Основные концепции в биологии индивидуального развития

Основные концепции в биологии индивидуального развития

Первоначально возникла гипотеза, согласно которой онтогенез рассматривали лишь как рост расположенных в определенном пространственном порядке предсуществующих структур и частей будущего организма. В рамках этой гипотезы, получившей название преформизма, каких-либо новообразований или преобразований структур в индивидуальном развитии не происходит. Логическое завершение идеи преформизма заключается в допущении абсурдной мысли о «заготовленности» в зиготе и даже в половых клетках прародителей структур организмов всех последующих поколений, как бы вложенных последовательно наподобие деревянных матрешек.

Альтернативная концепция эпигенеза была сформулирована в середине XVIII в. Ф. К. Вольфом, впервые обнаружившим новообразование нервной трубки и кишечника в ходе эмбрионального развития. Индивидуальное развитие стали связывать целиком с качественными изменениями, полагая, что структуры и части организма возникают как новообразования из бесструктурной яйцеклетки.

В XIX в. К. Бэр впервые описал яйцо млекопитающих, в том числе и человека, а также зародышевые листки и обнаружил сходство плана строения зародышей различных классов позвоночных — рыб, амфибий, рептилий, птиц, млекопитающих. Он же обратил внимание на преемственность в этапах развития — от более простого к более сложному. Бэр рассматривал онтогенез не как предобразование, не как новообразование структур, а как их преобразование, что вполне согласуется с современными представлениями.

Выяснение конкретных клеточных и системных механизмов таких преобразований составляет основную проблему современной биологии развития. Увеличение массы тела особи, т. е. ее рост, и появление новых структур в ходе ее развития, называемое морфогенезом, нуждаются в объяснении. Рост и морфогенез подчиняются законам, которые обусловливают приуроченность конкретных процессов онтогенеза к определенному месту зародыша и периоду эмбриогенеза. Отдельные стадии индивидуального развития отличаются также определенной скоростью протекания с характерным качественным и количественным результатом.

Биология развития изучает пути генетического контроля индивидуального развития и особенности реализации генетической программы в фенотип в зависимости от условий. Под условиями понимают различные внутриуровневые и межуровневые процессы и взаимодействия: внутригеномные (внутригенетические), клеточные, межклеточные, тканевые, внутриорганные, организменные, популяционные, экологические. Можно сказать, что усилия исследователей в области биологии развития концентрируются вокруг стержневой проблемы генетической предопределенности и лабильности онтогенетических процессов, что в известном смысле на ином уровне познания возвращает нас к идеям преформизма и эпигенеза (неопреформизма и эпигенеза).

Не менее важны исследования конкретных онтогенетических механизмов роста и морфогенеза. К ним относятся следующие клеточные механизмы: пролиферация, или размножение клеток, миграция, или перемещение клеток, сортировка клеток, их запрограммированная гибель, дифференцировка клеток, контактные взаимодействия клеток (индукция и компетенция), дистантные взаимодействия клеток, тканей и органов (паракринные, гуморальные и нервные механизмы интеграции). Все эти процессы носят избирательный характер, т. е. протекают в определенных пространственно-временных рамках с определенной интенсивностью, подчиняясь принципу целостности развивающегося организма. Биология развития стремится выяснить степень и конкретные пути контроля со стороны генома и одновременно уровень автономности различных процессов в ходе онтогенеза. преформизм клеточный онтогенез детерминация Каждый вид белка имеет строго определенную первичную структуру — набор и последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Первичная структура предопределяет вторичную и третичную структуры, а третичная структура принципиально важна для функционирования молекулы — от нее зависит стереохимическое узнавание других молекул, дозированные конформационные перестройки, проведение ионов, выстраивание скелетных нитей и т. п. Как долго может работать белковая молекула? Характеризуя биокатализ, мы отмечали, что белки-ферменты в реакциях субстратов сами не разрушаются, они лишь многократно и обратимо денатурируют. Значит ли это, что ферменты работают бесконечно долго и не претерпевают никаких нарушений структуры? Будем исходить из того, что белок — обычное материальное тело, испытывающее регулярные колебательные нагрузки (вспомните образ сжимающейся и разжимающейся стальной пружины).

