равного размера, то фрагмент, ближе всего расположенный к головному отделу (дистальпый конец), наиболее быстро и полно образует новый головной конец, а фрагмент, взятый из самой нижней части стебля (проксимальный конец),— наиболее медленно. Другими словами, вдоль всего стебля существует градиент способности к образованию нового головного отдела. Кроме того, если в одном участке стебля регенерирует повый головной отдел, то его образование в другом участке подавляется. Например, на фрагменте стебля умеренной длины образуется только один новый головной отдел, причем всегда только в области разреза на дистальном конце фрагмента. Однако если воспрепятствовать регенерации головного отдела на дистальном конце, надев на него стеклянный колпачок, то головной отдел возникнет из проксимального конца (хотя медленнее, чем из дистального). Избежать действия одного конца фрагмента на другой можпо двумя способами: 1) использовать достаточно длинный фрагмент ствола, чтобы оба конца находились на значительном расстоянии друг от друга, и 2) путем физиологического разобщения двух концов. Последнее можно осуществить, перевязав фрагмент ствола посередине и предотвратив тем самым перемещение веществ и клеток. При этом головные отделы регенерируют на обоих концах фрагмента, причем никаких конкурентных отношений не отмечено.

Это явление характерно и для других развивающихся систем. Примером может служить развитие задней конечности у куриных зародышей. Как будет описано в гл. 10, копечность возникает в виде небольшого выроста в определенном участке боковой поверхности зародыша. Показано, что окружающие участки также могут образовать конечность. Почему же конечность образуется именно

Дистальный^ конец

Дистальный конец ~

Г

А. Дистальные фрагменты развиваются быстрее и полнее проксимальных. Б. Короткие фрагменты образуют новый головной отдел только на дистальном конце. Длинные — и на дистальном, и на проксимальном. В. Если воспрепятствовать регенерации головного отдела на дистальном конце короткого фрагмента, то он образуется на проксимальном. Г. Если дистальный и проксимальный концы короткого фрагмента разделить, то регенерируют два головных отдела.

там, где она образуется, и почему другие участки, из которых она может развиться, в норме не образуют конечности?

Система, в которой в определенном направлении могут развиваться многие части, но в действительности развивается только одна, называется морфогенетическим полем. Мы подробно рассмотрим эту систему в следующем разделе. Доминирование одной части поля над другой обеспечивает упорядоченность развития. Благодаря этому у полипа образуется один головной отдел имеппо там, где он должен быть, а у цыпленка образуются также на своих местах один хвост, два крыла и две задние конечности. Кроме того, морфогенетическое поле обеспечивает лабильность, поскольку, если по каким-либо причинам доминирующая область морфогепе-тического поля разрушится, ее заменит соседняя. У кишечнополостных, например, головной отдел в норме образуется только из верхней части стебля. Но если головной отдел случайно разрушится, то из нижележащих тканей образуется новый.

Морфогенетические поля

В современном виде концепция морфогенетического поля была сформулирована американским эмбриологом Ч. М. Чайлдом. Чайлд первым обнаружил, что в морфогенетических полях одна область доминирует над другой благодаря преимущественной способности образовывать данную структуру и подавлять ее образование в соседней области. Чайлд и его ученики описали много примеров образования поля при регенерации кишечнополостных, плоских червей и морских звезд, а также в эмбриональном развитии. Так, мы говорим о полях головы, конечности, хвоста, сердца и т. д. Для того чтобы понять, чем обусловлено доминирование одной области над другой, делались попытки математического описания морфогенетических полей. Ниже приводится одна из таких попыток.

Рассмотрим группу клеток стебля кишечнополостных, которые могут образовать головной отдел. Разделим эту группу клеток на две отдельные области. Насколько быстро клетки ствола каждой области образуют головной конец, будет зависеть от их способности превращаться в клетки головной области (потенции развития), а также от числа имеющихся клеток. Это можно записать следующим образом:

Скорость развития /Потенция\ /Число клеток\

головного отдела ^развития) \ стебля / * ^

Скорость развития головного отдела в области I может быть больше, равна или меньше, чем в области II, в зависимости от относительных потенций клеток и от их числа в каждой области. Однако различий в потенциях развития недостаточно для создания морфогенетического поля, так как если изолировать обе области друг от друга, то каждая образовала бы головной отдел со свойственной ей скоростью и ни одна из них не доминировала бы. Для возникновения поля необходимо взаимодействие этих областей друг с другом.

