Тайны клеточной дифференцировки

То, о чем будет говориться в этой главе, не поддается ощущениям. В организме всех живых существ, даже одноклеточных, идут процессы формообразования. Живое строит формы в пространстве, по существу, завоевывает его соответственно определенным законам. Для построения той или иной формы нужно из разных частей составить гармоничное целое. Какие же приборы следят за дифференцировкой клеток и за целостностью всего организма? Это разные приборы или организм обходится каким-то универсальным регулировщиком пространственного расположения своих частей?

Как, вероятно, уже все знают, развитие любого живого существа идет по заранее намеченному плану. В каждую клетку организма как бы заложена своего рода перфокарта (генетическая программа), на которой записаны «инструкции» о строении всего организма. В то же время разные органы — и печень, и легкие, и почки, и сердце, — несмотря на то что в каждой клетке заложен одинаковый код, различны по своей форме и по своему биохимическому составу.

Осуществляться это может при условии, что в каждой клетке работают или выдают информацию только те участки дезоксирибонуклеиновой кислоты, или ДНК, в которых хранится запись именно об этом органе. Остальная часть генетической программы, хотя она и присутствует, выключена или репрессирована.

Здесь мы сталкиваемся с очень загадочным и таинственным процессом. Как идет управление выключением одних участков ДНК и включением других в строгом соответствии с пространственным расположением клеток? Какими приборами контролируется этот механизм? Как из одной клетки получаются две клетки с разной пространственной программой? Грубо говоря, надо выяснить, когда наступает тот момент, при котором клетка, разделившись на две, даст клетку, потомки которой образуют печень, и вторую, потомки которой образуют почки?

Ответить на эти вопросы — значит решить первую половину проблем биологии развития: как одинаковое становится разным, то есть как дифференцируются клетки. Решения указанной задачи требует не только чисто научный интерес, но и сама жизнь, ибо многие болезни, неправильное развитие органов и другие врожденные дефекты есть не что иное, как нарушение дифференцировки клеток, разрегулирование тончайшего механизма, управляющего специализацией клеток.

Механизм дифференцировки можно начать рассматривать с одноклеточных животных (простейших) и одноклеточных водорослей. Природа как бы подарила экспериментатору клетки с довольно сложной структурой и гармоничной формой, и притом очень больших размеров.

В капле воды плавает голубоватая точка, видимая невооруженным глазом. Под микроскопом, даже при небольшом увеличении, она превращается в голубоватый рог. Это инфузория-трубач, или стентор. Размеры трубача (он может быть более 0,5 мм) позволяют резать его на части. Через несколько часов округлившиеся части клеток на наших глазах превращаются опять в самого настоящего трубача, только меньших размеров.

Это регенерация клетки или восстановление, во время которой происходит пространственная дифференцировка различных участков трубача. Каждая часть в пространстве дает свою форму: в одном месте появляются реснички и образование, похожее на раструб, в другом, наоборот, происходит сужение заднего конца. Какие же приборы следят за формой восстанавливающейся клетки и откуда подается команда, как вести себя той или иной части клетки? Попробуем разобраться.

Видимо, сигналы идут от клеточного ядра и ДНК, заключенной в нем. Высказанное предположение подтверждается экспериментом. Если удалить ядерный материал из кусочка восстанавливающегося стентора, регенерация прекратится, кусочек округлится и погибнет. Значит, получается, что пространственной дифференцировкой заведует ядро и заключенный в нем генетический материал? Похоже, что так. Но как можно, используя линейный генетический код, предопределить местоположение каждой точки трубача в пространстве? Да еще провести пространственное кодирование в зависимости от размеров куска, из которого идет регенерация. Ответить на эти вопросы очень трудно, но предположить, что помимо генетического кода пространственной дифференцировкой управляют и другие факторы, можно. Тогда генетический код можно рассматривать как шифр, без которого невозможна регенерация и развитие живых форм.

В пользу необходимости присутствия генетического материала при формообразовательных процессах говорят также опыты с ацетобулярией. Ацетобулярия — водоросль одноклеточная, но клетка имеет внушительные размеры — два сантиметра, а иногда и больше. Внешним видом ацетобулярия напоминает маленький грибок или зонтик на тонкой ножке, а внизу, как корешки, расходятся так называемые ризоиды, служащие для прикрепления к субстрату. Казалось бы, ничего особенного — перед нами водоросль, похожая на грибок, но это сложно устроенный по пространственной дифференцировке организм, состоящий всего лишь из одной клетки.

Ядро ацетобулярии находится в одном из ризоидов. Стоит микроскальпелем отрезать ризоид с ядром, и ацетобулярия станет безъядерной клеткой. Умрет ли она после этого? Оказывается, нет. Живет, да еще способна к регенерации. Отрежем у нее зонтик, он восстановится, но только один раз. А у клетки с ядром, сколько бы ни отрезали зонтик, он всегда будет восстанавливаться. О чем это говорит? О том, что ядро синтезирует впрок необходимые для регенерации вещества. Но этих веществ не так-то уж много — у безъядерной ацетобулярии хватает только на одну регенерацию.

В природе есть виды ацетобулярии со сплошным и изрезанным зонтиком. Это дает возможность проследить, как ядро клетки влияет на формообразование зонтика. Если у таких ацетобулярий отрезать зонтики и поменять ядра, то всегда восстанавливается зонтик той формы, какому виду принадлежит ядро. И опять не снят вопрос: само ли ядро полностью заведует процессами формообразования зонтика или только шифрует пространственный код?

Проведенные опыты показывают, что ядро — один из «живых приборов» в клетке, следящих за ее пространственной формой. Но как согласуется это управление с формой, когда вместе оказываются тысячи клеток, кто или что дирижирует ими таким образом, чтобы вместе они работали как единая ткань или, более того, как орган и даже организм? Здесь начинается область научных догадок и предположений.