По всем законам сопротивления материалов даже в покоящихся телах, а тем более при регулярной, да еще пульсирующей нагрузке, в них возникают механические напряжения, которые рано или поздно приводят к искажениям структуры — разрывам или смещениям химических связей, нарушениям кристаллической решетки и т. п. Следует вывод: белки со временем теряют нативную (природную, естественную) структуру, они стареют, становятся непригодными к выполнению своих функций. Вместе с белками стареют, изнашиваются клетки, ткани, органы и в целом организмы.

Следовательно, в живой природе должны быть механизмы замещения, или воспроизведения, стареющих белков, клеток и самих организмов. Такие механизмы действительно существуют. В долгоживущих клетках (нервных, мышечных) происходит постоянный синтез новых белков, идущих на замену изношенным и разрушенным.

Такие клетки живут годами и даже десятилетиями, но они обновляются изнутри — подобно тому, как мы ремонтируем дом, не разрушая его как целое строение. В других тканях реализуется стратегия обновления клеточного состава путем регулярного деления молодых клеток. Так, клетки крови обновляются за несколько недель, кожный эпителий — за неделю, кишечный эпителий — за 2 суток. Но и эти процессы не обеспечивают бессмертия организму.

В нейронах накапливаются продукты распада и они погибают, репродуктивный потенциал соматических клеток истощается, наступает старение и смерть организма. Гибель организмов происходит также при их взаимодействии с внешней средой — одним просто не хватает пищи, другие становятся жертвами хищников, третьи погибают от природных катаклизмов (пожары, наводнения, холод и т. п.). Нужен радикальный механизм защиты жизни, ее дублирования, самовоспроизведения.

Для этих целей существуют особые, максимально защищенные от повреждений клетки, которые вовремя «покидают» организм и дают начало новому поколению. Это половые клетки — предшественники бесконечной череды актов размножения организмов. Мужская и женская половые клетки — сперматозоид и яйцеклетка — сливаясь, образуют одноклеточную зиготу, которая в эмбриональном периоде многократно делится и превращается в зародыш, а далее в постэмбриональном развитии формируется полноценный организм. Организмы производят новые половые клетки, оставляют потомство и умирают.

Весь цикл индивидуального развития организма от образования зиготы до его смерти называется онтогенезом. Важно то обстоятельство, что как отдельные клетки, так и целые организмы воспроизводят в поколениях прежний план организации и «образ жизни». Долгоживущие нервные клетки восстанавливают одни и те же органоиды, эритроциты во всех поколениях остаются эритроцитами, лейкоциты — лейкоцитами, а дети в целом похожи на родителей. В чем причина этого сходства? Где и в каком виде содержится и как реализуется информация о строении и свойствах организма?

Успехи современной генетики, цитологии, эмбриологии дают на эти вопросы достаточно ясные ответы. Для контроля развития используется два источника информации: внутренний — генетический и внешний — эпигенетический.

Развитие нового организма, полученного половым путем, начинается от оплодотворенной яйцеклетки — зиготы и заканчивается смертью. В сегменте 20 мы уже рассмотрели общую схему онтогенеза, идущего от слияния половых клеток. Важно помнить, что в ядре зиготы содержатся два набора хромосом от двух родителей (гибридный генотип). При клонировании в целом выдерживается та же схема онтогенеза, с той лишь разницей, что зигота имеет подсаженное диплоидное ядро от одного родителя.

Биологическое развитие происходит по общим диалектическим принципам развития, которое можно наблюдать в неживой природе или в обществе. Чтобы убедиться в этом, сопоставим стадии «развития вообще», заимствованные нами из философского словаря, и стадии нормального онтогенеза многоклеточного организма, например, человека.

Индивидуальное развитие системы, в том числе организма, происходит циклично, так что восходящее развитие всякий раз сменяется нисходящим.

Восходящее развитие идет от простого, низшего (предзиготическая стадия) к сложному, высшему (многоклеточный организм). Нисходящее — от сложного, высшего (многоклеточный организм) к простому, низшему (бесклеточная мертвая материя).

Законы диалектики утверждают, что развитие как конечный процесс с самого начала в скрытом виде содержит тенденции, ведущие от низшего к высшему и обратно. То есть развитие имеет векторный, направленный характер. Чем же задается этот вектор? Чем детерминировано (предопределено) индивидуальное развитие? Где программа развития и как она реализуется? Как из оплодотворенного яйца — из одной клетки — получается сложный многоклеточный организм, в котором тканевые клетки с одинаковым набором генов (одним генотипом) имеют разную структуру и функции (разный фенотип)?

