукционные взаимодействия. Хорошей иллюстрацией диссоциабельности таких процессов служит легкость, с которой в экспериментальных условиях удается разобщить морфогенез и клеточную дифференцировку при развитии разнообразных тканей. Можно привести несколько конкретных примеров.

В случае обсуждавшегося выше хрусталика глаза процесс индукции вызывает вытягивание клеток хрусталика в длину и синтез белков хрусталика - кристаллинов. Эти два процесса, как показали Биб и Пятигорский (Beebe, Piatigorsky), можно отделить один от другого. Биб и Пятигорский приготовляли эксплантаты из хрусталикового эпителия шестидневного куриного зародыша. Эксплантаты выращивали на среде с добавлением сыворотки плода коровы; их клетки вытягивались и синтезировали как кристаллиновую мРНК, так и сами кристаллины. Обработка этих эксплантатов колхицином подавляла вытягивание клеток, но не оказывала влияния на синтез мРНК или белка. Диссоциация несколько иного рода была обнаружена в тех случаях, когда эксплантаты хрусталикового эпителия выращивали сначала на среде без сыворотки плода коровы, а спустя несколько часов добавляли сыворотку. В этих случаях наблюдалась стимуляция клеточного деления, но не происходило ни вытягивания клеток, ни усиления синтеза кристалликов, хотя содержание кристаллиновой мРНК повышалось. Эти результаты свидетельствуют о диссоциации между делением клеток и морфогенезом и, что более неожиданно, о диссоциации даже в процессе экспрессии кристаллиновых генов.

У позвоночных ряд внутренних органов, в том числе легкие, печень, поджелудочная железа, кишечник и щитовидная железа, образуется из энтодермального эпителия в сочетании с мезенхимными клетками. Эти органы могут служить удобными экспериментальными системами для исследования индукционных взаимодействий, ответственных за их дифференцировку, потому что эпителий и мезенхимные клетки, предназначенные для образования этих органов, можно извлечь из зародыша и выращивать in vitro. При совместном выращивании эпителия и мезенхимы, которые при нормальном развитии ассоциированы друг с другом, наблюдается нормальная дифференцировка. Но можно также выращивать эпителий вместе с мезенхимой, взятой из зачатков других органов. Такие эксперименты, обзоры которых опубликовали Вольф (Wolff) и Дьюкар (Deuchar), убедительно показывают, что для дифференцировки эпителия необходимы индукционные сигналы со стороны мезенхимы. Еще более интересно, что то или иное течение дифференцировки эпителия зависит исключительно от типа мезенхимы, с которой его выращивают. Так, легочная энтодерма при выращивании с легочной мезенхимой образует (в соответствии с ожиданием) эпителий бронхов, однако при выращивании с печеночной мезенхимой из нее развиваются печеночные балки. Аналогичные результаты получены и в других эпителиально-мезенхимных комбинациях.

При дифференцировке в этих экспериментальных системах происходит как становление формы данною органа, так и его цитодифференцировка, обеспечивающая последовательность его биохимической специализации. Особенно подходящей системой для экспериментального отделения морфогенеза от цитодифференцировки может служить поджелудочная железа млекопитающих. Этот сложный орган содержит эндокринные клетки двух типов: α-клетки, вырабатывающие глюкагон, и β-клетки, вырабатывающие инсулин; кроме того, в нем есть экзокринные клетки, синтезирующие и выделяющие ферменты, которые обеспечивают гидролиз жиров, белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот в пищеварительном тракте. Формирование поджелудочной железы у зародыша мыши начинается примерно на 9-й день внутриутробного развития в виде выроста кишечной энтодермы, выступающего в окружающую мезенхиму. Примерно на 10-11-й день зачаток поджелудочной железы имеет вид эпителиальной луковицы с сужающимся основанием, окруженным слоем мезенхимы. В течение нескольких следующих дней в результате быстрого роста и морфогенеза образуются многочисленные дольки - ацинусы, а также островки, содержащие β-клетки. Как показали Руттер (Rutter) и его сотрудники, цитодифференцировка начинается в этот период слабо выраженным синтезом характерных панкреатических ферментов. Между 15-м и 19-м днями происходит резкое усиление ферментного синтеза до уровня, наблюдаемого в полностью дифференцированной железе. Весселс (Wessels) и его сотрудники описывают соответствующую этому периоду внутриклеточную дифференцировку, наиболее заметным элементом которой служит появление в цитоплазме скоплений зимогеновых гранул; эти гранулы содержат ферменты, предназначенные для выведения из ацинозных клеток.

Голосов и Гробстейн (Golosov, Grobstein) обнаружили, что зачаток поджелудочной железы при выращивании in vitro способен нормально дифференцироваться; с точки зрения экспериментальных исследований это оказалось большой удачей. Используя эту хорошо разработанную систему, Спунер (Spooner) и его сотрудники решили выяснить, можно ли отделить процесс цитодифференцировки поджелудочной железы от ее морфогенеза. Они извлекали зачатки поджелудочной железы из 10- и 11-дневных мышиных зародышей и помещали их в культуральную среду. Интактные зачатки выполняли ожидаемую программу: рост, морфогенез ацинусов и цитодифференцировка. Если же при изоляции зачатков железы от их эпителиальной части отделяли мезенхиму, то ни у одного из них не развивались ацинусы и не происходил рост путем митотических делений, но, несмотря на отсутствие морфологических изменений, уровень фермента амилазы в клетках повышался и в цитоплазме своевременно появлялись зимогеновые гранулы.