Ученые, занимающиеся раскрытием тайн дифференцировки клеток, прослеживают это на наиболее ранних стадиях развития организмов, когда клеток еще мало и можно как-то разобраться в их взаимосвязях, или же берут простые модельные системы и на них пытаются раскрыть принципы биокибернетики развития. Ибо даже сложнейшие кибернетические системы, применяемые в настоящее время человеком, далеко уступают отточенным в процессе эволюции механизмам управления в живом, а искусственных систем, кодирующих пространственную информацию, человек вообще пока не создал, если не считать голографии. Однако есть определенное отличие между голограммой и пространственным кодом живого. Каждая часть голограммы позволяет получить то же по величине изображение, но менее четкое, а каждая часть зародыша на самых ранних стадиях развивается в целый организм, только меньших размеров. На языке физики это звучало бы так — каждая часть голограммы может давать четкое объемное изображение, только меньших размеров. Но этого пока еще не создано.

А вот живые организмы в этом отношении творят чудеса. Проведем простой опыт. Под микроскоп положим оплодотворенное яйцо морского ежа — любимый объект эмбриологов. Яйцо вот-вот начнет дробиться. Ядро разделилось, а через некоторое время в оболочке яйца начинает появляться перетяжка. Образовалось две клетки — первые две клетки организма, называемые бластомерами. Теперь начнем экспериментировать. Отделим друг от друга эти две первые клеточки. У морского ежа это сделать просто: достаточно в пробирке с морской водой встряхнуть их как следует — и бластомеры разойдутся. Что же будет дальше? Прекратится дробление? Или из разделенных бластомеров разовьется по половинке животного? Ничего подобного. Через положенный срок из каждого бластомера сформируется целый, нормальный по форме морской еж, только размером в два раза меньше. Вот здесь-то и проявляется принцип «биологической голографии».

Взяв другое яйцо, дождемся, пока оно разделится на четыре клетки, и снова отделим друг от друга бластомеры. Опять получим четыре нормальных по форме морских ежа, но еще меньших размеров. А если бы клетки остались вместе, то каждая из них дала бы только четверть животного.

Итак, контакт клеток. Вопрос вопросов в формообразовательных процессах. Это он привел к ошибке немецкого эмбриолога Вильгельма Ру — он специальной иглой выжигал один из двух бластомеров лягушачьего яйца. Оставшийся бластомер, хотя еще и делился некоторое время, формируя «половинчатую» личинку (!), в конце концов погибал. Поэтому Ру был убежден, что один бластомер сам по себе нежизнеспособен. Он не знал, что достаточно было тех крошечных обгоревших остатков разрушенного бластомера, чтобы другой бластомер воспринимал себя как половину зародыша. Это еще один принцип «биологической голографии» — даже незначительная часть клетки, контактирующая с целой, воспринимается как равный по формообразовательным процессам партнер. Стоило только аккуратно, волоском, разделить бластомеры — каждый из них давал нормального головастика.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

С понижением регенерационной способности падает способность клеток дедифференцироваться.

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

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

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

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

Во всех этих опытах прослеживается основная мысль — цитоплазма клетки воздействует на генетический аппарат и заставляет заново работать репрессированные участки ДНК. Что же касается ядер, взятых из опухолевых клеток, то опыты показывают, что само заболевание часто возникает из-за разладки генетического программирования, а не из-за нарушения в самом аппарате генов. В этом случае возникает нежелательная для организма дифференцировка или, может, даже разлад дифференцировки. Правда, некоторые ученые в этом сомневаются, потому что Р. К. Маккиннэлл не дорастил головастиков, полученных из икринок с ядрами, взятыми из злокачественных опухолей, до лягушек, как это сделал Гёрдон при пересадке в икринку ядер из нормально дифференцированных клеток. Кто знает, может быть, после того как лягушка доросла бы до взрослого состояния, у нее в почке появился бы рак. Сомнения обоснованны.

Но опыты с канцерогенными химическими веществами все-таки подтверждают, что гипотеза о нарушении генетической активности из-за раздифференцировки клеток или их репрограммирования ближе всего к разгадке сущности рака.

А на очереди опыты по пересадке ядер из дифференцированных клеток в яйцеклетки млекопитающих. Правда, технически это сделать труднее, чем с икринками лягушек или рыб: яйцеклетки у млекопитающих в сотни раз мельче, и развитие зародыша идет внутри материнского организма. Но и эти трудности ученые стараются обойти и уже работают над эктогенезом, то есть конструируют специальные аппараты и выращивают в них зародыши. Другое направление — подращивание дробящейся яйцеклетки в пробирке, а затем подсадка ее в полость матки приемной матери. В принципе самая необычная вещь открыта: из большинства клеток взрослого организма можно вырастить точные копии того существа, от которого взяты ядра клеток. Биологи уже начинают широко использовать этот процесс, называемый клонированием.

Итак, перед исследователями стоит задача раскрыть механизм воздействия организующего центра на наследственный аппарат. Возможно, что после раскрытия этих связей человек вплотную подойдет к управлению дифференцировкой клеток. Так как же устроен организующий центр — прибор, определяющий порядок работы генов, а может быть, и ведающий пространственной дифференцировкой?

Эмбриологи давно обратили внимание, что в яйцеклетках есть важная зона, после удаления которой развитие приостанавливается. Эта зона часто выявляется морфологически как у беспозвоночных, так и у позвоночных, правда, строение ее может быть различным.

У моллюска денталиума еще до начала деления оплодотворенной яйцеклетки на одном из полюсов выявляется обособленная часть. Она светлее других частей яйцеклетки и отделена от нее небольшой перетяжкой (рис. 13). Это и есть «живой прибор», следящий за развитием. Его называют полярной лопастью, или организующим центром. Без организующего центра так же, как и без генетической программы, развитие организма прекращается. Простой опыт подтверждает это: если микроскальпелем удалить полярную лопасть, развитие остановится.

Рис. 13. Полярная лопасть в яйцеклетках моллюска денгтилиума:

а — морской еж — пигментированная полоса; б — асцидия и лягушка — серп

Казалось бы, бери эту лопасть и исследуй. А между тем посмотреть, как циркулируют вещества между яйцеклеткой и лопастью, пока не удалось. Трудно, не повреждая клетку, вести исследование внутри нее. Видимо, не в одном химическом составе дело — сама структура организующего центра тоже важна. Пока это образование остается загадочным.

