Гены и развитие организма

Придумывать определения в биологии — неблагодарная задача. Очень часто, давая определение биологическому явлению, мы сталкиваемся с неизбежной нестрогостью, произвольностью, с необходимостью тут же что-то дополнительно разъяснить, оговорить, привести исключения. Биолог вряд ли сможет дать однозначные и общепризнанные определения таким важнейшим понятиям, как вид, клетка, ген, хотя, употребляя эти слова, он, как правило, хорошо понимает, о чем идет речь. Кроме того, определение биологического понятия часто не является исчерпывающим и само по себе не позволяет составить представление о существе явления. Попробуйте, например, на основе тех или иных определений решить, являются ли вирусы живыми существами или только сочетанием сложных молекул. Задача кажется непростой. А вместе с тем для биолога очевидна ее бессмысленность: не так важно, за что принимать вирусы, как выяснить их организацию и что с ними происходит в клетке.

Поэтому цель этой главы не в том, чтобы вспомнить старые или придумать новые определения биологическому понятию «развитие». Мы хотели бы здесь рассмотреть это явление с нескольких сторон, показать место развития среди других биологических явлений, таких, например, как размножение, рост, наследственность. Нам хотелось бы обсудить роль и место процессов развития в жизни разных организмов — просто и сложно устроенных. Наконец, мы предполагаем в этой первой главе разъяснить смысл заглавия этой книги, пли, говоря языком современной биологии, представить развитие как процесс реализации генетической информации.

1. Размножение — это рост, наследственность и развитие

Размножение — одно из самых специфических и самых сложных свойств жизни. Это и естественно, так как в эволюции отбор идет именно на эту способность: в борьбе за существование побеждают те организмы, которые размножаются лучше других, т. е. оставляют больше потомков, способных дожить до взрослого состояния и, в свою очередь, оставить потомство. Такая направленность отбора приводит к тому, что все особенности строения и поведения организма в конечном счете служат для размножения. Пример этому — многие насекомые: некоторые бабочки, поденки, оводы. Их взрослые формы не питаются, а появляются на несколько дней для того, чтобы осуществить оплодотворение и отложить яйца.

Известно много способов размножения: простое деление, образование отростков или почек (вегетативное размножение), размножение спорами, семенами, яйцами. И тем не менее их объединяют некоторые общие закономерности, характерные для всех способов размножения.

Первым составным элементом размножения является рост. Действительно, без роста любой способ размножения быстро привел бы к измельчанию потомков и процесс прекратился бы сам собой. В одних случаях организм растет на всем протяжении жизненного цикла. Можно сказать, что вся жизнь амебы состоит только из роста и делений. В других случаях существуют периоды, когда роста нет. Так, зародыш лягушки содержит практически то же количество белка, которое имелось в яйце. И оно не изменяется до тех пор, пока не образуется головастик, способный к самостоятельному питанию, а следовательно, и к росту. А например, во всем жизненном цикле бабочек рост происходит только на одной стадии развития — у гусеницы.

Вторым необходимым условием размножения является наследственность, т. е. способность потомства воспроизвести своих родителей. И хотя под словами «размножение» и «наследственность» мы имеем в виду разные свойства живых организмов, они, по существу, говорят об одном и том же явлении. Действительно, и размножение и наследственность подразумевают увеличение числа таких же организмов, но размножение акцентирует внимание на увеличении числа, а наследственность — на их сходстве между собой и с родительскими организмами. Сходство родителей и потомства основано на большом сходстве или даже тождестве молекул, из которых состоят их клетки. Следовательно, аппарат наследственности — это механизм поддержания такого сходства молекул. Теперь мы хорошо знаем, что этот механизм основан на том, что родители и потомки имеют одинаковые молекулы ДНК, которые способны к самоудвоению (репликации). Сходство ДНК, в свою очередь, определяет сходство белков, а они — синтез всех других типов молекул, а следовательно, сходство клеток и в итоге сходство организмов.

Наконец, третьим элементом размножения является развитие, которому и посвящена настоящая книга. Развитие не всегда сопутствует размножению. Его почти нет у большинства, хотя и не у всех, одноклеточных. Развития фактически нет, если размножение состоит только из роста и деления, а разделившиеся дочерние клетки отличаются от родительской лишь меньшими размерами. В полной мере это относится, например, к амебе и к большинству бактерий. Для размножения без развития необходимо, чтобы при делении организация клетки не утрачивалась. Это предполагает определенную простоту — делимость организации. Поэтому размножаться почти без развития могут только организмы с самым примитивным строением. Очевидно и обратное: чем сложнее организм, тем сложнее его развитие.

Большинство многоклеточных организмов устроено так, что они не могут разделиться, не утратив своего строения. Размножение у них обычно начинается с одной клетки — яйца, которое, естественно, не только меньше родительского организма, но и совсем иначе и гораздо проще устроено. Его последовательные изменения и превращение в организм, подобный родительскому, и есть развитие. При вегетативном размножении многоклеточных животных, например при почковании пресноводной гидры, тоже происходят более или менее сложные преобразования, т. е. настоящее развитие. Вегетативное размножение растений также включает определенные элементы развития — образование корней, листьев и т. д.