Разобщение, или диссоциация, цитодифференцировки и морфогенеза возможно не только в лабораторных условиях. Аналогичное разобщение произошло в процессе эволюции у некоторых оболочников. Развитие большинства асцидий протекает так, как это показано на рис. 4-4, т.е. с образованием головастикоподобной личинки, обладающей типичными для хордовых дорсальным нервным стволом, хордой и сегментированной мускулатурой; мышечные клетки хвоста у них богаты ацетилхолинэстеразой. Некоторые виды оболочников, принадлежащие к сем. Mogulidae, живут на плоском песчаном или илистом дне, где личинкам практически не нужно выбирать себе место, а поэтому им не требуется сложная морфология, которой обладают подвижные головастикообразные личинки. Соответственно у таких представителей Mogulidae, как Moyula arenata, отсутствуют типичные для оболочников личиночные структуры, в частности сенсорные органы, хорда и хвостовые мышцы. Тем не менее, как это установил Уиттейкер (Whittaker), у зародышей М. arenata клетки, гомологичные тем клеточным линиям, которые у других оболочников, имеющих головастикообразную личинку, дают начало хвостовым мышцам, все еще продуцируют ацетилхолинэстеразу. У личинок другого вида, М. pilularis, нет ни хвоста, ни вырабатываемой хвостовыми мышцами ацетилхолинэстеразы; однако у этого вида ацетилхолинэстераза продуцируется в мышечной и нервной тканях взрослой особи, позволяя предположить какое-то регуляторное изменение генной экспрессии: ген, определяющий синтез ацетилхолинэстеразы, сохраняется, но экспрессируется на иной стадии жизненного цикла.

Примеры с хрусталиком и поджелудочной железой, а также с хвостовыми мышцами оболочника негативны в том смысле, что диссоциация достигается только в сочетании с утратой некой структуры. Что же касается проблемы приобретения новых структур или функций в процессе эволюции, то здесь было бы более желательным иметь возможность располагать такими примерами диссоциации, в которых цитодифференцировка сочетается с преобразованием структуры. Такие примеры известны, причем, вероятно, наилучший из них описан в работе Сакакура (Sakakura) и его сотрудников. Эти авторы выращивали в культуре эпителий млечной железы 14-дневного мышиного зародыша, комбинируя его с мезенхимой из зачатков млечной или слюнной железы. Затем такие рекомбинированные зачатки выращивали в теле самок сингенных мышей. Как показывают результаты, представленные на рис. 5-5, при объединении эпителия зачатка млечной железы с мезенхимой зачатка той же железы наблюдался морфогенез, типичный для млечной железы; если же такой эпителий объединяли с мезенхимой зачатка слюнной железы, то морфогенез шел по пути, характерному для слюнной железы. Однако, несмотря на свою морфологию слюнной железы, эти последние рекомбинанты в биохимическом отношении вели себя как ткань млечной железы. Так, если самка-хозяин находилась в периоде лактации, то у рекомбинантов наблюдалась пролиферация альвеол с расширенными просветами, синтезировались большие количества типичного белка молока, α-лактальбумина, и альвеолы наполнялись молоком. Морфогенез эпителия млечной железы направлялся индукционными сигналами, исходящими от мезенхимы слюнной железы, но его цитодифференцировка протекала автономно и была, возможно, уже детерминирована отдельным актом индукции, который осуществлялся еще до извлечения зачатка млечной железы из зародыша.

Рис. 5-5. Морфогенез, определяемый индукционными влияниями мезенхимы, при совместном выращивании эпителия и мезенхимы. А. Типичное для млечной железы моноподиальное строение, возникающее при совместном выращивании эпителия и мезенхимы из зачатков млечной железы. Б. Характерное для слюнной железы ветвистое строение, возникающее при совместном выращивании эпителия из зачатка млечной железы и мезенхимы из зачатка слюнной железы; несмотря на морфологию, характерную для слюнной железы, цитодифференцировка эпителия протекает по типу млечной железы (Sakakura, Nishizuka, Dawe, 1976).

 

О зубах курицы и перьях ящерицы

Если эволюционные изменения в самом деле возникли в результате диссоциации индукционных событий, то можно ожидать, что остатки прежних взаимосвязей должны сохраняться, что регуляторные гены, не выявляющиеся таким образом, как прежде, все еще присутствуют. Подобное ожидание вполне обоснованно, как показывает рис. 5-6, на котором О. Мангольд (Mangold) схематически изобразил некоторые из основных индукционных событий в голове и туловище зародышей амфибий. В этой схеме подчеркивается общее заключение, уже выведенное из работ Джекобсона, о сложности индукционных взаимодействий, которые, как правило, принадлежат к типу переплетающихся или каскадных взаимодействий. Применительно к эволюции это означает, что индукционные взаимодействия устойчивы к существенным модификациям и что в случае возникновения достаточно крупных изменений они обычно не выходят за рамки характерных для данной группы. Коренные изменения, с которыми сопряжено возникновение некоторых новых групп, таких как членистоногие (см. гл. 4), иногда имеют место, но это случается редко. Другое следствие интегрированности морфогенетических путей, о котором часто упоминают, состоит в том, что эволюционные изменения, относящиеся к поздним стадиям развития, воспринимаются легче, чем ранние изменения, просто потому, что поздние изменения требуют меньше соответствующих изменений в затрагиваемых ими каскадных процессах. Вряд ли, однако, можно считать, что изменения в онтогенезе возникают исключительно таким образом; если бы это был единственный способ, то что-то очень близкое к геккелевской рекапитуляции действительно играло бы универсальную роль. На самом же деле изменения возникают на всех стадиях развития, так что хотя картины взаимодействий, наблюдаемые у амфибий, и можно считать своего рода архетипом для развития позвоночных, среди последних нельзя найти двух видов, развитие которых протекало бы совершенно одинаково, пусть даже на самых ранних стадиях. Раннее сходство и все возрастающее в дальнейшем обособление зародышей родственных организмов, о которых говорится в законах Бэра, не следует понимать чересчур буквально. Развивающиеся млекопитающие ни на какой стадии развития не бывают идентичны зародышам рыбы или ящерицы: по своим геномам и характеру развития они очень далеко ушли от своих предков. Но тем не менее некое исконное сходство между ними сохранилось. А произошло следующее: множественные индукционные взаимодействия, описанные на примерах индукции хрусталика, носа и уха, создали достаточно высокий уровень морфогенетического гомеостаза, так что изменения могут восприниматься даже на ранних стадиях общего процесса развития, не нарушая его интегрированности.

Рис. 5-6. Индукционные взаимодействия и каскадные процессы в развитии амфибий. А. Индукционные процессы в развитии головы. Б. Индукционные процессы в развитии туловища. Толщина стрелок отражает относительную интенсивность индукции (Mangold, 1961).

