Волькенштейн М.В. Общая биофизика

Подождите немного. Документ загружается.

9.9. ОНТОГЕНЕЗ 531

гинальных дисков. На стадии куколки большая часть органов

рассасывается, их клетки разрушаются. На этой стадии клетки

дисков дифференцируются, превращаясь в специализированные

клетки имаго — взрослой

мухи.

Опыты по трансплантации кле-

ток диска в личинку и во взрослое насекомое показали, что от-

дельные клетки дисков запрограммированы для специфической

дифференцировки. Напротив, клетки личинки, пересаженные

в брюшко взрослой дрозофилы, не дифференцируются, но де-

лятся неограниченно. С

другой

стороны, трансплантаты муж-

ского генитального диска

ведут

себя своеобразно. В течение не-

скольких генераций они развиваются в соответствии с исходной

детерминацией, а затем испытывают «трансдетерминацию», пре-

вращаясь в органы, в норме возникающие лишь из клеток има-

гинального зачатка головы или ноги соответственно. Хадорн,

проводивший эти интересные опыты, считает, что в процессе

трансдетерминации происходит изменение активности генов —

вместо одних генов начинают действовать

другие

[114].

Из

всей системы представлений современной биологии сле-

дует,

что индивидуальная особь, фенотип, возникает в резуль-

тате

рецепции содержания, ценности генетической информации.

Соответственно можно говорить об эпигенетике, как о ветви био-

логии, изучающей причинные взаимодействия

между

генами и

их продуктами, образующими фенотип [107, 115].

Представим очень

грубую

схему

эпигенетики. Гены

проду-

цируют белки. Белки-ферменты катализируют метаболические

процессы в цитоплазме. Уже в

пределах

одной клетки реали-

зуется

множество обратных связей

между

компонентами цито-

плазмы, возникшими в

результате

действия генов, и генами.

Действие генов оказывается регулируемым, уже на стадии дро-

бления реализованы межклеточные взаимодействия, также ока-

зывающие мощное

регулирующее

влияние на действие генов.

Значение внутриклеточной регуляции в эпигенетике ярко де-

монстрируется опытами, проведенными над клетками морского

ежа (см. [108]). Если разделить первые два бластомера и куль-

тивировать их независимо

друг

от

друга,

то получаются две нор-

мальные личинки половинного размера. Если на более поздней

стадии дробления рассечь пополам клеточную массу в плоско-

сти, проходящей через анимальный и вегетативный полюса, то

вновь получаются две нормальные личинки. Однако, если разде-

лить яйцо морского ежа в плоскости, перпендикулярной ани-

мально-вегетативной оси, и оплодотворить половину, не содер-

жащую

ядро, то из обеих половин получатся две различные

аномальные личинки. Для нормального развития необходимы

все компоненты цитоплазмы.

Гурвич

предложил формальный

метод

трактовки межклеточ-

ных взаимодействий в морфогенезе, связав с каждой клеткой

532

ГЛ. 9.

ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ

некоторое «биологическое поле», выходящее

за

пределы клетки

влияющее

на ее

соседей. Поля нескольких клеток векторно

суммируются

вызывают перемещение клеток, необходимое

для

формообразования

[116]. Уоддингтон ввел понятие

«эпигенетиче-

ского

ландшафта» [117]. Развитие организма уподобляется

дви-

жению

по

пересеченной местности. Маршрут движения либо

жестко диктуется характером местности, либо может быть

из-

менен

сравнительно малыми воздействиями.

Основной

факт состоит

в том, что все

соматические клетки

данного многоклеточного организма содержат один

и тот же

набор генов, тождественный (если отвлечься

от

очень редких

соматических мутаций) геному исходной зиготы.

Это

положение

доказано прямыми опытами. Гердон установил,

что

если пере-

садить ядро клетки эпителия кишечника головастика

икринку

лягушки, ядро которой предварительно разрушено ультрафиоле-

товым облучением,

то из

такой икринки развивается нормальная

особь [118].

клетке кишечного эпителия действие генов

спе-

циализировано,

по-видимому, вследствие репрессии большей

их

части.

При

переносе специализированного генома

зиготу гены

оказываются

условиях иных взаимодействий

цитоплазмой

происходит нормальное развитие.

