Формирование биологических организмов

РЕФЕРАТ

ФОРМИРОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОРГАНИЗМОВ

Передача наследственной информации

Живая природа поражает нас многообразием форм, но отдельные биологические виды отличаются постоянством формы, воспроизводя ее снова и снова в неизменном виде. Это значит, что возникновение формы должно быть подчинено строгим правилам. Но каким, собственно, образом вообще возникает форма, и как становится возможным упорядочивание этого возникновения? Простейшим ответом на эти вопросы будет ссылка на наследственность. Ведь нам прекрасно известно, что телесные — и, несомненно, духовные — свойства и качества передаются по наследству, а значит, должен существовать какой-то материальный носитель этих свойств, какое-то химическое вещество. Химики наградили этот носитель сложным именем «дезоксирибонуклеиновая кислота», сокращаемым обычно до ДНК. Молекула ДНК представляет собой две молекулярные цепочки, закрученные одна вокруг другой в спираль, за что и называется иногда двойной спиралью (Рис. 1). В каждой цепочке, как в нитке бус, состоящей из разноцветных жемчужин, выстроены друг за другом в порядке, кажущемся совершенно произвольным, химические соединения четырех различных типов (Рис. 2). Полные названия этих четырех соединений большинству из нас мало что скажут; здесь мы назовем их по первым буквам их кратких названий: А (аденин), Ц (цитозин), Г (гуанин) и Т (тимин). (Сами названия нам больше не понадобятся, поэтому запоминать их не обязательно.) Для усиления аналогии с цветными бусами присвоим каждому типу соединений определенный цвет.

Рис. 1. Образующие двойную спираль молекулярные цепочки ДНК. Вверху схематически показан продольный разрез, внизу — объемная модель

Молекула ДНК «воспроизводится» в клетке подобно тому, как на фотографии воспроизводится негатив. При этом посредством определенной химической реакции возникает молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК). Каждый отдельный элемент ДНК (А, Ц, Г или Т) переходит при этом в соединение нового типа.

Элементы молекулярной цепочки группируются по три, например: ГАУ, ЦЦУ, ГЦУ, УУУ

Последовательность элементов в группах представляет собой своего рода код, определяющий порядок выстраивания в молекуле белка отдельных аминокислот (Рис. 3).

Рис. 2. В каждой цепочке элементы молекулы следуют друг за другом, подобно жемчужинам в бусах

Рис. 3. Кодоны, или триплеты молекулы РНК

Наличие в определенной цепочке РНК последовательности, допустим, ГАУ-ЦЦУ-ГЦУ-УУУ является своего рода письменным приказом для клетки, звучащим приблизительно так: «строй белок (протеин), и на первое место поставь аминокислоту аспарагин, на второе — аланин и т. д.» Таким образом, РНК руководит внутриклеточным синтезом. Каждый триплет из оснований А, Ц, Г и У представляет собой отдельную единицу информации, некое кодовое слово, или кодон. Молекулы ДНК и РНК содержат (в зависимости от того, о каком биологическом организме идет речь) от нескольких десятков до многих миллионов таких кодонов: ими можно заполнить не только целую страницу (Рис. 4), но и целую книгу (запись ДНК человека). Напрашивается идея о том, что с помощью ДНК от организма к организму передается некое руководство к действию (или даже что-то вроде строительного плана). Или, используя другую метафору, ДНК — это магнитная лента, которая сохраняет и впоследствии воспроизводит какую-либо мелодию.

При ближайшем рассмотрении подобного представления о наследственности вновь возникают определенные проблемы. Составляя действительный строительный план, невозможно обойтись без огромного количества разнообразных инструкций и предписаний. К примеру, в них должно быть точно указано, где именно в развивающемся организме положено находиться каждой клетке и какими именно характеристиками каждая из этих клеток должна быть наделена. А теперь попытайтесь мысленно представить, какое количество подобных предписаний — или, как выражаются специалисты, какой объем информации — необходимо иметь для того, чтобы «выстроить» живой организм: очень скоро вы доберетесь до числа, соответствующего такому количеству информации, которое не способна в себя вместить никакая молекула ДНК. Возвращаясь к сравнению ДНК с книгой, можно сказать, что для «строительства», например, человека потребовалась бы колоссальная библиотека. Следовательно, Природа должна была разработать методы, позволявшие реализовать «планы» любой сложности, обходясь при этом куда меньшими объемами информации. Должен, очевидно, существовать некий закон, согласно которому из имеющейся структуры ДНК развивается соответствующий организм.