В яйцеклетках других животных организующий центр может и не быть так четко выделен, как у моллюска денталиума. Так, у асцидий и амфибий на одной стороне яйцеклетки можно различить образование желтого или серого цвета — желтый или серый серп У морских ежей это уже не серп, а полоска. Почти в каждой яйцеклетке можно найти образование, которому предназначено быть прибором, следящим за развитием. Химический анализ этой области показывает, что в ней сосредоточено большое количество нуклеиновых кислот (РНК), здесь же накапливаются запасы желтка и другие высокоэнергетические вещества.

Если яйцеклетку разделить на две части, в одну из которых попадет весь организующий центр, а вторая часть останется без него, то судьба этих частей будет различна (рис. 14). Та часть, где окажется организующий центр, даст нормально сформированный зародыш, только меньших размеров. Часть, где организующего центра не было, округлится, клетки в ней еще некоторое время будут делиться, но никогда нормального зародыша не получится, будет только комок клеток.

Рис. 14. Опыты с развитием перевязанного зародыша стрекозы

Вот пример такого разделения. Яйцеклетка лягушки после первого деления образует два бластомера. Каждому из бластомеров достается ядро, а вот организующий центр — необязательно. Все зависит от того, как прошла борозда дробления. Если она пройдет через серый серп, то его части попадут в оба бластомера. Если такие бластомеры разделить микроинструментами, каждый из них разовьется в полноценный зародыш. Другое дело, когда борозда дробления прошла мимо серого серпа, тогда в один бластомер попадает весь организующий центр, а другой оказывается без материала серого серпа. Если не отделять бластомеры, то развитие будет нормальным. Но при разделении бластомеров друг от друга искусственным путем получим картину, о которой уже говорили. Бластомер с серым серпом даст нормального головастика, а впоследствии — лягушку, бластомер без серого серпа не будет развиваться.

Сходная картина наблюдается у насекомых, например у стрекозы. У нее удлиненное яйцо, и организующий центр лежит как бы в хвостовой части. Если после нескольких делений тонким волоском перевязать яйцо пополам, то нижняя часть с организующим центром даст хотя и карликовый, но нормально развитый эмбрион, в то время как верхняя часть, не получая нужных команд, приостановит свое развитие (рис. 15).

Рис. 15. Полоса митозов повторяет конфигурацию травмы в эпителии хрусталика лягушки: а, б — митозы в эпителии при различной конфигурации травмы; 1 — центральная зона; 2 — герминативная зона; 3 — предэкваториальная зона (точки — отдельные посттравматические митозы)

Среди ученых нет полной договоренности, что считать критерием дифференцировки или специализации. Во всяком случае, дифференцировка заканчивается тогда, когда клетка перестает подучать сигналы от организационного центра или от других клеток, а главное — перестает перестраивать свою генетическую программу. В полностью дифференцированной клетке работают только строю определенные гены, то есть в ней работают те участки ДНК, которые ответственны за синтез белков в том органе, где находится эта клетка. Если этот порядок нарушить и в клетке начнут работать гены, которым надлежит «молчать», то тут-то и возникают опухоли. В дифференцированных клетках они возникают чаще, ведь на них уже не оказывает влияния организующий центр, который в раннем детстве ведет клетки «за ручку».

 

Информационное поле жизни

Картина развития организмов, или морфогенез, постоянно Протекает на наших глазах. И не зря видный американский биолог Э. Синнот сказал, что «морфогенез, поскольку он связан с самой отличительной чертой живого — организацией, — это перекресток, куда сходятся все пути биологических исследований… Именно здесь, вероятно, нужно ожидать в будущем самых крупных открытий».

Какие же знаки есть на этом перекрестке? Где хранится «живой прибор», следящий за тем, как генетическая запись с химического языка переводится в реальную объемную структуру, в тело?.Генетической программе в одиночку выполнить это невозможно. Да и опыты, о которых говорилось ранее, подтверждают, что не обойтись без организационного центра. Ведь в каждой клетке организма заложена одинаковая генетическая программа, в каждой клетке есть вещества, поступившие из организационного центра. А как совершается общее руководство пространственным расположением и формой клеток?

Клетки, строящие организмы, специализируются, а порой даже отмирают, чтобы получить необходимую пространственную структуру. Например, так образуются пальцы на конечностях зародыша, когда ткани между будущими пальцами гибнут, а из пластинки — зачатка кисти — формируется пятипалая рука. Неведомый скульптор, ваяя живое существо, не только перераспределяет, но и даже удаляет ненужный материал, чтобы создать то, что намечено генетической программой.

Молекулярная генетика выяснила пути передачи информации от ДНК к информационной РНК, которая, в свою очередь, служит матрицей для синтеза белков из аминокислот. Сейчас интенсивно изучается влияние генов на обмен веществ в клетке и на их синтез. Но для создания пространственной структуры, скажем, клубня редиски или причудливой раковины, вряд ли достаточно одних генов. Сомнения такого рода десятилетиями будоражат умы эмбриологов, людей, занимающихся пространственной дифференцировкой клеток, и в результате появилась концепция «морфогенетического поля». Смысл множества теории эмбрионального поля сводится к тому, что вокруг эмбриона, или зародыша, присутствует особое поле, которое как бы лепит из клеточной массы органы и целые организмы.

Наиболее разработанные концепции эмбрионального поля принадлежат австрийцу П. Вейсу и советским ученым А. Г. Гурвичу и Н. К. Кольцову. По их мнению, поле не обладает обычными физико-химическими характеристиками, а А. Г. Гурвич назвал его биологическим полем. В противоположность этому Н. К. Кольцов полагал, что поле, командующее целостностью развивающегося организма, сложено обычными физическими полями.

Исследователь П. Вейс писал, что первоначальное морфогенетическое поле действует на клеточный материал, формирует из него те или иные зачатки органов организма и что по мере развития образуются все новые и новые поля, командующие развитием органов и всего тела особи. Короче говоря, развивается поле, затем его зародыш, причем клетки организма весьма пассивны, ими руководит морфогенетическое поле. Концепция же биологического поля А. Г. Гурвича зиждется на том, что поле создается в каждой клетке организма. Однако сфера действия клеточного поля выходит за ее пределы, клеточные поля как бы сливаются в единое поле, которое меняется при пространственном перераспределении клеток.