Развитие является рядом последовательных изменений организма, т. е. проходит через несколько стадий, отличающихся одна от другой. Это означает, что в ходе развития изменяются свойства клеток, а следовательно, и состав молекул, из которых они образованы. Закономерное изменение состава синтезируемых молекул, в первую очередь белков, предполагает достаточно сложную регуляцию работы наследственного аппарата: по мере развития последовательно реализуется то одна, то другая часть генетической информации. Кроме того, каждая стадия развития должна быть приспособлена к окружающей среде, так как подвергается давлению естественного отбора. Все это требует специальных эволюционных приобретений, от которых избавлены почти все одноклеточные организмы, размножающиеся без развития. Но зато эволюция таких одноклеточных постоянно ограничена необходимостью иметь достаточно простую, т. е. делимую, организацию.

Хотя элементы развития встречаются и у одноклеточных, возникновение в эволюции «настоящего» развития, естественно, совпадает с появлением многоклеточности. Многоклеточность позволила организму разделиться на половые клетки и клетки, осуществляющие все остальные функции. Такая специализация, очевидно, способствует размножению, так как половые клетки могут приобрести строение, наиболее пригодное для их последующего развития. С другой стороны, специализация остальных (соматических) клеток открывает путь для создания безграничного разнообразия строения, для эволюционного прогресса и высоких приспособительных возможностей. Определенные эволюционные преимущества открывает и возможность экологической специализации различных этапов развития. Разные стадии развития могут проходить в различных средах с использованием разных источников питания. Так, у амфибий головастики живут в воде и питаются растительной пищей, а лягушки — обычно на суше и питаются животной пищей. В одних случаях, как, например, у млекопитающих, основное время жизни приходится на взрослый организм, а в других, как у майского жука, взрослая стадия живет лишь несколько дней, а рост и годы развития приходятся на личинку. Эти примеры показывают, что с появлением многоэтапного развития эволюция получает возможность как бы «маневрирования» экологическими нишами и их более полного использования.

Необходимость развития, естественно, замедляет процесс размножения, но это компенсируется тем, что в течение жизни сложно устроенный организм может произвести много половых клеток, а его высокая организация может обеспечить лучшую сохранность потомства.

2. Элементы развития у одноклеточных

Жизненный цикл обыкновенной пресноводной амебы предельно прост: она растет, увеличивается вдвое и через некоторое время делится на две дочерние клетки, каждая из которых при наличии пищи проделывает тот же путь. За время этого цикла происходят только количественные изменения — удвоение хромосом и соответственно количества ДНК в ядрах и увеличение количества клеточных структур в цитоплазме. Форма амебы после деления так же непостоянна, как и до него. Таким образом, у амебы трудно найти какие-либо проявления развития.

Жизненный цикл большинства бактерий также протекает практически без качественных изменений, т. е. без развития: бактериальные клетки растут и делятся. Однако многие бактерии способны к споруляции, а потом к прорастанию — образованию из споры функционирующей бактериальной клетки. В ходе споруляции в бактериях деградируют многие виды белков и появляются новые ферментные белки, которые участвуют в синтезе особых клеточных стенок споры. Наоборот, прорастание начинается с синтеза других белков, ответственных за выход бактерии из споры и за возвращение к нормальным функциям. Эти процессы определенно являются качественными изменениями, состоящими в смене состава молекул и в изменении формы и поведения бактериальной клетки. Поэтому их можно считать развитием или, во всяком случае, элементами развития. В ходе споруляции и прорастания закономерно включаются одни и выключаются другие гены, и это может служить моделью процессов развития, происходящих на генном уровне.

Более сложно развиваются прокариотические микроорганизмы, относящиеся к актиномицетам. Они образуют ветвящиеся нити — мицелий, из-за чего их раньше ошибочно относили к грибам. Многие актиномицеты в неблагоприятных условиях формируют особые выросты — гифы, в которых происходит образование спор. Споры у актиномицетов служат не только способом переживания, как у других бактерий, но и способом массового размножения. У некоторых актиномицетов образуются подвижные зооспоры со жгутиками. Существуют специальные гены, ответственные за спорообразование. Таким образом, и в этом случае можно говорить о некотором элементарном развитии.

Жизненный цикл у более высокоорганизованных эукариотических одноклеточных, например инфузорий или жгутиковых, не так примитивен, как у амебы. При вегетативном размножении они также увеличиваются в размерах и делятся на две дочерние клетки, которые почти не отличаются от материнской. Однако инфузории имеют сложный ротовой аппарат, который образуют реснички, расположенные в области глотки. При делении происходят преобразования, в результате которых у инфузории появляется второй ротовой аппарат. Таким образом, после деления возникают два одинаковых организма. Многие инфузории перед размножением формируют цисты, в которых происходит несколько делений клетки. При этом дедифференцируются органоиды движения, ротовой аппарат. У жгутиковых перед делением происходит удвоение особой структуры — базального тельца, из которого вырастает жгутик.

Половой процесс у инфузорий довольно сложен. В ходе него, в частности, из одного маленького генеративного ядра (микронуклеуса) вырастает большое функционирующее ядро — макронуклеус. При этом, однако, не происходит простого увеличения числа хромосом (полиплоидии), а осуществляется сложное размножение только части генов. Благодаря этому, хотя общее количество ДНК в большом ядре — макронуклеусе возрастает в десятки раз, число многих, но далеко не всех генов увеличивается в сотни раз. Это, очевидно, необходимо для того, чтобы одно ядро смогло обеспечить необходимой генетической информацией большую клетку инфузории.

Таким образом, в размножении инфузорий и других сложно организованных простейших тоже можно Видеть определенные элементы развития: образование второго ротового аппарата, второго базального тельца и жгутика, сложное образование макронуклеуса, смена вегетативного и полового размножения. Вместе с тем очевидно, что развитие это очень ограничено и может быть так названо скорее формально, чем по существу.