Рис. 4. Пример последовательности оснований в молекуле ДНК вируса

Возвращаясь к вышеприведенной аналогии, можно сказать, что если молекула ДНК — это магнитная лента, предназначенная для сохранения и воспроизведения определенных сигналов, то должно наличествовать что-то, что выполняло бы функции собственно магнитофона, преобразующего эти сигналы в мелодию с одним, правда, существенным отличием: все указывает на то, что Природа преобразует сигналы ДНК немыслимо хитроумным способом, «диктуя» в некотором смысле только музыкальную тему и предоставляя детальную разработку этой темы «магнитофону», т. е. развивающемуся организму. В этом свете высказанное выше положение о содержании в ДНК совершенно определенной информации начинает выглядеть несколько сомнительным. Содержание ДНК определяется окружающей средой, в которой молекулам ДНК (или РНК) приходится «воспроизводить» свою тему. Возьмем для примера крайний случай: если поместить ДНК или РНК в кучу сахарного песка, то не произойдет ровным счетом ничего. Зато некоторые молекулы этих веществ уже могут «поработить», подчинить себе определенные бактерии, принудив их производить инсулин.

Образование биологических форм

Прежде чем заняться этим вопросом вплотную, обратимся к экспериментам, которые помогут нам разобраться в механизмах образования форм организмов (и отдельных органов). Для таких целей в биологии — так же, как и в других науках — обычно применяется какая-либо «модельная система», отличающаяся относительной простотой и потому удобная для изучения. Наибольшую известность приобрели две таких модельных системы: миксомицеты и гидры.

Миксомицеты (или слизевики) — грибообразные организмы, обитающие в верхних слоях почвы и в обычном состоянии представляющие собой скопление клеток, сходных по форме с амебами. Если питание отдельных клеток оскудевает, то происходит следующее: клетки — словно повинуясь тайному приказу — внезапно скапливаются в одном месте и образуют так называемые ножку и спороноситель (Рис. 5). Впрочем, миксомицеты и после этого остаются способны к передвижению, которое напоминает движение змей (Рис. 6). Уже первая фаза — сосредоточение в одном месте — в высшей степени интересна. Откуда отдельным клеткам становится из вестно место сбора? Каким образом они вообще узнают о том, что должны где-то собраться? Биологи обнаружили, что клетки способны производить особую субстанцию — так называемый циклический адснозинмонофосфат, или ц-АМФ, — и обмениваться ею. Как только клетка получает от одной из соседних клеток порцию ц-АМФ, она усиливает и собственное выделение этого вещества; взаимодействие такого эффекта усиления и диффузии порождает структуру, аналогичную химическим волнам или спиралям (Рис. 7). Отдельные клетки способны «регистрировать» градиент плотности возникающих в процессе волн ц-АМФ и движутся в направлении, противоположном направлению распространения этих волн. Для передвижения клетки используют крошечные псевдоподии.

Рис. 5. Здесь схематично представлены «стадии» развития миксомицета от отдельных клеток-амеб до образования гриба

Рис. 6. Миксомицсты, или слизевики

Рис. 7. Спиралевидные волны ц-АМФ

Приведенный пример наглядно показывает, что образование таких структур, как спирали или концентрические круги, может совершенно аналогично протекать как в неживой (в ходе химических реакций), так и в живой природе. Фундаментальная причина этого сходства заключается в том, что в основе подобных процессов лежат всегда одни и те же закономерности изменения параметра порядка, определяющие макроскопическое поведение наблюдаемых структур.

После того как отдельные — причем совершенно одинаковые — клетки соберутся в одном месте, начинается новый процесс, легко поддающийся наблюдению; причины происходящего, однако, еще не до конца ясны. Клетки скапливаются в одном месте, при этом происходит их дифференциация: часть скопления преобразуется в ножку гриба, остальные же становятся его шляпкой. Возможно, ц-АМФ играет решающую роль и в процессе дифференциации клеток; впрочем, соответствующие исследования еще не завершены. Все же приведенный пример дает весьма наглядное представление о том, каким образом отдельные клетки «договариваются» между собой при помощи особого химического вещества. Этот результат пригодится нам в дальнейшем, когда мы займемся непосредственно образованием структур.

Пожалуй, наиболее широко известным примером модельной системы в биологии может служить гидра. Речь идет о пресноводном полипе размером всего в несколько миллиметров; среди нескольких сотен тысяч клеток, из которых состоит гидра, можно выделить чуть больше дюжины типов. У гидры имеется подошва и голова (т. е. противоположный подошве конец, на котором расположено ротовое отверстие). Интересует нас прежде всего следующий вопрос: откуда недифференцированные изначально группы клеток узнают, где должно быть образовано ротовое отверстие, а где — подошва? В духе обсуждавшейся ранее идеи о существующем заранее «строительном плане» можно предположить, что каждая клетка к началу «строительства» оказывается уже проинструктирована насчет того, чем именно ей предстоит стать.