сущности

о том же

свиде-

тельствует

вегетативное размножение растений. Согласие

Уод-

дингтону

онтогенезе происходит канализация развития

— мор-

фогенетические потенции клеточных популяций постепенно огра-

ничиваются. Уоддингтон называет

креодом

эпигенетическую

ка-

нализованную траекторию развития, притягивающую

себе

близлежащие [115].

Из

всего изложенного

данной книге

и в

книге

[7]

следует,

что подлинное понимание онтогенеза должно основываться

не

на

чисто биологических понятиях типа «биологического пеля»

или

«эпигенетического ландшафта»,

но на

рассмотрении реаль-

ных физико-химических внутри-

межклеточных взаимодей-

ствий

движения клеток. Химические исследования клеточной

дифференцировки

уже

привели

важным результатам.

част-

ности,

Уэсселс

Раттер выращивали

культуру

эмбриональной

ткани

—

клетки поджелудочной железы крысы. Этот орган

про-

изводит белки, участвующие

переваривании пищи,

гормоны,

регулирующие метаболизм углеводов.

Так

называемые

экзо-

кринные

клетки секретируют зимогены

—

предшественники

пи-

щеварительных ферментов, эндокринные клетки выделяют

гор-

моны

глюкагон

инсулин. Исследовалась продукция

всех

этих

белков

на

разных стадиях эмбрионального развития,

была

установлена корреляция содержания белка

появлением опре-

деленных внутриклеточных структур. Продукция специализиро-

ванных белков возрастает

во

времени

не

монотонно,

но

прохо-

дит через

три

регуляторные фазы

(рис. 9.12)

[119]. Установлено,

9.9.

ОНТОГЕНЕЗ

533

У/.

что мезодермальные клетки из

других

тканей промотируют диф-

ференцировку

клеток поджелудочной железы. Это, по-видимому,

объясняется действием некоего фактора, возможно, белковой

природы (см. также [171]).

Синтез

секреторных белков в

культуре

эпителиальных кле-

ток

поджелудочной железы специфично подавляется актиноми-

цином

D (веществом, блокирующим синтез РНК) как на ран-

них, так и на более поздних стадиях развития. Это объясняется

необходимостью синтеза новых

РНК

на ДНК для ускоренной про- J-

дукции секреторных белков. Если ^

актиномицин

добавлять к

культу-

рам в начале второго перехода ||

(рис.

9.12),

то синтез различных ||

специфических

белков подавляется ^

разной степени. Последователь- |

ное

подавление синтеза различных |-

белков актиномицином показывает, |

что соответствующие

мРНК

синте-

зируются в разное время (см.

стр. 41 и [171]).

По-видимому, фазы развития оп-

ределяются кооперативным дей-

ствием множества генов. Происхо-

дит одновременная активация од-

них групп генов и инактивация дру-

гих, но не последовательная акти-

вация

каждого из сотен отдельных

генов.

Возможно, что согласован-

ные

кооперативные переходы определяются изменениями хро-

мосомной

структуры.

Можно

считать, что в онтогенезе представлены два типа ос-

новных процессов. Первый тип — регуляторные внутри- и меж-

клеточные взаимодействия, обусловленные явлениями молеку-

лярной

сигнализации, молекулярного узнавания (см. гл.1). Эти

явления

ответственны за упорядоченное действие генов, за син-

тез белков, локализованный в пространстве и времени, и, тем

самым, за дифференцировку. Как указывает Майр [120], уже

Гельмгольц

утверждал,

что «поведение живых клеток должно

быть объяснимо в терминах движения молекул, подчиняющегося

определенным законам взаимодействия сил». Второй тип — ак-

тивные перемещения клеток в

результате

механохимических

процессов,

также стимулированных молекулярной сигнализацией.

Именно

эти перемещения определяют морфогенез (см. [111]).

Само

митотическое деление, начиная с появления

двух

пер-

вых бластомеров, является результатом внутриклеточных взаи-

Развитие

~*~

Рис.

9.12. Изменение продук-

ции

специализированных бел-

ков

ходе

эмбрионального

развития.