Примером довольно сложного и продолжительного развития может служить жизненный цикл одноклеточной водоросли ацетабулярии. После слияния двух подвижных гамет образуется зигота. Оставаясь одной клеткой, она образует корневые отростки (ризоиды) и медленно отращивает длинный, в несколько сантиметров, стебель, на конце которого вырастает довольно сложно устроенная шляпка. В конце развития ядро ацетабулярии многократно делится. Ядра мигрируют в шляпку и образуют в ней множество гамет со жгутиками, готовых к выходу в воду и к слиянию друг с другом. Развитие ацетабулярии внешне похоже на развитие многоклеточных растений — она образует сложную форму, т. е. происходит настоящее формообразование, или морфогенез.

3. Развитие колониальных одноклеточных

Жизненный цикл одного из наиболее изученных видов слизневых грибов (миксомицетов) — диктиостеллиума состоит из двух последовательных принципиально различных этапов — одноклеточного и многоклеточного. Из спор образуются подвижные клетки — миксамебы, которые питаются бактериями, размножаются делением и ведут самостоятельный, независимый друг от друга образ жизни. В условиях голодания и при достаточной концентрации миксамеб они начинают собираться вместе. Сигналом, собирающим их, служит выделение особого сигнального для миксомицетов вещества — циклической АМФ (о нем еще будет сказано). Миксамебы собираются в агрегат, в который может входить от нескольких десятков до многих тысяч клеток. Из него образуется подвижный червеобразный слизень — это уже многоклеточный организм. Этот слизень может некоторое время передвигаться, а может при подходящих условиях сразу переходить к образованию плодового тела. При этом он дифференцируется на плоское основание, базальный диск, которым прикрепляется к субстрату, на длинный стебелек и на вершине его — шарообразное тело, в котором формируются споры.

В этом случае налицо все элементы развития многоклеточных: однородные клетки дифференцируются по меньшей мере в трех направлениях — клетки основания, стебля и споры. Все они отличаются друг от друга по форме и взаимному расположению. В ходе развития плодового тела происходят значительные биохимические изменения — различные в разных его частях. Закономерно появляются и исчезают определенные ферментные белки, синтезируются различные вещества (в том числе целлюлоза, позволяющая отнести миксомицеты к миру растений), включаются и выключаются определенные гены. В отличие от одноклеточных у миксомицетов можно исследовать не только влияние генов на синтез тех или иных белков, но и более сложный и опосредованный процесс — межклеточные отношения, которые приводят к. настоящему морфогенезу — образованию сложной формы, где каждая клетка ведет себя в зависимости от ее местоположения в плодовом теле. Интересно, что формообразование не зависит от числа клеток в агрегате — соотношение размеров частей плодового тела и его форма всегда постоянны.

4. «Настоящее» развитие

Этим термином, не очень серьезным, мы называем здесь развитие многоклеточных животных. В этой книге мы почти не упоминаем растения, и это является полным произволом авторов, который может быть лишь частично оправдан тем, что развитие растений — свой, во многом загадочный мир. Значительно проще ботанику и зоологу написать две отдельные книги — о, растениях и о животных, чем пытаться объединить две науки о них в одну.

Половое размножение животных принято рассматривать начиная с яйца («ab ovo», как говорили древние), хотя дальше мы увидим, что вопрос о том, что считать началом, не так прост и ответ на него во многом произволен. Образование яиц или вообще половых клеток — гамет, как мы уже писали, следует считать чрезвычайно удачной эволюционной «находкой», поскольку позволяет одной паре родителей оставить много потомков. При этом сами родители не исчезают, как у одноклеточных. Напротив, они обеспечивают откладку яиц в оптимальных условиях, а во многих случаях и заботу о потомстве. Вместе с тем образование многоклеточного и сложно устроенного организма из одной, пусть даже большой, клетки определяет необходимость ряда последовательных этапов развития, ряда во многом независимых процессов.

Первый из них — это образование половых клеток. Как мы увидим ниже, будущие половые клетки обособляются от остальных клеток уже в самом раннем зародыше, а их формирование — сложный процесс, который сейчас хорошо исследован. В ходе образования яйца (в оогенезе) первичные половые клетки увеличиваются в тысячи, а иногда и в миллиарды раз. При этом происходят особые молекулярно-генетические процессы, отличающие образующееся яйцо (ооцит) от остальных клеток организма. Яйцо — клетка, специально организованная для осуществления развития и обладающая поэтому особым строением ядра, цитоплазмы и оболочек. Вместе с тем яйцо, как и развивающийся из него зародыш, — это самостоятельный организм, приспособленный к той среде, в которой его развитие в норме должно происходить.

Образование сперматозоида тоже достаточно сложный процесс, при котором радикально изменяются все структуры клетки и возникает компактный пакет из ДНК и особых белков, снабженный аппаратом движения и приспособлениями для вхождения в яйцо.

Вторым этапом развития или, вернее, событием можно считать оплодотворение. В принципе для развития оплодотворение не необходимо, в ряде случаев (в природе и в экспериментах) взрослый организм может образоваться из неоплодотворенного яйца (таковы, например, все самцы пчел — трутни). Но в ходе оплодотворения происходит слияние отцовской и материнской наследственности (объединение их хромосом в одном ядре), что очень важно для эволюции, так как позволяет «перемешиваться» наследственности всей популяции животных и создавать разнообразные генетические комбинации. Поэтому у абсолютного большинства видов оплодотворение является необходимым этапом развития. Для того чтобы его обеспечить, яйцо и сперматозоид особым и сложным образом приспособлены друг к другу. Кроме того, строение организмов самца и самки, их поведение в значительной степени служат тому, чтобы обеспечить процесс оплодотворения. Мы уже говорили, что созданные в эволюции строение и функции всех организмов в конечном итоге служат одной цели — размножению. Приспособленность к оплодотворению чрезвычайно важна для осуществления этой цели. У многих видов роль самца сводится только к оплодотворению.