Существование общего консервативного плана развития позволяет считать, что эмбриональные структуры могут сохраняться даже после того, как они утратили свою прежнюю основную функцию, потому что они все еще служат связующими звеньями в каскаде морфогенетических взаимодействий, присущих прежней функции. Таким же образом могут сохраняться и регуляторные системы. Доказательством сохранения прежних регуляторных генов могло бы служить воскрешение отвергнутого в прошлом пути развития при нарушении существующего типа развития в результате мутации или экспериментального воздействия. Известны примеры того и другого. Восстановление старых типов развития в результате мутаций подробно рассматривается в гл. 8 и 9. Экспериментальный анализ трех примеров эволюционных изменений позволил обнаружить модификации в системах взаимодействия между тканями, при которых на прежние механизмы регуляции налагались бы новые, но без утраты генетической информации, имевшейся у предков. Два из этих примеров относятся к модификациям, имевшим место в эволюции птиц; третий касается изменений в покровных тканях рептилий, птиц и млекопитающих.

Археоптерикс издавна известен как «недостающее звено», поскольку он обладал такими птичьими признаками, как перья в ни с чем несообразном сочетании со скелетом, характерным для рептилий, а точнее - для динозавров, вплоть до длинного хвоста и зубов. Многие изменения, возникшие в процессе эволюции у птиц, привели к повышению эффективности полета путем снижения массы тела; это сопровождалось утратой некоторых характерных признаков археоптерикса, в том числе зубов, когтей на передних конечностях и длинного рептильного хвоста, а также редукцией или слиянием некоторых костей конечностей. Последние зубатые птицы относятся к позднему мелу, т. е. прошло достаточно много времени, чтобы геномы птиц могли освободиться от генетической информации, необходимой для морфогенеза зубов. На самом же деле этого не случилось, и у курицы можно действительно вызвать образование зубов.

Для нормального процесса развития зубов, как это указывается в обзорах Теслеффа (Thesleff) и Дьюкар (Deuchar), необходимы реципрокные индукционные взаимодействия между оральным эпителием и лежащей под ним оральной мезенхимой. Последовательность происходящих при этом событий схематически показана на рис. 5-7. Оральная мезенхима индуцирует в лежащем над ней эпителии развитие эмалевого органа; этот орган в свою очередь инвагинирует в мезенхиму и индуцирует ее дифференцировку в одонтобласты, которые секретируют дентин. В отсутствие эмалевого органа оральная мезенхима дает начало только губчатой костной ткани. В развитии зубов участвует еще один индукционный процесс: эпителиальные клетки внутренней части эмалевого органа реагируют на присутствие мезенхимальньгх одонтобластов, дифференцируясь в амелобласты, которые секретируют зубную эмаль.

Рис. 5-7. Морфогенез зуба у млекопитающих. А. Слой эпителиальных клеток зубной пластинки, лежащий над оральной мезенхимой. Б. Эпителиальные клетки под влиянием индукционного сигнала со стороны мезенхимы наводняют последнюю. В. Зубная пластинка, индуцированная к образованию эмалевого органа, в свою очередь индуцирует дифференцировку мезенхимы в одонтобласты. Г. Формирование зуба в результате отложения дентина мезенхимными одонтобластами и эмали - эпителиальными одонтобластами.

У птиц в результате обычного взаимодействия между оральной мезенхимой и эпидермисом образуется клюв, а не зубы. Хаяши (Hayashi), используя гетероспецифичные комбинации оральных тканей курицы и утки, показал, что характер клюва определяется видовой принадлежностью мезенхимы. Так, при комбинации эпителия куриного зародыша с мезенхимой зародыша утки развивался клюв с характерными для утки зубчиками. Аналогичным образом Коллар и Байрд (Kollar, Baird) обнаружили, что оральный эпителий мыши поддается влиянию той мезенхимы, с которой он выращивается.

Наиболее показательный «эволюционный» эксперимент состоит в комбинации орального эпителия птицы с оральной мезенхимой млекопитающего. Коллар и Фишер (Fischer) провели этот эксперимент, выращивая кусочки глоточного эпителия курицы с молярной мезенхимой мыши. Обе ткани выращивали в передних камерах глаза половозрелых мышей, принадлежащих к особой генетической линии («голые» мыши), которые служат пусть несколько необычной, но подходящей культуральной средой. Против ожидания оральный эпителий курицы реагировал на оральную мезенхиму мыши, образуя структуры, похожие на эмалевые органы. В нескольких случаях, один из которых изображен на рис. 5-8, из этих кусочков развились настоящие зубы. Таким образом, в геноме по крайней мере одного вида птиц все еще сохраняется генетическая информация, дающая возможность оральному эпителию курицы успешно участвовать в последовательных взаимодействиях, необходимых для морфогенеза зубов и синтеза эмали. Поэтому утрату зубов у птиц можно рассматривать как результат изменения программы развития их мезенхимы, которое привело к выпадению начальных стадий этого процесса.

Рис. 5-8. Гибридный зуб, образовавшийся в результате совместного выращивания орального эпителия куриного зародыша и дентальной мезенхимы мышиного. А. Оральный эпителий куриного зародыша, образующий примитивный эмалевый орган, в котором находится мезенхима мышиного зародыша. Б. Хорошо развитый гибридный зуб (Kollar, Fisher, 1980).

Редукция малой берцовой кости у птиц также произошла в результате изменения программы развития, а не утраты генетической информации, необходимой для формирования этой кости. У археоптерикса имелась полностью развитая малая берцовая кость с суставными поверхностями на обоих концах; в отличие от этого у современных птиц (рис. 5-9) малая берцовая кость представляет собой всего лишь костный отросток, лежащий вдоль большой берцовой кости и приросший к ней. Исчерпывающее исследование взаимоотношений между костями ноги у куриного зародыша в процессе развития провел А. Ампэ (А. Hampe). Ампэ поставил ряд экспериментов, в которых различные участки развивающейся почки конечности были помечены введенными в них частичками угля. Местоположение этих меток в развитой конечности позволило Ампэ составить карту проспективных областей почки конечности (рис. 5-9). Главные такие области соответствуют скоплениям мезенхимных клеток, предназначенных для образования бедренной, большой и малой берцовых, плюсневых и предплюсневых костей. Ампэ проделал три типа экспериментов, убедившие его в том, что редуцированные размеры малой берцовой кости у современных птиц представляют собой результат захвата клеток, относящихся к проспективной области малой берцовой кости, проспективной областью большой берцовой кости.