/ — продифференцированное состоя-

ние,

2 — протодифференцированное

состояние

(стадия I), 3 — дифферен

цированное

состояние (стадия II),

— дефинитивное состояние (ста-

дия

III); а, б, в — первый, второй,

третий переходы.

534 ГЛ. 9. ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ

модействий, регуляции действия генов веществами цитоплазмы

клеточной мембраны. Дифференцировка на стадии бластулы

определяется двумя причинами, имеющими самый общий харак-

тер. Первая из них — неоднородное распределение вещества в

цитоплазме исходной зиготы,вторая — неоднородность среды

внутри клеточного шара, получающегося в

результате

дробле-

ния

[108]. Наряду с этими общими причинами дифференцировка

морфогенез определяются контактной и гуморальной регуля-

цией.

На заключительных стадиях развития включается дей-

ствие гормонов. Сложный тип развития — метаморфоз у насеко-

мых— находится под контролем экдизона, гормона роста.

Установлено, что

существуют

молекулы РНК, специфичные

для данного органа. РНК, выделенная из сердца цыпленка, ин-

дуцирует

образование сердца в недифференцированной ткани

зародыша [121]. В контроле морфологической дифференцировки

биохимических изменений непосредственное участие прини-

мает цАМФ [122] (ср. стр. 41). Показано, что цАМФ может ин-

дуцировать дифференцировку и морфогенез в недифференциро-

ванных клетках in

vitro

[123].

Онтогенетическое развитие подобно филогенетическому, эво-

люционному развитию в том смысле, что развивающийся заро-

дыш представляет собой своего рода «зародышевый биоценоз»,

котором сосуществуют популяции специализированных клеток.

Сам

«зародышевый биоценоз» этими популяциями и форми-

руется. В отличие от биоценоза в точном смысле этого слова

«зародышевый биоценоз» не статистическая, но динамическая

система с точно определенным поведением. Делящиеся клетки

не

участвуют

в борьбе за существование и не подвержены слу-

чайной

изменчивости. Развитие определяется всецело качеством,

т. е. ценностью генетической информации. По мере развития

ценность

информации возрастает, так как повышается специа-

лизация

клеток. Это ярко демонстрируется описанными опытами

по

трансплантации презумптивных органов — заменой мульти-

потентности зачатков на ранних стадиях эмбриогенеза их пол-

ной

детерминированностью на более поздних стадиях. Фенотн-

пическая

молекулярная специализация находит свое прямое вы-

ражение в иммунологических взаимоотношениях (см. §

9.11).

Сходство индивидуального и эволюционного развития было

сформулировано в биогенетическом законе Геккеля: «Онтогенез

повторяет филогенез». В действительности, если и можно гово-

рить о повторении,

рекапитуляции,

стадий филогенетического

ряда в онтогенезе, то дело сводится лишь к

тому,

что зародыши

разных видов тем более сходны

друг

с другом, чем теснее их

родство и чем более ранние стадии развития сравниваются. Тео-

рия

рекапитуляции Геккеля встречается с непреодолимыми

трудностями (см. [124]). Сходство ранних зародышей рыбы,

9.10.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ

МОДЕЛИРОВАНИЕ

ОНТОГЕНЕЗА

535

птицы

и мелкопитающего можно трактовать как

результат

эво-

люционного отбора единого типа развития. Такой единый тип

образуется вследствие сохранения общей информационной

структуры, возникшей путем эволюции. Ранее накопленная ин-

формация

не исчезает и эволюционное развитие не начинается

заново

на каждом этапе. Эволюция фиксирует определенные

биологические архетипы, что, в конечном счете, должно сво-

диться к фиксации химических архетипов.

§ 9.10. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОНТОГЕНЕЗА

Краткие

сведения об онтогенезе, приведенные выше, показы-

вают, что он представляет собой необычайно сложную совокуп-

ность процессов. В сущности, это самые сложные процессы из

всех,

с которыми до сих пор встречалась наука. Мы распола-

гаем пока знанием ряда поразительных биологических фактов,

но

лишь в немногих случаях имеем сведения о тех или иных мо-

лекулярных событиях в онтогенезе. Построение молекулярной

теории онтогенеза, сколько-нибудь полное раскрытие его

меха-

низмов

— дело

будущего.