Согласно обеим концепциям эмбриональное поде развивается так же, как и весь зародыш. Однако, по Вейсу, оно делает это самостоятельно, а по теории А. Г. Гурвича под влиянием клеток зародыша.

Но если взять за аксиому самостоятельное развитие морфогенетического поля, то наши знания не продвинутся вперед ни на шаг. Ибо, чтобы хоть как-то объяснить пространственное развитие самого морфогенетического поля, нужно вводить новые поля 2-го, 3-го порядков и так далее. Если же клетки сами строят себе морфогенетическое поле, а затем изменяются и перемещаются под его воздействием, то это поле выступает как орудие для распределения клеток в пространстве. Но тогда как объяснить форму будущего организма? Скажем, форму лютика или бегемота. К тому же, по теории А. Г. Гурвича, источником векторного поля является ядро клетки и только при сложении векторов получается общее поле.

А ведь неплохо себя чувствуют организмы, у которых только одно ядро. Например, трехсантиметровая одноклеточная водоросль ацетобулярия обладает ризоидами, напоминающими корни, тонкой ножкой и зонтиком. Как одно единственное ядро со своим полем дало такую сложную форму и как под его влиянием построилась такая сложная пространственная структура? Если у ацетобулярии отрезать ризоид, в котором содержится ядро, она не потеряет способности к регенерации. Например, если ее лишить зонтика, он снова вырастает. Где же тогда заключена пространственная память? Эксперименты с ацетобулярией убеждают, что концепция биологического поля А. Г. Гурвича не применима к одноклеточным организмам.

Можно ли найти выход из создавшихся противоречий? Давайте порассуждаем. Почему эмбриональное поле непременно должно меняться при развитии организма, как и сам зародыш? Не логичнее ли думать, что поле с первых же стадий развития не меняется, а служит той матрицей, которую зародыш стремится заполнить? Но откуда взялось само поле и почему оно столь четко соответствует генетической программе, присущей данному организму?

И не стоит ли предположить, что поле, управляющее развитием, порождено взаимодействием спиральной структуры ДНК, где. хранится изначальная генетическая запись, с окружающим пространством? Ведь это может дать как бы пространственную запись организма, будь то тот же лютик или бегемот. При увеличении числа клеток в ходе их деления поля, образованные воздействием ДНК на пространство, суммируются, общее поле растет, но не меняет своей пространственной организации и сохраняет присущую только данному организму структуру. Едва юный организм исчерпает наследственную программу, и контуры каких-то составляющих эмбрионального поля и самого организма совпадут, рост должен прекратиться. Поле организма, спаивающее воедино все части и командующее развитием, по-моему, точнее именовать индивидуальным информационным полем. Какова же его предполагаемая природа?

По одним понятиям, это комплекс физико-химических факторов, которые образуют единое поле (Н. К. Кольцов). По мнению других исследователей, морфогенетическое поле, возможно, вбирает в себя все ныне известные физико-химические взаимодействия, но представляющие собой качественно новый уровень этих взаимодействий. А так как каждому существу присуща индивидуальность, записанная генетическим кодом, то и информационное поле сугубо индивидуально. Никого не удивляет, что ядро любой клетки организма таит в себе всю герпетическую память. В ходе дифференцировки в разных органах начинает работать только та часть генетической программы, которая командует синтезом белков в данном конкретном органе или даже в отдельной клетке. А вот информационное поле, наверное, всегда целое. Иначе просто не объяснить его сохранности даже в малой части организма.

Такое предположение отнюдь не умозрительно. Чтобы показать целостность информационного поля в каждой части организма, возьмем удобные для этого живые существа.

Слизистый грибок миксомицет диктиостелиум. У него, как мы писали, любопытный жизненный цикл. Сначала все клетки |как бы рассыпаны и передвигаются по почве в виде «амеб», затем одна или несколько клеток выделяют вещество акразин, что служит сигналом: «Все ко мне». «Амебы» сползаются и образует многоклеточный организм плазмодий, который выглядит [червеобразным слизнем. Этот слизень выползает на сухое место и превращается в маленький тонконогий грибок с круглой (головкой, где находятся споры. Прямо на глазах из клеток собирается сложный организм, который как бы заполняет имеющееся у него информационное поле. Ну а если наполовину сократить количество сливающихся клеток, что получится — половина грибка или целый? Так и сделали в лаборатории. Из половины «амеб» получается той же формы грибок, только вдвое меньше. Оставили четвертую часть клеток — они опять слились и дали грибок со всеми присущими ему свойствами и генетически заложенными формами, только меньших размеров. Получается, что любое число клеток несет информацию о форме, которую им надо сложить, собравшись вместе. Правда, где-то предел есть, и малого количества клеток может не хватить для построения грибка. Однако, зная все это, трудно отказаться от вывода, что форма грибка заложена в информационном поле еще тогда, когда организм рассыпан на отдельные клетки. При слиянии клеток их информационные поля суммируются, но это суммирование выглядит скорее как разрастание, раздувание определенного поля.

А плоские черви планарии могут восстанавливать свой облик из трехсотой части своего тела. Если нарезать планарии бритвой на части и оставить их в покое на три недели, то клетки меняют свою специализацию и перестраиваются в целые. Через три недели вместо изрубленных на куски плоских червей по дну кристаллизатора ползают планарии, почти равные взрослым и едва заметные на глаз крошки. Но у всех видна головка с глазками и расставленными в стороны обонятельными ушками, все они одинаковые по форме, хотя различаются по размерам в сотни раз. Каждое существо сформировалось из разного количества клеток, но по одному «чертежу». Вот и выходит, что любой кусочек тела планарии нес целое информационное поле.

Сходные опыты я ставил и с одноклеточными организмами, с крупными, два миллиметра ростом, инфузориями спиростомами. Такую инфузорию можно разрезать микроскальпелем под микроскопом на шестьдесят частей, и каждая из них снова восстанавливается в целую клетку. Инфузории растут, но не бесконечно. Клетки, достигнув положенного им размера, как бы упираются в невидимую границу. Вот эту границу и может поставить информационное поле.