Поставленные вопросы составляют основной научный смысл науки эмбриологии или, говоря шире, биологии индивидуального развития. Они имеют и практическое медико-биологическое значение, так как нарушение процессов развития приводит к болезни и сокращает сроки полноценной жизни человека. Чтобы сократить путь к пониманию программы развития, вспомним главную идею о том, что развитие находится под контролем двух начал — генетического (внутреннего) и эпигенетического (внешнего). Найдем эти начала в развивающемся организме. Внутренняя, генетическая программа развития заложена в ДНК зиготы. Это генотип организма.

Помним, что при размножении клеток — от зиготы до самой последней клетки тела — ДНК каждый раз удваивается и делится поровну, так что все клетки получают полный набор генов. В ДНК записана информация о всех белках организма. При этом надо иметь в виду, что существуют гены и белки двух классов: структурные и регуляторные.

Первые обеспечивают построение рабочих структур клеток и межклеточного вещества, ферментативный катализ, транспорт и прочие жизненно важны функции.

Вторые регулируют активность первых, то есть гены-регуляторы производят соответствующие регуляторные белки, которые управляют активностью структурных генов.

Сейчас установлено, что и среди регуляторных генов есть взаимозависимость — одни гены активируются другими. Таким образом, гены образуют функциональные цепи с заранее предопределенной последовательностью включения. Работает принцип домино: продукт первого гена активирует второй ген, продукт второго — третий и т. д.

Благодаря слаженной работе таких конвейеров контролируются тесноувязанные шаги морфогенеза, развитие приобретает динамичный и направленный (векторный) характер. Однако организм — очень сложная система, чтобы ее развитие было выстроено по простому алгоритму домино. Отдельные морфогенетические процессы часто идут независимо и параллельно.

В разных зачатках эмбриона, а потом в клетках разных тканей эти процессы расходятся, идет дифференциация клеток по функциям. Но при этом все клетки имеют один и тот же набор генов (!). Возникает ключевой вопрос проблемы клеточной дифференциации — почему при одинаковом наборе генов синтезируются разные белки и получаются разные клетки?

Современная биология развития дает ответ и на этот сложный вопрос. Внешняя, эпигенетическая программа развития контролирует и направляет реализацию генетической программы. Под действием внешних сигналов, биологически активных веществ, через посредство клеточных рецепторов и внутриклеточных мессенджеров (молекул-посланников) происходит избирательная активация одних генов и подавление других. В итоге в дифференцированных клетках разных органов и тканей работают не все гены, а только та их часть, которая ответственна за данную тканевую функцию. Генетики называют этот механизм дифференциальной экспрессией генов. Но встает новый вопрос: что является самой первой командой к дифференциации клеток? Ведь развитие начинается с одной клетки — зиготы.

Установлено, что в онтогенезе работают, сменяя друг друга, три системы регуляции.

1. Эмбриональная детерминация развития на основе позиционной информации, заложенной в яйце. В процессе роста и созревания яйцеклетки, когда она еще находится в материнском организме, в ее цитоплазме неравномерно откладываются различные РНК и белки-регуляторы, которые предопределяют будущий план раннего развития и ранней дифференциации клеток. Начало этой топологической неоднородности цитоплазмы яйца задает его полярное положение в яичнике: одним полюсом яйцо контактирует со стенкой (отсюда идет питание), другим обращено в просвет (здесь сосредотачиваются продукты сложных синтезов).

Таким образом, еще до начала развития генетический материал (хромосомы в ядре) лежит в неоднородной, анизотропной среде, насыщенной биологически активными регуляторами. Уже в яйце мы имеем сочетание генетического (хромосомы) и эпигенетического (цитоплазма с регуляторами) факторов развития. После оплодотворения зигота многократно делится, и дочерние ядра попадают в различно детерминированные участки цитоплазмы, содержащие разные регуляторы. Эти регуляторы и становятся первыми внутренними индукторами дифференцировки эмбриональных клеток.

• 2. Эмбриональная индукция — влияние одних зачатков на другие с помощью выделяемых клетками веществ-регуляторов. Этот механизм включается в ранних зародышах и представляет по сути эмбриональную гуморальную регуляцию; внешние регуляторы — индукторы выступают в роли первых гормонов. Так, например на стадии гаструлы (двухслойный зародыш) под действием выделений внутреннего слоя клеток впячиваются и дифференцируются клетки будущей нервной системы.
• 3. Нейрогормональная регуляция дефинитивного (окончательного) типа, осуществляемая сложной системой желез внутренней секреции и нервной системой. Заметим, что гормоны вырабатываются железами под контролем нервной деятельности, а нервная система в свою очередь находится под воздействием внешней среды.