Однако имеющиеся данные позволяют

уже сегодня провести теоретическое моделирование основных

черт онтогенеза и, тем самым, продвинуться на пути познания

его сущности.

Грубо

говоря,

следует

различать три типа моде-

лей — биологические (модель биологического поля Гурвича

[116], эпигенетические модели Уоддингтона [107, 115, 117]), ло-

гико-математические и физико-химические модели. Общая тен-

денция

состоит во все большем приближении теоретической мо-

дели к реальным физико-химическим процессам, протекающим

онтогенетическом развитии.

Начнем

с краткого рассмотрения логико-математических мо-

делей. О биологических моделях уже упоминалось в § 9.9.

Д'Арси Томпсон предложил общий аналитический

подход

изучению формы у близких видов [125] (ср. [124]). Согласно

предложенной гипотезе, если принять форму некоторого орга-

низма

за эталон и представить ее в некоторой прямоугольной

системе координат, то форму

другого

организма, близкого к эта-

лонному, можно рассматривать как

результат

непрерывной де-

формации

исходной координатной системы. Однако эта теория

трансформаций

является

сугубо

феноменологической, не имеет

никаких

физических оснований и не раскрывает механизмы мор-

фогенеза. Розен предпринял попытку математически обосновать

гипотезу Д'Арси Томпсона, исходя из принципа оптимальности

[124]. Полученные результаты имеют формальный характер. Не

исключено,

что они приобретут в дальнейшем серьезное значе-

ние

при объединении с физико-химическими теориями, но пока

теория трансформации остается вне пределов биофизики.

536 ГЛ. Я. ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ

Том предложил абстрактную математическую теорию мор-

фогенеза, основанную на весьма общих феноменологических

представлениях [126, 127]. Исходная идея Тома — «структурная

устойчивость». Некоторый процесс Р структурно

устойчив,

если

небольшое изменение начальных условий переводит его в про-

цесс Р', изоморфный процессу Р. Допустим, что в ограниченном

пространстве имеется N химических веществ, изменения концен-

траций

х которых, происходящие вследствие химических реак-

ций,

описываются кинетическими уравнениями

fi(xux

...,

jc,

1 = 1, ..., N.

(9.44)

Эти уравнения определяют в ^-мерном пространстве векторное

поле / с составляющими f

. Изменение системы во времени опи-

сывается перемещением представляющей точки Xi(t) по

неко-

торой траектории, определяемой уравнениями (9.44). Так как

уравнения нелинейны, в фазовом пространстве возникают син-

гулярности, устойчивые или неустойчивые. Том называет цен-

тром притяжения системы уравнений

(9.44)

связное множество

точек, образующих предельные траектории. В гиперпространстве

система обладает сложной топологией, характеризующей путь

ее развития.

Если

| — координаты в некоторой области, где определен

процесс,

то концентрации Xi являются функциями | и времени t.

Имеем

^j- = fi {х„ I, t) + bV%,

(9.45)

где последний член описывает диффузию, рассматриваемую То-

мом как малое возмущение. Векторное поле fi структурно устой-

чиво и определяет динамическое поведение системы. Том рас-

сматривает лишь топологию развития в гиперпространстве, ис-

ходя из того, что общие черты морфогенеза

могут

быть поняты

без детализированной теории. Это положение, по-видимому, пра-

вильно.

Феноменология Тома согласуется с представлениями

Уоддингтона об эпигенетическом ландшафте и креодах.

Истин-

ный

физический смысл теории Тома сводится к наличию у нели-

нейной

химической системы множественных сингулярностей,

устойчивых и неустойчивых, и к переходам

между

ними. Для

построения

теории, доступной экспериментальной проверке, не-

обходимы достаточно конкретизированные модели, учитываю-

щие

реальные черты исследуемого процесса. Модели дифферен-

цировки

и морфогенеза сходны в методологическом отношении

с моделями периодических процессов, рассмотренными в преды-

дущей главе.

Эти подходы к рассмотрению систем, обладающих сингуляр-

ностями,

обобщены Томом [128]. Применения предложенной им

«теории катастроф» в биофизике еще не реализованы.