Получается, что информационное поле одинаково служит одноклеточным, колониальным и многоклеточным организмам. И не стоит ли предположить, что еще до оплодотворения половые клетки несут кодовые информационные поля? А при слиянии яйцеклетки и сперматозоида объединяются и их информационные поля, давая промежуточный, или обобщенный тип, несущий признаки отца и матери.

Клетки могут жить без ядер, но теряют способность к регенерации и самовосстановлению. Правда, отмечается иногда регенерация и при отсутствии ядра. Вспомним про ацетобулярию — у нее новый зонтик может отрасти и без ядра. Хотя регенерация зонтика у ацетобулярии при отсутствии ядра может осуществиться только один раз, но и этого уже достаточно, чтобы предположить невероятное: информационное поле некоторое время сохраняется вокруг клетки, даже если она лишена основного генетического материала!

Размеры живых существ закреплены генетически. Мышь-малютка и громадный слон вырастают из яйцеклеток, почти равных по размеру. Даже существа одного вида, у которых генетическая программа развития очень близка, которые легко скрещиваются, но размерам могут быть различны. Сравните, например, собачку чи-хуа-хуа, которую можно засунуть в карман, и огромного дога.

Условия для организма могут быть хорошие и плохие. Организм может расти быстро или медленно, но в норме он не перерастает невидимой, генетически закрепленной границы своих размеров. Пока, кроме информационного поля, пожалуй, нельзя предположить никакого иного механизма, управляющего ростом, который точно воспроизводил бы наследственную запись в ядре любой клетки и в то же время объединял бы все клетки в единое целое.

Много труда приложили биологи, чтобы выявить причины, побуждающие клетку начать деление-митоз. Научись люди управлять этим процессом — и над злокачественными опухолями, в которых пока неудержимы клеточные деления, будет занесен меч.

Взгляните на кончик своего пальца, вы увидите папиллярные линии — гребешки кожи, образующие узор, характерный только для вас. При повреждении они могут быть совсем уничтожены. Однако если не образуется рубца, после регенерации папиллярный рисунок опять появится. Трудно поверить, что на такое изощренное художество способны кейлоны. А вот информационное поле вполне подошло бы для роли живописца.

Недавно я экспериментировал с эпителием хрусталика глаза лягушки. Каждый раз при травмировании хрусталика митозы появлялись в неповрежденных частях эпителия, а полоса михозов точно повторяла конфигурацию травмы. И еще одна странная особенность: площадь, ограниченная полосой митозов, не зависит от величины травмы. Теории раневых гормонов и кейлонов здесь ничего не объясняют. При химической регуляции площадь, охваченная митозами, зависела бы от величины травмы. И не информационное ли поле передает форму травмы?

Конечно, выводы делать еще рано, а дальнейшие, рассуждения могут привести только к новым вопросам. Но все-таки я верю, что наступит время, когда на многое в биологии развития придется взглянуть по-другому.

Все сводится к тому, что развитием организмов и их формообразованием руководит как бы триада: генетическая программа, организационный центр и присущее только им информационное поле. Генетическая программа выступает как индекс, а организационный центр подбирает или создает свойственное данному организму поле, соответствующее индексу.

 

Самые различные взгляды

Итак, механизм морфогенеза пока не объяснен. У ученых, занимающихся его исследованием, складываются самые различные представления о формировании пространственных структур. Однако большинство из них сходятся во мнении, что пространственную организацию клеточной дифференциации только физическими и химическими методами не истолковать, что нужно обратиться к концепции морфогенетического поля, ведающего морфогенезом. Правда, не все морфогенетики принимают концепцию постоянно существующего вокруг развивающихся структур поля, которая была изложена в предыдущем разделе. Некоторые считают, что в процессе развития морфогенетические поля могут целиком заменяться на новые.

Такой точки зрения придерживается немецкий исследователь А. Гиерер. Его идея сводится к тому, что генетический аппарат генерирует сигналы для замены одного формообразующего поля другим. Если это так, то вокруг любого существа, как «рубашки», меняются поля, когда организм дорастает до границ очередной «одежды». С этой точки зрения, на развитие морфогенетического, или формообразующего, поля можно смотреть как на цепь скачков в перестройке пространственной информации. Таким образом, генетический аппарат в этой теоретической разработке показан как прибор, ведающий заменой одного поля на другое. Но автор этой гипотезы признает, что связь формообразующего поля с клетками и молекулярно-кинетическими процессами остается совершенно невыясненной.

А вот канадский морфогенетик Л. Трайнор, также обращающийся к концепции формообразующего поля, вообще считает, что это поле так же, как электрическое и магнитное поля в теории Максвелла, само по себе не обладает реальностью. Оно проявляется только в своих воздействиях на реагирующие на него объекты, и только в этих воздействиях оно становится предметом наблюдения. В таком случае отпадает вопрос о наличии или отсутствии морфогенетического поля, так как действие его мы наблюдаем во время развития организмов и при регенерации утраченных частей. Сами же клетки в живом организме ведут себя так, как будто бы они «знают» законы функционирования в морфогенетическом поле и команды, подаваемые для пространственного перемещения и направленной специализации.

Пожалуй, самым ярким примером пространственной дифференцировки, связанной с работой генов, вырабатывающих черные пигменты и образующих определенный рисунок на раковине моллюска скарабуса, служит работа секретируюших клеток мантии. Краевые клетки мантии, откладывающие слой за слоем вещество раковины, создают общий рисунок на пластинке как по имеющемуся уже плану. Дело в том, что раковина у скарабуса построена своеобразно. Она состоит из пластинок, все более и более увеличивающихся от верхушки раковины книзу. Изогнутые пластинки верхней и нижней сторон соединяются друг с другом, образуют приплюснутую раковину. Но самым интересным оказывается то, что рисунок на каждой пластинке повторяется. Он индивидуален для каждой отдельной особи, но на каждой пластинке копируется с необычайной точностью. Следовательно, при построении раковины программа пространственной работы генов проигрывается неоднократно. И каждый раз рисунки на противоположных пластинах и находящихся на одной стороне раковины полностью повторяются и увеличиваются согласно увеличению площади пластинки. Подобное может быть сделано только при одном условии — при проецировании пространственной программы на растущую пластинку раковины. Уже реализованный рисунок на пластинах грубо можно сравнить с телевизионными экранами. Чем больше экран, тем больше изображение.