Третьим этапом развития служит создание многоклеточности. Оно достигается так называемым дроблением оплодотворенного яйца — его последовательным делением на 2, 4, 8 и т. д. клеток, которые на ранних стадиях развития эмбриона называют бластомерами. У птиц, рептилий и рыб деления дробления охватывают не все большое яйцо, а только верхнюю его часть, свободную от желтка. Чем больше яйцо, тем больше в нем запас желтка и тем относительно тоньше слой свободной цитоплазмы на его верхнем анимальном полюсе; соответственно меньше становятся относительные размеры собственно зародыша — тонкого слоя клеток на поверхности желтка. У насекомых обычно сначала делятся только ядра в центре яйца, потом они выходят к поверхности и вокруг каждого из них образуется отдельная клетка.

Деления дробления яйца существенны не только как переход от одно- к многоклеточному организму. В результате делений дробления увеличивается число ядер и со ответственно уменьшается объем цитоплазмы, окружаю щей каждое ядро. Поэтому продукт деятельности генетического аппарата — информационные РНК оказываются в достаточном количестве для того, чтобы обеспечить интенсивный синтез новых белков. Еще более существенно то, что в ходе делений дробления ядра оказываются в разных частях яйца и могут подвергаться различным воздействиям со стороны местного цитоплазматического окружения или внешней среды. Это приводит к включению раз личных генов, т. е. определяет разную судьбу клеток, их дифференцировку в разных направлениях. И наконец, образование многоклеточного зародыша открывает возможность для раздельного поведения отдельных клеток — их перемещений, деления и взаимоотношений друг с другом, все это необходимо для построения органов.

Четвертым этапом развития можно считать клеточную дифференцировку. Этим термином в биологии развития называют два в известной степени самостоятельных явления. Дифференцировкой, или дифференциацией, зародыша называют появление в ходе развития различий между составляющими его клетками. Этим создается разделение уже многоклеточного зародыша на различные участки — зачатки (или закладки) будущих органов и тканей. По мере развития дифференцировка зародыша возрастает, т. е. он расчленяется на все большее число все меньших по раз меру групп клеток, которые сильнее отличаются друг от друга. В ходе развития каждая такая группа превращается в орган или, точнее, в часть органа — в один тип составляющих его клеток.

В другом значении, близком, но все же самостоятельном, дифференцировкой клетки называют ее изменения, происходящие по мере развития. Такие изменения, вероятно, лучше называть специализацией. Так, например, последовательно меняя свои свойства, часто делясь при этом, клетки верхней (анимальной) части раннего зародыша последовательно изменяются, становясь сначала клетками эктодермы (наружного слоя зародыша), затем клетками нервной трубки, клетками зачатка нервной ткани — нейробластами и наконец зрелыми нервными клетками — нейронами с отростками, способными к про ведению нервного импульса. Аналогичным образом во взрослом организме млекопитающих часть так называемых стволовых (малодифференцированных) клеток костного мозга вступает на путь специализации (дифференцировки) в эритроциты: последовательно изменяется их морфология, начинается синтез гемоглобина и наконец из них удаляется ядро и они приобретают характерную форму двояковогнутого диска. Нейрон или эритроцит является конечным этапом специализации соответствую щей стволовой клетки, поэтому их дифференцировка называется терминальной. Ни во что больше они превратиться не могут. Другие дифференцировки, например в кроветворную стволовую клетку костного мозга, не являются терминальными: стволовые клетки человека могут десятилетиями делиться, оставаясь стволовыми, но могут и вступить на путь дальнейшей дифференцировки в один из типов клеток крови (эритроциты, лимфоциты и т. д.). Из сказанного очевидно, что дифференциация зародыша происходит вследствие того, что составляющие его клетки специализируются в различных направлениях. Чем больше направлений, тем дальше заходит дифференциация зародыша. Дифференциация зародыша и специализация клеток — связанные, но совсем не идентичные понятия.

Наконец, последним, пятым этапом развития можно считать формообразование (морфогенез) органов. Обычно это начинается в зародыше тогда, когда клеточная специализация еще зашла недалеко и клетки внешне мало отличаются друг от друга. Но само участие клеток в образовании того, а не иного органа уже является проявлением их частичной дифференцировки. Развитие органов, иногда очень сложной формы (например, глаза), достигается пу тем направленных перемещений клеток, изменения их формы и нередко преимущественного деления в тех или иных частях органа. Для того чтобы образовать орган, составляющие его клетки должны отличаться от клеток, образующих другие органы. Они должны обладать специальными свойствами, позволяющими им, например, сформировать пласт, сгибающийся в нервную трубку, — зачаток мозга или собираться в пять вытянутых скоплений — зачатки пальцев. Когда форма органа уже создана, происходит дальнейшая дифференцировка, необходимая Для функционирования органа. Например, сначала формируется поджелудочная железа как орган (и для этого ее клетки должны быть соответствующим образом дифференцированы), а затем ее клетки специализируются дальше и превращаются в железистые клетки, т. е. начинают синтезировать и выделять пищеварительные ферменты.