Рис. 5-9. Атавизм, проявляющийся в развитии ноги у курицы при экспериментальной модификации проспективной области костной ткани в почке конечности. А. Нормальная нога курицы. Б. Введение чешуйки слюды в почку конечности, между проспективными областями малой (I) и большой (II) берцовых костей и образующаяся в результате этого нога с увеличенной малой берцовой костью, несущей на дистальном конце суставную поверхность. В. Проявление атавизма в строении ноги курицы. Г. Нижняя конечность археоптерикса. III - fibulare; IV - tibiale; V - цевка; VI - плюсна (Hampe, 1959, 1960).

Первый из экспериментов, проведенных Ампэ, состоял в удалении или добавлении мезенхимных клеток к почке конечности. При удалении клеток из обеих берцовых костей конкуренция между ними усиливалась и малая берцовая кость не развивалась вовсе. Если же к почке конечности добавляли мезенхимные клетки, то большая берцовая кость не изменялась, а малая берцовая достигала одинаковых с нею размеров. Конкуренцию можно было подавить и другим способом: поворот проспективной области большой берцовой кости на 90° приводил к росту большой и малой берцовых костей в разных направлениях, так что конкуренция между ними становилась невозможной. В этом случае опять-таки малая берцовая достигала полной длины. Эти эксперименты ясно выявили конкуренцию между проспективными областями двух берцовых костей; однако наиболее яркие и интересные сведения об участвующих в этом эволюционных изменениях дал третий эксперимент.

Ампэ осторожно помещал между двумя проспективными участками почки конечности маленький кусочек слюды, который препятствовал проникновению презумптивных клеток малой берцовой кости в область большой берцовой. Полученный при этом неожиданный результат изображен на рис. 5-9: у сформировавшейся конечности малая берцовая не только достигала «полной длины», но и несла на своем дистальном конце суставную поверхность. Форма малой берцовой и ее взаимодействие с двумя маленькими предплюсневыми косточками, tibiale и fibulare, были очень близки к гомологичным структурам ноги археоптерикса. У взрослой курицы эти две косточки полностью срастаются с голенью. Разделение проспективных областей большой и малой берцовых костей, произведенное Ампэ, привело не только к образованию более длинной малой берцовой, но и к восстановлению древнего типа развития, который в течение долгого времени оставался подавленным. Гены, определявшие форму ноги у археоптерикса, все еще сохраняются у курицы, но в результате модификаций морфогенетических взаимодействий эти гены утратили возможность экспрессироваться, во всяком случае таким образом, как прежде.

Примеры регуляторных изменений, связанных с утратой зубов и редукцией малой берцовой кости у птиц, дают представление о тех способах, которыми регуляторные механизмы, оказывающие влияние на клеточные взаимодействия, могут вызывать эволюционные изменения морфологии. Однако оба этих примера имеют один недостаток: как в одном, так и в другом из них происходит редукция структуры. Если бы эволюция стремилась к своего рода морфологической нирване, это было бы превосходно, но морфологическая эволюция влечет за собой также модификации структур, а иногда и появление новых структур. К сожалению, случаи, когда эволюция приводит к утрате структур (как в двух уже рассмотренных примерах, а также в других, таких как утрата глаз у мексиканской пещерной рыбы, которую изучали Кан (Cahn) и Садоглу (Sadoglu), показавшие обусловленную генетически редукцию способности сетчатки индуцировать развитие у этих рыб хрусталика, легче поддаются экспериментальному анализу, чем случаи приобретения структур или их модификации. Эффектные превращения покровов, происходившие у рептилий, птиц и млекопитающих, повлекли за собой сложные изменения в системах регуляторных генов, и морфогенетические процессы, лежащие в основе развития чешуи, перьев и волос, требуют изучения. Хотя регуляция морфогенеза в этих системах все еще мало понятна, в общих чертах эволюционные изменения соответствующих регуляторных систем начинают выявляться благодаря работам П. Сенджела (Sengel) и его сотрудников, в особенности Дхуайи (Dhouailly).

Кожа состоит из двух слоев: верхнего - эпидермиса, происходящего из эктодермы зародыша, и лежащего под ним слоя дермы, происходящей из мезодермы. Развитие чешуи или других эпидермальных структур зависит от индукционных сигналов, исходящих от дермы.

Предполагается, что перья и волосы возникли в процессе эволюции из чешуи рептилий. Все эти структуры состоят из белков, принадлежащих к одному семейству кератинов. На тесную гомологию между чешуями и перьями указывает наблюдаемое иногда превращение кончиков чешуи, покрывающих ноги птиц, в перья.

Утиные перья сильно отличаются по своей морфологии от куриных. Сенджел и его сотрудники исследовали источник морфогенетической информации, необходимой для развития перьев, комбинируя зачатки дермы и эпидермиса, взятые от разных видов. Оказалось, что морфогенез пера детерминируется дермой. Общая архитектоника перьев, их размеры и число бородок соответствовали тому виду, от которого была взята дерма. Только форму клеток крючочков детерминировал эпидермис. Дерма детерминировала также характер распределения перьев. Как показали дальнейшие эксперименты с куриными зародышами, в которых дерму комбинировали с эпидермисом из области спины, дающим начало перьям, и с эпидермисом из области цевки, дающим начало характерным большим чешуям, такого рода детерминирующая роль дермы в морфогенезе широко распространена. Будет ли эпидермис детерминирован к образованию зачатков перьев или крупных чешуи, всегда зависело от типа морфогенеза, характерного для того участка зародыша, из которого брали дерму. Так, например, дорсальный эпидермис, обычно образующий перья, при комбинации с дермой из области цевки давал крупные чешуи.