Рис. 8. Регенерация гидры. Слева схематично изображено нетронутое тело гидры, в середине — рассеченное на две половины, а справа — уже две новые гидры, и у каждой из них имеется и ротовое отверстие, и подошва

Гидру можно использовать для проведения очень интересного эксперимента (Рис. 8). Разрезав гидру посередине, мы получим две новые гидры: недостающая часть каждой половины быстро регенерируется. Это означает, что совершенно одинаковые клетки могут развиться в абсолютно различные органы, т.с. клетки должны каким-то образом получить инструкции, которые определят их местоположение и укажут назначение. Другими словами, клетки должны суметь сохранить информацию о своем положении. О задействованных в этом механизмах дают представление следующие эксперименты.

Головную часть одной гидры пересаживают в среднюю часть другой гидры. Если пересаженная часть оказывается близко к голове гидры-реципиента, то рост новой головы подавляется, если же удаление это достаточно велико, то из пересаженной части образуется совершенно новая голова. Очевидно, клетки каким-то образом сообщаются между собой в том смысле, что существующая голова оказывается способна позаботиться о том, чтобы рядом с ней не выросла вторая.

Микроскопические структуры на молекулярной основе

На примере миксомицетов мы увидели, что сообщение между отдельными клетками на расстоянии может осуществляться благодаря диффузии химических веществ. Модели же для объяснения процесса дифференцирования клеток были предложены математиками (в частности, Аланом М. Тьюрингом) еще раньше. Чтобы разобраться в этом вопросе, рассмотрим две первоначально отделенные друг от друга клетки, в которых протекают одни и те же химические реакции (Рис. 9). В результате этих реакций происходит образование молекул типа А, часть которых, впрочем, затем снова расщепляется, так что в конечном счете возникает равновесная концентрация. Естественно, предполагается, что в обеих клетках концентрация молекул типа А одинакова. Теперь допустим, что химические вещества могут передаваться в двух направлениях: и от первой клетки ко второй, и наоборот (Рис. 10). Такой обмен может привести к тому, что состояние равновесия (равной концентрации химических веществ) между клетками становится неустойчивым. Лучше всего это можно продемонстрировать при помощи, так называемой, синергетической кривой, т.е. модели шарика, движущегося по холмистому ландшафту. Если шарик из точки неустойчивого равновесия скатывается влево, это означает, что концентрация молекул типа А повышается в левой клетке; в противном случае повышение концентрации происходит в правой клетке. Малейшая начальная флуктуация при производстве молекул типа А в ходе химических реакций определяет, в которой из двух клеток концентрация этого вещества окажется выше. В изолированных клетках концентрация молекул типа А одинаково высока, т.е. в обеих клетках молекулы распределены симметрично; в клетках, связанных друг с другом, равномерного распределения не наблюдается, т.с. симметрия нарушается. Такое пространственное нарушение симметрии очень важно в современных теориях формообразования. Многие исследователи продолжили разработку принципиальной идеи Тьюринга, используя при изучении химических процессов специальные модели с большим количеством клеток, обеспечивающие непрерывное протекание исследуемого процесса.

Рис. 10. Теперь клетки с Рис. 9 сообщаются друг с другом, благодаря чему между ними стал возможен обмен веществом. Такой обмен в совокупности с протекающими в каждой клетке процессами приводит к неравномерному распределению концентрации вещества. Даны оба случая нарушения симметрии, соответствующие двум возможным положениям шарика на синергетической кривой

Альфред Гирср и Ганс Мейнхардт разработали очень подробную математическую модель, способную объяснить, например, процесс регенерации у гидры. Речь идет, в частности, о том, каким образом изначально не дифференцированные группы клеток могут затем образовать с одного конца гидры ротовое отверстие, а с другого — подошву. Представим себе по-прежнему недифференцированную группу клеток, в которых производятся два разнородных химических вещества. Первое вещество активизирует клетки, «побуждая» их к образованию головы, поэтому мы назовем его активатором. Однако нам также известно, что процесс образования головы может быть и подавлен. На основании этого можно постулировать существование вещества, препятствующего образованию головы, дезактивирующего или подавляющего процесс; назовем такое вещество «ингибитором».