Нельзя обойти стороной и еще одну интересную теорию так называемой позиционной информации, разрабатываемую рядом ученых во главе с английским морфогенетиком Л. Вольпертом. Эта теория развивалась из принципа физиологических градиентов и сводится она к тому, что клетки являются основным прибором, «узнающим» свое местоположение благодаря наличию в развивающейся системе градиента морфогена, то есть вещества, дающего сигнал к соответствующей пространственной дифференцировке. Чтобы яснее понять принцип позиционной информации, Л. Вольперт вводит такую модель, как изготовление французского трехцветного флага. Ближе всего к древку расположена синяя часть флага, затем идет белая, а за ней следует красная часть. Предположим, что каждый цвет соответствует определенному виду тканей. Так как же могло получиться, что за «синей» тканью идет сначала «белая», а потом «красная»?

Представим, что древко флага и есть тот организующий центр, о котором мы только что говорили. Он испускает вещество — морфоген, вещество распространяется по всему флагу, но его концентрация падает дальше от древка. Устанавливается своеобразный градиент концентрации — от самого большего у организующего центра до минимума на самом краю. А в клетках как бы заложены определенные пороги — при каких концентрациях во что им превращаться. Они воспринимают этот градиент до тех пор, пока концентрация не упадет до первого порога, формируют «синюю» ткань; еще больше падает концентрация морфогена, до своего порога, и клетки образуют «белую» ткань и, наконец, при самом низком градиенте клетки складываются в «красную» ткань. Вот это и есть позиционная информация, когда благодаря ощущению градиента морфогена клетки чувствуют свое местоположение и специализируются в ткань, соответствующую своему пространственному положению.

Ряд проведенных опытов действительно показал, что у различных зачатков эмбриона есть небольшие участки клеток, служащие источником морфогена. Это тоже своего рода организационные центры, только не всего организма, а отдельных органов. Так, в зачатке крыла птиц обнаружен такой активный участок. Обычно он расположен у основания крыла. Благодаря градиенту морфогена, который исходит из этого центра, закладывается нормальный порядок пальцев. Если же сверху подсадить еще один такой организующий центр, то пальцы на крыле удвоятся.

Уже упоминалось, что организационный центр в яйце стрекозы находится в задней части продолговатого яйца насекомого. Подобный центр обнаружил К. Зандер из Фрайбурского университета в яйцах других насекомых, например цикадки. Вспомним и опыт, который описан ранее, — лигатурой отделялась часть яйца, и насекомое возникало только в той части, где находился организационный центр. А Зандер видоизменил опыт, он передвинул часть цитоплазмы с организационным центром с заднего конца на середину яйца и только после этого перевязал яйцо лигатурой. Получился интересный результат: задние сегменты возникли по ту и другую сторону от организационного центра. Следовательно, и в этом случае действие организационного центра можно объяснить как работу регулировщика, испускающего позиционный сигнал.

Сразу же нужно отметить, что механизмы морфогенеза, основанные на позиционной информации, разумеется, не единственные, с помощью которых определяется форма развивающегося организма. Позиционная информация может определить крупные «блоки» тела, развертывающегося в пространстве. Изучая различные рисунки на раковинах, раскраску крыльев бабочек, раскраску птиц и рыб или же папиллярные линии на концах наших пальцев, можно понять, что посредством позиционной информации нельзя передать пространственный рисунок, сотканный живой материей.

Сами биологи признают, что они не имеют никакого представления о том, как осуществляется позиционная сигнализация, ведь она может передаваться и простыми ионами, и сложными нуклеиновыми кислотами. А как клетки, используя позиционный сигнал, точно узнают свое местоположение, — это еще одна загадка. И все же, несмотря на огромное количество белых пятен в этой концепции, отказываться от нее не стоит. Ведь позиционная информация наряду с морфогенетическим полем, может быть, как раз и «лепит» живые формы в пространстве.

Не получила достаточного экспериментального подтверждения также гипотеза, выдвинутая специалистом в области морфогенеза Б. Гудвином, но она вполне заслуживает серьезного обсуждения и привлекает к себе внимание многих биологов. В основе этой гипотезы лежит предположение, что важным фактором формообразующих процессов в развивающихся системах являются повторяющиеся периодические колебания, возникающие в самом организме. Такие колебания могут вызываться ионными потоками, идущими из активных центров, следовательно, они сопровождаются электрическими пульсирующими сигналами. Вспомним амеб слизистого грибка диктиостелиума, которые по сигналу собираются к центру агрегации, чтобы образовать многоклеточный грибок, — они ведь периодическими волнами движутся к месту сбора. Отрезаем у крупной водоросли ацетобулярии зонтик, начинается регенерация, опять можно зарегистрировать повторяющиеся электрические потенциалы.

У морских гидроидов — таких, как тубулярия и обелия, после отрезания части тела со щупальцами отмечена сначала миграция клеток в область среза. Через пять часов клетки собираются вблизи от места среза, и из этой зоны клеточного сгущения вначале наблюдаются неупорядоченные сокращения, а затем волнообразные сокращения принимают упорядоченный характер. Организованные периодические волны сокращений идут через каждые восемь — десять минут; а на последних фазах регенерации следуют более частые сокращения — с периодом четыре-пять минут. Вот такие сверхнизкочастотные сокращения и помогают гидроиду как бы «прозванивать» свое тело при регенерации, ощущать форму всего организма и «лепить» — нужную форму.