И чешуи, и перья состоят из кератинов, однако они сильно различаются по набору содержащихся в них кератинов. При комбинировании спинных и тарзо-метатарзальных дермы и эпидермиса куриного зародыша у эпидермиса независимо от того, откуда он был взят, выбор экспрессируемого кератинового гена определяется дермой. Таким образом, расположение структур, образуемых эпидермисом, их морфологическая специфичность и экспрессия кератиновых генов детерминируются индукционными сигналами, поступающими от дермы. Остается, однако, открытым вопрос о том, как изменялись эти информационные сигналы в процессе эволюции высших позвоночных.

Гетероспецифичные комбинации возможны не только в пределах одного класса, но и между классами. Дхуайи провел замечательную серию экспериментов, соединяя в разных комбинациях дерму и эпидермис ящерицы, курицы и мыши. Как показали эти эксперименты, индукция слагается из двух этапов и эти этапы различаются в отношении степени их специфичности. Некоторые из полученных Дхуайи результатов представлены на рис. 5-10. Реакция эпидермиса ящерицы на куриную или мышиную дерму особенно поучительна. Эпидермис ящерицы реагирует на тарзо-метатарзальную дерму, образуя крупные чешуи, неотличимые по виду и расположению от чешуи на цевке птиц. Эпидермис ящерицы реагирует также на дорсальную дерму курицы, которая у кур детерминирует распределение и морфологию перьев. Однако эпидермис ящерицы неспособен интерпретировать специфические сигналы, вызывающие у кур образование перьев. Вместо перьев эпидермис ящерицы образует недоразвитые чешуи, расположенные в типичном для перьев гексагональном порядке. Точно так же эпидермис ящерицы в сочетании с мышиной дермой производит не волосы, а недоразвитые чешуи, расположенные типичным для шерстного покрова образом. Аналогичные картины наблюдаются при комбинации тканей курицы и мыши. Местоположение эпидермальных структур и ранние стадии их дифференцировки контролируются регуляторными веществами дермы, которые сохранились в процессе эволюции в таком виде, что эпидермальные клетки, принадлежащие представителям других классов, восприимчивы к их воздействиям. Для полной же дифференцировки зачатков чешуи, перьев или волос, очевидно, необходимы сигналы, специфичные для животных данного класса.

Рис. 5-10. Морфологические структуры, образующиеся при комбинациях эпидермиса ящерицы, который в норме дает ряды мелких чешуи, с дермой представителей других классов позвоночных в культуре органов. А. С куриной дермой из области цевки; формируются чешуи, расположенные так, как на цевке курицы. Б. Со спинной дермой курицы; формируются не перья, а недоразвитые чешуи, расположенные в типичном для перьев гексагональном порядке. В. Со спинной дермой мыши; формируются чешуи, расположение которых соответствует таковому первичных волосяных фолликулов. Г. С мышиной дермой из области верхней губы; формируются крупные чешуи, расположенные в соответствии с типичным расположением вибрисс и окруженные мелкими чешуями, расположенными подобно волосяным фолликулам шерстного покрова (Dhouailly, Sengel, 1973).

 

Морфогенетические взаимодействия и макроэволюция

Приведенные выше примеры, относящиеся к амфибиям и птицам, иллюстрируют эволюционные последствия изменений, вызванных взаимодействиями на относительно поздних стадиях развития. Соответственно достигаемые при этом изменения представляют собой модификации уже сложившегося плана строения, а не новое направление. Это не умаляет роли таких новшеств, какие были только что описаны для покровов тела; они оказали глубокое воздействие на физиологические и поведенческие адаптации обладающих ими организмов. Но мы сталкиваемся с реальными трудностями, когда пытаемся найти объяснение относительно крупным эволюционным изменениям, приведшим к возникновению новых структур или даже совершенно новых планов строения. Такие макроэволюционные события кажутся необходимыми для того, чтобы объяснить быструю начальную радиацию типов Metazoa или возникновение таких отклоняющихся групп, как летучие мыши, появляющиеся в палеонтологической летописи с внезапностью, вызывающей тревогу. Если значительные изменения в процессах онтогенеза происходят на ранних стадиях развития, они могут привести к крупным изменениям плана строения. Конечно, при этом высока вероятность того, что такие изменения вызовут резкие нарушения онтогенеза, результатом которых окажутся нежизнеспособные зародыши. Тем не менее притягательная сила «перспективных монстров» (термин, который предложил Рихард Гольдшмидт для обозначения глубоких эволюционных изменений, достигаемых таким образом) очень велика, потому что в тех редких случаях, когда такие монстры оказываются жизнеспособными, они создают основу для объяснения макроэволюции. Неудивительно, что концепция «перспективных монстров» вызвала неистовую оппозицию не только ввиду сомнительности предложенных для ее объяснения генетических механизмов, но также и потому, что она в корне противоречила идее постепенной эволюции, основанной на популяционно-генетической теории замещения аллелей в популяциях. Например, Симпсон пишет в своей автобиографии о том, какое сильное впечатление произвела на него книга Добржанского «Генетика и происхождение видов», опубликованная в 1937 г. и побудившая его начать работу над «Темпами и формами эволюции», в которых он намеревался объединить палеонтологию с генетическим подходом к эволюции. В то же время идеи Шиндевольфа и Гольдшмидта, которые занимались поисками крупных мутаций, затрагивающих организацию генома и изменяющих раннее развитие, стимулировали Симпсона «в меньшей степени и в прямо противоположном направлении». Идеи Шиндевольфа и Гольдшмидта были чересчур смелыми, и такая реакция на них была оправданна. Очень жаль, однако, что красочный и емкий термин «перспективные монстры» породил резко отрицательное отношение к основному тезису Гольдшмидта о том, что мутациям, оказывающим влияние на развитие, принадлежит центральное место в эволюции.