Предположим, что развивающиеся клетки головного отдела выделяют вещества, которые подавляют способность других клеток к образованию головного отдела. Прежде всего клетки в области I,' которые уже участвовали в формировании головного отдела, будут подавлять превращение остальных клеток этой области. Степень подавления будет зависеть от чувствительности клеток стебля в области I к подавляющему действию клеток собственного головного отдела (ауточувствительность) и от числа клеток головного отдела, образующих подавляющие вещества. Это подавляющее влияние необходимо вычесть из скорости развития головного отдела. Таким образом, получим следующее уравнение:

Скорость развития головного __ /Потенции Число клеток

отдела, в области I развития стебля в

\области I области I

Ауточувстви- Число клеток \

тельность в X головного отдела (2)

области I в области I /

Согласно этому уравнению, скорость развития будет очень высокой в начале формирования головного отдела. Затем по мере его развития и вовлечения в этот процесс все большего числа клеток будет образовываться все больше подавляющего вещества и значительно снижаться скорость вовлечения дополнительных клеток стебля в процесс образования головного отдела. В соответствии с этим число клеток стебля будет уменьшаться, поскольку они будут превращаться в клетки головного отдела, то есть первый член правой части уравнения будет уменьшаться. В конце концов оба правых члена уравнения будут равны друг другу, а* скорость развития головного отдела — нулю (головной отдел будет полностью сформирован). В рассматриваемом случае скорость формирования головного отдела упадет до нуля, до того как все клетки стебля превратятся в клетки головного отдела. В конце концов даже для математика головной отдел кишечнополостного выглядел бы довольно глупо без поддерживающего его стебля.

Теперь предположим, что обе области находятся в контакте друг с другом (например, если обе головы связаны общей полостью и омываются одной и той же полостной жидкостью). В этом случае клетки головного отдела области II будут оказывать подавляющее влияние на преобразование клеток стебля I области таким же образом, как это описано выше. Другими словами, скорость развития I области будет снижаться пропорционально чувствительности

ее клеток к подавляющим веществам вырабатываемым клетками головного отдела II области (гетерочувствительность), и числу клеток головного отдела во II области. В результате скорость развития головного отдела в I области будет выражена следующим уравнением:

(3)

Это же уравнение справедливо для скорости развития II области.

Теперь возникнет вопрос, каким образом I область может доминировать над II и препятствовать ее преобразованию в головной отдел. Это может быть осуществлено несколькими способами.

1 Я описал взаимодействие между I и II областями как результат образования подавляющих веществ. Можно представить себе, что это взаимодействие обусловлено конкуренцией за питательные вещества, необходимые для развития. И в этом случае II область будет подавлять развитие I области, поглощая питательные вещества, и наоборот. Для математического описания этой системы не существенно, каким образом одна область будет действовать на другую — образуя подавляющие вещества или поглощая пи-тательныр:

1. Потенции развития клеток I области могут быть значительно выше или в этой области может быть значительно больше клеток. В любом случае образование головного отдела в этой области, а следовательно, и выделение подавляющих веществ произойдет настолько быстро, что во II области не начнется процесс формирования головного отдела.

2. Клетки I области могут быть очень устойчивыми к аутоин-гибированию, или подавляющие вещества могут удаляться благодаря быстрой циркуляции жидкости, а клетки II области могут быть очень чувствительными к подавляющим веществам, или подавляющие вещества могут не удаляться из этой области.

3. Гетерочувствительность клеток I области может быть незначительной, а клеток II, наоборот, очень большой.

4. Даже если в обеих областях одинаковы и потенции развития, и чувствительность к ингибиторам, и число клеток, I область может доминировать благодаря тому, что в ней формирование головного отдела началось раньше, чем в области II. Клетки образующегося головного отдела будут тормозить развитие IP области.

Любая из этих причин или их сочетание обеспечивает доминирование I области.

Проблема морфогепетических полей интенсивно разрабатывалась биологами в начале нашего столетия, но в последние 20 лет интерес к ней несколько снизился. Это, по-видимому, связано с тем, что исчерпаны основные подходы к решению этой проблемы, а возможности генетики и биохимии еще не так велики, чтобы идентифицировать действующие факторы и охарактеризовать поток информации в реагирующих клетках.

В недалеком будущем интерес к этой проблеме, по-видимому, возродится. Молодые биохимики и молекулярные биологи уже почувствовали, что эти проблемы очень интересны, и начинают серьезно ими заниматься. Для решения зтих проблем они объединяются с физиками и математиками, использ