Исследователь Б. Гудвин считает, что не только при регенерации, но и при развитии зародыша по его оси могут проходить сигналы с определенным интервалом. Сигналы могут исходить даже из двух близко расположенных центров в виде колебаний с различной частотой. Там, где амплитуда колебаний будет входить в резонанс, могут возникать повышенные энергетические области, в которых может происходить активация одних и тех же генов. Действительно, теоретические выводы Б. Гудвина как бы подтверждаются. Достаточно посмотреть на развивающийся зародыш позвоночных — и можно отметить повторяющиеся одинаковые структуры, расположенные вдоль оси зародыша с равномерными промежутками. Так закладываются, например, сегментированные структуры — сомиты. Их можно найти и у рыб, и у птиц, и у человека, в зародышах всех позвоночных животных. Сегментированные структуры характерны также для большинства беспозвоночных животных.

Как гипотеза позиционной информации, так и привнесенная в биологию из математики и теоретической физики теория диссипативных или неравновесных структур, в которых совершаются колебания, требуют еще экспериментального подтверждения. Но можно надеяться, что именно разработка таких теорий привнесет новые успехи в науку, ибо сочетание интуитивных построений и экспериментальных данных подчас приводит к революционным сдвигам в познании. Профессор Московского университета Л. В. Белоусов — один из ведущих специалистов в области морфогенеза — считает, что оптимальное решение проблем формообразования, возможно, со временем включит в себя как теорию диссипативных структур, так и теорию морфогенетических полей. С этим мнением нельзя не согласиться. Однако процесс морфогенеза и регуляции формы живых организмов настолько сложен, что в процессах формообразования вполне могут принимать участие также позиционная информация и способность организмов к творчеству во время развития.

На первый взгляд может показаться, что произошла ошибка. Как это можно эмбриогенез рассматривать как творческий процесс? Однако американский исследователь В. Эльзассер именно так и считает. По его мнению, анализ молекулярнобиологических явлений в терминах физики и химии не является полным. Мысль приходит все к тому же, о чем мы говорили раньше: биологические объекты нельзя исследовать только методами классической механики, так как введение любых приборов или датчиков в живые клетки нарушает их структуру. Тогда живые объекты могут быть описаны законами статистической физики. Однако и здесь можно найти существенное отличие живых систем от физических и химических. Живые системы настолько гетерогенны, что невозможно произвести усреднение при исследовании их поведения обычными методами. К большинству систем мы применяем механистическое описание, выделяем отдельные части их поведения, упрощаем и стремимся понять общее по изучению отдельных частей. Для изучения развивающихся систем такой прием не подойдет. Ведь для формообразовательных процессов живые структуры отбирают такие информационные сигналы, которые энергетически почти не различимы с шумом. Вот эта способность живого выбирать нужные сигналы и может быть отнесена к творчеству. Большинство неживых систем стремится К равновесному состоянию, в них возрастает энтропия, а живые системы, наоборот, нарушают закон возрастания энтропии в процессах передачи информации. Особенно наглядно это видно в развивающихся системах, когда количество информации в ходе морфогенеза резко возрастает.

Какую же роль тогда можно отвести генам, если весь организм творчески подходит к своему развитию? Нужны ли они? Бесспорно.

Гены при таком подходе представляют собой как бы оперативные символы, с помощью которых реализуются творческие процессы в эмбриогенезе, регенерации и во всем индивидуальном развитии. Наличие генов необходимо для синтеза строго индивидуальных белков, но их недостаточно для развертывания тела в пространстве. Таким образом, В. Эльзассер, введя концепцию творческой способности развивающихся организмов, признает, что в природе существуют обобщенные закономерности, не сводимые к математически выражаемым законам, к физическому и химическому уровням развития материи.

 

Электростимуляторы роста и регенерации

Сколько бы мы ни рассуждали о морфогенетических полях, их природа для нас остается загадочной. Но один компонент этих полей явно действует на процессы формообразования и роста у живых организмов. Таким компонентом является их электрическое поле, создаваемое живыми клетками и отдельными органами. И тут ученые пошли еще дальше: они пытаются даже имитировать слабые электрические поля и ускорять регенерацию органов и тканей с их помощью, а иногда даже менять весь формообразовательный процесс.

Так уж получилось, что человек прежде всего познакомился со свойствами электрических полей — очень эффективное действие оказывают друг на друга заряженные объекты. Поэтому уже с конца XIX века исследователи начали проверять действие электрического поля на растения и животных, особенно во время роста и развития испытуемых объектов. Несовершенное оборудование и противоречивые результаты не позволили сделать объективных выводов. Но техника эксперимента оттачивалась, и уже в 1922 году Э. Лунд обнаружил интересную закономерность — слабые электрические токи, пропускаемые через среду, могут ориентировать плоскость первого деления в яйцеклетке бурой водоросли фукус. Первое деление шло в плоскости, перпендикулярной к направлению тока. Но еще более интересные результаты появились у того же автора, когда он изучал действие электрического поля на полярность регенерирующего гидроида.

Вспомните, в связи с морфогенезом мы уже говорили об этом странном беспозвоночном животном, похожем на веточку растения. Действительно, если отрезать кусочек обелии и поместить в электрическое поле, то куда он будет расти — верхним концом к положительному или отрицательному полюсу? Э. Лунд так и сделал. Он вырезал кусочек гидроида и поместил его на пятнадцати часов в электрическое поле с плотностью тока 0,02 миллиампера на квадратный миллиметр. Оказалось, что верхний конец всегда растет к аноду, или положительному полюсу. Ну а если кусочек обелии положить верхним концом к катоду, или отрицательному полюсу, — это же будет противоречить его собственному электрическому полю? И действительно, течение регенерации изменилось на противоположное. Нижний конец гидроида стал как бы верхним и начал расти к аноду. Более сильное внешнее электрическое поле подавило электрическое поле гидроида и заставило клетки поверить, что верхний конец находится в противоположной стороне. Опыты Э. Лунда были повторены другими учеными — такими, как С. Роуз, С. Смит, только на других беспозвоночных животных, способных к регенерации. Так, С. Роуз работал на гидроиде тубулярии, и у него получалось, что головной конец возникал всегда у катодного полюса независимо от ориентации куска гидроида. Как видим, другой объект и другие результаты.