9.10. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОНТОГЕНЕЗА 537

Вольперт предлагает различать процессы, протекающие со

времени,

и процессы, протекающие в пространстве, — простран-

ственную регионализацию, образование структуры, морфогенез.

Отметим, что, вообще говоря, такое разделение не имеет осно-

ваний,

так как пространственное структурирование

требует

вре-

мени,

является кинетическим процессом. Можно, однако, рас-

сматривать чисто геометрические, топологические проблемы от-

дельно от кинетики.

Вольперт справедливо подчеркивает, что в биологической си-

стеме программируется путь развития, а не устройство возни-

кающего организма. Путь возникновения пространственной

структуры — в простом

случае

осевой, т. е. линейный, — можно

формализовать. Проблема состоит в объяснении регуляционного

сохранения и восстановления структуры при ее частичном раз-

рушении. Так, гидроиды, характеризуемые осевой организацией,

обнаруживают способность к регуляции, восстанавливая свою

структуру

после удаления какой-либо части. Вольперт предло-

жил соответствующую топологическую модель,

«модель

трех-

цветного флага»,

дающую

феноменологическое, качественное

объяснение регуляции развития, основанное на рассмотрении

линейного

ряда взаимодействующих элементов, каждой из ко-

торых может находиться в нескольких альтернативных состоя-

ниях

[129, 1301.

Мартинец

построил теоретическую модель организма, со-

стоящего из линейного ряда клеток. Клетка в этом ряду спо-

собна делиться лишь в том случае, если концентрация некото-

рого вещества в клетке достигает порогового уровня. Скорость

изменения

этой концентрации зависит от разности концентраций

двух

других

веществ, «морфогенов», причем одно из них может

диффундировать из клетки в клетку. Такая модель, являющаяся

модификацией

модели Тьюринга (см. стр. 418), приводит к не-

равномерному распределению материала по клеткам и к спе-

цифическому их делению. Модель описывает морфогенез в ус-

ловных терминах ([131], см. также [132]).

Общие феноменологические физические подходы к пробле-

мам онтогенеза должны, очевидно, основываться на наличии

системе множественных стационарных состояний и переходах

между

ними. Теория таких переходов применительно к биосин-

тетическим процессам развита Лавендой [133]. Основное физиче-

ское положение, из которого может исходить теория, состоит

том, что регуляция белкового синтеза, ответственная в конеч-

ном

счете за онтогенетические процессы, обеспечивается комби-

нацией

действия структурных генетических факторов и динами-

ческих биохимических процессов. Разрывный и необратимый ха-

рактер биосинтеза может реализоваться, если на его пути

имеется множество различных стационарных режимов.

538

ГЛ. 9.

ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ

Будем исходить

из

модели оперона Жакоба

Моно

(см.

1.6).

Соответствующая схема приведена

на рис. 9.13.

Ген-регу-

лятор

гр

ответствен

за

синтез белка-репрессора

подавляю-

щего работу гена-оператора

го и, тем

самым, структурного гена

сг.

Сг

производит

мРНК

кодирующую синтез фермента

Е,

превращающего

субстрат

S в

метаболит

способный обратимо

связываться

репрессором

Репрессор

Y —

аллостерический

белок, который может существовать

различных конформациях,

различающихся

по

активности связывания

оператором. Ветви

и b на рис. 9.13

представляют активную

неактивную форму

го

Рис.

9.13. Схема биосинтетических процессов.

Объяснения

тексте.

Переходы

между

ними зависят

от

концентрации метаболита

X. Скорость синтеза

мРНК

лимитируется связыванием метабо-

лита репрессором. Процессы транскрипции, трансляции

и ме-

таболической реакции разделены

во

времени.

Эти

положения

достаточно обоснованы экспериментально.

Если

репрессор

имеет

активных центров

по

отношению

X, то

степень насыщения репрессора метаболитом,

т. е.

среднее

число молекул метаболита, связанное молекулой

равно

где

Ка,К\,

..., Kt, Ki —

константа равновесия реакции

= Ko= 1 (ср. [7], гл. 7).

Так

как

лимитирующей стадией является именно взаимодей-

ствие

Y с X,

кинетическое уравнение

для

синтеза

мРНК

имеет

вид

= nv— r

(9.47)

Кроме

того,

E =

R-r

(9.48)

(9.49)

В.

10. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОНТОГЕНЕЗА

539

г<

—

константы скоростей.

Для

простоты предполагается,

что

убыль

R, Е и X

определяется мономолекулярным распадом.

Уравнение

(9.47)

зависит

от

нелинейной связи

Y с X, т. е., от

кооперативных свойств

Стационарные решения уравнений

(9.48)

(9.49)

дают

ГъГъ S

Получаем

из

уравнений

(9.46)

(9.47)

'l V!

(=0

(9.50)

(=0

где

Простейшая

схема, дающая динамическое кооперативное пове-

дение,

получается

для

репрессора

тремя центрами связывания

(п = 3). В

этом

случае

стационарные значения концентрации

метаболита

удовлетворяют уравнению

(ЗЯ,

- Lju) Xl +

(Li

- 2Ц1) Ьз

- (Ui - l)

= 0.

(9.51)

Согласно теореме Декарта число положительных корней

(9.51)

не

может превышать числа пере-

мен

знака

этом полиноме.

По-

этому

рассматриваемом

слу-

чае возможно

не

более

трех

ста-

ционарных

режимов. Зависи-

мость скорости синтеза

и рас-

пада

мРНК

от

концентрации

представлена

на рис. 9.14

[133].

Необходимое условие существо-

вания

трех

стационарных состоя-

нии

есть ЛДз

> Ai > ^А

. Наз-

личие констант

К\, /Сг, Кз

озна-

чает кооперативность. Разделив

(9.46)

на X,

получаем эффектив-

ную скорость синтеза

скорость распада

мРНК

(рис.

9.15).

Значения

Xi и Х

определяются условием

[133]

ис

9-14.

Зависимость скорости

синтеза

(Л) и

скорости распада

(В)

мРНК

от X.

°. &.

с—стационарные состояния.

*=(*

тёг)

•

В этих точках сливаются стационарные режимы, соответствую-

щие

ветвям

/ и //, // и /Я. Это —

точки ветвления, точки

540

ГЛ. 9. ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ

бифуркации. В точках бифуркации возможны неустойчивые ре-

жимы. Лавенда

характеризует

устойчивость стационарного ре-

жима посредством так называемого потенциала скоростей [133].

Анализ показывает, что ветви I и III — устойчивы, ветвь // —

неустойчива. Изменения концентрации X приводят в точках би-

фуркации к переходам

между

стабильными ветвями (рис.

9.16).

Анализ показывает, что ветвь /// является термодинамиче-

ской,

ветвь / — кинетической.

Рис.

9.15. Зависимость

эффективной

скорости

синтеза (А) и распа-

да (В)

мРНК

от X.

Рис.

9.16. Зависимость

эффективной

скорости

синтеза от X.

а и с — точки бифуркации,

ft, d — точки, соответ-

ствующие стабильным со-

стояниям.

В точках бифуркации реализуются пороговые значения кон-

центрации, которые наряду с критическими градиентами кон-

центраций определяют механизмы,

ведущие

к контролю и

регу-

ляции.

Пороговые концентрации являются функциональными

средствами контроля, зависящими от скоростей химических ре-

акций.

Критические градиенты концентраций зависят еще от

диффузии и

могут

рассматриваться как структурный контроль-

ный

механизм, в котором контроль достигается изменением гео-

метрии системы.

Таким образом, кооперативность биосинтеза определяет не-

линейность, а нелинейность приводит к наличию множественных

стационарных состояний и переходов

между

ними (см. также

[132, 134, 135]). Выше рассмотрены аналогии с фазовыми пере-

ходами

(см. §

8.12).

Регуляторные, триггерные, свойства системы, обладающей

множественными стационарными состояниями, можно проде-

монстрировать непосредственно с помощью той же модели опе-

рона. Жакоб и Моно предложили в качестве триггерной

схемы

симметричную модель

двух

оперонов, показанную на рис. 9.17

[136]. Два оперона связаны тем, что метаболит Хь продуцируе-

мый первым опероном, связывается репрессором Y

второго

оперона и наоборот. Кинетические уравнения в

отсутствие

ко-