Формообразование — один из наиболее интригующих, но в то же время и один из наименее изученных процессов развития. Имея подробные описания морфогенеза, хорошо зная, что процессы морфогенеза однозначно определены генами, т. е. синтезированными под их контролем белками, мы не можем пока представить, каким образом белковые молекулы определяют поведение клеток — их направленное движение, их форму, их отношения друг с другом и т. д. Механизмы этих процессов естественно искать в свойствах клеточной поверхности, но это общее утверждение пока остается в большой степени голословным.

Говоря о «настоящем» развитии, мы не вправе забывать о вегетативном размножении, при котором половой процесс отсутствует. Этот вид размножения обычно наблюдается у неподвижных организмов — растений и прикрепленных просто организованных форм животных (губки, кишечнополостные), хотя пресноводную гидру, обычно размножающуюся почкованием, совсем неподвижной назвать нельзя. При вегетативном размножении отсутствуют три первых этапа — образование гамет, оплодотворение и дробление. Дифференцировка также ограничена, так как многие, хотя и не все, виды тканей родительского организма уже присутствуют в самом начале. При почковании гидры, например, оба слоя стенки тела — энтодерма и эктодерма — образуют соответствующие слои у почки, но происходит формообразование новых щупалец и ротового аппарата.

Кроме полового и вегетативного размножения, сложные процессы формообразования и клеточной дифференцировки происходят при регенерации — восстановлении утраченных органов. Червя или гидру можно разрезать на несколько частей, и каждая из них способна образовать небольшой целый организм. Кажется заманчивым свести все, что происходит во время этих трех явлений, к одним и тем же процессам. Трудно себе представить, что в ДНК простых многоклеточных содержатся три различные про граммы: для развития зародыша из яйца, для вегетативного размножения и для регенерации. Тем не менее, хотя во всех этих явлениях есть очень много общего, каждое из них имеет свои специфические особенности.

5. Бессмертие клеток зародышевого пути

Половые клетки — яйца и сперматозоиды — завершают свое образование в половых железах взрослого животного. Если развитие половых желез проследить назад, к эмбриональным стадиям, можно убедиться, что будущие половые клетки (их называют гоноцитами) у большинства животных не сразу становятся частью половых желез. Гоноциты удается иногда обнаружить уже на самых ранних стадиях развития и проследить их последующую судьбу. Оказалось, что они закладываются самостоятельно и мигрируют в формирующуюся половую железу на более поздней стадии развития зародыша. Этих данных о раннем обособлении половых клеток не мог знать Август Вейсман (1834–1914), но тем не менее еще в конце прошлого века он сформулировал представление о «зародышевом пути» и «зародышевой плазме», во многом сохранившие свое значение до сих пор.

Происхождение и судьбу всех клеток организма в ходе его развития, начиная от яйца, можно представить в виде ветвящегося «родословного древа», в котором яйцо находится в основании, а специализированные клетки органов — на кончиках ветвей. Каждый акт дифференцировки — разделение одного типа клеток на два, отличающихся друг от друга, — выглядит на этой схеме как расхождение одной толстой ветви на две более тонкие. Теоретически, а часто и практически происхождение каждого типа специализированных клеток взрослого организма можно про следить, возвращаясь назад, через все деления, к яйцу. Среди «родословных» различных клеток можно выделить и происхождение половых клеток. Внешне на схеме оно не отличается от путей происхождения остальных клеток. Однако отличия есть, и принципиальные. Дело в том, что половая клетка дает начало новому яйцу, в то время как все остальные — органам и тканям взрослого организма. И судьба их различна: яйца и сперматозоиды дают начало новому организму, т. е. снова делятся и снова образуют все типы клеток, а остальные клетки организма погибают вместе с ним. В этом смысле организм состоит как бы из двух частей: одной — потенциально бессмертной — генеративной, второй — неизбежно погибающей, смертной — соматической (генерацио — размножение, сома — тело).

Если мы теперь на схеме проследим судьбу половых клеток — от яйца и до яйца, то мы вправе продолжить этот «зародышевый путь» и вперед, в будущие поколения, и назад, в прошлое. Судьба же соматических клеток тоже начинается от яйца, но обрывается вместе с гибелью организма. «Зародышевый путь» каждого вида тянется на зад через тысячи поколений до того момента, когда возник данный вид животных. Понятие это весьма условно, и если, например, «зародышевый путь» человека считать назад до появления кроманьонца, то это будет 40 тыс. лет и около двух тысяч поколений, а если до рамапитека (предполагаемое ответвление от линии человекообразных обезьян), то 10–15 млн. лет и соответственно около миллиона поколений.

Для схемы А. Вейсмана не очень важно, отличаются ли принципиально клетки «зародышевого пути» от соматических клеток. Но сам А. Вейсман считал эти различия принципиальными: он полагал, что только в клетках «зародышевого пути» сохраняется носитель наследственности — вся бессмертная «плазма», а в соматические клетки попадают только части этой плазмы. Сейчас, когда мы знаем, что «зародышевой плазмой» Вейсмана являются хромосомы, точнее, ДНК в них, очевидно, что отличия генеративной и соматической частей организма в этом смысле не принципиальны — обычно весь набор хромосом передается всем клеткам развивающегося организма. Однако раннее обособление будущих половых клеток и другие данные (см. ниже) говорят о том, что некоторые изменения в ДНК соматических клеток животных все же могут происходить, в то время как в генеративных клетках такие изменения происходят только в очень редких случаях (мутации) и приводят к изменениям признаков во всех последующих поколениях.