Сходные результаты получились и при регенерации у планарий. Планариям отрезали голову и хвостовой отдел. Независимо от ориентации головной конец возникал всегда у катола. Но можно так подобрать плотность тока, что собственное электрическое поле планарий тоже будет оказывать воздействие на морфогенез. Тогда планария, помещенная хвостовым концом к катоду, начинает отращивать вместо хвоста голову, да и своя собственная голова растет на противоположном конце. И получается животное с двумя головными отделами, направленными в разные стороны.

Слабые электрические поля действуют на регенерацию не только у беспозвоночных животных; у позвоночных животных под действием электрических полей ускоряется регенерация конечностей, срастание костей и заживление ран. Всем известно, что переломы костей срастаются, или регенерируют. Но каково было удивление исследователей, когда они заметили, что переломы костей у земноводных сопровождаются изменением их электрического потенциала. Происходит как бы электрический всплеск, продолжающийся несколько дней, затем заряд из положительного переключается на отрицательный и медленно возвращается к исходному. Все эти электрические колебания Способствуют тому, что клетки крови, излившиеся в область травмы и давшие гематому, проходят расспециализацию. Эритроциты превращаются в клетки, напоминающие клетки эмбрионального типа, а затем из них образуется хрящ, который заменяется костью. Ученых заинтересовало: не электрическое ли поле способствует этому превращению клеток? Они проследили за поведением клеток в культуре при действии электрического поля. Оказалось, что культивируемые эритроциты начали терять признаки специализации и превращались в округлившиеся клетки, напоминающие клетки эмбриона. Значит, электрическим полем можно стимулировать регенерацию, и, возможно, высшие млекопитающие и человек только потому не могут отрастить утраченную конечность, что их собственный потенциал значительно уступает тому всплеску электрического поля, который наблюдается, скажем, у тритона, способного к регенерации конечности?

Роберт Беккер, ученый-ортопед, работающий в одном из госпиталей для ветеранов в США, решил провести электростимуляцию регенерации конечности у крыс. Он ампутировал на уровне плечевой кости конечности у двадцати однодневных крыс, а в оставшуюся часть мускулатуры вживил электроды. Сила тока подбиралась примерно такой величины, какая естественно возникает при удалении конечности у тритона. Контрольным крысам либо вообще культю не стимулировали, либо ток давали значительно большей величины.

Результат оказался положительным. У значительной части животных реконструировалась целая плечевая кость, практически неотличимая от нормальной. Правда, другие ткани не восстановились полностью и дали что-то похожее на одну из стадий регенерации конечности у саламандр. Роберт Беккер считает, что можно подобрать оптимальные условия электростимуляции, при которых регенерирует вся конечность у млекопитающих, а возможно, и у человека.

Таким образом, можно в какой-то мере считать, что электрическое поле играет значительную роль в «живом приборе», следящем за развитием или регенерацией частей организма. Но электрическое поле самого организма имеет сложный пространственный рисунок, который в настоящее время человек еще не может создать. И это неудивительно — ведь собственное электрическое поле организма формируется путем суммационного наложения отдельных микроскопических клеточных полей делящихся клеток. Экспериментаторы же, подключая искусственное электрическое поле, могут только внести искажение в кружевной пространственный рисунок электрического поля самого организма, которое играет важную роль в формообразующих процессах. И, как видно из приведенных выше примеров, — это действие не бесследно. К тому же электрическое поле не единственный компонент общего формообразующего поля, управляющего процессами морфогенеза. Частично уже исследовано действие магнитного поля живого организма. Но значительная часть других составляющих формообразующего поля еще не изучена.

Какое же воздействие может оказывать электрическое поле на процессы формообразования? Здесь тоже нет окончательного ответа, но существует несколько гипотез.

По одной из этих гипотез, которой придерживается С. Роуз, электрическое поле живых организмов своей пространственной конфигурацией влияет на транспорт специфических репрессоров, ведающих дифференцировкой клеток. Это создает картину химической цитодифференцировки, в какой-то мере отражающей пространственный рисунок самого электрического поля. Чтобы под-твердить эту гипотезу, были поставлены оригинальные опыты всё с тем же гидроидом табулярией. Если отрезки табулярии соединить последовательно, то верхний отращивает щупальца, у него образуется рот; а рост нижнего подавляется, он становится так бы хвостовым отделом. Ну а теперь попробуем соединить отрезки табулярии «лицом к лицу». Получается совсем другое дело: каждый регенерирует головной конец самостоятельно, как будто между ними нет взаимодействия. Исследователь С. Роуз объясняет это тем, что при последовательном соединении гидроиды образуют одно общее электрическое поле. Когда же их головные концы направлены друг к другу, то их поля не объединяются.

Конечно, гипотеза С. Роуза оригинальна, и опыты убедительны, но ведь предложенный механизм объяснения формообразовательных процессов, по-видимому, применим только к низшим организмам — таким, как кишечнополостные.

Другая гипотеза, разработанная рядом ученых, называется информационной. Есть мнение, что межклеточные связи, а следовательно, пространственная дифференцировка регулируются за счет безнервной передачи информации. Роль таких передатчиков информации в организме выполняют щелевые контакты, которые образуются на ранних стадиях развития. Авторы гипотезы предполагают, что расположение щелевых контактов определяется электрическим полем. Если слабое электрическое поле, созданное экспериментаторами, по своим параметрам будет близко к электрическому полю организма, то это может привести к передаче информационных сигналов и изменить процессы дифференцировки и роста.

Понимая всю сложность рассматриваемого вопроса, В. Р. Протасов приходит к выводу, что слабые длительно действующие электрические поля, несомненно, влияют на формообразовательные процессы, но их действие неоднозначно. Механизм воздействия электрических полей на процессы роста, развития и регенерации, возможно, опосредован изменением других полей, химический реакций и других биологических процессов.

Пытаясь понять механизмы формообразования и управления пространственной конфигурацией организмов, мы рассмотрели основные направления и пути, по которым идут ученые, чтобы раскрыть глобальную загадку биологии — процесс морфогенеза. Сами же механизмы и формообразовательные приборы окончательно не познаны, их контуры только вырисовываются в представленных здесь гипотезах. Время важнейших открытий в биологии еще впереди!