Макроэволюционные изменения в развитии не обязательно должны быть экстремальными. Мы полагаем, что первые шаги для быстрых и в итоге существенных эволюционных изменений могут вызываться нелетальными генетическими нарушениями функций небольшого числа ключевых генов, играющих роль регуляторных. Начальные «легкие» генетические изменения, которые могут вызвать существенные преобразования в организме и закрепиться в небольшой популяции, должны быть жизнеспособны и открывать широкие возможности для отбора последовательных генетических изменений. Таким путем могут быстро возникать глубокие изменения, без всяких мгновенно появляющихся «перспективных монстров». Как уже ясно показала эволюция гавайских Drosophilidae, рассмотренная в гл. 3, изменения небольшого числа генов могут быть причиной резких морфологических изменений. Дальнейшие генетические данные о числе и действии регуляторных генов излагаются в гл. 8.

Существуют, по-видимому, два главных способа, для того чтобы вызвать во взаимодействиях между тканями зародыша такие изменения, которые могут привести к макроэволюционным изменениям. Следует помнить, что это не единственные способы; другим, не менее важным механизмом служит гетерохрония, рассматриваемая в гл. 6. Крупномасштабные изменения во взаимодействиях могут происходить в результате либо возрождения прежних типов интеграции, но на новых местах, либо возникновения новых взаимодействий. Мы полагаем, что действие первого из этих механизмов можно видеть в способе приобретения наружной раковины пелагическим осьминогом Argonauta, а второго - в происхождении пятилучевой симметрии у иглокожих.

У самых древних головоногих были наружные раковины. По мере роста животное перемещалось вперед по своей раковине, отгораживая одну за другой заполненные воздухом камеры, которые обеспечивают плавучесть, уравновешивая массу раковины и внутренних органов. Ныне живущие виды Nautilus - последние остатки когда-то многочисленной группы животных, вытесненной теперь более знакомыми нам головоногими сем. Coleoidae, кальмарами и осьминогами. Coleoidae совершенно утратили наружную раковину и компенсировали эту утрату поведенческими адаптациями, в том числе более совершенной координацией, большей способностью к плаванию, более развитыми органами чувств и «смышленностью». Кальмары и каракатицы сохраняют внутреннюю раковину или ее зачаток, а осьминоги утратили даже такой зачаток.

Таким образом возникает любопытная ситуация: у небольшой группы пелагических осьминогов рода Agonauta самка (рис. 5-11) обладает раковиной, очень сходной по внешней форме с раковиной аммонитов или Nautiloidae. Эта раковина отличается от раковины древних головоногих двумя существенными особенностями: она не разделена на камеры и секретируется не мантией, а парой специализированных рук. Концы этих рук сильно расширены, образуя широкие перепончатые придатки. Во время секреции раковины животное держит руки над телом и имеющиеся в перепонке железы секретируют кальцитную раковину. Две половинки раковины соединяются, образуя киль, покрытый бугорками, которые, по-видимому, соответствуют местоположению имеющихся на руках присосок. Раковина аргонавта не могла произойти от раковины древних головоногих. Это - конвергентная структура, независимо приобретенная одним из членов группы, утратившей прежнюю раковину, так что ее следует считать новшеством.

Рис. 5-11. Самка аргонавта Argonauta argo; раковина прикрепляется при помощи особых выростов, имеющихся на двух специализированных руках (Young, 1959-1960; с изменениями).

Раковина аргонавта должна давать приют как массе яиц, откладываемых самкой, так и самой самке, а поэтому представляется вероятным, что эта раковина возникла у предков аргонавта в виде простой необызвествленной оболочки для яиц. Оболочка секретируется железами, расположенными на поверхности рук. Образование известковой раковины стало возможным благодаря развитию в добавление к железам, уже имеющимся в коже, желез, секретирующих углекислый кальций. Из какого источника могли возникнуть такие раковинные железы? Они могли возникнуть de novo, или, что более вероятно, у аргонавта произошла реактивация древней и давно подавленной морфогенетической программы дифференцировки раковинных желез. Вместо того чтобы развиваться в мантии, где они располагались у предковых форм, эти железы образуются на руках. Подавление прежних типов экспрессии генов, контролирующих морфогенез, возможно, происходит гораздо раньше, чем утрачиваются сами гены. Так, несомненно, обстояло дело с утратой зубов курами; в этом случае с тех пор, когда у предков современных птиц клюв был снабжен зубами, прошло почти 100 млн. лет. Если гены, связанные с данным признаком, участвуют в других индукционных событиях, они могут вообще не утрачиваться, хотя они уже не экспрессируются с образованием предковой структуры. Такие подавленные эмбриогенетические системы создают возможность для приобретения новых структур, если они реактивируются на новом месте или на какой-то другой стадии развития.

Изменение местоположения индукционной системы на ранних стадиях развития может оказать глубокое воздействие на строение тела. Изменения локализации тех или иных структур сопровождаются их перемещением относительно других структур, уменьшением или увеличением относительных размеров и увеличением или уменьшением числа повторяющихся элементов в метамерных структурах. Мы обсудим этот последний вид изменений на примере своеобразной симметрии иглокожих. Иглокожие обладают рядом единственных в своем роде признаков, но главная загадка для всех, кто занимается их филогенезом, - это происхождение пятилучевой симметрии, характерной для всех ныне живущих и для большинства вымерших классов иглокожих.