Рис. 9. В одинаковых, но не связанных между собой клетках образуется одинаковая концентрация химического вещества

Теперь представим себе, что сначала клетки равномерно производят и активатор, и ингибитор, так что оба вещества могут свободно диффундировать внутри группы клеток, а также вступать в реакцию друг с другом. При возникновении в результате химической реакции определенного критического количества некоторого вещества (например, активатора) наблюдается образование некоторой упорядоченной структуры. Это может произойти при возникновении даже минимальной разницы в концентрации, как показано на схеме (Рис. 11). Согласно сегодняшним научным представлениям, высокая концентрация активатора способна «включать» гены отдельных принадлежащих данной группе клеток; гены же, в свою очередь, способствуют такой дифференциации клеток, в результате которой образуется новое ротовое отверстие. Протекающие при этом процессы полностью соответствуют общей схеме, известной в синергетике. Образующаяся в итоге структура представляет собой параметр порядка, который, с одной стороны сам возникает в ходе взаимодействия химических веществ, а с другой стороны — он же и управляет течением каждой отдельной реакции, в результате чего и возникает та или иная специфическая структура.

Поведение параметра порядка в этом примере можно проиллюстрировать двумя способами, как и во всех предыдущих случаях. Во-первых, соответствующей пространственной или временной моделью; во-вторых, используя точные расчеты. Как только мы опишем фундаментальные процессы в форме уже упоминавшихся ранее уравнений диффузии, синергетические методы позволят нам получить результирующее распределение концентраций. Как мы вскоре увидим, одинаковые пространственные структуры могут возникать даже в результате совершенно различных процессов (Рис. 12).

Рис. 11. Распределение концентрации биомолекул. Слева — незначительная концентрация; справа — высокая концентрация

Гипотетическое поначалу существование веществ, названных нами активаторами и ингибиторами, получило тем временем экспериментальное подтверждение. В случае с гидрой были обнаружены активаторы и ингибиторы для ротового отверстия и для подошвы. По всей видимости, подобные вещества широко распространены в природе. Так, например, было доказано их наличие у морских анемон; более того, активаторы и ингибиторы играют важную роль и в формировании нервной системы млекопитающих. Уже некоторое время назад было обнаружено вещество, влияющее на рост нервных волокон; оно вырабатывается клетками и диффундирует затем сквозь клеточную оболочку, «привлекая» к себе нервные волокна, выходящие из других групп клеток, побуждая их к росту и управляя ими таким образом, что нервные волокна растут в направлении к расположенным снаружи областям тела.

Рис. 12. Изменение концентрации активатора в холе реакции: математическая трехмерная модель, с помощью которой исследовалась взаимосвязь между повышением концентрации активатора и возникновением пространственной структуры

Существование активаторов и ингибиторов с одной стороны, и регуляция образования структур посредством макроскопического параметра порядка — с другой, позволяет (по крайней мере, в принципе) объяснить множество феноменов: это и полосы у зебр, и образование почек на стеблях (Рис. 13), и многое-многое другое. Несомненно, мы находимся пока лишь в самом начале долгого пути, который когда-нибудь приведет нас к пониманию того, как образуются столь сложные органы.

Рис. 13. Математическая модель образования почек

Природа даст возможность отдельным частям растущего организма поддерживать между собой сообщение и согласовывать друг с другом свои действия. Отдельные части организма образуются не по установленному плану — во всяком случае, в этом нет ничего похожего на сборку человеком какого-нибудь электронного прибора. В возникновении, например, нервных трактов между органами чувств и мозгом принимают участие процессы самоорганизации: именно на это указывают эксперименты, в ходе которых нервная связь между глазом и мозгом лягушки сначала прерывалась, а затем вновь восстанавливалась. После сращивания нервных волокон могло обнаружиться, например, что часть мозга воспринимает теперь окружающий мир перевернутым с ног на голову. Однако через некоторое время лягушка снова оказывалась способна к нормальному восприятию, что становилось ясно по ее поведению (например, по тому, как она ловила мух). Функциональные связи изменялись таким образом, что снова могла осуществляться единая «верная» схема передачи информации от глаза к мозгу. Основной вопрос при этом сводится к выяснению того, каким образом зрительные клетки глаза уже во время роста организма оказываются связаны с соответствующими нервными клетками мозга. При более тщательном анализе экспериментов, о которых уже упоминалось выше, выяснилось, что соединения между глазом и мозгом возникают посредством самоорганизации. Как показывают модельные расчеты, проведенные Кристофом фон дер Мальсбургом, и здесь этот процесс протекает по принципу конкуренции, в соответствии с которым каждый «верно» функционирующий участок усиливается, а те нервные волокна, что передают в мозг «неверное» изображение, подавляются. «Верное» (и «неверное») в данном случае определяется исходя из того обстоятельства, что изображение окружающего мира, воспринимаемое каждой зрительной клеткой, должно передаваться клеткам каких-то конкретных зон головного мозга. Кооперация и сосуществование с одной стороны, и конкурентная борьба — с другой оказываются, таким образом, явлениями, присущими отнюдь не только макроскопическому животному миру; эти же принципы лежат в основе развития отдельных организмов.