Разделение организма на генеративную и соматическую части в принципе оказалось существенным для создания теоретических основ современной генетики. Не случайно против этих очевидных представлений выступали против ники генетики и дарвинизма — ламаркисты, которые, одна ко, справедливо связали имя Вейсмана с именами основоположников генетики — Менделя и Моргана.

6. Биологический смысл сомы

Если главный или даже единственный критерий для естественного отбора — способность к размножению, а размножаются клетки «зародышевого пути», то для чего существует «сома», т. е. весь остальной организм? Почему в ходе эволюции стало необходимо, чтобы в каждом поколении заново возникала соматическая часть организма, например лев с его гривой, клыками и когтями, сердцем и мозгом? Ответ на этот вопрос однозначен: только для того, чтобы обеспечить размножение клеток генеративной части — защитить их в зародыше, в новорожденном львенке, во взрослой львице и размножить в ее потомстве, которое останется жить и вырастет благодаря материнской заботе. Эта же мысль содержится в таком, несколько парадоксальном, выражении: «Курица — это средство, с помощью которого одно яйцо делает другое».

Соматическая часть организма служит как бы чехлом для генеративных клеток. Половые клетки различных видов животных отличаются несущественно, и общая структура (но не качество и количество заложенной в ней информации) их «зародышевой плазмы», т. е. ДНК, как вид макромолекул в ходе эволюции совершенно не изменилась. Зато «чехол» стал поразительно разнообразен — от оболочки вирусов до человеческого тела.

Соматическая и генеративная части выступают раз дельно уже на доклеточном уровне жизни — у вирусов. Вирус табачной мозаики (ВТМ) — один из простейших. Его генеративная часть — молекула РНК[1], а соматическая — трубчатый чехол, собранный из белковых молекул. Он защищает РНК, нужен для переноса ее от одной растительной клетки к другой, способствует внедрению РНК в клетку, но затем белковый чехол «погибает». В клетке хозяина РНК размножается и участвует в синтезе новых молекул белка, которые вновь образуют оболочку ВТМ.

Такое простое устройство вирусных частиц, состоящих из немногих видов белковых молекул, возможно лишь потому, что эти организмы размножаются в сложно устроенных клетках хозяина и используют их аппарат синтеза нуклеиновых кислот и белков для своих нужд, подобно тому как кукушка подбрасывает яйца в чужие гнезда и использует заботу о потомстве других птиц для выведения своего птенца.

У одноклеточных прокариотических организмов (бактерий) соматическая часть намного сложнее вирусной. Здесь молекулу ДНК окружает большая клетка, способная к самостоятельному существованию.

Эукариотические одноклеточные, например амеба, при обретают дополнительные элементы «чехла» — их ДНК входит в состав хромосом, а хромосомы собраны в ядро и отделены от цитоплазмы ядерной мембраной. У инфузории разделение на соматическую и генеративную части еще сложнее: собственно генеративными и бессмертными у них являются лишь микронуклеусы — ядра, участвующие в половом процессе. Макронуклеус — производное микронуклеуса — всего лишь соматическое ядро, в ко тором обычно содержится лишь часть генов микронуклеуса. Таким образом, эволюция у инфузорий пошла тем же путем разделения сомы и генеративной части, что и у многоклеточных. Однако инфузории ухитрились сделать это в пределах одной клетки за счет образования двух типов ядер.

Настоящий «зародышевый путь» Вейсмана (не молекул, а клеток) возникает только с многоклеточностью. У миксомицетов многоклеточными являются только последние стадии жизненного цикла после агрегации миксамеб. Клетки, случайно оказавшиеся недалеко от центра агрегации, в результате ряда перемещений попадут в верхний отдел стебля и образуют споры, т. е. станут генеративной частью. В следующем поколении, когда споры станут миксамебами, только некоторые из них сохраняют свое генеративное значение, в то время как остальные будут играть роль соматической части плодового тела.

Гидра всегда остается многоклеточным организмом. У нее отделение генеративной части от сомы не очень строгое: половые продукты образуются из так называемых i-клеток, которые дают начало и многим другим видам клеток этого животного. Остальные клетки гидры играют сугубо соматическую роль: клетки подошвы обеспечивают прикрепление к субстрату, клетки щупалец помогают хватать добычу и т. д.

Все последующее усложнение соматической части в эволюции многоклеточных животных уже не принципиально. Усложняются только способы защиты «зародышевой плазмы» и способы обеспечения ее размножения. В частности, животные приобретают подвижность, у них усложняются органы чувств, которые помогают им охотиться, защищаться от врагов, а также отыскивать партнера для спаривания. Возникают различные способы за боты о потомстве — от выбора сроков и места откладки яиц до охраны и обучения молодого поколения.

По мере усложнения организации все большую роль играет целесообразное поведение (хотя элементарное по ведение есть уже и у амебы) и развитие нервной системы, которая достигает наибольшего расцвета у человека. Как бы парадоксально это ни звучало, но в чисто биологическом смысле такое совершенное существо, как человек, возникло в ходе эволюции для одной цели — оставить потомство, т. е. наилучшим способом сохранить и распространить свою «зародышевую плазму» — ДНК. Однако в усложнении организации человеческого мозга эволюция, очевидно, перешла некоторый порог. Это выразилось в том, что человек вступил на путь цивилизации и сам поставил перед собой цели, уже не только биологические.