Стратман (Strathmann) изучал ограничения морфологического разнообразия, налагаемые на иглокожих амбулакральной системой. В этой системе имеются такие структуры, как амбулакральные ножки или брахиолы, участвующие в дыхании, передвижении и питании. В процессе эволюции иглокожих происходило увеличение их размеров и они оказались перед физической дилеммой: для того чтобы с увеличением размеров форма тела оставалась неизменной, длина и площадь амбулакральной системы по отношению к объему тела должны уменьшаться. Компенсаторное увеличение размеров амбулакральной системы достигается в разных группах иглокожих путем увеличения длины или ширины амбулакров, а также путем их ветвления или скручивания. К этому можно было бы добавить также изменение симметрии, однако, за исключением изменений, произошедших в ранний период истории этого типа, тип симметрии у иглокожих оставался постоянным; это позволяет считать, что для большинства классов иглокожих пятилучевой тип строения оказался в селективном отношении оптимальным. Двусторонняя симметрия, наблюдаемая у личинок до метаморфоза, рассматривается как указание на то, что предок иглокожих был двусторонне симметричным и что пятилучевая симметрия наложилась на эту изначальную симметрию (обзор соответствующих данных см. Hyman). Юбагс (Ubaghs) на основе палеонтологических данных по самым древним иглокожим высказал мнение, что наиболее примитивные и древние иглокожие обладали, вероятно, двусторонней симметрией или даже были асимметричными. Хауг (Haugh) и Белл (Bell), опираясь на результаты своих недавних исследований фоссилизированных внутренних органов вымерших иглокожих, утверждают не только, что пятилучевая симметрия не является основной для этого типа, но также что у некоторых вымерших классов отсутствовала система наполненных водой сосудов. Пятилучевая симметрия могла возникнуть у одной из древних форм, обладавшей небольшим числом амбулакров. Существуют вероятные кандидаты на роль таких форм. Геликоплакоидеи с их единственным раздвоенным амбулакром и паракриноидеи с парой амбулакров представляют линии, не обладавшие пяти лучевой симметрией. Белл высказал мнение, что трехлучевые стадии онтогенеза ордовикских эдриоастероидей, которые во взрослом состоянии обладают пятилучевой симметрией, возможно, представляют собой рекапитуляцию более примитивной симметрии. Быть может, загадочное трехлучевое эдиакарское животное Tribrachidium было таким предковым иглокожим. Как мы сейчас покажем, генетика развития, по крайней мере если судить по современным иглокожим, допускает возможность, что подобные эволюционные изменения происходили быстро и «легко».

Тип симметрии, т.е. число амбулакров, имеющихся у взрослого иглокожего, определяется процессом «подсчета», происходящим на ранних стадиях личиночного развития. Этот процесс иллюстрирует рис. 5-12, на котором изображено развитие гидроцеля у обобщенного зародыша иглокожих. Гидроцель и, в сущности, вся амбулакральная система развиваются из левого целомического мешка, который формируется вблизи ротового отверстия личинки. Соответствующий правый целомический мешок дегенерирует. По мере продолжения роста гидроцеля он образует пять выростов. В результате взаимодействия с лежащим над ними эпидермисом эти выросты индуцируют рост пяти радиальных амбулакров. Если, как это сделал Чихак (Czihak), левый целом 3-4-дневной личинки морского ежа разрушить локализованным облучением очень узким пучком УФ-света, то образования гидроцеля и зачатков амбулакров не происходит. У личинок, лишенных гидроцеля, амбулакры не развиваются. Чихак установил также, что в тех немногих случаях, когда гидроцели формировались как из левого, так и из правого целомических мешков, возникали двойные зародыши с двумя амбулакральными системами. Таким образом, детерминация типа симметрии зависит от регуляции меристического признака, проявляющегося у личинки на ранних стадиях развития зачатка дефинитивного органа.

Рис. 5-12. Развитие гидроцеля (выделен пунктиром) у схематизированной личинки иглокожих, сопровождающееся образованием пяти слепых выростов (Ubaghs, 1967).

Генетический анализ механизма, лежащего в основе регуляции числа амбулакральных зачатков при развитии амбулакральной системы, затрудняется тем, что иглокожие - неподходящий объект для генетических экспериментов. Тем не менее Хайнгарднер (Hinegardner) сумел создать методы для выращивания морских ежей в лаборатории и получил несколько мутантов. Наиболее загадочным из них был мутант с измененной симметрией, которого Хайнгарднер назвал square - квадрат (рис. 5-13). У таких мутантов симметрия четырех-, а не пятилучевая, так что у них имеются 4 амбулакра, а аристотелев фонарь содержит четыре элемента. Как показали приведенные Хайнгарднером генетические данные, этот меристический признак контролируется более чем одним геном. Кроме того, данная мутация не просто обусловливает четырехлучевую симметрию как таковую; скорее, она, по-видимому, приводит к утрате контроля над симметрией. Чаще всего мутанты обладают четырехлучевой симметрией, однако от одного и того же скрещивания иногда возникают потомки с двух-, трех-, четырех-, пяти- и шестилучевой симметрией. Из всех таких отклоняющихся форм жизнеспособны только четырехлучевые, потому что у взрослых особей с нарушениями симметрии других типов аристотелев фонарь функционировать не может. Хук (Houke) и Хайнгарднер изучали морфогенетическую основу действия мутации square у живых зародышей. В то время как у нормальных личинок растущий гидроцель образует ожидаемые пять слепых выростов, у мутантных особей этого не происходит. Обычно у них появляются только четыре выроста. После метаморфоза из таких аномальных личинок получаются взрослые особи с соответствующей аномальной симметрией. Морские ежи в процессе своей эволюции, очевидно, не использовали мутационные изменения этой генетической системы в отличие от морских звезд, которые их использовали. У ряда видов морских звезд число рук и связанных с ними амбулакров увеличилось. По крайней мере некоторые из таких случаев обусловлены изменением в процессе «подсчета» этих зачатков на ранних стадиях развития. Хорошим примером служит развитие обычной для западного побережья шестилучевой морской звезды Leptasterias hexaetis. На рис. 5-14 можно видеть, как у личинки гидроцель образует пять выростов, а вскоре после этого - еще и шестой. Это приводит к образованию у ювенильной морской звезды шести рук. Подобный же тип развития (с соответствующими арифметическими поправками) происходит у девятилучевой морской звезды Solaster endica, которую описал Джемилл (Gemmill).

Рис. 5-13. Мутантные особи морских ежей, обладающие четырехлучевой, а не пятилучевой симметрией. А. Выращенный в лаборатории экземпляр Lytechinus pictus с четырьмя радиальными амбулакральными каналами, т.е. с фенотипом, соответствующим мутации square. Б. Найденный в природе экземпляр Strongylocentrotus franciscanus с четырехлучевой симметрией (С фотографий, любезно предоставленных R.T. Hinegardner).

Рис. 5-14. Развитие шестилучевой морской звезды Leptasterias hexaetis; hpl-hp6-выросты гидроцеля; обратите внимание, что hp6 появляется позднее, чем hpl-hp5 (Osterud, 1918).