Таким образом, окружающая среда генотипа сформированного организма, например, человека, включает цепь управляющих факторов: факторы собственно внешней среды (свет, тепло, другие природные явления, социальное окружение, трудовая деятельность, образование, воспитательные меры и т. п.), общий ритм и режим жизни, качество питания, активность нервной системы, гормональные регуляторы клеток, внутриклеточные мессенджеры и модуляторы активности генов. В этом же ряду стоят все окружающие нас живые организмы, в том числе паразиты, микробы, вирусы.

В результате клетки и сами организмы могут иметь разную скорость размножения и роста, разную продолжительность жизни, разную интенсивность синтеза белков и, следовательно, разное проявление всех жизненных функций.

Например, даже у однояйцовых близнецов, с абсолютно одинаковым генотипом, со временем выявляются фенотипические различия (рост, мышечная сила, структура кожи, трудовые навыки и др.), если они выросли в разных условиях, допустим — в городе и деревне. Вся совокупность внешних относительно генотипа условий и регуляторов — от природно-климатических до нейрогормональных и внутриклеточных — и составляет сложную эпигенетическую программу развития, поскольку все эти факторы существенно влияют на генную активность, стимулируя одни гены и подавляя другие.

Из сказанного следуют важные определения: фенотип — это совокупность всех признаков и свойств организма, формирующихся в процессе взаимодействия его генотипа (генетической структуры) и внешней среды; в фенотипе никогда не реализуются все генетические возможности; в конкретных условиях развивается конкретный фенотип.

Таким образом, в развитии фенотипа, то есть конкретного организма со всеми его индивидуальными свойствами, имеет место единство генетического и эпигенетического начал, проявляющих себя на разных уровнях организации жизни — молекулярногенетическом, клеточном, организменном. На вопрос: что первично, курица или яйцо? — должен последовать ответ: первично и конечно единство яйца (генотипа, программы) и курицы (фенотипа, сомы).

Результатом этого единства является развивающийся организм. Самовоспроизведение и индивидуальное развитие — неотъемлемое свойство и способ существования организмов. Это свойство составляет основную суть онтогенетического уровня организации живой материи. Возвращаясь к истории вопроса о движущих силах развития, можно видеть, что противоборствовавшие сторонники преформизма и эпигенеза отражали «две стороны одной медали».

Индивидуальное развитие организма детерминировано («преформировано») на уровне генетической информации, в молекулах ДНК, в генах. Но развитие находится под многосторонним эпигенетическим контролем и управлением. Единство генетических и эпигенетических факторов развития можно трактовать как единство преформизма и эпигенеза. Философ сказал бы и был бы прав, что развитием движет единство и борьба противоположностей. Другой добавил бы, что развитие есть переход количества в качество, имея в виду увеличение числа клеток, их дифференциацию и последующую интеграцию в единый организм с помощью нейрогуморальной системы. Третий заметил бы, что онтогенез совершается циклично, а точнее — по спирали, так как в каждом новом витке индивидуального развития есть нечто новое по сравнению с предыдущим витком родителей. Это и комбинативные генетические изменения, связанные с половым процессом, и возможные новые мутации, полученные в прежней жизни.

Список использованных источников

• 1. Биология для поступающих в вузы (под ред. В.Н. Ярыгина). М.: Высшая школа, 1995.
• 2. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология: в 3 томах. М.: Мир, 1990.
• 3. Кэмп П., Армс К.

  Введение

  в биологию. М.: Мир, 1998.

• 4. Общая биология. Учебник для 10−11 классов с углубленным изучением биологии в школе (под ред. В. К. Шумного, Г. М. Дымшица, А.О. Рувинского). М.: Просвещение, 1995.
• 5. Биологический энциклопедический словарь (гл. ред. М.С.Гиляров). М.: Советская энциклопедия, 1986.
• 6. Горелов А. А. Концепции современного естествознания. М: Центр, 1997.
• 7. Заренков Н. А. Теоретическая биология. М.: МГУ, 1988.
• 8. Кузнецов В. И., Идлис Г. М., Гутина В. Н. Естествознание. М., 1996.
• 9. Медников Б. М. Аксиомы биологии. М.: Знание, 1982.