Животные анализируют мир
Шрифт:
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
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.