7. Биологический смысл генеративной части

Если назначение соматической части организма — быть «чехлом» для генеративной части, то можно ли говорить о биологическом смысле существования «зародышевой плазмы»? По-видимому, слово «смысл» здесь мало применимо. Однако можно говорить о содержании записанной в ДНК информации и о роли этой информации.

Так, ДНК (или РНК) вирусов кодирует белки оболочки и белки, которые обеспечивают репликацию и сборку вирусной частицы. Белков этих немного и длина ДНК соответственно невелика. Вся остальная информация, нужная для размножения вируса, записана в ДНК клеток хозяина. ДНК бактерий определяет синтез белков, необходимых для осуществления всех функций клетки, в том числе для образования спор и прорастания. Поэтому количество ДНК у бактерий в 10—100 раз больше, чем у виру сов. В ДНК многоклеточных животных содержится информация, необходимая для построения и функционирования всей соматической части организма — от структуры белков до наследуемых особенностей психики. Количество ДНК, способное закодировать эту огромную информацию, должно быть увеличено по сравнению с бактериями еще на порядок. Но фактически оно оказывается больше, чем у бактерий, в 100 или даже в 1000 раз.

Дело, вероятно, в том, что в ДНК высокоорганизованных животных записана информация не просто о строении взрослого организма, но и о его развитии. Взрослый организм многоклеточных лишь одна из стадий жизненного цикла, иногда, как у некоторых насекомых, не самая продолжительная. Генеративная часть кодирует все свойства сомы, т. е. все стадии жизненного цикла и последовательную смену этих стадий. Так, некоторые паразитические черви сменяют в течение жизни несколько разных хозяев и размножаются на нескольких «личиночных» стадиях. Их генетический аппарат, очевидно, должен кодировать до пяти различных, часто мало похожих друг на друга жизненных форм, закономерно сменяющих одна другую.

Итак, в ДНК, в генеративной части организма, не содержится фактически ничего, кроме информации о соматической части. А в ходе естественного отбора удерживаются только те признаки и свойства сомы, которые в конечном итоге способствуют размножению ДНК. В каждом поколении происходит «проверка», насколько хорошо сома приспособлена для выполнения этой своей основной задачи. Тем самым «проверяется» доброкачественность информации о признаках и свойствах соматической части организма, которая заложена в «зародышевой плазме».

Мы закончим эти рассуждения старой загадкой о том, что было раньше — курица или яйцо. С некоторыми оговорками яйцо можно считать генеративной частью (если точнее, то клеткой зародышевого пути). Эволюция кур, как и всех других живых организмов, шла путем появления мутаций в ДНК, их проявления в виде изменений сомы (т. е. изменений в строении цыпленка или курицы) и отбора этих изменений. Следовательно, каждый новый штрих, делающий курицу курицей, сначала появился в виде мутаций в генеративной части. Потом он реализовался в виде признака во взрослом организме. Затем, в случае если признак оказывался полезным в данных условиях, он распространялся среди скрещивающихся между собой птиц (кур) и становился достоянием вида. Поэтому мы вправе утверждать, что куриное яйцо появилось раньше курицы.

Подводя краткий итог этого раздела, можно сказать, что распределение ролей между генеративной частью («зародышевой плазмой» Вейсмана, ДНК по современным представлениям) и соматической частью (всем остальным организмом) нам известно: первая несет информацию о второй, а вторая способствует сохранению и размножению первой.

8. Что же такое развитие?

Все сказанное выше подготовило нас к ответу на основ ной вопрос: что же такое развитие? С одной стороны, развитие — это прохождение организмом последовательных стадий. Чем значительнее они отличаются друг от друга, чем разнообразнее происходящие при этом процессы, тем более сложным можно назвать такое развитие. Самым сложным является развитие многоклеточных животных из яйца. С другой стороны, развитие — это формирование и преобразование соматической части организма на основе информации, содержащейся в его генеративной части — ДНК. Поэтому можно сказать, что развитие — это реализация наследственной информации, которая определяет последовательное прохождение одной стадии за другой. Генеративная часть остается при этом неизменной (не считая редких и случайных мутаций) и передается следующему поколению. У одноклеточных организмов это оказывается возможным потому, что функционирование ДНК никак не отражается на ее первичной структуре, т. е. на последовательности нуклеотидов, в которой и закодированы все признаки и функции организма. Однако уже у инфузорий изоляция генеративной части достигается разделением на два типа ядер — генеративное (микронуклеус) и вегетативное (макронуклеус). При этом в ДНК макронуклеуса происходят некоторые изменения (избирательная репликация), которых нет в микронуклеусе. У многоклеточных это разделение осуществляется на уровне клеток, причем у более высокоорганизованных животных будущие половые клетки, как правило, обособляются раньше и полнее. Таким образом, эволюция шла в направлении большего обособления генеративной части и лучшей ее защиты.

Уже у тех одноклеточных, у которых можно видеть элементы развития, было обнаружено, что разные стадии жизненного цикла связаны с синтезом разных белков и контролируются разными группами генов. Смена стадий предопределяется, следовательно, сменой наборов активных генов, для чего в клетках должен существовать специальный аппарат регуляции. Механизм регуляции подобного типа у бактерий сейчас во многом известен.

Ситуация у многоклеточных сложнее. Генетический аппарат эукариот содержит значительно больше ДНК, которая находится в составе хромосом и связана с особыми белками. Сложность вызвана также и большим числом стадий развития, и главным образом тем, что по мере развития прогрессивно увеличивается число различных типов клеток. И это вместе с увеличением количества ДНК приводит к большему разнообразию наборов активных генов, функционирующих в клетках многоклеточных животных.