Генетическая основа симметрии у вымерших иглокожих, по-видимому, была сходна с генетикой морских ежей, и ископаемые мутантные бластоидеи с тремя, четырьмя и шестью амбулакрами встречаются довольно часто (рис. 5-15). Результаты исследований Ваннера (Wanner) по пермским бластоидеям и Макурда (Macurda) - по бластоидее Pentremites свидетельствуют о довольно высокой частоте мутантов с измененной симметрией (1 на 200) в популяциях этих форм. Белл описывает эдриоастероидеи с четырьмя, шестью и даже девятью амбулакрами. Иглокожие, принадлежащие к этим классам, по типу питания относились к фильтраторам, а поэтому число подвижных частей аристотелева фонаря не имело для них такого большого значения, как для морских ежей, мутантов которых изучал Хайнгарднер; это делало возможным выживание особей с резко отклоняющимися типами симметрии.

Рис. 5-15. Мутации, затрагивающие симметрию у представителей вымерших классов иглокожих. А. Нормальная пятилучевая бластоидея. Б и В. Бластоидеи, отклоняющиеся по типу симметрии. Г. Нормальная пятилучевая эдриоастероидея. Д-Ж. Эдриоастероидеи с четырьмя, шестью и девятью амбулакрами. (Бластоидеи зарисованы с экземпляров, предоставленных J.A. Waters, и перерисованы из книги Н. Н. Beaver, Morphology; см: Treatise on Invertebrate Paleontology, Part S., Echinodermata I, vol.11., 1967, R.C.Moore, ed. С любезного разрешения Американского геологического общества и Университета шт. Канзас. Эдриоастероидеи перерисованы из работы Bell, 1976a).

Непосредственное изучение генетической основы прерывистых изменений числа амбулакров у иглокожих затруднительно, но Сьюэлл Райт (Wright) провел очень тонкий анализ аналогичной ситуации - изменения числа пальцев, развивающихся у морских свинок. На передних лапах морской свинки обычно недостает первого пальца, а на задних - первого и пятого. Но иногда у морских свинок развивается 5-й палец, и путем отбора можно создать инбредные линии, у которых всегда имеется полностью сформированный 5-й палец со всеми костями, мышцами и когтем. Райт изучил несколько инбредных линий, четко различавшихся по частоте развития мизинца. Линия D, которую первоначально вывел Касл (Castle) от четырехпалого варианта из природной популяции, примерно за 20 лет до исследований Райта постоянно давала только четырехпалых потомков, линия 2 - только трехпалых. Райт проанализировал также две другие инбредные линии, 13 и 35, которые, как мы увидим, значительно отличались одна от другой и от линии 2 по генетическому составу. Для линии 13 была характерна трехпалость, как и для линии 2, тогда как популяция линии 35 примерно на 40% состояла из четырехпалых особей. Райт скрещивал линию D со всеми этими линиями. Признаки потомков F1 от каждого скрещивания представлены в табл. 5-1. От скрещивания между линиями 2 и D были получены только трехпалые потомки, скрещивание между линиями 13 и D дало значительный процент особей со слабо развитым 4-м пальцем, тогда как большая часть потомков от скрещивания между линиями 35 и D была четырехпалой.

Таблица 5-1. Число пальцев на задних лапах у морских свинок, полученных при скрещиваниях различных инбредных линий (по данным Wright, 1934)

Скрещивания трехпалых особей F1 друг с другом давали трех- и четырехпалых потомков. В поколении F2 от скрещивания между собой гибридов 2 x D происходило расщепление в соответствии с менделевским отношением 3:1; это позволяет считать, что данный признак контролируется парой аллелей одного гена. Однако Райт провел ряд возвратных скрещиваний особей F2 с линией D, которые показали, что это простое объяснение не может быть верным, и что на самом деле более вероятно, что линии 2 и D различаются по целому набору аллелей, относящихся к четырем генам. Линии 13 и 35 отличаются от линии D по меньшему числу аллелей. Заключения Райта схематически изображены на рис. 5-16, где представлены графики зависимости распределения фенотипов от генотипа. Ввиду того что число пальцев - дискретный признак, существует некое пороговое число необходимых аллелей: для развития четырехпалой лапы требуется наличие не менее чем пяти аллелей полидактилии.

Рис. 5-16. Генетическая регуляция числа пальцев на задних лапах у морской свинки. Вверху слева - нормальная трехпалая задняя лапа морской свинки, справа - лапа с хорошо развитым 4-м пальцем, в центре - лапа со слабо развитым 4-м пальцем. Кривые иллюстрируют распределение фенотипов в зависимости от числа аллелей полидактилии в потомстве от разных скрещиваний между тремя инбредными линиями. Стрелками показаны генетические пороги между трехпалой лапой, лапой со слабо развитым и лапой с хорошо развитым четвертым пальцем. А. Скрещивание между линиями D (четырехпалая) и 2 (трехпалая); эти две линии сильно различаются по генетической конституции, и у потомков F1 число генов полидактилии недостаточно для развития у них четырех пальцев. Б. Скрещивание между линиями D (четырехпалая) и 13 (трехпалая); линия 13 содержит больше генов полидактилии, чем линия 2, а поэтому у потомков F1 образуется лапа с недоразвитым четвертым пальцем. В. Скрещивание между линиями D (четырехпалая) и 35 (дающей как трех-, так и четырехпалых потомков) (S. Wright, 1934a, b).

Рассматриваемый прерывистый признак, регулируемый таким образом у морских свинок, возникает на поздних стадиях развития и не оказывает сколько-нибудь существенного влияния на строение организма в целом. Однако такого рода генетический контроль, действующий на ранних стадиях развития, как у иглокожих, оказывает глубокое воздействие на строение тела и, возможно, сыграл решающую роль в макроэволюции классов иглокожих, обладающих пятилучевой симметрией. «Перспективные монстры» не обязательно должны быть результатом внезапных и всеобъемлющих перестроек генетической программы онтогенеза. Небольшое генетическое изменение может привести к такому изменению развития, которое допускает коренное изменение адаптации: маленьким ключом можно отпереть большую дверь.