Таким образом, развитие, если рассматривать его с точки зрения функционирования генетического аппарата, состоит в последовательной смене наборов активных генов. Такое определение развития, как и большинство определений в биологии, односторонне, так как включает события, происходящие только на уровне ДНК. Оно и не совсем точно: изменения в активности генов у бактерий происходят и без развития, например при смене источников питания. Однако такое определение развития касается самых основных процессов, стоящих сейчас в центре внимания ученых, занимающихся биологией развития.

9. Этапы реализации генетической информации

Основная и, очевидно, непреложная концепция современной генетики и молекулярной биологии заключается в том, что все наследственные признаки передаются через ДНК (будь то ДНК хромосом или митохондрий и пластид). Из этого правила известны лишь одиночные исключения. Например, передача от делящейся инфузории дочерним клеткам некоторых особенностей расположения ресничек на мембране происходит посредством структуры самой мембраны.

ДНК кодирует только структуру белков. Поэтому необходимо объяснить, каким образом наследуемые свойства организма, включая все детали его строения и даже особенности поведения, создаются через белки, синтезируемые в ходе развития. Попытки такого объяснения встречают серьезные трудности. Эти трудности могли показаться непреодолимыми некоторым эмбриологам «домолекулярной» эпохи. Но для современных биологов очевидно, что здесь нет нерешаемых, а есть нерешенные проблемы.

Процессы реализации генетической информации можно условно разделить на три последовательных этапа: от ДНК к белку; от белка ко всем другим молекулам клетки, играющим роль в развитии, и к надмолекулярным структурам клетки, определяющим ее особенности и поведение; и наконец, от клеточных структур к формообразованию органов и всего организма.

Последние годы ознаменованы новыми находками, касающимися строения генов и структуры хромосом. Эти новые данные действительно можно назвать находками, поскольку они оказались совершенно неожиданными. Вопросы о том, как устроены гены и зачем нужна «избыточная» ДНК, стояли давно, но представить, что гены окажутся как бы «разорванными» на части-экзоны, разделенные кусками «бессмысленной» ДНК (нитронами), никто не мог. «Разорванность» генов приводит к другому неожиданному следствию — сплайсингу — вырезанию лишних кусков (копии интронов) из гигантской молекулы РНК, считанной с «большого» гена, и сшиванию отрезков, несу щих информацию о белке (копии экзонов), в одну молекулу информационной PНK (мессенджер, или мРНК). Аналогичным образом до недавних пор при построении моделей хромосом все исходили из того, что ДНК, как шубой, одета специальными хромосомными белками — гистонами. На самом же деле оказалось все наоборот: комплексы, состоящие из восьми молекул гистонов (октамеры), окру жены петлями ДНК и образуют структурные элементы укладки ДНК в хромосоме — нуклеосомы. Стало очевидно, что вопрос о том, как функционируют гены, неразрывно связан с вопросом об организации ДНК и хромосом.

Представления о последующем этапе — от мРНК к белку — за последние несколько лет принципиально не изменились. Именно на этом этапе может происходить накопление (депонирование) мРНК и регулироваться ее присоединение к рибосомам. Как мы увидим, запасание различных мРНК и последующий (иногда через многие дни или даже месяцы) синтез белка на них играют значительную роль в процессах развития. Хотя благодаря успехам молекулярной биологии процессы, происходящие на этом этапе реализации наследственной информации, известны относительно хорошо, остается еще много нерешенных проблем. Мы далеки от понимания механизмов регуляции активности генов и не знаем, для чего нужны интроны. Отсутствует пока и точное описание событий, происходящих на рибосоме во время синтеза полипептидной цепи. Не сложилось еще точных представлений о том, как из вновь синтезированных полипептидов создается сложная трехмерная структура белковой молекулы.

На следующем этапе реализации генетической информации — от молекулы белка до свойств клетки — происходит контролируемый ферментами синтез небелковых соединений, играющих роль в клеточной дифференцировке. В качестве примера можно назвать различные углеводные цепочки, которые присоединяются к белкам клеточной поверхности. Они определяют, по-видимому, специфические свойства поверхности клеток, Которые отличают их друг от друга. А эти свойства, в свою очередь, определяют способность клеток узнавать другие клетки, а затем слипаться друг с другом, образуя клеточные пласты, или, напротив, отталкиваться друг от друга.

Наконец, последний, третий этап — формообразование — является до сих пор наиболее туманной областью в биологии развития. Здесь следует выделить две самостоятельные проблемы. Первая из них заключается в том, как создаются различия между клетками, которые до того были одинаковыми. Вторая проблема — это проблема создания формы органов из клеток, для этого предназначенных. Эти проблемы встают уже при попытке объяснить развитие слизистого гриба диктиостеллума: одинаковые миксамебы, оказавшись вместе, «решают», что одни из них станут клетками базальной пластинки, другие — стеблем, а третьи дифференцируются в споры. Эта задача, по-видимому, требует привлечения представлений о «позиционной информации», когда клетка сначала должна «узнать», где она находится, и затем вести себя в зависимости от этого.

Биология развития тесно связана с рядом биологических дисциплин и фактически складывается из описатель ной, сравнительной и экспериментальной эмбриологии, генетики, молекулярной биологии и др. Мы уже говорили, что развитие можно изучать с разных сторон. Название этой книги — «Гены и развитие организма» — показывает, какая именно сторона ближе нам. Более того, нам кажется, что именно она лежит в центре не только биологии развития, но и биологии вообще.